物联网技术与应用

1 课程名称 物联网技术与应用 院 系 理学院 专业班级 数学 14 1 学 号 2014305099 学生姓名 龙纪文 20162016 年年 7 7 月月 5 5 日日 2 摘要 物联网作为一种新的网络形式 相关理论研究和实践应用正在探索过程 中 本文介绍了物联网的概念 给出了基于智能物体层 数据传输层 信息关 联层 应用服务层的物联网四层体系架构 最后探讨了物联网在实现过程中所 面临的问题和挑战 关键词 物联网 RFID 第一章 概念 物联网 Internet of Things 这个概念最早由麻省理工的 Auto ID 中心在 1999 年提出 其基本想法是将 RFID 和其他传感器相互连接 形成 RFID 架构的分 布式网络 欧洲委员会 1 提出 物联网是未来因特网的综合部分之一 可以被定义为一个动 态的全球网络基础 基于标准的和互操作的通信协议 无论物理的还是虚拟的 物 均有身份 物理属性和虚拟特质 具备自配置能力且使用智能接口 可以 无缝地集成到信息网络中去 本文认为 物联网实质上是将真实世界映射到虚拟世界的过程 真实世界中的 事物 通过传感器采集一定的数据 在虚拟世界中形成与之对应的事物 相关 物体可能在虚拟电子空间中被创造出来 源于物理物体空间 且与物理空间的 物体有关联 2 传感器采集到数据的详细程度 将影响到该事物在虚拟世界中 的抽象程度 在虚拟世界中 对该事物最简单也最重要的描述是物体提供了一 个 ID 用于识别 如使用 RFID 标签 最详细的描述则是真实世界中该事物的 所有属性和状态均可在虚拟世界中被观察到 进一步的 在虚拟世界中对该物 体做出控制 则可通过物联网改变真实世界中该物体的状态 对于一个真实的 事物 其所需的各种应用与操作 只需在虚拟世界中对与之对应的虚拟事物进 行应用和操作 即达到目的 这样将会对世界带来巨大的改变 实地实时监测和控制一个事物的成本是高昂 的 通过物联网 所有事物都将在虚拟世界中被找到 以较低的成本被监测和 控制 从而实现 4A anytime any place anyone anything 3 连接 虚拟世 界提供了对所有事物的实时追踪的可能 所有的信息都不是孤立的 这将为各 种海量运算和分析提供了最基础和最重要的信息源 真实世界存在于某一时刻 而当物联网发展到能将真实世界中的所有事物都映射到虚拟世界中时 无数个 某一时刻的世界汇集起来 在虚拟世界中将形成一个可以追溯的历史 如同过 去以纸质保存历史事件的发生 将来将以电子数据对所有事物进行全息描述的 形式存储世界的历史 第二章 体系架构 目前 物联网还没有一个广泛认同的体系结构 最具代表性的物联网架构是欧 美支持的 EPCglobal 和日本的 UID 物联网系统 EPC 系统由 EPC 编码体系 射频识别系统和信息网络系统 3 部分组成 UID 技术体系架构由泛在识别码 uCode 泛在通信器 信息系统服务器 和 ucode 解析服务器等 4 部分构成 EPCglobal 和 UID 上只是 RFID 标准化的团体 离全面的 物联网 体系架构相 3 去甚远 美国的 IBM 公司在 2008 年提出 智慧的地球 这一与物联网概念相近的概念 并提出通过 INSTRUMENTED INTERCONNECTED 和 INTELLIGENT 这三 个层面来实现智慧地球 在文献基础上 本文提出了物联网体系架构 1 智能物体层 通过传感器捕获和测量物体相关数据 实现对物理世界的感知 同时具备局部的互动性 需要一定的存储和计算能力 2 数据传输层 以有线或无线的方式实现无缝 透明 安全的接入 提供并实 施编码 认知 鉴权 计费等管理 3 信息关联层 通过云计算实施对海量数据的存储和管理 数据处理与融合 屏蔽其异质性与复杂性 形成一个与真实世界对应的虚拟世界 4 应用服务层 从虚拟世界中提取信息 提供丰富的面向服务的应用 如智能 交通 智能电网 智能医疗等等 需要指出的是 数据由底部的传感器通过网络到达应用服务层面 而实际上 在服务应用层面 各个中心 用户可以反向的通过网络由执行器对物体进行控 制 在该体系结构中 感知层面的各种传感器 执行器都是具体的 随着技术的发 展会不断升级 新设备不断引入物联网 而服务应用层的各种需求也是不断提 出的 并不是一层不变的 若是每个具体的服务应用和传感设备都形成一个独 立的网络 最后可能形成许多套特殊的网络 这不利于推广和不便于维护 因 此这需要物联网的网络层有一定前瞻性 物体设备层可以变化 服务应用层可 以变化 但它们都是通过一个普适的网络进行连接 这个网络可以在一定的时 间内保持稳定 第三章 面临的挑战 1 统一标准 物联网其实就是利用物体上的传感器和嵌入式芯片 将物质的信息传递出去或 接收进来 通过传感网络实现本地处理 并联入到互联网中去 由于涉及到不 同的传感网络之间的信息解读 所以必需有一套统一的技术协议与标准 而且 主要是集中在互联上 而不是传感器本身的技术协议 现在很多所谓的物联网 标准 实际上还是将物联网作为一种独立的工业网络来看待的具体技术标准 而应对互联需要的技术协议 才是真正实现物联网的关键 2 安全 隐私 在物联网中所有 事物 都连接到全球网络 彼此间相互通信 这也带来了新的 安全和隐私问题 例如可信度 认证 以及事物所感知或交换到的数据的融合 人和事物的隐私应该得到有效保障 以防止未授权的识别和攻击 安全与隐私 这个问题 是人类社会的问题 不论是物联网还是其他技术 都是面临这两个 问题 因此 不仅要从物联网内部的技术上做出一定的控制 而且要从外部的 法规环境上作出一定的司法解释和制度完善 4 物联网 Internet of Things 指的是将无处不在 Ubiquitous 的末端设备 Devices 和设施 Facilities 包括具备 内在智能 外在使能 Enabled 的 如贴上 RFID 的各种资产 Assets 携带无线终 端的个人与车辆等等 智能化物件或动物 或 智能尘埃 Mote 通过各种无线 和 或有线的长距离和 或短距离通讯网络实现互联互通 M2M 应用大集成 Grand Integration 以及基于云计算的 SaaS 营运等模式 在内网 Intranet 专网 Extranet 和 或互联网 Internet 环境下 采用适当的信息安全保障机制 提供安全可控乃至个性化的 Cockpit Dashboard 等管理和服务功能 实现对 万物 的 高效 节能 安全 环保 的 管 控 营 一体化 和传统的互联网相比 物联网有其鲜明的特征 首先 它是各种感知技术的广泛应用 物联网上部署了海量的多种类型传 感器 每个传感器都是一个信息源 不同类别的传感器所捕获的信息内容和信 息格式不同 传感器获得的数据具有实时性 按一定的频率周期性的采集环境 信息 不断更新数据 其次 它是一种建立在互联网上的泛在网络 物联网技术的重要基础和核 心仍旧是互联网 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 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 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 扩充其应用领域 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 第四章 联网的原理 物联网是在计算机互联网的基础上 利用 RFID 无线数据通信等技术 构 造一个覆盖世界上万事万物的 Internet of Things 在这个网络中 物品 商品 能够彼此进行 交流 而无需人的干预 其实质是利用射频自动识别 RFID 技术 通过计算机互联网实现物品 商品 的自动识别和信息的互联与共享 而 RFID 正是能够让物品 开口说话 的一种技术 在 物联网 的构想中 RFID 标签中存储着规范而具有互用性的信息 通过无线数据通信网络把它们自 动采集到中央信息系统 实现物品 商品 的识别 进而通过开放新的计算机网络实现信息交换和 共享 实现对物品的 透明 管理 物联网 概念的问世 打破了之前的传统思维 过去的思路一直是将物理基 础设施和 IT 基础设施分开 一方面是机场 公路 建筑物 而令一方面是数据 中心 个人电脑 宽带等 而在 物联网 时代 钢筋混凝土 电缆将与芯片 宽带整合为统一的基础设施 在此意义上 基础设施更像是一块新的地球工地 世界的运转就在它上面进行 其中包括经济管理 生产运行 社会管理乃至个 人生活 第五章 应用与技术 物联网可以以以电子标签和 EPC Electronic Product Code 产品电子代码 码为基础 建立在计算机互联网基础上形成实物互联网络 其宗旨是实现全球 5 物品信息的实时共享和互通 物联网的系统结构由信息采集系统 PML 信息服 务器 产品命名服务器 ONS 和应用管理系统四部分组成 它们的功能如下 信息采集系统 信息采集系统包括产品电子标签 读写器 驻留有信息采 集软件的上位机组成 主要完成产品的识别和产品 EPC 码的采集和处理 存储 有 EPC 码的电子标签在经过读写器的感应区域时 产品 EPC 码会自动被读写 器捕获 从而实现自动化 EPC 信息采集 采集的数据将交由上位机信息采集软 件进行进一步的处理 如数据校对 数据过滤 数据完整性检查等 这些经过 整理的数据可以为上层应用管理系统使用 PML 信息服务器 PML Physical Markup Language 实体描述语言 信息 服务器由产品生产商建立并维护 他们根据事先 规定的原则对产品进行编码 并利用标准的 XML 对产品的详细信息进行描述 PML 服务器在物联网中的作 用在于以通用的格式提供对产品原始信息的描述 便于其他节点的访问 产品命名服务器 ONS 产品命名服务器 ONS Object Name Service 在各 信息采集节点与 PML 信息服务器之间建立联系 实现从产品 EPC 码到产品 PML 描述信息之间的映射 应用管理系统 应用管理系统通过和信息采集软件 如 Savant 之间的接口 获取产品 EPC 信息 并通过 ONS 找到产品的 PML 信息服务器 从而获取产 品详细信息 以实现诸如入库管理 产品路径跟踪等应用功能 物联网通过 Internet 信息世界 的互联实现物理世界任何产品的互联 实现 在任何地方 任何时间可识别任何产品 使产品成为附有动态信息的 智能产品 并使产品信息流和物流完全同步 从而为产品信息共享提供了一个高效 快 捷的网络平台 技术意义 突破传统思维 过去是将 物理设施 和 IT 设施 分开 一路是 机场 公路 建筑物 等等 现实的 世间万物 另一路 是 数据 电脑 宽带 等等 虚拟的 互 联网 而在 物联 时代 现实的世间万物 将与 虚拟的互联网 整合为 统一 的 整合网络 全球全世界的运转 以此 为基础 经济管理 生产运行 社会 管理 乃至 个人生活 全球世界 互联物联 整合大同 技术发展 2005 11 17 在突尼斯举行的信息社会世界峰会 WSIS 上 发布了 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 初级阶段 已存在的一些各行业基于各种行业数据交换和传输标准的连网监测监控 两化融合 1 引等 MAI 应用系统 中级阶段 在物联网理念推动下 基于局部统一的数据交换标准实现的跨行业 跨业 务综合管理大集成系统 包括一些基于 SaaS 模式和 私有云 的 M2M 营运系统 高级阶段 基于物联网统一数据标准 SOA Web Service 云计算虚拟服务的 on Demand 系统 最终实现基于 共有云 TaaS Thing as a Service 信息安全 物联网的安全和互联网的安全问题一样 永远都会是一个被广泛关注的话 题 由于物联网连接和处理的对象主要是机器或物以及相关的数据 其 所有权 特性导致物联网信息安全要求比以处理 文本 为主的互联网要高 对 隐私权 6 Privacy 保护的要求也更高 如 ITU 物联网报告中指出的 此外还有可信度 Trust 问题 包括 防伪 和 DoS Denial of Services 即用伪造的末端冒充 替换 eavesdropping 等手段 侵入系统 造成真正的末端无法使用等 由 此有很多人呼吁要特别关注物联网的安全问题 物联网系统的安全和一般 IT 系统的安全基本一样 主要有 8 个尺度 读取控制 隐私保护 用户认证 不 可抵赖性 数据保密性 通讯层安全 数据完整性 随时可用性 前 4 项主要 处在物联网 DCM 三层架构的应用层 后 4 项主要位于传输层和感知层 其中 隐私权 和 可信度 数据完整性和保密性 问题在物联网体系中尤其受关注 如果我们从物联网系统体系架构的各个层面仔细分析 我们会发现现有的安全 体系基本上可以满足物联网应用的需求 尤其在其初级和中级发展阶段 物联 网应用的特有 比一般 IT 系统更易受侵扰 的安全问题有如下几种 1 Skimming 在末端设备或 RFID 持卡人不知情的情况下 信息被读取 2 Eavesdropping 在一个通讯通道的中间 信息被中途截取 3 Spoofing 伪造 复制设备数据 冒名输入 到系统中 4 Cloning 克隆末端设备 冒名顶替 5 Killing 损坏或盗走末端 设备 6 Jamming 伪造数据造成设备阻塞不可用 7 Shielding 用机械手段屏蔽 电信号让末端无法连接 主要针对上述问题 物联网发展的中 高级阶段面临如 下五大特有 在一般 IT 安全问题之上 的信息安全挑战 1 4 大类 有线长 短距离和无线长 短距离 网路相互连接组成的异构 heterogeneous 多 级 multi hop 体系难以实现和过度 2 设备大小不一 存储和处理能力的不一致导致安全 信息 如 PKI Credentials 等 的传递和处理难以统一 3 设备可能无人值守 丢失 处于运动状态 连接可能时断时续 可信度差 种种这些因素增加了信 息安全系统设计和实施的复杂度 4 在保证一个智能物件要被数量庞大 甚至 未知的其他设备识别和接受的同时 又要同时保证其信息传递的安全性和隐私 权 5 多租户单一 Instance 服务器 SaaS 模式对安全框架的设计提出了更高的 要求 对于上述问题的研究和产品开发 目前国内外都还处于起步阶段 在 WSN 和 RFID 领域有一些针对性的研发工作 统一标准的物联网安全体系的问 题目前还没提上议事日程 比物联网统一数据标准的问题更滞后 这两个标准 密切相关 甚至合并到一起统筹考虑 其重要性不言而喻 中国发展 中国在 物联网 领域 享有 国际话语权 中国的无线通信网络 已覆盖了 广 大城乡 实现 物联网 必不可少 的 基础设施 安置在 动植物 机器产品上的 电子 介质 产生的 数字信号 可 随时随地 通过 无处不在的 无线网络 传送交流 云 计算 使 世间万物的 实时 动态 管理 变得可能 专业课程 及的领域非常广泛 从技术角度 主要涉及的现有高校院系与专业有 计 算机科学与工程 电子与电气工程 电子信息与通讯 自动控制 遥感与遥测 精密仪器 电子商务等等 物联网专业可能会在上述这些院系中开设 与物联 网应用相关的专业 如建筑与智能化 土木工程 交通运输与物流 节能与环 保等等 可能会考虑开设选修课或在研究生 博士生阶段设置相关交叉学科的 学位 物联网可以是一个 专业 但不一定是一个 学科 国内有些专家反对 7 设置 物联网专业 因为定位不清 一个学校往往有好几个院系争夺 物联网专 业 的申报 又不是一个明确的学科 难以培养出真正的专业人才 培养出来的 人可能是 万精油 懂得多但是不精 尤其是本科阶段 建议只作为研究生专 业 像 MBA 一样的模式 和目前许多高校设置的 电子商务 专业一样 电子 商务 也有同样的定位不清问题 只要高校设置的物联网专业能够培养出社会需 要的专业人才 尤其是跨专业复合型人才 就应该可以设置 不必拘泥于它究 竟属于哪个现有的 学科 下表列出了一个高校物联网专业课程设置的初步建 议 算是抛砖引玉 课程 1 物联网产业与技术导论使用电子工业出版社 物 联网 技术 应用 标准和商业模式 等等教材 在学完高等数学 物理 化 学 通信原理 数字电路 计算机原理 程序设计原理等课程后开设本课程 全面了解物联网之 RFID M2M 传感网 两化融合等技术与应用 课程 2 C 语言程序设计使用清华大学出版社 C 语言程序设计 等教材 物联网 涉及底层编程 C 语言为必修课 同时需要了解 OSGi OPC Java 语言程序 设计教程 等教材 物联网应用层 服务器端集成技术 开放 Java 技术也是 必修课 同时需要了解 Eclipse SWT Flash HTML5 SaaS 等技术 课程 4 无线传感网络概论 使用 无线龙通讯科技出版社 现代无线传感器网络概论 北京航空航天大学出版社 短距离无线通讯入门与实战 等教材 学习各种无线 RF 通讯技术与标 准 Zigbee 蓝牙 WiFi GPRS CDMA 3G 4G 5G 等等 课程 5 TCP IP 网络与协议 TCP IP 网络与协议 清华大学出版社 等教材 TCP IP 以及 OSI 网络分层协议标准是所有有线和无线网络协议的基 础 Socket 编程技术也是基础技能 为必修课 课程 6 嵌入式系统技术 嵌入式系统技术教程 嵌入式系统 包括 TinyOS 等 IoT 系统 是物联网感 知层和通讯层重要技术 为必修课 课程 7 传感器技术概论 传感器技 术 物联网专业学生需要对传感器技术与发展 尤其是在应用中如何选用有所 了解 但不一定需要了解传感器的设计与生产 对相关的材料科学 生物技术 等有深入了解 课程 8 RFID 技术概论 射频识别 RFID 技术原理与应用 机械工业出版社 等教材 RFID 作为物联网主要技术之一 需要了解 它本身 与智能卡技术融合 可以 是一个细分专业或行业 也可以是研究生专业选题方向 课程 9 工业信息化 及现场总线技术 现场总线技术及应用教程 机械工业出版社 等教材 工业信息化也是物联网主要应用领域 需要了解 它本身也可以是一个细分专 业或行业 也可作为研究生专业选题方向 课程 10 M2M 技术概论 M2M The Wireless Revolution TSTC Publishing 等教材 本书是 美国 Texas State Techinical College 推出的 M2M 专业教材 在美国首次提出 了 M2M 专业教学大纲 M2M 也是物联网主要领域 需要了解 建议直接用英 文授课 标准 与中间件技术 中间件技术原理与应用 清华大学出版 社 物联网 技术 应用 标准和商业模式 电子工业出版社 等教材 物联网产业发展的关键在于应用 软件 是灵魂 中间件是产业化的基石 需要学习和了解 尤其是对毕业后有志于物联网技术发展的学生 中国技术 中国的 技术研发水平 处于 世界前列 具有 重大的 影响力 中科院 1999 年 就启动了 传感网研究 与 其它国家 相比 具有 同发优势 该院 组成了 8 2000 多人 的 团队 先后 投入 数亿元 在 端机 移动基站 等 取得 重大进 展 目前 已拥有 从材料 技术 器件 系统 到 网络 的 完整 产业链 在 世界传感网 领 域 中国 与 德国 美国 韩国 一起 成为 国际标准 制定的 主导国 之一 技术产业 掌握 物联网 的世界话语权 不仅 体现在技术领先 更在于 我国是世界上 少数能实现产业化的国家之一 研发核心 中科院 工程技术 研发中心 无锡传感网中心 是 国内 研究 物联网 的 核心单位 09 8 7 温总理 调研无锡时 对该中心 高度关注 提 出 把传感网络中心设在无锡 辐射全国的想法 传感网发展中 早一点 谋划未 来 早一点攻破核心技术 在国家 重大科技专项中 加快推进传感网发展 尽 快建立 中国的传感信息中心 感知中国中心 落实 温总理指示 热情拥抱 物联网 突出抓好 平台建设 和应用示范工 作 迅速 形成 研发 安全感 与 产业 突破 的 先发优势 无锡作出部署 举全市之力抢占新 1 轮科技革命制高点 把无锡建成 传感技术创新高地 人才 高地 产业高地 如果软件是物联网的核心和灵魂 中间件 Middleware 的理念经过多年的探讨已经被国内业界和政府主管部门认可 但在国内长 期 重硬 轻软 的大环境下 中间件产业并未受到足够的重视 或更确切地说可能是 不知道如何抓 除 OS 数据库 和直接面向用户的客户端软件以外 凡是能 批量生产 高度可复用的软件 都可以算是中间件 中间件有很多种类 如通用中间件 嵌入式中间件 数字电视中间件 M2M 物联网中间件等等 中间件无处不在 IBM Oracle 头都是引领潮流 的中间件生产商 SAP 等大型 ERP 应用软件厂商的产品也是基于中间件 架构 国内的用友 金蝶等软件厂商也都有中间件部门或分公司 在 OS 和数 据库市场格局早已确定的情况下 中间件 尤其是面向行业的业务基础中间件 也许是各国软件产业发展唯一的机会 可以毫不夸张地说 能否做大做强中间 件 是整个中国 IT 产业能否做大做强的关键 物联网中间件处于物联网的集 成服务器端和感知层 传输层的嵌入式设备中 服务器端中间件称为物联网业 务基础中间件 一般都是基于传统的中间件 应用服务器 ESB MQ 等 构建 加入设备连接和图形化组态展示等模块 如同方的 ezM2M 物联网业务中间件 嵌入式中间件是一些支持不同通讯协议的模块和运行环境 中间件的特点是它 固化了很多通用功能 但在具体应用中多半需要 二次开发 来实现个性化的行 业业务需求 因此所有物联网中间件都要提供快速开发 RAD 工具 在物 联网概念被大众理解和接受以后 大家早已发现 物联网并不是什么全新的东 西 上万亿的末端 智能物件 和各种应用子系统早已经存在于工业和日常生活 中 物联网产业发展的关键在于把现有的智能物件和子系统链接起来 实现应 用的大集成 Grand Integration 和 管控营一体化 为实现 高效 节能 安 全 环保 作为核心和灵魂起至关重要的作用 这并不是说发展传感器等末端不重要 在大集成工程中 系统