物聯(lián)網(wǎng)導論-1-物聯(lián)網(wǎng)技術概論

桂小林11物聯(lián)網(wǎng)技術原理（第1章：物聯(lián)網(wǎng)技術概論）桂小林2課程大綱描述本課程從物聯(lián)網(wǎng)的傳感、檢測、傳輸、處理和控制等多個角度闡述物聯(lián)網(wǎng)的技術原理。主要內容包括：1〕物聯(lián)網(wǎng)的根本起源和開展歷程2〕物聯(lián)網(wǎng)的概念和特征、物聯(lián)網(wǎng)的體系結構和關鍵技術3〕物聯(lián)網(wǎng)傳感器原理4〕物聯(lián)網(wǎng)射頻標識原理5〕物聯(lián)網(wǎng)空間定位原理6〕物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信原理7〕物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲和分析技術8〕物聯(lián)網(wǎng)信息平安技術9〕物聯(lián)網(wǎng)應用設計技術桂小林3課程目的課程目的是使學生通過課程的學習，能夠深入了解物聯(lián)網(wǎng)的根本概念、關鍵技術及其應用方法，為運用這些技術和方法構建物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)打下根底。先修課程：無學時數(shù)：理論學時：48學分：4學分桂小林4桂小林5課程導引物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮?！秶鴦赵宏P于加快培育和開展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》將以物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術列為重點培育和開展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，《國民經(jīng)濟和社會開展第十二個五年規(guī)劃綱要》對培育開展以物聯(lián)網(wǎng)代表的新一代信息技術戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)做了全面部署桂小林6課程教材桂小林7第一章物聯(lián)網(wǎng)技術概論桂小林2023.3.5桂小林88課程內容桂小林9第一章物聯(lián)網(wǎng)技術概論根本要求理解物聯(lián)網(wǎng)的根本概念了解物聯(lián)網(wǎng)技術的開展歷程調研物聯(lián)網(wǎng)的典型應用收集網(wǎng)絡視頻，了解物聯(lián)網(wǎng)的特性。桂小林101.1物聯(lián)網(wǎng)的概念與特征近幾年來，伴隨著網(wǎng)絡技術、通信技術、智能嵌入技術的迅速開展，“物聯(lián)網(wǎng)〞一詞頻繁的出現(xiàn)在世人眼前。作為下一代網(wǎng)絡的重要組成局部之一，物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，受到了學術界、工業(yè)界的廣泛關注，特別是它在刺激世界經(jīng)濟復蘇和開展方面的預期作用，引起了歐、美、日、韓等興旺國家的重視，從美國IBM的“智慧地球〞到我國的“感知中國〞，各國紛紛制定了物聯(lián)網(wǎng)開展規(guī)劃并付諸于實施。業(yè)界專家普遍認為，物聯(lián)網(wǎng)技術將會帶來一場新的技術革命，它是繼個人計算機、互聯(lián)網(wǎng)及移動通信網(wǎng)絡之后的全球信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。桂小林111.1.1物聯(lián)網(wǎng)的起源與開展物聯(lián)網(wǎng)概念的起源可以追溯到1995年，比爾·蓋茨在《未來之路》一書中對信息技術未來的開展進行了預測1998年，麻省理工學院〔MIT〕提出基于RFID技術的唯一編號方案，即產(chǎn)品電子代碼〔ElectronicProductCode，EPC〕，并以EPC為根底，研究從網(wǎng)絡上獲取物品信息的自動識別技術。1999年，美國自動識別技術〔AUTO-ID〕實驗室首先提出“物聯(lián)網(wǎng)〞的概念。物聯(lián)網(wǎng)概念的正式提出是在國際電信聯(lián)盟〔ITU〕發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：“TheInternetofThings〞》報告中。桂小林122007年，美國率先在馬薩諸塞州劍橋城打造全球第一個全城無線傳感網(wǎng)。2023年1月IBM首席執(zhí)行官彭明盛提出“智慧地球〞的概念2023年6月，歐盟委員會正式提出了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動方案》1999年，中科院就啟動了傳感網(wǎng)的研究2023年8月7日，溫家寶總理在無錫微納傳感網(wǎng)工程技術研發(fā)中心視察并發(fā)表重要講話，提出了“感知中國〞的理念2023年物聯(lián)網(wǎng)新專業(yè)設立桂小林13各國均把物聯(lián)網(wǎng)作為未來

信息化戰(zhàn)略的重要內容13共同點:融合各種信息技術，突破互聯(lián)網(wǎng)的限制，將物體接入信息網(wǎng)絡，實現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)〞在網(wǎng)絡泛在的根底上，將信息技術應用到各個領域，從而影響到國民經(jīng)濟和社會生活的方方面面未來信息產(chǎn)業(yè)的開展在由信息網(wǎng)絡向全面感知和智能應用兩個方向拓展、延伸和突破。日本：

2009年8月i-Japan戰(zhàn)略中國：2009年8月感知中國歐盟：2009年6月物聯(lián)網(wǎng)行動計劃美國：

2008年底IBM向美國政府提出的”智慧的地球”戰(zhàn)略強調傳感等感知技術的應用，提出建設智慧型根底設施具體而務實，強調RFID的廣泛應用，注重信息平安在u-Japan的根底上，強調電子政務和社會信息效勞應用桂小林141.1.2物聯(lián)網(wǎng)的概念由于目前對于物聯(lián)網(wǎng)的研究尚處于起步階段，物聯(lián)網(wǎng)確實切定義尚未統(tǒng)一。物聯(lián)網(wǎng)一般的英文名稱為“InternetofThings〞。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是一個將所有物體連接起來所組成的物-物相連的互聯(lián)網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)，作為新技術，定義千差萬別。一個普遍被大家接受的定義為：物聯(lián)網(wǎng)是通過使用射頻識別〔RadioFrequencyIdentification，RFID〕、傳感器、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息采集設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。桂小林15物聯(lián)網(wǎng)的定義桂小林16全面感知、可靠傳送、智能處理人與自然和諧相處需要更多地感知物理世界物聯(lián)網(wǎng)=物理世界與信息網(wǎng)絡的無縫連接智能交通遠程醫(yī)療智能家居環(huán)境監(jiān)測公共安全綠色農(nóng)業(yè)工業(yè)監(jiān)控16物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設備按照約定的協(xié)議，把任何物品與信息網(wǎng)絡連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡，它是在互聯(lián)網(wǎng)根底上的延伸和擴展的網(wǎng)絡。物流管理桂小林171.1.3物聯(lián)網(wǎng)的特征與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)相比，物聯(lián)網(wǎng)具有以下三個主要特征，如圖1-1所示：桂小林181．全面感知“感知〞是物聯(lián)網(wǎng)的核心。物聯(lián)網(wǎng)是具有全面感知能力的物品和人所組成的，為了使物品具有感知能力，需要在物品上安裝不同類型的識別裝置，例如：電子標簽〔Tag〕、條形碼與二維碼等，或者通過傳感器、紅外感應器等感知其物理屬性和個性化特征。利用這些裝置或設備，可隨時隨地獲取物品信息，實現(xiàn)全面感知。桂小林192．可靠傳遞數(shù)據(jù)傳遞的穩(wěn)定性和可靠性是保證物-物相連的關鍵。為了實現(xiàn)物與物之間信息交互，就必須約定統(tǒng)一的通信協(xié)議。由于物聯(lián)網(wǎng)是一個異構網(wǎng)絡，不同的實體間協(xié)議標準可能存在差異，需要通過相應的軟、硬件進行轉換，保證物品之間信息的實時、準確傳遞。桂小林203．智能處理物聯(lián)網(wǎng)的目的是實現(xiàn)對各種物品〔包括人〕進行智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能。這就需要智能信息處理平臺的支撐，通過云計算、人工智能等智能計算技術，對海量數(shù)據(jù)進行存儲、分析和處理，針對不同的應用需求，對物品實施智能化的控制。桂小林21中國開展物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略意義保障國家信息平安國土平安促進工業(yè)化與信息化融合

感知中國，贏得未來搶占信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮的制高點物聯(lián)網(wǎng)21TD成功的重大契機桂小林221.2物聯(lián)網(wǎng)的體系結構認識任何事物都要有一個從整體到局部的過程，尤其對于結構復雜、功能多樣的系統(tǒng)更是如此。物聯(lián)網(wǎng)也不例外。首先，需要了解物聯(lián)網(wǎng)的整體結構，然后進一步討論其中的細節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)是一個開放型體系架構，由于處于開展階段，不同的組織和研究群體，對物聯(lián)網(wǎng)提出了不同的體系結構。但不管是三層體系結構、四層體系結構還是五層體系結構，其關鍵技術是相通和類同的。桂小林231.2.1物聯(lián)網(wǎng)體系結構的根本組成由物聯(lián)網(wǎng)特點可知，物聯(lián)網(wǎng)具有很強的異構性，為實現(xiàn)異構設備之間的互聯(lián)、互通與互操作，物聯(lián)網(wǎng)需要以一個開放的、分層的、可擴展的網(wǎng)絡體系結構為框架。目前，國內外的研究人員在描述物聯(lián)網(wǎng)的體系結構時，差異很大。如：ITU-T在Y.2002的自下而上分為底層泛在感知網(wǎng)絡、異構網(wǎng)絡接入層、骨干傳輸網(wǎng)、網(wǎng)絡中間件、泛在網(wǎng)絡應用平臺5層結構。通用四層物聯(lián)網(wǎng)體系結構，包含感知控制層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)管理與組織層、應用決策層。桂小林245層結構桂小林251.2.2物聯(lián)網(wǎng)的通用四層結構桂小林26通用四層結構感知控制層：它是物聯(lián)網(wǎng)開展和應用的根底，包括RFID讀寫器、智能傳感節(jié)點和接入網(wǎng)關等組成。各種傳感節(jié)點通過感知目標環(huán)境的相關信息，并自行組網(wǎng)傳遞到網(wǎng)關接入點，網(wǎng)關將收集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)絡提交到后臺處理。數(shù)據(jù)傳輸層：主要負責通過各種接入設備實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等不同類型的網(wǎng)絡融合。此外，還提供路由、格式轉換、地址轉換等功能。數(shù)據(jù)的動態(tài)組織與管理層：實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的語義理解、推理、決策以及提供數(shù)據(jù)的查詢、存儲、分析、挖掘等。云計算為感知數(shù)據(jù)的存儲、分析提供了很好的平臺，是信息處理的重要組成局部，也是應用層各種應用的根底。應用決策層：物聯(lián)網(wǎng)應用層利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供多種不同類型的效勞。物聯(lián)網(wǎng)的應用可分為監(jiān)控型〔物流監(jiān)控、污染監(jiān)控〕，控制型〔智能交通、智能家居〕，掃描型〔錢包、高速公路不停車收費〕等。桂小林27感知控制層感知是指對客觀事物的信息直接獲取并進行認知和理解的過程。人們對于信息獲取的需求促使其不斷研發(fā)新的技術來獲取感知信息，如傳感器、RFID、定位技術等。桂小林28數(shù)據(jù)傳輸層物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸層主要進行信息的傳送，它是物理感知世界的延伸，更好地實現(xiàn)物與物之間的通信、物與人之間的通信以及人與人之間的通信。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)的據(jù)傳輸層主要包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩層結構學生調研桂小林29數(shù)據(jù)管理層數(shù)據(jù)管理層那么是利用云計算平臺實現(xiàn)海量感知數(shù)據(jù)的動態(tài)組織與管理，云計算技術的運用，使數(shù)以億計的各類物品的實時動態(tài)管理變得可能。隨著物聯(lián)網(wǎng)應用的開展、終端數(shù)量的增長，通過借助云計算處理海量信息，進行輔助決策，提升物聯(lián)網(wǎng)信息處理能力。(1)智能計算(2)海量數(shù)據(jù)存儲、檢索。。。桂小林30應用決策層物聯(lián)網(wǎng)技術綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、互聯(lián)網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等多種領域技術,具有十分廣闊的應用前景，在智能家居、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、遠程醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等眾多領域有著廣泛的應用價值。桂小林31智能處理層：智能處理層是整個系統(tǒng)的核心，它的主要功能是數(shù)據(jù)存儲和多源數(shù)據(jù)的協(xié)同分析。通過在效勞器上部署智能分析處理程序，針對單一探測器所采集的數(shù)據(jù)，調用相應的功能模塊進行分析，對同一區(qū)域的其它探測器所采集的信息進行綜合分析，實現(xiàn)異常事件的智能判斷。應用決策層：應用決策層的主要是系統(tǒng)的應用展示和管理。用戶可以通過智能、平板電腦等遠程監(jiān)控終端監(jiān)控和管理系統(tǒng)，及時對監(jiān)測到的各種事件進行決策處理。桂小林321.2.3物聯(lián)網(wǎng)的通用三層體系結構桂小林331〕感知控制層作為物聯(lián)網(wǎng)的核心層，該層主要用于物品標識和信息的智能采集，它由根本的感應器件〔例如RFID標簽和讀寫器、各類傳感器、攝像頭、GPS、二維碼標簽和識讀器等根本標識和傳感器件組成〕，以及感應器組成的網(wǎng)絡〔例如RFID網(wǎng)絡、傳感器網(wǎng)絡等〕兩大局部組成。該層的核心技術包括電子射頻技術、新興傳感器技術、無線網(wǎng)絡組網(wǎng)技術、現(xiàn)場總線控制技術〔FCS〕等，涉及的核心產(chǎn)品包括傳感器、電子標簽、傳感器節(jié)點、無線路由器、無線網(wǎng)關等。桂小林342〕數(shù)據(jù)傳輸層數(shù)據(jù)傳輸層主要完成接入和傳輸功能，是進行信息交換、傳遞的數(shù)據(jù)通路，包括接入網(wǎng)與傳輸網(wǎng)兩種。傳輸網(wǎng)由公網(wǎng)和專網(wǎng)組成，典型傳輸網(wǎng)絡包括電信網(wǎng)〔固網(wǎng)、移動網(wǎng)〕、廣電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電力通信網(wǎng)、專用網(wǎng)〔數(shù)字集群〕。接入網(wǎng)包括光纖接入、無線接入、以太網(wǎng)接入、衛(wèi)星接入等各類接入方式，實現(xiàn)底層的傳感器網(wǎng)絡、RFID網(wǎng)絡的最后一公里的接入。桂小林353〕數(shù)據(jù)處理層據(jù)處理層由業(yè)務支撐平臺〔中間件平臺〕、網(wǎng)絡管理平臺〔例如M2M管理平臺〕、信息處理平臺、信息平安平臺、效勞支撐平臺等組成，完成協(xié)同、管理、計算、存儲、分析、挖掘、以及提供面向行業(yè)和群眾用戶的效勞等功能，典型技術包括中間件技術、虛擬技術、高可信技術，云計算效勞模式、SOA系統(tǒng)架構方法、大數(shù)據(jù)處理等先進技術和效勞模式也可以被廣泛采用。桂小林361.3物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)后又一次技術的革新，代表著未來計算機與通信的開展方向。這次革新也取決于一些重要領域的動態(tài)技術創(chuàng)新，從RFID、EPC、傳感技術到認知網(wǎng)絡、云計算等。物聯(lián)網(wǎng)開展的關鍵技術如圖2-12所示，其中負責物體標識的RFID技術、感知物體動態(tài)信息的傳感器技術、實現(xiàn)信息傳遞的通信技術和網(wǎng)絡融合技術、信息處理的智能技術我們稱之為物聯(lián)網(wǎng)的四大關鍵技術。桂小林371.3.1感知標識技術感知和標識是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)“物物相聯(lián)，人物互動〞的根底，各種類型的傳感器在彌合物理和虛擬世界差距方面發(fā)揮了關鍵作用，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、獲取、傳輸、處理、應用是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成局部，其中數(shù)據(jù)的獲取是物聯(lián)網(wǎng)智能信息化的重要環(huán)節(jié)之一，沒有它，物聯(lián)網(wǎng)也就成了無水之源、無本之木。桂小林38桂小林391.3.2網(wǎng)絡與通信技術物聯(lián)網(wǎng)本質上是泛在網(wǎng)絡，需要融合現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)絡，并引入新的通信網(wǎng)絡。要實現(xiàn)泛在的物聯(lián)網(wǎng)，異構網(wǎng)絡的融合是一個重要的技術問題。三網(wǎng)融合技術：“三網(wǎng)融合〞又叫“三網(wǎng)合一〞〔即FDDX〕，意指電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和計算機通信網(wǎng)的相互滲透、互相兼容、并逐步整合成為全世界統(tǒng)一的信息通信網(wǎng)絡。桂小林401.3.3云計算技術物聯(lián)網(wǎng)聚集海量數(shù)據(jù)海量數(shù)據(jù)需要有效組織、管理、存儲高效數(shù)據(jù)處理時物聯(lián)網(wǎng)的核心需要運用的云計算技術處理海量數(shù)據(jù)虛擬化Map-reduce。。。。桂小林411.3.4平安技術由于物聯(lián)網(wǎng)終端感知網(wǎng)絡的私有特性，因此平安也是一個必須面對的問題。物聯(lián)網(wǎng)中的傳感節(jié)點通常需要部署在無人值守、不可控制的環(huán)境中，除了受到一般無線網(wǎng)絡所面臨的信息泄露、信息篡改、重放攻擊、拒絕效勞等多種威脅外，還面臨傳感節(jié)點容易被攻擊者獲取，通過物理手段獲取存儲在節(jié)點中的所有信息，從而侵入網(wǎng)絡、控制網(wǎng)絡的威脅。涉及到平安的主要有程序內容、運行使用、信息傳輸?shù)确矫?。位置是物?lián)網(wǎng)的核心效勞。位置隱私成為物聯(lián)網(wǎng)推廣應用的核心技術。桂小林42因此，物聯(lián)網(wǎng)需要云計算支撐，必須解決人們關注的隱私平安問題。用戶數(shù)據(jù)應用桂小林431.4物聯(lián)網(wǎng)應用技術目前，具有代表性的物聯(lián)網(wǎng)架構主要可以分為四類：1)基于傳感器技術的無線傳感網(wǎng)體系結構；2)基于互聯(lián)網(wǎng)和射頻識別技術的EPC、UID系統(tǒng)；3)學術界和企業(yè)提出的M2M、4)CPS系統(tǒng)框架。下面我們就分別介紹這些相關應用框架。桂小林441.4.1無線傳感器網(wǎng)絡〔WSN〕桂小林451.4.2EPC/UID系統(tǒng)桂小林46EPC/UID系統(tǒng)EPC(ElectronicProductCode)電子產(chǎn)品編碼的概念最早由美國麻省理工大學(MIT)的Sarma和Brock教授在1999年提出的，其核心思想是為每一個產(chǎn)品提供唯一的電子標識符，通過射頻識別技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動標識和采集。2003年，國際物品編碼協(xié)會(EAN)和美國統(tǒng)一代碼協(xié)會(UCC)聯(lián)合成立了EPC—global，以推動EPC技術在商業(yè)上的應用。桂小林47EPC編碼體系有EPC-64，EPC-96和EPC-256三種。使用較多的是EPC-64編碼體系，而新一代的EPC標簽將采用EPC-96編碼體系，其具體結構如