物联网编程概述

第1章物联网编程概述本章内容1.1起源与发展1.2核心技术1.3

应用前景什么是物联网？物联网的概念是如何产生的？1.1历史进程2009

“感知中国”2008IBM“智慧地球”2005

国际电信联盟《ITU互联网报告2005：物联网》，指出无所不在的“物联网”通信时代即将来临

1995BillGates《未来之路》物物互联物联网的基本思想出现于20世纪90年代1.1历史进程：主线复杂，来源不单一RFID1999年，美国麻省理工学院（MIT）Auto-ID中心，提出EPC系统及物联网概念普适计算（PervasiveComputing）感知与互联嵌入式系统20世纪90年代末，传感网起步2006年，NSFworkshoponCPS(Cyber-PhysicalSystems)信息-物理融合系统什么是物联网？概念的提出Incomputing,theInternetofThingsreferstoanetworkofobjects,suchashouseholdappliances.Itisoftenaself-configuringwirelessnetwork.TheconceptoftheinternetofthingsisattributedtotheoriginalAuto-IDCenter,foundedin1999andbasedatthetimeinMIT.物联网实际是中国人的发明，整合了美国CPS(Cyber-PhysicalSystems)、欧盟IoT（InternetofThings)和日本U-Japan等概念。是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化是其三个重要特征。本章内容1.1起源与发展1.2核心技术1.3应用前景根据信息生成、传输、处理和应用将物联网分为感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。1.2核心技术：感知识别层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层1.2核心技术：感知识别层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层通过感知识别技术，让物品“开口说话、发布信息”是融合物理世界和信息世界的重要一环，是物联网区别于其他网络的最独特的部分。物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备，既包括采用自动生成方式的RFID、传感器、定位系统等，也包括采用人工生成方式的各种智能设备，例如智能手机、PDA、多媒体播放器、上网本、笔记本电脑等等。信息生成方式多样化是物联网的重要特征之一。感知识别层位于物联网四层模型的最底端，是所有上层结构的基础。核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层技术举例：RFID基本组成：工业界经常将RFID系统分为标签，阅读器和天线三大组件。工作原理：阅读器通过天线发送电子信号，标签接收到信号后发射内部存储的标识信息，阅读器再通过天线接收并识别标签发回的信息，最后阅读器再将识别结果发送给主机。技术举例：传感器网络发展历程：传感器→无线传感器→无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络）应用举例：VigilNet:美国弗吉尼亚大学研制的用于军事监测的系统。传感节点具有自主成网，多跳传输等特点。Mercury:美国哈佛大学研制的可穿戴的医疗监控传感器。传感器具有设计人性化，高精度感知，连续长期采集数据等特点。GreenOrbs（绿野千传）：森林监测传感网系统，适用于长期、大规模、自动化的环境监测任务核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层技术术举举例例：：定定位位系系统统位置信息息拓展：所在地理位置置+处在该地地理位置置的时间+处在该地地理位置置的对象（人或设设备）定位系统统与技术术：GPS，蜂窝基基站定位位，无线线室内环环境定位位（红外外线/.超声波/蓝牙），，新兴定定位系统统（A-GPS/无线AP/网络定位位）；距距离/距离差/无线信号号特征物联网环环境下对对定位技技术的挑挑战：异构网络络、多变变环境下下的精准准定位大规模应应用基于位置置的服务务（LocationbasedServices）位置信息息带来的的信息安安全和隐隐私保护护问题核心技术术综合应用用层管理服务务层网络构建建层感知识别别层技术举例例：智能能信息设设备传统智能能设备：：个人计算算机（PC）/个人数字字助理（（PDA）/…物联网时时代新智智能设备备：数字标牌牌（实时时信息互互动）/智能电视视（具有有全功能能的互联联网，个个性化体体验）/智能手机机/…物联网环环境下智智能设备备发展新新趋势：：更深入的的智能化化：纵向（包包括传统统的智能能设备））+纵向（融融入没有有计算能能力的简简单物理理对象））更透彻的的感知：：主动感知知(部署传感感器)+被动感知知(发出查询询请求)更全面的的互联互互通：互联互通通+信息共享享核心技术术综合应用用层管理服务务层网络构建建层感知识别别层1.2核心技术术：网络络构建层层核心技术术综合应用用层管理服务务层网络构建建层感知识别别层1.2核心技术术：网络络构建层层核心技术术综合应用用层管理服务务层网络构建建层感知识别别层网络是物物联网最最重要的的基础设施施之一。物联网的的网络和和现有网网络有何何异同？？物联网网是下一一代互联联网吗？？无线网网络在物物联网中中究竟扮扮演了什什么角色色？网络构建建层在物物联网四四层模型型中连接接感知识识别层和和管理服服务层，，具有强强大的纽带作用，高高效、稳稳定、及及时、安安全地传传输上下下层的数数据。各种网络络形式如如何应用用于物联联网？互联网：IPv6扫清了可接入入网络的的终端设设备在数量上的的限制。互联网网/电信网是是物联网网的核心网络络、平台和和技术支支持。无线宽带带网：WiFi/WiMAX等无线宽宽带技术术覆盖范范围较广广，传输输速度较较快，为为物联网网提供高速可靠靠廉价且不受接入设备备位置限制制的互联手手段。无线低速速网：ZigBee/蓝牙/红外等低速网网络协议议能够适应物联网中中能力较低低的节点点的低速率率、低通通信半径径、低计计算能力力和低能能量来源源等特征征。移动通信信网：移动通通信网络络将成为为“全面、随随时、随随地”传输信信息的有有效平台台。高速速、实时时、高覆覆盖率、、多元化化处理多多媒体数数据，为为“物品品触网””创造条条件。1.2核心技术术：管理理服务层层核心技术术综合应用用层管理服务务层网络构建建层感知识别别层管理服务务层位于于感知识识别和网网络构建建层之上上，综合合应用层层之下，，是物联网智智慧的源源泉。人们通通常把物物联网应应用冠以以“智能能”的名名称，如如智能电电网、智智能交通通、智能能物流等等，其中中的智慧慧就来自自这一层层。当感知识识别层生生成的大大量信息息经过网网络层传传输汇聚聚到管理理服务层层，如果果不能有有效地整整合与利利用，那那无异于于入宝山山而空返返，望““数据的的海洋””而兴叹叹。管理服务务层解决决数据如何存储储（数据库库与海量量存储技技术）、、如何检索索（搜索引引擎）、、如何使用用（数据挖挖掘与机机器学习习）、如何不被被滥用（数据安安全与隐隐私保护护）等问问题。(大数据、、云计算算！)海量信息息存储与与物联网网核心技术术综合应用用层管理服务务层网络构建建层感知识别别层网络存储储体系结结构：直接附加加存储（（DAS）网络附加加存储（（NAS）存储区域域网络（（SAN）困难：只能满足足中等规规模商业业需求数据中心心不仅包括括计算机机系统和和配套设设备（如如通信/存储设备备），还还包括冗冗余的数数据通信信连接/环境控制制设备/监控设备备及安全全装置，，是一大大型的系系统工程程。通过过高度的的安全性性和可靠靠性提供供及时持持续的数数据服务务，为物物联网应应用提供供良好的的支持。。典型的数数据中心心：Google/Hadoop搜索引擎擎与物联联网核心技术术综合应用用层管理服务务层网络构建建层感知识别别层情景（Context）搜索索：一个能够够在合理理响应时时间内，，根据用用户的查查询关键键词和用用户所在在的情景景，返回回包含相相关信息息的结果果列表（（hitslist）。传统的搜搜索引擎擎是基于查查询关键词的，对于于相同的的关键词词，会得得到相同同的查询询结果。。物联网时时代搜索索引擎的的新思考考从智能物物体角度度思考搜搜索引擎擎与物体体之间的的关系，，主动识识别物体体并提取取有用信信息。从用户角角度上的的多模态态信息利利用，使使查询结结果更精精确，更更智能，，更定制制化。物联网的的智慧决决策核心技术术综合应用用层管理服务务层网络构建建层感知识别别层需求分析析：更透彻的的感知要要求对海海量数据据多维度度整合与与分析更深入的的智能化化需要普普适性的的数据搜搜索和服服务数据挖掘掘技术从大量数数据中获获取潜在在有用的的且可被被人理解解的模式式，基本本类型有有关联分分析，聚聚类分析析，演化化分析等等。应用举例例：精准农业业：实时监监测环境境数据，，挖掘影影响产量量的重要要因素，，获得产产量最大大化配置置方式市场营销销：通过数数据库行行销和货货篮分析析等方式式获取顾顾客购物物取向和和兴趣信息安全全与隐私私保护核心技术术综合应用用层管理服务务层网络构建建层感知识别别层RFID安全主要安全全和隐私私隐患：：窃听、跟跟踪、中中间人攻攻击、欺欺骗/重放/克隆、物物理破解解、篡改改信息、、拒绝服服务攻击击、RFID病毒…保护手段段：物理安全全机制/密码学安安全机制制/PUF…位置隐私私定义：用户对自自己位置置信息的的掌控能能力：用用户能自自由决定定是否发发布位置置信息，，将信息息发布给给谁，通通过何种种方式来来发布，，以及发发布的信信息有多多详细。。保护手段段：制度制约约、隐私私方针、、身份匿匿名、数数据混淆淆1.2核心技术术：综合合应用层层“实践出出真知””，无论论任何技技术，应应用是决决定成败败的关键键。物联网丰丰富的内内涵催生生出更加加丰富的的外延应应用。传统互联网经经历了以数据据为中心到以以人为中心的的转化，典型型应用包括文文件传输、电电子邮件、万万维网、电子子商务、视频频点播、在线线游戏和社交交网络等；而而物联网应用以以“物”或者者物理世界为为中心，涵盖物品追追踪、环境感感知、智能物物流、智能交交通、智能电电网等等。物物联网应用目目前正处于快快速增长期，，具有多样化化、规模化、、行业化等特特点。核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层本章内容1.1起源与发展1.2核心技术1.3应用前景物联网丰富的的内涵催生出出更加丰富的的外延应用。。1.3物联网的应用用前景智能物流：现代物流系统统希望利用信信息生成设备备，如RFID设备、感应器器或全球定位位系统等种种种装置与互联联网结合起来来而形成的一一个巨大网络络，并能够在在这个物联化化的物流网络络中实现智能能化的物流管管理。智能交通：通过在基础设设施和交通工工具当中广泛泛应用信息、、通讯技术来来提高交通运运输系统的安安全