第11章.萬(wàn)物互聯(lián)-物聯(lián)網(wǎng)

第11章萬(wàn)物互聯(lián)——物聯(lián)網(wǎng)CONTENTS目錄11.1物聯(lián)網(wǎng)概述11.2物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)11.3物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)概述11.1什么是物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的特征11.1.1什么是物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，IoT）是指“萬(wàn)物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是指在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)任何人、任何物、任何機(jī)器之間的信息交換和通信的網(wǎng)絡(luò)什么是物聯(lián)網(wǎng)智能化識(shí)別跟蹤定位監(jiān)控和管理應(yīng)用層面把世界上所有的物體都聯(lián)接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，形成“物聯(lián)網(wǎng)”，然后“物聯(lián)網(wǎng)”又與現(xiàn)有的“互聯(lián)網(wǎng)”結(jié)合技術(shù)層面物體的信息通過(guò)智能感應(yīng)裝置，經(jīng)過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)指定的信息處理中心，最終實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的自動(dòng)化信息交互與處理的智能網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)的定義第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其客戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換。因此，物聯(lián)網(wǎng)就是“萬(wàn)物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。提供監(jiān)控指揮調(diào)度遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和測(cè)量遠(yuǎn)程診斷通俗含義在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)任何人、任何物、任何機(jī)器之間的信息交換和通信，為信息通信技術(shù)提供了“所有物間通信”功能，稱之為物物相連的互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)又稱國(guó)際網(wǎng)絡(luò)，指的是網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間所串連成的龐大網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，各種感知設(shè)備將信息傳送到接收器，再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送，通過(guò)高層應(yīng)用進(jìn)行信息處理物聯(lián)網(wǎng)管理控制營(yíng)運(yùn)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動(dòng)報(bào)警、控制、診斷和維護(hù)聯(lián)系與區(qū)別聯(lián)系物聯(lián)網(wǎng)的核心仍然是互聯(lián)網(wǎng)區(qū)別物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)物與物之間的連接，但互聯(lián)網(wǎng)只能實(shí)現(xiàn)人與人之間的連接11.1.2物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2009年感知中國(guó)的理念被提出1999年我國(guó)啟動(dòng)了傳感網(wǎng)的研究2010年教育部設(shè)立物聯(lián)網(wǎng)工程本科新專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2012年我國(guó)主導(dǎo)的“物聯(lián)網(wǎng)概述”標(biāo)準(zhǔn)成為全球第一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)總體標(biāo)準(zhǔn)2010年6月“感知中國(guó)”物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟在無(wú)錫正式成立2013年國(guó)務(wù)院提出《關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》2013年9月，國(guó)家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部、科技部、教育部、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展部際聯(lián)席會(huì)議相關(guān)成員單位制定了10個(gè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃指導(dǎo)思想總體目標(biāo)重點(diǎn)任務(wù)分工與進(jìn)度物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展2016年國(guó)務(wù)院發(fā)布了《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》2017年工信部發(fā)布《關(guān)于全面推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的通知》2021年工信部發(fā)表《物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023年）》物聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施社會(huì)現(xiàn)代化治理產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型民生消費(fèi)升級(jí)

2022年，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展進(jìn)入黃金時(shí)期。11.1.3物聯(lián)網(wǎng)的特征物聯(lián)網(wǎng)的特征1.全面感知2.可靠傳輸3.智能處理人的感官人的神經(jīng)人的大腦三個(gè)缺一不可，互相協(xié)作，組成了物聯(lián)網(wǎng)1.全面感知利用射頻識(shí)別、條形碼、二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體信息，比如可以利用溫濕度傳感器、紅外傳感器、照相機(jī)等識(shí)別設(shè)備信息采集協(xié)同處理智能組網(wǎng)信息服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)的特征2.可靠傳輸通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞給用戶公共網(wǎng)絡(luò)專用網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)的特征各種物體經(jīng)由多種接入模式實(shí)現(xiàn)異構(gòu)互聯(lián)3.智能處理利用云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘以及模式識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)隨時(shí)接收到的跨地域、跨行業(yè)、跨部門的海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析處理，增強(qiáng)對(duì)物理世界、經(jīng)濟(jì)社會(huì)各種活動(dòng)和變化的洞察力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制物聯(lián)網(wǎng)的特征信息技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)全面感知智能應(yīng)用什么是物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的特征物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)11.2條形碼技術(shù)RFID技術(shù)傳感器技術(shù)定位技術(shù)多媒體信息采集與處理技術(shù)感知層物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)感知層網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層感知層位置位于底層，相當(dāng)于人的感官，是物聯(lián)網(wǎng)全面感知的基礎(chǔ)作用感知和識(shí)別物體，采集和捕獲信息網(wǎng)絡(luò)層位置位于物聯(lián)網(wǎng)的第二層，是物聯(lián)網(wǎng)無(wú)處不在的前提作用隨時(shí)隨地連接感知層和應(yīng)用層，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用層位置位于最高層，是物聯(lián)網(wǎng)智能處理的中樞，也是物聯(lián)網(wǎng)的核心作用對(duì)感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和信息挖掘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策感知層概念有感知、識(shí)別、控制和執(zhí)行等功能的多種設(shè)備組成11.2.1 物聯(lián)網(wǎng)感知層關(guān)鍵技術(shù)一維條形碼二維條形碼1.條形碼技術(shù)一維條形碼信息內(nèi)容只包含數(shù)字和英文二維條形碼信息內(nèi)容包含數(shù)字、英文、中文、圖片和聲音條形碼的區(qū)別具有檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力可在水平和垂直兩個(gè)方向表達(dá)信息，可直接儲(chǔ)存商品信息只能在水平方向表達(dá)信息，需另接數(shù)據(jù)庫(kù)，只能標(biāo)識(shí)物品條形碼只有檢錯(cuò)能力沒(méi)有糾錯(cuò)能2.RFID技術(shù)標(biāo)簽閱讀器天線是射頻識(shí)別的英文縮寫，俗稱電子標(biāo)簽唯一標(biāo)識(shí)讀取標(biāo)簽傳遞射頻信號(hào)優(yōu)點(diǎn)電子標(biāo)簽和閱讀器無(wú)需接觸便可完成識(shí)別，其識(shí)別工作無(wú)需人工干預(yù)應(yīng)用為物聯(lián)網(wǎng)中各種物品建立唯一的身份。2.FRID長(zhǎng)距離射頻產(chǎn)品多用于交通上：自動(dòng)收費(fèi)或識(shí)別車輛身份等短距離射頻多用于惡劣的環(huán)境：流水線上跟蹤物體3.傳感器技術(shù)是能感受特定的被測(cè)信號(hào)并按照一定的規(guī)則將其轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置敏感元件轉(zhuǎn)換元件變換電路輔助電源敏感元件直接感受被測(cè)量，并輸出與被測(cè)量有確定關(guān)系的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)制變換電路轉(zhuǎn)換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電1.種類溫濕度傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等2.應(yīng)用從工業(yè)交通到家用電器以及機(jī)械制造、國(guó)防工業(yè)、環(huán)保氣象、土木建筑、農(nóng)林水產(chǎn)、醫(yī)療保健、金融流通、海洋及資源開發(fā)3.傳感器技術(shù)地位是物聯(lián)網(wǎng)感知、獲取數(shù)據(jù)信息的窗口，是物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的信息收集手段，傳感器的發(fā)展將直接影響物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及應(yīng)用4.多媒體信息采集與處理技術(shù)各種攝像頭、相機(jī)、麥克風(fēng)等設(shè)備采集視頻、圖像、音頻等信息進(jìn)行抽取、挖掘和處理保存到結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)中5.定位技術(shù)衛(wèi)星定位基站定位室內(nèi)定位是測(cè)量目標(biāo)的位置參數(shù)、時(shí)間參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)等時(shí)空信息的技術(shù)5.定位技術(shù)全球定位系統(tǒng)格洛納斯系統(tǒng)伽利略系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)美國(guó)俄羅斯歐洲中國(guó)美國(guó)全球定位系統(tǒng)俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)歐洲伽利略系統(tǒng)中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)5.定位技術(shù)基站定位通過(guò)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息，運(yùn)營(yíng)商主要包括移動(dòng)、電信和聯(lián)通室內(nèi)定位

WIFI定位技術(shù)、藍(lán)牙定位技術(shù)、ZigBee定位技術(shù)以及超寬帶定位技術(shù)11.2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)Wi-Fi技術(shù)ZigBee技術(shù)NB-IoT技術(shù)LoRa技術(shù)移動(dòng)通信技術(shù)感知層網(wǎng)絡(luò)層“感覺(jué)器官”“神經(jīng)系統(tǒng)”大數(shù)據(jù)的含義主要進(jìn)行信息的傳遞，通過(guò)因特網(wǎng)和各種網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，對(duì)接收到的各種感知信息進(jìn)行傳送，更好地完成物與物之間的通信、物與人之間的通信以及人與人之間的通信，并實(shí)現(xiàn)信息的交互共享和有效處理1.無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)由大量具有通信和計(jì)算能力、低成本、小體積的傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在無(wú)人值守的監(jiān)控領(lǐng)域而構(gòu)成的能夠自主完成指定任務(wù)的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等傳感器節(jié)點(diǎn)匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心2.藍(lán)牙技術(shù)一種支持設(shè)備短距離通信的無(wú)線通信技術(shù)同一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可以在這兩種角色之間轉(zhuǎn)換在任意時(shí)刻，主設(shè)備單元可以向從設(shè)備單元中的任何一個(gè)發(fā)送信息也可以通過(guò)廣播方式同時(shí)向多個(gè)從設(shè)備發(fā)送信息一個(gè)主設(shè)備最多可以同時(shí)和7個(gè)從設(shè)備通信藍(lán)牙技術(shù)3.Wi-Fi技術(shù)含義是一種基于IEEE802.11系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信技術(shù)，被公認(rèn)為是目前最為主流的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)使用最廣4.ZigBee技術(shù)的含義是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備ZigBee2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6到24個(gè)月藍(lán)牙能工作數(shù)周WiFi可工作數(shù)小時(shí)低功耗低成本降低了對(duì)通信控制器的要求，每塊芯片的價(jià)格遠(yuǎn)低于藍(lán)牙或WiFi特征ZigBee特征提供250kbps、40kbps和20kbps的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求低速率響應(yīng)速度較快從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15毫秒，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30毫秒藍(lán)牙需要3秒到10秒WiFi需要3秒智慧農(nóng)業(yè)工業(yè)控制醫(yī)療監(jiān)測(cè)高安全：提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用訪問(wèn)控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱密碼加密5.NB-IoT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)的簡(jiǎn)寫，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)新興技術(shù)，聚焦于低功耗、低成本、廣覆蓋、大連接的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)NB-IoT低成本單個(gè)連接模塊價(jià)格不超過(guò)35元，可在智慧城市大規(guī)模部署低功耗終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年，可用于水電表、智慧停車/燈桿等應(yīng)用NB-IoT大連接一個(gè)扇區(qū)能夠支持超過(guò)10萬(wàn)個(gè)連接，在農(nóng)林牧漁監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛廣覆蓋比LTE和GPRS基站提高了20dB的增益，覆蓋區(qū)域擴(kuò)大100倍，可用于地面井蓋檢測(cè)LoRa技術(shù)的特點(diǎn)同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播距離更遠(yuǎn)，比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離增加了3到5倍，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一LoRa技術(shù)的含義是一種低功耗局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，基于物理層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的技術(shù)，支持雙向數(shù)據(jù)傳輸6.LoRa技術(shù)自動(dòng)抄表無(wú)線預(yù)警安全系統(tǒng)工業(yè)監(jiān)測(cè)和控制智能家居6.LoRa技術(shù)含義指通信的雙方，至少有一方是在移動(dòng)中進(jìn)行的通信內(nèi)容固定點(diǎn)與移動(dòng)點(diǎn)移動(dòng)點(diǎn)與移動(dòng)點(diǎn)7.移動(dòng)通信技術(shù)特點(diǎn)移動(dòng)終端可以對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的接收傳送工作，并且作為終端設(shè)備的一種，它具有良好的便捷性。高效性及時(shí)性移動(dòng)終端在使用過(guò)程中，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信接入點(diǎn)的變化，隨時(shí)對(duì)信息開展改變工作與傳遞工作廣泛性物聯(lián)網(wǎng)信息節(jié)點(diǎn)的廣泛性和移動(dòng)性移動(dòng)通信技術(shù)11.2.2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)1．中間件技術(shù)中間件技術(shù)是一種獨(dú)立的基于分布式處理的服務(wù)程序，它應(yīng)用于客戶端、服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，用來(lái)管理計(jì)算機(jī)資源和網(wǎng)絡(luò)通信，連接兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序或者獨(dú)立系統(tǒng)，能夠使相連的系統(tǒng)即便擁有不同的接口仍然能實(shí)現(xiàn)信息交換。中間件技術(shù)可以運(yùn)行于多種硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)，支持分布式計(jì)算，提供跨網(wǎng)絡(luò)、硬件、操作系統(tǒng)平臺(tái)的透明應(yīng)用和服務(wù)交互。它的這些特性使得它成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵部分，實(shí)現(xiàn)了各種傳感器、RFID系統(tǒng)等感知設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換。開發(fā)人員只需要提供一個(gè)中間件的接口就可以保證應(yīng)用軟件在物聯(lián)網(wǎng)中的正常使用，在很大程度上降低了應(yīng)用開發(fā)難度。2．人工智能技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代一個(gè)顯著的特征就是大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)。很顯然，要想處理好這些信息，需要進(jìn)行篩選、分析、數(shù)據(jù)挖掘等任務(wù)，單靠人力是不行的。而現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)固有的弊端又對(duì)這些信息的處理助益不大，通用的計(jì)算方式和軟件能力也限制了信息的過(guò)濾能力。人工智能的目標(biāo)就在于為人們提供能夠有所超越的信息處理能力，提高信息采集和應(yīng)用的效率。在物聯(lián)網(wǎng)中，人工智能技術(shù)通過(guò)對(duì)感知信息的分析及智能處理來(lái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化，并提供科學(xué)決策。例如，當(dāng)整條道路上幾乎沒(méi)有車輛的時(shí)候，利用感知層獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和應(yīng)用層積累的歷史數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)調(diào)整一些路口的紅綠燈，如將這條路上的人行指示燈全部設(shè)置為綠色等。3．云計(jì)算技術(shù)云計(jì)算技術(shù)是分布式計(jì)算的一種，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展重要的技術(shù)支撐。4．信息和隱私安全技術(shù)信息和隱私安全技術(shù)包括安全體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，以及“智能物體”的廣泛部署給社會(huì)生活帶來(lái)的隱私保護(hù)、安全管理機(jī)制和保障措施等。為實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)廣泛部署的“智能物體”進(jìn)行管理，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能和適用性分析，開發(fā)合適的管理協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域11.31.智慧停車隨著我國(guó)私家車的日益增加，現(xiàn)有的車位已滿足不了市民的需求，停車難已經(jīng)成為困擾“有車