桂小林 西安交通大学电子与信息工程学院 计算机科学与技术系 2015.3.3 物联网技术概论 （课程1章） 桂小林 西安交通大学电子与信息工程学院 计算机科学与技术系 2015.3.3 1 桂小林 1

课程内容 课程大纲描述 第1章 物联网概论 第2章 物联网体系结构 第3章 传感器技术 第4章 标识与定位技术 第5章 现代通信技术 第6章 物联网数据处理 第8章 物联网的典型应用

课程大纲描述 本课程作为物联网工程专业的第一门课程 主要基于物联网的应用视角，介绍物联网的基本原理。包括： 具体内容包括： 介绍了物联网概念、体系结构、关键技术和典型应用。 具体内容包括： 物联网感知技术（含传感器原理、射频标识原理和空间定位原理）、 物联网传输技术（含短距离无线技术，移动通信技术和卫星通信技术）、 物联网数据处理技术（含数据存储技术和数据检索技术） 物联网安全技术（含信息安全技术、物联网分层次安全技术 物联网应用实例。 桂小林 3

一、课程目的 课程目的是使学生通过课程的学习，能够初步了解物联网的基本概念、关键技术及其应用方法，为运用这些技术和方法构建物联网应用系统打下基础；了解物联网工程专业的知识体系、课程体系、专业概貌。 先修课程：无 学时数：理论学时：32 学分：2学分 桂小林 4

二、教学大刚与知识单元 教学大纲： (1) 计算模式的演化 (2) 物联网的模型 (3) 物联网感知技术概述 (4) 物联网通信技术概述 (5) 智能数据处理概述 (6) 物联网控制技术概述 (7) 物联网安全技术概述 (8) 物联网应用模式 涵盖知识单元： AR1 计算模式的演化 AR2 物联网的模型 AR3 物联网感知 AR4 物联网通信 AR5 智能数据处理 AR6 物联网控制 AR7 物联网安全 AR8 物联网应用 ID3 RFID ID6 视频监控 ID7定位技术 CO4 无线传感网 桂小林 5

知识单元 6 桂小林 6

AR1 计算模式的演化 最少学时：2学时 知识点： 学习目标： 计算模式 网络的发展 物联网概念 了解计算模式的演化历程 了解网络技术的发展阶段和特点 了解物联网的概念及产生的背景 桂小林 7

互联网计算模式的演变 普适计算是指在普适环境下使人们能够使用任意设备、通过任意网络、在任意时间都可以获得一定质量的网络服务的技术。 计算规模 物 联 网 普适计算 网格计算 元计算 云计算 异构计算 同构计算 1988 1993 1995 1998 2000 2002 2005 桂小林 8

物联网 云计算 Ubiquitous Computing 普适计算 GRID 桂小林 9

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应用助推计算模式的演变 物联网是应用需求的产物。 由于人类对计算机性能的需求永无止境，在诸如预测模型的构造和模拟，工程设计和自动化，能源勘探，医学，军事等领域内对计算能力提出了极高的、具有挑战性的要求。 而传统的计算模式已经难以适应日益增长的应用需求，计算模式发生改变成为必然。 计算模式从基于同构系统的并行计算演变到基于异构环境的分布式计算，再从分布式计算演变到元计算、网格计算、云计算到物联网。 桂小林 11

AR2 物联网的模型 最少学时：3学时 知识点： 学习目标： 功能模型 层次模型 拓扑结构 熟悉物联网的功能模型 熟悉物联网的层次模型 理解功能模型与层次模型之间的关系 连接物联网常用网络拓扑结构 桂小林 12

感知系统：十大类传感器。 通讯系统：互联网/传感器网 计算系统：计算机软硬件 数 据 海：媒体、数据处理 控制系统：控制算法、执行机构等 桂小林 13

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AR3 物联网感知技术 最少学时：6学时 知识点： 学习目标： 标识的方法 感知的方法 了解物联网中标识和感知的作用 理解常用的定位和标识技术及方法 熟悉常见的感知技术的工作原理和信息感知的基本方法 桂小林 15

AR4 物联网通信技术 最少学时：4学时 知识点： 学习目标： 通信方式 通信网络 了解通信在物联网中的作用 熟悉物联网环境下的常用通信方式 熟悉物联网环境下常用通信网络及其特点 桂小林 16

AR5 智能数据处理技术 最少学时：4学时 知识点： 学习目标： 数据存储方法 数据处理方法 信息利用 了解物联网环境下的数据特征和数据存储需求 了解网络存储的基本体系结构和特点 了解数据中心的基本概念及典型的数据中心 了解海量数据的智能处理技术 熟悉物联网环境下海量信息利用的基本方法 桂小林 17

AR6 物联网控制技术 最少学时：3学时 知识点： 学习目标： 控制模型 控制技术 了解自动控制的基本原理 理解常见的控制模型 熟悉自动控制系统的基本控制方式 了解物联网环境下的控制需求和控制功能 桂小林 18

AR7 物联网安全技术 最少学时：4学时 知识点： 学习目标： 网络安全 信息安全 隐私保护 了解网络安全和信息安全的基本概念 理解物联网面临的主要安全和隐私隐患 熟悉物联网环境下保护位置信息的重要性 理解提高物联网安全和保护位置信息及个人隐私的基本手段 桂小林 19

AR8 物联网应用 最少学时：6学时 知识点： 学习目标： 应用模式 应用架构 了解物联网的应用模式 熟悉常见的物联网应用架构 熟悉物联网应用系统的组成 了解典型的物联网应用领域和应用系统 桂小林 20

教学方法和手段 实地 调查 课堂 讲解 观看 录像 现场 参观 桂小林 21

第一门专业课程的重要性 从一个应用开始， 展示物联网专业的知识模型 梳理出专业的主要知识 形成学生的专业知识主线 构造学生的专业认知能力 建立学生的“物联网”思维 带领学生开展参观性实验 桂小林 22

课程导引 物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。 《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》将以物联网为代表的新一代信息技术列为重点培育和发展的战略性新兴产业，《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》对培育发展以物联网代表的新一代信息技术战略性新兴产业做了全面部署 桂小林 23

物联网的愿景与动因-1/2 30 billion 1 billion 85% RFID tags （IBM） camera phones. Nearly 85% of new automobiles will contain event data recorders by 2010. Instrumented Interconnected Intelligent 桂小林 24 IBM

物联网的愿景与动因-2/2 2 billion 4 billion 1 trillion People, systems and objects can communicate and interact with each other in entirely new ways. （IBM） 2 billion 4 billion 1 trillion There will be an estimated 2 billion people on the internet by 2011. There are an estimated 4 billion mobile phone subscribers worldwide. Soon, there will be 1 trillion connected devices in the world, constituting an “internet of things.” Instrumented Interconnected Intelligent 桂小林 25 IBM

1 square kilometer 15 petabytes 1 petaflop We can now respond to changes quickly and accurately, and get better results by predicting and optimizing for future events. 1 square kilometer 15 petabytes 1 petaflop New analytics enable high-resolution weather forecasts for areas as fine as 1 to 2 square kilometers. Every day, 15 petabytes of new information are being generated. Scientists. Computing Instrumented Interconnected Intelligent 桂小林 26 26 26 IBM

From the Internet to Internet of Thing: Significantly improves real world efficiency & productivity The Internet of Things Global system of interconnected things, people & computer networks The Internet Global system of interconnected computer networks Evolution The evolution of Internet, which organically integrates physical-world into cyber-world by interconnected active things through open networks to improve real world efficiency and productivity 桂小林 27 IBM

Network Infrastructure The nervous system of an advanced network - Enabling Pervasive Connectivity, Distributed Intelligence, Real-time local response Brain Data Center Intelligent + + Interconnected Nervous System Internet-of-Thing + Instrumented + Nerve cell & Muscles Sensors & Actuators Adv Network Vision Network Infrastructure Human Body 桂小林 28 IBM

In other words, the Internet is becoming a “network of services” Everything is in the Internet Pictures and Photos Movies and TVs Music and Radios News and Books Games and Entertainments Contacts and Socials Documents and Files Databases and Systems Work and Hobbies Services and Businesses Internet is becoming a technology platform of service economy 桂小林 29 IBM

？ 桂小林 30 IBM

课程教材 桂小林 31

第一章 物联网技术概论 桂小林 2015.3.5 桂小林 32

内容提纲 1.1物联网的概念 1.2 物联网的起源与发展 1.3 物联网的应用 33 桂小林 33

第一章 物联网概论 基本要求 理解物联网的基本概念 了解物联网技术的发展历程 调研物联网的典型应用 收集网络视频，了解物联网的特性。 桂小林 34

1.1物联网的概念 近几年来，伴随着网络技术、通信技术、智能嵌入技术的迅速发展，“物联网”一词频繁的出现在世人眼前。 作为下一代网络的重要组成部分之一，物联网概念的提出，受到了学术界、工业界的广泛关注，特别是它在刺激世界经济复苏和发展方面的预期作用，引起了欧、美、日、韩等发达国家的重视，从美国IBM的“智慧地球”到我国的“感知中国”，各国纷纷制定了物联网发展规划并付诸于实施。 业界专家普遍认为，物联网技术将会带来一场新的技术革命，它是继个人计算机、互联网及移动通信网络之后的全球信息产业的第三次浪潮。 桂小林 35

物联网的概念 由于目前对于物联网的研究尚处于起步阶段，物联网的确切定义尚未统一。物联网一般的英文名称为“Internet of Things”。 顾名思义，物联网就是一个将所有物体连接起来所组成的物-物相连的互联网络。 物联网，作为新技术，定义千差万别。 一个普遍被大家接受的定义为：物联网是通过使用射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备，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。 桂小林 36

物联网的定义 桂小林 37

人与自然和谐相处需要更多地感知物理世界 全面感知、可靠传送、智能处理 物联网= 物理世界与 信息网络的无缝连接 物联网是指通过信息传感设备 按照约定的协议，把任何物品与 信息网络连接起来，进行信息交 换和通讯，以实现智能化的识别、 定位、跟踪、监控和管理的一种 网络，它是在互联网基础上的延 伸和扩展的网络。 绿色农业 工业监控 公共安全 智能交通 环境监测 物联网= 物理世界与 信息网络的无缝连接 指通过信息传感设备，按照约定的协议，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。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。（2010年 温家宝总理政府工作报告） 智能家居 全面感知、可靠传送、智能处理 物流管理 远程医疗 桂小林 38 38

物联网的特征 与传统的互联网相比，物联网具有以下三个主要特征，如图1-1所示： 桂小林 39

1．全面感知 “感知”是物联网的核心。物联网是具有全面感知能力的物品和人所组成的，为了使物品具有感知能力，需要在物品上安装不同类型的识别装置，例如：电子标签（Tag）、条形码与二维码等，或者通过传感器、红外感应器等感知其物理属性和个性化特征。利用这些装置或设备，可随时随地获取物品信息，实现全面感知。 桂小林 40

2．可靠传递 数据传递的稳定性和可靠性是保证物-物相连的关键。为了实现物与物之间信息交互，就必须约定统一的通信协议。由于物联网是一个异构网络，不同的实体间协议规范可能存在差异，需要通过相应的软、硬件进行转换，保证物品之间信息的实时、准确传递。 桂小林 41

3．智能处理 物联网的目的是实现对各种物品（包括人）进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能。这就需要智能信息处理平台的支撑，通过云计算、人工智能等智能计算技术，对海量数据进行存储、分析和处理，针对不同的应用需求，对物品实施智能化的控制。 桂小林 42

1.2 物联网的起源与发展 物联网概念的起源可以追溯到1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中对信息技术未来的发展进行了预测 1998年，麻省理工学院（MIT）提出基于RFID技术的唯一编号方案，即产品电子代码（Electronic Product Code，EPC），并以EPC为基础，研究从网络上获取物品信息的自动识别技术。 1999年，美国自动识别技术（AUTO-ID）实验室首先提出“物联网”的概念。 物联网概念的正式提出是在国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：“The Internet of Things”》报告中。 桂小林 43

2007年，美国率先在马萨诸塞州剑桥城打造全球第一个全城无线传感网。2009年1月IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”的概念 2009年6月，欧盟委员会正式提出了《欧盟物联网行动计划》 1999年，中科院就启动了传感网的研究 2009年8月7日，温家宝总理在无锡微纳传感网工程技术研发中心视察并发表重要讲话，提出了“感知中国”的理念 2010年物联网新专业设立 桂小林 44

各国均把物联网作为未来 信息化战略的重要内容 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。 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 桂小林 45 45

中国发展物联网的战略意义 感知中国，赢得未来 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 TD成功的重大契机 桂小林 46 46

物联网发展面临的问题 标准统一化问题 协议与安全问题 核心技术 商业模式与产业链问题 配套政策和规范的制定与完善 桂小林 47

1.3 物联网的应用 物联网应用层主要面向用户需求，利用所获取的感知数据，经过前期分析和智能处理，为用户提供特定的服务。 目前，物联网应用的研究已经扩展到智能交通、智能物流、智能电网、环境监测、金融安防、工业监测、智能家居、医疗健康等多个领域。 桂小林 48

环境物联网的基本系统架构分为感知层、传输层和应用层 桂小林 49

数据汇聚层：数据汇聚层是系统的基础，它的主要功能是通过不同接口的接入和不同协议的转换，实现各种探测器、传感器的有效接入。对上层而言，屏蔽了异构数据之间的差异，使上层对下层的透明管理。 感知层：感知层的主要功能是通过探测器、传感器采集关键区域的特定信息。探测器的感知能力是影响系统性能优劣的关键因素，设备主要包括：摄像机、烟感、红外、震动、温/湿度传感器、CO2传感器等各种探测感知器。 桂小林 50

基于物联网的工业流程管理示例 桂小林 51

1.4 本章小结 本章主要讲述了：物联网的基本概念、物联网的起源与国内外发展状况以及物联网的主要应用领域。 从物联网的概念出发，首先给出了物联网的定义、特征，解析了物联网中“物”的涵义，然后，对目前普遍存在的几种物联网概念的诠释进行了辨析。随后，介绍了物联网得起源和发展过程，详细描述了物联网在我国的发展现状，分析了存在的问题。最后，介绍了物联网的主要应用领域。 桂小林 52