Transcript 感知层技术
物联网简要介绍 目 威讯紫晶 1 物联网概念 2 物联网发展的战略意义 3 物联网技术分类 4 物联网的应用 录 物联网概念 威讯紫晶 什么是物联网？ “通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、 激光扫描器等信息传感设备，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。” “物理世界与信息世界的无缝连接” ——————欧盟委员会 物联网的特征 感知 传输 智能 全面感知 可靠传输 智能处理 利用RFID、传感器、 二维码等能够随时随地 采集物体的动态 信息。 通过网络将感知的各 种信息进行实时传送。 利用计算机技术，及时地对海量 的数据进行信息控制，真正达到 了人与物的沟通、物与物的沟 通。 物联网将引发新的“聚合服务” 聚合服务 •全面感知 •可靠传输 •智能处理 信息聚合 •泛在化 •一体化 •个性化 •智能化 个人 家庭 集团 5 各国发展概况 中国：2009年8月 感知中国 美国： 2008年底 IBM向美国政府提出 的”智慧的地球”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 欧盟：2009年6月 物联网行动计划 具体而务实，强调RFID的广泛应用，注重信息安全 日本： 2009年8月 i-Japan战略 在u-Japan的基础上，强调电子政务和社会信息服务应用 共同点: 融合各种信息技术，突 破互联网的限制，将物体 接入信息网络，实现“物 联网” 在网络泛在的基础上， 将信息技术应用到各个领 域，从而影响到国民经济 和社会生活的方方面面 未来信息产业的发展在 由信息网络向全面感知和 智能应用两个方向拓展、 延伸和突破。 物联网发展的背景 1、经济危机下的推手 经济长波理论：每一次的经济低谷必定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是 可以为绝大多数工业产业提供一种全新的使用价值，从而带动新一轮的消费增长和高额的 产业投资，以触动新经济周期的形成。 目前的经济危机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为推动下一个经济增 长的特别重要推手。 2、传感技术的成熟 随着微电子技术的发展，涉及人类生活、生产、管理等方方面面的各种传感器已经比 较成熟。例如常见的无线传感器（WSN）、RFID、电子标签等。 3、网络接入和信息处理能力大幅提高 目前，随着网络接入多样化、IP宽带化和计算机软件技术的飞跃发展，基于海量信息 收集合分类处理的能力大大提高。 物联网的发展—中国 1999年 • 中国开始传感网研究。 • 温家宝在无锡视察中科院“物联网”技术研发中心时指出，要尽快突破核心技术，提出“感知中 2009 年8 国”。 月 • 关政策。 2009年9月 2009年11 “传感器网络标准工作组成立大会暨”感知中国’高峰论坛”在北京举行，会议提出传感网发展相 • 成立无锡物联网产业研究院，促进物联网技术产业化应用。 • 教育部公布在大学中增加物联网专业，物联网作为一门专业课程正式进入高校培训人才的教学课程 月 2010年7 月 里面。 物联网的发展—美国 智能尘微 美国国防部在2005年将"智能微尘"（SMARTDUST）列为重点研发项目。 智慧地球 2008年，IBM提出的“智慧地球”概念（建议政府投资新一代的智慧型基础设施）已上 升至美国的国家战略。该战略认为IT产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用在 各行各业之中，具体地说，就是把感应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，并且被普遍连接，形成“物联网” 智能电网 2007年，美国总统奥巴马将智能电网为刺激美国经济振兴的核心主力，2009年11月，奥 巴马政府宣布出资34亿建立“智能电网”。 物联网的发展—欧盟 2006年9月，当值欧盟理事会主席国芬兰和欧盟委员会共同发起举办了欧洲信 息社会大会，主题为"i2010-创建一个无处不在的欧洲信息社会"。 2009年6月，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地区 委员会递交了《欧盟物联网行动计划》（Internet of Things-An action plan for Europe），以确保欧洲在建构物联网的过程中起主导作用。行动计 划共包括14项内容，主要有管理、隐私及数据保护、“芯片沉默”的权利、潜 在危险、关键资源、标准化、研究、公私合作、创新、管理机制、国际对话、 环境问题、统计数据和进展监督等一系列工作。 自2007年至2013年，欧盟预计投入研发经费共计532亿欧元，推动欧洲最重要 的第7期欧盟科研架构（EU-FP7）研究补助计划。 物联网的发展—日韩 日本 • 2000年首先提出了“IT基本法”，其后又提出了“e-Japan战略”。 • 2004年推出“u-Japan”计划，着力于发展泛在网及相关产业。 • 2009年8月，日本将“u-Japan”升级为“i-Japan”战略，提出“智慧泛在”构想，将传 感网列为其国家重点战略之一。 韩国 • 2004年几乎与日本同步提出了"u-Korea"战略，并制定了详尽的"IT839战略"，重点支持 泛在网建设。 • 2009年10月韩国颁布了《物联网基础设施构建基本规划》，将物联网市场确定为新增长 动力。 物联网发展现状 我国物联网应用现状 物联网发展现状 美国 欧盟 日本 移动支付、电网、 远程监测、智能家 居和汽车联网等方 面的应用已出具规 模。如智能家居、 医疗监测、移动 POS，车辆应急响 应系统等。 应用围绕RFID和 M2M展开，如医疗 、能源、物流、生 产、零售等领域。 RFID第一应用大国 ，应用案例占全球 59%。五大电信运 营商都加速开拓“ 智能电网”、M2M 等智能应用 目 威讯紫晶 1 物联网概念 2 物联网发展的战略意义 3 物联网技术分类 4 物联网的应用 录 物联网发展的战略意义 物联网时代将带来全球第三次信息化浪潮 物联网发展的战略意义 物联网 保障国家 信息安全 国土安全 促进工业化 与信息化融 合 抢占信息产 业第三次浪 潮的制高点 提高国家工 业竞争力 物联网市场预测 对于物联网在国内市场空间，权威机构预测，仅“产业排头兵”RFID领域，今 年国内市场规模就将达50亿元，年复合增长率为33%，其中电子标签超过 38亿 元、读写器接近7亿元、软件和服务达到5亿元的市场格局。而业内人士估计， 中国物联网产业链今年就能创造约1000亿元产值,并成为下一个万亿级信息产 业引擎。 美国权威咨询机构FORRESTER预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人 与人通信的业务相比，将达到30比１，因此，“物联网”被称为是下一个万亿 级的通信业务。 目 威讯紫晶 1 物联网概念 2 物联网发展的战略意义 3 物联网技术分类 4 物联网的应用 录 物联网体系架构 物联网技术分类 物联网感知层 感知层是实现物联网全面的感知的基础 包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传 感器和M2M终端、传感器网络和传感器网关等 要解决的重点问题是感知和识别物体，采集和捕获信息 要突破的方向是具备更敏感、更全面的感知能力，解决低功耗、小 型化和低成本的问题 物联网技术 物联网三个重要特征： 1、全面感知，利用RFID，传感器，二维码等随时随地获取物体的信息 2、可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去 3、智能处理，利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行 分析和处理，对物体实施智能化的控制 传感网络技术 传感器的器件组成的在空间上呈分布式的无线自组织/自维护网络，用来感知环境参数，如 温度、震动等等。 短程通讯技术 新兴的短距离连接技术，WPAN、RFID和蓝牙技术是其中的重要代表。 物联网现阶段最主要的表现形式 M2M是机器到机器、人对机器和机器对人的数据传输。有多种技术支持M2M网络中的终端之间 的传输协议，目前主要有CDMA 、GPRS、IEEE802.11a/b/g WLAN等等。 21 物联网技术 22 感知层核心技术 ——无线传感网的感知能力 大量多种类传感节点组成的自治网络，实现对物理世界的动态智能协 同感知。 23 感知层技术—WSN 无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的 自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的 信息，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。 传感器节点体系结构 传感器网络协议栈 感知层技术—WSN 与现有无线网络的差别 无线传感器网络特点： WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为密集； 由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障； 环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化； 通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的； 传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等十分有限； 传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效率带宽利用，其次才考虑节约能源；而WSN的首要设计目 标是能源的高效使用，这也是WSN和传统网络最重要的区别之一。 WSN网络特点 大规模网络、自组织网络、动态性网络、可靠的网络、应用相 关的网络、以数据为中心的网络 无线传感网：关键技术及标准现 状 技术名称 国际标准体系 中国标准体系 无线传感网 （WSN/WPA N） IEEE 802.15.4/4b/4c/4e、 Smart Grid、ZigBee(网络层协 议标准) CWPAN：GB/T 15629.152010，中国专有频段780MHz 无线局域网 （WLAN/WiFi） IEEE 802.11a/b/g/n、WIFI WAPI（网络层协议标准）、底 层支持IEEE 802.11 RFID IEEE 802.15.1、RFID RFID 26 感知层技术—传感器 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规 律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示 、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 血压传感器 湿度传感器 位移传感器 广泛应用 的传感器 气体传感器 声音传感器 红外传感器 压力传感器 温度传感器 利用传感器可以感知物 理世界的方方面面，它 是物联网的末梢神经 感知层技术—GPS GPS：即 Global Positioning System，全球定位系统。由 空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。具有在 海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与 定位系统。其定位精度最高可达厘米级和毫米级 GPS应用： 为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。 各种等级的大地测量，控制测量 电力，邮电，通讯等网络的时间同步 全球四大GPS系统： 美国ＧＰＳ 欧盟“伽利略” 俄罗斯“格洛纳斯” 中国“北斗” 感知层技术—RFID技术 RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别技术 RFID的实现分为三个部分: ① 标签（内含芯片与天线） ② 读卡器 ③ 数据库和软件 标签内包含唯一标识数据:序列号 或其他关于物件的独有信息 特点：RFID可快速、准确而可靠地采集数据，感 知和识别物体。与传统条形码识别技术相比， RFID具有快速自动扫描、体积小、信息容量大、 耐久性强、可重复使用、安全保密性高等优势。 感知层技术—RFID技术 读写器将要发送的信息，经编码后加载到高频载波信号上再经天线向外 发送。 进入读写器工作区域的电子标签接收此信号，卡内芯片的有关电路对此 信号进行倍压整流、调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限 等进行判断。 若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、 调制后通过片上天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、 解码、解密后送至信息系统进行处理。 若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起电子标签内部电荷泵提升 工作电压，提供电压擦写E2PROM。若经判断其对应密码和权限不 符，则返回出错信息。 感知层技术—蓝牙 蓝牙（Bluetooth） 蓝牙是一种短距离微功耗的无线通信技术（一般10m内）该技术能在建筑环境空 间中提供高效能的数据传输和无线控制。 技术特点 工作频率在国际开放的ISM2.4GHz上 采用调频扩展技术 使用IEEE802.15协议 易于安装、设置 低成本 一对多 感知层技术—WIFI 无线局域网（WLAN/WIFI） Wi-Fi 的英文全称为wireless fidelity，在无线局域网的范畴是指“无线相容性认 证” ，目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。 技术特点 工作频率在国际开放的ISM2.4GHz上 无线电波的覆盖半径则可达100米，目前，通信距离最大可达到4英里(约6.5 公里)。 传输速度非常快，最快可以达到308mbps，并向下可扩展至54mbps、 32mbps、11mbps、6mbps，以快速适应无线环境的变化。 厂商进入该领域的门槛比较低，布设简单，造价便宜。 感知层技术—无线技术对比 应用重点 电池寿命 网络大小 传输距离 ZigBee 监测、监控和 通信 100至1000+ 天 255/65,000 10-500+ WiFi Web、Email、 图像 0.5至5 32 10-100 RFID 物流、超市 100至1000+ 天 32 1-10 蓝牙 电缆代替品 1至7天 7 1-10+ GSM/CDMA 广泛范围的声 音和数据 1至7天 1 1000+ 网络层技术 物联网网络层 下一代承载网 GPRS 3G 蓝牙 WLAN M2M无 线接入 以太网 各种通信网络与互联网形成的融合网络，被普遍认为是最成熟的部 分 除网络传输之外，还包括网络的管理中心和信息中心，以提升对信 息的传输和运营能力 是物联网成为普遍服务的基础设施，有待突破的方向是向下与感知 层的结合，向上与应用层的结合 网络层技术—3G 3G是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数 据信息，速率一般在几百kbps以上。目前3G存在三种标准：CDMA2000， WCDMA,TD-SCDMA。 TD-SCDMA CDMA200 WCDMA 时分双工系统 频分双工系统 频分双工系统 主要由大唐电信提出 ，是我国百年通信史 上第一次制定的国际 标准，拥有自主知识 产权 由CDMA（800MHz） 延伸而来，可以从 原有的CDMA网络直 接升级到3G。由美 国高通公司提出， 摩托罗拉、朗讯、 韩国三星等公司参 与 该系统能从现有的 GSM网络上较容易的 过渡到3G，主要由 欧洲系统厂商支持 ，如诺西，爱立信 该系统应用多项先进 技术，众多国际厂商 均表示支持TD-SCDMA 网络层技术—WLAN 无线局域网 （Wireless LAN,简称WLAN），是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它不受电缆束 缚，可移动，能解决因有线网布线困难等带来的问题。既可满足各类便携机的入网要求，也 可实现计算机局域网远端接入，图文传真、电子邮件等多种功能。 无线局域网结构 组网灵活 扩容方便 高兼容性 WLAN特 点 小型化 应用广泛 网络层技术—M2M M2M是Machine-to-Machine/Man的简称，是一种以机器终端智能交互为核心的 、网络化的应用与服务。它通过在机器内部嵌入无线通信模块，以无线通信等 为接入手段，为客户提供综合的信息化解决方案，以满足客户对监控、指挥调 度、数据采集和测量等方面的信息化需求。 M2M-机器与机器通信 Machine to Machine/Man, 将通信 能力植入机器，以机器终端智能交 互为核心的、网络化的应用与服务 条形码+RFID+传感器+摄像头， 信息的有限感知 移动通信技术为主，信息的“有限” 传送 主要应用于机器监控领域，受网络 覆盖、终端功耗、体积受限 物联网 定 义 Thing to Thing，将感知、通信、 处理能力植入物体，具有全面感知、 可靠传送、智能处理特征的连接物 理世界的网络 感知能力 传感器网络+智能芯片+条形码 +RFID+传感器+摄像头，信息的全面 和透彻感知 通信能力 多种通信技术相结合，信息的更自 由传送 应用场景 受限范围缩小，应用极大丰富 应用层技术 物联网应用层 应用集成 云计算 网络管理 决策支持 将物联网技术与行业专业技术相结合，实现广泛智能化应用的解决 方案集，提供物物互联的丰富应用 物联网通过应用层最终实现信息技术与行业的深度融合，对国民经 济和社会发展具有广泛影响 关键问题在于信息的社会化共享和开发利用、以及信息安全的保障 应用层技术—云计算 云计算是一种基于互联网的计算模式，它将计算、数据、应用等资源 作为服务通过互联网提供给用户 应用层技术—决策支持系统 决策支持系统（Decision Support System,DSS）是一种以计算机为工具，应用决策科学及有关学科 的理论与方法，以人机交互方式辅助决策者解决半结构化和非结构化决策问题的信息系统。它为决策 者提供分析问题、建立模型、模拟决策过程和方案的环境，调用各种信息资源和分析工具，帮助决策 者提高决策水平和质量。 决 策 支 持 系 统 的 工 作 过 程 应用层技术—数据挖掘技术 数据挖掘（data mining）是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机 的数据中提取隐含在其中、人们事先不知道、但又是潜在有用的信息和知识过 程。 统计分析方法 粗集方法 决策树方法 模糊集方法 常用方法 神经网络方法 遗传算法 目 威讯紫晶 1 物联网概念 2 物联网发展的战略意义 3 物联网技术分类 4 物联网的应用 录 物联网的应用 行业应用—智能电网 减少停电现象 行业应用—智能电网 智能电网 智能电网（smart power grids），就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”， 它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进 的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、 安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标 通过在智慧的电力中安装先进分析和优化引擎，电力提供商可以突破“传统”网络的 瓶颈，而直接转向能够主动管理电力故障的“智能”电网。对电力故障的管理计划不仅 考虑到了电网中复杂的拓扑结构和资源限制，还能够识别同类型发电设备，这样，电力 提供商就可以有效地安排停电检测维修任务的优先顺序。如此一来，停电时间和频率可 减少约 30%，停电导致的收入损失也相应减少，而电网的可靠性以及客户的满意度都得 到了提升。 行业应用—智能电网 智能电表 行业应用—智能电网 智能电表功能 预付费 功能 预收电费，剩余电量为零时自动拉闸断电. 合闸拉 闸方式 内附开关和外附控电开关两种规格。 记忆功能 断电情况下表内数据可保存10年。 显示功能 双显示，计度器显示累计用电量，LED显示器显示 剩余电量及其它信息。 行业应用-建筑节能 室内温 湿度 楼 宇 用 电 量 实时监测空调 用水用电量 智能灯光控制 行业应用—智能家居 利用先进的计算机技术、通讯技术、综合布线技术、依照人体工程学原理，融合个性需 求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息 家电、场景联动、地板采暖等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实 现“以人为本”的全新家居生活体验。 行业应用—智能家居 开关控制-智能插座可直接 控制电器电源开关 调光控制 场景控制-如影院模式、起 夜模式、全关模式等 红外控制-对空调、电动窗 帘、电视机等家电设备进行 红外遥控 定时控制-定时开关家里的 灯光、电器 感应控制-可感应人体移动， 自动打开灯光 行业应用—智能农业 将无线传感器网络布设于农田、园林、温室等目标区域，网络节点大量实时地收集温度 、湿度、光照、气体浓度等物理量，精准地获取土壤水分、pH值、氮素等土壤信息。 无线传感器网络有助于实现农业生产的标准化、数字化、网络化。 将从三个方面有效促进农业的发展：增产增收、节约能源，相当于露地栽培产量10倍以 上。