物联网技术导论 主讲：刘方明 副教授 特聘研究员 华中科技大学计算机学院

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1 物联网技术导论 主讲：刘方明 副教授 特聘研究员 华中科技大学计算机学院 2012.04
主讲：刘方明 副教授 特聘研究员 华中科技大学计算机学院 Web: 自我介绍+欢迎同学们多沟通：不管是课程内容，还是同学们的想法、对现在和未来的规划打算等，真正做到教学相长 Based on the course slides of 《物联网导论》，刘云浩编著，科学出版社

2 Aloha from 刘方明 (http://grid.hust.edu.cn/fmliu)
BEngr degree from Dept. Computer Science & Technology, Tsinghua University PhD degree from Dept. Computer Science & Engineering, Hong Kong University of Science & Technology Visiting scholar at Dept. Electrical & Computer Engineering, University of Toronto, Canada 湖北省“楚天学者计划” 通过这门课程，与同学们互相了解沟通，培养研究兴趣，期待未来你们读研究生时加入我的研究小组

3 请学习委员或班长把（名单+班主任、班委联系方式）留给助教和老师，便于及时沟通
研究生助教 作业 讨论沟通 舒鹏 王新猴 答疑 考试 作业批改，答疑 请学习委员或班长把（名单+班主任、班委联系方式）留给助教和老师，便于及时沟通

4 Course Info: 物联网技术导论 物联网专业的核心课程（必修）
物联网的基本概念、体系结构、关键技术、应用领域 全面了解物联网的基本理论知识，初步掌握物联网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 教材：《物联网导论》（Introduction to Internet of Things），刘云浩编著，科学出版社，2010 课堂：8-12周，14-19周，每周四9-11节，西十二S306 考核方式：作业+考试 大学，大家学习更自主，我们尽量在一个较为宽松的氛围下学点知识，视野有所开阔。考试和实验没有必要刻意为难大家。 我们课程的时间实在是hardworking了一点，每周四晚同学们都必须跟这门课程和我有个“约会”，可能影响到大家的晚餐时间和习惯，这对于我和大家都是一个考验。建议大家能提前吃晚饭，也可以带一点在课间吃，但尽量不要吃饱后在课上瞌睡 VS

5 课件： http://grid.hust.edu.cn/fmliu
参考书： 课件： Why need networking book and knowledge for reference? From the name of “IoT”，one can see that “Internet” is the foundation of IoT. Without networks, …

6 课程内容安排 物联网工程绪论 发展物联网等战略性新兴产业的重大决策 物联网发展的社会背景和技术背景 物联网的基本概念 物联网体系结构
物联网核心技术 物联网国内外发展状况 物联网感知技术 （标识、状态、位置） 自动识别技术分类与发展 射频识别（RFID）技术，RFID与物联网 传感器技术与系统 定位技术及系统 物联网传输技术 无线通信技术基础 无线通信网络分类、特点、协议及应用 第三代移动通信技术 物联网支撑技术 物联网的数据特征与计算需求 数据存储与处理技术 云计算与物联网 物联网的信息安全与隐私保护 物联网应用技术 现代物流、生产制造、医疗健康、环境保护、智能交通、安全防伪、智慧城市、智能电网、智能家居、M2M应用领域应用 基本概念与目标 信息获取 信息传递 信息处理 信息应用 课程内容安排 这一部分概念性的东西较多，让大家有一个概要性的了解。可能现在感觉不能直接应用，但可以在大家的脑子里留下一些技术的印象，在今后大家的进一步学习和工作中，一旦需要用到相关技术，就可以很快知道到哪里找到解决方案。 同时，本门课程的主要目标是培养大家对于物联网专业的浓厚兴趣——最好的导师！ KB, MB, GB, TB=？10^12 (2^40), PB=？(10^15) (2^50), EB=?10^18, ZB, YB

7 Chapter 1:物联网概述 1.1 起源与发展 1.2 核心技术 1.3 主要特点 1.4 应用前景 什么是物联网？
物联网的概念是如何产生的？

8 1.1 历史进程 2009 “感知中国” 物联网的基本思想出现于20世纪90年代 2008 IBM “智慧地球”
1995 Bill Gates 《未来之路》 物物互联 2005 国际电信联盟 《ITU互联网报告2005：物联网》，指出无所不在的“物联网”通信时代即将来临 2008 IBM “智慧地球” 2009 “感知中国”

9 1.1 历史进程：主线复杂，来源不单一 RFID 普适计算（Pervasive Computing） 嵌入式系统
1999年，美国麻省理工学院（MIT） Auto-ID中心，提出EPC系统及物联网概念 普适计算（Pervasive Computing） 感知与互联 嵌入式系统 20世纪90年代末，传感网起步 2006年，NSF workshop on CPS (Cyber-Physical Systems)信息-物理融合系统

10 更透彻的感知 更全面的互联互通 更深入的智能化 什么是物联网？ 概念的提出 In computing, the Internet of Things refers to a network of objects, such as household appliances. It is often a self-configuring wireless network. The concept of the internet of things is attributed to the original Auto-ID Center, founded in 1999 and based at the time in MIT. 物联网实际是中国人的发明，整合了美国CPS(Cyber-Physical Systems)、欧盟IoT（Internet of Things)和日本U-Japan等概念。是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化是其三个重要特征。

11 物联网的其他定义

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13 本章内容 1.1 起源与发展 1.2 核心技术 1.3 主要特点 1.4 应用前景
根据信息生成、传输、处理和应用将物联网分为感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。

14 1.2 核心技术：感知识别层 核心技术 综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层

15 1.2 核心技术：感知识别层 核心技术 信息生成方式多样化是物联网的重要特征之一。 综合应用层 管理服务层 网络构建层
通过感知识别技术，让物品“开口说话、发布信息”是融合物理世界和信息世界的重要一环，是物联网区别于其他网络的最独特的部分。 物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备，既包括采用自动生成方式的RFID、传感器、定位系统等，也包括采用人工生成方式的各种智能设备，例如智能手机、PDA、多媒体播放器、上网本、笔记本电脑等等。 信息生成方式多样化是物联网的重要特征之一。 感知识别层位于物联网四层模型的最底端，是所有上层结构的基础。

16 IoT consists of which layers?
Review Q&A IoT consists of which layers? What’s the relationship and difference between IoT and Internet?

17 技术举例：RFID 是谁？ 核心技术 基本组成：工业界经常将RFID系统分为标签，阅读器和天线三大组件。 详见第2章
综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层 详见第2章 基本组成：工业界经常将RFID系统分为标签，阅读器和天线三大组件。 工作原理：阅读器通过天线发送电子信号，标签接收到信号后发射内部存储的标识信息，阅读器再通过天线接收并识别标签发回的信息，最后阅读器再将识别结果发送给主机。 交叉学科、多领域竞争与合作  机遇与挑战并存！ 例如，计算机、通信、制造业、工业、电子电气等等 就业竞争不只是计算机系的毕业生的天下  Are You Ready?

18 技术举例：传感器网络处于什么状态？ 核心技术
综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层 详见第3章 发展历程：传感器→无线传感器→无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络） 应用举例： VigilNet: 美国弗吉尼亚大学研制的用于军事监测的系统。传感节点具有自主成网，多跳传输等特点。 Mercury:美国哈佛大学研制的可穿戴的医疗监控传感器。传感器具有设计人性化，高精度感知，连续长期采集数据等特点。 GreenOrbs（绿野千传）：森林监测传感网系统，适用于长期、大规模、自动化的环境监测任务

19 技术举例：定位系统处在什么位置？ 核心技术 位置信息拓展：所在地理位置+处在该地理位置的时间+处在该地理位置的对象（人或设备） 详见第4章
综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层 详见第4章 位置信息拓展：所在地理位置+处在该地理位置的时间+处在该地理位置的对象（人或设备） 定位系统与技术：GPS，蜂窝基站定位，无线室内环境定位（红外线/.超声波/蓝牙），新兴定位系统（A-GPS/无线AP/网络定位）；距离/距离差/无线信号特征 物联网环境下对定位技术的挑战： 异构网络、多变环境下的精准定位 大规模应用 基于位置的服务（Location based Services） 位置信息带来的信息安全和隐私保护问题

20 技术举例：智能信息设备 核心技术 传统智能设备：个人计算机（PC）/个人数字助理（PDA）/ … 详见第5章
综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层 详见第5章 传统智能设备：个人计算机（PC）/个人数字助理（PDA）/ … 物联网时代新智能设备：数字标牌（实时信息互动）/智能电视（具有全功能的互联网，个性化体验）/智能手机/ … 物联网环境下智能设备发展新趋势： 更深入的智能化：纵向（包括传统的智能设备）+纵向（融入没有计算能力的简单物理对象） 更透彻的感知：主动感知 (部署传感器) + 被动感知 (发出查询请求) 更全面的互联互通：互联互通 + 信息共享

21 1.2 核心技术：网络构建层 核心技术 综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层 详见第6-9章

22 1.2 核心技术：网络构建层 核心技术 详见第6-9章 综合应用层 管理服务层 网络构建层 网络是物联网最重要的基础设施之一。 感知识别层
物联网的网络和现有网络有何异同？物联网是下一代互联网吗？无线网络在物联网中究竟扮演了什么角色？ 网络构建层在物联网四层模型中连接感知识别层和管理服务层，具有强大的纽带作用，高效、稳定、及时、安全地传输上下层的数据。

23 各种网络形式如何应用于物联网？ 互联网：IPv6扫清了可接入网络的终端设备在数量上的限制。互联网/电信网是物联网的核心网络、平台和技术支持。
无线宽带网：WiFi/WiMAX等无线宽带技术覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置限制的互联手段。 无线低速网：ZigBee/蓝牙/红外等低速网络协议能够适应物联网中能力较低的节点的低速率、低通信半径、低计算能力和低能量来源等特征。 移动通信网：移动通信网络将成为“全面、随时、随地”传输信息的有效平台。高速、实时、高覆盖率、多元化处理多媒体数据，为“物品触网”创造条件。 Ipv4 (32) and ipv6 (128)

24 Ipv4 address format vs ipv6 address format

25 IPv4 Address Allocation by Country

26 IPv6 Adoption by Area

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28 1.2 核心技术：管理服务层 核心技术 综合应用层 管理服务层 网络构建层
感知识别层 管理服务层位于感知识别和网络构建层之上，综合应用层之下，是物联网智慧的源泉。人们通常把物联网应用冠以“智能”的名称，如智能电网、智能交通、智能物流等，其中的智慧就来自这一层。 当感知识别层生成的大量信息经过网络层传输汇聚到管理服务层，如果不能有效地整合与利用，那无异于入宝山而空返，望“数据的海洋”而兴叹。 管理服务层解决数据如何存储（数据库与海量存储技术）、如何检索（搜索引擎）、如何使用（数据挖掘与机器学习）、如何不被滥用（数据安全与隐私保护）等问题。

29 数据库与物联网 核心技术 物联网数据特点： 详见第10章
综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层 详见第10章 物联网数据特点： 海量性，多态性，关联性及语义性 关系数据库系统作为一项有着近半个世纪历史的数据处理技术，仍可在物联网中大展拳脚，为物联网的运行提供支撑。与此同时，结合物联网应用提出的新需求，数据库技术也在进行不断的更新，发展出新的方向。 新兴数据库系统（NoSQL数据库）针对非关系型、分布式的数据存储，并不要求数据库具有确定的表模式，通过避免连接操作提升数据库性能。 郑老师例子：一家三口十一赴海南七日游

30 海量信息存储与物联网 核心技术 综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层 详见第11章 网络存储体系结构： 直接附加存储（DAS） 网络附加存储（NAS） 存储区域网络（SAN） 困难：只能满足中等规模商业需求 数据中心不仅包括计算机系统和配套设备（如通信/存储设备），还包括冗余的数据通信连接/环境控制设备/监控设备及安全装置，是一大型的系统工程。通过高度的安全性和可靠性提供及时持续的数据服务，为物联网应用提供良好的支持。 典型的数据中心：Google/Hadoop

31 搜索引擎与物联网 核心技术 综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层 详见第12章 Web搜索引擎：一个能够在合理响应时间内，根据用户的查询关键词，返回一个包含相关信息的结果列表（hits list）服务的综合体。 传统的Web搜索引擎是基于查询关键词的，对于相同的关键词，会得到相同的查询结果。 物联网时代搜索引擎的新思考 从智能物体角度思考搜索引擎与物体之间的关系，主动识别物体并提取有用信息。 从用户角度上的多模态信息利用，使查询结果更精确，更智能，更定制化。

32 物联网的智慧决策 数据挖掘技术从大量数据中获取潜在有用的且可被人理解的模式，基本类型有关联分析，聚类分析，演化分析等。 核心技术 需求分析：
综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层 详见第13章 需求分析： 更透彻的感知要求对海量数据多维度整合与分析 更深入的智能化需要普适性的数据搜索和服务 数据挖掘技术从大量数据中获取潜在有用的且可被人理解的模式，基本类型有关联分析，聚类分析，演化分析等。 应用举例： 精准农业：实时监测环境数据，挖掘影响产量的重要因素，获得产量最大化配置方式 市场营销：通过数据库行销和货篮分析等方式获取顾客购物取向和兴趣

33 信息安全与隐私保护 核心技术 综合应用层 管理服务层 网络构建层 感知识别层 详见第14章 RFID安全 主要安全和隐私隐患：窃听、跟踪、中间人攻击、欺骗/重放/克隆、物理破解、篡改信息、拒绝服务攻击、RFID病毒… 保护手段：物理安全机制/密码学安全机制/PUF… 位置隐私 定义：用户对自己位置信息的掌控能力：用户能自由决定是否发布位置信息，将信息发布给谁，通过何种方式来发布，以及发布的信息有多详细。 保护手段：制度制约、隐私方针、身份匿名、数据混淆

34 1.2 核心技术：综合应用层 核心技术 详见第15-19章 综合应用层 管理服务层 网络构建层
感知识别层 详见第15-19章 “实践出真知”，无论任何技术，应用是决定成败的关键。物联网丰富的内涵催生出更加丰富的外延应用。 传统互联网经历了以数据为中心到以人为中心的转化，典型应用包括文件传输、电子邮件、万维网、电子商务、视频点播、在线游戏和社交网络等；而物联网应用以“物”或者物理世界为中心，涵盖物品追踪、环境感知、智能物流、智能交通、智能电网等等。物联网应用目前正处于快速增长期，具有多样化、规模化、行业化等特点。

35 本章内容 1.1 起源与发展 1.2 核心技术 1.3 主要特点 1.4 应用前景
物联网相对于已有的各种通信和服务网络在技术和应用层面具有哪些特点呢？

36 1.3 物联网的主要特点 感知识别普适化 异构设备互联化 联网终端规模化 无所不在的感知和识别将传统上分离的物理世界和信息世界高度融合。
各种异构设备利用无线通信模块和协议自组成网，异构网络通过“网关”互通互联。 联网终端规模化 物联网时代每一件物品均具通信功能成为网络终端，5-10年内联网终端规模有望突破百亿。

37 1.3 物联网的主要特点（续） 管理调控智能化 应用服务链条化 经济发展跨越化
物联网高效可靠组织大规模数据，与此同时，运筹学，机器学习，数据挖掘，专家系统等决策手段将广泛应用于各行各业。 应用服务链条化 以工业生产为例，物联网技术覆盖从原材料引进，生产调度，节能减排，仓储物流到产品销售，售后服务等各个环节。 经济发展跨越化 物联网技术有望成为从劳动密集型向知识密集型，从资源浪费型向环境友好型国民经济发展过程中的重要动力。

38 本章内容 1.1 起源与发展 1.2 核心技术 1.3 主要特点 1.4 应用前景 物联网丰富的内涵催生出更加丰富的外延应用。

39 1.4 物联网的应用前景 智能物流：现代物流系统希望利用信息生成设备，如RFID设备、感应器或全球定位系统等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，并能够在这个物联化的物流网络中实现智能化的物流管理。 智能交通：通过在基础设施和交通工具当中广泛应用信息、通讯技术来提高交通运输系统的安全性、可管理性、运输效能同时降低能源消耗和对地球环境的负面影响。

40 1.4 物联网的应用前景（续） 绿色建筑：物联网技术为绿色建筑带来了新的力量。通过建立以节能为目标的建筑设备监控网络，将各种设备和系统融合在一起，形成以智能处理为中心的物联网应用系统，有效的为建筑节能减排提供有力的支撑。 智能电网：以先进的通信技术、传感器技术、信息技术为基础，以电网设备间的信息交互为手段，以实现电网运行的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全为目的的先进的现代化电力系统。

41 1.4 物联网的应用前景（续） 环境监测：通过对人类和环境有影响的各种物质的含量、排放量、以及各种环境状态参数的检测，跟踪环境质量的变化，确定环境质量水平，为环境管理、污染治理、防灾减灾等工作提供基础信息、方法指引和质量保证。

42 IBM“15年周期定律”: 计算模式每隔15年变革
- 2010：基于RFID低功耗单个物体互联，在物流、零售、制药领域局部应用 2010 – 2015：无线传感器网络+RFID实现广泛物物互联，行业标准、部分网络融合 2015 – 2010：具有可执行指令的标签广泛应用，物体半智能化 ：物体具有完全智能响应行为，异构系统协同交互，产业整合，人、物、服务网络深度融合的全智能化 EPoSS预期IoT四大发展阶段 IBM“15年周期定律”: 计算模式每隔15年变革 标准与产业化 安全与隐私 资源控制与成本 IoT一蹴而就：1965前后大型机==》 1980前后PC==》1995前后互联网 Challenges:

43 本章小结 内容回顾 重点掌握 本章讨论了物联网的起源与发展，核心技术，主要特点以及应用前景。
物联网的基本概念，了解互联网/电信网是物联网的核心网络和信息载体。 物联网的四层体系结构模型：感知识别层，网络构建层，管理服务层，综合应用层。

44 Thank you! Let’s see the future