1、物联网技术课件 第1章 绪论,2018年10月12日,电子工业出版社 刘化君 刘传清编著物联网技术教材配套课件1,2018年10月12日,第1章 绪 论,1.1 何谓物联网 1.2 物联网的体系结构 1.2.1 物联网的自主体系结构 1.2.2 物联网的EPC体系结构 1.2.3 物联网的UID技术体系架构 1.2.4 架构物联网体系结构的建议 1.3 物联网系统的基本组成 1.3.1 物联网硬件平台组成 1.3.2 物联网软件平台组成,1.4 物联网的关键技术 1.4.1 节点感知技术 1.4.2 节点组网及通信网络技术 1.4.3 数据融合与智能技术 1.4.4 云计算 1.5 物联网应用
2、及发展 1.5.1物联网的主要应用领域 1.5.2 物联网技术发展,2018年10月12日,1.1 何谓物联网,1. 物联网概念的提出,从“智慧地球”的理念到“感知中国”的提出，随着全球一体化、工业自动化和信息化进程的不断深入，物联网(Internet of Things, IOT)悄然来临。什么是物联网？,在不同的阶段从不同的角度出发对物联网就有了不同的理解、解释。目前，有关物联网定义的争议还在进行之中，尚不存在一个世界范围内认可的权威定义。,2018年10月12日,2. 物联网的不同定义,（1）物联网的定义,物联网是通过各种信息传感设备及系统（传感网、射频识别、红外感应器、激光扫描器等）、
3、条码与二维码、全球定位系统，按约定的通信协议，将物与物、人与物、人与人连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。这个定义的核心是，物联网的主要特征是每一个物件都可以寻址，每一个物件都可以控制，每一个物件都可以通信。,2018年10月12日,2. 物联网的不同定义,物联网的这个定义包含了以下3个主要含义：,1）物联网是指对具有全面感知能力的物体及人的互联集合。两个或两个以上物体如果能交换信息即可称为物联。使物体具有感知能力需要在物品上装置不同类型的识别装置，譬如电子标签、条码与二维码等，或通过传感器、红外感应器等感知其存在。同时，这一概
4、念也排除了网络系统中的主从关系，能够自组织。 2）物联必须遵循约定的通信协议，并通过相应地软、硬件实现。互联的物品要互相交换信息就需要实现不同系统中的实体的通信。为了成功地通信，它们必须遵守相关的通信协议，同时需要相应的软件、硬件来实现这些规则，并可以通过现有的各种接入网与互联网进行信息交换。 3）物联网可以实现对各种物品（包括人）进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能。这也是组建物联网的目的。,2018年10月12日,（2）有关物联网的其它定义,1）麻省理工学院（MIT）最早提出的物联网概念。 早在1999年，MIT的Auto-ID研究中心首先提出：把所有物品通过射频识别(RFID)和
5、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。这种表述的核心是RFID技术和互联网的综合应用。RFID标签可谓是早期物联网最为关键的技术与产品，当时认为物联网最大规模、最有前景的应用就是在零售和物流领域。利用RFID技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别、互联与信息资源共享。,2018年10月12日,2）国际电信联盟( ITU)对物联网的定义。 2005年，国际电信联盟(ITU)在The Internet of Things报告中对物联网概念进行了扩展，提出了任何时刻、任何地点、任意物体之间的互联，无所不在的网络和无所不在计算的发展愿景，如图1-1所示。该图显示：IOT是
6、在任何时间、环境、任何物品、人、企业、商业、采用任何通信方式（包括汇聚、连接、收集、计算等），以满足提供的任何服务。按照ITU给出的这个定义,物联网主要解决物品到物品(Thing to Thing，T2T) 、人到物品(Human to Thing, H2T)、,人到人(Human to Human，H2H)之间的互联。这里与传统互联网最大的区别是, H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接, H2H是指人之间不依赖于个人计算机而进行的互联。需要利用物联网才能解决的是传统意义上的互联网没有考虑的、对于任何物品连接的问题。,2018年10月12日,图 1-1 ITU物联网示意图,2018年10月
7、12日,3）欧洲智能系统集成技术平台(EPoSS)报告对物联网的阐释。 2008年5月27日，欧洲智能系统集成技术平台(EPoSS) 在发布的Internet of Things in 2020报告中，分析预测了物联网的发展趋势。该报告认为：由具有标识、虚拟个性的物体/对象所组成的网络，这些标识和个性等信息在智能空间使用智慧的接口与用户、社会和环境进行通信。显然，对物联网的这个阐释说明RFID和相关的识别技术是未来物联网的基石，侧重了RFID的应用及物体的智能化。,2018年10月12日,4）欧盟第7框架下RFID和物联网研究项目组对物联网给出的解释。 欧盟第7框架下RFID和物联网研究项目组
8、对RFID和物联网进行了比较系统的研究后，在2009年9月15日发布的研究报告中指出：物联网是未来互联网的一个组成部分，可以被定义为基于标准的和交互通信协议的且具有自配置能力的动态全球网络基础设施，在物联网内物理和虚拟的“物件”具有身份、物理属性、拟人化等特征，它们能够被一个综合的信息网络所连接。,2018年10月12日,（2）无线传感网的概念,无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）简称为传感网。 传感网是由若干具有无线通信与计算能力的感知节点，以网络为信息传递载体，实现对物理世界的全面感知而构成的自组织分布式网络。传感网的突出特征是采用智能计算技术对信息进行分析
9、处理，从而提升对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。,2018年10月12日,传感网的这个定义包含了以下3个主要含义：,1）传感网的感知节点包含有传感器节点（Sensor Node）、汇聚节点（Sink Node）和管理节点，且必须具备无线通信与计算能力。 2）大量传感器节点随机部署在感知区域（Sensor Field）内部或附近，这些节点能通过自组织方式构成分布式网络。 3）传感器节点感知的数据沿其它传感器节点逐跳进行传输，在经过多跳路由后到达汇聚节点，最后可通过互联网或其他通信网络传输到管理节点。传感网拥有者通过管理节点对传感网进行配置和管理，收集监测数据及发布监测控制任务，实现智
10、能化的决策和控制。协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感网的基本功能。,2018年10月12日,（3）泛在网络,泛在网络(Ubiquitous Network)的概念来自于日韩提出的U战略，所给出的定义是：无所不在的网络社会将是由智能网络、最先进的计算技术以及其它领先的数字技术基础设施武装而成的技术社会形态。根据这样的构想，泛在网络将以“无所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征，帮助人类在任何时间、任何地点，实现任何人、任何物品之间的顺畅通信。泛在网也被称为“网络的网络”，是面向泛在应用的各种异构网络的集合。,2018年10月12日,3.对物联网内涵的进一步理解,（1）物联网产生的
11、主要原因,1）经济危机催生新产业革命。,2）传感网技术已成熟应用。,3）网络接入和数据处理能力已基本适应多媒体信息传输处理需求。,2018年10月12日,从技术层面上看，物联网是指物体通过智能感知装置，经过传输网络，到达指定数据处理中心，实现人与人、物与物、人与物之间信息交互与处理的智能化网络。如果将传感器的概念进一步扩展，把射频识别、二维条码等信息的读取设备、音视频录入设备等数据采集设备都认为是一种传感器，并提升到智能感知水平，则范围扩展后的传感网络也可以认识是物联网。,（2）技术层面的认识,2018年10月12日,从ITU-T、ISO/IEC JTC1 SC6等国际标准组织对传感网络、物联
12、网定义和标准化范围来看，传感网与物联网是一个概念的两种不同表述，都是依托各种信息设备实现物理世界和信息世界的无缝融合。此外，也有观点认为物联网是从产业和应用角度，传感网是从技术角度对同一事物的不同表述，其实质没有什么区别。可见无论从哪个角度，都可以认为目前为人所熟知的“物联网”和“传感网”均是以智能传感器、RFID等客观世界标识和感知技术，借助于无线通信技术、互联网、移动通信网络等实现人与物理世界的信息交互。,2018年10月12日,（3）从应用的角度理解,从应用的角度来看，物联网主要是在提升数据传送效率、改善民生、提高生产率、降低企业管理成本等方面发挥重要作用。譬如，就电信运营的产业链而言，
13、物联网的内涵主要是基于特定的终端，以有线或无线（IP/CDMA）等为接入手段，为集团和家庭客户提供机器到机器、机器到人的解决方案，满足客户对生产过程/家居生活监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的信息化需求。,2018年10月12日,（4）物联网与其它网络之间的关系,物联网是一种关于人与物、物与物广泛互联，实现人与客观世界进行信息交互的信息网络；传感网是利用传感器作为节点，以专门的无线通信协议实现物品之间连接的自组织网络；泛在网是面向泛在应用的各种异构网络的集合，强调是跨网之间的互联互通和数据融合/聚类与应用；互联网是指通过TCP/IP协议将异种计算机网络连接起来实现资源共享的网
14、络技术，实现的是人与人之间的通信。,2018年10月12日,物联网与现存的其它网络，如传感网、互联网、泛在网络以及其它网络通信技术之间的关系图。,图 1-2 物联网与其它网络之间的关系,2018年10月12日,4. 物联网的基本属性,全面感知：利用RFID、传感器、二维码等智能感知设施，可随时随地感知、获取物体的信息； 可靠传输：通过各种信息网络与计算机网络的融合，将物体的信息实时准确地传送到目的地； 智能处理：利用数据融合及处理、云计算等各种计算技术，对海量的分布式数据信息进行分析、融合和处理，向用户提供信息服务； 自动控制：利用模糊识别等智能控制技术对物体实施智能化控制和利用。,2018年
15、10月12日,4. 物联网的基本属性,图 1-3 物理、数字、虚拟世界和社会互动共生,2018年10月12日,5. 物联网的主要类型,按照物联网的用户范围不同，可将其分为公用物联网和专用物联网。公用物联网是指为满足大众生活和信息需求提供物联网服务的网络；专用物联网是指满足企业、团体或个人特色应用，有针对性地提供专业性业务应用的物联网。专用物联网可以利用公用网络（如计算机互联网）、专网（局域网、企业网络或公用网中的专享资源）等进行数据传输。也可以按照网络的隶属关系及管理权限等因素划分。,2018年10月12日,按照接入网络的复杂程度，物联网可分为简单接入和多跳接入网络。简单接入是指在感知设施获取
16、信息后直接通过有线或无线方式将数据直接发送至承载网络。目前RFID读写设备主要采用简单接入方式；简单接入方式可用于终端设备分散、数据量较小的应用场合。多跳接入是指利用传感网（WSN）技术，将具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式，根据环境的变化，自主地完成网络自适应组织和数据的传送。由于节点间距离较短，一般多采用多跳方式进行通信。而后传感网络将数据通过接入网关传送到承载网络。多跳接入方式适用于终端设备相对集中、终端与网络间数据传输量较小的场合。采用多跳接入方式可以降低末端感知节点、接入网和承载网络的建设投资和应用成本，提升接入网络的健壮性。,2018年10月12日,若按照应用类型
17、进行划分，有数据采集应用、自动化控制应用、日常便利性应用以及定位类应用等物联网。,2018年10月12日,1.2 物联网的体系结构,物联网作为新兴的信息网络技术，将会对IT产业发展起到巨大推动作用。然而，由于物联网尚处在起步阶段，还没有一个广泛认同的体系结构。在公开发表物联网应用系统的同时,很多研究人员也提出了若干物联网体系结构,例如物品万维网的(Web of Things, WoT)体系结构 ,它定义了一种面向应用的物联网,把万维网服务嵌入到系统中,可以采用简单的万维网服务形式使用物联网。这是一个以用户为中心的物联网体系结构,试图把互联网中成功的、面向信息获取的万维网结构移植到物联网上,用于
18、物联网的信息发布、检索和获取。当前，较具代表性的物联网架构有欧美支持的EPC Global物联网体系架构和日本的Ubiquitous ID(UID)物联网系统等。我国也积极参与了物联网体系结构的研究, 正在积极制订符合社会发展实际情况的物联网标准和架构。,2018年10月12日,1.2.1 物联网的自主体系结构,Guy Pujolle 提出的一种采用自主通信技术的物联网自主体系结构，如图1-4 所示。所谓自主通信是指以自主件(Self Ware)为核心的通信,自主件在端到端层次以及中间节点,执行网络控制面已知的或者新出现的任务,自主件可以确保通信系统的可进化特性。,图 1-4 物联网的一种自主
19、体系结构,2018年10月12日,物联网的这种自主体系结构由数据面、控制面、知识面和管理面4个面组成。数据面主要用于数据分组的传送。控制面通过向数据面发送配置信息,优化数据面的吞吐量，提高可靠性。知识面是最重要的一个面，它提供整个网络信息的完整视图,并且提炼成为网络系统的知识,用于指导控制面的适应性控制。管理面用于协调数据面、控制面和知识面的交互,提供物联网的自主能力。,2018年10月12日,1.2.2 物联网的EPC体系结构,美国统一代码协会(UCC)的支持下，提出要在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线通信技术，构造一个覆盖世界万物的系统，同时还提出了电子产品代码(Electroni
20、c Product Code，EPC)的概念。即每一个对象都将赋予一个惟一的EPC，并由采用射频识别技术的信息系统管理，彼此联系；数据传输和数据储存由EPC网络来处理。,EPC Global对于物联网的描述是，一个物联网主要由EPC编码体系、射频识别系统及信息网络系统三个部分组成。,2018年10月12日,物联网实现的是全球物品的信息实时共享。显然，首先要做的是实现全球物品的统一编码，即对在地球上任何地方生产出来的任何一件物品，都要给它打上电子标签。在这种电子标签携带有一个电子产品编码，并且全球惟一。电子标签代表了该物品的基本识别信息，譬如，表示“A公司于B时间在C地点生产的D类产品的第E件”
21、。目前，欧美支持的EPC编码和日本支持的UID（Ubiquitous Identification）编码是两种常见的电子产品编码体系。,1EPC编码体系,2018年10月12日,2射频识别系统,射频识别系统包括EPC标签和读写器。EPC标签是编号（每一个商品惟一的号码，即牌照)的载体，当EPC标签贴在物品上或内嵌在物品中时，该物品与EPC标签中的产品电子代码就建立起了一对一的映射关系。EPC标签从本质上来说是一个电子标签，通过RFID读写器可以对EPC标签内存信息进行读取。这个内存信息通常就是产品电子代码。产品电子代码经读写器报送给物联网中间件，经处理后存储在分布式数据库中。用户查询物品信息时
22、只要在网络浏览器的地址栏中，输入物品名称、生产商、供货商等数据，就可以实时获悉物品在供应链中的状况。目前，与此相关的标准已制订，包括电子标签的封装标准，电子标签和读写器间数据交互标准等。,2018年10月12日,3EPC信息网络系统,1）EPC中间件 。EPC中间件通常指一个通用平台和接口，是连接RFID读写器和信息系统的纽带。它主要用于实现RFID读写器和后端应用系统之间信息交互、捕获实时信息和事件，或向上传送给后端应用数据库软件系统以及ERP系统等，或向下传送给RFID读写器。 2）发现服务（Discovery Service）。EPC信息发现服务包括对象名称解析服务（Object Nam
23、ing Service，ONS）以及配套服务，基于电子产品代码，获取EPC数据访问通道信息。目前，根ONS系统和配套的发现服务系统由EPC Global委托Verisign公司进行运维，其接口标准正在形成之中。 3）EPC信息服务（EPC Information Service，EPC IS）。EPC IS即EPC系统的软件支持系统，用以实现最终用户在物联网环境下交互EPC信息。关于EPC IS的接口和标准也正在制订中。,2018年10月12日,一个EPC物联网体系架构主要由EPC编码、EPC标签及RFID读写器、中间件系统、ONS 服务器和EPC IS服务器等部分构成，如图1-6所示。,图1
24、-6 EPC物联网体系架构示意图,2018年10月12日,RFID 读写器从含有一个EPC或一系列EPC 的标签上读取物品的电子代码，然后将读取的物品电子代码送到中间件系统中进行处理。当读取的数据量较大而中间件系统处理不及时的时候，可应用ONS 来储存部分读取数据。中间件系统以该EPC 数据为信息源，在本地ONS 服务器获取包含该产品信息的EPC信息服务器的网络地址。当本地ONS不能查阅到EPC 编码所对应的EPC信息服务器地址时, 向远程ONS发送解析请求，获取物品的对象名称；继而通过EPC信息服务的各种接口获得物品信息的各种相关服务。整个EPC网络系统借助计算机互联网系统，利用在互联网基础
25、上发展产生的通信协议和描述语言而运行。因此，也可以说物联网是架构在互联网基础上的关于各种物理产品信息服务的总和。,2018年10月12日,1.2.3 物联网的UID技术体系,鉴于日本在电子标签方面的发展，早在20 世纪80年代中期就提出了实时嵌入式系统（TRON），其中的T-Engine是其体系的核心。在TEngine论坛领导下, 泛在ID中心设立在东京大学, 于2003 年3月成立, 并得到日本政府以及大企业的支持, 目前包括微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普、富士通、NTT、DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等诸多企业。组建UID中心的目的是为
26、了建立和普及自动识别“物品”所需的基础性技术, 实现“计算无处不在”的理想环境。,2018年10月12日,1.2.3 物联网的UID技术体系,UID是一个开放性的技术体系，由泛在识别码(uCode)、泛在通信器、信息系统服务器和uCode解析服务器等部分构成。UID使用uCode作为现实世界物品和场所的标识, UC 从uCode电子标签中读取uCode获取这些设施的状态, 并控制它们, UC 类似于PDA 终端。UID 可广泛应用于多种产业行业，它能将现实世界用uCode标签的物品、场所等各种实体与虚拟世界中存储在信息服务器中的各种相关信息联系起来, 实现物物互联。,2018年10月12日,1
27、.2.4 构建物联网体系结构的建议,物联网概念的问世,打破了传统的思维模式。在提出物联网概念之前，一直是将物理基础设施和IT 基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物, 而另一方面是数据中心, 个人计算机、宽带等。在物联网时代,将把钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施。在这种意义上的基础设施就像是一块新的地球工地, 世界在它上面运转,包括经济管理、生产运行、社会管理以及个人生活等。研究物联网的体系结构,首先需要明确架构物联网体系结构的基本原则，以便在已有物联网体系结构的基础之上，形成参考标准。,2018年10月12日,1.物联网体系结构架构原则,1）多样性原则。物联网体系结构须根
28、据物联网的服务类型、节点的不同，分别设计多种类型的体系结构，不能也没有必要建立起惟一的标准体系结构。 2) 时空性原则。物联网尚在发展之中，其体系结构应能满足在时间、空间和能源方面的需求。 3) 互联性原则。物联网体系结构需要平滑地与互联网实现互联互通，如果试图另行设计一套互联通信协议及其描述语言将是不现实的。 4) 扩展性原则。对于物联网体系结构的架构，应该具有一定的扩展性，以便最大限度地利用现有网络通信基础设施，保护已投资利益。 5) 安全性原则。物物互联之后，物联网的安全性将比计算机互联网的安全性更为重要，因此物联网的体系结构应能够防御大范围内的网络攻击。 6) 健壮性原则。联网体系结构
29、应具备相当好的健壮性和可靠性。,2018年10月12日,2.一种实用的层次性物联网体系结构,图 1-7 物联网体系结构示意图,2018年10月12日,（1）感知层 感知层主要功能是信息感知与采集，主要包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、各种传感器、视频摄像头等。如温度感应器、声音感应器、振动感应器、压力感应器等，完成物联网应用的数据感知和设施控制。,2018年10月12日,（2）接入层 接入层由基站节点或汇聚节点（Sink）和接入网关（Access Gateway）等组成，完成末梢各节点的组网控制和数据融合、汇聚，或完成向末梢节点下发信息的转发等功能。也就是在末梢节点之间完成
30、组网后，如果末梢节点需要上传数据，则将数据发送给基站节点，基站节点收到数据后，通过接入网关完成和承载网络的连接；当应用层需要下传数据时，接入网关收到承载网络的数据后，由基站节点将数据发送给末梢节点，从而完成末梢节点与承载网络之间的信息转发和交互。 接入层的功能主要由传感网(指由大量各类传感器节点组成的自治网络)来承担。,2018年10月12日,（3）网络层 网络层是核心承载网络，承担物联网接入层与应用层之间的数据通信任务。它主要包括现行的通信网络，如2G、3G/B3G、4G移动通信网，或者是互联网、WiFi、WiMAX、无线城域网（Wireless Metropolitan Area Netw
31、ork，WMAN）、企业专用网等。,2018年10月12日,（4）应用层 应用层由各种应用服务器组成（包括数据库服务器），主要功能包括对采集数据的汇聚、转换、分析，以及用户层呈现的适配和事件触发等。对于信息采集，由于从末梢节点获取了大量原始数据，且这些原始数据对于用户来说只有经过转换、筛选、分析处理后才有实际价值。这些应用服务器根据用户的呈现设备完成信息呈现的适配，并根据用户的设置触发相关的通告信息。同时当需要完成对末梢节点控制时，应用层还能完成控制指令生成和指令下发控制。 应用层要为用户提供物联网应用UI接口，包括用户设备（如PC、手机）、客户端浏览器等。 除此之外，应用层还包括物联网管理中
32、心、信息中心等利用下一代互联网的能力对海量数据进行智能处理的云计算功能。,2018年10月12日,1.3 物联网系统的基本组成,计算机互联网可以把世界上不同角落、不同国家的人们通过计算机紧密地联系在一起，而采用感知识别技术的物联网也可以把世界上所有不同国家、地区的物品联系在一起，彼此之间可以互相“交流”数据信息，从而形成一个全球性物物相互联系的智能社会。 从不同的角度看物联网会有多种类型，不同类型的物联网其软硬件平台组成也会有所不同。从其系统组成来看，可以把它分为软件平台和硬件平台两大系统。,2018年10月12日,1.3.1 物联网硬件平台组成,物联网是以数据为中心的面向应用的网络，主要完成
33、信息感知、数据处理、数据回传，以及决策支持等功能，其硬件平台可由传感网、承载网和信息服务系统等几个大的部分组成。,图 1-8 物联网硬件平台示意图,2018年10月12日,1. 感知节点,感知节点由各种类型的采集和控制模块组成，如温度传感器、声音传感器、振动传感器、压力传感器、RFID读写器、二维码识读器等，完成物联网应用的数据采集和设备控制等功能。 感知节点的组成包括4个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成，如RFID、二维码识读设备、温感设备）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU微处理器、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成，实现末梢节点间、以及与会聚
34、节点的通信）、以及电源/供电部分。感知节点综合了传感器技术、嵌入式计算技术、智能组网技术及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到接入层的基站节点和接入网关，最终到达信息应用服务系统。,2018年10月12日,2.末稍网络,末稍网络即接入网络，包括汇聚节点、接入网关等，完成应用末稍感知节点的组网控制和数据汇聚，或完成向感知节点发送数据的转发等功能。也就是在感知节点之间组网之后，如果感知节点需要上传数据，则将数据发送给会聚节点（基
35、站），会聚节点收到数据后，通过接入网关完成和承载网络的连接；当用户应用系统需要下发控制信息时，接入网关接收到承载网络的数据后，由会聚节点将数据发送给感知节点，完成感知节点与承载网络之间的数据转发和交互功能。 感知节点与末稍网络承担物联网的信息采集和控制任务，构成传感网，实现传感网的功能。,2018年10月12日,3. 核心承载网络,核心承载网络可以有很多种，主要承担接入网与信息服务系统之间的数据通信任务。根据具体应用需要，承载网络可以是公共通信网，譬如2G、3G、4G移动通信网、WiFi、WiMAX、互联网，以及企业专用网，甚至是新建的专用于物联网的通信网。,2018年10月12日,4.信息服
36、务系统硬件设施,物联网信息服务系统硬件设施由各种应用服务器（包括数据库服务器）组成，还包括用户设备（如PC、手机）、客户端等。主要是对采集数据的融合/汇聚、转换、分析，以及用户呈现的适配和事件的触发等。对于信息采集，由于从感知节点获取大量的原始数据，并且这些原始数据对于用户来说只有经过转换、筛选、分析处理后才有实际价值。对这些有实际价值的信息，由服务器根据用户端设备进行信息呈现的适配，并根据用户的设置触发相关的通知信息；当需要对末端节点进行控制时，信息服务系统硬件设施生成控制指令，并发送进行控制。针对不同的应用将设置不同的应用服务器。,2018年10月12日,1.3.2 物联网软件平台组成,一
37、般说来，物联网软件平台建立在分层的通信协议体系之上，通常包括数据感知系统软件、中间件系统软件、网络操作系统包括嵌入式系统、物联网管理及信息中心（包括机构物联网管理中心、国家物联网管理中心、国际物联网管理中心及其信息中心）的管理信息系统(MIS)等。,2018年10月12日,1数据感知系统软件,数据感知系统软件主要完成物品的识别和物品EPC 码的采集和处理，主要由企业生产的物品、物品电子标签、传感器、读写器、控制器、物品代码（EPC）等部分组成。存储有EPC 码的电子标签在经过读写器的感应区域时，物品EPC 码会自动被读写器捕获，从而实现EPC 信息采集的自动化，采集的数据交由上位机信息采集软件
38、进行进一步处理，如数据校对、数据过滤、数据完整性检查等，这些经过整理的数据可以为物联网中间件、应用管理系统使用。对于物品电子标签国际上多采用EPC标签，用PML语言来标记每一个实体和物品。,2018年10月12日,2物联网中间件系统软件,中间件是位于数据感知设施（读写器）与在后台应用软件之间的一种应用系统软件。,一般，物联网中间件系统包含有读写器接口、事件管理器、应用程序接口、目标信息服务和对象名解析服务等功能模块。,2018年10月12日,3网络操作系统,物联网通过互联网实现物理世界中的任何物品的互联，在任何地方、任何时间可识别任何物品，使物品成为附有动态信息的“智能产品”，并使物品信息流和
39、物流完全同步，从而为物品信息共享提供一个高效、快捷的网络通信及云计算平台。,2018年10月12日,4物联网信息管理系统,物联网也要管理，类似于互联网上网络管理。目前，物联网大多数是基于SMNP建设的管理系统，这与一般的网络管理类似。重要的是提供名称解析服务（ONS）。名称解析服务类似与互联网的DNS，要有授权，并且有一定的组成架构。它能把每一种物品的编码进行解析，在通过URLs服务获得相关物品的进一步信息。,2018年10月12日,1.4 物联网的关键技术,物联网技术涵盖了从信息获取、传输、存储、处理直至应用的全过程，在材料、器件、软件、网络、系统各个方面都要有所创新才能会促进其发展。国际电
40、信联盟报告提出，物联网主要需要4项关键性应用技术：标签物品的RFID技术；感知事物的传感网络技术（Sensor technologies）；思考事物的智能技术（Smart technologies）；微缩事物的纳米技术（Nanotechnology）。显然这是侧重了物联网的末梢网络。欧盟物联网研究路线图将物联网研究划分为10个层面：感知，ID发布机制与识别；物联网宏观架构；通信（OSI物理与数据链路层）；组网（OSI 网络层）；软件平台、中间件（OSI 网络层以上）；硬件；情报提炼；搜索引擎；能源管理；安全。当然这些都是物联网研究的内容，但对于实现物联网而言略显重点不够突出。,2018年10月
41、12日,1.4.1 节点感知技术,节点感知技术是实现物联网的基础。它包括用于对物质世界进行感知识别的电子标签、新型传感器、智能化传感网节点技术等。,1. 电子标签,在感知技术中，电子标签用于对采集点信息进行标准化标识，通过射频识别读写器、二维码识读器等实现物联网应用的数据采集和设备控制。射频识别是一种非接触式的自动识别技术,属于近程通信，与之相关的技术还有蓝牙技术等。RFID通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据, 识别过程无须人工干预, 可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。RFID 技术与互联网、通信等技术相结合, 可实现全球范围内物品
42、跟踪与信息共享。,2018年10月12日,2.新型传感器,传感器是节点感知物质世界的 “感觉器官”, 用来感知信息采集点的环境参数。传感器可以感知热、力、光、电、声、位移等信号, 为物联网系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的数据信息。 随着电子技术的不断进步提高, 传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化；同时，也正经历着一个从传统传感器(dumb sensor) 智能传感器(smart sensor)嵌入式Web传感器(embedded web sensor)不断丰富发展的过程。应用新理论、新技术，采用新工艺、新结构、新材料，研发各类新型传感器，提升传感器功能与性能，降低成本
43、是实现物联网的基础。目前，市场上已经有大量门类齐全且技术成熟的传感器产品可供选择使用。,2018年10月12日,3.智能化传感网节点技术,所谓智能化传感网节点是指一个微型化的嵌入式系统。在感知物质世界及其变化的过程中, 需要检测的对象很多, 譬如温度、压力、湿度、应变等, 因此需要微型化、低功耗的传感网节点来构成传感网的基础层支持平台。因此，需要针对低功耗传感网节点设备的低成本、低功耗、小型化、高可靠性等要求，研制低速、中高速传感网节点核心芯片，以及集射频、基带、协议、处理于一体，具备通信、处理、组网和感知能力的低功耗片上系统；针对物联网行业应用，研制系列节点产品。这不但需要采用MEMS 加工
44、技术,设计符合物联网要求的微型传感器，使之可识别、配接多种敏感元件, 并适用于主被动各种检测方法；另外, 传感网节点还应具有强抗干扰能力，以适应恶劣工作环境的需求。重要的是，如何利用传感网节点具有的局域信号处理功能, 在传感网节点附近局部完成一定的信号处理, 使原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统, 成为一种并行的分布式信息处理系统。这还需要开发基于专用操作系统的节点级系统软件。,2018年10月12日,1.4.2 节点组网及通信网络技术,根据对物联网所赋予的含义，其工作范围可以分成两大块：一块是体积小、能量低、存储容量小、运算能力弱的智能小物体的互联，即传感网；另一块是没有约束机制
45、的智能终端互联，如智能家电、视频监控等。目前，对于智能小物体网络层的通信技术有两项：一是基于ZigBee联盟开发的ZigBee协议，实现传感器节点或者其它智能物体的互联；另一项技术是IPSO 联盟倡导的通过IP 实现传感网节点或者其它智能物体的互联。,2018年10月12日,1. 传感网技术,（1）传感网体系结构及底层协议,（2）协同感知技术,（3)对传感网自身的检测与自组织,（4)传感网安全,（5)ZigBee 技术,2018年10月12日,2.核心承载网通信技术,表 1-1 无线通信技术（WiFi、WiMAX、MBWA和3G /B3G）比较,2018年10月12日,3.互联网技术,若将物联
46、网建立在数据分组交换技术基础之上，则将采用数据分组网即IP 网作为核心承载网。其中，IPv6 作为下一代IP网络协议，具有丰富的地址资源，能够支持动态路由机制，可以满足物联网对网络通信在地址、网络自组织以及扩展性方面的要求。但是，由于IPv6 协议栈过于庞大复杂，不能直接应用到传感器设备中，需要对IPv6协议栈和路由机制作相应的精简，才能满足低功耗、低存储容量和低传送速率的要求。目前有多个标准组织进行了相关研究，IPSO 联盟于2008 年10 月，已发布了一款最小的IPv6 协议栈IPv6。,2018年10月12日,1.4.3 数据融合与智能技术,由于物联网应用是由大量传感网节点构成的，在信
47、息感知的过程中，采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法是不可行的，需要采用数据融合与智能技术进行处理。因为网络中存有大量冗余数据，会浪费通信带宽和能量资源。此外，还会降低数据的采集效率和及时性。,2018年10月12日,1.数据融合与处理,所谓数据融合是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效、符合用户要求的信息的过程。在传感网应用中，多数情况只关心监测结果，并不需要收到大量原始数据，数据融合是处理该类问题的有效手段。例如，借助数据稀疏性理论在图像处理中的应用，可将其引入传感网数据压缩，以改善数据融合效果。 数据融合技术需要人工智能理论的支撑，包括智能信息获取的形式化方法、海量数据处理理论和方
48、法、网络环境下数据系统开发与利用方法，以及机器学习等基础理论。同时，还包括智能信号处理技术，如信息特征识别和数据融合、物理信号处理与识别等。,2018年10月12日,2. 海量数据智能分析与控制,海量数据智能分析与控制是指依托先进的软件工程技术，对物联网的各种数据进行海量存储与快速处理，并将处理结果实时反馈给网络中的各种“控制”部件。智能技术就是为了有效地达到某种预期目的,对数据进行知识分析所采用的各种方法和手段。当传感网节点具有移动能力时，网络拓扑结构如何保持实时更新；当环境恶劣时，如何保障通信安全；如何进一步降低能耗。通过在物体中植入智能系统, 可以使得物体具备一定的智能性,能够主动或被动
49、的实现与用户的沟通, 这也是物联网的关键技术之一。智能分析与控制技术主要包括人工智能理论、先进的人-机交互技术、智能控制技术与系统等。物联网的实质性含义是要给物体赋予智能, 以实现人与物的交互对话, 甚至实现物体与物体之间的交互或对话。为了实现这样的智能性, 需要智能化的控制技术与系统。例如，怎样控制智能服务机器人完成既定任务包括运动轨迹控制、准确的定位及目标跟踪等。,2018年10月12日,1.4.4 云计算,云计算是一个美好的网络应用模式，由Google首先提出。云计算最基本的概念是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之
50、后将处理结果回传给用户。通过云计算技术，网络服务提供者可以在数秒之内，形成处理数以千万计甚至亿计的数据，达到与超级计算机同样强大效能的网络服务。,2018年10月12日,云计算是分布式计算技术的一种，可以从狭义和广义两个角度理解。狭义的云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源；广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT与软件、互联网相关的，也可以是任意其它的服务，它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效。云计算的核心是要提供服务。譬如，Microsoft的云计算有三个典型特点：即软件+服务、平台战略和自由选择。未来的互联网世界将会是“云+端”的组合，用户可以便捷地使用各种终端设备访问云端中的数据和应用，这些设备可以是便携式计算机和手机，甚至是电视等大家熟悉的各种电子产品，同时用户在使用各种设备访问云中服务时，得到的是完全相同的无缝体验。,
