物联网概论 Internet of Things

物联网概论Internet of Things 主讲: 胡成全教授传感器网络与环境智能研究室

欢迎大家参加暑期课程！ • 课程由来 • 传感网技术、物联网工程，教育部新专业 • 吉林大学计算机科学与技术学院“物联网工程”专业 • 课程体系、实验设置仍在探讨中 • 新课，没教材，有参考书

参考书 • 《物联网：现在与未来》，王志良主编，机械工业出版社，2010.6 • 《智慧的物联网》，吴功宜编著，机械工业出版社，2010.6 http://book.51cto.com/art/ 201006/207332.htm • 《物联网：技术、应用、标准和商业模式》，周洪波著，电子工业出版社，2010.7 • 《物联网：开启全新生活的智能时代》，张福生主编，山西人民出版社，2010.4

课程计划 • 第一讲物联网概述 • 物联网产生的背景 • 物联网的定义 • 物联网基本框架 • 物联网技术体系 • 物联网应用领域 • 国内外发展现状 • 第二讲　物联网感知层技术 • 传感器 • RFID • 二维码 • 智能传感器（MEMS） • 传感器网络

第三讲　物联网传输层技术 • 有线通信传输层 • 无线通信传输层 • 协议与标准 • 第四讲　物联网支撑技术及应用技术 • 嵌入式软件与中间件 • 普适计算与嵌入式智能 • 海量数据处理与云计算 • 网络与信息安全技术

第五讲　物联网应用案例 • 智能物流 • 智能家居 • 智能医疗 • 智能电网 • 无线抄表

第一讲　物联网概述

物联网产生的背景 • 计算机网络的发展 • 互联网应用的扩展 • 高性能计算技术的发展 • 传感技术的发展 • 社会需求的驱动 • 政府的支持

计算机网络的发展

互联网应用的发展趋势

计算技术的发展 • 单机计算 • 并行计算 • 分布式计算 • 网格计算 • 云计算 • 普适计算

Number Crunching Data Storage Mainframe Minicomputer productivity interactive Workstation PC Laptop PDA log (people per computer) streaming information to/from physical world year

传感技术的发展 • RFID • 智能传感器 • MEMS • 传感器网络

传感器节点的一些样品

智慧灰尘 (Smart Dust) – 缩微集成的传感器网络节点

社会需求的驱动 • 3C协同（Computer、Consumer Electronics、Communication Devices家电、计算机、通信设备） • 5W目标（whoever whenever wherever whomever whatever） • 管-控一体化 • 两化融合 • 可穿戴计算机

政府的支持 • 奥巴马：智慧地球，2008年 • 温家宝：感知中国，2009年 • 日本：u-Japan，2004年 • 韩国：u-Korea，2004年 • 欧盟：制定技术体系和演进路线，2009年

“就如同个人电脑是八十年代的标志，万维网是九十年代的标志一样，下一个巨大的变化，将会是廉价传感器的到來！” – 保罗  萨福美国未来科学院“Just as the personal computer was a symbol of the '80s, and the symbol of the '90s is the World Wide Web, the next nonlinear shift, is going to be the advent of cheap sensors.”-Paul Saffo Institute for the Future

物联网定义 • 物联网（Internet of Things, IOT），概念由麻省理工学院专家于1999年提出。 • 最初的定义： • 将各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。 • 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。 • ITU 定义： • from anytime, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything。

中国的定义 • 2010年温家宝总理在第十一届人大第三次会议上所作的政府工作报告中对物联网的定义：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，进行信息交换和通信，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。

物联网概念模型

物理世界与数字世界的无缝连接

物联网定义 • 技术理解 • 物联网是指物体的信息通过智能感应装置，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。 • 应用理解 • 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去管理生产和生活。 • 通俗理解 • 将RFID（无线射频识别）和WSN（无线传感器网络）结合为用户提供生产生活的监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的服务。

物联网的三大特征 • 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。 • 可靠传递 • 通过无线网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递给用户。 • 智能处理 • 利用云计算、数据挖掘以及模糊识别等人工智能技术，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。

物联网发展过程（1） • 1999 年 MIT Auto-ID Center 提出物联网概念，即把所有物品通过射频识别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。 • 2004 年日本总务省提出 u-Japan 构想中，希望在 2010 年将日本建设成一个“Anytime，Anywhere，Anything，Anyone”都可以上网的环境。 • 同年，韩国政府制定了 u-Korea 战略，韩国信通部发布的《数字时代的人本主义：IT839 战略》以具体呼应 u-Korea。

物联网发展过程（2） • 2005 年 11 月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、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。 • 2008 年 11 月 IBM 提出“智慧的地球”概念，即“互联网+物联网=智慧地球”，以此做为经济振兴战略。如果在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，不仅仅能够在短期内有力的刺激经济、促进就业，而且能够在短时间内打造一个成熟的智慧基础设施平台。

物联网发展过程（3） • 2009 年 6 月欧盟委员会提出针对物联网行动方案，方案明确表示在技术层面将给予大量资金支持，在政府管理层面将提出与现有法规相适应的网络监管方案 • 2009 年 8 月温家宝总理在无锡考察传感网产业发展时明确指示要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，并且明确要求尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。 • 目前：经国家标准化管理委员会批准，全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准工作组，标准工作组现聚集了中国科学院、中国移动通信集团公司等国内传感网主要的技术研究和应用单位。

物联网连接示意图 物联网连接示意图

物联网的技术体系框架（3层）

物联网的技术体系框架（3层） • 感知层：数据采集与感知 • 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。 • 传感器网络组网和协同信息处理技术实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织组网以及多个传感器对数据的协同信息处理过程。

物联网的技术体系框架（3层） • 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。

物联网的技术体系框架（3层） • 应用层：包含应用支撑平台和应用服务 • 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。

物联网的技术体系框架（3层） • 公共技术 • 不属于物联网技术的某个特定层面，而是与物联网技术架构的三层都有关系。 • 它包括标识与解析、安全技术、网络管理和服务质量(QoS)管理。

物联网的技术体系框架（4层）

区别——支撑层 • 支撑层在高性能计算技术的支撑下，将网络内大量或海量的信息资源通过计算整合成一个可以互联互通的大型智能网络，为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠和可信的支撑技术平台。 • 在国际高性能计算研究中，最有影响力的是“高性能计算机世界500强（HPC TOP500）排行榜”。第32届与第33届的第一的都是IBM公司的“走鹃”（Roadrunner）超级计算机。“走鹃”超级计算机计算能力达到1.1千万亿次，它使用了129 600个处理器芯片。从第32届公布的HPC TOP500名单中可以看出，美国占有291席，欧洲占有145席，亚洲仅占十几席。我国的“天河一号”高性能计算机排名第五，这是近年来我国科学家取得的最好成绩。2010年5月31日公布的最新HPC TOP500名单中，由我国曙光公司研制生产的“星云”高性能计算机实测Linpack性能达到每秒1.271千万亿次，居世界超级计算机第二位，它表明中国高性能计算机的发展已达到世界领先水平。

高性能计算机 • 在国际高性能计算研究中，最有影响力的是“高性能计算机世界500强（HPC TOP500）排行榜”。第32届与第33届的第一的都是IBM公司的“走鹃”（Roadrunner）超级计算机。“走鹃”超级计算机计算能力达到1.1千万亿次，它使用了129 600个处理器芯片。 • 美国占有291席，欧洲占有145席，亚洲仅占十几席。 • 我国的“天河一号”高性能计算机排名第五，这是近年来我国科学家取得的最好成绩。 • 2010年5月31日公布的最新HPC TOP500名单中，由我国曙光公司研制生产的“星云”高性能计算机实测Linpack性能达到每秒1.271千万亿次，居世界超级计算机第二位，它表明中国高性能计算机的发展已达到世界领先水平。

物联网核心关键技术（1） • RFID技术 • 是物联网中让物品“开口说话”的关键技术，物联网中，RFID标签上存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别。 • 传感器技术 • 在物联网中，传感技术主要负责接收物品“讲话”的内容。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理、变换和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制造、测试、应用及评价改进等活动。

物联网核心关键技术（2） • 无线网络技术 • 物联网中，物品与人的无障碍交流，必然离不开高速、可进行大批量数据传输的无线网络。无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离的蓝牙技术和红外技术 • 人工智能技术 • 人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的技术。在物联网中，人工智能技术主要负责将物品“讲话”的内容进行分析，从而实现计算机自动处理。

物联网核心关键技术（3） • 云计算技术 • 物联网的发展离不开云计算技术的支持。物联网中的终端的计算和存储能力有限,云计算平台可以作为物联网的“大脑”,实现对海量数据的存储、计算。

物联网的技术难点（1） • 技术标准问题 • 世界各国存在不同标准。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PG1(国际标准化)、PG2(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。 • 数据安全问题 • 信息采集频繁，其数据安全必须重点考虑。

物联网的技术难点（2） • 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（6.7x1023个/平方米）来支撑。IPv6协议已经从实验室走向了应用阶段。 • 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。

物联网应用示意图

物联网应用示例——食品安全 • 给放养的牲畜中的每一只动物都贴上一个二维码，这个二维码会一直保持到超市出售的肉品上，消费者可通过手机阅读二维码，知道牲畜的成长历史，确保食品安全。我国已有10亿存栏动物贴上了这种二维码。

物联网应用示例——人体健康 • 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。

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