物联网技术与应用课件

物联网技术与应用

张小强副教授西南交通大学物联网技术与应用1第一部分物联网技术物联网产生的背景、技术现状、产业链等提纲第三部分物联网、应用物联网的工程应用情况、前景分析第二部分技术技术简介、作用及发展趋势第一部分物联网技术提纲第三部分物联网、应2第一部分

物联网技术第一部分

物联网技术3物联网产生的背景：1、全球性的经济危机

经济长波理论：每一次的经济低谷必定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是可以为绝大多数工业产业提供一种全新的使用价值，从而带动新一轮的消费增长和高额的产业投资，以触动新经济周期的形成。

过去的10年间，互联网技术取得巨大成功。目前的经济危机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为推动下一个经济增长的特别重要推手。

2、传感技术的成熟

随着微电子技术的发展，涉及人类生活、生产、管理等方方面面的各种传感器已经比较成熟。例如常见的无线传感器（）、、电子标签等。

3、网络接入和信息处理能力大幅提高

目前，随着网络接入多样化、宽带化和计算机软件技术的飞跃发展，基于海量信息收集合分类处理的能力大大提高。物联网产生的背景：1、全球性的经济危机

经济长波4物联网概念的发展历程200519991998的中心的：把技术与传感器技术应用于日常物品中形成一个“物联网”的中心：物联网是成千上万的物品采用无线方式接入了的网络。这是物联网概念真正的提出。报告：物联网是通过和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络。把物联网的概念拓展到了传感网络2008：互联网＋物联网＝智慧地球把传感器设备安装到电网、铁路、桥梁、隧道、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且普遍连接形成网络，即“物联网”1995在《未来之路》中提及物联网概念物联网概念的发展历程200519991998的中心的：把技5中国政府对物联网的发展非常关注中国政府对物联网的发展非常关注62009年8月26日，工信部总工程师朱宏任在中国工业经济运行2009年夏季报告会上表示，我国也正在高度关注、重视物联网方面的研究。2009年9月11日，工信部传感器网络标准化工作小组的成立，标志着我国将加快制定符合我国发展需求的传感网技术标准，力争主导制定传感网国际标准。2009年11月3日，温家宝总理在人民大会堂向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，再次强调科学选择新兴战略性产业非常重要，并指示要着力突破传感网、物联网关键技术。

2009年8月26日，工信部总工程师朱宏任在中国工业经济运行7物联网（)产业在两会期间被正式提升为国家戓略之一，写入政府工作报告，国家物联网标准联合工作组成立物联网如果要被当成“一个产业”，需要有一个一致认同的定义和规范的统计标准，如果不统一，将无法准确统计产业规模有人说物联网产业“看丌清楚”，正在中国“野蛮生长“物联网是一个“已经探明储量的巨大金矿”，但矿产资源很分散，遍布世界各个角落，眼下还难以集中开采物联网（)产业在两会期间被正式提升为国家戓略之一，写入政府8物联网（：）的定义：通过射频识别（）、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，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。

1、技术层面的定义

物联网是指物体通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。

2、应用层面的定义

物联网是指把世界上所有的物体都联接到一个网络中，形成“物联网”,然后“物联网”又与现有的互联网结合,实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和动态的方式管理生产和生活。物联网（：）的定义：通过射频识别（）、红外感应器、9物联网特征物联网三个重要特征：1、全面感知，利用，传感器，二维码等随时随地获取物体的信息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物联网特征物联网三个重要特征：10物联网的关键技术传感网络技术是由使用传感器的器件组成的在空间上呈分布式的无线自治网络，用来感知环境参数，如温度、震动等等。近程通讯技术是新兴的短距离连接技术，从很多无接触式的认证和互联技术演化而来，和蓝牙技术是其中的重要代表。物联网现阶段最主要的表现形式：M2MM2M是机器到机器的无线数据传输，有时也包括人对机器和机器对人的数据传输。有多种技术支持M2M网络中的终端之间的传输协议，目前主要有、、802.11等等。物联网的关键技术传感网络技术是由使用传感器的器件组11物联网的架构物联网的架构12基本模型智能卡条形码二维码

GPS传感器技术网关设备近距离通信因特网跟踪定位高速数据网络基本模型智能卡条形码二维码GPS传感器技术近距离因特网13物联网结构物联网结构14基于物联网技术的智慧星球基于物联网技术的智慧星球15物联网发展的三个阶段初级阶段：已存在的一些各行业基于各种行业数据交换和传输标准的连网监测监控，两化融合等应用系统，主要以（物连网）的方式存在中级阶段：在物联网理念推劢下，基于局部统一的数据交换标准实现的跨行业、跨业务综合管理大集成系统，初步走向（物联网）高级阶段：基于物联网统一数据标准，,云计算虚拟服务的系统，最终实现“”物联网发展的三个阶段初级阶段：已存在的一些各行业基于各种行业16物联网产业链之划分三层架构：感知层，网络层，和应用层物联网产业链之划分三层架构：感知层，网络层，和应用层17物联网四大支柱产业群:中国股票市场“横空出世”的物联网概念股都是做智能卡的公司传感网：以研究人员为主体，也包括一些仪器仪表业界的公司，这也是温总理“感知中国”提法的主要依据M2M：中国三大通讯营运商早已开展M2M业务，兲注末端设备的互联和集控管理两化融合：自劢控制，工业信息化行业相兲产业群物联网四大支柱产业群:中国股票市场“横空出世”的物联网概18对物联网的看法：物联网已经成为信息科技产业化的第三次浪潮，强调核心技术。事实上她只是反映了学科交叉、技术集成的科学发展必然趋势。我们应该积极投身于这个浪潮之中，发挥自身优势，在物联网大系统中占领一席之地，其目标是使得国家利益最大化。“”在美国并未成为一个像中国一样“家喻户晓”的“”，美国更关注一些具体行业应用，如M2M，等。物联网的技术和理念以及应用早已在各行业存在，但共性特征未被总结、提炼出来，目前时机已成熟。物联网之所以目前被认为是一个产业，主要缘于各行业应用的技术共性对物联网的看法：物联网已经成为信息科技产业化的第三次浪潮，强19分析：中国优势和机会国家戓略高度重视“举国体制”优势全社会支持，巨大内需市场可以调劢最大的整体资源用户的求新意识发达地区基础设施世界一流，和国外基本处在同一起跑线发达国家受“产业惯性”制约软件和数据标准待建立外部全球经济危机待恢复，需要新的增长点分析：中国优势和机会国家戓略高度重视20其他相关术语感知中国，M2M,传感网络，智慧地球（)，两化融合()，(普适计算）,，和、（可执行的互联网），2.0，（智能电网）……物联网其实已成为一个“中国制造”的概念，含义更广阔，影响更深远其他相关术语感知中国，M2M,传感网络，智慧地球（)，两化融21物联网发展过程中面临的五个主要技术问题：

（1）技术标准问题

世界各国存在不同的标准。中国信息技术标准化技术委员会于2006年成立了无线传感器网络标准项目组。2009年9月，传感器网络标准工作组正式成立了1(国际标准化)、2(标准体系与系统架构)、3(通信与信息交互)、4(协同信息处理)、5(标识)、6(安全)、7(接口)和8(电力行业应用调研)等8个专项组，开展具体的国家标准的制定工作。

（2）安全问题

信息采集频繁，其数据安全也必须重点考虑。

（3）协议问题

物联网是互联网的延伸，在物联网核心层面是基于，但在接入层面，协议类别五花八门，12、、短信、传感器、有线等多种通道，物联网需要一个统一的协议栈。物联网发展过程中面临的五个主要技术问题：

（122物联网发展过程中面临的主要问题（续）：

（4）地址问题

每个物品都需要在物联网中被寻址，就需要一个地址。物联网需要更多的地址，4资源即将耗尽，那就需要6来支撑。4向6过渡是一个漫长的过程，因此物联网一旦使用6地址，就必然会存在与4的兼容性问题。

（5）终端问题。

物联网终端除具有本身功能外还拥有传感器和网络接入等功能，且不同行业需求千差万别，如何满足终端产品的多样化需求，对运营商来说是一大挑战。

物联网发展过程中面临的主要问题（续）：

（4）23第二部分

技术介绍第二部分

技术介绍24射频识别技术是的缩写，即射频识别。常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码，等等。无线射频识别技术（，）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。射频识别技术是的缩写，即射频识别。常称为感应式电子晶片或25的发展历程技术的发展可按10年期划分如下：1941～1950年。雷达的改进和应用催生了技术，1948年奠定了技术的理论基础。1951—1960年。早期技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。1961—1970年。技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。1971—1980年。技术与产品研发处于一个大发展时期，各种技术测试得到加速。出现了一些最早的应用。1981～1990年。技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。1991～2000年。技术标准化问题日趋得到重视，产品得到广泛采用，产品逐渐成为人们生活中的一部分。2001—今。标准化问题日趋为人们所重视，产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。的发展历程技术的发展可按10年期划分如下：26的组成的组成27电子标签电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签()、无源电子标签()和半无源电子标签(—)。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池，半无源电子标签(—)部分依靠电池工作。电子标签依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。依据封装形式的不同可分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。电子标签电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线28类型优点缺点应用领域有源标签电能充足工作可靠性高信号传送的距离远限制标签的使用时间或次数。寿命受到限制随着电池电力的消耗数据传输的距离会越来越小。可用在需要限制数据传输量或使用数据有限制的领域。无源标签有永久的使用期支持长时间的传输距离永久的数据存储。数据输出的距离，比主动式标签小，电能较弱数据传输的距离和信号强度受到限制。用语标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方。类型优点缺点应用领域有源标签电能充足寿命受到限制可用在需要限29只读标签与可读可写标签只读标签：内部只有和。用于存储发射器说明和安全性要求较高的数据，它与内部的处理器或逻辑处理单元完成内部的操作控制功能.可读可写标签：内部的存储器除了、和缓冲存储器之外，还有非活动可编程记忆存储器。这种存储器除了存储数据功能外，还具有在适当的条件下允许多次写入数据的功能。只读标签与可读可写标签30标识标签与便携式数据文件根据标签中存储器数据存储能力的不同，可以把标签分成仅用于标识目的的标识标签与便携式数据文件两种.标识标签：一个数字或者多个数字字母字符串存储在标签中，为了识别的目的或者是进入信息系统中数据库的钥匙（）.标识标签中存储的只是标识号码，用于对特定的标识项目，如人、物、地点进行标识。便携式数据文件：是标签中存储的数据非常大，可以看作是一个数据文件。这种标签一般都是用户可编程的，标签中除了存储标识码外，还存储有大量的被标识项目其它的相关信息.标识标签与便携式数据文件根据标签中存储器数据存储能力的不同，31标签的编码（卡號，）：由于各家晶片廠商各有其编码方式方式，且资料加密方式不同，並未统一。

（）：由麻省理工学院的中心所研发，的编码，其结构：标头、管理者（公司）、物件（产品品）、序号四大区段，其中公司码及产品码均可与現行的编码系统结合，减少少重新编码的工作。标签的编码（卡號，）：由于各家晶片廠商各有其编码方式方式32电子标签的组成电子标签的组成33()标签规范名稱描述注釋0简单、被动式及仅在制造厂()中规制的只读标签可從2003年2月開始提供0標籤1简单、被动式及拥有可供一次编制、非易变性()内存的只读标签可從2003年3月開始提供1标签2具可擦写()内存的被动式标签尚未完成3准被动式()标签，具可擦写()内存以及一个内建电池以支持增加读取距离尚未完成4准被动式()标签或可与每一个或与其它仪器沟通之主动式()标签尚未完成()标签规范名稱描述注釋0简单、被动式及仅在制造厂()34物联网技术与应用课件35物联网技术与应用课件36天线天线()：在标签和读取器间传递射频信号。天线的工艺有:线圈工艺(生产复杂,成本高,单通信距离长)蚀刻工艺(在附着铝箔的胶片上进行蚀刻形成的天线)印刷工艺(通过使用导电油墨的丝网印刷法形成天线的工艺,可以生产最廉价的电子标签,但是在频率特性技导电稳定性方面还不足)天线天线()：在标签和读取器间传递射频信号。天线的工艺有:37物联网技术与应用课件38天线的选择天线必须：足够的小以至于能够贴到需要的物品上；有全向或半球覆盖的方向性；提供最大可能的信号给标签的芯片；无论物品什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配；具有鲁棒性；非常便宜。天线的选择天线必须：39阅读器阅读器（读写器）通过天线与电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。阅读器阅读器（读写器）通过天线与电子标签进行无线通信，可以实40的工作原理

标签进入磁场后，接收解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（，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（，有源标签或主动标签）；解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。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。的工作原理标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号41发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。(1)电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125、225和13．56。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20。(2)电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433，915，2．45，5．8。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3—l0m。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。42读写器读写器频率分类和我们听的收音机道理一样，射频标签和阅读器也要调制到相同的频率才能工作。,,就对应著不同频率的射频。代表低频射频，在125左右，代表高频射频，在13.54左右，代表超高频射频，在850至910范围之内，还有2.4G的微波读写器。1基片、小型(天线较小、适合近距离通信)2手持型读写器中装有电池，输出功率较低，通信距离适中3面板型天线稍大，通信距离较长，适合货运托盘管理、工程管理等需要自动读取电子标签的场合读写器读写器频率分类43系统的频段特点对一个系统来说，它的频段概念是指读写器通过天线发送、接收并识读的标签信号频率范围。从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，直接决定系统应用的各方面特性。在系统中，系统工作就像我们平时收听调频广播一样，射频标签和读写器也要调制到相同的频率才能工作。射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备成本。应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于波段。典型的工作频率有：125、133、13.56、27.12、433、902～928、2.45、5.8等。系统的频段特点对一个系统来说，它的频段概念是指读写器通过天44按照工作频率的不同，标签可以分为低频()、高频()、超高频()和微波等不同种类。不同频段的工作原理不同，和频段电子标签一般采用电磁耦合原理，而及微波频段的一般采用电磁发射原理。目前国际上广泛采用的频率分布于4种波段，低频(125)、高频(13.54）、超高频（850～910）和微波（2.45）。每一种频率都有它的特点，被用在不同的领域，因此要正确使用就要先选择合适的频率。按照工作频率的不同，标签可以分为低频()、高频()、超高频(45不同频段系统的优缺点：工作频段优点缺点低频技术简单、无频率限制受环境影响较小通信速率低、工作距离短（小于10）、天线尺寸大高频与低频相比有较高的通信速率和较长的工作距离距离不够远（最大75）天线尺寸大，受金属材料影响较大超高频工作距离长（大于1m）、天线尺寸小、可绕开障碍物，无须视线接触，可定向识别各国都有不同的频段管制，对人体有伤害，发射功率受限制，受某些材料影响较大微波除具有超高频标签的优点外，还具有更高的带宽和通信速率，更长的工作距离和更小的天线尺寸共享此频段产品多，易受干扰，技术复杂，对人体有伤害，发射功率受限制，受某些材料影响较大不同频段系统的优缺点：工作频段优点缺点低频技术简单、无频率限46各国使用频率情况各国使用频率情况47

48第三部分

物联网应用第三部分

物联网应用49物联网应用物联网总体应用前景：

在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。一旦物联网大规模普及，无数的物品需要加装更加小巧智能的传感器，用于动物、植物、机器等物品的传感器与电子标签及配套的接口装置数量将大大超过目前的手机数量。

按照目前对物联网的需求，在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签。专家预计，2011年，内嵌芯片、传感器、无线射频的“智能物件”将超过1万亿个，物联网将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，这将大大推进信息技术元件的生产，给市场带来巨大商机。物联网应用物联网总体应用前景：

在国家大力推50智能交通医疗监护智能家居环境监测国防军事防灾减灾工业监控物联网应用领域城市管理物联网智能交通医疗监护智能家居环境监测国防军事防灾减灾工业监控物联51物联网—感知城市物联网—感知城市52公共安全自然灾害气象灾害事故灾难电梯安全地下空间事故危化品事故桥梁安全检测公共卫生“三品一械”安全事件社会安全重特大群体性事件公共场所治安事件公共安全自然灾害53市政管理城市部件：广告牌、停车场、市政车辆、垃圾物流、市政井盖、古木名树、地下管网、路灯监测、市政供暖监测、公共场所环境监测等城市事件：聚集、游商、闯入禁区等市政管理城市部件：广告牌、停车场、市政车辆、垃圾物流、市政井54节能减排建筑物节能：公共场所温度监测空调无线监控照明智能控制水电风气监测能源设备安全燃气储气输送安全监测电力变电设备和传输设备的监控智能电网智能电表，记录用户的用电习惯无线抄表，远程上传55低碳节能减排55低碳55智能交通交通引导通告停车场信息获取事件发现/处理/发布车辆自身状况的发布乘客通信和娱乐城市人员分布/流动自动收费56智能交通交通引导5656应用案例1：牲畜溯源

给放养的牲畜中的每一只羊都贴上一个电子标签（电子耳码），这个电子耳码会一直保持到超市出售的肉品上，消费者可通过阅读器阅读电子耳码，知道牲畜的成长历史，确保食品安全。在新疆、宁夏、江苏等地已经有广泛应用。应用案例1：牲畜溯源

给放养的牲畜中的每一只57应用案例2：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。应用案例3：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。应用案例2：机场防入侵

上海浦东国际机场防入侵58应用案例4：个人保健

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。应用案例4：个人保健

人身上可以安装不同的传感器，59应用案例5：平安城市建设

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。应用案例5：平安城市建设

利用部署在大街小巷的全球60物联网管理平台移动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、实时信息总结移动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61物联网技术与应用课件62即使赠品只是一张纸，顾客也是高兴的。如果没有赠品，就赠送“笑容”。所谓企业管理就是解决一连串关系密切的问题，必须有系统地予以解决，否则将会造成损失。浪费时间。8月-238月-23盖茨运用的管理风格既不是美国的个人主义式，也不是日本的共识主义式，而是独树一帜的达尔文式企业成功经典名人名言12:0012:0012:00:498月-23前方充满着未知，但我必须得走。无法评估，就无法管理。8月-238月-238月-238月-2312:0012:00授权就像放风筝，部属能力弱线就要收一收，部属能力强了就要放一放。军队无放