信息技術（電子信息類）課件 物聯(lián)網

物聯(lián)網“新一代信息技術系列叢書信息技術（電子信息類）第五章01物聯(lián)網的概念與關鍵技術物聯(lián)網的概念與關鍵技術一、物聯(lián)網的發(fā)展與特點物聯(lián)網是通過RFID、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把物品與網絡連接起來進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。全球物聯(lián)網技術的發(fā)展現(xiàn)狀物聯(lián)網技術最早應用在美、歐、日、韓等國家，這些國家的物聯(lián)技術的總體實力較強，中國物聯(lián)網技術的應用發(fā)展迅速，市場規(guī)模近年來大幅度提升。目前，物聯(lián)網核心技術持續(xù)發(fā)展，標準體系正在構建，產業(yè)體系不斷完善，全球物聯(lián)網行業(yè)處于高速發(fā)展階段。我國物聯(lián)網應用初步呈現(xiàn)示范牽引產業(yè)發(fā)展的態(tài)勢中國政府高度重視物聯(lián)網應用發(fā)展，相繼開展多個領域示范應用工程，初步形成了示范應用牽引產業(yè)發(fā)展的態(tài)勢。此外，我國物聯(lián)網政策體系也逐步完善。隨著全球物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展，以及底層技術的不斷完善，物聯(lián)網行業(yè)已經由初期的消費類物聯(lián)網產品，逐漸轉換為行業(yè)級應用。物聯(lián)網的概念與關鍵技術一、物聯(lián)網的發(fā)展與特點受技術和產業(yè)成熟度的綜合驅動，現(xiàn)階段的物聯(lián)網呈現(xiàn)“平臺化服務、泛在化連接、智能化終端、延伸化數據”等特點。平臺化服務：利用物聯(lián)網平臺打破垂直行業(yè)的“應用孤島”，促進大規(guī)模開環(huán)應用的發(fā)展，形成新的業(yè)態(tài)，實現(xiàn)服務的增值化；同時利用平臺對數據的匯聚，在平臺上挖掘物聯(lián)網數據價值，衍生新的應用類型和應用模式。泛在化連接：廣域網和短距離通信技術的不斷應用推動更多的傳感器設備接入網絡，為物聯(lián)網提供大范圍、大規(guī)模的連接能力，實現(xiàn)物聯(lián)網數據實時傳輸與動態(tài)處理。泛在化連接將不斷增加物聯(lián)網的產業(yè)價值。智能化終端：物聯(lián)網端系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面是傳感器等底層設備自身向著智能化的方向發(fā)展；另一方面是通過引入物聯(lián)網操作系統(tǒng)等軟件，支持不同設備之間的本地化協(xié)同，并實現(xiàn)面向多應用場景的靈活配置。延伸化數據：其數據來源廣，除采集的原始數據以外，還有大量的衍生數據，這些數據表現(xiàn)方式不同，結構形式差異大，整體體現(xiàn)出多樣性；同時，新技術賦能物聯(lián)網，不斷推進橫向跨行業(yè)、跨環(huán)節(jié)的“數據流動”和縱向平臺、邊緣的“數據延伸”。（1）（2）（3）（4）物聯(lián)網的概念與關鍵技術二、物聯(lián)網的體系結構與關鍵技術目前國內外普遍采用三層或四層層級體系結構對物聯(lián)網系統(tǒng)進行描述。物聯(lián)網三層體系結構從下到上依次是感知層、網絡層和應用層，這也體現(xiàn)出了物聯(lián)網的3個基本特征，即全面感知、可靠傳輸和智能處理。物聯(lián)網三層體系結構1物聯(lián)網的體系結構物聯(lián)網的概念與關鍵技術物聯(lián)網各個層面相互關聯(lián)，每個層面都有很多技術支撐，并且隨著科技發(fā)展將不斷涌現(xiàn)出新技術。每個層面都有其相對的關鍵技術，掌握這些關鍵技術及其相互關系，會更快促進物聯(lián)網的發(fā)展。二、物聯(lián)網的體系結構與關鍵技術2物聯(lián)網的關鍵技術RFID傳感器技術條形碼識別技術定位技術嵌入式系統(tǒng)(1)感知層：感知與識別技術將感知層采集的信息通過各種接入設備與網絡相連，實現(xiàn)物體信息的傳輸。通信網絡技術可以分為有線通信技術和無線通信技術。(2)網絡層：通信與網絡技術主要包括連接管理平臺(CMP)、設備管理平臺(DMP)、應用使能平臺(AEP)和業(yè)務分析平臺（BAP）。(3)平臺層：設備管理與數據分析技術這些智能化的應用涵蓋了智能物流、智能安防、可穿戴產品、智慧建筑、智慧交通、智能家居、智能制造、智慧農業(yè)等各個領域。(4)應用層：數據存儲與處理技術02自動識別技術自動識別技術一、自動識別技術概述自動識別技術是一種能夠讓物品“開口說話”的技術。它可以對每個物品進行標識和識別，并可以實時更新數據，是構造全球物品信息實時共享的重要組成部分。一類是需要在被識別物體上綁定相應的設備后才能對物體進行自動識別，即用某種設備來標識物理對象，我們稱為標簽。另一類是直接識別物體的某一特征，如手機指紋解鎖。自動識別系統(tǒng)因采用的技術不同，系統(tǒng)構成有所不同。其主要可以分為兩類：無論是識別標簽，還是直接識別物體特征，自動識別系統(tǒng)都包括讀寫器和后臺計算機信息系統(tǒng)。自動識別技術二、自動識別技術的分類常用的自動識別技術（1）磁卡識別技術。磁卡識別技術是指利用磁卡記錄信息，通過各種磁卡讀卡器讀取磁卡信息，并提供給后臺計算機信息系統(tǒng)處理的自動識別技術。（2）IC卡識別技術。IC卡識別技術是指利用IC卡記錄信息，在使用時通過讀卡器讀取信息，并提供給后臺計算機信息系統(tǒng)處理的自動識別技術（3）條形碼識別技術。條形碼識別技術是一種利用光識別技術對條形碼所表示的信息進行自動識別的技術。射頻識別技術。（4）射頻識別技術。射頻識別技術是利用電子標簽來標識物體，并通過射頻無線電波進行數據傳遞的自動識別技術。（5）生物識別技術。生物識別技術是利用人的生理特征（如指紋、人臉、虹膜等）或行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)等），來進行個人身份識別的自動識別技術。按照數據采集技術可分為光識別技術、磁識別技術、電識別技術等；按照特征提取技術可分為靜態(tài)特征識別技術、動態(tài)特征識別技術和屬性特征識別技術等。自動識別技術三、射頻識別技術典型的射頻識別系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器和后端的計算機信息系統(tǒng)組成。當帶有電子標簽的物品進入讀寫器的讀寫區(qū)域時，電子標簽被讀寫器激活，并通過無線電波將標簽中攜帶的信息傳送給讀寫器；讀寫器接收信息，并將信息交于后臺的計算機信息系統(tǒng)進行處理。射頻識別系統(tǒng)的結構1射頻識別技術的分類2（1）根據電子標簽的供電形式分類。按照電子標簽供電方式的不同，可以把電子標簽分為有源標簽、無源標簽和半有源標簽。（2）根據電子標簽的工作頻率分類。按照電子標簽工作頻率的不同，電子標簽分為低頻（LowFrequency，LF）、高頻（HighFrequency，HF）、超高頻（UltraHighFrequency，UHF）和微波標簽射頻識別技術（RFID）是以電子標簽來標識某個物體，通過射頻無線電波進行數據傳輸的自動識別技術。它是一種非接觸式的自動識別技術，在自動識別技術中占據重要位置。03物聯(lián)網定位技術物聯(lián)網定位技術一、物聯(lián)網定位技術的發(fā)展趨勢與應用12物聯(lián)網定位技術的發(fā)展趨勢物聯(lián)網定位技術的應用作為物聯(lián)網應用中核心要素之一的定位技術，也在交通、醫(yī)療、安防等多個方面扮演著不可或缺的角色，并呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢。定位范圍不斷擴大，無縫覆蓋的需求已開始呈現(xiàn)。定位精度趨于更高，新的應用開始出現(xiàn)。定位技術作為物聯(lián)網的一項重要感知技術，借助其獲取物體的即時位置信息，可以衍生出一系列基于位置信息的物聯(lián)網應用。特別是在交通、物流領域。智慧交通智能物流智能醫(yī)療物聯(lián)網定位技術二、衛(wèi)星定位技術衛(wèi)星定位是一種使用衛(wèi)星對某物進行準確定位的技術，用以實現(xiàn)導航、定位、授時等功能。目前典型的衛(wèi)星導航系統(tǒng)包括：我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、美國的全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS）、歐洲的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎的高精度無線電導航的定位系統(tǒng)，它在全球任何地方及近地空間都能夠提供準確的地理位置、車行速度和精確的時間信息。全球定位系統(tǒng)由以下3個部分組成：空間部分（GPS衛(wèi)星）、地面監(jiān)控部分和用戶部分。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經濟社會發(fā)展需要，自主建設運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3部分組成。

物聯(lián)網定位技術三、其他短距離定位技術010203042019年初，藍牙技術聯(lián)盟正式發(fā)布了藍牙5.1版本，該版本引入了“尋向”功能，并將藍牙技術的定位精度提升到了亞米級，釋放了更多的應用場景。藍牙定位技術RFID定位系統(tǒng)以RFID技術為核心，利用RFID讀寫器對RFID電子標簽進行定位，具有定位精度高、抗干擾能力強、定位范圍大等特點，適用于多標簽情況。RFID定位技術Wi-Fi定位技術是室內定位技術中的一種，指通過無線接入點（包括無線路由器）組成的無線局域網（WLAN），可以實現(xiàn)復雜環(huán)境中的定位、監(jiān)測和追蹤任務。Wi-Fi定位技術UWB的全稱為UltraWideBand，即超寬帶，是一種傳輸速率高、發(fā)射功率較低、穿透能力較強的無線通信技術。UWB定位技術04傳感器與無線傳感器網絡傳感器與無線傳感器網絡一、傳感器的分類與特點傳感器的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等；它的輸出量是某種物理量，這種物理量要便于傳輸、轉換、處理、顯示等，可以是氣、光、電量，但主要是電量；輸入、輸出的轉換規(guī)律（關系）已知，轉換精度要滿足應用要求。傳感器是一種測量裝置，它能夠將被測量轉換為另一種便于應用的某種物理量，兩者具有確定的對應關系。分類方法常見的傳感器類型按被測量分類溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、濃度傳感器、加速度傳感器按輸出信號分類模擬傳感器、數字傳感器按工作原理分類電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、熱電式傳感器按敏感材料分類半導體傳感器、陶瓷傳感器、光導纖維傳感器、高分子傳感器、金屬傳感器按加工工藝分類厚薄膜傳感器、MEMS傳感器、納米傳感器按傳感對象分類地震傳感器、心電傳感器、水質傳感器、輪胎傳感器、氣體傳感器按應用領域分類機器人傳感器、家電傳感器、環(huán)境傳感器、汽車傳感器傳感器的分類方法無線傳感器網絡是由大量的靜止或移動的傳感器節(jié)點以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，通過電子信息、無線通信、計算機網絡等幾種技術的融合，能夠協(xié)作實現(xiàn)網絡覆蓋范圍內的被感知對象的感知、采集、傳輸、處理。無線傳感器網絡是以無線的方式進行通信的，具有成本低，操作方便的特點。無線傳感器網絡的定義1無線傳感器網絡的體系結構2傳感器節(jié)點是無線傳感器網絡里面基本的組成部分，可分為傳感節(jié)點、路由節(jié)點、中心節(jié)點3類，傳感節(jié)點采集數據并將其發(fā)送給路由節(jié)點，路由節(jié)點進行數據轉發(fā)，最后通過中心節(jié)點發(fā)送給目標用戶供其使用。傳感器與無線傳感器網絡二、無線傳感器網絡無線傳感器網絡的特點3傳感器節(jié)點數量多、體積小、分布廣具有自組織能力具備適應復雜環(huán)境的能力部署容易且成本低信息傳輸具備高可靠性無線傳感器網絡是以數據為中心的網絡傳感器與無線傳感器網絡三、數據融合1數據融合的概念及應用數據融合處理結合P2P、云計算等分布式計算技術，成為解決以上難題的一個途徑。數據融合技術是指利用計算機對按時序獲得的若干個傳感器的觀測信息，在一定準則下加以自動分析、綜合，以完成所需的決策和評估任務而進行的信息處理技術。根據這一定義可以看出，多傳感器系統(tǒng)是數據融合的硬件基礎，多源信息是數據融合的加工對象，協(xié)調優(yōu)化和綜合處理是數據融合的核心。在物聯(lián)網監(jiān)測系統(tǒng)中，多數據融合技術可以有助于構建集計算機、智能設備、家居設備等一系列設備的物聯(lián)網體系，也有助于形成統(tǒng)一接口、統(tǒng)一規(guī)范，更好地使用傳感器。傳感器與無線傳感器網絡三、數據融合2數據融合的種類數據融合通常包括數據層融合、特征層融合和決策層融合。數據層融合。它是直接在采集到的原始數據層上進行的融合，在各種傳感器的原始測報未經預處理之前就進行數據的綜合與分析。特征層融合。特征層融合屬于中間層次的融合，它先對來自傳感器的原始信息進行特征提?。ㄌ卣骺梢允悄繕说倪吘?、方向、速度等），然后對特征信息進行綜合分析和處理。決策層融合。決策層融合通過不同類型的傳感器觀測同一個目標，每個傳感器在本地完成基本的處理，其中包括預處理、特征抽取、識別或判決，以建立對所觀察目標的初步結論，然后通過關聯(lián)處理進行決策層融合判決，最終獲得聯(lián)合推斷結果。05物聯(lián)網安全技術物聯(lián)網安全技術一、物聯(lián)網安全概述根據中國信息通信研究院發(fā)布的《物聯(lián)網白皮書（2020年）》顯示，物聯(lián)網安全問題已成為物聯(lián)網現(xiàn)階段規(guī)?；l(fā)展的核心問題之一。多家機構對物聯(lián)網發(fā)展趨勢的最新預測中，安全成為首要關注問題。（1）從技術角度來看物聯(lián)網是建立在互聯(lián)網基礎上的，因此互聯(lián)網所能夠遇到的安全問題，在物聯(lián)網中都會存在，只是表現(xiàn)形式可能不一樣。（3）從物理傳輸技術的角度來看物聯(lián)網更多依賴無線通信技術，而無線通信技術很容易被干擾和竊聽，攻擊無線信道是比較容易的。（2）從應用的角度來看物聯(lián)網上傳輸的是大量涉及企業(yè)經營的物流、生產、銷售、金融數據，以及有關社會運行的一些數據（4）物聯(lián)網安全也是現(xiàn)實社會安全問題的反映是一個系統(tǒng)的社會工程，不僅涉及安全技術，還涉及政策、道德與法律法規(guī)。物聯(lián)網安全技術二、物聯(lián)網安全要求2017年，《中華人民共和國網絡安全法》（以下簡稱《網絡安全法》）正式實施，明確我國實行網絡安全等級保護制度。網絡運營者應當按照網絡安全等級保護制