物联网概述.docx

第一章 物联网概述本章总体概括物联网产生的背景、定义、技术体系框架、核心技术、技术难点、应用领域、国内外发展现状和发展趋势，使得读者对物联网的概念、体系结构和相关技术都有一个宏观的把握。具体的细节知识，将在后面的章节中一一介绍。1.1 物联网产生的背景物联网（Internet of Things，IOT）这个概念是由麻省理工学院专家于1999年提出的，它的产生和发展跟计算机网络的发展、互联网应用的扩展、计算技术的发展、传感技术的发展、社会需求的驱动以及政府的支持都是分不开的。早期的计算机网络是一个简单的分时系统巨型机，所有的用户都通过访问它来获取自己所需要的资源，发展成个人机时期，每个用户都访问一台机器来获取自己的资源。后来人们通过一定的协议将几个个人计算机组成一个小型的局域网，对资源进行共享。今天，成千上万的用户可以通过上网获取资源。当今社会，只是访问一些网页已经远不能满足人们的需求。从早期的基本网络服务如Telnet、FTP、E-mail等到后来的电子商务、电子政务、远程教育、远程医疗，再到现在的搜索引擎、网络电视、网络电话、博客、播客、网络通信、网络游戏等等，互联网经历了一个飞速发展的过程。未来互联网将会与传感器技术相结合，为人们提供更加便利有效的服务。人们将会充分地感受到，他们永远处在“物联网”中。除此之外计算技术的发展为物联网的产生奠定了基础，早期的计算机计算速度慢，不可能有效地处理传感器网络采集回来的“海量”数据。为了解决计算问题，相关的计算技术也随之产生。计算技术经历了早期的单机计算、并行计算、分布式计算到后来的网络计算再到现在云计算的一个发展历程。云计算也是现在热门的一种计算技术。前面所提到的相关技术是物联网产生的必要条件，如果没有传感器技术的发展，那么我们所能谈论的只有互联网，而不可能会产生物联网。早期人们使用的只是一些无线射频设备，后来发明了智能传感器，这些传感器可以将一些模拟量采集转换成数据量供人们参考分析。如光敏传感器、热敏传感器、温度传感器器、湿度传感器、压力传感器等等。人们将多个传感器节点按照自己定义的协议组成一个小型的网络，通过无线技术进行数据交换。这些技术结合互联网技术、通信技术等就产生了物联网。物联网技术已经悄悄地走进了我们的生活，并且已经应用在各个领域。如农业生产、医疗、建筑体监测、文物保护等等。美国未来科学院保罗萨福说：“就如同个人电脑是八十年代的标志，万维网是九十年代的标志一样，下一个巨大的变化将会是廉价传感器的到来！”。我们可以预见，将来物联网技术将无处不在。当然物联网技术的发展离不开政府的大力支持。进入21世纪，各个国家或地区都纷纷提出自己的物联网技术发展计划。2004年日本和韩国分别提出提出 U-Japan、U-Korea，U指ubiquitous，是普遍存在的意思，日本与韩国提出基于物联网的国家信息化战略，实现无所不在的便利社会。2008年美国奥巴马提出“智慧地球”。2009年6月欧盟委员会提出针对物联网的行动方案。2009年8月温家宝总理在无锡考察时提出“感知中国”。1.2 物联网的定义物联网的定义目前争议很大，还没有被各界广泛接受的定义。各个国家和地区对于物联网都有自己的定义。以下是一些国家或者地区的定义。美国的定义：将各种传感设备，如射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）设备，红外传感器、全球定位系统等与互联网结合起来的而形成的一个巨大的网络其目的是让所有的物理都与网络连接在一起，方便识别和管理。欧盟的定义：将现有互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）的定义：任何时间、任何地点，我们都能与任何东西相连。2010年温家宝总理在第十一届人大第三次会议上对物联网的定义：物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、跟踪、定位、监控和管理。它是在互联网的基础上延伸和扩展的网络。在中国全国信息技术标准化技术委员会组建了传感网络标准工作组，标准工作组现聚集了中国科学院、中国移动通信集团等国内传感网主要的技术研究和应用单位。为了更好地理解物联网的定义，我们给出了物联网的概念模型，如图1-1所示。物联网接入网条码、二维码射频识别下一代互联网全球定位系统 传感网短距离无线网络图1-1 物联网概念模型由物联网的定义，可以从技术和应用两个方面来它进行理解。（1）技术理解 物联网是物体的信息利用感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物的自动化信息交互与处理的智能网络。（2）应用理解 物联网是把世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后又与现有的互联网相连实现人类社会与物体系统的整合，达到更加精细和动态的方式去管理。从物联网产生的背景及物联网的定义中我们可以大概地总结出物联网的几个特征。（1）全面感知利用RFID、二维码、传感器等随时随地获取物体的信息。（2）可靠传递通过无线网络与互联网的融合将物体信息实时准确地传递给用户。（3）智能处理利用云计算、数据挖掘以及模糊识别等人工智能，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化控制。1.3 物联网技术体系框架 对物联网有一个了解之后我们再来了解一下物联网的基本框架。目前国外已提出很多标准，如EPCGlobal的ONS/PML标准体系，还有Telematics行业推出的NGTP标准协议及其软件体系架构，以及EDDL, M2MXML, BITXML, oBIX等，传感层的数据格式和模型也有TransducerML, SensorML, IRIG, CBRN, EXDL, TEDS等。这里我们提供三层和四层的体系框架以供参考，三层结构即感知层、网络层、应用层，三层结构框图如1-2所示。应用层物联网应用公共技术工业控制智能交通智能电网环境监测物联网应用支撑子层标识解析服务支撑平台云计算平台信息开放平台公共中间件网络层移动通信、互联网以及其他专网技术安全资源和存储管理远程监控专用网异构网融合移动通信网互联网M2M无线接入下一代承载网QoS管理传输层与感知层互通传感网络组网并协同信息处理感知层网络管理低速和中高速段距离传输技术多媒体信息RFID二维条码数据采集RFID多媒体信息二维条码传感器图1-2 物联网三层技术体系框架为了更好地理解各层的含义，下面对物联网三层结构作一个详细地说明。1. 感知层感知层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。物联网数据采集涉及到的技术有多种，主要包括传感器、RFID、多媒体信息采集、实时定位等等。传感器网络组网并协同信息处理技术来实现传感器、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进行处理。2. 网络层网络层不单单是互联网功能，它能够实现更加广泛的互联功能。理想中的物联网中，网络层可以把感知层感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地传输。为了实现这一宏伟目标，需要传感器网络与移动通信技术、互联网等技术相融合。经过十几年的发展，移动通信技术、互联网技术都已经比较成熟，基本上可以满足要求。当然随着技术的发展，这些功能将会更加完善。3. 应用层应用层主要包含支撑平台和应用服务。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、互通的功能。应用服务子层包括智能家居、智能电网、智能交通、智能物流等行业应用。在以上三层之外，还包括一些公共技术，如网络管理、服务质量（Quality of Service，QoS）管理、技术安全、解析标识等。还有一些单位或者机构将物联网结构定义为四层，即感知层、网络层、支撑层、应用层，如图1-3所示。应用运营平台专家系统信息中心内容服务云计算分布式计算智能处理支撑管理系统及数据库卫星无线网络移动网络互联网传输实时定位传感器网络射频识别感知短距离无线通信图1-3 物联网四层结构三层结构与四层结构内容基本一致，只是划分不一样，他们主要的区别是四层结构中支撑层在高性能计算机技术的支撑下，将网络内海量的信息资源通过计算整合成一个互联互通的大型智能网络，为上层服务管理和大规模行业应用建立一个高效、可靠、可信的支撑技术平台。图1-4为一个农业生产中物联网连接示意图，通过这张示意图的理解可以对物联网的技术体系框架有一个更加充分地认识。图1-4 温室大棚的物联网连接示意图1.4 物联网中的核心关键技术核心关键技术主要有RFID技术、传感器技术、无线网络技术、人工智能技术、云计算技术等。1. RFID技术是物联网中“让物品开口说话”的关键技术，物联网中RFID标签上存着规范而具有互通性的信息，通过无线数据通信网络把他们自动采集到中央信息系统中实现物品的识别。2. 传感器技术在物联网中传感器主要负责接收物品“讲话”的内容。传感器技术是从自然信源获取信息并对获取的信息进行处理、变换、识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制造、测试、应用及评价改进活动等内容。3. 无线网络技术物联网中物品要与人无障碍地交流，必然离不开高速、可进行大批量数据传输的无线网络。无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括近距离的蓝牙技术、红外技术和Zigbee技术。4. 人工智能技术人工智能是研究是计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考和规划等）的技术。在物联网中人工智能技术主要将物品“讲话” 的内容进行分析，从而实现计算机自动处理。5. 云计算技术物联网的发展理离不开云计算技术的支持。物联网中的终端的计算和存储能力有限，云计算平台可以作为物联网的大脑，以实现对海量数据的存储和计算。1.5 物联网中的技术难点在1.2和1.3节中也提到物联网中到现在还没有一个比较完整且另人信服的定义，也没有一个国际都承认的一个标准框架体系。物联网的技术难点主要有以下几点。1. 技术标准问题世界各国存在不同的标准。中国信息技术准备化委员会在2006年成立了无限传感网络准备项目组。在2009年9传感网络工作组正式成立了PG1（国际化标准）、PG2（标准体系与紫铜架构）、PG3（通信与信息交互）、PG4（协同信息处理）、PG5（标识）、PG6（安全）、PG7（接口）、PG8（电力行业应用调研）等八个专项组，主要开支具体的国家标准指定工作。2. 数据安全问题由于传感器数据采集频繁，基本可以说是随时在采集数据，数据安全必须重点考虑。3. IP地址问题在物联网中每个物品都需要被寻址，也就是说需要一个地址。物联网中需要更多的IP地址。我们知道IPv4很快就要分配完，那就需要IPv6来支撑。IPV6已经逐渐被使用和推广。4. 终端问题物联网中的终端除了具有自己的功能外还有传感器和网络接入功能，且不同的行业千差万别，如何满足终端产品的多样化需求，对研究者和运营商都是一个巨大挑战。1.6 物联网的应用领域物联网经历了十几年时间的发展，至今已经应用在许多领域。如食品安全、人体健康、平安城市、智能家居、智慧农业、智能交通等如图1-5所示。上海浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感器节点，基本覆盖了整个机场地面、栅栏和低空探测，多种传感器手段组成一个协同的系统后，可以防止人员翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。下面从智能家庭和智慧农业两个方面作一个简单的应用介绍。图1-5 物联网应用实例示意图1. 物联网应用之智能家庭 智能家庭是各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等通过物联网进行通信及数据交换，实现家庭网络中各类电子产品之间“互联互通”，并实现随时随地对智能设备进行控制。在智能家庭应用场景中，用户在回家的路上就可以用手机启动“下班业务”流程，将热水器和空调调节到预定的温度，并检测冰箱中食物容量，如不足则通过网络订单要求超市按照当天的菜谱送货如图1-6所示。图1-6 物联网应用之智能家庭2. 物联网应用之智慧农业 将农业生产过程中最关键的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤温度、土壤含水率的信息通过农田中的传感器组实时采集，采用M2M（Machine-to-Machine/Man）平台运营支撑平台和GPRS/ESGE网络传输，利用短信、WEB、WAP等手段让从事农业生菜的客户实时掌握这些信息，如图1-7所示。图1-7 物联网应用之智慧农业物联网的发展还处于一个初级阶段，将会是一个长期发展的过程。参考文献1 Michael Healy, Thomas Newe, Elfed Lewis. Power Management in Operating Systems for Wireless Sensor NodesC. Sensors Applications Symposium, 2007.1-6.2 Ahmet Kuzu,Serkan Erboral, Seta Bogosyan and Metin Gokasan. Multipurpose Wireless Sensor Network Platform for Research and Training in Data Fusion, and Multi-feature Target TrackingC. Human System Interactions, 2009.184-189. 3 Virk, K.,Madsen, J. Functional Testing of Wireless Sensor Node DesignsC. Innovations in Information Technology, 2007.123-127. 4 Handziski, V.,Polastre, J.,Hauer, J.-H.,Sharp, C.,Wolisz, A.,Culler, D. Flexible Hardware Abstraction for Wireless Sensor NetworksC. Wireless Sensor Networks, 2005.145-157.5 Beute, J. Fast-prototyping Using the BTnode PlatformC. Design, Automation and Test in Europe, 2006.1-6.6 Hengstler, S. , Aghajan, H. Application Development in Vision-Enabled Wireless Sensor NetworksC. Systems and Networks Communications, 2006.30-35.7 Peng Li, Wang Bingwen. Simulating Wireless Sensor Network Middleware Using Compute Unified Device ArchitectureC. Computational Intelligence and Software Engineering, 2009.1-4. 8 Morten Tranberg Hansen, Branislav Kusy. Cross-Platform Wireless Sensor