物联网新的教案

物联网新的教案第1页/共66页第2页/共66页IOT应用场景：物体‘说话’第3页/共66页物联网物联网的来源及概念物联网的三个层次

物联网的四个支撑技术第4页/共66页物联网来源MarkWeiser（1952-1999）前施乐公司首席科学家

1991年在权威杂志《美国科学》发表文章预测：计算机将最终“消失”，演变为在我们没有意识到其存在时，就已融入人们的生活中的境地。第5页/共66页计算模式的发展“十五年周期定律”

IBM前首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点，认为计算模式每隔15年发生一次变革。这一判断像摩尔定律一样准确，人们把它称为“十五年周期定律”。1965年前后的“大型机”；1980年前后的“个人计算机”；1995年前后的“互联网”；2010年前后“物联网”。在当下的“15年”，一场新的变革正悄然兴起，那就是“物联网”。有人将2010年称为“物联网元年”。第6页/共66页从物联网本质分析，它是信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，是将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用实现人与物对话，创造智慧的世界。被称为信息产业第三次浪潮。第一次：PC机时代第二次：互联网时代第三次：物联网时代第7页/共66页第8页/共66页物联网定义2010年温总理在十一届人大三次会议上所

作政府工作报告中对物联网做了这样的定义：

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，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。第9页/共66页物联网定义欧盟定义：将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。国际电信联盟(ITU)的定义：物联网主要解决物品到物品(ThingtoThing,T2T),人到物品(HumantoThing,H2T),人到人(HumantoHuman,H2H)之间的互连。第10页/共66页物联网基本定义物联网（TheInternetofthings，IOT）的基本定义：

通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品通过有线与无线方式与互联网连接，进行通信和信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

第11页/共66页我的理解物联网是通过各种传感技术（RFID、传感器、GPS、摄像机、激光扫描器……）、各种通讯手段（有线、无线、长距、短距……），将任何物体与互联网相连接，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，进而实现“管理、控制、营运”一体化的一种网络。第12页/共66页“物”的涵义

这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：1、要有数据传输通路；2、要有一定的存储功能；3、要有CPU；4、要有操作系统；5、要有专门的应用程序；6、遵循物联网的通信协议；7、在世界网络中有可被识别的唯一编号。第13页/共66页与任何物体相连第14页/共66页物联网的三个层次感知层网络层应用层第15页/共66页物联网的三个层次感知层：据采集与感知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。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。第16页/共66页全面感知可靠传输智能处理感知传输智能利用RFID、传感器、二维码等能够随时随地采集物体的动态信息。通过网络将感知的各种信息进行实时传送。利用计算机技术，及时地对海量的数据进行信息控制，真正达到了人与物的沟通、物与物的沟通。第17页/共66页物联网的三个层次网络层：实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要。第18页/共66页物联网的三个层次应用层：应用层主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。其中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交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等行业应用。第19页/共66页物联网的三个层次物联网三个重要特征：1、全面感知，利用RFID，传感器，二维码等随时随地获取物体的信息，比如装载在高层建筑、桥梁上的监测设备；人体携带的心跳、血压、脉搏等监测医疗设备；商场货架上的电子标签；2、可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；3、智能处理，利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。第20页/共66页物联网核心技术物联网核心技术包括射频识别(RFID)装置、WSN网络、红外感应器、全球定位系统、Internet与移动网络，网络服务，行业应用软件。在这些技术当中，又以底层嵌入式设备芯片开发最为关键，引领整个行业的上游发展，以下我们着重介绍RFID技术和WSN技术。第21页/共66页RFDI技术无线射频识别技术（RadioFrequencyIdentification,RFID），或称射频识别技术，是从二十世纪90年代兴起的一项非接触式自动识别技术。它是利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。沃尔玛使用的RFID第22页/共66页RFID的组成

应答器：由天线，耦合元件及芯片组成，一般来说都是用标签作为应答器，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：由天线，耦合元件，芯片组成，读取（有时还可以写入）标签信息的设备应用软件系统：是应用层软件，主要是把收集的数据进一步处理，并为人们所使用。第23页/共66页RFID系统组成RFID系统电子标签(Tag)天线(Antenna)阅读器(Reader)第24页/共66页日本东京大学坂村健教授在计算所介绍RFID。萝卜上的RFID记录了整个萝卜生产信息（产地、施肥、农药），运输信息等。买家在超市可以追踪这些信息。桌子上的烟、酒、饮料都有RFID。第25页/共66页IPv6物联网的前提是必须为物品赋以独一无二的地址现有标准IPv4只支持大概40亿（232次方）个网络地址，平均每个人不到1个，人都不够分的。IPv6是互联网协议第四版（IPv4）的更新版Pv6支持2128（约3.4×1038）个地址，这等价于在地球上每平方英寸有4.3×1020地址（6.7×1017地址／mm2）丰富的地址资源使得物联网成为可能。第26页/共66页RFID与条形码比较

第27页/共66页RFID标签

分类按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但寿命长且对工作环境要求不高。第28页/共66页被动式被动式标签没有内部供电电源。其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动，这些电磁波是由RFID读取器发出的。当标签接收到足够强度的讯号时，可以向读取器发出数据。这些数据不仅包括ID号（全球唯一标示ID），还可以包括预先存在于标签内EEPROM中的数据。由于被动式标签具有价格低廉，体积小巧，无需电源的优点。市场的RFID标签主要是被动式的。半主动式一般而言，被动式标签的天线有两个任务，第一：接收读取器所发出的电磁波，藉以驱动标签IC；第二：标签回传信号时，需要靠天线的阻抗作切换，才能产生0与1的变化。问题是，想要有最好的回传效率的话，天线阻抗必须设计在“开路与短路”，这样又会使信号完全反射，无法被标签IC接收，半主动式标签就是为了解决这样的问题。半主动式类似于被动式，不过它多了一个小型电池，电力恰好可以驱动标签IC，使得IC处于工作的状态。这样的好处在于，天线可以不用管接收电磁波的任务，充分作为回传信号之用。比起被动式，半主动式有更快的反应速度，更好的效率。主动式与被动式和半被动式不同的是，主动式标签本身具有内部电源供应器，用以供应内部IC所需电源以产生对外的讯号。一般来说，主动式标签拥有较长的读取距离和较大的记忆体容量可以用来储存读取器所传送来的一些附加讯息。第29页/共66页RFID主要频段标准及特性第30页/共66页读写器将要发送的信息，经编码后加载到高频载波信号上再经天线向外发送。进入读写器工作区域的电子标签接收此信号，卡内芯片的有关电路对此信号进行倍压整流、调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过片上天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至信息系统进行处理。若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起电子标签内部电荷泵提升工作电压，提供电压擦写E2PROM。若经判断其对应密码和权限不符，则返回出错信息。RFID工作原理

系统工作原理第31页/共66页RFID的优点非接触操作，长距离识别(几厘米至几十米)，完成识别工作时无须人工干预，应用便利无机械磨损，寿命长，可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境可识别高速运动物体并同时识别多个电子标签读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储

数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理与目前广泛使用的自动识别技术例如摄像、条码、磁卡、IC卡等相比，射频识别技术具有很多突出的优点：第32页/共66页RFID技术-标准概况RFID系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。目前已经发布或者正在制定中的标准主要与数据采集相关，其中包括电子标签与读写器之间的接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、RFID标签与读写器的性能和一致性测试规范以及RFID标签的数据内容编码标准等。在RFID标签的数据内容编码领域，各路标准竞争最为激烈。目前全球共有五大标准组织，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。其中EPCGlobal是由北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准组织联合成立，在全球拥有上百家成员，并且得到了零售巨头沃尔玛、制造业巨头强生、宝洁等大型企业的强力支持。而AIM、ISO、UID则代表一部分欧美国家以及日本对RFID标准的争夺；IP-X的成员则以非洲、大洋洲、亚洲等国家为主，比较而言，EPCGlobal得到更多厂商的认可和支持。第33页/共66页第34页/共66页传感器能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。无线传感器网络（WSN）无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。物联网核心技术：WSN第35页/共66页

WSN网络概述无线传感器网络（WSN）是集计算机、通信、网络、智能计算、传感器、嵌入式系统、微电子等多个领域交叉综合的新兴学科，它将大量的多种类传感器节点(传感、采集、处理、收发、网络于一体)组成自治的网络，实现对物理世界的动态智能协同感知。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、以及交通控制等。无线传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外，还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源（通常为电池）。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒，小到一粒尘埃。传感器节点的成本也是不定的，从几百美元到几美分，这取决于传感器网络的规模以及单个传感器节点所需的复杂度。传感器节点尺寸与复杂度的限制决定了能量、存储、计算速度与带宽的受限。传感器网络由三部分组成，WSN硬件、WSN软件与网络协议。

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WSN硬件.

WSN硬件一个无线传感器节点可视为是一台微型的计算机，具有基本的组件和接口。强调省电和构成分布式的自主网络平台。

第37页/共66页WSN软件.传感器网络的软件关键技术主要有无线数据库技术，比如使用在无线传感器网络的查询，和用于和其他传感器通讯的网络技术，特别是多次跳跃路由协议，其中以Zigbee(IEEE802.15.4)为代表。网络节点的微嵌入式软件：由于WSN的定位是大量布建在各种各样的远程连结环境中，并采用类似adhoc的特殊多跳移动无线网络。无线传感器网络节点基本上属于嵌入式系统的一种，也就是采用比一般目的操作系统更为精简的嵌入式操作系统。第38页/共66页网络协议网络协议：有文献指出，无线传感器网络是由大量传感器结点通过无线通信技术自组织构成的网络。它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。这些应用一般不需要很高的带宽，但是对功耗要求却很高，大部分时间必须保持低功耗。由于无线传感结点通常使用存储容量受限的嵌入式处理器/控制器，因此对协议栈的大小也有严格限制。另外，WSN对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面也有一定的要求。WSN的特殊性对应用于该技术的网络协议提出了较高要求。目前，ZigBee技术已经在WSN领域得到了较为广泛的应用，是最具竞争力的WSN网络协议。但有文献认为，Parmar表示，从长远来看，Zigbee在安全性、技术成熟度、节点管理、QoS特性、设备互操作性等方面都不及Wi-Fi。第39页/共66页

WSN/ZigBee技术无线传感网络内的各个要素通过一个统一的协议进行信息的传输，这个协议就是ZigBee。ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。无线传感器网络WirelessSensorNetworks包含传感器节点，按计算能力可分为普通节点和汇聚节点等；传感器节点包含了具有采集环境数据功能的感应器和具有联网功能的电子元件；节点间能够通过特有无线通信方式互联（如：ZigBee）。第40页/共66页

ZigBee自身的技术优势低成本高安全短时延低速率低功耗近距离高容量免执照频段第41页/共66页WSN特点和结构

WSN两种组网结构：

WSN通信体系平面结构

1，平面拓扑结构:所有的网络节点处于相同的平等地位,不存在任何的等级和层次差异,所以也被称为对等式结构。

第42页/共66页WSN特点和结构

WSN的逻辑分层结构

2，逻辑分层结构:网络节点按照某种规则（如地理位置、应用需求）分成各个簇，每个簇由簇头和成员节点构成。

第43页/共66页WSN与RFID技术的融合技术优势如下:“WSN和RFID技术的融合。由于RFID抗干扰性较差，而且有效距离一般小于10m，这对它的应用是个限制。如果将Zigbee的WSN同RFID结合起来，利用前者高达100m的有效半径，形成WSID网络，其应用前景不可估量。”同时，Zigbee无线电有希望成为主动的RFID标签。Zigbee产品可以利用更多的传感器和更少的网关，它们可以降低主动RFID的成本。第44页/共66页WSN与RFID技术的融合

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WSN与RFID技术的融合

第46页/共66页WSN与RFID技术的融合

第47页/共66页事实上传感技术也好、RFID技术也好，都仅仅是信息采集技术之一。除传感技术和RFID技术外，GPS、视频识别、红外、激光、扫描等所有能够实现自动识别与物物通信的技术都可以成为物联网的信息采集技术。传感网或者RFID网只是物联网的一种应用，但绝不是物联网的全部。第48页/共66页物联网应用示意图第49页/共66页50物联网应用无线葡萄园2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。葡萄园环境监测系统示意图第50页/共66页51机场防入侵上海浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，多种传感手段组成一个协同系统后，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。上海移动的车务通将在2010年世博会期间全面运用于上海公共交通系统，以最先进的技术保障世博园区周边大流量交通的顺畅。电力管理江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变压器安装传感装置，对运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管理等高效一体化管理，一年来降低电损1.2亿千瓦时。物联网应用第51页/共66页52物联网应用大鸭岛生态环境监测系统

2002年，由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把无线传感器网络技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。位于缅因州海岸大鸭岛上的海燕由于环境恶劣，海燕又十分机警，研究人员无法采用通常方法进行跟踪观察。为此他们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型数百个节点，系统通过自组织无线网络，将数据传输到300英尺外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器。在那之后，全球的研究人员都可以通过互联网察看该地区各个节点的数据，掌握第一手的环境资料，为生态环境研究者提供了一个极为有效便利的平台。大鸭岛生态环境监测系统第52页/共66页53物联网应用利用部署在大街小巷的全球眼监控探头，实现图像敏感性智能分析并与110、119、112等交互，实现探头与探头之间、探头与人、探头与报警系统之间的联动，从而构建和谐安全的城市生活环境。平安城市建设第53页/共66页54物联网应用对珍贵的古老建筑进行保护，是文物保护单位长期以来的一个工作重点。将具有温度、湿度、压力、加速度、光照等传感器的节点布放在重点保护对象当中，无需拉线钻孔，便可有效地对建筑物进行长期的监测。此外，对于珍贵文物而言，在保存地点的墙角、天花板等位置，监测环境的温度、湿度是否超过安全值，可以更妥善地保护展览品的品质。文物保护第54页/共66页55物联网管理平台移动POS金融供应链智能运输工业自动化智能建筑消防公共安全环境保护气象数字化医疗遥感勘测军事农业林业水务电力煤炭石化物流、零售、自动服务设备、安全、节能生产、安全、防灾、水电油气防火、勘察、报警污染检测、报警水质、水量、污染、安全大棚、土壤、灌溉、环境、跟踪抄表、监控、节能设备、临床、辅助诊断、病程险情、油井、运输、管线联动、消防栓、定位、调度照明、信号、应急、灾害、识别大地勘测、森林、地震、海洋侦查、监控、定位、评估降水、防洪、远程设备交易、订单、跟踪、识别通风、瓦斯、救灾定位库存、车队、监控、导航、识别、货物电子支付、实时信息总结物联网应用频谱第55页/共66页人身上可以安装不同的传感器，对人的健康参数进行监控，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去医院检查身体。第56页/共66页无线自动库存管理结合定位功能我们常常可以在药品进出库的地方放置触发器，当成箱的药品进入仓库后我们不需要一一扫描，系统自动读完数据并记录保存。当药品要被出库时同样会被系统记录。自动减去库存。降低人工录入敲错键盘的风险。

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医务人员管理：医务人员的流动性大，在医院重要点位设置固定RFID阅读器读取每个工作人员的RFID胸卡判断其所在位置，从而实现人员室内跟踪，为调度医务人员及时诊疗与救护提供支持。在此基础上，集成门禁系统、监控系统、考勤系统。防止外来人员随便进入，以提高综合管理能力。使用RFID腕带，可便利地实现无线移动护理以及患者定位，对精神病、老人、儿童、急诊患者、传染病管理尤其有价值。带传感器的RFID可用于SARS等病区患者的体温状态监测，降低感染传染或扩散几率。第58页/共66页医疗设备管理：医疗设备管理的最终目的是使医疗设备处于良好的运行状态，确保医院的社会、经济、技术效益最大化。基于RFID技术的医疗设备管理通过标签植入，智能实现入库出库、科室管理、资产盘点、保修报损、防盗报警等功能。此外，还可以通过功能完备的信息系统，实现设备定期维护保养以延长使用寿命，实现设备档案电子化提升工作效率，实现设备使用监管以确保设备利用率。第59页/共66页用血安全管理：将物联网技术用于血液管理，从献血开始就将每个血袋上记录献血这基本信息和血液生物信息的RFID标签，从而简化血液筛选和储存流程，提高血库内部处理效率，降