全书教学课件：物联网工程与实践

11物联网工程与实践第一章：物联网工程简介22前言物联网是指将各种实时信息获取设备或设备集合体，如传感网、射频标签阅读装置、条码与二维码设备、仪表、全球定位系统和其它基于物一物通信模式的短距无线自组织网络，通过各种接入网与互联网、广电网或电信网结合起来所形成的一个巨大的实时信息收集、传输、控制及信息服务网络。物联网应用涉及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。物联网工程的任务是建立高效、稳定的物联网实时信息系统。物联网实时信息系统主要包括六个部分：节点、网关、传输网络、数据服务中心、信息服务接入网及信息服务客户端。由于信息服务接入网和客户端同传统的互联网信息服务接入网及客户端相似，这两部分内容将不是本书讨论的重点。本章将从物联网的起源、物联网服务、物联网实时信息系统简介和物联网工程的主要任务几个方面来对物联网工程进行简单介绍。后续几章内容将对物联网实时信息系统的几个主要组成部分进行详细的论述。31.1物联网的起源物联网概念最早来自“微软之父”BillGates在1995年出版的图书《TheRoadAhead（未来之路）》。1998年Auto-ID提出物联网（InternetofThings，IOT）的概念。我国科学院的一些研究所在1999年就启动了传感网的研究，并已取得了一些科研成果，且建立了一些试用的传感网。在我国，一些专家也将传感网称为物联网，但本书认为传感网只是物联网的一个重要组成部分，将传感网等同于物联网有些不妥。2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WorldSummitontheInformationSociety，WSIS）上，国际电信联盟（InternationalTelecommunicationsUnion，ITU）发布了《ITUInternetReports2005:TheInternetofThings》报告，并正式提出了“物联网”的概念。41.1.1物联网的历史早在1991年的英国剑桥大学有一个计算机实验室，实验室咖啡壶事件。1995年，BillGates在他的《TheRoadAhead（未来之路）》书中描述了一些物联网应用场景。KevinAshton提出的物联网是针对物流管理系统的。2005年11月17日举行的信息社会世界峰会上，发布了《ITUInternetreports2005---TheInternetofThings》报告。2009年8月7日至9日，当时国务院总理温家宝在江苏考察太湖污染治理时，在和中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心的技术人员交流后提到：尽快建立我国的传感信息中心，或者叫“感知我国”中心。2012年2月14日，工信部正式公布了《物联网“十二五”发展规划》。51.1.2物联网发展现状1．美国物联网软硬件关键技术2．欧盟物联网技术研发和应用政策3.日本泛在网发展战略4．韩国U-Korea战略5.我国物联网发展现状61.1.3物联网发展趋势根据美国权威的咨询公司Forrester预计，到2020年物联网世界服务规模将是互联网业务的30倍，将形成万亿元人民币的市场规模。其中，仅在智能电网和机场防入侵系统应用方面将有一千亿元人民币的市场。在一份中关村发布物联网产业报告中指出，未来10年，我国的物联网产业将经历应用创新、技术创新和服务创新的3个阶段，最终形成家庭应用、企业应用和公共管理服务三个较为稳定的市场，到2020年的市场规模将超过5万亿元人民币。71.2物联网服务物联网实时信息系统可提供的服务包括实时监测、定位跟踪、报警联动、自动化处理、反向控制、远程维护、统计决策和信息安全等。81.2.1实时监测一方面，实时监测是指利用软件对系统运行的过程进行同步的监控，比如杀毒软件实时对计算机内存进行监控并对调用的系统文件进行适当的操作。另一方面，物联网应用领域的实时监测是指实时收集被监控对象的数据，并对数据进行智能化处理及显示，用户可以通过监控界面或数据来实时了解被监控对象的当前状态。91.2.2定位跟踪物体的定位跟踪可以通过RFID射频技术和全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）技术来实现。通过RFID实时信息系统，可以监控目标行踪。101.2.3报警联动报警联动是指报警事件发生时，产生与报警相关联的各种设备运行动作（如报警图像拍摄存储、照明设备的开或关、空调设备的打开或关闭、供水系统的打开或关闭等）。例如，高温报警时，打开备用空调；湿度太低时打开加湿机，有人非法进入房间时打开视频监视设备及打开房间里的灯光等。111.2.4自动化处理在某种意义上，物联网就是自动化和信息化结合的产物。例如，机器与机器通信（MachinetoMachine，M2M）是自动化的一项重要技术，M2M也被人认为是物联网的前身。机器和机器通信主要集中在设备之间，涉及大量的自动化应用。121.2.5反向控制所谓反向控制，是指当物联网实时信息系统收到有关所监控设备的相关信息后，根据信息的具体内容，系统本身或者管理人员在异地通过网络对所监控设备实施控制措施，比如关闭或打开设备等。对于智能家居系统，天气热了，回家前，你可以通过手机或电脑检查一下家里的室温，然后，在任何地方通过移动电话或电脑开启家里的空调，回到家时，家里就会有一个舒适的环境131.2.6远程维护远程维护（RemoteMaintenance，RM）一般是指从事信息技术服务的工程师、管理人员或系统本身通过网络连接到目标设备进行设备的安装、配置、维护、监控和管理，服务工程师没有必要亲临现场就可以解决问题。从远程维护工作的性质来看，其主要是用来解决软件系统问题。141.2.7统计决策基于海量数据的智能决策是物联网“智慧”的来源。例如，通过使用传感器监测农作物生长的土壤性质和环境条件，实时数据通过网络传输到数据服务中心，通过数据挖掘的方法，可以知道环境温度、湿度和土壤参数和其他因素影响作物产量的规律，可调整各种作物生长环境参数来最大限度地提高作物产量。151.2.8信息安全任何信息系统都存在安全问题，作为实时信息系统，物联网不可避免也存在与传统互联网相关的安全问题。同其它信息系统的安全类似，物联网存在内部安全和外部安全两个方面的问题。物联网的信息安全服务要解决物联网的一般安全问题和物联网信息的隐私问题，为用户提供安全可靠的实时信息服务。161.3物联网实时信息系统简介当前，物联网是一个规模大小及应用种类各不相同的实时信息系统。物联网实时信息系统通过传感器、RFID、GPS及仪表等收集所监控对象的实时状态信息，并将感兴趣信息及时传输到数据服务中心。对数据中心的各种数据进行智能化处理后可形成各种物联网信息服务。人们可以在没有意识到物联网存在的情况下，通过适当的智能终端设备（比如智能手机等）接入到网络并享受物联网所提供的各种实时信息服务。171.3.1物联网实时信息系统应用现状目前，物联网实时信息系统多为孤立的信息系统，不同部门、单位或行业根据具体的需求，建立了规模不同的各自独立的物联网实时信息系统。当前，常见的物联网应用实时信息系统包括医药跟踪信息系统、制造业物流实时信息系统、物资仓储监控实时信息系统；智能物流实时信息系统、工业生产监控实时信息系统、农业生产环境实时监控系统、智能电网实时监控系统、智能家居实时监控系统、智慧城市实时信息服务系统、智能交通系统和智能校园信息服务系统181.3.2物联网实时信息系统的组成物联网工程的任务是建立高效、稳定的物联网实时信息系统。如图1-1所示，物联网实时信息系统一般包含六个部分：节点、网关、传输网络、数据服务中心、物联网服务接入网络和物联网服务客户端。由于物联网服务接入网络和物联网服务客户端和现有的互联网接入网络及互联网服务极其相似，本书的重点将放在物联网实时信息系统的节点、网关、传输网络和数据服务中心四个部分。19图1-1物联网实时信息系统组成201.3.3物联网实时信息系统的分类根据当前的物联网发展现状，物联网实时信息系统可以分为单机的物联网实时信息系统、小区域物联网实时信息系统和大区域物联网实时信息系统。211.4物联网工程的主要任务物联网工程的主要任务是设计、实现并管理一个物联网实时信息系统。具体任务包括：网关收集来自物联网节点的实时数据，网关对实时数据进行初步处理并将数据发送到数据服务中心，数据服务中心存储数据，数据服务中心在数据智能化处理的基础上提供用户可以接收或使用的物联网服务，比如实时监测、定位跟踪、警报处理、反向控制和远程维护等。221.4.1物联网实时信息系统设计物联网实时信息系统设计主要包括节点设计、网关设计、传输网络设计和数据服务中心设计四个方面的内容。231.4.2物联网实时信息系统实现物联网实时信息系统的实现包括六个方面的内容，分别是物联网节点的选取安装及配置、网关的选取安装及配置、传输网络设备的选取安装及配置、数据服务中心服务器的选取安装及配置、数据服务中心软件的实现和客户端软件的实现。241.4.3物联网实时信息系统管理物联网实时信息系统的管理主要包括物联网设备管理、物联网网络管理和物联网安全管理。251.5小结本章对物联网工程所涉及的基本内容进行了概述。物联网工程就是建立及维护物联网实时信息系统过程。物联网实时信息系统的建立是信息化技术在经济及社会发展的各个领域更深层次应用的需要。本章的基本内容包括物联网的起源、物联网服务、物联网实时信息系统简介和物联网工程的主要任务。2626物联网工程与实践第二章：物联网节点2727前言物联网节点是指RFID标签、传感器、传感网及各种仪表，它们负责产生人类感兴趣的各种数据。一个传感器设备本身可以收集环境数据，并将数据直接上传到物联网网关。传感网是一个无线传感器的集合，多个无线传感器一起完成环境数据的收集，并将数据上传到物联网网关，这里我们也将传感网作为一个特殊的物联网节点。IOT节点所收集的数据包括：物品编码、温度、湿度、气压、耗电量、大气有毒气体含量及水资源有害成分含量等。本章将对常见的物联网节点进行介绍。282.1RFID标签RFID标签，俗称电子标签或智能标签，可以附在物体表面或嵌入到物体当中来标示目标对象。RFID标签（tag）由耦合元件及芯片组成，每个RFID标签的芯片中都存储有一个唯一的电子编码。RFID标签使用非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID信息系统主要由RFID标签和RFID读写器组成，用于被监控目标的检测和跟踪。292.1.1RFID标签简介1948年，HarryStockman发表的“利用反射功率的通讯”论文奠定了射频识别技术的理论基础。1951-1960时期为RFID技术的实验室研究探索阶段；1961-1970年间，RFID理论得到了迅速的发展，并开始进行了一些应用尝试。1971-1980年来，进行了较大规模的RFID技术与产品开发研究，产生了一些成熟的RFID应用。1981-1990年间，RFID射频识别技术及产品进入了各种规模的商业应用阶段。1991-2000年间，RFID产品已被广泛应用，越来越多RFID产品已逐渐成为人们生活的一部分。302.1.2RFID标签分类以不同频率为基础，RFID电子标签可以分为低频电子标签、高频电子标签、UHF标签和微波电子标签。根据包装形式的不同，RFID标签可以分为卡型标签、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。总之，根据不同的分类标准，RFID电子标签可以有许多不同的分类。312.1.3RFID标签应用RFID可应用在很多物流管理、零售服务、制造业元配件管理、服装业销售、医疗健康、身份识别、食品药品防伪和交通管理等方面。322.2传感器传感器是一种信息检测装置，能感受到被测量的信息，并可将检测到的信息按一定规律转换成电信号或其它所需形式进行信息输出。从传感器获取的信息在经过处理后，可实现信息的传输、处理、存储及显示。从狭义上说，传感器是一种将非电信号的物理量转变成可以进行计算机处理的电信号的装置，它是实现自动检测和自动控制的重要环节，是物联网应用中的一个重要组成部分。332.2.1传感器简介在基于物联网应用的新技术革命到来时，世界进入了信息化无处不在的时代。在利用信息的过程中，首先要解决的是如何获得准确、可靠信息的问题，而传感器是获取自然界和工农业生产过程信息的主要途径和手段。传感器是物联网技术发展和应用实施的重要基础技术，传感器技术的兴起有着较长的历史。在80年代早期，世界进入了传感器的时代，当时日本把传感器技术列为十大技术之首。342.2.2传感器分类一般而言，传感器可以按照用途、原理、输出信号、测量信息类型进行分类。352.2.3传感器应用传感器可应用于机械制造、工业控制、汽车电子产品、电子通信产品及消费电子产品中。在世界范围内，汽车市场是需求传感器最大的市场，工农业生产的过程控制是需求传感器的第二大市场。362.3传感网传感网是由分散的无线传感器通过特定的无线路由协议而组成的无线自组网络，传感网中的每一个无线传感器都可以通过其它一个或多个传感器组成的路径将数据传输到特定的无线基站。当一条传输路径出现问题时，传感网将通过重组生成另外一条路径。传感网是一个集多个传感器节点可以进行大面积监测的，并在相同的网关管理下的网络。372.3.1传感网简介如图2-1所示，无线传感网可以利用多个传感器来收集较大区域的多个监控点的实时数据，然后将数据通过无线基站传输到物联网网关,然后将数据通过传输网络发送到数据服务中心。38图2-1基于传感网的物联网应用392.3.2传感网分类从无线传输技术角度来讲，WSN主要包括ZigBee无线传感网、WiFi无线传感网和蓝牙（Bluetooth）无线传感网。40图2-2ZigBee传感网拓扑图41图2-3WiFi传感网络信息系统42图2-4蓝牙传感网络体系结构模型432.3.3传感网应用目前，实际经济和社会生活中所使用的传感网主要为ZigBee无线传感网。通常，在符合下列条件之一情况下，可以考虑使用ZigBee传感网技术进行数据传输。第一，需要进行数据采集和监控的地点较多。第二，需要节点进行的数据传输量小，且需要节点价格便宜。第三，要求可靠且安全的数据传输。第四，安装传感器节点的地方空间小，需要较小体积的传感器及较小体积供电设备或电池。第五，监测点多且地形复杂，并需要传感网覆盖较大的监控区域等。442.4仪表仪表可以用来测量温度、压力、功率、压力等，仪表的外形一般就像钟表，可以直接通过刻度来显示数值，这也就是把这类工具称作仪表的原因。常见的仪表有压力仪表、温度仪表、流量仪表等，它们被广泛地应用于工业生产、农业生产、交通控制、科学研究、环保保护和学校科研教学等各方面。一般而言，当前的很多仪表还不能够将其显示的数值直接变成计算机可以处理的数据。452.4.1仪表简介基于来自智能仪表的数据，可以建立不同的监控管理信息系统平台，来实现工业过程的智能化管理。现代工业智能控制系统发展的一个重点是制造基于数字化技术的各种仪表，从模拟仪表向数字仪表转变。并将这些数字化仪表同现代工业的智能化、信息化和网络化有机地结合起来，可实现工农业生产过程或环保检测过程中采样系统和数据处理系统的自动化和智能化。462.4.2仪表分类仪表是利用各种不同的科学技术原理生产出来的工具，可以从不同方面对它们进行分类。按照使用的场所不同，可分为量具仪表、汽车仪表、电离辐射仪表、船用仪表和航空仪表等。按照仪表所测的物理量的不同，又可将仪表分为温度测量仪表、压力测量仪表和流量测量仪表等。针对物联网应用，我们可将仪表分为智能化仪表和非智能化仪表。智能化仪表以数字形式显示，并可将数据以无线或有线接口发送到计算机中进行数据处理；非智能仪表一般不能将数据直接发送到电脑中进行处理。要想将非智能仪表的数据发送到电脑，一般要使用第三方的硬件及软件。472.4.3仪表应用1.仪表在信息技术领域的应用2.仪表在工业化领域的应用3.仪表在高新技术领域的应用4.仪表在环境保护领域的应用482.5GPS接收机GPS接收机是用来接收卫星信号来确定地面位置的电子设备。特定卫星发射导航和定位信号可供数以百万计的设备来接收，GPS接收机的首要功能是接收卫星导航信号。对用户来说，只要拥有一部GPS信号接收机，并对接收到的GPS信息进行智能化处理，就可以实现地面、海洋和空间的导航及目标跟踪。492.5.1GPS接收机简介目前，世界上有了很多家GPS接收机生产商，生产GPS接收机的工厂有几十个，GPS接收机产品的种类也有几百个。国际知名的GPS接收仪制造商包括美国天宝（Trimble）、瑞士徕卡测量系统导航公司（LeicaGeosystems）、日本拓普康（TOPCON）公司；我国南方测绘、中海油和科力达等。南方测绘生产的GPS接收仪主要包括RTKGPS接收机S82、S86、蓝牙GPS静态接收仪。502.5.2GPS接收机分类一般而言，在任何时间和地点，人们都可以利用GPS信号进行导航。根据不同的应用目的，GPS接收机的功能也有所不同。目前，世界范围内，有了几百种型号的GPS接收机，对于这些产品，可以按照使用目的、功能等进行分类。根据接收机的用途，可以将GPS接收机分为导航型接收机、测地型接收机和授时型接收机。512.5.3GPS接收机应用GPS接收机可用于很多经济及社会生活的领域。利用GPS接收机获取的位置信息，在经过智能化处理后可进行定位导航服务、军用打击定位服务和民用定位服务。522.6扫描设备扫描设备可通过捕捉被扫描物体的图像并将这个图像转化为计算机设备可以显示、编辑、存储和输出的形