物联网工程概论 第一章 物联网体系结构 朱华贵 2016年09月01日

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《物联网概论》内容 信息的获取——感知和识别 信息的传输——通信网络 信息的处理——数据处理平台和计算模式 物联网应用——各行各业 3

物联网的概念 物联网的体系结构 物联网的发展背景 第1章 物联网体系结构 物联网的概念 物联网的体系结构 物联网的发展背景 4

1.1.1 物联网的定义 定义众多 发展演变中

物联网的早期定义 通过各种信息传感设备，按约定的协议，把各种物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

1.1.1 物联网的概念与定义 物联网（Internet of Things）的概念最早由MIT Auto-ID中心Ashton教授于1999年在研究射频识别（RFID）时首先提出。 2005年国际电信联盟（ITU）发布有关物联网的报告，指出： 无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷，从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行信息交换。射频识别技术，传感器技术，纳米技术，智能嵌入式技术将达到广泛的应用。

1.1.1 物联网的概念与定义 早期认识 典型的物联网是将所有的物品通过短距离RFID等信息传感设备与互联网连接起来，实现局域范围内的物品“智能化识别和管理”。 当代认识 物联网的基本含义就是一种虚拟数字世界和现实物理世界的融合。 物联网的目标 现实世界与虚拟世界的双向融合 第一个方向是现实世界向虚拟世界的融入 第二个方向是虚拟世界向现实世界的融入

1.1.1 物联网的概念与定义 在“数字世界泛在化”和“物理世界智能化”的融合过程中，物联网被赋予多个维度的内涵，具有多重含义。 从领域的维度（横向） 物联网覆盖了信息技术和通信技术的众多领域，包括RFID 、传感器、互联网、嵌入式、移动通信等。 广义上，物联网就是以“物”的信息感知、传输、处理为特征，利用包括RFID 、移动通信、传感器等在内的通信技术使“物”具有通信能力，利用嵌入式、中间件编程等信息技术使“物”具有信息处理能力，形成一个物物、人人、人物都能通信的系统。

第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是基于互联网的延伸和扩展； 对于定义把握两个基本点： 第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是基于互联网的延伸和扩展； 第二，物联网终端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，并试图进行物与物之间的信息交换。 10

IOT的概念模型

从层次的维度（纵向） 1.1.1 物联网的概念与定义 第一层是感知网络 利用RFID 、摄像头、传感器、GPS等识别物体、采集 信息 第二层是传输网络 利用移动通信系统、互联网等将感知层获取的信息进行 处理和传递 第三层是业务和应用网络 分析和处理获取的信息，实现智能化的管理、应用和服 务

1.1.1 物联网的概念与定义 物联网与传感网 物联网与互联网 物联网与泛在网 传感网是物联网的组成部分， 物联网是互联网的延伸， 泛在网是物联网发展的愿景。

1.1.2 物联网与各种网络关系 物联网与互联网的关系 物联网与传感网的关系 物联网与泛在网的关系 物联网与CPS

物联网与互联网的关系 数据源不同 互联网 全球性公网 虚拟 信息世界 物联网 行业性的或区域性的专网 真实 物理世界

物联网与传感网的关系 包含关系 传感网 区域性比较强 物联网 行业性比较强

物联网与泛在网的关系 广义 目标一致 泛在网 侧重理想 物联网 侧重现实

物联网与CPS 目标一致 虚拟世界和现实世界融合 物联网 强调应用，侧重外在表现形式 强调网络的连通作用 强调感知 CPS 强调网络的虚拟作用 强调感控

几种网络概念之间的关系 包含和侧重

应注意的问题 在深入理解物联网的概念时，为了更精确的把握物联网的核心内涵，要注意以下三个问题（误区）。 第一，把传感网或RFID网等同于物联网。 第二，把物联网当成互联网的无边无际的无限延伸，把物联网当成所有物的完全开放、全部互连、全部共享的互联网平台。 第三，认为物联网就是物物互联的无所不在的网络，因此认为物联网是空中楼阁，是目前很难实现的技术。 20

1.2 物联网的体系结构 1.2.1 感知层 1.2.2 传输层 1.2.3 处理层 1.2.4 应用层 应用层 支撑层 传输层 感知层

物联网体系结构

物联网的系统结构图

感知层：实现全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息。 24

感知层的设备 RFID标签和读写器 二维码标签和识读器 条码和扫描器 传感器 执行器 摄像头 IC卡 智能终端

传输层：目的是可靠传递，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。 传输层主要功能是直接通过现有互联网（IPv4/IPv6 网络）、移动通信网（如：GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、无线接入网、无线局域网等）、卫星通信网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输。 26

传输设备 电信局传输机房中的传输设备

支撑层：功能是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。 在支撑层主要的系统设备包括：大型计算机群、海量网络存储设备、云计算设备等等。支撑层利用了各种智能处理技术、高性能分布式并行计算技术、海量存储与数据挖掘技术、数据管理与控制等多种现代计算机技术。 28

处理层设施 数据中心

应用层：利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的服务。 应用层中包括各类用户界面显示设备以及其它管理设备等，应用层根据用户的需求可以面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，并根据各种应用的特点集成相关的内容服务，如：智能交通系统、环境监测系统、远程医疗系统、智能工业系统、智能农业系统、智能校园等。 30

应用层设施 智能交通中的监控中心

1.3.1 物联网的发展概况 1999年，美国麻省理工学院（MIT）的Auto-ID中心创造性地提出了当时被称作EPC（Electronic Product Code，产品电子代码）系统的物联网雏形构想。 32

EPC系统工作流程示意图

1.3.1 物联网的发展概况

1.3.1 物联网的发展概况 日本的“U-Japan”计划 发展无所不在的网络（U网络），以人为本，实现所有人与人、物与物、人与物之间的连接，即所谓的4U（Ubiquitous，Universal，User-oriented，Unique）。 韩国的“U-Korea”战略 韩国信息和通信部具体推动“U-Korea”项目的建设，重点支持“无所不在的网络”相关的技术研发及科技应用，希望通过“U-Korea”计划的实施带动国家信息产业的整体发展。

1.3.1 物联网的发展概况 新加坡“下一代I-Hub”计划 2005年2月，新加坡资讯通信发展局发布名为“下一代I-Hub”的新计划，标志着该国正式将“U”型网络构建纳入国家战略。该计划旨在通过一个安全、高速、无所不在的网络实现下一代的联接。

1.3.1 物联网的发展概况 美国的“智慧的地球” 2008年11月，IBM公司总裁彭明盛推广“智慧的地球”（Smart Planet）这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施，阐明其短期和长期效益。 2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，对此给予了积极的回应，认为“智慧的地球” 有助于美国的“巧实力”（Smart Power）战略，是继互联网之后国家发展的核心领域。

物物相连的智慧地球

1.3.1 物联网的发展概况 欧盟的物联网行动计划 2006年欧盟成了的工作组，进行RFID技术研究。 2008年发布了《2020年的物联网——未来路线》 2009年欧盟制订了《物联网——欧洲行动计划》。 目前欧盟已将物联网及其核心技术纳入到预算高达500亿欧元并开始实施的欧盟“第七个科技框架计划（2007—2013年）”中。

1.3.1 物联网的发展概况 中国的“感知中国” 2009年8月国家领导人在考察无锡高新微纳传感器工程技术中心时指出，要积极创造条件，在无锡建立中国的传感网中心——“感知中国”中心。 2010年3月，“加快物联网的研发应用”第一次写入中国政府工作报告。 《国家中长期科学与技术发展规划（2006－2020年）》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。

1.3.1 物联网的发展概况 我国物联网发展现状 一是产业体系初步形成但产业化能力不高，尚未形成规模化产业优势； 二是核心关键技术有待突破，在传感器、芯片、关键设备制造、智能通信与控制、海量数据处理等核心技术上，与发达国家存在较大差距； 三是标准比较分散、体系还不完善，在国际上面临标识等关键资源和核心标准的竞争； 四是物联网应用的规模和领域比较小，没有形成成熟的商业模式，应用成本较高； 五是物联网承载大量的国家经济社会活动和战略性资源，因而面临巨大的安全与隐私保护挑战。

1.3.1 物联网的发展概况 物联网的标准化概况 目前物联网还缺乏统一标准。标准化的实现将能够整合行业应用，规范新业务的实现和测试，保证物联网产品的互操作性和全网的互联互通。物联网标准体系的建设与完备，是扩大物联网市场规模的基础，是物联网产业发展的关键。

1.3.1 物联网的发展概况 国际物联网标准制定现状 目前投入物联网相关整体架构研究的国际组织有： （1）ETSI 欧洲电信标准化协会 M2M技术委员会，研究M2M物联网 （2）ITU-T 国际电信联盟 泛在传感网（USN） （3）ISO/IEC 国际标准化组织/国际电工协会 RFID的标准化研究

1.3.1 物联网的发展概况 我国物联网标准制定现状 （1）电子标签标准工作组成了于2005年10月 （2）传感器网络标准工作组（WGSN）成立于2009年9月 （3）成立于2003年的资源共享协同服务标准工作组（闪联）：信息设备智能互联与资源共享协议 （4）中国通信标准化协会（CCSA）：《无线泛在网络体系架构》、《无线传感器网络与电信网络相结合的网关设备技术要求》 （5）运营商。中国电信开发了开放式架构的M2M平台，在一定程度上解决了标准化问题。

1.3.2 物联网的前景展望 欧洲智能系统集成技术平台组织（EPoSS）在《Internet of Things in 2020》中预测，物联网的发展将经历四个阶段： 2010年之前以RFID为代表的物联网技术广泛 应用于物流、零售和制药等领域； 2010—2015年实现物与物之间的互联； 2015—2020年进入半智能化； 2020年之后实现全智能化

1.3.2 物联网的前景展望 物 联 网 的 广 泛 应 用

智能家居示意图

智能医疗示意图

智能城市示意图

智能环保示意图

智能交通示意图

智能工业示意图

智能农业示意图 物联网运营 支撑平台 农业生产 监测系统 短信网关 WEB 客户 GPRS/EDGE 有线 无线射频 传感器组 通信终端

智能物流示意图

智能社区示意图

智能会展示意图

1.3.2 物联网的前景展望 物联网发展面临的挑战 虽然物联网具有美好的前景和重大的意义，但物联网的大规模地应用面临的挑战，至少包括三个方面: 一是成本的挑战 二是安全的挑战 三是侵犯隐私的威胁

1.4 物联网的关键技术 1.4.1 自动识别技术 1.4.2 传感技术 1.4.3 网络技术 1.4.4 数据处理技术 1.5 物联网的发展趋势和组网结构

1.4.1 自动识别技术 条码 二维码 RFID NFC 语音识别等

自动识别技术 二维码技术示意图 (a) 条形码 (b) 条形码打印机 (c) 二维码 RFID系统组成部件图

传输技术是指能够汇聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术，它包括移动通信网、互联网、无线网络、卫星通信、短距离无线通信等。 1.4.2 传感技术 传输技术是指能够汇聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术，它包括移动通信网、互联网、无线网络、卫星通信、短距离无线通信等。 传感器节点 传感网

传感网: WSN 现场总线 传感网的发展 WMSN 语义传感器网络

1.4.3 网络技术 承载网络 接入网络

承载网络 互联网 电信网 电视网 三网融合 四网融合

接入网络 无线IP接入技术 短距离通信网络 移动通信网络 有线接入 以太网 HFC FTTx

1.4.4 数据处理技术 数据处理 计算模式

数据处理 搜索引擎 数据库 数据挖掘

计算模式 云计算 普适计算

1.5 物联网发展和组网结构 发展趋势 组网结构

物联网发展阶段 初创阶段 网络融合阶段 智能处理阶段

物联网的组成 传感系统 传输系统 监控管理系统

物联网的组成 物联网组网结构

传感系统 包括感知层的所有设备 由公司、单位自己建设 实现特定的目标 特征 区域 行业

传输系统 公用网络 专用网络 互联网

监控管理系统 操作平台 管理平台 侧重于人机界面 特征 智能处理 人工决策

物联网的历史演变 物联网的体系结构 物联网的核心技术 物联网的组成 总结 物联网的历史演变 物联网的体系结构 物联网的核心技术 物联网的组成 76