物联网与智慧城市1

1 物联网与智慧城市 李胜利 2 一 物联网二 物联网的关键技术三 物联网与智慧城市 3 一 物联网 4 1 物联网定义 物联网IOT TheInternetofThings物物相连的互联网 5 物联网定义 把所有物品通过射频识别 RFID 红外感应器 全球定位系统 激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来 进行信息交换和通讯 实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理 6 物联网是指将各种信息传感设备 装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络 在这个网络中物品变得有感觉 有思想 能够彼此进行交流 而无需人的干预 7 无线传感器网络 WSN WirelessSensorNetwork 节点射频识别 RFID RadioFrequencyIdentification 装置红外感应器移动手机PDA全球定位系统 GPS GlobalPositioningSystem 激光扫描器 8 2 物联网的发展 1999年 美国麻省理工学院在建立 自动识别中心 时就前瞻性地提出了 万物均可通过网络互联 的观点 物联网 IOT TheInternetofThings 的概念由此产生 2005年国际电信联盟 ITU 在信息社会世界峰会 WSIS 上 发布了 ITU互联网报告2005 物联网 2008年 IBM董事长兼CEO彭明盛 Palmisano 在纽约开的外国关系理事会上 正式提出 智慧地球 SmartPlanet 要形成智慧型基础设施物联网 9 10 3 物联网的架构 11 12 4 物联网发展背景 13 4 物联网发展背景 1 从图灵计算到网络计算的演化图灵论文73年 1936年 计算机65年 1944年 软件工程41年 1968年 互联网25年 1984年 万维网20年 1989年 网络科学11年 1998年 维基百科8年 2001年 14 AlanMathisonTuring1912 6 23 1954 6 7 图灵1936年的传世论文 论可计算数及其在判定问题中的应用 主要是回答德国大数学家希尔伯特在1900年提出的著名的 23个数学难题 之中的第10个 问题涉及逻辑的完备性 即是不是所有的数学问题在逻辑上都是可解的 自动计算机的理论模型是在该论文中提出的 这种抽象模型可以把推理化作一系列简单的机械动作 被称作为图灵机的模型 有许多等价描述 歪打正着 图灵机模型到上世纪60年代却转变成用来说明可计算能力的模型 为纪念该文发表30周年 1966年设立 图灵奖 以纪念这位计算机科学理论的奠基人 15 冯 诺伊曼结构的计算机 1 计算能力 1 76千万亿次浮点运算 美洲虎 1 27千万亿次 浮点运算 星云 2 存储能力3 I O能力 16 程序设计和软件工程 在每一个层次上都能够进行程序设计 高级语言程序设计过程是 分析问题 建立数学模型 选择数据结构 设计算法 编程 编译器逐层向下编译成为机器可执行代码由机器运行 的过程 软件 程序 文档 算法 数据 文档 17 通信 尤其是光通信和移动通信 和网络 尤其是互联网 比可计算模型和软件理论发展快 且很快渗透到人类生活中去 加快了从图灵计算到网络计算的转变 18 互联网之父 VintonG Cerf 1943 美国国家研究推进机构CNRI董事长 RobertE Kahn 1938 Google公司副总裁兼首席互联网顾问 因为在TCP IP协议方面所取得的杰出成就 他们在2004年荣膺图灵奖 2005年获得美国总统颁发的总统自由勋章 19 万维网之父 伯纳斯 李将超文本引入互联网 创建万维网协议HTTP和HTML 2004年成为全球最大的技术类奖 千年技术奖的首位获奖者 现任万维网联盟 WWWConsortium 主席 TimBerners Lee 1955 20 维基之父 Wikipedia2001年1月15日正式问世 目前世界上最大的Wiki系统 让世界上每个人都能自由分享人类知识的总和 创始人吉米 威尔士和拉里 桑格 JimmyWales1966 8 7 LawrenceSanger1968 7 16 21 中国互联网发展状况 截至2009年3月31日 一个无处不网 无时不网 人人上网 时时在线的时代 22 图灵奖获得者吉姆 格雷 JimGray 说 网络环境下每18个月产生的数据量等于过去几千年的数据量之和 23 30年前 电脑被送进千家万户 20年前 网络被送进千家万户 现在 服务被送进千家万户 24 网络计算 美国阿岗 Argonne 国家实验室的资深科学家 美国网格计算项目的领导人 IanFoster 曾在1998年主编过题为 网格 21世纪信息技术基础设施的蓝图 的一本书 网格之父IanFoster 25 网格 grid 依托专网或互联网 将处于不同地域 不同领域的多个计算机资源组织起来 统一调度 组成一台虚拟的 超级计算机 完成一个共同的任务 如一个要求大量计算处理周期和大量数据的科学计算问题 网络计算 续1 26 互联网实现了计算机硬件的连通Web实现了网页的连通网格试图实现互联网上所有资源的全面连通 Web2WebServer 网络计算 续2 27 网格把整个互联网整合成一台巨大的超级计算机 实现计算资源 存储资源 通信资源 软件资源 信息资源 知识资源的全面共享 互联网的第三次浪潮的实质 就是要将万维网WorldWideWeb 升华为网格 GreatGlobalGrid 网络计算 续3 28 2 互联网新的认识 服务计算 29 StevenStrogatz 1959 America DuncanWatts 1971 America WS小世界模型 1998 网络科学的兴起 30 对等计算 P2P 31 对等计算 P2P Point to Point物理上 点和点之间直接相连People to People逻辑上 用户 应用 和用户直接对话Peer to Peer对话的两端是平等的 32 33 大众参与的计算 类似于图片识别等任务对于人来说很简单 但要转化为图灵可计算问题却是很大的挑战 因此 网络环境出现可信计算和可信软件的研究 又如 目前搜索引擎上的爬虫程序搜索的只是文字资料 难以实现图片内容搜索 而如果能够让用户参与这种搜索 网络连接的就不 只 是计算机 还有人 34 目前的搜索引擎软件要判断图片内容很难 公司不得不雇佣一些人来整理图片 为其标上标签 Luis开发了一个游戏 网上玩家共同看一张图 玩家必须给出一个关键字 另一个玩家要与之配对 一旦两边输入的关键字一样就得分 进入下一关 这样 游戏运行的一段时间之后将会产生大量基本图片标签 而如果网络游戏者都能为这样的图片标签系统作贡献 甚至可以渐渐将整个图片的资料库建立起来 35 社会标注 36 群体智能 对图片进行分类 37 分成为两类 38 分成为六类 为宠物找到了主人 39 3 云计算 互联网上某些节点强大的信息资源 包括存储资源 计算资源 软件资源 数据资源 管理资源 通过云计算以互联网上的服务方式 变成广大用户动态 可伸缩的虚拟资源 为用户所用 强调需求驱动 用户主导 按需服务 即用即付 用完即散 不对用户集中控制 用户不关心服务者在什么地方 40 图灵计算与云计算的比较 41 云计算的基本内容 目前 太多的定义和太泛的解释使得云计算有成为 皇帝的新衣 之嫌 迫切需要业界汇聚共识 42 内容一 虚拟计算 虚拟存储虚拟机虚拟网络虚拟社区虚拟计算能力计算设施的本身细节和物理位置对用户透明 43 内容二 变粒度和跨粒度计算 云滴在不同的粒度上提供服务 云滴的弥散性 雾云滴的聚合 云团毛毛细雨 小雨 中雨 大雨 复杂的软件 资源 服务和计算任务 被精细化和碎片化 变得易于重组和扩展 可以即时性协作 实现服务聚合 完成变粒度的计算 服务任务 44 内容三 不确定性计算 互联网上信息的特点是海量和低质量 低质量包括高噪声 高冗余 不完备 不协调 不一致 随机 模糊 多变等 统计计算群智计算不确定性计算 45 搜索结果的不确定性 对于用户的一个请求 Google搜索引擎返回成千上万的相关网页 用户难以直接得到最关心的回答 不断地在 下一页 中找寻答案并不是最终目标 如何将搜索返回的结果集聚合形成一个 摘要 的按需回答 才是解决问题的关键 46 内容四 软计算 根本上是定性定量转换计算内容计算 词 概念 计算 语义计算 文本计算 语音计算等 语构 语义 语境理解图形图像理解流媒体理解 47 二 物联网的关键技术 48 1 RFID技术 RFID RadioFrequencyIdentification 射频识别 是一种非接触式的自动识别技术 它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据 识别工作无须人工干预 可工作于各种恶劣环境 49 RFID的基本组成部分 1 标签 Tag 由耦合元件及芯片组成 每个标签具有唯的电子编码 附在物体上标识目标对象 2 阅读器 Reader 读取 有时也可以写入 标签信息设备 可设计为移动式或固定式 3 天线 Antenna 在标签和读取器间传递射频信号 50 RFID技术的基本工作原理 标签进入磁场后 接收到阅读器发出的射频信号 无源标签或被动标签 PassiveTag 凭借射频电磁波束中所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 有源标签或主动标签 ActiveTag 则主动发送某一频率的信号 阅读器读取信息并解码后 将信息送至中央信息系统进行相关数据处理 51 2 传感器技术 传感器是一种物理装置或生物器官 能够探测 感受外界的信号 物理条件 如光 热 湿度 或化学组成 如烟雾 并将探知的信息传递给其它装置或器官 国家标准GB7665 87对传感器下的定义是 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 52 传感器分为三大类 1 物理传感器物理传感器应用某些物理效应 诸如压电效应 磁致伸缩现象 离化 极化 热电 光电 磁电等效应 将被测信号量的物理量转换成便于处理的电信号 2 化学传感器化学传感器包括那些以化学吸附 电化学反应等现象为因果关系的传感器 被测信号量的微小变化也将转换成电信号 3 其它 53 常见的传感器 a 电阻式传感器电阻式传感器是将被测量 如位移 形变 力 加速度 湿度 温度等这些物理量转换成电阻值的器件 主要有电阻应变式 压阻式 热电阻 热敏 气敏 湿敏等电阻式传感器 b 电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应 即在外力作用下产生机械形变 从而使电阻值随之发生相应的变化 电阻应变片主要有金属和半导体两类 c 压阻式传感器压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在基片上经扩散电阻而制成的器件 当基片受到外力作用而产生形变时 各电阻值将发生变化 电桥会产生相应的不平衡输出 d 热电阻传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数 54 常见的传感器 续 e 温度传感器室温管温传感器 室温传感器用于测量室内和室外的环境温度 管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度 排气温度传感器 排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度 f 光敏传感器光敏传感器是最常见的传感器之一 在自动控制和非电量电测技术中占有重要地位 最简单的光敏传感器是光敏电阻 当光子冲击接合处时就会产生电流 55 3纳米技术 纳米技术 是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用 纳米技术的使用可以使得物联网中的物体变得 更轻 更高 更强 更轻 传感器等感知设备的制备体积更小更轻 更高 具备更高的光 电 磁 热性能 更强 有着更强的力学性能 如强度和韧性 56 主要纳米技术 1 纳米材料 2 纳米动力学 3 纳米生物学和纳米药物学 4 纳米电子学 57 智能嵌入技术 EmbeddedIntelligence 嵌入式技术是将计算机作为一个信息处理部件 嵌入到应用系统中的技术 即将软件固化集成到硬件系统中 将硬件系统与软件系统一体化 嵌入式具有软件代码小 高度自动化和响应速度快等特点 58 嵌入式技术的关键 核心芯片的选择 核心芯片的特点有 1 有可扩展的处理器结构 能最迅速地开发出满足应用的高性能嵌入式微处理器 2 嵌入式微处理器必须功耗很低 3 对实时多任务有较强的支持能力 4 具有功能很强的存储区保护功能 嵌入式技术的应用 使得系统的架构更加清晰简捷 系统的软件采用分层设计 不仅方便维护 而且大大提高了代码的利用率 缩短了开发周期 59 三 物联网与智慧城市 60 1 智能交通 智能交通是指采用先进的信息技术 数据通信传输技术 电子传感技术 控制技术和计算机技术 使车辆和道路智能化 以实现安全快速的道路交通环境 从而达到缓解道路交通拥堵 减少交通事故 节约交通能源和减轻驾驶疲劳等目的 61 62 63 智能交通是一个综合性体系 包含的子系统分为以下几个方面 1 交通管理系统 2 公共交通运营系统 3 电子收费系统 4 旅行信息系统 5 运营车辆高度管理系统 6 紧急事故处理系统 7 车辆控制和安全系统 8 道路天气管理系统 9 驾驶员帮助系统 64 2智能医疗 智能医疗利用无线传感器技术 短距离通信技术 ZigBee WiFi 蜂窝移动通信网 2G 3G 互联网技术等先进通信技术 促进医疗设备的微型化和网络化 促进医疗信息的共享化 同时促进医疗模式向预防为主的方向发展 在未来的智能化医疗信息系统中 病患基本信息 病历记录 各种实验室检验信息 乃至财务信息都将被整合在其中 65 66 智能医疗发展的三个阶段 1 医院管理信息化HMIS通过建设医院内部部门级信息化管理 全院级信息化管理 人力资源管理等系统 实现医院内部各部门之间信息的共享 2 临床管理信息化HCIS要建设电子病历 电子处方 影像管理 重症监护等系统 以病患信息的采集 存储 展现 处理为中心 为临床医护人员和医技科室服务 3 区域医疗卫生服务GMIS在区域医疗卫生服务阶段 将以电子处方系统和电子病历系统为基础 整合成为个人电子健康档案 然后进行联网 再拓展到单个医院之外的社区 城市乃至更大范围内的医疗信息共享 以实现 区域医疗信息网络 和 整合医疗平台 67 3智能物流 68 智能物流是将RFID技术 数据通信传输技术 控制技术及计算机技术等应用在物流配送系统中 帮助实现物品跟踪与信息共享 提高物流企业的运行效率 实现可视化供应链管理 提升物流信息化程度 RFID作为前端的自动识别和数据采集技术 被应用在物流的零售 存储 运输 配送 分销和生产等各主要作业环节 是实现智能物流的重点 69 1 提高物流基础设施的信息化和自动化水平 2 促进物流功能的整合 3 提高物流市场流通效率 规范物流市场秩序发展重点 货运集装箱追踪与管理 货运车辆的跟踪与管理配送中心管理 航空集装设备及行李追踪 70 4智能家居 71 智能家居 SmartHome 是以住宅为平台 利用综合布线技术 网络通信技术 安全防范技术 自动控制技术 音频视频技术将家居生活有关的设施集成 构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统 提升家居安全性 便利性 舒适性 艺术性 并实现环保节能的居住环境 72 智能家居的两层含义 住宅环境 单个住宅中的智能家居或小区中实施的基于智能小区平台的智能家居项目 智能家居系统产品 包括硬件 软件 集成与安装服务 售后在内的一个完整服务过程 与传统家居相比 智能家居除了具有传统的