第11章.萬物互聯(lián)-物聯(lián)網

第11章萬物互聯(lián)——物聯(lián)網CONTENTS目錄11.1物聯(lián)網概述11.2物聯(lián)網的體系結構11.3物聯(lián)網網絡層關鍵技術物聯(lián)網概述11.1什么是物聯(lián)網物聯(lián)網的發(fā)展物聯(lián)網的特征11.1.1什么是物聯(lián)網物聯(lián)網（InternetofThings，IoT）是指“萬物相連的互聯(lián)網”，是指在任何時間、任何地點實現(xiàn)任何人、任何物、任何機器之間的信息交換和通信的網絡什么是物聯(lián)網智能化識別跟蹤定位監(jiān)控和管理應用層面把世界上所有的物體都聯(lián)接到一個網絡中，形成“物聯(lián)網”，然后“物聯(lián)網”又與現(xiàn)有的“互聯(lián)網”結合技術層面物體的信息通過智能感應裝置，經過傳輸網絡，到達指定的信息處理中心，最終實現(xiàn)物與物、人與物之間的自動化信息交互與處理的智能網絡物聯(lián)網的定義第一，物聯(lián)網的核心和基礎仍然是互聯(lián)網，它是在互聯(lián)網基礎上延伸和擴展的網絡；第二，其客戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換。因此，物聯(lián)網就是“萬物相連的互聯(lián)網”。提供監(jiān)控指揮調度遠程數(shù)據采集和測量遠程診斷通俗含義在任何時間、任何地點實現(xiàn)任何人、任何物、任何機器之間的信息交換和通信，為信息通信技術提供了“所有物間通信”功能，稱之為物物相連的互聯(lián)網互聯(lián)網又稱國際網絡，指的是網絡與網絡之間所串連成的龐大網絡物聯(lián)網是互聯(lián)網的延伸，各種感知設備將信息傳送到接收器，再通過互聯(lián)網傳送，通過高層應用進行信息處理物聯(lián)網管理控制營運以實現(xiàn)遠程監(jiān)視、自動報警、控制、診斷和維護聯(lián)系與區(qū)別聯(lián)系物聯(lián)網的核心仍然是互聯(lián)網區(qū)別物聯(lián)網能夠實現(xiàn)物與物之間的連接，但互聯(lián)網只能實現(xiàn)人與人之間的連接11.1.2物聯(lián)網的發(fā)展物聯(lián)網的發(fā)展2009年感知中國的理念被提出1999年我國啟動了傳感網的研究2010年教育部設立物聯(lián)網工程本科新專業(yè)物聯(lián)網的發(fā)展2012年我國主導的“物聯(lián)網概述”標準成為全球第一個物聯(lián)網總體標準2010年6月“感知中國”物聯(lián)網聯(lián)盟在無錫正式成立2013年國務院提出《關于推進物聯(lián)網有序健康發(fā)展的指導意見》2013年9月，國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、科技部、教育部、國家標準委聯(lián)合物聯(lián)網發(fā)展部際聯(lián)席會議相關成員單位制定了10個物聯(lián)網發(fā)展專項行動計劃指導思想總體目標重點任務分工與進度物聯(lián)網的發(fā)展物聯(lián)網的發(fā)展2016年國務院發(fā)布了《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》2017年工信部發(fā)布《關于全面推進移動物聯(lián)網建設發(fā)展的通知》2021年工信部發(fā)表《物聯(lián)網新型基礎設施建設三年行動計劃（2021-2023年）》物聯(lián)網新型基礎設施社會現(xiàn)代化治理產業(yè)數(shù)字化轉型民生消費升級

2022年，國務院正式發(fā)布《“十四五”數(shù)字經濟發(fā)展規(guī)劃》，物聯(lián)網建設發(fā)展進入黃金時期。11.1.3物聯(lián)網的特征物聯(lián)網的特征1.全面感知2.可靠傳輸3.智能處理人的感官人的神經人的大腦三個缺一不可，互相協(xié)作，組成了物聯(lián)網1.全面感知利用射頻識別、條形碼、二維碼等隨時隨地獲取物體信息，比如可以利用溫濕度傳感器、紅外傳感器、照相機等識別設備信息采集協(xié)同處理智能組網信息服務物聯(lián)網的特征2.可靠傳輸通過無線網絡與互聯(lián)網融合，將物體的信息實時準確地傳遞給用戶公共網絡專用網絡物聯(lián)網的特征各種物體經由多種接入模式實現(xiàn)異構互聯(lián)3.智能處理利用云計算、數(shù)據挖掘以及模式識別等各種智能計算技術，對隨時接收到的跨地域、跨行業(yè)、跨部門的海量數(shù)據和信息進行分析處理，增強對物理世界、經濟社會各種活動和變化的洞察力，實現(xiàn)智能化的決策和控制物聯(lián)網的特征信息技術物聯(lián)網信息網絡全面感知智能應用什么是物聯(lián)網物聯(lián)網的發(fā)展物聯(lián)網的特征物聯(lián)網的體系結構11.2條形碼技術RFID技術傳感器技術定位技術多媒體信息采集與處理技術感知層物聯(lián)網的體系結構感知層網絡層應用層感知層位置位于底層，相當于人的感官，是物聯(lián)網全面感知的基礎作用感知和識別物體，采集和捕獲信息網絡層位置位于物聯(lián)網的第二層，是物聯(lián)網無處不在的前提作用隨時隨地連接感知層和應用層，通過通信網絡進行數(shù)據傳輸應用層位置位于最高層，是物聯(lián)網智能處理的中樞，也是物聯(lián)網的核心作用對感知層采集的數(shù)據進行計算、處理和信息挖掘，從而實現(xiàn)對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策感知層概念有感知、識別、控制和執(zhí)行等功能的多種設備組成11.2.1 物聯(lián)網感知層關鍵技術一維條形碼二維條形碼1.條形碼技術一維條形碼信息內容只包含數(shù)字和英文二維條形碼信息內容包含數(shù)字、英文、中文、圖片和聲音條形碼的區(qū)別具有檢錯和糾錯能力可在水平和垂直兩個方向表達信息，可直接儲存商品信息只能在水平方向表達信息，需另接數(shù)據庫，只能標識物品條形碼只有檢錯能力沒有糾錯能2.RFID技術標簽閱讀器天線是射頻識別的英文縮寫，俗稱電子標簽唯一標識讀取標簽傳遞射頻信號優(yōu)點電子標簽和閱讀器無需接觸便可完成識別，其識別工作無需人工干預應用為物聯(lián)網中各種物品建立唯一的身份。2.FRID長距離射頻產品多用于交通上：自動收費或識別車輛身份等短距離射頻多用于惡劣的環(huán)境：流水線上跟蹤物體3.傳感器技術是能感受特定的被測信號并按照一定的規(guī)則將其轉換成可用信號的器件或裝置敏感元件轉換元件變換電路輔助電源敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關系的物理量信號轉換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號負責對轉換元件輸出的電信號進行放大調制變換電路轉換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電1.種類溫濕度傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等2.應用從工業(yè)交通到家用電器以及機械制造、國防工業(yè)、環(huán)保氣象、土木建筑、農林水產、醫(yī)療保健、金融流通、海洋及資源開發(fā)3.傳感器技術地位是物聯(lián)網感知、獲取數(shù)據信息的窗口，是物聯(lián)網不可或缺的信息收集手段，傳感器的發(fā)展將直接影響物聯(lián)網的發(fā)展及應用4.多媒體信息采集與處理技術各種攝像頭、相機、麥克風等設備采集視頻、圖像、音頻等信息進行抽取、挖掘和處理保存到結構化數(shù)據庫中5.定位技術衛(wèi)星定位基站定位室內定位是測量目標的位置參數(shù)、時間參數(shù)、運動參數(shù)等時空信息的技術5.定位技術全球定位系統(tǒng)格洛納斯系統(tǒng)伽利略系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)美國俄羅斯歐洲中國美國全球定位系統(tǒng)俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)歐洲伽利略系統(tǒng)中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)5.定位技術基站定位通過運營商的網絡獲取移動終端用戶的位置信息，運營商主要包括移動、電信和聯(lián)通室內定位

WIFI定位技術、藍牙定位技術、ZigBee定位技術以及超寬帶定位技術11.2.2 物聯(lián)網網絡層關鍵技術無線傳感網技術藍牙技術Wi-Fi技術ZigBee技術NB-IoT技術LoRa技術移動通信技術感知層網絡層“感覺器官”“神經系統(tǒng)”大數(shù)據的含義主要進行信息的傳遞，通過因特網和各種網絡的結合，對接收到的各種感知信息進行傳送，更好地完成物與物之間的通信、物與人之間的通信以及人與人之間的通信，并實現(xiàn)信息的交互共享和有效處理1.無線傳感網技術由大量具有通信和計算能力、低成本、小體積的傳感器節(jié)點隨機部署在無人值守的監(jiān)控領域而構成的能夠自主完成指定任務的智能網絡系統(tǒng)無線傳感網綜合了傳感器技術、嵌入式技術、無線通信技術等傳感器節(jié)點匯聚節(jié)點傳輸網絡遠程監(jiān)控中心2.藍牙技術一種支持設備短距離通信的無線通信技術同一個藍牙設備可以在這兩種角色之間轉換在任意時刻，主設備單元可以向從設備單元中的任何一個發(fā)送信息也可以通過廣播方式同時向多個從設備發(fā)送信息一個主設備最多可以同時和7個從設備通信藍牙技術3.Wi-Fi技術含義是一種基于IEEE802.11系列協(xié)議標準實現(xiàn)的無線通信技術，被公認為是目前最為主流的無線局域網技術標準使用最廣4.ZigBee技術的含義是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備ZigBee2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6到24個月藍牙能工作數(shù)周WiFi可工作數(shù)小時低功耗低成本降低了對通信控制器的要求，每塊芯片的價格遠低于藍牙或WiFi特征ZigBee特征提供250kbps、40kbps和20kbps的原始數(shù)據吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據的應用需求低速率響應速度較快從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15毫秒，節(jié)點連接進入網絡只需30毫秒藍牙需要3秒到10秒WiFi需要3秒智慧農業(yè)工業(yè)控制醫(yī)療監(jiān)測高安全：提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用訪問控制清單防止非法獲取數(shù)據以及在數(shù)據轉移中采用高級加密標準的對稱密碼加密5.NB-IoT是窄帶物聯(lián)網的簡寫，是物聯(lián)網領域的一個新興技術，聚焦于低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接的物聯(lián)網市場NB-IoT低成本單個連接模塊價格不超過35元，可在智慧城市大規(guī)模部署低功耗終端模塊的待機時間可長達10年，可用于水電表、智慧停車/燈桿等應用NB-IoT大連接一個扇區(qū)能夠支持超過10萬個連接，在農林牧漁監(jiān)控領域應用廣泛廣覆蓋比LTE和GPRS基站提高了20dB的增益，覆蓋區(qū)域擴大100倍，可用于地面井蓋檢測LoRa技術的特點同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播距離更遠，比傳統(tǒng)的無線射頻通信距離增加了3到5倍，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一LoRa技術的含義是一種低功耗局域網無線標準，基于物理層實現(xiàn)網絡數(shù)據通信的技術，支持雙向數(shù)據傳輸6.LoRa技術自動抄表無線預警安全系統(tǒng)工業(yè)監(jiān)測和控制智能家居6.LoRa技術含義指通信的雙方，至少有一方是在移動中進行的通信內容固定點與移動點移動點與移動點7.移動通信技術特點移動終端可以對信息數(shù)據進行高效的接收傳送工作，并且作為終端設備的一種，它具有良好的便捷性。高效性及時性移動終端在使用過程中，能夠根據網絡通信接入點的變化，隨時對信息開展改變工作與傳遞工作廣泛性物聯(lián)網信息節(jié)點的廣泛性和移動性移動通信技術11.2.2 物聯(lián)網應用層關鍵技術1．中間件技術中間件技術是一種獨立的基于分布式處理的服務程序，它應用于客戶端、服務器的操作系統(tǒng)之上，用來管理計算機資源和網絡通信，連接兩個獨立的應用程序或者獨立系統(tǒng)，能夠使相連的系統(tǒng)即便擁有不同的接口仍然能實現(xiàn)信息交換。中間件技術可以運行于多種硬件和操作系統(tǒng)平臺，支持分布式計算，提供跨網絡、硬件、操作系統(tǒng)平臺的透明應用和服務交互。它的這些特性使得它成為物聯(lián)網應用中的關鍵部分，實現(xiàn)了各種傳感器、RFID系統(tǒng)等感知設備與應用系統(tǒng)之間的數(shù)據傳輸轉換。開發(fā)人員只需要提供一個中間件的接口就可以保證應用軟件在物聯(lián)網中的正常使用，在很大程度上降低了應用開發(fā)難度。2．人工智能技術物聯(lián)網時代一個顯著的特征就是大數(shù)據時代的到來。很顯然，要想處理好這些信息，需要進行篩選、分析、數(shù)據挖掘等任務，單靠人力是不行的。而現(xiàn)有的數(shù)據庫系統(tǒng)固有的弊端又對這些信息的處理助益不大，通用的計算方式和軟件能力也限制了信息的過濾能力。人工智能的目標就在于為人們提供能夠有所超越的信息處理能力，提高信息采集和應用的效率。在物聯(lián)網中，人工智能技術通過對感知信息的分析及智能處理來實現(xiàn)物聯(lián)網的智能化，并提供科學決策。例如，當整條道路上幾乎沒有車輛的時候，利用感知層獲得的實時數(shù)據和應用層積累的歷史數(shù)據，可以實時調整一些路口的紅綠燈，如將這條路上的人行指示燈全部設置為綠色等。3．云計算技術云計算技術是分布式計算的一種，可實現(xiàn)對海量數(shù)據的存儲、計算，是物聯(lián)網發(fā)展重要的技術支撐。4．信息和隱私安全技術信息和隱私安全技術包括安全體系架構、網絡安全技術，以及“智能物體”的廣泛部署給社會生活帶來的隱私保護、安全管理機制和保障措施等。為實現(xiàn)對物聯(lián)網廣泛部署的“智能物體”進行管理，需要進行網絡功能和適用性分析，開發(fā)合適的管理協(xié)議。物聯(lián)網的應用領域11.31.智慧停車隨著我國私家車的日益增加，現(xiàn)有的車位已滿足不了市民的需求，停車難已經成為困擾“有車