物联网技术及其应用(2020年版)讲课教案.pptx

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,物联网技术及其应用,（,2020,年版）,当今世界,IT,领域的,三大热点技术,?,物联网,（,Internet of Things,）,移动互联网（,Mobile Internet,）,云计算（,Cloud Computing,）,物联网技术及其应用,物联网概述,物联网架构,EPC,物联网,核心技术,物联网应用,物联网技术及其应用,物联网（,IOT,）的起源,1998,年，美国麻省理工大学（,MIT,）的,Sarma,、,Brock,、,Siu,创造性地提出将信息互联网络技术与,RFID,技术有机地结合，即利用全球统一的物品编码（,EPC,，,Electronic Product Code,）作为物品标识，利用,RFID,实现自动化的“物品”与,Internet,的联接，无需借助特定系统，即可在任何时间、任何地点、实现对任何物品的识别与管理。,1999,年，由美国统一代码委员会,（,UCC,）,吉列和宝洁等组织和企业共同出资，在美国麻省理工大学成立,Auto-ID Center,，在随后的几年中，英国、澳大利亚、日本、瑞士、中国、韩国等国的,6,所著名大学相继加入,Auto-ID Center,，对“物联网”相关研究实行分工合作，开展系统化研究，提出最初物联网系统构架：,射频标签,识读器,Savant,软件,对象名称解析服务（,ONS,）,实体标记语言服务器（,PML-Server,）,2003,年,11,月,1,日，国际物品编码组织（,GS1,）出资正式接管,EPC,系统，并组成,EPC Global,进行全球推广与维护。与此同时，原,6,所大学的,AUTO-ID,实验室转到,EPC Global,下的技术组，作为,EPC,实验室，继续对,EPC,系统的应用提供技术支持,，提出物联网系统架构：,EPC,编码,EPC,标签,读写器,中间件,对象名称解析服务（,ONS,）,EPC,信息服务（,EPCIS,）,物联网（,IOT,）的定义,早在,1995,年，比尔,盖茨在,未来之路,一书中就已经提及物联网概念。但是，“物联网”概念的真正提出是在,1999,年，由,EPCglobal,的,Auto-ID,中心提出，被定义为：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。,2005,年，国际电信联盟（,ITU,）正式称“物联网”为“,The Internet of things”,，并发表了年终报告,ITU,互联网,报告,2005,：物联网,。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换；并描绘出“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。,现在较为普遍的理解是，物联网是将各种信息传感设备，如射频识别（,RFID,）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。通过装置在各类物体上的电子标签（,RFID,）、传感器、二维码等经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的沟通和对话。,广义的物联网涵义,利用条码、射频识别（,RFID,）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，实现人与人、人与物、物与物的在任何时间、任何地点的连接（,anything,、,anytime,、,anywhere,），从而进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。,国际电信联盟（,ITU,）曾描绘“物联网”时代的情形：,司机出现操作失误时汽车会自动报警；,公文包会提醒主人忘带了什么东西；,衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求,;,2008,年,-,美国,智慧地球,IBM,提出的“智慧地球”概念（建议政府投资新一代的智慧型基础设施）已上升至美国的国家战略。该战略认为,IT,产业下一阶段的任务是把新一代,IT,技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成“物联网”。,2009,年,-,欧盟,物联网行动,物联网行动计划。具体而务实，强调,RFID,的广泛应用，注重信息安全。,2009,年,6,月，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了,欧盟物联网行动计划,（,Internet of Things-An action plan for Europe,），以确保欧洲在建构物联网的过程中起主导作用。行动计划共包括,14,项内容，主要有管理、隐私及数据保护、“芯片沉默”的权利、潜在危险、关键资源、标准化、研究、公私合作、创新、管理机制、国际对话环境问题、统计数据和进展监督等一系列工作。,2009,年,-,日本,i-Japan,战略,i-Japan,战略,。,在,u-Japan,的基础上，强调电子政务和社会信息服务应用。,2004,年，日本信息通信产业的主管机关总务省（,MIC,）提出,2006,2010,年间,IT,发展任务,u-Japan,战略。该战略的理念是以人为本，实现所有人与人、物与物、人与物之间的连接，即所谓,4U=ForYou,（,Ubiquitous,Universal,User-oriented,Unique,），希望在,2010,年将日本建设成一个“实现随时、随地、任何物体、任何人（,anytime,anywhere,anything,anyone,）均可连接的泛在网络社会”。,2009,年,-,韩国,u-Korea,战略,继日本提出,u-Japan,战略后，韩国也在,2006,年确立了,u-Korea,战略。,u-Korea,旨在建立无所不在的社会（,ubiquitous society,），也就是在民众的生活环境里，布建智能型网络（如,IPv6,、,BcN,、,USN,）、最新的技术应用（如,DMB,、,Telematics,、,RFID,）等先进的信息基础建设，让民众可以随时随地享有科技智慧服务。其最终目的，除运用,IT,科技为民众创造食衣住行育乐各方面无所不在的便利生活服务，亦希望扶植,IT,产业发展新兴应用技术，强化产业优势与国家竞争力。,2009,年,-,中国,感知中国,感知中国。,2009,年,8,月,7,日家宝总理在无锡考察时提出要尽快建立中国的传感信息中心或者叫“感知中国”中心。,各国物联网战略或计划,经济危机下的推手,经济长波理论：每一次的经济低谷必定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是可以为绝大多数工业产业提供一种全新的使用价值，从而带动新一轮的消费增长和高额的产业投资，以触动新经济周期的形成。,过去的,10,年间，互联网技术取得巨大成功。目前的经济危机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为推动下一个经济增长的特别重要推手。,传感技术的成熟,随着微电子技术的发展，涉及人类生活、生产、管理等方方面面的各种传感器已经比较成熟。例如常见的无线传感器（,WSN,）、,RFID,、电子标签等。,网络接入和信息处理能力大幅提高,目前，随着网络接入多样化、,IP,宽带化和计算机软件技术的飞跃发展，基于海量信息收集合分类处理的能力大大提高。,物联网（,IOT,）提出的背景,十五年周期定律,1965,年前后发生的变革以大型机为标志，,1980,年前后以个人计算机的普及为标志，,1995,年前后则发生了互联网革命。,2010,年前后？物联网？,IBM,前首席执行官郭士纳提出一个重要的观点：计算模式每隔,15,年发生一次变革。,每一次这样的技术变革都引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。而互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟。,从,Internet,到,IOT,物联网（,IOT,）的特征,全面感知,可靠传输,智能处理,感知,传输,智能,利用,RFID,、传感器、二维码等,能够随时随地采集物体的动态,信息。,通过网络将感知的各种,信息进行实时传送。,利用计算机技术，及时地对海量的,数据进行信息控制，真正达到了,人与物的沟通、物与物的沟通。,物联网（,IOT,）的特征,全面感知,可靠传输,智能处理,感知,传输,智能,利用,RFID,、传感器、二维码等,能够随时随地采集物体的动态,信息。,通过网络将感知的各种,信息进行实时传送。,利用计算机技术，及时地对海量的,数据进行信息控制，真正达到了,人与物的沟通、物与物的沟通。,物联网（,IOT,）结构示意图,IOT,基本理论模型,智能卡,条形码,二维码,GPS,传感器技术,网关设备,近距离通信,因特网,跟踪定位,高速数,据网络,智慧星球,感知中国,1999,年,中国开始传感网研究。,2009,年,8,月,7,日,温家宝在无锡视察中科院“物联网”技术研发中心时指出，要尽快突破核心技术，把传感技术和,TD,的发展结合起来。,2009,年,8,月,24,日,王建宙访台期间解释了“物联网”概念。,2009,年,9,月,11,日,“传感器网络标准工作组成立大会暨”感知中国高峰论坛”在北京举行，会议提出传感网发展相关政策。,2009,年,9,月,14,日,在中国通信业发展高层论坛上，中国移动总裁王建宙高调表示：“物联网”商机无限，中国移动将以开放的姿态，与各方竭诚合作。,2009,年,10,月,11,日,工业和信息化部部长李毅中部长在科技日报上发表题为,我国工业和信息化发展的现状与展望,的署名文章，首次公开提及传感网络，并将其上升到战略性新兴产业的高度，指出信息技术的广泛渗透和高度应用将催生出一批新增长点。,2009,年,11,月,3,日,温家宝总理在人民大会堂向首都科技界发表了题为“让科技引领中国可持续发展”的讲话，首度提出发展包括新能源、新材料、生命科学、生命医药、信息网络、海洋工程、地质勘探等七大战略新兴产业的目标，并将”物联网”并入信息网络发展的重要内容，并强调信息网络产业是世界经济复苏的重要驱动力。而在,国家中长期科学与技术发展规划,(2006,2020,年,),和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。,中国物联网发展,感知中国，赢在未来,17,江苏、上海、北京、广东等,28,个省,将物联网作为重点发展领域,感知中国，赢在未来,抢占信息产业第三次浪潮的制高点。,我国各地政府强力,“,抢滩,”,物联网,转变经济发展方式、实现经济结构调整的重要手段,;,无锡、重庆、杭州、广州、深圳、武汉等,80,以上大城市,将物联网列为主导产业,面临五个主要技术问题,（,1,）技术标准问题,世界各国存在不同的标准。中国信息技术标准化技术委员会于,2006,年成立了无线传感器网络标准项目组。,2009,年,9,月，传感器网络标准工作组正式成立了,PG1(,国际标准化,),、,PG2(,标准体系与系统架构,),、,PG3(,通信与信息交互,),、,PG4(,协同信息处理,),、,PG5(,标识,),、,PG6(,安全,),、,PG7(,接口,),和,PG8(,电力行业应用调研,),等,8,个专项组，开展具体的国家标准的制定工作。,（,2,）安全问题,信息采集频繁，其数据安全也必须重点考虑。,（,3,）协议问题,物联网是互联网的延伸，在物联网核心层面是基于,TCP/IP,，但在接入层面，协议类别五花八门，,GPRS/CDMA,、短信、传感器、有线等多种通道，物联网需要一个统一的协议栈。,（,4,）,IP,地址问题,每个物品都需要在物联网中被寻址，就需要一个地址。物联网需要更多的,IP,地址，,IPv4,资源即将耗尽，那就需要,IPv6,来支撑。,IPv4,向,IPv6,过渡是一个漫长的过程，因此物联网一旦使用,IPv6,地址，就必然会存在与,IPv4,的兼容性问题。,（,5,）终端问题,。物联网终端除具有本身功能外还拥有传感器和网络接入等功能，且不同行业需求千差万别，如何满足终端产品的多样化需求，对运营商来说是一大挑战。,物联网概述,物联网架构,EPC,物联网,核心技术,物联网应用,物联网技术及其应用,物联网的体系架构,全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的三大特征,。,物联网的体系架构,应用层,应用层是构建在物联网技术架构之上的应用系统，包括商业贸易、物流、农业、军事等等不同的应用系统。,网络层,网络层，即进行信息交换的通信网络，包括有,Internet,、,WIFI,网以及无线通信网络等网络。,信息采集层,数据采集指通过包括条码、射频识别、无线传感器、蓝牙等在内的自动识别与近场通信技术获取物品编码信息的过程。,编码层,编码层是物联网的基石，是物联网信息交换内容的核心和关键字。,编码是物品、设备、地点、属性等的数字化名称。,物联网概述,物联网架构,EPC,物联网,核心技术,物联网应用,物联网技术及其应用,EPC,物联网：系统结构,物联网概念一经提出，立即受到各国政府、企业和学术界的重视，在需求和研发的相互推动下，迅速热遍全球。目前国际上对物联网的研究逐渐明朗起来，最典型的解决方案,有欧美的,EPC,系统,和,日本的,UID,系统,。这里着重介绍,EPC,物联网。,EPC,系统是一个先进的、综合性的和复杂的系统。它由,EPC,编码体系、,RFID,系统及信息网络系统三个部分组成，主要包括六个方面：,EPC,编码、,EPC,标签、读写器、,EPC,中间件、对象名称解析服务（,ONS,）和,EPC,信息服务（EPCIS,）。,PML,：实体标记语言（,Physical Markup Language,）,EPC,物联网：,EPC,概念,EPC,物联网：,EPC,编码,物联网概述,物联网架构,EPC,物联网,核心技术,物联网应用,物联网技术及其应用,RFID,定义,RFID,（,Radio Frequency Identification,）即射频识别技术，俗称电子标签，通过射频信号自动识别目标对象，并对其信息进行标志、登记、储存和管理。,RFID,系统组成,电子标签：由芯片和标签天线或线圈组成，通过电感耦合或电磁反射原理与读写器进行通信；,读写器：读取,(,在读写卡中还可以写入,),标签信息的设备；,天线：可以内置在读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器天线接口相连。,物联网核心技术：,RFID,物联网核心技术：,RFID,技术沿革,1940-1950,年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，,1948,年奠定了射频识别技术的理论基础。,1950-1960,年：早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。,1960-1970,年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。,1970-1980,年：射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速。出现了一些最早的射频识别应用。,1980-1990,年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。,1990-2000,年：射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。,至今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。,读写器将要发送的信息，经编码后加载到高频载波信号上再经天线向外发送。,进入读写器工作区域的电子标签接收此信号，卡内芯片的有关电路对此信号进行倍压整流、调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。,若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过片上天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至信息系统进行处理。,若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起电子标签内部电荷泵提升工作电压，提供电压擦写,E2PROM,。若经判断其对应密码和权限不符，则返回出错信息。,物联网核心技术：,RFID,系统工作原理,物联网核心技术：,RFID,RFID,主要频段标准及特性,物联网核心技术：,RFID,物流,物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储应用，港口应用，邮政，快递。,零售,商品的销售数据实时统计，补货，防盗,制造业,生产数据的实时监控，质量追踪，自动化生产,服装业,自动化生产，仓储管理，品牌管理，单品管理，渠道管理,医疗,医疗器械管理，病人身份识别，婴儿防盗,身份识别,电子护照，身份证，学生证等各种电子证件。,防伪,贵重物品（烟，酒，药品）的防伪，票证的防伪等,资产管理,各类资产（贵重的或数量大相似性高的或危险品等,),交通,高速不停车，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车 识别等,食品,水果，蔬菜，生鲜，食品等保鲜度管理,动物识别,训养动物，畜牧牲口，宠物等识别管理,图书馆,书店，图书馆，出版社等应用,汽车,制造，防盗，定位，车钥匙,航空,制造，旅客机票，行李包裹追踪,军事,弹药，枪支，物资，人员，卡车等识别与追踪,RFID,应用领域,32,物联网核心技术：,RFID,中国,RFID,发展思路,传感器,能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。,无线传感器网络（,WSN,）,无线传感器网络（,WSN,）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，,它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。,物联网核心技术：,WSN,物联网核心技术：,WSN,体系结构,WSN,体系结构：平面拓扑结构,WSN,体系结构：逻辑分层结构,物联网核心技术：,WSN,体系结构,传感器节点体系结构,传感器网络协议栈,物联网核心技术：,WSN,的特征,与现有无线网络的差别,WSN,是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为密集；,由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；,环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化；,通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的；,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等十分有限；,传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效率带宽利用，其次才考虑节约能源；而,WSN,的首要设计目标是能源的高效使用，这也是,WSN,和传统网络最重要的区别之一。,传感器节点的限制,电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限。,WSN,的特点,大规模网络、自组织网络、动态性网络、可靠的网络、应用相关的网络、以数据为中心的网络。,物联网核心技术：,WSN,通信,WSN,在无线通信框架中的位置,物联网核心技术：,WSN,融合,WSN,和其它无线通信技术的融合,物联网核心技术：应用前景,物联网核心技术,RFID,侧重于识别，能够实现对目标的标识和管理，同时,RFID,系统具有读写距离有限、抗干扰性差、实现成本较高的不足；,WSN,侧重于组网，实现数据的传递，具有部署简单，实现成本低廉等优点，但一般,WSN,并不具有节点标识功能。,RFID,与,WSN,的结合存在很大的契机。,RFID,与,WSN,可以在两个不同的层面进行融合：物联网架构下,RFID,与,WSN,的融合，传感器网络架构下,RFID,与,WSN,的融合。,物联网架构下,RFID,与,WSN,的融合,RFID,和,WSN,融合,物联网核心技术,传感器网络架构下,RFID,与,WSN,的融合：智能基站,RFID,和,WSN,融合,物联网核心技术,传感器网络架构下,RFID,与,WSN,的融合：智能节点,RFID,和,WSN,融合,物联网核心技术,传感器网络架构下,RFID,与,WSN,的融合：智能传感标签,RFID,和,WSN,融合,物联网概述,物联网架构,EPC,物联网,核心技术,物联网应用,物联网技术及其应用,物联网应用示意图,46,物联网应用,给放养的牲畜中的每一只羊都贴上一个二维码，这个二维码会一直保持到超市出售的肉品上，消费者可通过手机阅读二维码，知道牲畜的成长历史，确保食品安全。我国已有,10,亿存栏动物贴上了这种二维码。,畜牧溯源,47,机场防入侵,上海浦东国际机场防入侵系统铺设了,3,万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，多种传感手段组成一个协同系统后，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。上海移动的车务通将在,2010,年世博会期间全面运用于上海公共交通系统，以最先进的技术保障世博园区周边大流量交通的顺畅。,电力管理,江西省电网对分布在全省范围内的,2,万台配电变压器安装传感装置，对运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管理等高效一体化管理，一年来降低电损,1.2,亿千瓦时。,物联网应用,48,物联网应用,探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索，是一种经济可行的方案。,NASA,的,JPL,实验室研制的,Sensor Webs,就是为将来的火星探测、选定着陆场地等需求进行技术准备的。现在该项目已在佛罗里达宇航中心的环境监测项目中进行测试和完善。,空间、海洋探索,美国宇航局的空间探索计划中,无线传感器网络的应用模式示意图,49,物联网,管理平台,移动,POS,金融,供应链,智能运输,工业自动化,智能建筑,消防,公共安全,环境保护,气象,数字化医疗,遥感勘测,军事,农业,林业,水务,电力,煤炭,石化,物流、零售、自动服务,设备、安全、节能,生产、安全、防灾、水电油气,防火、勘察、报警,污染检测、报警,水质、水量、污染、安全,大棚、土壤、灌溉、环境、跟踪,抄表、监控、节能,设备、临床、辅助诊断、病程,险情、油井、运输、管线,联动、消防栓、定位、调度,照明、信号、应急、灾害、识别,大地勘测、森林、地震、海洋,侦查、监控、定位、评估,降水、防洪、远程设备,交易、订单、跟踪、识别,通风、瓦斯、救灾定位,库存、车队、监控、导航、识别、货物,电子支付、实时信息,总结,物联网应用频谱,谢谢！,