物聯(lián)網(wǎng)教學筆記

1、物聯(lián)網(wǎng)一、物聯(lián)網(wǎng)概述1 概念 物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）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)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。ITU 定義：From anytime, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything.圖1 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)從本質(zhì)上看，物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應(yīng)用與技術(shù)提升，將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)

2、絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動化技術(shù)聚合與集成應(yīng)用， “物聯(lián)網(wǎng)”被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。2 物聯(lián)網(wǎng)基本特點：Ø 全面感知：利用RFID、傳感器、二維碼、衛(wèi)星、微波，及其它各種感知設(shè)備隨時隨地采集各種動態(tài)對象，全面感知世界。Ø 可靠的傳送：利用以太網(wǎng)、無線網(wǎng)、移動網(wǎng)將感知的信息進行實時傳送。Ø 智能控制：對物體實現(xiàn)智能化的控制和管理，真正達到人與物的溝通。3 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng) 互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ) 物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的延伸 突破傳統(tǒng)思維，在“物聯(lián)”時代，“現(xiàn)實的世間萬物” 將與 “虛擬的互聯(lián)網(wǎng)”整合為統(tǒng)一的“整合網(wǎng)絡(luò)”。全球全世界的運轉(zhuǎn)以此為基礎(chǔ)

3、就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統(tǒng)、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。4 WSN與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）不可能做得太大，只能在局部的地方使用，例如戰(zhàn)場、地震監(jiān)測、智能家居等?！拔锫?lián)網(wǎng)”，是一個很大的網(wǎng)絡(luò)，可以把世界上任何物品通過電子標簽和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來。 WSN利用無線技術(shù)可以自成體系地單獨使用，也可以作為互聯(lián)網(wǎng)的“神經(jīng)末梢”。物聯(lián)網(wǎng)完全依托在互聯(lián)網(wǎng)上。無線傳感器網(wǎng)的節(jié)點是傳感器，識讀器是物聯(lián)網(wǎng)的“神經(jīng)末梢”和節(jié)點。如果把互聯(lián)網(wǎng)比作人體，則RFID（射頻識別）可以視為“眼睛”，WSN

4、可以視為“皮膚”。 RFID解決“WHO”，利用識讀器，實現(xiàn)的是對物品的標志與識別；而WSN解決“HOW”，利用傳感器，實現(xiàn)對物體狀態(tài)的把握；眼睛可以識別，皮膚可以感覺，眼睛的功能不在于感覺溫度的變化，而皮膚的功能也不是用來辨別哪個人或哪件東西。 5 RFIDRFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，俗稱電子標簽。 1） RFID技術(shù)：RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。 RFID是

5、一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器(或閱讀器)和很多應(yīng)答器(或標簽)組成。2） RFID的分類RFID按應(yīng)用頻率的不同分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波(MW)，相對應(yīng)的代表性頻率分別為：低頻135KHz以下、高頻13.56MHz、超高頻860M960MHz、微波2.4G，5.8GRFID按照能源的供給方式分為無源RFID，有源RFID，以及半有源RFID。無源RFID讀寫距離近，價格低；有源RFID可以提供更遠的讀寫距離，但是需要電池供電，成本要更高一些，適用于遠距離讀寫的應(yīng)用場合。3） RFID的基本組成部分？ RFI

6、D標簽俗稱電子標簽，也稱應(yīng)答器（tag, transponder, responder），根據(jù)工作方式可分為主動式（有源）和被動式（無源）兩大類，讀寫器也稱閱讀器、詢問器（reader, interrogator），是對RFID標簽進行讀/寫操作的設(shè)備，主要包括射頻模塊和數(shù)字信號處理單元兩部分。天線（antenna）是RFID標簽和讀寫器之間實現(xiàn)射頻信號空間傳播和建立無線通訊連接的設(shè)備。RFID系統(tǒng)中包括兩類天線，一類是RFID標簽上的天線，由于它已經(jīng)和RFID標簽集成為一體，因此不再單獨討論，另一類是讀寫器天線，既可以內(nèi)置于讀寫器中，也可以通過同軸電纜與讀寫器的射頻輸出端口相連。中間件（mi

7、ddleware）是一種面向消息的、可以接受應(yīng)用軟件端發(fā)出的請求、對指定的一個或者多個讀寫器發(fā)起操作并接收、處理后向應(yīng)用軟件返回結(jié)果數(shù)據(jù)的特殊化軟件。應(yīng)用軟件（application software）是直接面向RFID應(yīng)用最終用戶的人機交互界面，協(xié)助使用者完成對讀寫器的指令操作以及對中間件的邏輯設(shè)置，逐級將RFID原子事件轉(zhuǎn)化為使用者可以理解的業(yè)務(wù)事件，并使用可視化界面進行展示。4） RFID基本工作原理 RFID技術(shù)的基本工作原理并不復雜：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag，無源標簽或被動標簽)，或者主動發(fā)

8、送某一頻率的信號(Active Tag，有源標簽或主動標簽)；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。 一套完整的RFID系統(tǒng), 是由閱讀器(Reader)與電子標簽(TAG)也就是所謂的應(yīng)答器(Transponder)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個部份所組成, 其工作原理是Reader 發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給Transponder, 用以驅(qū)動 Transponder電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時 Reader 便依序接收解讀數(shù)據(jù), 送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。 5 ) 適應(yīng)領(lǐng)域：物流和供應(yīng)管理、生產(chǎn)制造和裝配、航空行李處理、郵件、快運包裹處理、文檔追蹤、圖書館管理動物身份標識、運動計

9、時、門禁控制、電子門票、道路自動收費.從大型遠距離UHF標簽到細小的UHF標簽。可以為客戶做定制化生產(chǎn)，滿足各種要求。目前，RFID在中國的很多領(lǐng)域都得到實際應(yīng)用，包括物流、煙草、醫(yī)藥、身份證、奧運門票、寵物管理, 二代身份證等。二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展：目前，美國、歐盟、中國等都在投入巨資深入研究探索物聯(lián)網(wǎng)。 1995年比爾蓋茨在未來之路書中首次提及物聯(lián)網(wǎng)概念。 1999年提出，“傳感網(wǎng)是下一個世紀人類面臨的又一個發(fā)展機遇” 2003年美國技術(shù)評論提出傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首 2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布

10、了ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)，報告指出，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網(wǎng)主動進行交換。射頻識別技術(shù)（RFID）、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)將到更加廣泛的應(yīng)用。 2009年1月，IBM首席執(zhí)行官彭明盛提出“智慧地球”構(gòu)想，其中物聯(lián)網(wǎng)為“智慧地球”不可或缺的一部分，而奧巴馬在就職演講后已對“智慧地球”構(gòu)想提出積極回應(yīng)，并提升到國家級發(fā)展戰(zhàn)略。 在“2009無線技術(shù)世界暨物聯(lián)網(wǎng)國際高峰會議”上，歐盟發(fā)言人表示，IPv6助力移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。 物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個

11、覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。在這個網(wǎng)絡(luò)中，物品能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預。 實質(zhì)：利用射頻自動識別(RFID)技術(shù)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品(商品)的自動識別 和信息的互聯(lián)與共享國外物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀：n 日本現(xiàn)狀：日本u-Japan戰(zhàn)略，希望實現(xiàn)從有線到無線、從網(wǎng)絡(luò)到終端、包括認證、數(shù)據(jù)交換在內(nèi)的無縫鏈接泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，100的國民可以利用高速或超高速網(wǎng)絡(luò)。n 韓國現(xiàn)狀：韓國也實現(xiàn)了類似的發(fā)展。配合 u-Korea 推出的 u-Home 是韓國的 u-IT839 八大創(chuàng)新服務(wù)之一。智能家庭最終讓韓國民眾能通過有線或無線的方式遠程控制家電設(shè)備，并能在家享受高質(zhì)

12、量的雙向與互動多媒體服務(wù)。國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀：縱觀：中國的技術(shù)研發(fā)水平處于世界前列，具有重大的影響力。在世界傳感網(wǎng)領(lǐng)域，中國與德國、美國、韓國一起，成為國際標準制定的主導國之一 。掌握“物聯(lián)網(wǎng)”的世界話語權(quán)，不僅 體現(xiàn)在技術(shù)領(lǐng)先，更在于 我國是世界上少數(shù)能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的國家之一 n 2004年初，全球產(chǎn)品電子代碼管理中心（EPC）授權(quán)中國物品編碼中心為國內(nèi)代表機構(gòu)，負責在中國推廣EPC與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。4月，北京建立了第一個EPC與物聯(lián)網(wǎng)概念演示中心。n 2005年，國家煙草專賣局的卷煙生產(chǎn)經(jīng)營決策管理系統(tǒng)實現(xiàn)用RFID出庫掃描，商業(yè)企業(yè)到貨掃描。許多制造業(yè)也開始在自動化物流系統(tǒng)中嘗試應(yīng)用RFID技術(shù)。

13、n 2009年月日，溫總理在無錫調(diào)研時，對微納傳感器研發(fā)中心予以高度關(guān)注，提出了把“感知中國”中心設(shè)在無錫、輻射全國的想法。n 江蘇省委省政府接到指示后認真落實總理的要求，熱情擁抱“物聯(lián)網(wǎng)”，突出抓好平臺建設(shè)和應(yīng)用示范工作。n 無錫市則作出部署：舉全市之力，搶占新一輪科技革命制高點，把無錫建成傳感網(wǎng)信息技術(shù)的創(chuàng)新高地、人才高地和產(chǎn)業(yè)高地。n 2009年8月24日，中國移動總裁王建宙訪臺期間解釋了物聯(lián)網(wǎng)概念n 2009年9月11日，“傳感器網(wǎng)絡(luò)標準工作組成立大會暨感知中國高峰論壇”在北京舉行，會議提出傳感網(wǎng)發(fā)展相關(guān)政策。n 2009年9月14日。國家中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006-2020年

14、）和“新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)”重大專項中均將傳感網(wǎng)列入重點研究領(lǐng)域。 n 中科院無錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心（簡稱無錫傳感網(wǎng)中心），是國內(nèi)目前研究物聯(lián)網(wǎng)的核心單位之一。n 作為“感知中國”的中心，無錫市2009年9月與北京郵電大學就傳感網(wǎng)技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展簽署合作協(xié)議，涉及光通信、無線通信、計算機控制、多媒體、網(wǎng)絡(luò)、軟件、電子、自動化等技術(shù)領(lǐng)域，包括應(yīng)用技術(shù)研究、科研成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化推廣等。n 2009年11月3號，中國總理溫家寶發(fā)表了題為讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展的講話“我們要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，及早部署后時代相關(guān)技術(shù)研發(fā)，使信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)成為推動產(chǎn)業(yè)升級、邁向信息社會的發(fā)動機

15、”。三、物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)主要有三層架構(gòu)：即：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖所示。圖2 層次圖1. 感知層是傳感系統(tǒng)，即以二維碼、RFID（射頻識別）、傳感器為主，來實現(xiàn)和物相關(guān)的信息采集。Ø 傳感器技術(shù)：感知物資信息Ø RFID技術(shù)：智能識別Ø 微機電系統(tǒng)（MEMS）：采集信息Ø GPS/GIS技術(shù)：全球定位/地理信息系統(tǒng)2. 網(wǎng)絡(luò)層是通信網(wǎng)絡(luò)，包括我們現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)、廣電網(wǎng)以及各種接入網(wǎng)和專用網(wǎng)，目的是對采集來的信息進行傳輸和處理。Ø 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù) Ø Wi-Fi（Wireless Fidelity,無線保真

16、技術(shù)） Ø 通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、3G網(wǎng)絡(luò)、IPV6（讓世界的第一粒都擁有一個IP地址）Ø GPRS網(wǎng)絡(luò)（基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接 ）Ø 廣電網(wǎng)絡(luò)、NGB（下一代廣播電視網(wǎng) ）3. 應(yīng)用層 是應(yīng)用和業(yè)務(wù)，即通過手機、PC等終端設(shè)備實現(xiàn)所感知信息的應(yīng)用服務(wù)。Ø 企業(yè)資源計劃（ERP：Enterprise Resource Planning）Ø 專家系統(tǒng)（Expert System) Ø 云計算（Cloud Computing）Ø 系統(tǒng)集成（System Integrate）Ø 行業(yè)

17、應(yīng)用（Industry Application）Ø 資源打包（Resource Package） 四 物聯(lián)網(wǎng)工作原理 步驟1 對物體屬性進行標識；2 需要識別設(shè)備完成對物體屬性的讀取,并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式；3 將物體的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?，由處理中心完成物體通信的相關(guān)計算。EPC標簽EPC識讀器EPCSavant 系 統(tǒng)射頻ONS服務(wù)器EPCIP地址EPCPMLPML服務(wù)器產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫圖3 物聯(lián)網(wǎng)工作原理PS： EPC:電子產(chǎn)品代碼，ONS:對象名稱服務(wù)， PML:物理標記語言 l 關(guān)鍵技術(shù)ü RFID（射頻識別）ü Savant

18、系統(tǒng)ü ONS （對象名稱解析服務(wù)）ü PML（物理標記語言） u RFID（射頻識別） RFID技術(shù)是利用無線射頻信號進行非接觸雙向通信，實現(xiàn)自動識別與數(shù)據(jù)交換。簡單的RFID系統(tǒng)由標簽、識讀器和天線三部分組成。 EPC（電子產(chǎn)品代碼）標簽是裝載識別信息的載體，依附在商品上；它是物聯(lián)網(wǎng)的心臟，保證對單個物品的標識和識別。EPC還可以與數(shù)據(jù)庫里的大量數(shù)據(jù)相聯(lián)系，而且隨著產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移或變化，這些數(shù)據(jù)可以實時更新。 識讀器是獲取產(chǎn)品信息的裝置，為標簽提供電源。 EPC標簽識讀器電磁波EPC（電子產(chǎn)品代碼）圖4 RFID通信示意圖u Savant系統(tǒng)-物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)系統(tǒng) Savant

19、是用來加工和處理來自識讀器的所有信息和事件流的軟件，是連接識讀器和企業(yè)應(yīng)用程序的紐帶。它要對EPC進行過濾、分組和計數(shù)，以減少發(fā)往信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量，并防止錯誤識讀、漏讀或多讀信息。識讀器識讀器SAVANTONS（對象名稱服務(wù)）EPC信息服務(wù)其他服務(wù)其他Savant具體程序模塊采用的其他服務(wù)識 讀 器 接 口應(yīng) 用 程 序 接 口企業(yè)應(yīng)用程序企業(yè)應(yīng)用程序程序模塊圖5 SAVANT內(nèi)部結(jié)構(gòu)u ONS（對象名稱解析服務(wù)） ONS的作用是將一個EPC(電子產(chǎn)品代碼)映射成一個或多個URI(統(tǒng)一資源定位符),通過這些URI可以查找到在PML（產(chǎn)品標識語言）服務(wù)器上產(chǎn)品的詳細信息。是聯(lián)系前臺Savan

20、t軟件和后臺PML服務(wù)器的樞紐，并且設(shè)計與架構(gòu)都以因特網(wǎng)DNS為基礎(chǔ)。標簽標簽識讀器本地服務(wù)器1.EPC2.EPC3.EPC本地ONS解算器4.EPC域名5.PML服務(wù)器IP地址ONS服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)6.IP地址PML服務(wù)器7.與PML 服務(wù)器建立連接圖6 ONS工作過程u PML（物理標記語言） PML 是物聯(lián)網(wǎng)中的通用語言，用來定義物理對象的數(shù)據(jù)。它以可擴展標志語言XML的語法為基礎(chǔ)。 PML服務(wù)器內(nèi)部存放了制造商生產(chǎn)的所有物品相關(guān)數(shù)據(jù)信息的PML文件。標簽-識讀器的基層設(shè)備已探測到的EPC標簽SavantONS（對象名稱服務(wù)） PML-Server與ONS通訊來獲得與所探測到的EPC相關(guān)的PML頁面查找符合此EPC的PML-server地址請求PML數(shù)據(jù)處理從EPC標簽新讀取到的數(shù)據(jù)返回所請求EPC數(shù)據(jù)發(fā)布新數(shù)據(jù)處理新讀取到的EPC標簽圖7 EPC信息獲取流程圖五、物聯(lián)網(wǎng)未來業(yè)內(nèi)專家認為，物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟效益，大大節(jié)約成本；另一方面可以為全球