第二讲物联网关键技术xin

1、物联网关键技术 人们希望在物联网里面允许任何人、任何物，在任何时间和任何地点，通过任何的网络获取任何的服务。 在这里面，它会涉及到很多的技术和方法，包括了聚合、收集、计算、通信、连接等等。 1n 传感技术n RFID技术n 通信技术n 智能技术n 云计算技术n 安全技术传感技术n 传感网是通过人来看环境，来去获取信息，物联网来了之后，更好地降低了人的干预，因为人可能有失误，人的经验不一样。把人的经验提取出来，智能化。n 物体不仅自己有感知，同时在局部空间里面，他们有互动。人进来之后灯要打开，人离开之后灯要关闭。 2传感器 传感器是把非电学物理量（如位移、速度、压力、温传感器是把非电学物理量（如

2、位移、速度、压力、温度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传度、湿度、流量、声强、光照度等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种组件，输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种组件，起自动控制作用。一般由敏感元件、转换器件、转换电路起自动控制作用。一般由敏感元件、转换器件、转换电路三个部分组成，如：三个部分组成，如：3非电物理量非电物理量转换器件转换器件敏感元件敏感元件转换电路转换电路电学量电学量传感技术 人是通过视觉、嗅觉、听觉及触觉等感官来感知外界的信息，感知的信息输入大脑进行分析判断（即人的思维）和处理，再指挥人做出相应的动作，这是人类认识世界和

3、改造世界具有的最基本的本能。 但是通过人的五官感知外界的信息非常有限，例如，人总不能利用触觉来感知超过几十甚至上千度的温度吧，而且也不可能辨别温度的微小变化。 同时人的精力也是有限的，不可能一天24小时不断地感知、监控外部环境，这就需要电子设备的帮助。4传感技术 利用电子设备特别如计算机控制自动化装置来代替人的劳动，那么计算机或嵌入式系统类似于人的大脑，中央处理系统也还需要它们的“五官”即传感器。传感器作为人类感观的延伸，是信息采集不可或缺的工具。 传感器是获取自然领域中信息的主要途径和手段，在缩小物理世界和虚拟世界之间的差距方面发挥了重要作用。 它使物体能够在各自的物理环境中对改变做出反应，

4、收集来自环境的信息等并能对环境变化做出反应。比如电子装置中的传感器能够收集外部温度的变化信息并相应地改变电子装置中的其他参数。5传感技术发展趋向n 1、微型化。n 2、智能化。n 3、集成化。n 4、网络化。n 5、多功能化。6传感技术发展趋向 在物联网社会，几乎没有任何一种科学技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。生活在物联网的人们，日常生活与信息资源开发、采集、传送和处理息息相关。 分析当前信息与技术发展状态，物联网时代先进传感器必须具备微型化、智能化、多功能化和网络化等优良特征。7传感技术发展趋向微型化 为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术

5、发展趋势保持一致，对于传感器性能指标(包括精确性、可靠性、灵敏性等)的要求越来越严格。 与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代； 高性能微型传感器主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。8传感技术发展趋向智能化 智能化传感器(Smart Sensor)是20世纪80年代末出现的另外一种涉及多种学科的新型传感器系统。此类传感器系统一经问世即刻受到科研界的普遍重视，尤其在探测器应用领域，如分布式实时探测、网络探测和

6、多信号探测方面一直颇受欢迎，产生的影响较大。9传感技术发展趋向多功能化 通常情况下一个传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量。 由若干种敏感元件组成的多功能传感器则是一种体积小巧而多种功能兼备的新一代探测系统，它可以借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能。 随着传感器技术和微机技术的飞速发展，目前已经可以生产出来将若干种敏感元件组装在同一种材料或单独一块芯片上的一体化多功能传感器。10传感技术发展趋向集成化 最热门研究领域也许是各种类型仿生传感

7、器了，而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有最新研究成果问世。人工嗅觉传感系统的典型产品是功能各异的Electronic nose(电子鼻)。 “电子鼻”系统通常由一个交叉选择式气体传感器阵列和相关的数据处理技术组成，并配以恰当的模式识别系统，具有识别简单和复杂气味的能力，主要用来解决一般情况下的气味探测问题。 11 网络对我们来说并不陌生，比如手机，互联网，无线上网，电视机。传感器对我们来说也不陌生，比如温度传感器、压力传感器，还有比较新颖的气味传感器。但是，把二者结合在起来，提出传感器网络(Sensor Networks)这个概念。 这个网络的主要组成部分就是一个个可爱的传感器节点。说它们

8、可爱，是因为它们的体积都非常小巧。这些节点可以感受温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的升降。更让人感兴趣的是，每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。传感技术发展趋向网络化传感技术发展趋向RFID技术 物联网时代人们的生活方式将从感觉跨入感知的阶段，人们就可以和物体“对话”，物体和物体之间也能“交流”，而这些物体既可以是小小的手表、钥匙，也能是汽车、楼房，总之日常生活中任何物品都可以变得“有感觉、有思想”。物联网时代人们可随时随地全方位感知人、物体、动物等。

9、此时如人一样，物体、动物也需要自己的“身份证” 。14最早物品身份证 二十世纪二十年代，威斯汀豪斯（Westinghouse）实验室里，一位名叫约翰科芒德（John Kermode ）性格古怪发明家“异想天开”地想对堆积如山的邮政单据实现自动分检，为每一张单据设计一张“身份证”，并可以用机器对其进行自动识别。 那时候对电子技术应用方面每一个设想都使人感到非常新奇。15条码 自20世纪70年代以来，条码技术一直是识别商品身份，商品清单管理主流“身份证”。一个条码的价格不到0.01美元，并且还有统一的管理标准，推动了零售业的革命化与商品的物流管理。16条码缺陷 只能识别类级别物品，无法作到对每个物

10、品进行身份证编码； 每次只能识别一个物品； 无法穿透性，无屏障阅读； 不可重复使用； 抗污染能力和耐久性差； 没有信息安全保密；保存信息量少。 由于条码本身技术以上缺点，显然无法作为物品的身份证在物联网时代应用。 17RFID技术 与条码技术相比，RFID标签识别技术更有特点，解决了有些条件下条码等其他身份识别技术无法使用的问题，并开拓了许多新的应用领域。 RFID最早曾在第二次世界大战中用来在空中作战行动中进行敌我识别：当时英国用以确认进机场是否为己方的飞机，以免遭误击。18RFID系统19 20世纪90年代起，这项技术被美国军方广泛使用在武器和后勤管理系统上。美国在“伊拉克战争”中利用RF

11、ID对武器和物资进行了非常准确地身份识别并调配，保证了前线弹药和物资的准确供应。和以往的“充足”供应有所不同，现代化的管理强调是准确供应，也就是需要多少就提供多少，因为多余供应会增加不必要管理成本。RFID技术 在物联网时代，人们在超市购物时，随手拿起一块猪肉，用手机轻轻一扫之后，随即报上它是出自那头猪，生前吃过那些饲料、喝过哪儿水；同时将生产、物流的全过程追溯得一清二楚，如果你想了解，即刻可以查看这块肉包装过程的视频。 最后当你推着一辆装满满购物车，从结账通道一推而过，设在出口处的读写器就会自动扫描购物车里的商品信息，自动结算出购物款，不再需要营业员拿着商品一件件地扫描，然后人们潇洒地拿出信

12、用卡结账，整个过程不到三十秒。20RFID典型应用21通信技术 在物联网网络中，一个又一个带有“身份证”的感知终端，其通过感知设备感知外界信息，感知的信息如何输入“大脑”进行分析存储、判断和处理，再指挥做出相应的动作。 人是通过身体的神经网络进行传输，那物联网感知数据是如何传输的呢？在物联网整体技术架构中，传送层所涉及到光纤网、移动通信网、互联网、无线网。归结起来即包括2种网络：有线网络及无线网络。22通信技术23有线网络 现有的有线网络包括互联网、有线电话网、有线电视网等三大类。经过多年发展，互联网已经取得了巨大的成功，成长为一个全球性的信息系统。但是随着互联网的普及、商业化以及新业务的不断

13、涌现，其正在逐步地取代电话网及电视网。 在物联网时代，对数据传输网络提出更高的要求，除了提供现在互联网普适服务外，还包括各种话音业务、数据业务、多媒体业务等，随着物联网时代数据传输的实时、安全、可靠等要求的提高及各种新技术的不断涌现，现有互联网网络缺陷也日益明显的暴露出来。24 服务质量难以保证、网络安全无法保障、网络控制和管理的复杂度增加、IP地址匮乏、多样化的应用需求无法满足等问题亟待解决。互联网网络缺陷新一代互联网技术 为了解决现有互联网存在的问题，满足和适应当前及未来的网络应用对互联网的多样化需求，研究和建设新一代互联网体系结构已经是一项迫在眉睫的任务。 新一代互联网技术研究的中心问题

14、是提出一种高效、大规模、高度可伸缩、支持异构网络技术融合的基础网络体系结构。26 新一代互联网体系结构设计目标如图所示，该体系结构的设计将支持移动性、QoS保障、安全性和可信性，以及网络的可控可管。物联网通信 物联网系统，由自治元素(例如物体、人类个体、家庭、公司等)组成。这些自治元素能够实现动态的自组织并自适应不断变化的环境。通过这些自治组件，系统可以利用局部环境交互实现无集中控制下的一致的全局性行为，从而达到整个系统的平衡状态。 新型网络体系结构的灵感来源于此。由于新型系统的特征如非集中式的控制、适应不断变化的环境、个体的自私性与整体利益的权衡等，研究学者开始尝试从自治的角度来解决目前的网

15、络问题。 新型网络使网络以一种可靠的方式管理自己并成功地提供服务，使网络具备智能、认知、可靠、安全等特点。 27物联网通信 新型网络体系结构在管理方面的自治包括： 自动运行根据所在环境的上下文和状态自动启动并配置基本功能而无需人工干涉，自动控制内部资源和功能，无需人工干涉地预测任务所需的资源并使用这些资源； 感知功能清楚自身的组件、资源和能力、当前的上下文环境和状态以及与所在环境中的其他系统之间的关系； 适应功能感知内外部环境的变化，并进行自适应的调整。 28 在新型联网方面则包括： 节点级的自组织节点通过和邻居设备的局部交互自组织到网络中的能力； 自配置机制节点能自动地建立关键的联网功能，例

16、如寻址和命名； 网络级的自组织异构的网络云能够自组织到更大型的网络中从而形成能够全局可达的网络联盟； 自保护阻止业务中断和受到攻击； 自恢复技术网络从突发事件中的恢复。物联网通信无线网络 物联网时代数据传输骨干网络为新一代信息传输网络，其为有线网络。但在一个智慧家庭、智慧城市等布满成千上万个感知设备的区域，不可能每个感知终端都挂着一个线缆尾巴。想象一下，每台手机都带着一条线缆会给手机用户带来多大的不便及限制。因此感知终端设备与新一代信息传输骨干网络之间的数据传输需要使用是无线数据传输网络。30无线网络31无线网络 根据应用不同，现有各种各样无线网络，如：手机/GPRS网络，电台广播网络，Wi-

17、Fi，ZigBee，蓝牙等。根据距离长短，一般分为无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)、无线个人局域网(WPAN)。 名称速率距离频段GPRS/GSM几十至一百K bps全球漫游900M3G手机网几百K bps以上全球漫游900MWi-Fi10M-100M bps50米以内2.4G蓝牙2M bps10米以内2.4GZigBee250K bps1000米以内2.4GUWB100Mbps1Gbps10米以内3.4-4.8 GHz32无线网络 在物联网时代，在各种设备、无线技术、网络运营商和商业模式等因素导致的日益激烈的竞争和合作环境的带动下，一些新的业务和特性对无线网络基础设施提出了更高

18、的要求。 例如：支持大量的不同类型感知连接终端，包括个人、设备、机器、移动网络等都将作为通信实体；传递日益增加的大数据量的能力；最大化网络覆盖，提高业务的可用性；有效的无线接入和骨干网的网络资源管理；支持无论何时何地、任何移动条件下都提供尽量好的永远在线功能。33无线网络34物联网通信35智能技术36 人工智能是研究使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、规划等）的技术。 在物联网中，人工智能技术主要负责将物品“讲话”内容进行分析，从而实现计算机自动处理。 在物联网中网络是智能的，物联网使用功能强大的云计算或下一代处理算法对海量数据进行处理，网络能智能地分析感知设备收集的

19、数据。 终端是智能的，终端具有强大处理能力，能对感知设备收集数据进行分析，使其能智能地对环境作出反应。 每当人们谈及互联网，联想到的不只是物理设备构成的网，还有一个巨大的信息系统。 物联网的情况也与之类似。物联网多被看作是互联网通过各种信息感应、探测、识别、定位、跟踪和监控等手段和设备向物理世界延伸。这只是人类社会对物理世界实现“感、知、控”第一个环节。 基于互联网计算涌现智能以及对物理世界反馈和控制是另一个环节。如果将第一个环节称为物联网“前端”，将后一个环节称为物联网“后端”。智能技术智能技术 实时感应、高度并发、自主协同和智能化等特征对物联网“后端”提出了新挑战，需要有针对性地研究物联网

20、特定的应用集成问题、体系结构及标准规范，特别是大量高并发事件驱动的应用自动关联和智能协作问题，将软件实现和运维相关部分与用法部分（即服务）相剥离，并纳入到物联网基础设施中。38智能技术 从1956年正式提出人工智能（AI）学科算起，50多年来，取得长足的发展，成为一门广泛的交叉和前沿科学。总的说来，人工智能的目的就是让终端、网络能够象人一样思考。 人工智能的发展历史是和计算机、信息、电子科学与技术的发展史联系在一起的。除了计算机科学以外， 人工智能还涉及信息论、控制论、自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学等多门学科。 人工智能学科研究的主要内容包括：知识表示、自动推理和

21、搜索方法、机器学习和知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动程序设计等方面。 39智能机器人 40深蓝计算机深蓝计算机 智能技术 人工智能是研究使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、规划等）的学科，主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑智能的计算机，使计算机能实现更高层次的应用。 人工智能将涉及到计算机科学、心理学、哲学和语言学等学科。可以说几乎是自然科学和社会科学的所有学科，其范围已远远超出了计算机科学的范畴，人工智能与思维科学的关系是实践和理论的关系，人工智能是处于思维科学的技术应用层次，是它的一个应用分支。41云计算技术42n 物联

22、网除了智能终端、智能网络，支持海量数据处理，还是智能处理中心：云计算。在开放式的物联网环境中，使用云计算技术是非常必要的。 云计算技术 在物联网中，海量业务数据产生了的巨大压力 终端增长迅速，终端关联数据增加， 应用自定义数据迅速增加，传统的硬件环境难以支撑； 运营商长期积累了大量闲置的计算能力和存储能力，有必要加以利用，这也是绿色环保的需求； 大量自定义业务同时运行，对平台造成性能压力，服务器CPU处理能力以及内存容量，均难以满足不断增长的自定义业务的运行。所以在开放的物联网环境中采用云计算技术是很必要的。43云计算技术 人工智能、云计算机便支撑物联网“后端”，从“后端”来看，物联网可以看作

23、一个基于互联网的，以提高物理世界的运行、管理、资源使用效率等水平为目标的大规模信息系统。 由于物联网“前端”在对物理世界感知方面具有高度并发性，并将产生大量引发“后端”深度互联和跨域协作需求，从而使得物联网信息处理表现以下特性：不可预见性；涌现智能；多维度动态变化；大数据量、实效性。44云计算技术 什么是“云计算” 指的是一种新兴共享基础架构的方法，可以将巨大的资源池连接在一起以提供各种IT服务。这种资源池称为“云”。 “云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，通常为一些大型服务器集群，包括计算服务器、存储服务器、宽带资源等等。 云计算将所有的计算资源集中起来，并由软件实现自动管理，无需人

24、为参与。这使得应用提供者无需为繁琐的细节而烦恼，能够更加专注于自己的业务，有利于创新和降低成本。 云计算具有超大规模、虚拟化、通用性和可靠性高、高可扩展性，以及低成本等特点，云计算将可以彻底改变人们未来的生活。45云计算技术46安全技术 凌晨2点，你正在甜美酣梦中，突然被寒风冻醒，一起来，发现原本关着的窗户被打开了，因为窗户安装了传感器，而黑客控制了这个传感器。 不幸的是，有一天，你家里的饭煮焦了，冬天的空调却被调成冷气，花园的玫瑰谢了，原来，你的物联网遭遇黑客了。当你一筹莫展的时候，黑客们却笑得前俯后仰，其实，仅仅这么恶搞倒无所谓，如果黑客动用物联网，动了你家保险柜，拿来你家收藏品，那就麻烦了。47安全技术 物联网时代中，人类会将基本的日常管理统统交给人工智能去处理，从而从繁琐的低层次管理中解脱出来，将更多的人力、物力投入到新技术的研发中。 那么可以设想，如果哪天物联网招到病毒攻击，也许就会出现工厂停产