第1章-物聯(lián)網(wǎng)概論

第1章

物聯(lián)網(wǎng)概論物聯(lián)網(wǎng)基本概念1.1未來網(wǎng)絡(luò)：物聯(lián)網(wǎng)1.2物聯(lián)網(wǎng)的主要問題與實(shí)例1.31.1物聯(lián)網(wǎng)基本概念

將任何時(shí)間，任何地方，任何人進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)人類同任何東西的互連，這就是人們常說的物聯(lián)網(wǎng)。1.1.1物聯(lián)網(wǎng)定義

物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）這個(gè)詞是MITAuto-ID中心主任KevinAshton教授1999年在研究RFID時(shí)最早提出來的，現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)概念得到了國際普遍的公認(rèn)。 MIT對(duì)于InternetofThings的闡述是“一種用于創(chuàng)建全球環(huán)境的自動(dòng)ID中心，在這個(gè)環(huán)境中計(jì)算機(jī)可以在沒有人類的幫助下理解世界”。 McFarlane在他的論文中提出了InternetofThings中物體的5大要求：

①有唯一的標(biāo)識(shí)；

②能夠與周圍環(huán)境通信；

③能夠獲得自身信息并保存信息；

④能夠通過某種語言描述自身的特性

（如用途，處理需求等）；

⑤能夠根據(jù)相應(yīng)情況做出決策。

在2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）以及歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺(tái)組織（EPoSS）在《InternetofThingsin2020》的報(bào)告中，物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍已經(jīng)發(fā)生了變化，覆蓋范圍有了較大的拓展，不再只是指基于射頻識(shí)別（RadioFreguncyIdentification,RFID）技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。

目前，物聯(lián)網(wǎng)比較公認(rèn)的定義是“通過射頻識(shí)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Internet連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

“M2M”和“傳感網(wǎng)”（SensorNetworks）這兩個(gè)詞出現(xiàn)較早，在國外一直受關(guān)注，SmartPlanet、InternetofThings和SmartGrid（智能

電網(wǎng)）這3個(gè)詞在2007年才開始受到較大關(guān)注，

但只有“智能電網(wǎng)”這個(gè)詞的受關(guān)注度提升較

快，在2008年就超過了“智慧地球”和“InternetofThings”。圖1-1物聯(lián)網(wǎng)、M2M、智慧地球、傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)注度和使用率圖1-2歸納了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、業(yè)務(wù)范圍和存在形式，以及與其他技術(shù)的關(guān)系1．“中國式”定義

物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）指的是將

無處不在的末端設(shè)備和設(shè)施，包括具備“內(nèi)

在智能”的傳感器、移動(dòng)終端、工業(yè)系統(tǒng)、

樓控系統(tǒng)、家庭智能設(shè)施、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，

以及“外在使能”的。

如貼上RFID的各種資產(chǎn)、攜帶無線終端的個(gè)人與車輛等“智能化物件或動(dòng)物”或“智能塵?！保ㄟ^各種無線或有線的長距離或短距離通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)器間的互連互通（M2M）、應(yīng)用大集成以及基于云計(jì)算的SaaS（SoftwareasaService）營運(yùn)等模式。

在內(nèi)網(wǎng)、專網(wǎng)或Internet環(huán)境下，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C(jī)制，提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、定位追溯、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維保、在線升級(jí)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、決策支持、領(lǐng)導(dǎo)桌面等管理和服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮?、控、營”一體化TaaS（EverythingasaService）服務(wù)。2．歐盟的定義 2009年9月，在北京舉辦的物聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)環(huán)境中歐研討會(huì)上，歐盟委員會(huì)信息和社會(huì)媒體司RFID部門負(fù)責(zé)人LorentFerderix博士給出了歐盟對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義。

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，

它具有基于標(biāo)準(zhǔn)和互操作通信協(xié)議的自組織

能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份

標(biāo)識(shí)、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，

并與信息網(wǎng)絡(luò)無縫整合。

物聯(lián)網(wǎng)將與媒體Internet、服務(wù)Internet

和企業(yè)Internet一道，構(gòu)成未來Internet。1.1.2各國推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的行動(dòng) 1．美國：技術(shù)基礎(chǔ)雄厚 2．歐盟：物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略規(guī)劃完善 3．日韓：泛在網(wǎng)戰(zhàn)略和應(yīng)用 4．國外物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程對(duì)于我國的啟示1.1.3物聯(lián)網(wǎng)的原理1.2未來網(wǎng)絡(luò)：物聯(lián)網(wǎng)

從科技的觀點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)不僅是單純的新型技術(shù)成果，相反地，它的許多互補(bǔ)性技術(shù)的發(fā)展為建立虛擬世界和物質(zhì)世界的聯(lián)系提供了性能支持。

這些性能如下。（1）通信和協(xié)作（2）可尋址能力（3）身份識(shí)別（4）感知力（5）驅(qū)動(dòng)力（6）內(nèi)嵌式信息進(jìn)程（7）定位（8）用戶界面圖1-3智能電話是人、物和網(wǎng)絡(luò)之間的中介1.2.1物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是一種技術(shù)革新，代表未來計(jì)算機(jī)的運(yùn)作與交流，它的發(fā)展需要?jiǎng)?chuàng)新科技的支持。1．Internet技術(shù)2．EPC/RFID技術(shù)3．傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)4．納米技術(shù)和微型技術(shù)5．無線通信技術(shù)6．嵌入式技術(shù)7．信息安全技術(shù)1.2.2物聯(lián)網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)和期望1．物聯(lián)網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)

什么驅(qū)動(dòng)著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展？

一個(gè)重要的因素是純粹的信息進(jìn)化過程以及通信技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

第一類新型服務(wù)包括提高道路安全的汽車通信，通過操作能源家庭裝置更加理性地使用家庭能源的方式，而“周邊協(xié)助生活”目的在于不引人注視的情況下，在日常生活中對(duì)老年人提供幫助。

第二類的服務(wù)范例包括一個(gè)虛擬的失物招領(lǐng)辦公室，這是一個(gè)接收來自失主的呼求的移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)備，或者是其風(fēng)險(xiǎn)可以被很好估計(jì)的保險(xiǎn)（而且甚至可以降低風(fēng)險(xiǎn)）只有投保人是“明智的”。

另一個(gè)Internet的驅(qū)動(dòng)是現(xiàn)實(shí)世界提供給信息系統(tǒng)的意識(shí)。2．物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢

從長遠(yuǎn)的眼光來看，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展會(huì)包括以下3個(gè)階段：嵌入智能，連通性，互動(dòng)性。圖1-4物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢1.2.3物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

目前，物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)分為5個(gè)層次，并且使用TCP/IP已經(jīng)正常工作了很長時(shí)間。

物聯(lián)網(wǎng)的5層分別是業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層、處理層、傳輸層和感知層，如圖1-5所示。圖1-5物聯(lián)網(wǎng)新結(jié)構(gòu)1．感知層2．傳輸層3．處理層4．應(yīng)用層5．業(yè)務(wù)層圖1-6物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)圖1-7物聯(lián)網(wǎng)——不同層的邊緣技術(shù)圖1-8物聯(lián)網(wǎng)——包括RFID和其他邊緣技術(shù)圖1-9物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)圖1-10物聯(lián)網(wǎng)圖1-11物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)1.2.4射頻識(shí)別和EPC網(wǎng)絡(luò)

射頻識(shí)別（RFID）主要用于識(shí)別幾米外的物體，通過一個(gè)具有代表性的固定閱讀器與一個(gè)連接到物體的無線的無電池的發(fā)射機(jī)交流。

不僅為物聯(lián)網(wǎng)提供兩項(xiàng)重要的基礎(chǔ)功能——識(shí)別功能和通信功能，同時(shí)RFID還可以用來檢測物體的大概方位。

近些年來射頻識(shí)別（RFID）的發(fā)展不僅反應(yīng)了科技的進(jìn)步，同時(shí)也反應(yīng)了耗資的減少以及標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用。 RFID的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是物流管理。圖1-12RFID通信

從長遠(yuǎn)角度看，像EPC網(wǎng)絡(luò)這樣的基礎(chǔ)設(shè)施將扮演重要的角色。 EPC網(wǎng)絡(luò)的名字來源于“電子產(chǎn)品代碼”—一個(gè)構(gòu)建的識(shí)別符識(shí)別唯一與產(chǎn)品相關(guān)的RFID發(fā)送—接收機(jī)。 EPC網(wǎng)絡(luò)的目的不單是用RFID技術(shù)識(shí)別物體，同樣可以用來簡化進(jìn)程和交換所獲數(shù)據(jù)。 EPCIS（EPCInformationServices）標(biāo)準(zhǔn)代表了該網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本組成部分，而且它已經(jīng)被許多軟件制造商支持。

例如，EPCIS事件不僅可以描述一個(gè)特殊的發(fā)送—應(yīng)答機(jī)在何時(shí)何地被檢測到，還可以提供關(guān)于相關(guān)商務(wù)進(jìn)程的信息或是申請(qǐng)事項(xiàng)。1.3物聯(lián)網(wǎng)的主要問題與實(shí)例1.3.1物聯(lián)網(wǎng)面臨的機(jī)遇

物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用為新產(chǎn)品及服務(wù)的建立和市場化提供了機(jī)遇。

剛成立的新公司和那些已經(jīng)在一個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域成功運(yùn)作的公司都可以通過創(chuàng)新、制造和銷售那些對(duì)終端用戶有重要意義的新產(chǎn)品來參與到這個(gè)市場中來。

下面分別從商業(yè)和終端用戶角度介紹物聯(lián)網(wǎng)帶來的機(jī)遇。1．商業(yè)機(jī)遇2．終端用戶的機(jī)遇1.3.2物聯(lián)網(wǎng)面臨的問題和挑戰(zhàn)

前面講述了物聯(lián)網(wǎng)帶來的各種機(jī)遇，當(dāng)然物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還會(huì)面臨很多的挑戰(zhàn)。

遭遇挑戰(zhàn)有如下的原因：首先，成功實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)所需的各種復(fù)雜技術(shù)還都處在發(fā)展的初期。

另外，設(shè)想的網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量很大，這就產(chǎn)生了對(duì)可擴(kuò)展的解決方案的需求。

全球化的應(yīng)用和大量異構(gòu)的連網(wǎng)設(shè)備迫切需要標(biāo)準(zhǔn)化，當(dāng)然包括法律、隱私、社會(huì)和心理問題，這些都是要作為重點(diǎn)來考慮的。

下面將有選擇地對(duì)挑戰(zhàn)作詳細(xì)介紹。1．物聯(lián)網(wǎng)面臨的重要問題（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題（2）安全問題（3）協(xié)議問題（4）終端問題（5）地址問題（6）費(fèi)用問題（7）規(guī)?；瘑栴}（8）商業(yè)模式問題（9）產(chǎn)業(yè)鏈問題（10）數(shù)據(jù)管理平臺(tái)問題2．一般的挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)的主要目標(biāo)是把我們周圍的實(shí)體連成網(wǎng)絡(luò)，或者是連成一個(gè)小型、動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。

然而，這些實(shí)體是絕對(duì)異構(gòu)的，它們可能屬于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，有不同的功能，但是它們必須遵守相同的通信協(xié)議和架構(gòu)。

這當(dāng)然不是一件小事，它是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。

另一個(gè)挑戰(zhàn)來自網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性：物體和設(shè)備應(yīng)該先建立本地點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線網(wǎng)絡(luò)，然后再連到更大的網(wǎng)絡(luò)上。

因此，物體需要唯一的標(biāo)識(shí)符來明確編址，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能知道并管理這些標(biāo)識(shí)符。

另外，一個(gè)實(shí)體可能有不止一個(gè)標(biāo)識(shí)符，可能有很多個(gè)經(jīng)常變化的標(biāo)識(shí)符。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必須能處理這些問題，這又是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。（1）射頻識(shí)別

在物聯(lián)網(wǎng)中大規(guī)模地應(yīng)用RFID技術(shù)取決于以下4個(gè)因素。

①標(biāo)簽和讀取設(shè)備的價(jià)格。

②標(biāo)簽的尺寸，以至于能用于小產(chǎn)品。

③性能，比如讀取范圍和對(duì)環(huán)境影響的魯棒性。

④存儲(chǔ)容量。

除了射頻識(shí)別標(biāo)簽和其他必須設(shè)備帶來的挑戰(zhàn)外，還提到了在將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到射頻識(shí)別標(biāo)簽過程中的3個(gè)挑戰(zhàn)：

①數(shù)據(jù)清理：識(shí)別和刪除冗余數(shù)據(jù)和造成重復(fù)讀取的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)壓縮：大量的數(shù)據(jù)（例如每天沃爾瑪會(huì)產(chǎn)生7萬億字節(jié)的數(shù)據(jù)）會(huì)增加存儲(chǔ)開銷，降低性能。

③數(shù)據(jù)傳輸：揭示隱含的意義并與其他數(shù)據(jù)和項(xiàng)目連接起來。（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)

在Aberer等人的研究中提出了以下兩個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。

①盡可能減少發(fā)展和部署的代價(jià)，這是大規(guī)模應(yīng)用中的主要價(jià)格因素。

②面向數(shù)據(jù)的大規(guī)模數(shù)據(jù)整合的方法，作者甚至要求“零編程部署”。（3）其他方面的挑戰(zhàn)圖1.13在物聯(lián)網(wǎng)中需要關(guān)注的安全和隱私問題1.3.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用1．應(yīng)用場景2．理論的實(shí)例化：智能家居（1）資源利用（2）安全3．物聯(lián)網(wǎng)在校園中的應(yīng)用圖1-14校園設(shè)施管理體系結(jié)構(gòu)1.3.4結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)可為不同行業(yè)和領(lǐng)域帶來好處。

商業(yè)、終端用戶甚至全社會(huì)會(huì)被物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來的潛在變革所影響，智能網(wǎng)的成功實(shí)現(xiàn)，可交互的自動(dòng)化的事物會(huì)改變每個(gè)人的生活。