物联网概念与产业综述

物联网概念与产业综述-探索合理的定位与长远的发展方向,物联网工程系：伍新华兴趣：物联网技术无线传感器网络技术网络互联与移动计算技术,outline,物联网缘起及概念界定1.1物联网1.2物联网的相关概念1.3物联网应用的特征物联网体系结构与核心技术物联网的应用前景与产业3.1物联网产业发展路线图3.2物联网应用领域简介,1物联网缘起及概念界定,2009年的8月，温总理视察中科院无锡微系统所时，提出了建设“感知中国中心，要大力发展传感网、物联网”。2010年初，物联网等新兴战略性产业写入了政府工作报告。“物联网”概念一跃成为热门关键词，成为了市场最瞩目的热点。但什么是物联网？它的起源是什么？将来会发展成什么样子？它与互联网、移动网又有何关系？,1.1物联网(TheInternetofthings),物联网是由具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术相互连接形成的网络，这些物理设备可以在无需人工干预的条件下实现协同和互动，为人们提供智慧和集约的服务。物联网具有全面感知、可靠传递、智能处理的特点。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（网络终端）延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。,物联网概念是1999年由麻省理工学院自动标识中心(MITAuto-IDCenter)提出，早期的定义：把所有物品通过射频识别标签(RFID)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)发布的年度技术报告指出“物联网”通信时代即将来临，信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物品的阶段，而万物的连接就形成了物联网。2009年1月23日，美国总统奥巴马针对IBM首席执行官彭明盛首次提出的“智慧地球”这一概念，做出回应：物联网技术是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式。,2009年8月7日，温家宝考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心。强调“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，把传感系统和3G中的TD技术结合起来”。2009年9月21日，工信部在相关会议上，首次明确提出要进一步研究建设物联网、传感网，加快传感中心建设，推进信息技术在工业领域的广泛应用，提高资源利用率、经济运行效益和投入产出效率等。2009年9月，欧盟启动物联网行动计划。InternetofThings-AnactionplanforEurope2009年，欧洲物联网研究项目工作组(CERP-IoT)在欧盟委员会资助下制订了物联网战略研究路线图、RFID与物联网模型等意见书。,1.2物联网的相关概念,RFID传感网M2M下一代互联网泛在网普适计算,1.2.1RFID,RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别技术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。RFID技术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。,RFID的基本组成部分,标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。阅读器(Reader，或读写器)：读取标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。,RFID的分类,RFID按应用频率的不同分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(MW)，相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M-960MHz、微波2.4GHz、5.8GHz。RFID按照能源的供给方式分为无源RFID、有源RFID以及半有源RFID。无源RFID读写距离近，价格低；有源RFID可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。,RFID技术的基本工作原理,RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag，有源标签或主动标签)；阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。以RFID阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成感应偶合(InductiveCoupling)及后向散射偶合(BackscatterCoupling)两种，一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。,1.2.2传感网,传感网(sensornetworks)是随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。由大规模随机分布的传感器节点(端机)、基站以及信息监控中心构成的信息系统，根据需求和传感对象的变化，可以通过动态自组织的方式协同地感知和采集网络分布区域的各种对象的信息，用于支持决策和监控。传感网的功能，借助于节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象。,最早期的传感网可追溯到二战时期的英国雷达网络，冷战时期的声监测系统，随着计算机、通信、半导体和微机械电子系统(MEMS)技术的进步，推动了无线传感网的研究。1998年美国国防部高级研究计划局(DAPAR)启动的传感器信息技术(SensorInformationTechnology)拉开了现代传感网研究的序幕。中科院1999年完成的“知识创新工程试点领域方向研究”中的信息与自动化领域研究报告就将“无线传感网及其应用”作为该领域5个重大项目之一，并于2001年成立了“微系统研究与发展中心”以协调全院传感网和传感器的研究，陆续部署了若干重大创新项目、方向性项目以开展无线传感网研究。,自组织网络示意图,1.2.3M2M,M2M是所有增强机器设备通信和网络能力的技术总称。M2M表达的是多种不同类型的通信技术有机的结合在一起：机器之间通信(Machine-to-Machine)，机器控制通信(Man-to-Machine)、人机交互通信(Machine-to-Man)、移动互联通信(Machine-to-Mobile、Mobile-to-Machine)。M2M是一种理念，通过它让机器、设备应用处理过程与后台信息系统共享信息，并与操作者共享信息。它提供了设备实时地在系统之间、远程设备之间或/和个人之间建立无线连接，传输数据的手段。,M2M的产品构成,无线终端：特殊的行业应用终端，而不是通常的手机或笔记本电脑。传输通道：从无线终端到用户端的行业应用中心之间的通道。行业应用中心：是终端上传数据的汇聚点，对分散的行业终端进行监控。特点是行业特征强，用户自行管理，而且可位于企业一端或者托管。,M2M的技术组成,机器M2M硬件通信网络中间件应用,M2M的发展情况,M2M应用市场正在全球范围快速增长，随着包括通信设备、管理软件等相关技术的深化，M2M产品成本的下降，M2M业务将逐渐走向成熟。目前，在美国和加拿大等国已经实现安全监测、机械服务、维修业务、自动售货机、公共交通系统、车队管理、工业流程自动化、电动机械、城市信息化等领域的应用。欧洲著名的行业咨询机构IDATE的报告显示，2006年，全球范围内M2M市场容量已经达到200亿欧元，而到2010年，市场容量将达到2200亿欧元，年复合增长率达到49。中国政府已将M2M相关产业正式纳入国家信息产业科技发展十一五规划及2020年中长期规划纲要十一五规划重点扶持项目。,1.2.4下一代互联网,指以IPv6(区别于现行IPv4协议)为基础核心协议的下一代网络。IP协议是互联网协议集的核心。现行Internet的通用协议是IPv4(InternetProtocolversion4，互联网协议第4版)，制定于1981年，其成功应用导致了第一代互联网取得了巨大成功。由于互联网产业的快速发展，互联网地址空间匮乏、带宽瓶颈、网络安全漏洞多、服务质量难以保证等诸多问题。从20世纪90年代初，IETF(TheInternetEngineeringTaskForce，Internet工程任务组)开始“下一代网络互连协议”(IPng)的研究，至1995年9月正式形成IPv6(InternetProtocolVersion6，互联网协议第6版)的核心协议。,IPv6协议最显著的特征是通过采用128位的地址空间替代IPv4的32位地址空间来提高下一代互联网的地址容量；除此之外，IPv6协议在安全性、服务质量、移动性、整体吞吐量等方面具有比IPV4协议更好的特性，而采用IPv6的下一代互联网比现有互联网更具扩展性，更安全，且更容易为用户提供高质量和更多类型的服务。,1.2.5泛在网,泛在网(Ubiquitousnetwork)来源于拉丁语Ubiquitous，是指无所不在的网络，又称泛在网络。即广泛存在的网络，它以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征，以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信为目标。目前，随着经济发展和社会信息化水平的日益提高，构建“泛在网络社会”，带动信息产业的整体发展，已经成为一些发达国家和城市追求的目标。,U战略,最早提出U战略的日韩给出的定义是：无所不在的网络社会将是由智能网络、最先进的计算技术以及其他领先的数字技术基础设施武装而成的技术社会形态。根据这样的构想，U网络将以“无所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征，帮助人类实现“4A”化通信，即在任何时间(anytime)、任何地点(anywhere)、任何人(anyone)、任何物(anything)都能顺畅地通信。“4A”化通信能力仅是U社会的基础，更重要的是建立U网络之上的各种应用。,1.2.6普适计算,又称普存计算、普及计算（pervasivecomputing或者Ubiquitouscomputing）。该概念强调和环境融为一体的计算，而计算机本身则从人们的视线里消失。在普适计算的模式下，人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。,提出,1991年MarkWeiser在ScientificAmerican上发表文章“TheComputerforthe21stCentury”，正式提出了普适计算（ubiquitouscomputing）。MarkWeiser指出：“Themostprofoundtechnologiesarethosethatdisappear.Theyweavethemselvesintothefabricofeverydaylifeuntiltheyareindistinguishablefromit.”,1999年，IBM也提出普适计算(IBM称之为pervasivecomputing)的概念，即为无所不在的，随时随地可以进行计算的一种方式。跟Weiser一样，IBM也特别强调计算资源普存于环境当中，人们可以随时随地获得需要的信息和服务。1999年欧洲研究团体ISTAG提出了环境智能（AmbientIntelligence）的概念。,核心思想,小型、便宜、网络化的处理设备广泛分布在日常生活的各个场所，计算设备将不只依赖命令行、图形界面进行人机交互，而更依赖“自然”的交互方式，计算设备的尺寸将缩小到毫米甚至纳米级。在普适计算的环境中，无线传感器网络将广泛普及，在环保、交通等领域发挥作用；人体传感器网络会大大促进健康监控以及人机交互等的发展。各种新型交互技术（如触觉显示、OLED等）将使交互更容易、更方便。,1.3物联网应用的特征-更精细,物联网中大量的传感器的使用，提高了数据采集的实时性、精确性。目前，我们使用的各类信息系统、软件的基础信息绝大部分都是人工录入的，在数据采集的实时性和准确性方面无法有效保证。物联网的RFID、传感器等设备的使用，将实时地收集到各类需要感知的物体的位置、状态、外观等方面的数据信息，能够更加精准地掌握物体的实时状况。在军事、工业控制、矿山勘探等大型作业方面对数据的准确性、精度方面有特别的要求，物联网的传感技术可以满足这些方面的需求。,1.3物联网应用的特征-更智能,从复杂程度上来讲，物联网使人类可管理的范围更加扩大，管理更加智能。物联网专项的应用所涉及的产业众多，对各类服务商、设备商的协同也要求更高，就个人使用者而言直接的体会是我们得到的服务更加智能和人性化。以手机上提供的导航服务为例，需要手机设备商提供基础的设备，地图服务商提供基础的地图数据服务，运营商提供通信服务。使用时，系统会自动给出时间优先(用时最短)或距离优先(距离最短)，选择后，导航系统会随时根据行进路线和路况情况给出更新的选择，便于随时调整路线。一个这样简单的个人服务是多个企业相互合作的结晶。,1.3物联网应用的特征-更简单,物联网技术将对各类设备的管理和控制更加简单和高效。在物流、环保、工业控制、电力、产品制造等各方面的应用将使工作流程变得更加简化，工作效率大大提高。如为汽车分销公司部署的具有RFID功能的车辆定位系统。在港口、车库和分销中心采用RFID设备，来定位、跟踪和管理车辆，为代理机构改善发货流程。车辆定位设备包括RFID标签、RFID阅读器和手持终端。在分销商的发货前检查和安装专线中，汽车被安装上定制的零配件，解决方案实现自动识别每辆汽车。此外，接收、存储和调度车辆都是电脑化和自动化，所有信息将发送到分销商的ERP系统。,2物联网体系结构与核心技术,全面感知、可靠传送、智能处理,“全面感知”是指利用RFID、二维码、GPS、摄像头、传感器、传感器网络等感知、捕获、测量的技术手段，随时随地对物体进行信息采集和获取。,“可靠传送”是指通过各种通信网络与互联网的融合，将物体接入信息网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享。,“智能处理”是指利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的跨地域、跨行业、跨部门的数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。,IoT技术体系结构（核心技术）,3物联网的应用前景与产业,信息技术的不断发展深入地影响了人们的工作和生活，而物联网更是会为我们带来一个更加便捷、舒适的应用前景。美国权威咨询机构FORRESTER预测：到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。,3.1物联网产业发展路线图,物联网产业链将物联网的三层架构（感知层、传输层和智能处理与应用层）映射到具体的产业链上，物联网将以传感感知、传输通信、智能计算处理为基础，形成若干个面向最终用户的应用解决方案。具体应用涉及智能交通、环境保护、电子政务、公共安全、工业监测、平安家居等领域。物联网的产业链是以应用解决方案为核心，以传感感知、传输通信、智能计算处理为关键环节的集成创新价值链。,应用解决方案是核心,物联网将面对具体的某项应用而存在的。物联网属于面向一定目的、用途的专网。具体的应用领域不同，物联网所需的传感、传输及计算的复杂程度亦各异。物联网的创新、普及和应用将是以具体的应用解决方案的整合创新为核心的。,传感感知是基础,各种传感器（广义）是物联网的神经末梢，也是整个链条中所需总量最大和最基础的环节。各种传感识别设备（微观传感单元）是一个种类繁多、数量庞大的感知器件家族（从二维码、GPS、磁卡阅读器、RFID、感应器等感知位置、状态、基础信息的基础部件，到地球卫星中使用的光纤陀螺等高精度的设备不一而足）。随着IoT发展，大量通用的传感设备将得到普及、特定领域的高端传感器件也将获得长足的发展。,传输通信是保障,海量感知的节点信息需要通过更便捷、更可靠、更安全的方式传输汇聚到中心节点或提供给信息处理单元。针对不同的应用场景，需要选择相应的传输通信技术，保证所感知的信息以及相应的智能控制命令的有效传递。NGNIPv6技术（海量节点地址空间）、3G及LTE技术（无线、蜂窝），为大范围的物联网应用的信息传输提供了可能的条件。电信网络，基于广域互联网的支撑网络。,智能计算处理是能力,大量信息节点的实时感知和综合智能处理与反馈为物联网应用的主要特征。而综合智能处理与反馈是否高效、智能的关键在于：能适应各种计算处理环节的海量数据处理能力、能满足各种服务应用模型的数据挖掘能力、能提升各种业务效能的知识管理能力。集中式的超级计算、分布式的云计算将成为物联网智能计算发展的两条有效路径。而针对具体应用的数据模型和算法是提升处理智能和效能的关键。,2物联网产业发展路线图,EPoSS预测的四个阶段EPoSS（theEuropeanTechnologyPlatformonSmartSystemsIntegration，欧洲智能系统集成技术平台），2008年InternetofThingsin2020，分析预测全球物联网未来发展经历四个阶段：2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制约领域；20102015年实现物体之间的互联；20152020年物体实现半智能化互联；2020年之后物体进入全智能互联时代。,长城战略咨询预测中国物联网产业的10年阶段发展路线,应用创新、产业形成期（未来13年）：公共管理和服务市场应用带动产业链形成。政府引导促进、重点应用示范为主导，带动产业链的形成与发展；公共管理和服务市场的政府管理、城市管理、公共服务等重点领域，结合应急安防、智能管控、节能降耗、绿色环保、公众服务等具有迫切需求的应用场景，形成一系列的解决方案；随着应用方案的创新、成熟和推广，带动产业链的传感感知、传输通信和计算处理环节的发展。,技术创新、标准形成期（未来35年）：行业应用标准和关键环节技术标准的形成。企业应用、行业应用将成为物联网产业发展的重点。各类应用解决方案逐渐稳定成熟，产业链分工协作更明确、产业聚集、行业标准初步形成。服务创新、产业成长期（未来510年）：面向服务的商业模式创新活跃，个人和家庭市场应用逐步发展，物联网产业步入高速成长期。面向物联网应用的材料、元器件、软件系统、应用平台、网络运营、应用服务等各方面的创新活跃，产业链逐渐成熟。行业标准迅速推广并获得广泛认同。,3.2物联网应用领域简介,1交通领域2医疗领域3农业应用4零售行业5电力管理6数字家庭,通过使用不同的传感器和RFID可以对交通工具进行感知和定位，及时了解车辆的运行状态和路线；方便地实现车辆通行费的支付；显著提高交通管理效率，减少道路拥堵。,通过在病人身上放置不同的传感器，对人的健康参数进行监控，及时获知病人的生理特征，提前进行疾病的诊断和预防，并且实时传送到相关的医疗保健中心,通过使用不同的传感器对农业情况进行探测，帮助人们进行精确管理或精细农业生产。,比如沃尔玛等大型零售企业要求他们采购的所有商品上都贴上RFID标签，以替代传统的条形码，促进了物流的信息化。,电力公司对分布在全国范围内配电变压器安装传感装置，对运行状态进行实时监测。,数字家庭是以计算机技术和网络技术为基础，通过不同的互联方式进行通信及数据交换，实现家庭网络中各类电子产品之间的“互联互通”。,物联网关键技术,1物联网架构技术要解决存储和计算能力边缘化的技术问题，实现物体具有存储、处理能力，局部物体间协同工作等。要解决物体间断性通信连接的技术问题，实现物体移动、无线链路动态变化以及分布式的缓存和信息融合等。要解决支持物体的移动和环境变化的技术问题，实现物体移动带来信息的移动、物体上下文不断变化等。要解决网中网的技术问题，实现物体之间自治的、动态的组网，以及已有多种网络的操作平台、信息结构、文档格式等异构的互联互通和信息转换。,2统一标识技术实现对物体进行统一标识，可方便地进行物体的区分与查找，需要解决如何对单个物体进行唯一标识、一类物品和复合物体的标识问题（标识应该独立于自身位置和上下文环境等信息