1、物联网物联网武奇生武奇生本章内容：本章内容：物联网概述物联网概述 互联网和物联网的关系互联网和物联网的关系 物联网的传输通信保障物联网的传输通信保障互联网互联网 物联网的一般应用及发展物联网的一般应用及发展 1.1 1.1 物联网概述物联网概述 物联网的概念首先由麻省理工学院（物联网的概念首先由麻省理工学院（MITMIT）的自动识别）的自动识别实验室在实验室在19991999年提出，中科院在年提出，中科院在19991999年也启动了传感网的年也启动了传感网的研究和开发，当时不叫研究和开发，当时不叫“物联网物联网”而叫而叫“传感网传感网”，与其，与其他国家相比，我国的技术研发水平处于世界前列，具
2、有同他国家相比，我国的技术研发水平处于世界前列，具有同等优势和重大影响力。等优势和重大影响力。物联网概念的兴起，很大程度上得益于国际电信联盟物联网概念的兴起，很大程度上得益于国际电信联盟（ITUITU）的互联网发展年度报告，但是）的互联网发展年度报告，但是ITUITU的报告对物联网的报告对物联网并没有给出一个清晰的定义，并没有给出一个清晰的定义，总的来说，总的来说，“物联网物联网”是指是指各类传感器和现有的各类传感器和现有的“互联网互联网”相互衔接的一种新技术，相互衔接的一种新技术，过去对物质的概念一直是将物理基础设施和过去对物质的概念一直是将物理基础设施和ITIT基础设施分基础设施分开开,一
3、方面是机场、公路、建筑物等存在的物质世界，另一方面是机场、公路、建筑物等存在的物质世界，另1.1.1 1.1.1 物联网的概念物联网的概念 是可对其进行管理的数据中心、个人电脑、宽带等是可对其进行管理的数据中心、个人电脑、宽带等ITIT基础基础设施，而在物联网时代设施，而在物联网时代,建筑物、电缆等将与芯片、宽带整建筑物、电缆等将与芯片、宽带整合为统一的物联网基础设施。合为统一的物联网基础设施。1.1.2 1.1.2 物联网的定义物联网的定义物联网定义：物联网定义：通过射频识别（通过射频识别（RFIDRFID）卡、无线传感器等信息传感设备，）卡、无线传感器等信息传感设备，按传输协议，以有线和无
4、线的方式把任何物品与互联网相按传输协议，以有线和无线的方式把任何物品与互联网相连接，运用连接，运用“云计算云计算”等技术，进行信息交换、通信等处等技术，进行信息交换、通信等处理，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能理，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能的一种网络。的一种网络。“物联网概念物联网概念”是在是在“互联网概念互联网概念”的基础上，将其用户的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络。也就是说在这个网络中，物品信的一种网络。也就是说在这个网络中，物品(商品商品)能够能够彼此进行彼
5、此进行“交流交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别等技术，通过计算机互联网实现物品自动识别等技术，通过计算机互联网实现物品(商品商品)的自的自动识别和信息的互联与共享。动识别和信息的互联与共享。1.1.3 1.1.3 从互联网到物联网从互联网到物联网1.1.互联网与无线通信网络为物联网的发展奠定了基互联网与无线通信网络为物联网的发展奠定了基础础2.2.解决物理世界与信息世界分离所造成的问题成为解决物理世界与信息世界分离所造成的问题成为物联网发展的推动力物联网发展的推动力3.3.社会经济发展与产业转型成为物联网发展的推动社会经济发展与产业转型成为物联网
6、发展的推动力力物联网发展的社会背景物联网发展的社会与技术背景1.2 1.2 互联网和物联网的关系互联网和物联网的关系1.2.1 1.2.1 从端系统接入的角度看互联网的结构从端系统接入的角度看互联网的结构互联网的端系统接入主要有两种类型：互联网的端系统接入主要有两种类型：有线接入有线接入与无线接入与无线接入。有线接入主要有三种基本方法：有线接入主要有三种基本方法：1 1）计算机通过网卡接入局域网，然后再通过企业）计算机通过网卡接入局域网，然后再通过企业或校园网接入地区主干网，通过地区主干网接入或校园网接入地区主干网，通过地区主干网接入国家或国际主干网，最终接入到互联网。国家或国际主干网，最终接
7、入到互联网。2 2）计算机可以使用）计算机可以使用ADSLADSL接入设备，通过电话交接入设备，通过电话交换网接入互联网。换网接入互联网。3 3）计算机可以使用）计算机可以使用Cable ModemCable Modem接入设备，通过接入设备，通过有线电视网接入互联网。有线电视网接入互联网。无线接入也有三种基本方法：无线接入也有三种基本方法：1 1）计算机通过无线网卡接入无线局域网，然后再）计算机通过无线网卡接入无线局域网，然后再通过企业网或校园网接入地区主干网，通过地区通过企业网或校园网接入地区主干网，通过地区主干网接入国家或国际主干网，最终接入互联网。主干网接入国家或国际主干网，最终接入互
8、联网。2 2）计算机可以通过无线城域网接入互联网。）计算机可以通过无线城域网接入互联网。3 3）计算机可以通过无线自组网接入物联网。）计算机可以通过无线自组网接入物联网。从端系统接入的角度看互联网的结构示意图从端系统接入的角度看物联网的结构示意图物联网的以下两个重要的物联网的以下两个重要的特点特点 ：1 1）物联网应用系统运行在互联网核心交换结构的）物联网应用系统运行在互联网核心交换结构的基础之上，在规划和组建物联网应用系统的过程基础之上，在规划和组建物联网应用系统的过程中，我们将充分利用互联网的核心交换部分，基中，我们将充分利用互联网的核心交换部分，基本上不会改变互联网的网络传输系统结构与技
9、术。本上不会改变互联网的网络传输系统结构与技术。物联网应用系统是运行在互联网核心交换结构的物联网应用系统是运行在互联网核心交换结构的基础上的。这一点正体现出互联网与物联网的相基础上的。这一点正体现出互联网与物联网的相同之处。同之处。2 2）物联网应用系统将根据需要选择无线传感器网）物联网应用系统将根据需要选择无线传感器网络或络或RFIDRFID应用系统的接入方式。互联网与物联网应用系统的接入方式。互联网与物联网在接入方式上是不相同的。互联网用户通过端系在接入方式上是不相同的。互联网用户通过端系统的计算机或手机、统的计算机或手机、PDAPDA访问互联网资源，发送访问互联网资源，发送 或接收电子邮
10、件；阅读新闻；写博客或读博客；或接收电子邮件；阅读新闻；写博客或读博客；通过网络电话通信；在网上买卖股票，定机票、通过网络电话通信；在网上买卖股票，定机票、酒店。而物联网中的传感器结点需要通过无线传酒店。而物联网中的传感器结点需要通过无线传感器网络的汇聚结点接入互联网；感器网络的汇聚结点接入互联网；RFIDRFID芯片通过芯片通过读写器与控制主机连接，再通过控制结点的主机读写器与控制主机连接，再通过控制结点的主机接入互联网。因此，由于互联网与物联网的应用接入互联网。因此，由于互联网与物联网的应用系统不同，所以接入方式也不同。物联网应用系系统不同，所以接入方式也不同。物联网应用系统将根据需要选择
11、无线传感器网络或统将根据需要选择无线传感器网络或RFIDRFID应用系应用系统接入互联网统接入互联网。1.2.3 1.2.3 互联网与物联网的融合互联网与物联网的融合接入网技术解决的是最终用户接入宽带城域网的问题。接入网技术解决的是最终用户接入宽带城域网的问题。接入方式涉及用户的环境与需求，它大致可以分为接入方式涉及用户的环境与需求，它大致可以分为家家庭接入、校园接入、机关与企业接入庭接入、校园接入、机关与企业接入。接入技术可以。接入技术可以分为分为有线接入有线接入与与无线接入无线接入两类。两类。从实现技术的角度，目前宽带接入技术主要有：从实现技术的角度，目前宽带接入技术主要有：数字数字用户线
12、技术、光纤同轴电缆混合网技术、光纤接入技用户线技术、光纤同轴电缆混合网技术、光纤接入技术、无线接入技术术、无线接入技术与与局域网接入技术局域网接入技术。无线接入又可。无线接入又可以分为以分为无线局域网接入、无线城域网接入无线局域网接入、无线城域网接入与与无线自组无线自组网接入网接入。这些接入技术会逐渐互相融合构成一个统一。这些接入技术会逐渐互相融合构成一个统一的网络。的网络。1.3 1.3 物联网的传输通信保障物联网的传输通信保障互联网互联网互联网边缘部分主要包括大量接入互联网的主机和用互联网边缘部分主要包括大量接入互联网的主机和用户设备，核心交换部分包括由大量路由器互联的广域户设备，核心交换
13、部分包括由大量路由器互联的广域网、城域网和局域网。边缘部分利用核心交换部分所网、城域网和局域网。边缘部分利用核心交换部分所提供的数据传输服务功能，使得接入互联网的主机之提供的数据传输服务功能，使得接入互联网的主机之间能够相互通信和共享资源。间能够相互通信和共享资源。互联网边缘部分的用户设备也称为端系统（互联网边缘部分的用户设备也称为端系统（End End SystemSystem）。端系统是指能够运行）。端系统是指能够运行FTPFTP应用程序、应用程序、E-mailE-mail应用程序、应用程序、WebWeb应用程序，以及应用程序，以及P2PP2P文件共享程序或即文件共享程序或即时通信程序的计
14、算机。因此，端系统又统称为主机时通信程序的计算机。因此，端系统又统称为主机（hosthost）。）。互联网抽象和核心交换部分与边缘部分的结构示意图1.4.1 1.4.1 物联感知下的发展阶段物联感知下的发展阶段物联网应用的发展可以分为三个阶段：物联网应用的发展可以分为三个阶段：信息信息汇聚、协同感知汇聚、协同感知和和泛在聚合泛在聚合。1 1）信息汇聚）信息汇聚 在物联网应用初期，根据应用的实际需求，在物联网应用初期，根据应用的实际需求，我们可实现局部应用场景的物联网应用系统我们可实现局部应用场景的物联网应用系统的结构，它的主要作用是信息汇聚。的结构，它的主要作用是信息汇聚。a）无限传感器网络应
15、用系统（局部范围应用）b）无线传感器网络应用系统（远距离应用）c）RFID应用系统（局部范围应用）信息汇聚应用示意图2 2）协同感知）协同感知有几种情况需要采用协同感知的方法。例如：如果简有几种情况需要采用协同感知的方法。例如：如果简单地使用单地使用RFIDRFID或或WSNWSN中的一种感知方法已经不能够满中的一种感知方法已经不能够满足应用需求；或者是一个区域内，一个车辆从一个入足应用需求；或者是一个区域内，一个车辆从一个入口进入，然后它可能装载另一批货物出去的复杂情况；口进入，然后它可能装载另一批货物出去的复杂情况；或者是需要融合不同位置、不同传感器数据进行分析或者是需要融合不同位置、不同
16、传感器数据进行分析的应用场景。这时我们需要选择将的应用场景。这时我们需要选择将RFIDRFID和和WSNWSN两种方两种方法协同感知，或者将多种传感器综合起来协同感知。法协同感知，或者将多种传感器综合起来协同感知。军事物流、大型集装箱码头、保税区物流、城市智能军事物流、大型集装箱码头、保税区物流、城市智能交通、战场协同感知系统的应用都属于协同感知应用。交通、战场协同感知系统的应用都属于协同感知应用。协同感知系统相对比较复杂，属于中等规模的物联网协同感知系统相对比较复杂，属于中等规模的物联网应用系统。协同感知系统的通信网可以使用应用系统。协同感知系统的通信网可以使用M2MM2M无线无线网络或者互
17、联网。网络或者互联网。3 3）泛在聚合）泛在聚合更大范围的物联网，例如国际民用航空运输、更大范围的物联网，例如国际民用航空运输、海运物流、我国的智慧城市，以及国家级数海运物流、我国的智慧城市，以及国家级数字环保、数字防灾、数字农业等大型物联网字环保、数字防灾、数字农业等大型物联网应用系统都属于泛在聚合的类型。这种类型应用系统都属于泛在聚合的类型。这种类型的特点是覆盖范围广、技术复杂、感知目标的特点是覆盖范围广、技术复杂、感知目标多样化，属于物联网应用的高级阶段。多样化，属于物联网应用的高级阶段。1.4.2 1.4.2 物联网的国内外发展现状物联网的国内外发展现状1.1.国外现状国外现状目前国际
18、上最典型的解决方案有欧美的目前国际上最典型的解决方案有欧美的EPCEPC系统和日本的系统和日本的UIDUID系统等。系统等。EPCEPC系统是一个先进的、综合性的和复杂的系统是一个先进的、综合性的和复杂的系统。它由系统。它由EPCEPC编码体系、编码体系、RFIDRFID系统及信息系统及信息网络系统三个部分组成，主要包括六个方面：网络系统三个部分组成，主要包括六个方面：EPCEPC编码、编码、EPCEPC标签、读写器、标签、读写器、SavantSavant管理软管理软件、对象名解析服务器（件、对象名解析服务器（ONSONS）和实体标记）和实体标记语言（语言（Physical Markup La
19、nguagePhysical Markup Language，PMLPML。EPC系统工作示意图EPCIS在EPC系统中的作用近年来，在各种力量的推动下，近年来，在各种力量的推动下，EPCEPC已经走出实验室，在已经走出实验室，在许多行业中得到广泛应用。许多行业中得到广泛应用。沃尔玛使用EPC系统意大利纺织品制造商Griva S.p.A应用EPC卷板布匹追踪系统a）固定在传送带上的Alien 8800读写器；b）布匹卷轴中心贴有EPC Gen 2 SquiggleUIDUID技术体系结构主要由技术体系结构主要由Ubiquitous CodeUbiquitous Code（泛在识（泛在识别码，简
20、称别码，简称UcodeUcode）、）、Ubiquitous CommunicationUbiquitous Communication（泛在通信器，简称（泛在通信器，简称UCUC）、）、UcodeUcode解析服务器和解析服务器和信息系统服务器四个部分组成。其中信息系统服务器四个部分组成。其中UCUC支持用户支持用户和泛在识别计算机环境的通信，并提供了多制式和泛在识别计算机环境的通信，并提供了多制式的通信接口以处理不同种类的标签和读写器的信的通信接口以处理不同种类的标签和读写器的信息，无论是本地还是远程网络都可以通过嵌入式息，无论是本地还是远程网络都可以通过嵌入式的接口连接的接口连接UIDU
21、ID信息服务系统。信息服务系统。2.2.国内现状国内现状随着我国国民经济的快速发展，对外经济交流的随着我国国民经济的快速发展，对外经济交流的日益频繁，而国外物联网技术的发展和应用，客日益频繁，而国外物联网技术的发展和应用，客观上可能形成新的技术壁垒，这就要求我们紧密观上可能形成新的技术壁垒，这就要求我们紧密把握这一发展趋势，迎头赶上，真正在国内也推把握这一发展趋势，迎头赶上，真正在国内也推广使用这一新技术，达到提升我国工商企业的国广使用这一新技术，达到提升我国工商企业的国际竞争力的目的。因此，物联网的建设在我国也际竞争力的目的。因此，物联网的建设在我国也成为大家普遍关注的热点，得到国家科技部、
22、质成为大家普遍关注的热点，得到国家科技部、质检总局、国家标准委等政府部门和自动识别技术检总局、国家标准委等政府部门和自动识别技术等相关行业及企业的高度重视。等相关行业及企业的高度重视。2010中国物联网大会 上海世博会的RFID示范店2010年教育部批准设立物联网专业图1-14 RFID应用测试公共服务平台目前可以作为用户接入网的主要有三类：目前可以作为用户接入网的主要有三类：计计算机网络算机网络、电信通信网电信通信网与与广播电视网广播电视网。长期。长期以来，我国的这三种网络是由不同的部门管以来，我国的这三种网络是由不同的部门管理的，它们是按照各自的需求、采用不同的理的，它们是按照各自的需求、
23、采用不同的体制发展的。体制发展的。数字化技术使得这三种网络的服务业务相互数字化技术使得这三种网络的服务业务相互交叉，三种网络之间的界限越来越模糊，人交叉，三种网络之间的界限越来越模糊，人们可以选择一种最简单、费用最低的方式将们可以选择一种最简单、费用最低的方式将自己的计算机接入互联网自己的计算机接入互联网。未来的信息网络建设应该将服务与建设分开，未来的信息网络建设应该将服务与建设分开，建立分层的服务模型与统一的标准，以使原建立分层的服务模型与统一的标准，以使原属于不同行业的网络系统过渡形成一个全国属于不同行业的网络系统过渡形成一个全国性的大网，为各种新应用的发展提供高效能性的大网，为各种新应用
24、的发展提供高效能的服务平台，让更多的家庭、企业、机关的的服务平台，让更多的家庭、企业、机关的计算机更方便地接入互联网。这种应用需求计算机更方便地接入互联网。这种应用需求促进了计算机网络、电信通信网与电视通信促进了计算机网络、电信通信网与电视通信网的网的“三网融合三网融合”局面的出现。三网融合所局面的出现。三网融合所形成的高性能、全覆盖的通信网络将为物联形成的高性能、全覆盖的通信网络将为物联网的发展创造有利的条件网的发展创造有利的条件。物联网可广泛应用于城市公共安全、工业安物联网可广泛应用于城市公共安全、工业安全生产、环境监控、智能交通、智能家居、全生产、环境监控、智能交通、智能家居、公共卫生、
25、健康监测等多个领域，让人们享公共卫生、健康监测等多个领域，让人们享受到更加安全轻松的生活；正日益成为备受受到更加安全轻松的生活；正日益成为备受全球社会各界共同关注的热点和焦点。物联全球社会各界共同关注的热点和焦点。物联网的发展从概念到技术研究、试点实验阶段，网的发展从概念到技术研究、试点实验阶段，已经取得了突破性进展。伴随国家和企业，已经取得了突破性进展。伴随国家和企业，政策和资金的大力支持，政策、金融、研发政策和资金的大力支持，政策、金融、研发机构、人员四大环境的不断增强和投入，物机构、人员四大环境的不断增强和投入，物联网将会顺应生产力变革的要求不断发展下联网将会顺应生产力变革的要求不断发展下去。去。
