物联网(IOT)简介.doc

(完整word版)物联网(IOT)简介物联网简介1物联网的定义随着各种传感器技术、信息技术、网络技术的发展，物联网技术应运而生。比尔盖茨1995年未来之路一书中提及物物互联。1998年麻省理工学院提出了当时被称作EPC系统的物联网构想。1999年，在物品编码，RFID技术的基础上Auto-ID公司提出了物联网的概念。2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了ITU互联网报告2005：物联网，其在报告中称以物联网为核心技术的通信时代就要来临。现如今，各国政府重视下一代的技术规划，纷纷将物联网作为信息技术发展的重点。2008年11月，题为智慧地球：下一代领导人议程的讲话由美国IBM公司总裁在纽约对外关系理事会上发表，他正式提出了“智慧地球”(Smarter Planet)的最新策略，并且希望在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，从而带动经济的发展和社会的进步，希望以此掀起“互联网”浪潮之后的又一次科技产业革命。2009年1月，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。2009年，在欧盟委员会的资助下，物联网战略研究路线图和RFID与物联网模型等对物联网概念有重要推广作用的意见书由欧洲物联网研究项目工作组（CERP-IoT）制订。同年，日本针对物联网发展趋势也制订了i-Japan计划。2009年8月，温家宝总理来到江苏省无锡市，对中科院所属的高新传感网工程技术研发中心进行了考察，在认真参观了解后，提出了“感知中国”的想法，针对中国现状提出了要尽早策划未来发展，尽早掌握关键技术，并且指示尽早构建中国的传感信息技术中心；并提出“要尽全力掌握物联网、传感网的核心技术，提早对后IP时代相关的技术研发工作进行详细部署，借助信息网络产业的动力加快产业升级步伐、快速迈向信息社会”。随着中美两国领导人的表态，物联网作为“智慧地球”的核心技术之一，被各方提到空前的高度，备受关注，成为目前研究的热点。1999年，Ashton教授在研究RFID时，在美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网(InternetofThings)这个词，Ashton最初的定义是：“就是当今的电脑以及互联网几乎完全依赖于人类来提供信息。互联网上大约有50petabytes(一个petabyte为1,024 terabytes) 的数据，其中大部分最初由人来获取和创建的，通过打反字、录音、照相或扫描条码等方式。传统的互联网蓝图中忽略了为数最多并且最重要的节点人。而问题是，人的时间、精力和准确度都是有限的，他们并不适于从真实世界中截获信息。这是一个大问题。我们生活于一个物质世界中，我们不能把虚拟的信息当作粮食吃，也不能当作柴火来烧。想法和信息很重要，但物质世界是更本质的。当今的信息技术如此依赖于人产生的信息，以至于我们的电脑更了解思想而不是物质。如果电脑能不借助我们的帮助，就获知物质世界中各种可以被获取的信息，我们将能够跟踪和计量那些物质，极大地减少浪费、损失和消耗。我们将知晓物品何时需要更换、维修或召回，他们是新的还是过了有效期。物联网有改变世界的潜能，就像互联网一样，甚至更多。”从技术层面上讲，物联网技术就是通过射频识别、传感器、全球定位系统、激光扫描器等前端的信息采集系统，采集各种需要的数据信息，再通过互联网等网络技术将数据传输到云计算中心进行处理，最后根据分析处理的最终结果对前端进行智能化的控制。从应用层面上讲，物联网是指世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与现有的互联网结合，实现人类社会与管理系统的整合，达到更加精细和生动的方式管理生产和生活。物联网的英文名称为The Internet of Things。由该名称可见，物联网就是“物与物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网仍然以互联网作为基础和支撑，可以说物联网是在互联网的基础上之上延伸和扩展的一种网络；第二，物联网将联系的范围扩展到了物与物之间，在很大程度上扩展了互联网之间的联系。在物联网当中存在大量的传感器以及监控设备等，通过这些设备进行信息的收集，将收集的信息通过互联网进行传输，同时对各种设备、物体进行智能化的控制。物联网一般为无线网，由于每个人周围的设备可以达到一千至五千个，所以物联网可能要包含500兆至一千兆个物体，在物联网上，每个人都可以应用电子标签将真实的物体上网联结，在物联网上都可以查找出它们的具体位置。通过物联网可以用中心计算机对机器、设备、人员进行集中管理、控制，也可以对家庭设备、汽车进行遥控，以及搜寻位置、防止物品被盗等各种应用。物联网改变了人与自然界的交互方式，实现人与人、人与物、物与物之间的互联，把虚拟的信息世界与现实的物理世界链接起来，融为一体，扩展了现有网络的功能和管理层能力。是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域。如今，物联网已经成为一个全球关注的词语，因为物联网技术涉及到信息技术的各个方面，所以称物联网技术是信息技术的第三次革命性创新。 2物联网的特点物联网源于对物品识别的需求，但在当前技术背景下，物联网所能够或者应该实现的功能目标，已经远远超过了简单的物品识别目的，其与传统网络相比具有的特点，需要从系统的角度去研究和思考。物联网的网络由诸多异构网络和多样化的终端设备组成，这种异构的特点决定了物联网与传统网络的诸多不同之处。第一，物联网是各种感知技术的广泛应用。全面感知就是对物的生存状态和环境信息实时感知，包括近距离的感知（通过传感器感知物理量）、远距离感知（通过网络传递感知信息）和双向感知。在物联网当中，存在大量不同类型以及功能的传感器，每个传感器都是一个信息源，这些传感器为物联网提供大量的信息。由于传感器功能的差异，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。而且传感器获得的数据具有实时性，需要按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。第二，物联网是一种建立在互联网上的泛在网络。可靠传输就是以互联网为基础，对需要联网的物体提供互联互通的网络，随时随地进行可靠的信息交互、信息反馈、自动化控制和智能自治管理。物联网技术的重要基础和核心依旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息。这些设备搜集的大量信息需要由互联网进行传输，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。第三，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。智能处理利用云计算技术，对感知数据和信息进行分析处理，评估物体的生存状态和环境改变，对物实施相应的控制策略，进行信息施救，并对信息施救效果进行评估。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，使自动化的智能控制技术深入到各个领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。3物联网的体系结构目前，物联网还没有一个被广泛认同的体系结构，但是，我们可以根据物联网对信息感知、传输、处理的过程将其划分为三层结构，即感知层、网络层和应用层，具体体系结构如图1所示。物联网中由于要实现物与物和人与物的通信，感知层是必需的。感知层在物联网中属于信息收集的主要部分，主要用于对物理世界中的各类物理量、标识、音频、视频等数据的采集与感知。数据采集主要由各种型号以及功能不同的传感器、RFID、二维码等组成，这些传感器相当于人体的感觉器官，负责感知外界的信息，对各种信息进行分析识别，收集有用信息，为后续工作的开展奠定基础。感知层的关键技术包括传感器、RFID、GPS、自组织网络、传感器网络、短距离无线通信等。感知层必须解决低功耗、低成本和小型化的问题，并且向灵敏度更高、更全面的感知能力方向发展。物联网的网络层主要进行信息的传送。网络层主要是依靠传统的互联网，同时结合广电网、通信网等，能够在第一时间将各种传感器收集的信息进行传输，并有云计算平台对传输过来的信息进行分析和计算，从而做出相应的判断。主要用于实现更广泛、更快速的网络互连，从而把感知到的数据信息可靠、安全地进行传送。目前能够用于物联网的通信网络主要有互联网、无线通信网、卫星通信网与有线电视网。物联网中有多种设备需要接入，因此物联网必须是异构泛在的。由于物体可能是移动的，因此物联网的网络层必须支持移动性，从而实现无缝透明的接入。应用层主要包括应用支撑平台子层和应用服务子层。应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享和互通。应用服务子层包括智能交通、智能家居、智能物流、智能医疗、智能电力、数字环保、数字农业、数字林业等领域。通过各种终端设备能够及时的获取物联网传递的信息。人们可以通过应用层的接入终端及时的获取物联网中丰富的信息。当前，物联网技术不断发展，相应的控制领域也在不断扩大，对于人们生活和生产作业也越来越大。图1.1 物联网体系结构物联网是新一代信息技术的重要组成部分， 其关键环节可以归纳为全面感知、可靠传送、智能处理。全面感知是指利用射频识别（RFID）、GPS、摄像头、传感器、传感器网络等技术手段，随时随地对物体进行信息采集和获取。可靠传送是指通过各种通信网络、互联网随时随地进行可靠的信息交互和共享。智能处理是指对海量的跨部门、跨行业、跨地域的数据和信息进行分析处理， 提升对物理世界、经济社会各种活动的洞察力，实现智能化的决策和控制。相比互联网具有的全球互联互通的特征，物联网具有局域性和行业性特征。4物联网的关键技术物联网涉及的新技术很多，其中的关键技术主要有RFID、传感器技术、智能技术、纳米技术、网络通信技术和云计算等。（1）RFID技术射频识别（RFID）技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别对象并获取相关数据。RFID为物体贴上电子标签，实现高效灵活管理，是物联网最关键的一个技术。典型的RFID系统由电子标签、读写器和信息处理系统组成。当带有电子标签的物品通过特定的信息读写器时，标签被读写器激活并通过无线电波将标签中携带的信息传送到读写器以及信息处理系统，完成信息的自动采集工作。信息处理系统根据需求承担相应的信息控制和处理工作。由于它是一种非接触式的自动识别技术，因此识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作方便快捷。在RFID中要实现物体之间的互联就必须给每件物体一个识别编码，也就是用于身份验证的ID，每个物品都有一个ID来证明它的唯一性。正是RFID对物体的唯一标识性，使其成为物联网的热点技术。而作为条形码的无线版本，RFID技术有条形码不具备的防水、防磁、耐高温、可加密等优点。（2）传感器和传感节点技术传感器是指能感知预定的被测指标并按照一定的规律转换成可用信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成，用来感知信息采集点的环境参数，例如声、光、电、热等信息，并能将检测感知到的信息按一定规律变化成电信号或所需形式输出，以满足信息的传输、处理、存储和控制等要求。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现，即使最现代化的电子计算机，没有准确的信息或有不失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。传感器的类型多样，可以按照用途、材料、输出信号类型、制造工艺等方式进行分类。常见的传感器有速度传感器、热敏传感器、压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、震动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器等。随着技术的发展，新的传感器类型也不断产生。传感器的应用领域非常广泛，包括工业生产自动化、国防现代化、航空技术、航天技术、能源开发、环境保护与生物科学等。随着纳米技术和微机电系统（MEMS）技术的应用，传感器尺寸的减小和精度的提高，也大大拓展了传感器的应用领域。物联网中的传感器节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源构成。节点具有感知能力、计算能力和通信能力，也就是在传统传感器基础上，增加了协同、计算、通信功能，构成了传感器节点。智能化是传感器的重要发展趋势之一，嵌入式智能技术是实现传感器的重要发展趋势之一，嵌入式智能技术是实现传感器智能化的重要手段，其特点是将硬件和软件相结合，嵌入式微处理器的低功耗、体积小、集成度高和嵌入式软件的高效率、高可靠性等优点，同时结合人工智能技术，推动物联网中智能环境的实现。（3）网络和通信技术无论物联网的概念如何扩展和延伸，其最基础的物物之间的感知和通信是不可替代的关键技术。网络通信技术包括各种有线和无线传输技术、交换技术、组网技术、网关技术等。其中M2M技术则是物联网实现的关键。M2M技术是机器对机器（Machine-To-Machine）通信的简称，指所有实现人、机器、系统之家建立通信连接的技术和手段，同时也可代表人对机器（Man To Machine）、机器对人（Machine To Man）、移动网络对机器（Mobile To Machine）之间的连接于通信。M2M技术试用范围广泛，可以结婚GSM/GPRS/UMTS等远距离连接技术，也可以结合WiFi、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB等近距离连接技术，此外还可以结合XML和Corba，以及基于GPS、无线终端和网络的位置服务技术等，用于安全监测、自动售货机、货物跟踪领域。目前，M2M技术的重点在于机器对机器的无线通信，而将来的应用则将遍及军事、金融、交通、气象、电力、水利、石油、煤矿、工控、零售、医疗、公共事业管理等各个行业。短距离无线通信技术的发展和完善，使得物联网前段的信息通信有了技术上的可靠保证。通信网络技术为物联网数据提供传送通道，如何在现有网络上进行增强，适应物联网业务的需求（低数据率、低移动性等），是该技术研究的重点。物联网的发展离不开通信网络，更宽、更快、更优的下一代宽带网络将为物联网发展提供更有力的支撑，也将为物联网应用带来更多的可能。传感器依托网络和通信技术实现感知信息的传递和协同。传感器的网络技术分为两类：近距离通信和广域网络通信技术等。在广域网路通信方面，IP互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等实现了信息的远程传输，特别是以iIPv6为核心的下一代互联网的发展，将为每个传感器分配IP地址创造可能，也为传感网的发展创造了良好的基础网条件。