物联网教学.ppt

1、1,物联网工程技术及应用,2010-11,2,物联网,五、物联网技术教学知识体系,七、物联网的应用,一、物联网概述,物联网概念出现于比尔盖茨1995年未来之路一书，在未来之路中，比尔盖茨已经提及物联网概念，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起重视。 而物联网概念最早提出于1999年，来源于“Internet Of Things”一词，其定义很简单，即把所有物品通过射频识别和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。,1.1物联网背景,3,4,物品开口说话,国际电信联盟曾描绘“物联网”时代的图景： 当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东

2、西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。,1.1物联网背景,5,在计算机互联网的基础上，利用感知（RFID，传感器等）、无线通信、智能等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的网络。 在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，人们能够彼此进行“交流”，人与物能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。 其实质是利用感知/无线技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。,1.1物联网背景,6,物联网（The Internet of things,IOT）。 通俗地讲，物联网就是“物物相连的互联网”,是将各种信息传感设备通过互联网把物品与物品结合起来而形成的一个巨大网络。 “物物相连，感

3、知世界”,1.2 物联网定义（Internet of Things）,以感知为目的的物与物互联的综合信息系统。,1.3 物联网基本特点,全面感知,可靠传输,智能处理,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。,7,8,物联网,一、物联网概述,五、物联网技术教学知识体系,七、物联网的应用,1995年，比尔盖茨在其未来之路一书中已提及物联网概念。 2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布

4、了ITU互联网报告2005：物联网，报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。 2009年1月，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想，其中物联网为“智慧地球”不可或缺的一部分，而奥巴马在就职演讲后已对“智慧地球”构想提出积极回应，并提升到国家级发展战略。,2.1 国外物联网现状,9,美国智慧地球 IBM认为建设智慧地球需三个步骤： 各种创新的感应科技开始被嵌入各种物体和设施中，从而令物质世界被极大程度的数据化。 第二随着网络的高度发

5、达，人、数据和各种事物都将以不同方式联入网络。,2.1 国外物联网现状,第三，先进的技术和超级计算机则可以对这些堆积如山的数据进行整理、加工和分析，将生硬的数据转化成实实在在的洞察，并帮助人们做出正确的行动决策。 六大领域建立智慧行动方案：智慧电力、智慧医疗、智慧城市、智慧交通、智慧供应链、智慧银行。,10,日本现状 日本u-Japan战略，希望实现从有线到无线、从网络到终端、包括认证、数据交换在内的无缝链接泛在网络环境，100的国民可以利用高速或超高速网络。,2.1 国外物联网现状,11,韩国现状 韩国也实现了类似的发展。配合 u-Korea 推出的 u-Home 是韩国的 u-IT839

6、八大创新服务之一。智能家庭最终让韩国民众能通过有线或无线的方式远程控制家电设备，并能在家享受高质量的双向与互动多媒体服务。,2.1 国外物联网现状,12,1999年，中国开始研究传感网。 2004年初，全球产品电子代码管理中心授权中国物品编码中心为国内代表机构，负责在中国推广EPC与物联网技术。4月，北京建立了第一个EPC与物联网概念演示中心。 2005年，国家烟草专卖局的卷烟生产经营决策管理系统实现用RFID出库扫描，商业企业到货扫描。许多制造业也开始在自动化物流系统中尝试应用RFID技术。,2.2 国内物联网现状,2009年月日，温总理在无锡调研时，对微纳传感器研发中心予以高度关注，提出了

7、把“感知中国”中心设在无锡、辐射全国的想法。,13,江苏省委省政府接到指示后认真落实总理的要求，热情拥抱“物联网”，突出抓好平台建设和应用示范工作。 无锡市则作出部署：举全市之力，抢占新一轮科技革命制高点，把无锡建成传感网信息技术的创新高地、人才高地和产业高地。 2009年8月24日，中国移动总裁王建宙访台期间解释了物联网概念。 2009年9月11日，“传感器网络标准工作组成立大会暨感知中国高峰论坛”在北京举行，会议提出传感网发展相关政策。 2009年9月14日,国家中长期科学与技术发展规划（2006-2020年）和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。,1.3 国

8、内物联网现状,14,中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心（以下简称无锡传感网中心），是国内目前研究物联网的核心单位之一。 2009年10月11日,工业和信息化部部长李毅中在科技日报上发表我国工业和信息化发展的现状与展望署名文章，首次公开提及传感网络，并将其上升到战略性新兴产业的高度。 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，将“物联网”并入信息网络发展的重要内容。,2.2 国内物联网现状,15,对于物联网在国内市场空间，权威机构预测，仅“产业排头兵”RFID领域，今年国内市场规模就将达50亿元，年复合增长率为33%，其中电子标签超过

9、 38亿元、读写器接近7亿元、软件和服务达到5亿元的市场格局。而业内人士估计，中国物联网产业链今年就能创造约1000亿元产值,并成为下一个万亿级信息产业引擎。 美国权威咨询机构FORRESTER预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。 物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。,2.3 物联网现状,16,2.4 物联网现存问题,1 技术标准问题 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PG1(国际标准化)、PG2

10、(标准体系与系统架构)、PG3(通信与信息交互)、PG4(协同信息处理)、PG5(标识)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(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TCP/IP，但在接入层面，协议类别五花八门，GPRS/CDMA、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。 4 IP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IP地址，IPv4资源即将耗尽，那就需要IPv6来支撑。IPv4向IPv6过渡是一个漫

11、长的过程，因此物联网一旦使用IPv6地址，就必然会存在与IPv4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。,17,18,物联网,一、物联网概述,五、物联网技术教学知识体系,七、物联网的应用,3.1 物联网体系架构,19,3.1 物联网体系架构,20,3.2 地区物联网架构分层架构图,21,22,接入终端、接入系统：包含信息源终端。RFID事件、传感器事件、二维码事件等，通过因特网、无线网、移动网实现通信。 开放平台： 体系架构中有个重要的开放平台，提供这样的功能： 第一，终端

12、管理，可以实时监控网络和终端的运营状况，精确表述故障原因；接入系统的管理，对接入系统的开放问题、接入问题、资源共享问题进行管理。 第二，数据中心，进行数据采集、数据处理、数据存储、数据共享、信息智能交互。 第三，跟开发中间件结合，提供一个面向应用的开放的环境，开发人员只需要调API就可以进行开发，最终降低开发的难度，提高开发的效率。这个平台还可以起到网关的作用，来简化终端和应用的接入。,3.3 功能架构图说明,23,因特网：系统联系的桥梁。 智能、自学习中心：控制系统的上、下层及中间环节的智能联系，使得物物联接具有人人联接的特性，保证物联网的智能特性。 上层应用：物联网本着服务政府、社会、行业

13、和公众的目的，把整个社会以物联网的形式组织起来。,3.3 功能架构图说明,24,感知层,3.4 关键技术,25,感知层,3.4 关键技术,26,感知层,3.4 关键技术,27,3.4 关键技术,感知、传输层核心技术无线技术，包括无线SOC、无线网络标准、无线通讯的协议栈和其它相关嵌入式软件，数据库，中间件等。,28,29,物联网,一、物联网概述,五、物联网技术教学知识体系,七、物联网的应用,4.1 越来越小的无线网络节点和功耗,30,ZIGBEE传感器网络节点 AA电池X2 5X3CM 20-30微安电流,WIFI GS1010传感器网络节点 AA电池X1 4X3CM 电池工作5年,无线监控手

14、表 微型电池 3X3CM 平均电流10微安,有源433MHZ电子标签 CR2032钮扣电池 直径2.2X3CM 电池工作6年,1,2,3,4,5,6,电子药丸 特殊微型电池 小于直径2.0X2CM,无源EPC电子标签 无需电池 直径1.6X1.6X0.001 CM 总量0.002克,物联网传感层,4.2 无线网络覆盖范围越来越大,31,低轨道 卫星数据通讯,有源RFID网络,802.11S WIFI网状网,3G/4G电信网络,4.3 无线SOC结构越来越复杂,32,无线单片机（无线SOC）处理器内核从8位到16位，到32位，再到多处理器，结构越来越复杂； 不仅实现了系统在芯片，而且实现了无线网

15、络在芯片； 我们从分析GS1010 WIFI 无线单片机来看这个技术趋势；,GS1010 WI-FI无线单片机结构,4.4 无线网络协议栈设计越来越难,33,低功耗蓝牙协议栈,34,物联网,一、物联网概述,五、物联网技术教学知识体系,七、物联网的应用,35,物联网技术教学知识体系,2 、高频技术基础,信号和噪声 传输和损耗 频率和频道，ISM波段 典型的无线收发系统,3 、微控制器,4、短距离无线通讯,5、无线SOC,多路访问，FDMA TDMA，CSMA FHSS,单片机和SOC内核 单片机C语言 编译和调试工具,1、物联网起源和今天,36,6、无线传感器,传感器技术 单片机传感器接口 无线

16、传感器系统,7 、无线网络微功耗,8 、简单无线网络,9 、有源RFID技术,10 、无线网络拓扑,微功耗无线网络 拓扑和路由,典型无线网络协议栈 解剖麻雀,物联网技术教学知识体系,37,11 、ZigBee,ZigBee的物理层和网络拓扑 ZigBee的协议栈,12、无线通讯加密,14 、高频RFID,15 、超高频RFID,13、无线定位,ZigBee 无线定位,电子标签国际标准 电子标签原理 读写器原理和设计,物联网技术教学知识体系,38,16 、WIFI网络,IEEE802.11 WIFI传感器网络,17、蓝牙网络,18、 远程网络,19、多网络路由和互联,20 、物联网应用工程,程序

17、设计语言 数据库知识 智慧医院等系统,GSM/GPRS 3G网络 TD和CDMA,多网络融合 软件设计编程技术,物联网技术教学知识体系,39,物联网,一、物联网概述,五、物联网技术教学知识体系,七、物联网的应用,物联网产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和运营商的无线传输网络。 EPoSS在Internet of Things in 2020报告中分析预测，未来物联网的发展将经历四个阶段： 2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域； 20102015年物体互联； 20152020年物体进入半智能化； 2020年之后

18、物体进入全智能化。,6.1 物联网产业链,40,M2M的产业包括：一是与感知物理设备相关的芯片、终端、软件开发、系统集成制造等相关产业; 二是新的智能服务产业,包括商务、政务、公务和个人服务等等. 物联网的信息传感设备:包括射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置。与互联网相结合，可以实现所有物品的远程感知和控制，由此生成一个更加智慧的生产生活体系。广泛用于智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、智能家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。,6.1 物联网产业链,41,6.1 物联网产业链,42,6.2 基于RFID的物联网产业,43,MEMS传感器的主要优势在

19、于体积小、大规模量产后成本下降快，目前主要应用在汽车和消费电子两大领域。根据ICInsight最新报告，预计在2007年至2012年间，全球基于MEMS的半导体传感器和制动器的销售额将达到19%的年均复合增长率(CAGR)，与2007年的41亿美元相比，五年后将实现97亿美元的年销售额。,6.3 基于MEMS传感器的物联网产业,44,物联网将成为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，但目前国内对究竟什么是物联网？谁来主导产业链的发展？ 没有统一的答案 目前运营商涉足物联网主要可分为：智能传输通道和行业集成解决方案两种模式。 智能通道是指运营商在终端M2M以及应用平台上提供可

20、靠的协议或者是模组和二次开发的环境，通过对移动网络专业性的理解和规模化运营的经验，来跟产业链各方合作，以达到共赢的局面。 智能通道模式下的共赢，实际上仍是以运营商为产业链主导。但在技术发展、商业模式、利益博弈等诸多问题的限制下，当物联网涉及到远远超出通信行业的利益时，运营商能否一呼百应，还有待市场的检验。,6.4 物联网产业主导,45,6.4 物联网产业主导,46,6.5 物联网产业甁颈,目前我国物联网的应用主要是RFID、GPS等，广东在这方面的应用已经占到了5成，粤港合作和物流信息化是广东在物联网产业中的独特优势”。 国内物联网产业面临的三大瓶颈： 一是国内RFID产业仍然以低频为主，在R

21、FID高端芯片等核心领域无法产业化； 二是国内传感器产业化水平较低，高端产品被国外厂商垄断； 三是实现物物互联的数据计算量庞大，需要更大的计算平台支撑。 在物联网中：传感是前提，计算是核心，安全是保障，网络是基础，应用服务是牵引。 另外，标准是支持物联网产业链的重要基础：如何统一终端和接入标准都是困扰运营商M2M业务发展的首要问题。,47,6.5 物联网产业政策,2009年11月20日，工业和信息化部部长李毅中在全国装备工业“两化”融合典型经验座谈会上首次明确了物联网应用示范方向。他表示，传感网、物联网的发展将优先选择重点工业领域、基础设施、环保监测、公共安全、工业控制、医疗卫生等领域，开展应

22、用示范。同时，要加强TD-SCDMA与传感网的密切结合，推进传感网与通信网融合发展。联想到当年“三金工程”对我国信息化发展的推动，示范工程的启动意味着尚处于产业初创阶段的物联网将进入发展快车道。 在工业和信息化部牵头组织的国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”中，传感网就已作为主要支持内容之一，加大了资金投入，启动了从总体战略到关键技术与设备等多项课题研究 。,48,49,物联网,一、物联网概述,五、物联网技术教学知识体系,六、物联网的产业链,遍及智能楼宇、智能家居、路灯监控、智能医院、智慧能源、智能交通、水质监测、智能消防、物流管理、政府工作、公共安全、资产管理、军械管理、环境监测、工

23、业监测、矿井安全管理、食品药品管理、票证管理、老人护理、个人健康等诸多领域。,7.1 物联网应用领域,50,无线传感网应用实例展示,7.2 物联网应用实例,农业园林,2,医疗保健,3,智能楼宇,4,交通运输,5,其它项目,6,城市市政管理应用,1,51,城市市政管理,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,无线传感网应用实例展示,物联网应用实例,农业园林,2,医疗保健,3,智能楼宇,4,交通运输,5,其它项目,6,城市市政管理应用,1,62,精细农业,63,将无线传感器网络布设于农田、园林、温室等目标区域，网络节点大量实时地收集温度、湿度、光照、气体浓度等物理量，精准地获取

24、土壤水分、压实程度、电导率、pH值、氮素等土壤信息。 无线传感器网络有助于实现农业生产的标准化、数字化、网络化。 将从三个方面有效促进农业的发展：增产增收、节约能源，相当于露地栽培产量10倍以上。,精细农业,64,智慧农业,65,由于边远山区网络难以覆盖，现有的监控手段成本过高，严重影响了园林绿化的动态监测活动，拟采用低成本、低功耗无线传感器网络动态监测造林营林、林木采伐、林地征占、城市绿地等多方面园林资源变化，建立园林绿化的评价模型和园林绿化信息管理服务平台,促进园林绿化的信息化和现代化,提高园林绿化的经济效益、社会效益和生态效益。,园林绿化信息管理服务,66,67,无线传感网应用实例展示,

25、物联网应用实例,农业园林,2,医疗保健,3,智能楼宇,4,交通运输,5,其它项目,6,城市市政管理应用,1,68,医院实时定位系统,医院正在经历从数字化医院到信息化医院的转变 。实现数据的管理，包括门诊，电子病例，财务管理和医院企业管理数字化和电脑化。,69,医院实时定位系统,新一代ZigBee和微功耗Wi-Fi技术，已具备可对人员实时定位（搜索），实时呼叫，重症病人身体状况在移动中实时监测和报警，贵重（危险）物品（移动物体）实时监测和报警等全新功能。和现行的医院HIS、LIS、PACS、 EMR相结合，可构成新一代物联网智慧医院系统。,70,医院病房电子巡检,71,72,73,74,由于缺乏

26、资金和管理不当，中国医疗保健体系矛盾突出。通过建立医疗保健信息交换平台，实现医疗保健信息资源共享，降低药品库存和成本并提高效率；增加医生对患者以往病史和治疗记录的了解，提高诊断质量和服务质量；同时，推动各医院之间的服务共享和灵活转账，形成一种新的管理系统，使开支和流程更加透明化。,医疗保健信息交换平台,特点： （1）基于射频识别的药品溯源，保证安全； （2）基于传感网络的药品库存监控，管理透明化； （3）海量数据索引与存储； （4）物联网数据安全与隐私保密； （5）面向医疗保障的物联网数据共享机制。,75,无线传感网应用实例展示,物联网应用实例展示,农业园林,2,医疗保健,3,智能楼宇,4,交通运输,5,其它项目,6,城市市政管理应用,1,76,1,智能家居,77,智能家居,78,目前，国内剧院场馆、体育场馆、会展中心、地铁站等大型公共建筑越来越多，这些公共建筑规模大、结构复杂、人员密集、内部设备庞杂，紧急情况的预警以及疏散依靠传统的人工管理难以应对。本项目面向大型公共建筑监控与应急管理的重大需求，研究大型公共建筑复