1、西安交通大学(配套清华大学出版社桂小林主编物联网技术导论教材)(配套清华大学出版社桂小林主编物联网技术导论教材)课程内容课程内容课程大纲描述第1章 物联网概论第2章 物联网体系结构第3章 传感器技术 第4章 标识与定位技术 第5章 现代通信技术第6章 物联网数据处理第8章 物联网的典型应用 课程大纲描述课程大纲描述本课程作为物联网工程专业的第一门课程主要基于物联网的应用视角，介绍物联网的基本原理。包括： 介绍了物联网概念、体系结构、关键技术和典型应用。介绍了物联网概念、体系结构、关键技术和典型应用。具体内容包括： 物联网感知技术（含传感器原理、射频标识原理和空间定位原理）物联网感知技术（含传感
2、器原理、射频标识原理和空间定位原理）、 物联网传输技术（含短距离无线技术，移动通信技术和卫星通信技物联网传输技术（含短距离无线技术，移动通信技术和卫星通信技术）、术）、 物联网数据处理技术（含数据存储技术和数据检索技术）物联网数据处理技术（含数据存储技术和数据检索技术） 物联网安全技术（含信息安全技术、物联网分层次安全技术物联网安全技术（含信息安全技术、物联网分层次安全技术 物联网应用实例。物联网应用实例。一、课程目的一、课程目的课程目的是使学生通过课程的学习，能够初步了解物联网的基本概念、关键技术及其应用方法，为运用这些技术和方法构建物联网应用系统打下基础；了解物联网工程专业的知识体系、课程
3、体系、专业概貌。先修课程：无学时数：理论学时：32学分：2学分二、教学大刚与知识单元二、教学大刚与知识单元教学大纲：(1) 计算模式的演化(2) 物联网的模型(3) 物联网感知技术概述(4) 物联网通信技术概述(5) 智能数据处理概述(6) 物联网控制技术概述(7) 物联网安全技术概述(8) 物联网应用模式涵盖知识单元：AR1 计算模式的演化AR2 物联网的模型AR3 物联网感知AR4 物联网通信AR5 智能数据处理AR6 物联网控制AR7 物联网安全AR8 物联网应用ID3 RFIDID6 视频监控ID7定位技术CO4 无线传感网知识单元知识单元 AR1 计算模式的演化计算模式的演化最少学时
4、：2学时知识点： 计算模式计算模式 网络的发展网络的发展 物联网概念物联网概念学习目标： 了解计算模式的演化历程了解计算模式的演化历程 了解网络技术的发展阶段和特点了解网络技术的发展阶段和特点 了解物联网的概念及产生的背景了解物联网的概念及产生的背景互联网计算模式的演变互联网计算模式的演变物物联联网网Ubiquitous ComputingGRID物联网云计算应用助应用助推计算模式的演变推计算模式的演变物联网是应用需求的产物。物联网是应用需求的产物。由于人类对计算机性能的需求永无止境，在诸如预测模由于人类对计算机性能的需求永无止境，在诸如预测模型的构造和模拟，工程设计和自动化，能源勘探，医学型
5、的构造和模拟，工程设计和自动化，能源勘探，医学，军事等领域内对计算能力提出了极高的、具有挑战性，军事等领域内对计算能力提出了极高的、具有挑战性的要求。的要求。而传统的计算模式已经难以适应日益增长的应用需求，而传统的计算模式已经难以适应日益增长的应用需求，计算模式发生改变成为必然。计算模式发生改变成为必然。计算模式从基于同构系统的并行计算演变到基于异构环计算模式从基于同构系统的并行计算演变到基于异构环境的分布式计算，再从分布式计算演变到元计算、网格境的分布式计算，再从分布式计算演变到元计算、网格计算、云计算到物联网。计算、云计算到物联网。 AR2 物联网的模型物联网的模型最少学时：3学时知识点：
6、功能模型功能模型层次模型层次模型拓扑结构拓扑结构学习目标：熟悉物联网的功能模型熟悉物联网的功能模型熟悉物联网的层次模型熟悉物联网的层次模型理解功能模型与层次模型之间的关系理解功能模型与层次模型之间的关系连接物联网常用网络拓扑结构连接物联网常用网络拓扑结构感知系统：十大类传感器。感知系统：十大类传感器。通讯系统：互联网通讯系统：互联网/ /传感器网传感器网计算系统：计算机软硬件计算系统：计算机软硬件数数 据据 海：媒体、数据处理海：媒体、数据处理控制系统：控制算法、执行机构等控制系统：控制算法、执行机构等AR3 物联网感知技术物联网感知技术最少学时：6学时知识点：标识的方法标识的方法感知的方法感
7、知的方法学习目标：了解物联网中标识和感知的作用了解物联网中标识和感知的作用理解常用的定位和标识技术及方法理解常用的定位和标识技术及方法熟悉常见的感知技术的工作原理和信息感知的基本方法熟悉常见的感知技术的工作原理和信息感知的基本方法AR4 物联网通信技术物联网通信技术最少学时：4学时知识点：通信方式通信方式通信网络通信网络学习目标：了解通信在物联网中的作用了解通信在物联网中的作用熟悉物联网环境下的常用通信方式熟悉物联网环境下的常用通信方式熟悉物联网环境下常用通信网络及其特点熟悉物联网环境下常用通信网络及其特点AR5 智能数据处理技术智能数据处理技术最少学时：4学时知识点：数据存储方法数据存储方法
8、数据处理方法数据处理方法信息利用信息利用学习目标：了解物联网环境下的数据特征和数据存储需求了解物联网环境下的数据特征和数据存储需求了解网络存储的基本体系结构和特点了解网络存储的基本体系结构和特点了解数据中心的基本概念及典型的数据中心了解数据中心的基本概念及典型的数据中心了解海量数据的智能处理技术了解海量数据的智能处理技术熟悉物联网环境下海量信息利用的基本方法熟悉物联网环境下海量信息利用的基本方法AR6 物联网控制技术物联网控制技术最少学时：3学时知识点：控制模型控制模型控制技术控制技术学习目标：了解自动控制的基本原理了解自动控制的基本原理理解常见的控制模型理解常见的控制模型熟悉自动控制系统的基
9、本控制方式熟悉自动控制系统的基本控制方式了解物联网环境下的控制需求和控制功能了解物联网环境下的控制需求和控制功能AR7 物联网安全技术物联网安全技术最少学时：4学时知识点：网络安全网络安全信息安全信息安全隐私保护隐私保护学习目标：了解网络安全和信息安全的基本概念了解网络安全和信息安全的基本概念理解物联网面临的主要安全和隐私隐患理解物联网面临的主要安全和隐私隐患熟悉物联网环境下保护位置信息的重要性熟悉物联网环境下保护位置信息的重要性理解提高物联网安全和保护位置信息及个人隐私的基本理解提高物联网安全和保护位置信息及个人隐私的基本手段手段AR8 物联网应用物联网应用最少学时：6学时知识点：应用模式应
10、用模式应用架构应用架构学习目标：了解物联网的应用模式了解物联网的应用模式熟悉常见的物联网应用架构熟悉常见的物联网应用架构熟悉物联网应用系统的组成熟悉物联网应用系统的组成了解典型的物联网应用领域和应用系统了解典型的物联网应用领域和应用系统教学方法和手段教学方法和手段课堂课堂讲解讲解观看观看录像录像现场现场参观参观实地实地调查调查第一门专业课程的重要性第一门专业课程的重要性从一个应用开始，从一个应用开始，展示物联网专业的知识模型展示物联网专业的知识模型梳理出专业的主要知识梳理出专业的主要知识形成学生的专业知识主线形成学生的专业知识主线构造学生的专业认知能力构造学生的专业认知能力建立学生的建立学生的
11、“物联网物联网”思维思维带领学生开展参观性实验带领学生开展参观性实验课程导引课程导引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。国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定将以物联网为代表的新一代信息技术列为重点培育和发展的战略性新兴产业，国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要对培育发展以物联网代表的新一代信息技术战略性新兴产业做了全面部署 物联网的愿景与动因物联网的愿景与动因-1/2camera phones.1 billionRFID tags30 billionNearly 85% of new automobiles will contain event data re
12、corders by 2010.85%InstrumentedInterconnectedIntelligent（IBM）IBMPeople, systems and objects can communicate and interact with each other in entirely new ways.There will be an estimated on the internet by 2011.2 billionThere are an estimated 4 billion subscribers worldwide.4 billionSoon, there will b
13、e 1 trillion in the world, constituting an “internet of things.”1 trillionInstrumentedInterconnectedIntelligent（IBM）物联网的愿景与动因物联网的愿景与动因-2/2IBM课程教材课程教材第一章第一章 物联网技术概论物联网技术概论桂小林2013.3.5第一章第一章 物联网概论物联网概论基本要求理解物联网的基本概念理解物联网的基本概念了解物联网技术的发展历程了解物联网技术的发展历程调研物联网的典型应用调研物联网的典型应用收集网络视频，了解物联网的特性。收集网络视频，了解物联网的特性。1.
14、1物联网的概念物联网的概念近几年来，伴随着网络技术、通信技术、智能嵌入技术的迅速发展，“物联网”一词频繁的出现在世人眼前。作为下一代网络的重要组成部分之一，物联网概念的提出，受到了学术界、工业界的广泛关注，特别是它在刺激世界经济复苏和发展方面的预期作用，引起了欧、美、日、韩等发达国家的重视，从美国IBM的“智慧地球”到我国的“感知中国”，各国纷纷制定了物联网发展规划并付诸于实施。业界专家普遍认为，物联网技术将会带来一场新的技术革命，它是继个人计算机、互联网及移动通信网络之后的全球信息产业的第三次浪潮。物联网的概念物联网的概念由于目前对于物联网的研究尚处于起步阶段，物联网的确切定义尚未统一。物联
15、网一般的英文名称为“Internet of Things”。顾名思义，物联网就是一个将所有物体连接起来所组成的物-物相连的互联网络。物联网，作为新技术，定义千差万别。一个普遍被大家接受的定义为：物联网是通过使用射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的定义物联网的定义物联网物联网= = 物理世界与物理世界与信息网络的无缝连接信息网络的无缝连接智能交通智能交通远程医疗远程医疗
16、智能家居智能家居环境监测环境监测公共安全公共安全绿色农业绿色农业工业监控工业监控3333v物联网是指通过信息传感设备物联网是指通过信息传感设备按照约定的协议，把任何物品与按照约定的协议，把任何物品与信息网络连接起来，进行信息交信息网络连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化的识别、换和通讯，以实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理的一种定位、跟踪、监控和管理的一种网络，它是在互联网基础上的延网络，它是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。伸和扩展的网络。物流管理物流管理物联网的特征物联网的特征与传统的互联网相比，物联网具有以下三个主要特征，如图1-1所示：1全面感知“感知”是物联网的核心。物联
17、网是具有全面感知能力的物品和人所组成的，为了使物品具有感知能力，需要在物品上安装不同类型的识别装置，例如：电子标签（Tag）、条形码与二维码等，或者通过传感器、红外感应器等感知其物理属性和个性化特征。利用这些装置或设备，可随时随地获取物品信息，实现全面感知。2可靠传递数据传递的稳定性和可靠性是保证物-物相连的关键。为了实现物与物之间信息交互，就必须约定统一的通信协议。由于物联网是一个异构网络，不同的实体间协议规范可能存在差异，需要通过相应的软、硬件进行转换，保证物品之间信息的实时、准确传递。3智能处理物联网的目的是实现对各种物品（包括人）进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能。这就需要智
18、能信息处理平台的支撑，通过云计算、人工智能等智能计算技术，对海量数据进行存储、分析和处理，针对不同的应用需求，对物品实施智能化的控制。1.2 物联网的起源与发展物联网的起源与发展物联网概念的起源可以追溯到1995年，比尔盖茨在未来之路一书中对信息技术未来的发展进行了预测1998年，麻省理工学院（MIT）提出基于RFID技术的唯一编号方案，即产品电子代码（Electronic Product Code，EPC），并以EPC为基础，研究从网络上获取物品信息的自动识别技术。 1999年，美国自动识别技术（AUTO-ID）实验室首先提出“物联网”的概念。 物联网概念的正式提出是在国际电信联盟（ITU）
19、发布了ITU互联网报告2005：“The Internet of Things”报告中。 2007年，美国率先在马萨诸塞州剑桥城打造全球第一个全城无线传感网。2009年1月IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”的概念 2009年6月，欧盟委员会正式提出了欧盟物联网行动计划 1999年，中科院就启动了传感网的研究 2009年8月7日，温家宝总理在无锡微纳传感网工程技术研发中心视察并发表重要讲话，提出了“感知中国”的理念 2010年物联网新专业设立4040共同点共同点: :融合各种信息技术，融合各种信息技术，突破互联网的限制，将突破互联网的限制，将物体接入信息网络，实物体接入信息网络，实现现“物联
20、网物联网”在网络泛在的基础上，在网络泛在的基础上，将信息技术应用到各个将信息技术应用到各个领域，从而影响到国民领域，从而影响到国民经济和社会生活的方方经济和社会生活的方方面面面面未来信息产业的发展未来信息产业的发展在由信息网络向全面感在由信息网络向全面感知和智能应用两个方向知和智能应用两个方向拓展、延伸和突破。拓展、延伸和突破。日本：日本： 2009 2009年年8 8月月 i-Japani-Japan战略战略中国：中国：20092009年年8 8月月 感知中国感知中国欧盟：欧盟：20092009年年6 6月月 物联网行动计划物联网行动计划 美国：美国： 2008 2008年底年底 IBMIB
21、M向美国政府提出的向美国政府提出的”智慧的地球智慧的地球”战略战略强调传感等感知技术的应用，提出建设智慧型基础设施强调传感等感知技术的应用，提出建设智慧型基础设施具体而务实，强调具体而务实，强调RFIDRFID的广泛应用，注重信息安全的广泛应用，注重信息安全在在u-Japanu-Japan的基础上，强调电子政务和社会信息服务应用的基础上，强调电子政务和社会信息服务应用中国发展物联网的战略意义中国发展物联网的战略意义保障国家 信息安全 国土安全促进工业化与信息化融合 感知中国，赢得未来感知中国，赢得未来抢占信息产业第三次浪潮的制高点物联网41TD成功的重大契机物联网发展面临的问题 标准统一化问题
22、协议与安全问题核心技术 商业模式与产业链问题配套政策和规范的制定与完善1.3 物联网的应用物联网的应用物联网应用层主要面向用户需求，利用所获取的感知数据，经过前期分析和智能处理，为用户提供特定的服务。目前，物联网应用的研究已经扩展到智能交通、智能物流、智能电网、环境监测、金融安防、工业监测、智能家居、医疗健康等多个领域。环境物联网的基本系统架构分为感知层、传输层和应用层 感知层：感知层的主要功能是通过探测器、传感器采集关键感知层：感知层的主要功能是通过探测器、传感器采集关键区域的特定信息。探测器的感知能力是影响系统性能优劣的区域的特定信息。探测器的感知能力是影响系统性能优劣的关键因素，设备主要
23、包括：关键因素，设备主要包括：摄像机、烟感、红外、震动、温摄像机、烟感、红外、震动、温/湿度传感器、湿度传感器、CO2传感器等各种探测感知器传感器等各种探测感知器。数据汇聚层：数据汇聚层是系统的基础，它的主要功能是通过不同接数据汇聚层：数据汇聚层是系统的基础，它的主要功能是通过不同接口的接入和不同协议的转换，实现各种探测器、传感器的有效接入。口的接入和不同协议的转换，实现各种探测器、传感器的有效接入。对上层而言，屏蔽了异构数据之间的差异，使上层对下层的透明管理对上层而言，屏蔽了异构数据之间的差异，使上层对下层的透明管理。基于物联网的工业流程管理示例基于物联网的工业流程管理示例 1.4 本章小结
24、本章小结 本章主要讲述了：物联网的基本概念、物联网的起源与国内外发展状况以及物联网的主要应用领域。从物联网的概念出发，首先给出了物联网的定义、特征，解析了物联网中“物”的涵义，然后，对目前普遍存在的几种物联网概念的诠释进行了辨析。随后，介绍了物联网得起源和发展过程，详细描述了物联网在我国的发展现状，分析了存在的问题。最后，介绍了物联网的主要应用领域。第二章第二章 物联网体系结构物联网体系结构本章内容本章内容2.1 物联网体系结构概述2.2 物联网体系结构的基本组成2.3 物联网关键技术2.4 已有物联网相关应用架构2.1 物联网体系结构概述物联网体系结构概述认识任何事物都要有一个从整体到局部的
25、过程，尤其对于结构复杂、功能多样的系统。首先需要对它的整体结构有所了解，然后才能进一步的去讨论其中的细节。 体系架构是指导具体系统设计的首要前提。物联网应用广泛，系统规划和设计极易因角度的不同而产生不同的结果，因此急需建立一个具有框架支撑作用的体系架构。另外，随着应用需求的不断发展，各种新技术将逐渐纳入物联网体系中，体系架构的设计也将决定物联网的技术细节、应用模式和发展趋势。如图2-1所示，在物联网中，任何人和物之间都可以在任何时间、任何地点实现与任何网络的无缝融合，它实现了物理世界的情景（context）感知、处理和控制这一闭环过程真正意义上形成了人-物、人-人、物-物间信息连接的新一代智能
26、互联网络。物联网的最终目的是建立一个满足人们生产、生活以及对资源、信息更高需求的综合平台，管理跨组织、跨管理域的各种资源和异构设备，为上层应用提供全面的资源共享接口，实现分布式资源的有效集成，提供各种数据的智能计算、信息的及时共享，决策的辅助分析等。物联网是在传感网、互联网的基础上发展起来的物联网可以抽象划分成广泛分布的感知设备、物联网中间件、上层应用三个层次，如图2-2所示中间件（Middleware）是位于感知设备和应用之间的通用服务，这些服务具有标准的程序接口和协议，即中间件=平台+通信。 2.2 物联网体系结构的基本组成物联网体系结构的基本组成由物联网特点可知，物联网具有很强的异构性，
27、为实现异构设备之间的互联、互通与互操作，物联网需要以一个开放的、分层的、可扩展的网络体系结构为框架。目前，国内外的研究人员在描述物联网的体系结构时，差异很大。如：ITU-TITU-T在在Y. 2002Y. 2002的自下而上分为底层泛在感知网络、的自下而上分为底层泛在感知网络、异构网络接入层、骨干传输网、网络中间件、泛在网络异构网络接入层、骨干传输网、网络中间件、泛在网络应用平台应用平台5 5层结构。层结构。 通用四层物联网体系结构，包含感知控制层、数据传输通用四层物联网体系结构，包含感知控制层、数据传输层、数据管理与组织层、应用决策层。层、数据管理与组织层、应用决策层。 5层结构通用四层结构
28、通用四层结构通用四层结构通用四层结构感知控制层：它是物联网发展和应用的基础，包括RFID读写器、智能传感节点和接入网关等组成。各种传感节点通过感知目标环境的相关信息，并自行组网传递到网关接入点，网关将收集到的数据通过互联网络提交到后台处理。数据传输层：主要负责通过各种接入设备实现互联网、移动通信网等不同类型的网络融合。此外，还提供路由、格式转换、地址转换等功能。数据的动态组织与管理层：实现感知数据的语义理解、推理、决策以及提供数据的查询、存储、分析、挖掘等。云计算为感知数据的存储、分析提供了很好的平台，是信息处理的重要组成部分，也是应用层各种应用的基础。应用决策层：物联网应用层利用经过分析处理
29、的感知数据，为用户提供多种不同类型的服务。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控），控制型（智能交通、智能家居），扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。感知控制层感知控制层感知是指对客观事物的信息直接获取并进行认知和理解的过程。 人们对于信息获取的需求促使其不断研发新的技术来获取感知信息，如传感器、RFID、定位技术等。 数据传输层数据传输层 物联网的数据传输层主要进行信息的传送，它是物理感知世界的延伸，更好地实现物与物之间的通信、物与人之间的通信以及人与人之间的通信。 物联网数的据传输层主要包括接入网和核心网两层结构 数据管理层数据管理层数据管理层则是利用云计算平台实现海量感知数据
30、的动态组织与管理，云计算技术的运用，使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。随着物联网应用的发展、终端数量的增长，通过借助云计算处理海量信息，进行辅助决策，提升物联网信息处理能力。(1) (1) 智能计算智能计算(2) (2) 海量数据存储、检索海量数据存储、检索。 应用决策层应用决策层 物联网技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、互联网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术,具有十分广阔的应用前景，在智能家居、工农业控制、城市管理、远程医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等众多领域有着广泛的应用价值。智能处理层智能处理层：智能处理层是整个系统的核心，它的主要功
31、能是数据存储：智能处理层是整个系统的核心，它的主要功能是数据存储和多源数据的协同分析。通过在服务器上部署智能分析处理程序，针对单一和多源数据的协同分析。通过在服务器上部署智能分析处理程序，针对单一探测器所采集的数据，调用相应的功能模块进行分析，对同一区域的其它探探测器所采集的数据，调用相应的功能模块进行分析，对同一区域的其它探测器所采集的信息进行综合分析，实现异常事件的智能判断。测器所采集的信息进行综合分析，实现异常事件的智能判断。应用决策层：应用决策层：应用决策层的主要是系统的应用展示和管理。用户可以通应用决策层的主要是系统的应用展示和管理。用户可以通过智能手机、平板电脑等远程监控终端监控和
32、管理系统，及时对监测到的各过智能手机、平板电脑等远程监控终端监控和管理系统，及时对监测到的各种事件进行决策处理。种事件进行决策处理。图2-11 手机钱包三层三层2.3 物联网关键技术物联网关键技术物联网是继互联网后又一次技术的革新，代表着未来计算机与通信的发展方向。这次革新也取决于一些重要领域的动态技术创新，从RFID、EPC、传感技术到认知网络、云计算等。物联网发展的关键技术如图2-12所示，其中负责物体标识的RFID技术、感知物体动态信息的传感器技术、实现信息传递的通信技术和网络融合技术、信息处理的智能技术我们称之为物联网的四大关键技术。2.3.1 感知标识技术感知标识技术 感知和标识是物
33、联网实现“物物相联，人物互动”的基础，各种类型的传感器在弥合物理和虚拟世界差距方面发挥了关键作用，数据的产生、获取、传输、处理、应用是物联网的重要组成部分，其中数据的获取是物联网智能信息化的重要环节之一，没有它，物联网也就成了无水之源、无本之木。2.3.2 网络与通信技术网络与通信技术物联网本质上是泛在网络，需要融合现有的各种通信网络，并引入新的通信网络。要实现泛在的物联网，异构网络的融合是一个重要的技术问题。三网融合技术：“三网融合三网融合”又叫又叫“三网合一三网合一”（即（即FDDXFDDX），意指电），意指电信网、有线电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼信网、有线电视网和计算机通信网的
34、相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。 三网融合（录像）三网融合（录像）2.3.3 云计算技术云计算技术物联网聚集海量数据海量数据需要有效组织、管理、存储高效数据处理时物联网的核心需要运用的云计算技术处理海量数据虚拟化虚拟化Map-reduceMap-reduce。云计算云计算-低成本的海量信息处理技术低成本的海量信息处理技术云计算资云计算资源池源池存储能力存储能力统一监控管理统一监控管理计算能力计算能力SaaS(Software as a Sevice)SaaS(Software as a Sevice)软件即服务软件即服务物
35、联网应用不再是单纯的卖硬件或软件，而物联网应用不再是单纯的卖硬件或软件，而是针对长尾市场中各行各业的需求，通过能是针对长尾市场中各行各业的需求，通过能力开放与组合，形成个性化、差异化的优质力开放与组合，形成个性化、差异化的优质服务。服务。云计算云计算(Cloud computing)(Cloud computing)利用大规模低成本运算单元通过网络相连而利用大规模低成本运算单元通过网络相连而组成的运算系统，为物联网海量的信息处理组成的运算系统，为物联网海量的信息处理提供低成本计算能力。提供低成本计算能力。7272云计算云计算-从单户到多租户从单户到多租户云计算云计算青云实验环境青云实验环境2.
36、3.4 安全技术由于物联网终端感知网络的私有特性，因此安全也是一个必须面对的问题。物联网中的传感节点通常需要部署在无人值守、不可控制的环境中，除了受到一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、重放攻击、拒绝服务等多种威胁外，还面临传感节点容易被攻击者获取，通过物理手段获取存储在节点中的所有信息，从而侵入网络、控制网络的威胁。涉及到安全的主要有程序内容、运行使用、信息传输等方面。位置是物联网的核心服务。位置隐私成为物联网推广应用的核心技术。 因此，物联网需要云计算支撑，必须解决人们关注的隐私安全问题。用户用户2.4 已有物联网相关应用架构已有物联网相关应用架构目前，具有代表性的物联网架构主要可以分
37、为三类：(1) (1) 基于传感器技术的无线传感网体系结构；基于传感器技术的无线传感网体系结构；(2) (2) 基于互联网和射频识别技术的基于互联网和射频识别技术的EPCEPC、UIDUID系统；系统；(3) (3) 学术界和企业提出的学术界和企业提出的M2MM2M、CPSCPS系统框架。系统框架。下面我们就分别介绍这些相关应用框架。WSNEPC/UID系统系统 EPC/UID系统系统EPC (Electronic Product Code ) 电子产品编码的概念最早由美国麻省理工大学(MIT)的Sarma和Brock教授在1999年提出的，其核心思想是为每一个产品提供唯一的电子标识符，通过射
38、频识别技术实现数据的自动标识和采集。2003年，国际物品编码协会(EAN)和美国统一代码协会(UCC)联合成立了EPCglobal，以推动EPC技术在商业上的应用。EPC编码体系有EPC-64，EPC-96和EPC-256 三种。使用较多的是EPC-64编码体系，而新一代的EPC标签将采用EPC-96编码体系，其具体结构如表2-19所示。体系标头厂商识别代码对象分类代码 序列号EPC-968282436M2M系统系统 M2M的定义可以分为广义和狭义两种。广义上包括Machine-to-Machine、Man-to-Machine以及Machine-to-Man。它是指是人与各种远程设备之间的无
39、线数据通信。狭义上的M2M是Machine-to-Machine的简称，指一方或双方是机器且机器通过程序控制，能自动完成整个通信过程的通信形式 M2M系统从右至左可以划分为M2M设备域、M2M网络域、M2M应用域。 2.5 物联网的反馈与控制物联网的反馈与控制“某日小张正在公司上班，突然手机收到震动了铃声提示原来是家中无人时门被打开，门磁侦测到有人闯入，则将闯入报警通过无线网关发送给主人小张的手机，手机收到信息发出震动铃声提示，小张确认后发出控制指令，电磁门锁自动落锁并触发无线声光报警器发出报警。” 这一场景成果实现了物联网的感、联、智、控四种属性。这四种属性形成了一个完整的反馈控制系统。 2
40、.5 2.5 物联网的反馈与控制物联网的反馈与控制 2.5.12.5.1自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 u 自动控制的概念及应用自动控制的概念及应用u反馈控制系统的基本组成反馈控制系统的基本组成u自动控制系统的基本控制方式自动控制系统的基本控制方式自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的程序运行。自动控制的基本原理与方式自动控制的基本原理与方式 反馈反馈把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生
41、偏差信号的过程，称为反馈。分为负反馈和正反馈。差信号的过程，称为反馈。分为负反馈和正反馈。反馈控制反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。反馈控制也称闭环控制。测量元件测量元件：检测被控制的物理量，并将其转换为电量。给定元件给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。比较元件比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件放大元件：将比较元件给出
42、的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行元件执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件校正元件：也叫补偿元件补偿元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。方式：按偏差进行控制。特点：减小或消除这个偏差作用：具有抑制任何内、外扰动对被控量产 生影响的能力，有较高的控制精度。问题：系统使用的元件多、结构复杂，设计 麻烦。方式：是指控制装置与被控对象之间只有顺向作 用而没有反向联系的控制过程。特点：是系统的输出量不会对系统的控制作用发 生影响。设计简单。作用：可以按给定量控制，也可以按扰动控制。缺点：按扰动控制方式只适合扰动可测的场合， 且一个补偿能力单一。
43、方式：把两者结合起来，对主要扰动采用适当补偿方式：把两者结合起来，对主要扰动采用适当补偿的装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统的装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。特点：系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就特点：系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就比较容易被设计，控制效果也会更好。比较容易被设计，控制效果也会更好。2.5 2.5 物联网的反馈与控制物联网的反馈与控制2.5.2 2.5.2 物联网系统的控制论解析物联网系统的控制论解析2.5.32.5.3物联网的控制特性物联网的控制特性2.5.42
44、.5.4控制理论在物联网中的应用前景控制理论在物联网中的应用前景物联网中的“感、智、控”分别构成了物联网控制系统的测量、比较、执行等三大部件，这三大部件又在“联”这种网络平台上得以相互作用，形成了“控制系统”，最终实现了“控”的目的。联联鲁棒性鲁棒性保安性保安性可信性可信性时延性时延性物联网的控制系统一定是一个计算机参与的离散控制系统，将离散控制理论的分析方法引入物联网系统的分析、研究和设计过程中，能够使这一过程更加科学、合理，对系统的各种性能将有一个更准确的判断，同时也便于进行仿真分析。第第3章章 传感器技术传感器技术 桂小林西安交通大学电信学院传感器作用传感器作用在人们的生产和生活中，我们
45、经常要和各种物理量和化学量打交道，例如经常要检测长度、重量、压力、流量、温度、化学成分等。在生产过程中，生产人员往往依靠仪器、仪表来完成检测任务。这些检测仪表都包含有或者本身就是敏感元件，能很敏锐地反映待测参数的大小。在为数众多的敏感元件中，我们把那些能将非电量形式的参量转换成电参量的元件叫作传感器。传感器输出电量传感器输出电量传感器输出电量有很多种形式，如电压、电流、电容、电阻等，输出信号的形式由传感器的原理确定。通常，传感器由敏感元件和转换元件组成（如图3-1所示）。其中， 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 转换元件是指传
46、感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。于传输或测量的电信号的部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调理与转换电路进行放大、运算调制等，此外信号调理转换电路以及传感器的工作必须有辅助的电源，因此信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。随着IC发展，传感器的信号调理转换电路与敏感元件通常会集成在同一芯片上，安装在传感器的壳体里。 传感器的特性传感器的特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出/输入关系。 衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重衡量静态特性的
47、重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。复性等。线性度灵敏度迟滞性 重复性传感器的动态特性往往可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。 删去传感器的发展趋势传感器的发展趋势当前传感器技术的发展趋势主要是微型化、智能化、多样化，主要形式有微型传感器、智能传感器、纳米传感器等 传感器的应用领域传感器的应用领域 传感器在军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、遥感、宇航等不同领域的需求与日俱增，其应用的领域已渗入到国民经济的各个部门以及人们的日常文化生活之中 。例如 要使机器人和人的功能更为接近，以便从事更高级的工作，要求机要使机器人和人的功能更为接近，以便从事更高级的工作，要求
48、机器人具有判断能力，这就要给机器人安装物体检测传感器，特别是器人具有判断能力，这就要给机器人安装物体检测传感器，特别是视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检视觉传感器和触觉传感器，使机器人通过视觉对物体进行识别和检测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动和重量的感觉。测，通过触觉对物体产生压觉、力觉、滑动和重量的感觉。 这类机器人被称为智能机器人，它不仅可以从事特殊的作业，而且这类机器人被称为智能机器人，它不仅可以从事特殊的作业，而且一般的生产、事务和家务，全部可由智能机器人去处理。一般的生产、事务和家务，全部可由智能机器人去处理。 传感器的分类传感器的分类 传感器一般是根据
49、物理学、化学、生物学等特性、规律和效应设计而成的，同一种被测量可以用不同类型的传感器来测量，而同一原理的传感器又可测量多种物理量因此传感器有许多种分类方法。 传感器的分类传感器的分类根据被测对象进行划分，常见的有温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、加速度传感器。按照原理分类:电学式传感器：电学式传感器是非电量电测技术中应用电学式传感器：电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容范围较广的一种传感器，常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等感器等 磁学式传感
50、器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的，主要用于位移、转矩等参数的测量。，主要用于位移、转矩等参数的测量。按照能量分类按照能量分类 传感器技术原理传感器技术原理 传感器技术是一门知识密集型技术，涉及多种学科，其技术原理各种各样。根据传感器工作原理我们可以分为应变式、电容式、压电式、磁电式等。 应变式传感器原理应变式传感器应变式传感器电容式传感器电容式传感器电容式传感器以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化，再由转换电路(测量电路)转换为电压、电流或频率，以达到检测的目的 常见的电容传感器的应用有电容式位移传感器、电容
