物联网应用综述报告-马培.doc

物联网应用综述报告摘要从有语言开始，人类就一直没有停止对自由交流的追求。从书信到电话，再到因特网。然后直到如今，人们开始将目光投向身边各种物体，开始设想与周期的物体交流，这就是如今广受关注的物联网应用。现在借助云计算的大趋势潮流下，物联网应用也更加广泛的被应用在实际生活中。物联网技术是现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成的应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧世界。本文主要从查阅的国内外参考文献出发，对物联网应用进行一个综合阐述。关键字：物联网应用，云计算，人工智能1引言物联网的本质是网络通讯技术，物联网的核心技术是无线技术，采用人工智能技术实现高度集成的控制器是它的大脑，各种自动化技术实现的各种传感器作为触角。使得物体自己开口说话，以及广泛的物体互联，能够提供随时随地的智能服务，更大规模的网络覆盖和系统集成。物联网用途广泛，遍及智能楼宇、智能家居、路灯监控、智慧能源、只能交通、水质监测、智能消防、物流管理、政府工作、公共安全、资产管理、军械管理、环境监测、矿井安全管理、食品药品管理、老人护理、个人健康等多个广泛的领域。物联网一方面可以提高经济运行效率，大大节约成本；另外一方面可以为经济复苏提供技术动力，带动所有的传统部门进行结构调整和产业升级，甚至对国家经济结构调整起推进作用，推动发展模式从粗放型发展到集约型发展。2物联网技术2.1 物联网物联网(The Internet of things)是指在物理世界的实体中，部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件，使之成为智能物体，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现物与物、物与人之间的互联。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，然后“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。它是一种“万物沟通”的、具有全面感知、可靠传送、智能处理特征的、连接物理世界的网络，可实现任何时间、任何地点及任何物体的连结，使人类可以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产率水平，改善人和自然界的关系，从而提高整个社会的信息化能力。物联网作为一种“物物相连的互联网”，无疑消除了人与物之间的隔阂，使人与物、物与物之间的对话得以实现。由于整个物联网的概念涵盖了从终端到网络、从数据采集处理到智能控制、从应用到服务、从人到物等方方面面，涉及到射频识别(RFID)装置、WSN 网络、红外感应器、全球定位系统、Internet 与移动网络、网络服务、行业应用软件等众多技术。在这些技术当中，又以底层嵌入式设备芯片开发最为关键，来引领整个行业的上游发展。2.2 物联网的技术体系框架在现今被普遍接受的物联网的技术体系框架包括感知层技术、网络层技术、应用层技术和不专属于物联网体系的公共技术，如图1所示。图1 物联网技术体系框架(1) 感知层：数据采集和感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。传感器网络组网和协同信息处理技术实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织组网以及多个传感器对数据的协同信息处理过程。(2) 网络层：实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠、高安全地进行传送，这需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。虽然这些技术已较成熟，基本能满足物联网的数据传输要求；但是，为了支持未来物联网新的业务特征，现在传统传感器、电信网、互联网可能需要做一些优化。(3) 应用层：主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。其中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、互通等功能；应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力、环境监测和工业监控等行业应用。(4) 公共技术：公共技术不属于物联网技术的某个特定层面，而是与物联网技术架构的三层都有关系，它包括标识与解析、安全技术、网络管理和QoS管理等。随着科学技术的发展和新应用需求的增长，物联网架构也更加精细化，有不少学者也在三层架构基础上，更加细化了体系结构，让我们更加了解了物联网的本质，但都只是局限于某一应用领域。2.3 物联网的关键技术和面临的问题2.3.1 物联网的关键技术基于未来信息产业的发展在由信息网络向全面感知和智能应用两个方向拓展、延伸和突破的需求，物联网涉及从信息获取、传输、存储、处理、应用的全过程，材料、器件、软件、系统、网络各方面的创新都会促进物联网的发展。因此，毫无疑问物联网的关键技术包括物体标识、体系架构、通信和网络、安全和隐私、服务发现和搜索、软件服务与算法、硬件、能量获取和存储、设备微型小型化、标准等。而由国际电联（UIT）所提出的物联网关键性应用技术主要包括RFID技术、无线传感技术、智能技术和纳米技术。（1）RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号进行全双工数据通信，从而自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无需人工干预，适用于恶劣环境。RFID技术的突出优点是可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。将RFID技术与互联网、通信等技术有机结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息分享。（2）无线传感器网络是将分布式信息采集、信息传输和信息处理技术融合的网络信息系统，以其低成本、微型化、低功耗、自组织等特点受到广泛重视，是推动经济发展和维护国家安全的重要技术。物联网可以通过遍布各处的各式各样的传感器组成的无线传感器网络来感知整个物质世界。（3）智能技术是将一个智能化的系统植入物体中，使物体具备一定的“主观能动性”即智能性，能够与用户进行沟通，是物联网的关键技术之一。目前的只能技术研究包括人工智能的理论研究，虚拟现实及各种语言处理的人机交互技术与系统、可精确定位跟踪的智能技术与系统、智能化的信号处理等。（4）纳米技术，是研究结构尺寸在0.1nm-100nm范围内材料的性质和应用，主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、那没电子学、纳米加工学、纳米力学等。纳米技术能将微小的物体进入物物相连的网络，进行信息交互，这使物联网真正意义上做到了万物的互联。可见纳米技术必然在物联网中扮演重要的角色。物联网是以应用解决方案为核心，以传感感知、传输通信、运算处理为关键环节的集成创新价值链，具体可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和运行商的无线传输网络。综上所述，在物联网中，传感是前提、计算是核心、安全是保障、网络是基础、应用服务是牵引，而标准则是支持物联网产业链的重要基础。2.3.2 物联网面临的问题 尽管Forrester预测表明，到2020年世界上“物物互联”的业务较“人与人通信”的业务，其发展前景及对经济和社会的影响更巨大。然而，要真正实现物联网，需要系统解决一系列问题，如核心技术、标准规范、产品研发、安全保护、产业规划、体制机制、协调合作、推广应用等技术问题和管理问题。(1) 突破核心技术。对于尚处于物联网关键技术研发和规模化应用初始阶段的中国，必须尽快突破核心技术，抢占制高点。首当其冲待攻克的核心技术包括传感器技术、射频识别技术、智能通信与控制技术、海量数据处理技术以及非IP数据交换技术、异构网络融合技术、自治区域动态管理等技术。(2) 制定标准规范。作为处于产业发展初期的物联网，确有许多影响物联网发展的瓶颈亟待突破，缺乏统一标准体系和成熟商业模式已成为目前制约其发展的关键要素。因此，花大力气制定相关的标准化体系、产业链体系、研发与应用项目规范等十分必要，它可为最终成为一种能被世界各国认可的统一的物联网国际标准奠定基础。(3) 关注信息安全。信息安全一直是困扰互联网发展的痼疾，而在物联网时代这个痼疾还将继续威胁其生存和发展。物联网中的物与物、物与人之间互联，使用大量的信息采集和交换设备，信息采集和传输频繁，承载着大量的国家经济社会活动和战略性资源，其信息安全和保护隐私等问题必须重点考虑和解决。如果物联网安全问题得不到有效解决，我国的产业安全、经济安全乃至国家安全都将被置于一个巨大的无底洞之中。因此，信息安全也是我国未来物联网发展所面临的一个根本问题。(4) 寻求统一协议。物联网是互联网的延伸，它是基于网络的多种技术的结合，应该有相关协议标准做支撑。在物联网核心层面是基于TCP/IP 协议；但是在接入层面，协议类别五花八门（如GPRS、短信、传感器、TDSCDMA等），物联网需要一个统一的协议栈。(5) 扩充IP地址。物联网中的每个物品都需要被寻址，这就需要解决地址问题。由于物联网需要更多的IP地址，这对目前即将耗尽的IPv4资源而言是无法支持的，那就需要IPv6来支撑。物联网一旦使用IPv6地址，不仅会在IPv4向IPv6过渡过程中存在与IPv4的兼容性问题，而且对传感网末梢节点如何承载IPv6 这种“重量级”通信协议，也需要有对策。(6) 推进官产学研用。物联网作为新概念、新技术，其产业化推进还缺少国家级的产业战略谋划，这更需要有高级别的官产学研用联盟来组织引导，官产学研用各司其职，集中资源，形成合力。众所周知，物联网热潮源头在科研院所和高校，他们侧重基础理论，能够提供技术支持；但物联网最终发展需要靠企业，通过大规模工程实践牵引，形成物联网的服务模式和商业模式，以应用为先导，兼顾国家安全需求和民用市场，这样才能落在实际的应用上。3 物联网应用3.1 智能电网美国每年因电网扰动与断电损失高达790亿美元, 因发电与用电量不匹配, 电网利用率仅有55% 。智能电网将物联网运用在发电、输电、变电、配电和用电环节, 使用健壮的双向通信、高级传感器和分布式计算机来改善电力交换和使用的效率, 提高可靠性。以前因发电量不平稳难以接入电网的风电、太阳能等分布式能源可以用于补助主网发电。智能电网实时监控用户的电力负荷, 赋予消费者选择电价和能源类型的权力, 智能电网结构如图2所示。图2 智能电网我国的国网公司提出了智能电网2020发展战略, 有3个发展阶段: 从现在到2012年为前期准备阶段, 开展规划工作、制订技术和管理标准, 开展关键技术和设备研制, 开展试点, 全国一亿户电表实现智能化; 2013 - 2015年为试点应用阶段, 加快特高压电网和城乡配电网建设, 在5-10个城市建智能电网, 初步形成智能电网运控和互动服务体系, 产业规模2 000亿元; 2016- 2020年为推广建设阶段, 总投资累计达到4 万亿元, 清洁能源装机比例达到35%, 分布式电源即插即用, 智能电表普及。3.2 智能交通2008年全球因交通事故死亡130万人, 2000-5000万人受伤, 直接经济损失5180亿美元。美国因交通堵塞造成的年度经济损失高达872亿美元,占美国GDP的115%-4%,汽车产生的二氧化碳的排放量占总量的22% 。传统交通基础设施效费比为1168 B217, 而智能交通的效费比为9B1。智能交通在中国的运用能降低交通事故致死率,减少堵塞率,加强交通的监管, 减少尾气排放。北京全市各主要街道均埋设有感应线圈, 通过无线传感技术优化交通管理, 城市道路效率提高15% 。上海延安高架路交通监控系统应用以来, 在保持流量不变的情况下, 全天的平均车速提高了15%。斯德哥尔摩在18个控制点用各种传感技术, 探测车辆并按时段以不同费率收费，将流量、等待时间和尾气排放分别降低20%、25%和12%。3.3 智能物流在物流业中物联网主要应用在基于RFID 的产品可追溯系统、基于全球定位系统(global positioning system, GPS)的智能配送可视化管理网络、全自动的物流配送中心以及基于智能配货的物流网络化公共信息平台。使用分析和模拟软件可以优化从原材料至成品的供应链网络。帮助企业确定生产设备的位置, 优化采购地点, 亦能帮助制定库存分配战略, 降低成本、减少碳排放, 改善服务。中国2009年全社会物流总费用与GDP的比例为1813% , 相当于每年因物流与供应链管理不畅损失高达215万亿元。中远物流公司采用信息化管理成功地将分销中心的数量从100减少至40, 分销成本降低了23%, 燃料使用量降低了25%。3.4 生态监测物联网在生态监视中主要应用于饮用水源地、城市大气、危废品转移及流域管理与生态补偿。通过视频感知或RFID 技术, 或生物、声学、光学、化学、红外及卫星等等传感器进行全面感知, 通过可靠传输, 到达信息处理中心, 利用虚拟现实、生态分析、决策支持系统、云计算等智能处理实现智能监视。日本NTT DoCoMo于2009 年底将环境传感器大规模地安装在移动基站,覆盖日本东京附近关东地区300 个区域, 来测量碳排放和其他大气条件。思科公司与美国国家航空和宇宙航行局(NASA) 2009年提出/星球皮肤合作项目, 该项目针对全球气候变化的挑战,通过开发遍布全球的空中、海洋和陆地传感器网络来获取、分析和报告环境变化情况, 建立全球范围的实时环境检测平台, 同时, / 星球皮肤0项目被美国/时杂志评为2009 年度50佳创新技术之一。中国移动利用M2M 技术在广州市部署近4000个监控点, 重点监控污染源生化数据移动采集, 包括餐馆排气、工厂排污、工地噪音等, 在厦门利用嵌入传感器的TD-SCDMA 终端实现对噪声的检测。3.5 电子保健美国总统奥巴马提出:我们的经济恢复计划将投资到减少医疗差错、降低成本、保证隐私和延长寿命的电子健康记录及新技术。采用电子病历(electronic health record, EHR)可减少25%的错误、采用医学图像存档和通信系统可减少15% 的错误、采用计算机化医嘱录入系统(computerized physician order entry, CPOE)可减少错误30% 、采用计算机临床决策支持系统(clinical decision support system, CDSS)可减少20%错误。基于上述的几大系统, 建立临床信息系统( clinic information system, CIS), 加上门诊管理系统、住院管理系统、药品管理系统、物资管理系统、人事管理系统、财务管理系统、OA管理系统等构成医院信息系统( hospital information system, HIS), 医疗信息化则还包括区域卫生信息系统与远程医疗, 如图3所示。图4 电子保健系统图电子病历是指由医疗机构以电子化方式创建、保存和使用的, 重点针对门诊、住院(或保健对象)临床诊疗和指导干预信息的数据集成系统, 是居民个人在医疗机构历次就诊过程中产生和被记录的、完整的、详细的临床信息资源。电子病历的描述和存储包括半结构化和全结构化两部分。将信息搜索和提取单位建立在段落文字的基础上；将医疗文书中的内容以标准化词或句子的形式存储于数据库中, 既能够完成病历书写, 又便于随时查询、统计、分析, 还可以最大限度规避隐私问题。中国2008年健康医疗市场规模超过1万亿元。2008年厦门健康信息系统为患者建立个人正式健康档案93万份,一年来仅诊疗结果共享一项就节约重复检查、拍片等费用2 100万元。2010年10月14号中国卫生部公布5电子病历试点工作方案6, 选取22个省市的29家医院和3个区域试点一年。e-Health还应用于病房管理、产房管理、药品跟踪和医疗设备管理。根据国外资料显示, 药物不良事件为所有非手术医疗疏失之首位, 高达19.3% ,且大部份来自于用药疏失。全球假药比例达10% ,年销售额320亿美元。将药品名称、品种、产地、批次及生产、加工、运输、存储、销售等环节的信息都存于RFID标签中, 当出现问题时, 可以追溯其全过程。3.6 其它应用利用物联网可实现智能家居, 对家庭进行安保和监视, 可利用光纤光栅形成周界防入侵传感网系统对机场等重点区域进行反恐监视。视频监控摄像头已广泛应用于国内多个城市的主要道路、热点地区、地铁和居民小区的安全监视。嵌入学生证的RFID可检测学生进入和离开学校的时间, 及时通知家长。生产与运营安全监控, 推动生产性服务业发展。基于物联网的服务业可分为物联网应用服务业、物联网软件开发与集成服务业、物联网应用基础设施服务业、物联网信息处理与分析服务业以及物联网通信网络服务业。4 结论物联网以移动技术为特征, 通过智能感知, 识别技术、普适计算、泛在网络的融合应用, 使物联网成为继计算机技术、互联网技术之后的信息技术的第三次革命。物联网可以看作是互联网技术的应用拓展,应用创新是物联网技术的发展核心。如何立足国民经济和社会发展对物联网技术的重大需求，构建物联网新型体系结构，突破物联网设计和实施的关键技术，并以应用为导向来带动物联网技术的发展，需要继续加大对物联网基础平台和关键技术的投入，加快物联网标准的建立，并以需求来驱动物联网应用。相信物联网的推广将会成为推进经济发展和社会进步的驱动器。参考文献：1 Geoffrey C. Fox &Jack J. Dongarra,Distributed and Cloud Computing: From Parallel Processing to the Internet of Things Kai Hwang.2 Ling Zheng, Shuangbao Chen, Shuyue Xiang, Yanxiang Hu- Research of architecture and application of Internet of Things for smart grid- 2012 International Conference on Computer Science and Service System.3 Zhu Yu, Wang Tie-ning- Research on the Visualization of Equipment Support Based on theTechnology of