物聯(lián)網(wǎng)-初步認(rèn)識與關(guān)鍵技術(shù)

感知 物聯(lián)網(wǎng) 智慧生活的典型縮影 緒論 每一次大危機(jī) 都會催生一些新技術(shù) 而新技術(shù)也是使經(jīng)濟(jì) 特別是工業(yè)走出危機(jī)的巨大推動力 工業(yè)和信息化部總工程師朱宏任8月26日在中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行2009年夏季報告會上如是表示 物聯(lián)網(wǎng)正是這樣一種新技術(shù) 掀起了繼計算機(jī) 互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)新浪潮 受到國家關(guān)注 主要內(nèi)容 4物聯(lián)網(wǎng)存在的主要問題 3物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景及應(yīng)用 2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析 1物聯(lián)網(wǎng)概念 1物聯(lián)網(wǎng)概述 如果說互聯(lián)網(wǎng)縮短了人與人之間的距離 那么即將到來的物聯(lián)網(wǎng)的時代更將逐漸消除人與物之間的隔閡 人與物 物與物的對話將得以實(shí)現(xiàn) 1 1物聯(lián)網(wǎng)的提出 1995年比爾蓋茨在其 未來之路 一書中已提及物聯(lián)網(wǎng)概念 EPC物聯(lián)網(wǎng) 1999年由美國麻省理工學(xué)院 MIT Auto ID中心提出了EPC ElectronicProductCode 電子產(chǎn)品碼 的概念 人們將按照特定的數(shù)據(jù)格式 將每一件物品賦予一個惟一的編號 這個編號就是EPC 而電子標(biāo)簽是這一編號的載體 基于互聯(lián)網(wǎng)和射頻技術(shù)的EPC系統(tǒng) 即實(shí)物物聯(lián)網(wǎng) 簡稱物聯(lián)網(wǎng) 是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上 利用RFID 射頻識別 無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù) 構(gòu)造一個能實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時共享的 Internetofthings 起源說 1990年 美國在對伊拉克發(fā)動的 沙漠風(fēng)暴 戰(zhàn)爭中 暴露出許多后勤支持方面的問題 成堆成堆的軍用物資擁擠在各個貨?；騻}庫之中 或者沒有標(biāo)記 不知集裝箱或貨柜中所裝之為何物 或者沒有人認(rèn)領(lǐng) 不知這些貨物是發(fā)給誰的 或者是誰要的 要搞清楚集裝箱內(nèi)所裝何物 有時甚至要打開包裝箱才知道 因此 有些軍需物資重復(fù)投遞 造成人力物力的巨大浪費(fèi) 令美軍后勤部門的官員們頭痛不已 為此 美國國防部和國防后勤局提出了一個新的后勤管理方法 目的是 一切資產(chǎn)能見化 1 2物聯(lián)網(wǎng)的概念 物聯(lián)網(wǎng)概念 是在 互聯(lián)網(wǎng)概念 的基礎(chǔ)上 將其用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間 進(jìn)行信息交換和通信的一種新型網(wǎng)絡(luò) 物聯(lián)網(wǎng)到現(xiàn)在為止還沒有約定俗成的公認(rèn)的概念 但目前用的最廣的一個定義是 通過射頻識別 RFID 紅外感應(yīng)器 全球定位系統(tǒng) 激光掃描器等信息傳感設(shè)備 按約定的協(xié)議 把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接 進(jìn)行信息交換和通信 以實(shí)現(xiàn)智能化識別 定位 跟蹤 監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 中國科學(xué)院軟件所研究員 中國計算機(jī)學(xué)會傳感器網(wǎng)絡(luò)專業(yè)委員副主任孫利民教授也給出了自己的理解 全面信息感知和獲取 無縫互聯(lián)與協(xié)同 高度智能化的新型網(wǎng)絡(luò)形態(tài) 早期的物聯(lián)網(wǎng) EPC物聯(lián)網(wǎng) 射頻識別 RFID等 Internet目前的物聯(lián)網(wǎng) 傳感網(wǎng) 通信網(wǎng) 應(yīng)用系統(tǒng)未來 理想 的物聯(lián)網(wǎng) 帶IP的任何物 Internet 1 3物聯(lián)網(wǎng)的特征 全面感知利用RFID傳感器 二維碼等技術(shù) 能夠隨時隨地采集物體的動態(tài)信息 可靠傳遞通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將感知的各種信息進(jìn)行實(shí)時傳送 智能處理利用計算機(jī)技術(shù) 及時地對海量級數(shù)據(jù)進(jìn)行信息的有效控制 真正達(dá)到了人與物 物與物之間的溝通 2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的核心 多學(xué)科的支撐 物聯(lián)網(wǎng) 感知層 獲取狀態(tài)信號 模擬信號或數(shù)字信號 涉及到傳感器芯片及技術(shù) 射頻識別 RFID 技術(shù) 二維碼 條形碼 MEMS Micro Electro MechanicalSystems 微機(jī)電系統(tǒng) 等 網(wǎng)絡(luò)層 連接感知信號與應(yīng)用系統(tǒng)橋梁 涉及到通信技術(shù) 有線通信和無線通信 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等 應(yīng)用層 普遍與感知終端密切聯(lián)系 主導(dǎo)應(yīng)用層的解決方案 往往是由感應(yīng)終端廠商提供的 涉及到中間件系統(tǒng) 人工智能 數(shù)據(jù)處理與分析 智能算法等 物聯(lián)網(wǎng)平臺層 IT能力 CT能力 數(shù)據(jù)中心 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層 固定網(wǎng) 移動網(wǎng) 互聯(lián)網(wǎng) 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系架構(gòu) 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù) 傳感器技術(shù)通信方式綜述RFID技術(shù)EPC物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)M2M簡述其他技術(shù) 2 1傳感器簡介 傳感器定義能感受規(guī)定的被測量信息 并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置 通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 傳感器組成 敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路 中間量 電量 被測量 電信號 2 2主要通信方式 有線通信總線技術(shù)通信 如RS485總線 USB總線 現(xiàn)場總線 CAN總線等 RJ45 網(wǎng)口 接口通信 如雙絞線 同軸電纜通信光纖通信有線電話網(wǎng)通信有線電視網(wǎng)通信等 無線通信短距離無線通信 如NFC NearFieldCommunication RFID WAPI 無線局域網(wǎng)鑒別和保密基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) WiFi WiGig 802 15系列 藍(lán)牙 HomeRF IRDA UWB ZigBee DSRC DedicatedShortRangeCommunication 專用短程通信 IEEE1451 網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn) IEEE802 11 IEEE802 15 IEEE802 16 IEEE802 20等 移動通信 如GSM GPRS USSD 非結(jié)構(gòu)化補(bǔ)充數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 如 125 100 CDMA EDGE 3G TD SCDMA CDMA2000 WCDMA 4G TD LTE 等 衛(wèi)星通信其他通信方式 如WiMax 802 16 全球微波互聯(lián)接入 等 2 3RFID技術(shù) RFID定義RFID RadioFrequencyIdentification 即射頻識別技術(shù) 又稱電子標(biāo)簽 通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象 并對其信息進(jìn)行標(biāo)志 登記 儲存和管理 RFID系統(tǒng)組成電子標(biāo)簽 由芯片和標(biāo)簽天線或線圈組成 通過電感耦合或電磁反射原理與讀寫器進(jìn)行通信 讀寫器 讀取 在讀寫卡中還可寫入 標(biāo)簽信息的設(shè)備 天線 可以內(nèi)置在讀寫器中 也可以通過同軸電纜與讀寫器天線接口相連 RFID標(biāo)簽工作原理電感耦合電磁反向散射耦合 RFID系統(tǒng)工作原理讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號 當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流 它獲得能量被激活 并將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去 系統(tǒng)接收天線接收到從電子標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號 經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器 讀寫器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理 主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性 并針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制 發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作 RFID電子標(biāo)簽容量一維條形碼的容量常為十幾字節(jié) 最大可達(dá)50B 二維條形碼最大容量達(dá)3000B RFID電子標(biāo)簽使用集成電路存儲器 最大可達(dá)數(shù)兆字節(jié) 一般為256B 2KB RFID系統(tǒng)防碰撞方法信道競爭問題 傳統(tǒng)的解決方法 空分多址 SDMA 頻分多址 FDMA 碼分多址 CDMA 和時分多址 TDMA 在RFID無源標(biāo)簽系統(tǒng)中 目前廣泛使用的防碰撞算法大都是基于TDMA 比較經(jīng)典的兩類基本方法是 基于Aloha算法 純Aloha和時隙Aloha 和基于樹形防碰撞算法 二進(jìn)制搜索 BS 算法和詢問樹 QT 算法 RFID的典型應(yīng)用有 第二代身份證 非接觸式IC卡等 2 4EPC物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) EPC物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心思想 為每一個商品提供惟一的號碼 EPC 電子產(chǎn)品碼 EPC除采用一組編號來代表制造商及產(chǎn)品 還用另外一組數(shù)字來惟一標(biāo)識單品 EPC是惟一存儲在RFID標(biāo)簽微型芯片中的信息 這樣可使得RFID標(biāo)簽?zāi)軌蚓S持低廉的成本并保持靈活性 從而使數(shù)據(jù)庫中無數(shù)的動態(tài)數(shù)據(jù)能夠與EPC標(biāo)簽相連接 EPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu) EPC系統(tǒng)是一個非常先進(jìn)的 綜合性的復(fù)雜系統(tǒng) 其最終目標(biāo)是為每一單品建立全球的 開放的標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn) 它由全球產(chǎn)品電子代碼 EPC 的編碼體系 射頻識別系統(tǒng)及信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三個部分組成 主要包括六個方面 如下所示 EPC 產(chǎn)品電子代碼 編碼類型目前 EPC代碼有64位 96位和256位三種 為了保證所有物品都有一個EPC代碼并使其載體 標(biāo)簽成本盡可能降低 建議采用96位 這樣其數(shù)目可以為2 68億個公司提供惟一標(biāo)識 每個生產(chǎn)廠商可以有1600萬個對象種類并且每個對象種類可以有680億個序列號 這對未來世界所有產(chǎn)品已經(jīng)非常夠用了 EPC 96編碼規(guī)范 EPC 產(chǎn)品電子代碼 編碼標(biāo)準(zhǔn)目前全球主要有EPCglobal ISO IEC UID AIM IP X五大標(biāo)準(zhǔn)組織 分別代表了國際上不同組織或國家的利益 其中EPCglobal勢力最為強(qiáng)大 它采用的是EPC 96型編碼規(guī)范 對象名稱解析服務(wù) ONS ONS是一個自動的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng) 類似于域名解析服務(wù) DNS ONS給EPC中間件指明了存儲產(chǎn)品相關(guān)信息的服務(wù)器 因此 可以使整個EPC網(wǎng)絡(luò)以因特網(wǎng)為依托 迅速架構(gòu)并順利延伸到世界各地 EPC 產(chǎn)品電子代碼 中間件EPC中間件是具有一系列特定屬性的 程序模塊 或 服務(wù) 并被用戶集成以滿足他們的特定需求 EPC中間件的作用是加工和處理來自讀寫器的所有信息和事件流的軟件 是連接讀寫器和企業(yè)應(yīng)用程序的紐帶 主要任務(wù)是在將數(shù)據(jù)送往企業(yè)應(yīng)用程序之前進(jìn)行標(biāo)簽數(shù)據(jù)校對 讀寫器協(xié)調(diào) 數(shù)據(jù)傳送 數(shù)據(jù)存儲和任務(wù)管理等 EPC信息服務(wù) EPCIS EPCIS提供了一個模塊化 可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)和服務(wù)的接口 使得EPC的相關(guān)數(shù)據(jù)可以在企業(yè)內(nèi)部或者企業(yè)之間共享 EPC中間件及其應(yīng)用程序通訊 EPC系統(tǒng)工作流程 PML PhysicalMarkupLanguage 物理標(biāo)示語言 PML核心是通過提供通用的標(biāo)準(zhǔn)詞匯表來分配直接由Auto ID的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)獲得的信息 如位置 組成以及其他遙感勘測的信息 2 5M2M簡述 M2M相關(guān)概念在通信行業(yè) 有一種類似物聯(lián)網(wǎng)性質(zhì)的技術(shù) M2M技術(shù) 狹義的M2M是指 機(jī)器與機(jī)器 MachinetoMachine 之間的通信 廣義的M2M是指 機(jī)器與機(jī)器 MachinetoMachine 人與人 MantoMan 人與機(jī)器 MantoMachine 之間的通信 M2M是一種理念 也是所有增強(qiáng)機(jī)器設(shè)備通信和網(wǎng)絡(luò)能力的技術(shù)的總稱 M2M技術(shù)的目標(biāo)就是使所有機(jī)器設(shè)備都具備連網(wǎng)和通信能力 其核心理念就是網(wǎng)絡(luò)一切 NetworkEverything M2M技術(shù)重點(diǎn)目前M2M主要基于成熟的移動通信網(wǎng)絡(luò) 通過GPRS EDGE 3G HSPA分組數(shù)據(jù)方式或者SMS ShortMessagingService USSD等基礎(chǔ)鏈路方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換 M2M平臺與終端接口規(guī)范 即WMMP協(xié)議 是為實(shí)現(xiàn)行業(yè)終端與M2M平臺數(shù)據(jù)通信過程而設(shè)計 協(xié)議建立在UDP協(xié)議之上 效率高 流量小 節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源 M2M涉及到5個重要的技術(shù)部分 機(jī)器 M2M硬件 通信網(wǎng)絡(luò) 中間件 應(yīng)用 M2M技術(shù)發(fā)展情況目前M2M技術(shù)已經(jīng)在歐洲 韓國和日本實(shí)現(xiàn)商用 主要應(yīng)用在安全監(jiān)測 機(jī)械服務(wù)和維修業(yè)務(wù) 公共交通系統(tǒng) 車隊管理 工業(yè)自動化 城市信息化等領(lǐng)域 中國政府已將M2M相關(guān)產(chǎn)業(yè)正式納入國家 信息產(chǎn)業(yè)科技發(fā)展十一五規(guī)劃及2020年中長期規(guī)劃綱要十一五規(guī)劃 重點(diǎn)扶持項目 國內(nèi)三大運(yùn)營商 中國移動 中國聯(lián)通 中國電信 充分利用其優(yōu)勢 紛紛推出自己的M2M產(chǎn)品 中國移動部分M2M產(chǎn)品 2 6其他技術(shù) 云計算廣義云計算是指服務(wù)的交付和使用模式 指通過網(wǎng)絡(luò)以按需 易擴(kuò)展的方式獲得所需的服務(wù) 這種服務(wù)可以是IT和軟件 互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的 也可以是任意其他的服務(wù) 云計算是并行計算 ParallelComputing 分布式計算 DistributedComputing 和網(wǎng)格計算 GridComputing 的發(fā)展 云計算在物聯(lián)網(wǎng)的大型數(shù)據(jù)管控中發(fā)揮著非常重要的作用 2 6其他技術(shù) 手機(jī)二維碼手機(jī)二維碼是二維碼技術(shù)在手機(jī)上的應(yīng)用 手機(jī)二維碼的應(yīng)用有兩種 一種為被讀 稱為條碼憑證或者電子回執(zhí) 一種為主讀 稱為條碼識別 網(wǎng)達(dá)網(wǎng) 網(wǎng)達(dá)網(wǎng) 是連接貨源與運(yùn)力的公共平臺 它基于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計思路 通過對短信平臺 GPS定位 智能配對 網(wǎng)上支付 網(wǎng)上保險等技術(shù)的全面整合和創(chuàng)新 從而實(shí)現(xiàn)了公路物流資源有效整合和自動化管理 3物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景及應(yīng)用 發(fā)展前景物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)踐和發(fā)展階段 2008年11月IBM提出 智慧地球 2009年1月美國總統(tǒng)奧巴馬將 智慧地球 提升到國家戰(zhàn)略的高度 2009年8月7日溫家寶總理在無錫考察時提出要盡快建立中國的傳感信息中心或者叫 感知中國 中心 2009年10月中國的第一顆物聯(lián)網(wǎng)的中國芯 唐芯一號 芯片研制成功 中國已經(jīng)攻克了物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù) 中國與德國 美國 韓國一起 成為國際標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)國之一 旨在掌握 物聯(lián)網(wǎng) 的世界話語權(quán) 國內(nèi)三大運(yùn)營商都高調(diào)進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)市場 政府大力支持 各省均有投重資發(fā)展物聯(lián)網(wǎng) 各個物聯(lián)網(wǎng)研究中心紛紛與高校加強(qiáng)研究合作 物聯(lián)網(wǎng)的前景就如同幾十年前剛剛興起局域網(wǎng)一樣 誰也不敢肯定之后局域網(wǎng)會發(fā)展成現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng) 中國 2009年8月感知中國溫家寶總理在無錫提出 感知中國 物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略 將物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)列入 十一五 規(guī)劃國家級重點(diǎn)通信項目 美國 2008年底IBM向美國政府提出的 智慧的地球 戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)傳感等感知技術(shù)的應(yīng)用 提出建設(shè)智慧型基礎(chǔ)設(shè)施 歐盟 2009年6月物聯(lián)網(wǎng)行動計劃具體而務(wù)實(shí) 強(qiáng)調(diào)RFID的廣泛應(yīng)用 注重信息安全 日本