物联网调研报告

物联网 （ Internet of Things） 计算机学院 方涛 2011年 2月 Page 2 本讲主要内容 物联网概述 国内外物联网发展 物联网标准进展 物联网技术结构 物联网体系结构 物联网关键技术 物联网的应用 Page 3 物联网概述 连上互联网，我就是世界的中心， 给我一个 IP地址，我能漫游世界！ 接入物联网，我就是世界的眼睛， 给我一个 RFID，我能掌握世界！ Page 4 物联网的定义 物联网 （ Internet of things） 定义：通过射频识别（ RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 ITU 定义： From anytime, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything. 两层意思： 第一，物联网的核心和基础仍然是互联网， 是在互联网基础上的延伸和扩展的网络； 第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体 与物体之间，进行信息交换和通信。 Page 5 物联网的发展之路 1995年 比尔 盖茨 在 未来之路 书中首次提及物联网概念。 中科院早在 1999年，就启动了 “ 传感网 ” 的研究，并已建立了一些实用的传感网。 2005年， 11月 27日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（ WSIS）上，国际电信联盟（ ITU）发布了 ITU互联网报告 2005：物联网的报告，正式提出了物联网的概念。 2005年在中国诞生了智慧的钥匙（ Witkey）和 2007年诞生了 “ 互联网虚拟大脑 ” 的概念。 2009年 1月， IBM首席执行官彭明盛提出 “ 智慧地球 ” 构想，其中物联网为 “ 智慧地球 ” 不可或缺的一部分，而奥巴马在就职演讲后已对 “ 智慧地球 ” 构想提出积极回应，并提升到国家级发展战略。 Page 6 中国物联网发展事记 2009年 8月： 国务院总理温家宝在无锡微纳物联网工程技术研究中心视察并发表重要讲话，表示中国要抓住机遇，大力发展物联网技术，并提出要在无锡建设“感知中国”中心。 2009年 9月： 我国物联网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案被采纳。 2009年 9月： 南京邮电大学成立全国高校首家物联网研究院、物联网学院。 2009年 11月 ：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，指示要首力突破物联网、传感网关键技术，物联网产业随即被列入国家五大新兴产业之一。 Page 7 中国物联网发展事记 2009年 11月： 中国物联网研究发展中心在无锡成立。 2010年 1月： 无锡物联网产业研究院在江苏软件外包园落户 2010年 1月： 江苏无锡高新技术产业开发区正式获批为国家电子信息（物联网）示范基地。 Page 8 国外物联网发展战略 美国：靠技术实力说话 1991年由美国提出普适计算的概念，它具有两个关键特性：一是随时随地访问信息的能力，二是不可见性，通过在物理环境中提供多个传感器、嵌入式设备，在用户不察觉的情况下进行计算和通信。 美国 IBM公司 2008年提出了“智慧地球” 2008年 12月，奥巴马向 IBM咨询了智慧地球的有关细节。2009年 2月 17日奥巴马签署生效 2009年美国恢复和再投资法案（即美国的经济刺激计划）。 Page 9 国外物联网发展战略 欧盟：完善的物联网战略规划 1999年欧盟在里斯本推出了“ e-Europe”全民信息社会计划。 2009年 6月 18日，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。目的：希望欧洲在构建新型物联网管制框架的过程中，在世界范围内起主导作用。 物联网应用方面，欧洲 M2M市场比较成熟，发展均衡，通过移动定位系统、移动网络、网关服务、数据安全保障技术和短信平台等技术支持，欧洲主流运营商已经实现了安全监测、自动抄表、自动售货机、公共交通系统、车辆管理、工业流程自动化、城市信息化等领域的物联网应用。 Page 10 国外物联网发展战略 日本：泛在网战略和应用结合 1999年日本制定了 E-Japan战略，大力发展信息化业务。 2004年日本政府在 E-Japan战略基础上，提出了 U-Japan战略，成为最早采用“无所不在”一词描述信息化战略并构建泛在信息社会的国家。 2009年 7月，日本 IT战略本部发表了“ I-Japan战略 2015”，目标是“实现以国民为主角的数字安心、活力社会”。 Page 11 国外物联网发展战略 韩国 2004年，韩国提出为期十年的 U-Korea战略，目标是“在全球领先的泛在基础设施上，将韩国建设成全球第一个泛在社会”。 2005年的 U-IT839计划中，确定了八项需要重点推进的业务，其中 RFID等物联网业务是实施重点。 2008年韩国又宣布了“新 IT战略”，重点是传统产业与信息技术的融合、用信息技术解决经济社会问题和信息技术产业先进化，并提出到 2010年韩国至少占领全球汽车电子市场 10的计划。 Page 12 物联网的发展规模 研究机构预计 10年内物联网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，其产业要比互联网大 30倍。 EPOSS在 Internet of Things in 2020 报告中分析预测，未来物联网的发展将经历四个阶段： 2010年之前 RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域； 20102015年 物体互联； 20152020年 物体进入半智能化； 2020年之后 物体进入全智能化。 Page 13 物联网标准进展 介入物联网领域主要的国际标准组织有 IEEE、 ISO、ETSI、 ITU-T、 3GPP、3GPP2等 总体框架方面：国际电信联盟（ ITU-T）及欧洲电信标准化协会（ ETSI） M2M技术委员会。 ITU-T从泛在网角度研究总体架构， ETSI从 M2M的角度研究总体架构。 Page 14 物联网标准进展 感知技术（主要是对无线传感网的研究）： ISO和IEEE。 通信网络技术： 3GPP和3GPP2。主要从 M2M业务对移动网络的需求方面进行研究，只限定在移动网络层面。 应用技术方面，各标准组织都有一些研究，主要是针对特定应用制订标准。 Page 15 中国物联网标准进展 中国物联网标准的制订工作还处于起步阶段，但发展迅速。 标准组织：传感器网络标准工作组（ WGSN）、中国通信标准化协会（ CCSA）和 RFID标准工作组。 WGSN偏重传感器网络层面。 CCSA TC10（泛在网技术工作委员会）偏重通信网络和应用层面。 RFID标准工作组致力于中国 RFID领域的技术研究和标准制订 Page 16 物联网的技术架构 思考： 物联网是否具有自身的技术架构？ 两种观点 第一种：物联网无技术论 物联网仅仅是现有技术的集成，没有自身的技术架构 第二种：物联网泛技术论 物联网技术遍布应用信息技术的各行各业，涉及到信息技术研究和开发的各个领域 物联网是在融合现有计算机、网络、通信、电子和控制等技术的基础上，通过进一步的研究、开发和应用，形成自身的技术架构。 Page 17 物联网三维概念模型 物联网三维概念模型 1.信息物品技术 2.自主网络技术 3.智能应用技术 Page 18 物联网三维概念模型 信息物品技术 标识、传感和控制技术，现有的数字化技术、 物理世界与网络世界融合的接口技术 欧洲物联网：射频标识（ RFID）技术、近距离通信（ NFC）、无线传感器和执行器网络（ WSAN） 北美：通常把嵌入式系统作为现实世界与网络系统关联的基本技术。 RFID技术属于物品标识技术， NFC属于物品感知类技术，WSAN属于物品感知和控制类技术。 Page 19 物联网三维概念模型 自主网络技术 自主网络：自主网络就是具备自管理能力的网络系统，自管理能力具体表现为自配置、自愈合、自优化、自保护能力。 扩展 ：自主网络具备自控制能力 自主网络管理类技术包括：网络自配置技术、网络自愈合技术、网络自优化技术、网络自保护技术。 自主网络控制类技术包括：基于空间语义的控制技术、基于时间语义的控制技术。 Page 20 物联网三维概念模型 智能应用技术 智能应用技术：包括智能数据融合和智能决策控制技术。 智能数据融合技术 包括基于策略的数据融合、基于位置的数据融合、基于时间的数据融合、基于语义的数据融合。 智能决策控制技术 包括基于智能算法的决策、基于策略的决策、基于知识的决策，这些决策技术需要数据挖掘技术、知识生成、知识更新、知识检索等技术的支撑 。 Page 21 物联网体系结构 物联网体系结构的三个层面 Page 22 三个架构层的含义 感知层 是物联网的皮肤和 5官识别物体 ,采集信息。 感知层包括条码标签和识读器、 RFID标签和读写器、摄像头、 GPS、传感器、终端、传感器网络等 ,主要是识别物体 ,采集信息 ,与人体结构中皮肤和 5官的作用相似。 网络层 是物联网的神经中枢和大脑。 网络层包括通信与互联网的融合网络、网络治理中心、信息中心和智能处置中心等。网络层将感知层获取的信息停止传递和处置 ,相似于人体结构中的神经中枢和大脑。 应用层 是物联网的 “社会分工 ”与行业需求结合 ,完成普遍智能化。 应用层是物联网与行业专业技术的深度融合 ,与行业需求结合 ,完成行业智能化 ,这相似于人的社会分工 ,最终构成人类社会。 Page 23 另一种物联网体系架构 由于物联网不同于互联网和通信网络，但是他们还是有相似之处。因此我们可以把互联网的技术结构和通信网的逻辑结构与物联网自身的特征结合起来来形成一种新的物联网体系结构。我们相信此架构能更好地解释物联网特点和内涵。我们把物联网新的体系结构分为 5层，包括事务层，应用层，处理层，传输层和感知层 Page 24 5个层次的含义 感知层 感知的主要任务是要觉察物体的物理性质 (如温度、位置等 )，通过各种传感器 (如红外传感器、射频识别、平面条码 ),转换这些信息的数字信号以更加方便网络的传输。在感知层中各种传感器和设备就像通信管理网络中的“网络元素一样”。在这层的关键技术有传感技术、射频识别技术 (包括标签和读写器 ),二维条码、 GPS、等。因此 ,感知层的功能是收集的资料和变换数字信号。 传输层 传输层 ,或称网络层 ,负责通过各种网络接收从感知层去往信息处理中心的各种数据，包括无线或有线电视网络 ,甚至企业内部的局域网（ LAN）。在这层的主要技术包括 FTTx,3G、 Wifi,蓝牙 ,Zigbee,UMB、红外线技术等。所以传输层的主要功能是交通工具。在这一层我们能发现很多协议，比如能解决数以万计的 IPv6协议。 Page 25 本讲主要内容 处理层 处理层主要储存、分析和处理从传输层传来的一些实体对象信息。抽象出这一新层，因为由于他们携带大量的物体和巨大信息，另外还很难储存和处理这些大数据。这一层主要技术包括数据库、智能处理 ,云计算 ,普适计算等。云计算和普适计算是在这层是最主要的技术 ,在未来有可能会出现更适合于物联网的新计算技术。因为这个原因 ,在物联网未来的发展中研究和发展处理层是很重要的。 Page 26 本讲主要内容 应用层 应用层的任务是在处理层被处理数据的基础上，发展多种物联网应用，比如智能运输、物流管理、身份认证，基于位置的服务（ LBS），安全等。这一层的功能为每个行业提供各种各样的应用。因为各种应用能促进物联网的发展 ,这层对物联网大规模的发展起着重要的推动作用。 事务层 事务层就像物联网的管理者，包括管理各种应用，相关的商业模式和其他业务。事务层不仅管理各种应用程序，而且需要研究商业模式和盈利模式。一个成功的应用不能仅把重点放在技术，还需要依靠创新和合理的商业模式。在此基础上，如果没有可研究的可发展的商业模式，物联网就不可能有效和长期的发展下去。与此同时，这层还应该管理用户的隐私，因为这在物联网中同样重要。 Page 27 物联网关键技术 一、感知层 传感器技术 ：感知物资信息 RFID技术 ：智能识别 微机电系统 （ MEMS）：采集信息 GPS/GIS技术：全球定位 /地理信息系统 二、网络层 无线传感器网络 （ WSN）技术 Wi-Fi（ Wireless Fidelity,无线保真技术） 通信网 、 互联网 、 3G网络 、 IPV6（ 让世界的第一粒都拥有一个 IP地址 ） GPRS网络 （基于 GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线 IP连接 ） 广电网络 、 NGB（下一代广播电视网 ） Page 28 物联网关键技术 三、应用层 企业资源计划 （ ERP： Enterprise Resource Planning） 专家系统 （ Expert System) 云计算 （ Cloud Computing） 系统集成 （ System Integrate） 行业应用 （ Industry Application） 资源打包 （ Resource Package） Page 29 物联网应用 智能交通 智能交通是将先进的传感器技术、通讯技术、数据处理技术、网络技术、自动控制技术、信息发布技术等有机地运用于整个交通运输管理体系而建立起的一种实时的、准确的、高效的交通运输综合管理和控制系统。智能交通通过改善交通运输基础设施，提高交通信息服务水平，来改善交通运作环境，提高交通服务质量，进而提高人民生活水平。 Page 30 物联网应用 智能交通 Page 31 物联网应用 智能交通 Page 32 智能交通应用案例 智能停车场 福州鼓楼区力争年底基本完成辖区内的公共停车位智能化管理，驾车出行用手机浏览“无线城市”主页即可查看市区大部分区域的实时路况地图，地图上会显示主要道路的，拥堵、缓行、畅通等三个等级。除此之外，鼓楼区还拟将全区 49个公共停车场约 5700个停车位接入这个智能交通管理系统，市民可通过登录网站、发送手机短信、拨打电话等方式查询停车位信息。 Page 33 智能交通应用案例 新加坡智能交通系统的应用 整合交通管理系统（ ITMS） 高速路监控信息系统（ EMAS） 车速信息系统（ TrafficScan） 数控出租车调度系统 出行者信息服务系统（ TIS） 车辆优先权系统 无线交通计数器系统 路口监测系统 优化交通信号系统（ GLIDE） Page 34 物联网应用 智能电网 智能电网 （ smart power grids），就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。 中国的智能电网的基本特征是在技术上要实现信息化、自动化、互动化。 Page 35 智能电网架构 Page 36 物联网在智能电网中的应用 Page 37 典型案例 Zigbee技术在电力无线抄表系统中的应用 基于 IEEE802.15.4的 ZigBee技术以其无可比拟的优势在短距离无线个域网技术中得到了蓬勃发展 低速率，低能耗，传输可靠，组网灵活等特点正日益成为楼宇智能化中的热门技术 。 Page 38 无线抄表系统描述 用户端由一个电表和一个数传模块组成。经过改装，当表读数增加时， ZigBee模块计数相应增加，当达到预先设定的发送时间后 (该时间可以设定 )，系统即可向数据集中节点发送数据。 管理中心端，数据集中节点的 ZigBee模块具有数据融合处理的功能，它可以将采集的数据自动记录到本系统数据库内，并根据抄表人员的操作指令显示数据。 本系统设备的复杂程度低，且 Zigbee协议是免专利费的，因而可以有效地降低设备成本，同时 ZigBee的工作频段灵活，采用的是免执照频段的 2.4 GHz，也就是没有使用费的无线通信。 Page 39 无线抄表系统整体结构 无线抄表终端通常由无线部分、显示部分、 CPU部分、按键部分等组成。 无线部分主要基于 CC2420芯片组成的 Zigbee无线通信模块，这一部分是无线抄表系统的核心。 无线模块内部， CPU 可通过 SPI口与 CC2420通信并控制其状态。 显示部分是基于 LCD的全数字显示系统，能够在现场显示抄表系统检测到的流量值。 按键部分则可通过对系统的控制来切换不同时间的流量值。 Page 40 物联网 智能物流 物流业是物联网早就落地的行业之一，很多物流系统采用了红外、激光、无线、编码、认址、自动识别、传感、 RFID、卫星定位等高新技术，已经具备了信息化、网络化、集成化、智能化、柔性化、敏捷化、可视化等先进技术特征。新信息技术在物流系统的集成应用就是物联网在物流业应用的体现。概括起来，目前相对成熟的物联网应用主要四大领域 Page 41 物联网在物流业中的应用 一是产品的智能可追溯网络系统 目前，在医药、农产品、食品、烟草等行业领域，产品追溯体系发挥着货物追踪、识别、查询、信息采集与管理等方面的巨大作用，已有很多成功应用。 Page 42 物联网在物流业中的应用 二是物流过程的可视化智能管理网络系统： 这是基于 GPS卫星导航定位技术、RFID技术、传感技术等多种技术，在物流过程中实时实现车辆定位、运输物品监控、在线调度与配送可视化与管理的系统。目前，初级的应用比较普遍。