第一章物联网概论

物联网发展的社会背景

物联网概念的提出

1. 比尔盖茨与电子别针
2. Auto-ID实验室、RFID与物联网概念
3. ITU与物联网概念的提出

物联网与智慧地球

智慧地球=互联网+物联网

1. 智慧地球将传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并通过超级计算机和云计算组成物联网，实现“人-机-物”的融合
2. 通过在基础设施和制造业中大量嵌入传感器，捕捉运行过程中的各种信息，然后通过无线网络接入到互联网，通过计算机分析、处理和发出指令，反馈给控制器，远程执行指令
3. 通过智慧地球技术的实施，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产与生活，提高资源利用率和生产能力改善人与自然的关系

欧盟与各国政府物联网产业的发展规划

欧盟发展物联网产业的规划

1. 第一阶段（2010年前）：基于RFID技术实现低功耗、低成本的单个物体间的互联，并在物流、零售、制药等领域开展局部的应用
2. 第二阶段（2010～2015年）：利用传感网与无处不在的RFID标签实现物与物之间的广泛互联，针对特定的产业制定技术标准，并完成部分网络的融合
3. 第三阶段（2015～2020年）：具有可执行指令的RFID标签广泛应用，物体进入半智能化，物联网中异构网络互联的标准制定完成，网络具有高速数据传输能力
4. 第四阶段（2020年之后）：物体具有完全的智能响应能力，异构系统能够实现协同工作，人、物、服务与网络达到深度地融合

物联网与我国战略性新兴产业

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物联网发展的技术背景

1. 从人类对技术需求的角度认识物联网发展的必然性
2. 从互联网技术发展的角度认识物联网发展的必然性
3. 从普适计算研究的角度认识物联网发展的必然性 普适计算（Pervasive Computing）— 无处不在的计算
4. 从CPS(信息物理系统）研究的角度认识物联网发展的必然性

普适计算的特征

• 强调“无处不在”与“不可见”
• 核心是“以人为本”
• 提供自适应的网络服务
• 关键是智能

普适计算的思想就是使计算机从用户的意识中彻底“消失”，在物理世界中结合计算处理能力与控制能力，将人与人、人与机器、机器与机器的交互最终统一为人与自然的交互，达到“环境智能化”的境界

普适计算与物联网的关系

1. 普适计算与物联网从研究目标、研究的内容，到工作模式上都有很多相同之处
2. 普适计算的研究方法与研究成果，对于物联网技术的研究有着重要的借鉴与启示作用
3. 物联网的出现也使我们在实现普适计算的道路上前进了一大步

物联网、互联网、传感网与泛在网的关系

CPS主要技术特征

自动泊车是无人驾驶汽车重要的功能与研究内容之一，它是感知、智能、 计算、通信与控制技术交叉融合的产物，是一种典型的信息物理融合的CPS系统

• CPS是“人-机-物”深度融合的系统
• CPS是“3C”与物理设备深度融合的系统（Computation Communication and Control）
• CPS 是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的系统

CPS的主要功能

• “感”：多感知器协同感知物理世界的状态信息
• “联”：连接物理世界与信息世界的各种对象，实现信息交互
• “知”：通过对感知信息的智能处理，正确、全面地认知物理世界
• “控”：根据正确的认知，确定控制策略，发出指令，指挥执行器协同控制物理世界

CPS 是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的系统

CPS与物联网的关系

• CPS研究的目标与物联网未来发展方向是一致的。CPS与物联网所催生的智能技术与设备、协同工作体系、柔性化生产方式、精细化管理模式，将重塑现代产业体系的新格局
• CPS因控制技术与信息技术融合而起，将随着物联网在各行各业的应用，智能工业、智能农业、智能医疗的应用而迅速发展
• CPS理论研究与技术研究的成果，对物联网未来的发展有着重要的启示与指导作用

物联网定义与主要技术特征

物联网的定义

什么是物联网

按照规定的协议，将具有“感知、通信、计算”功能的智能物体、系统、信息资源 互联起来，实现对物理世界“泛在感知、可靠传输、智慧处理”的智能服务系统

• 物联网是在互联网基础上发展起来的，它与互联网在基础设施上有一定程度的重合，但是它不是互联网概念、技术与应用的简单扩展
• 互联网扩大了人与人之间信息共享的深度与广度，物联网更加强调它在人类社会生活的各个方面、国民经济的各个领域广泛与深入地应用
• 物联网主要特征是：泛在感知、可靠传输、智慧处理

物联网的主要技术特征

• 物联网的智能物体具有感知、通信与计算能力
• 物联网可以提供所有对象在任何时间、任何地点的互联
• 物联网的目标是实现物理世界与信息世界的融合任何时间连接任何地点连接任

物联网与互联网的比较

1. 物联网与互联网的相通之处

2. 物联网与互联网的不同之处
   1. 物联网提供行业性、专业性与区域性的服务，互联网提供全球性公共信息服务
   2. 物联网数据主要是通过自动方式获取的 ，互联网数据主要是以人工方式生成的
   3. 物联网是可反馈、可控制的“闭环”系统

物联网与“互联网+”的关系

1. “互联网+”是对我国社会与经济发展思路高度凝练的表述，它涵盖着互联网、移动互联网与物联网与各行各业、社会各个层面“跨界融合”的丰富内容
2. 物联网是支撑“互联网+” 发展的核心技术之一
3. 推进“互联网+” 将为物联网产业开辟更加广阔的发展空间

物联网的体系结构

物联网体系结构基本概念

物联网三层结构模型

1. 应用层
   1. 行业应用层
   2. 管理服务层
2. 网络层
   1. 核心交换层
   2. 汇聚层
   3. 接入层
3. 感知层

感知层

感知层设备分类：

• 自动感知设备
• 人工生成信息设备

感知能力和控制能力

从一块简单的RFID标签、一个温度传感器或测控装置，到一个复杂的智能机器人，它们之间最重要的区别表现在：

是不是需要同时具备感知能力和控制、执行能力，以及需要什么样的控制、执行能力

网络层

1. 接入层：连接各种传感器、传感网、感知设备与执行设备，将感知数据传送到汇聚层并将控制指令反馈给执行设备
2. 汇聚层：聚合接入层的用户流量，实现感知数据与控制指令的路由、转发与交换
3. 核心交换层：连接应用层，为物联网提供一个高速、安全与保证服务质量的数据传输环境

汇聚层

核心交换层不可能直接接入大量的感知与执行设备，借鉴互联网处理大规模接入的经验，需要在接入层与核心交换层之间插入汇聚层

• 汇接接入层的用户流量，进行数据分组传输的汇聚、转发与交换
• 根据接入层的用户流量，进行本地路由、过滤、流量均衡、优先级管理，以及安全控制、地址转换、流量整形等处理
• 根据处理结果把用户流量转发到核心交换层或在本地进行路由处理

应用层

1. 管理服务层：

   1. 管理服务层通过中间件，在物理上隔离物联网应用系统与RFID或传感器硬件、网络技术的差异性，在逻辑上实现应用层与低的无缝连接
   2. 管理服务层要提供物联网海量数据存储、融合、查询、检索的服务功能

   

物联网共性服务

1. 网络安全
2. 网络管理
3. 对象名字服务
4. 服务质量保障

物联网关键技术及其涵盖的基本内容

1. 感知技术

   • RFID标签选型与读写器设计

   • 传感器的选型与传感器节点结构设计

   • 传感网的设计与实现

   • 中间件与数据处理软件的设计与实现

2. 嵌入式技术

   • 专用芯片设计制造

   • 嵌入式硬件结构设计与实现

   • 嵌入式操作系统

   • 嵌入式应用软件

3. 无线通信技术

   • 无线通信技术的选型

   • 无线通信网络系统设计

   • M2M协议与应用

4. 网络技术

   • 网络技术选型

   • 网络结构设计

   • 异构网络互联

   • 异构网络管理

5. 智能处理技术

   • 中间件与应用软件

   • 海量数据存储与搜索

   • 数据融合与知识发现

   • 智能决策

6. 控制技术

   • 环境感知

   • 信息融合

   • 规划与决策

   • 智能控制

7. 定位技术

   • 位置信息

   • 定位技术

   • 位置服务

8. 信息安全技术

   • 感知层安全

   • 传输层安全

   • 应用层安全

   • 隐私保护