《物联网概论》课件 第01章 物联网概述

第01章

物联网概述1物联网的概念2物联网体系结构3物联网发展现状4物联网发展趋势中国铁道出版二零二四年九月第1.1章

物联网的概念1物联网的概念2物联网的发展3物联网的特征物联网概述物联网(TheInternetofthings，IoT)，即“物联网就是物物相连的互联网”。物联网的核心仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，通过网络连接，搭建物与物、人与物等直接的交流通道；通过配置在感知对象的感知设备（如标签、传感器、智能设备等），将用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，对现实世界进行感知，通过智能设备对感知对象的识别、反馈其状态等，进行信息交换、通信和智能处理。

什么是物联网简而言之，物联网就是将现实世界中的实体连到互联网上，实现物与物、人与物之间可以很方便地相互沟通。

物联网的概念物联网概述生活中的例子智能家居是一个典型的物联网应用，它可以通过学习用户的生活习惯自动调节家中的温度。用户可以远程通过手机应用控制恒温器，无论身在何处都能调整家中的温度设置。此外，智能过设备能够监测用户的在家和离家状态，并根据这些信息优化能源使用，从而帮助用户节省电费并减少能源浪费。通过这种方式，提高了居住舒适度，也促进了能源的高效利用。在车联网中，可能大家的第一印象都是车载导航的应用。但是实际上，现在的车联网技术已经从车辆的位置的导航，拓展到驾车的整个过程中，包括车体本身的一些运维数据的采集，比如刹车制动、车体温度、压力等等，还有行车环境的监测，比如障碍物的识别、周边行车的速度距离等等，通过这些数据的采集分析，给行车者提供更多的安全保障。物联网的概念物联网概述随着技术的进步，互联网的应用已不仅限于连接人与人，而是扩展到了连接人与设备、设备与设备。这种新的网络扩展被称为物联网（InternetofThings,IoT），它允许物理世界中的物体通过嵌入传感器和网络连接设备，实现相互通信和互联网数据交换，如图所示。物联网的出现标志着互联网的一个新时代，使得从智能家居到智慧城市的各种创新应用成为可能，极大地扩展了互联网的功能和影响范围。物联网的起源与发展物联网的发展物联网概述物联网的发展物联网概述2020年，中国信息通信研究院发布的物联网白皮书中，预计到2025年，全球物联网总连接数规模将达到200亿，年复合增长率高达13%。2019年全球物联网的收入为3430亿美元(约人民币2.4万亿元)，预计到2025年将增长到1.1万亿美元(约人民币7.7万亿元)，年复合增长率高达21.4%。

目前物联网产业的发展正在飞速进行，从智能电视、智能家居、智能汽车、医疗健康、智能玩具、机器人等向可穿戴设备领域进行延伸。物联网将通过发展智能硬件不断渗透多元的消费场景，从而营造出更加美好的生活环境，也就是生活变得更加便利、舒适、安全、节能。物联网的发展物联网概述物联网可以分为四个层级，包括感知层、传输层、平台层、应用层。与传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。物联网是具有全面感知、可靠传输、智能处理三大特征的连接物理世界的网络，实现了任何人（Anyone）、任何时间（Anytime）、任何地点（Anywhere）及任何物体（Anything）的4A联接。

物联网的特征感知层是物联网的最底层，其主要功能是收集数据，通过芯片、传感器、执行器、模组等终端从物理世界中采集信息。传输层是物联网的管道，主要负责传输数据，将感知层采集和识别的信息进一步传输到平台层。传输层主要应用无线传输方式，无线传输可以分为远距传输和近距传输。平台层负责处理数据，在物联网体系中起到承上启下的作用，主要将来自感知层的数据进行汇总、处理和分析，主要包括PaaS平台、AI平台和其他能力平台。应用层是物联网的最顶层，主要基于平台层的数据解决具体垂直领域的行业问题，包括安防、物流、交通、家居等领域。物联网的特征物联网概述全面感知是物联网的核心特征之一，如图所示，它指的是通过部署遍布各种环境的传感器和智能设备，物联网能够持续地从其周围环境收集数据。这些传感器可以检测和记录各种参数，如温度、湿度、位置、运动等，而智能设备则能处理这些数据并做出相应的响应。全面感知使物联网能够实时地捕捉到环境变化和用户需求，从而实现精准的数据监测和高效的资源管理。这一特性不仅提高了物联网系统的自动化和智能化水平，也极大地扩展了物联网在健康监护、智能交通、环境监测等领域的应用范围，使其能够更好地服务于人类社会和经济活动。全面感知物联网的特征物联网概述可靠传递可靠传送是指通过各种通信网、广电网与互联网的融合，将物体信息接入网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享。物联网是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议

。物联网的特征物联网概述智能处理是指利用云计算、数据挖掘等各种智能计算技术，对海量的跨地域、跨行业、跨部门的同构、异构数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力、实现智能化的决策和控制。物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。如图1.10所示，物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式

。智能处理物联网的特征中国铁道出版二零二四年九月第1.2章

物联网体系结构1感知层2网络层3应用层4物联网安全物联网体系架构在业界，物联网大致被公认为有这三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是应用层，如图所示。整体架构物联网体系架构感知层感知层是物联网的核心，是信息采集的关键部分，依靠各种类型的传感器实现对物品信息的获取，由各种传感器以及传感器网关构成。全面感知，无处不在感知层包括二维码标签及识读器、RFID标签及读写器、摄像头、GPS导航、各种功能传感器、M2M终端、传感器网关等，主要功能是识别物体、采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用类似。物联网体系架构感知层(1)传感器：传感器是物联网中获得信息的主要设备，它利用各种机制把被测量转换为电信号，然后由相应信号处理装置进行处理，并产生响应动作。感知层的关键技术(2)RFID：它的全称为RadioFrequencyIdentification，即射频识别，又称为电子标签。RFID是一种非接触式的自动识别技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。它主要用来为物联网中的各物品建立唯一的身份标示。(3)无线传感网络：它的英文名称为WirelessSensorNetwork，简称WSN。传感器网络是一种由传感器节点组成网络，其中每个传感器节点都具有传感器、微处理器和通信单元。节点间通过通信网络组成传感器网络，共同协作来感知和采集环境或物体的准确信息。它是目前发展迅速，应用最广的传感器网络。物联网体系架构网络层网络层将感知层收集的数据信息经过无线汇聚、网络接入及承载传输给应用层，使得应用层可以方便地对信息进行分析管理，从而实现对客观世界的感知及有效控制。演进智慧连接，通畅传输物联网用到的通信技术主要包括3G/4G通信、WI-FI和WIMAX、蓝牙、ZigBee自组网技术等。物联网体系架构应用层应用层把感知和传输来的信息进行分析处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。数据融合，智能应用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，主要包括公共中间件、信息开放平台、云计算平台和服务支撑平台；应用服务子层包括智能交通、供应链管理、智能家居、工业控制等行业应用。物联网体系架构应用层（1）物联网应用：它是用户直接使用的各种应用，通常用应用软件的形式表现。如智能操控、安防、电力抄表、远程医疗、智能农业等。应用层的技术（2）物联网中间件：物联网中间件是一种独立的系统软件或服务程序，将各种可以公用的能力进行统一封装，提供给物联网应用使用。（3）云计算：它对物联网海量数据的存储和分析。根据服务类型不同将云计算分为：基础架构即服务(IaaS)、平台即服务（PaaS)、服务和软件即服务（SaaS)。物联网体系架构应用层感知层将采集到的数据通过网络层传递给应用层，应用层将接收到的数据进行分析管理，再将这些数据根据各行各业的应用做出反应处理。与其他两层关系例如，在智能电网中的远程电力抄表应用：安置于用户家中的读表器上显示感知层中的传感器采集到的数据，通过网络层将数据发送并汇总到发电厂的处理器上，该处理器及其对应工作就属于应用层，它将完成对用户用电信息的分析，并自动采取相关措施。物联网体系架构物联网安全物联网安全可以根据物联网的体系架构分为感知安全、网络安全和应用安全三个方面中国铁道出版二零二四年九月第1.3章RFID技术概述1国外物联网发展现状2国内物联网发展现状物联网发展现状国内外物联网发展背景

物联网的国内外市场一直在持续蓬勃发展，呈现出快速发展的趋势。工业物联网和智能城市建设都是当前重要的研究领域。此外，物联网技术还被广泛应用于健康医疗领域，极大地方便了人们的生活。各个行业都在积极探索如何利用物联网技术来提升效率、创造价值，同时也面临着各种挑战和机遇。物联网发展现状物联网发展现状美国物联网发展现状美国最早提出了物联网的概念，并利用其在互联网时代积累的技术优势，在芯片、软件、互联网和高端集成应用等领域努力发展和推进RFTD、传感器和M2M等技术应用。美国预计在物联网市场创造最高的收入，预计2024年底将达到2478亿美元。美国物联网的发展现状物联网发展现状美国物联网领域发展趋势区别于传统物联网感知层、网络层和应用层的3层架构，我们提出的配电物联网整体架构可划分为“云、管、边、端”4个部分感知层（1）数字孪生与元宇宙融合通过使用物联网传感器提供的数据，人们有可能为诸多不同系统构建越来越逼真的数字孪生体，从制造设施到购物中心应有尽有。（2）网络安全引起更多关注美国白宫国家安全委员会表示，消费级物联网设备启动“网络安全标签”计划，帮助物联网设备买家了解他们将特定设备引入家中可能带来的风险，（3）医疗保健物联网方兴未艾“虚拟医院病房”中的医生和护士将通过传感器和远程医疗监测患者的情况并开展治疗。物联网发展现状欧盟物联网的发展现状欧盟的物联网市场规模在逐年增长。积极推动工业4.0和智能制造，智能交通、环境监测、垃圾分类、智能能源管理等方面的应用，改善城市管理和居民生活。精准农业、智能灌溉、畜牧养殖监控等，提高农业生产效率和可持续发展能力。医疗设备监测、远程医疗、健康管理等方面，有助于提升医疗服务的效率和覆盖范围。欧盟物联网发展现状欧盟物联网发展的先进案例位于比利时的欧洲合作研发机构校际微电子中心（IMEC）利用GPS、RFID技术已经开发出远程环境监测、先进工业监测等系统。近来该机构还利用在微电子及生物医药电子领域的领先技术，积极研发具有可遥控、体积小、成本低等功能的微电子人体传感器，自动驾驶系统等技术。欧盟物联网先进案例物联网发展现状日本物联网的发展现状日本是物联网领域的先行者，在传感器、无线通讯和云计算等方面的技术非常成熟。在智能制造、可穿戴设备等领域，已经拥有世界领先的技术和应用实践经验。制定了《物联网促进法》等相关法律，以推动物联网技术的应用和发展。政府还鼓励企业与学术界、研究机构等进行合作，加强研发和创新。日本物联网发展现状韩国物联网的发展现状在2024年，韩国物联网市场的收入预计达到172.8亿美元。在物联网市场的各个行业中，工业物联网将占据主导地位。在强劲的制造业和政府对智能城市举措的支持的推动下，韩国的物联网市场正在蓬勃发展。制定了《物联网促进与隐私保护法》等法律，以促进物联网技术的应用和发展。韩国物联网发展现状日本物联网发展案例四省一厅联合制定的《ITS总体构想》为日本ITS建设奠定了基础，提出未来20年ITS的长期构想、开发和实施计划以及目标确定；定义ITS中先进的导航系统、不停车收费（ETC）、安全驾驶支援等九大领域的21项服务；将ITS建设推广为工业-政府-学术界-私人合作下的国家项目。日本案例12发展现状3作为一个发展中大国，中国对物联网发展的重视程度不亚于其他各大国家。至今中国的物联网市场规模已达2.8万亿元，拥有1.2亿个物联网连接设备和2.5亿个NB-IoT（窄带物联网）连接设备。智能家居和智能城市将成为中国物联网的重点发展领域。智能家居方面，截至2023年中国的智能家居家庭数量已超过1亿户，市场规模达到1.2万亿元。物联网作为未来社会结构与组织的底层基础设施伴随着通信、传感技术、综合应用的发展成熟，筑建“万物互联”的步伐逐渐加快。物联网目前已应用于超45个国民经济大类。经济方面物联网发展现状中国物联网的发展现状发展领域物联网发展现状中国物联网发展的建设设施国家电网建设了智能电网，通信运营商建设了NB-IoT、LTE-M等物联网网络，政府和企业还积极投资建设数据中心、云计算基础设施等。政府和企业在城市管理、物流配送、智能制造、智慧农业等领域积极探索应用，同时大力推广物联网新兴应用场景，例如智能家居、车联网等。建设设施中国铁道出版二零二四年九月第1.4章

物联网发展趋势1物联网终端设备大规模普及2人工智能与物联网的融合3物联网与机器人4物联网正发展成为可持续发展的关键技术56G已为物联网应用做好准备物联网概述物联网发展趋势物联网是新一代信息技术的重要组成部分。与互联网不同，物联网主要的应用对象是一些物理设备。在这些物理设备中嵌入电子软件、传感器以及一些网络连接设备等，就可以实现设备之间数据的交换，从而建立起一套互联的网络。近年来，物联网行业呈现了井喷式的发展。物联网设备数量、物联网应用数量、物联网市场规模、物联网技术投资以及物联网连接数量都呈现了显著的增长趋势。这一井喷式的发展不仅在硬件设备的部署上取得了巨大成功，还在创新的应用场景、市场规模的扩大、技术投资的加大以及设备之间的连接数量上取得了显著的进展。物联网发展趋势物联网概述物联网发展趋势物联网的发展趋势已体现在多个方面。物联网设备将更加便于携带，从传统的笨重设备转变为轻便、便携的形态，以适应人们日益移动化的生活方式。从形态上看，物联网设备将逐渐发展成为具有固态的特点，如可穿戴设备、嵌入式传感器等，以及多种业态的融合，涵盖了家居、健康、交通等多个领域，为人们提供更全面的智能化服务。随着物联网技术的不断演进，算力的加持将成为一个重要的趋势。物联网设备将具备更强大的处理能力和智能化水平，能够更加灵活地应对各种复杂场景和需求，为用户带来全新的使用体验和服务模式。这些趋势的共同作用将推动物联网技术在未来的发展与应用中迈向新的里程碑。物联网发展趋势物联网终端设备大规模普及人工智能与物联网的融合物联网与机器人物联网正发展成为可持续发展的关键技术6G已为物联网应用做好准备物联网概述物联网发展趋势随着物联网终端设备的大规模普及，全球连接的设备数量呈现井喷式增长的趋势。根据华为GIV预测，到2025年，全球连接设备数将达到1000亿台，而到2030年，物联网设备将超过5000亿台，年产生的数据总量将达到1YB，相比于2020年将增长23倍。意味着未来物联网将成为连接设备数量庞大、数据产生巨大的关键网络基础设施。1.物联网终端设备大规模普及物联网概述物联网发展趋势井喷式增长的物联网设备带来了前所未有的数据规模，其中包括来自各种传感器、终端设备的实时数据。海量数据的产生对物联网体系架构提出了严峻的挑战，因为传统的处理方式可能无法满足对数据实时性和高效性的需求。高计算能力的需求也推动了人工智能和机器学习在物联网领域的应用，以提高对数据的智能分析和决策能力。移动互联网连接和工业互联网连接是未来发展的主要趋势，根据lDC的测算数据，预计2026年，全球物联网市场规模将会接近1.55万亿美元。1.物联网终端设备大规模普及2021年-2026年全球物联网市场规模变化趋势及预测物联网概述物联网发展趋势在未来人工智能与物联网的融合为物联网设备带来了全新的可能性，使其能够更加智能地分析数据、自主决策，从而实现更高级的功能和效益。这种趋势的发展不仅将影响着我们的日常生活，还将深刻改变着多个行业的面貌。人工智能旨在赋予计算机系统以类似人类智能的能力。2.人工智能与物联网的融合物联网概述物联网发展趋势物联网是连接世界各种物体的网络，允许它们相互通信将这两者融合起来，能够实现物联网设备的智能化和自主性，从而开辟了全新的应用领域。在人工智能与物联网的融合中，数据起着关键作用。物联网设备产生了海量的数据。然而，仅仅拥有大量数据并不足够，关键在于如何从这些数据中提取有价值的信息。这就是人工智能发挥作用的地方。2.人工智能与物联网的融合物联网概述物联网发展趋势物联网与机器人的融合在物联网发展趋势中占据着重要位置。随着物联网技术的不断进步，机器人的智能化、自主化程度也不断提升，双方之间的互动与合作日益密切。物联网技术为机器人提供了更广阔的数据来源和实时反馈，使其能够更准确地感知和理解环境，实现更精准的任务执行。同时，机器人的应用也推动着物联网技术的应用场景不断拓展，例如在智能家居、智能制造