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

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1 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 2016.3.3
高等教育出版社 物联网技术原理 （第1章：物联网技术概论） 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 1 桂小林 1

2 课程大纲描述 本课程从物联网的传感、检测、传输、处理和控制等多个角度阐述物联网的技术原理。 主要内容包括： 1）物联网的基本起源和发展历程
2）物联网的概念和特征、物联网的体系结构和关键技术 3）物联网传感器原理 4）物联网射频标识原理 5）物联网空间定位原理 6）物联网数据通信原理 7）物联网数据存储和分析技术 8）物联网信息安全技术 9）物联网应用设计技术 桂小林 2

3 课程目的是使学生通过课程的学习，能够深入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。
先修课程：无 学时数：理论学时：48 学分：4学分 桂小林 3

4 桂小林 4

5 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 5

6 课程教材 桂小林 6

7 第一章 物联网技术概论 桂小林 桂小林 7

8 课程内容 8 桂小林 8

9 第一章 物联网技术概论 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。
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10 1.1 物联网的概念与特征 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 10

11 1.1.1 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 11

12 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 12

13 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 13 13

14 1.1.2 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 14

15 物联网的定义 桂小林 15

16 全面感知、可靠传送、智能处理 人与自然和谐相处需要更多地感知物理世界 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 智能家居 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） 全面感知、可靠传送、智能处理 物流管理 远程医疗 桂小林 16 16

17 1.1.3 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 17

18 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 18

19 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 19

20 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 20

21 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 21 21

22 1.2 物联网的体系结构 认识任何事物都要有一个从整体到局部的过程，尤其对于结构复杂、功能多样的系统更是如此。物联网也不例外。首先，需要了解物联网的整体结构，然后进一步讨论其中的细节。物联网是一个开放型体系架构，由于处于发展阶段，不同的组织和研究群体，对物联网提出了不同的体系结构。但不管是三层体系结构、四层体系结构还是五层体系结构，其关键技术是相通和类同的。 桂小林 22

23 1.2.1 物联网体系结构的基本组成 由物联网特点可知，物联网具有很强的异构性，为实现异构设备之间的互联、互通与互操作，物联网需要以一个开放的、分层的、可扩展的网络体系结构为框架。 目前，国内外的研究人员在描述物联网的体系结构时，差异很大。如： ITU-T在Y. 2002的自下而上分为底层泛在感知网络、异构网络接入层、骨干传输网、网络中间件、泛在网络应用平台5层结构。 通用四层物联网体系结构，包含感知控制层、数据传输层、数据管理与组织层、应用决策层。 桂小林 23

24 5层结构 桂小林 24

25 1.2.2 物联网的通用四层结构 桂小林 25

26 通用四层结构 感知控制层：它是物联网发展和应用的基础，包括RFID读写器、智能传感节点和接入网关等组成。各种传感节点通过感知目标环境的相关信息，并自行组网传递到网关接入点，网关将收集到的数据通过互联网络提交到后台处理。 数据传输层：主要负责通过各种接入设备实现互联网、移动通信网等不同类型的网络融合。此外，还提供路由、格式转换、地址转换等功能。 数据的动态组织与管理层：实现感知数据的语义理解、推理、决策以及提供数据的查询、存储、分析、挖掘等。云计算为感知数据的存储、分析提供了很好的平台，是信息处理的重要组成部分，也是应用层各种应用的基础。 应用决策层：物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供多种不同类型的服务。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控），控制型（智能交通、智能家居），扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。 桂小林 26

27 感知控制层 感知是指对客观事物的信息直接获取并进行认知和理解的过程。
人们对于信息获取的需求促使其不断研发新的技术来获取感知信息，如传感器、RFID、定位技术等。 桂小林 27

28 数据传输层 学生调研 物联网的数据传输层主要进行信息的传送，它是物理感知世界的延伸，更好地实现物与物之间的通信、物与人之间的通信以及人与人之间的通信。 物联网数的据传输层主要包括接入网和核心网两层结构 桂小林 28

29 数据管理层 数据管理层则是利用云计算平台实现海量感知数据的动态组织与管理，云计算技术的运用，使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。
随着物联网应用的发展、终端数量的增长，通过借助云计算处理海量信息，进行辅助决策，提升物联网信息处理能力。 (1) 智能计算 (2) 海量数据存储、检索 。。。 桂小林 29

30 应用决策层 物联网技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、互联网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术,具有十分广阔的应用前景，在智能家居、工农业控制、城市管理、远程医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等众多领域有着广泛的应用价值。 桂小林 30

31 智能处理层：智能处理层是整个系统的核心，它的主要功能是数据存储和多源数据的协同分析。通过在服务器上部署智能分析处理程序，针对单一探测器所采集的数据，调用相应的功能模块进行分析，对同一区域的其它探测器所采集的信息进行综合分析，实现异常事件的智能判断。 应用决策层：应用决策层的主要是系统的应用展示和管理。用户可以通过智能手机、平板电脑等远程监控终端监控和管理系统，及时对监测到的各种事件进行决策处理。 桂小林 31

32 1.2.3 物联网的通用三层体系结构 桂小林 32

33 1）感知控制层 作为物联网的核心层，该层主要用于物品标识和信息的智能采集，它由基本的感应器件（例如RFID标签和读写器、各类传感器、摄像头、GPS、二维码标签和识读器等基本标识和传感器件组成），以及感应器组成的网络（例如RFID网络、传感器网络等）两大部分组成。该层的核心技术包括电子射频技术、新兴传感器技术、无线网络组网技术、现场总线控制技术（FCS）等，涉及的核心产品包括传感器、电子标签、传感器节点、无线路由器、无线网关等。 桂小林 33

34 2）数据传输层 数据传输层主要完成接入和传输功能，是进行信息交换、传递的数据通路，包括接入网与传输网两种。传输网由公网和专网组成，典型传输网络包括电信网（固网、移动网）、广电网、互联网、电力通信网、专用网（数字集群）。接入网包括光纤接入、无线接入、以太网接入、卫星接入等各类接入方式，实现底层的传感器网络、RFID网络的最后一公里的接入。 桂小林 34

35 3）数据处理层 据处理层由业务支撑平台（中间件平台）、网络管理平台（例如M2M管理平台）、信息处理平台、信息安全平台、服务支撑平台等组成，完成协同、管理、计算、存储、分析、挖掘、以及提供面向行业和大众用户的服务等功能，典型技术包括中间件技术、虚拟技术、高可信技术，云计算服务模式、SOA系统架构方法、大数据处理等先进技术和服务模式也可以被广泛采用。 桂小林 35

36 1.3 物联网关键技术 物联网是继互联网后又一次 技术的革新，代表着未来计算 机与通信的发展方向。这次革 新也取决于一些重要领域的动
态技术创新，从RFID、EPC、传感技术到认知网络、云计算等。 物联网发展的关键技术如图2-12所示，其中负责物体标识的RFID技术、感知物体动态信息的传感器技术、实现信息传递的通信技术和网络融合技术、信息处理的智能技术我们称之为物联网的四大关键技术。 桂小林 36

37 1.3.1 感知标识技术 感知和标识是物联网实现“物物相联，人物互动”的基础，各种类型的传感器在弥合物理和虚拟世界差距方面发挥了关键作用，数据的产生、获取、传输、处理、应用是物联网的重要组成部分，其中数据的获取是物联网智能信息化的重要环节之一，没有它，物联网也就成了无水之源、无本之木。 桂小林 37

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39 1.3.2 网络与通信技术 物联网本质上是泛在网络，需要融合现有的各种通信网络，并引入新的通信网络。
要实现泛在的物联网，异构网络的融合是一个重要的技术问题。 三网融合技术： “三网融合”又叫“三网合一”（即FDDX），意指电信网、有线电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。 桂小林 39

40 1.3.3 云计算技术 物联网聚集海量数据 海量数据需要有效组织、管理、存储 高效数据处理时物联网的核心 需要运用的云计算技术处理海量数据
虚拟化 Map-reduce 。。。。 桂小林 40

41 1.3.4 安全技术 由于物联网终端感知网络的私有特性，因此安全也是一个必须面对的问题。物联网中的传感节点通常需要部署在无人值守、不可控制的环境中，除了受到一般无线网络所面临的 信息泄露、信息篡改、重放攻击、拒绝服务等多种威胁外，还面临传感节点容易被攻击者获取，通过物理手段获取存储在节点中的所有信息，从而侵入网络、控制网络的威胁。 涉及到安全的主要有程序内容、运行使用、信息传输等方面。 位置是物联网的核心服务。位置隐私成为物联网推广应用的核心技术。 桂小林 41

42 因此，物联网需要云计算支撑，必须解决人们关注的隐私安全问题。
应用 用户 数据 因此，物联网需要云计算支撑，必须解决人们关注的隐私安全问题。 桂小林 42

43 1.4 物联网应用技术 目前，具有代表性的物联网架构主要可以分为四类： 下面我们就分别介绍这些相关应用框架。
1.4 物联网应用技术 目前，具有代表性的物联网架构主要可以分为四类： 1) 基于传感器技术的无线传感网体系结构； 2) 基于互联网和射频识别技术的EPC、UID系统； 3) 学术界和企业提出的M2M、 4) CPS系统框架。 下面我们就分别介绍这些相关应用框架。 桂小林 43

44 1.4.1 无线传感器网络（WSN） 桂小林 44

45 1.4.2 EPC/UID系统 桂小林 45

46 EPC/UID系统 EPC (Electronic Product Code ) 电子产品编码的概念最早由美国麻省理工大学(MIT)的Sarma和Brock教授在1999年提出的，其核心思想是为每一个产品提供唯一的电子标识符，通过射频识别技术实现数据的自动标识和采集。 2003年，国际物品编码协会(EAN)和美国统一代码协会(UCC)联合成立了EPC—global，以推动EPC技术在商业上的应用。 桂小林 46

47 EPC编码体系有EPC-64，EPC-96和EPC-256 三种。使用较多的是EPC-64编码体系，而新一代的EPC标签将采用EPC-96编码体系，
其具体结构如表2-19所示。 体系 标头 厂商识别代码 对象分类代码 序列号 EPC-96 8 28 24 36 桂小林 47

48 桂小林 48

49 1.4.3 物理信息融合系统（CPS） 桂小林 49

50 1.4.4 M2M系统 M2M的定义可以分为广义和狭义两种。
广义上包括Machine-to-Machine、Man-to-Machine以及Machine-to-Man。它是指是人与各种远程设备之间的无线数据通信。 狭义上的M2M是Machine-to-Machine的简称，指一方或双方是机器且机器通过程序控制，能自动完成整个通信过程的通信形式 桂小林 50

51 M2M系统从右至左可以划分为M2M设备域、M2M网络域、M2M应用域。
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52 1.5 物联网的反馈与控制 “某日小张正在公司上班，突然手机收到震动了铃声提示……原来是家中无人时门被打开，门磁侦测到有人闯入，则将闯入报警通过无线网关发送给主人小张的手机，手机收到信息发出震动铃声提示，小张确认后发出控制指令，电磁门锁自动落锁并触发无线声光报警器发出报警。” 这一场景成果实现了物联网的感、联、智、控四种属性。这四种属性形成了一个完整的反馈控制系统。 桂小林 52

53 1.6 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 53