物联网的介绍及相关应用.docx
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1、操 作 系 统课程设计题 目: 物联网的介绍及相关应用 . 日 期:2013年6月24日 至 2013年6月28日 指导老师: 钱慎一 .姓名:姬伟东 金晓明学号:541007010113 541007010114班级:计算机科学与技术10-01班目录1物联网研究背景22物联网的基本概念33. 物联网体系结构及核心技术63.1 物联网的体系结构63.2 物联网核心技术83.2.1 标识技术93.2.2 感知技术103.2.3 通信技术与网络融合技术123.2.4 智能信息处理技术134. 物联网的应用144.1 物联网在科技中的应用144.1.1物联网与下一代网络144.1.2物联网与CPS1
2、54.1.3物联网与无线传感器网络184.2 物联网在生活中的应用194.2.1物联网对城市管理的影响194.2.2 物联网对个人生活的影响215 总结226 参考文献221 物联网研究背景随着政府对于物联网研究和开发的高度重视,物联网已经引起国内学术界、工业界和新闻媒体的高度重视,物联网研究和技术的报道已经十分普及。2009年10月,通过谷歌查询“物联网”关键词,获得了约500多万条结果,如表1所示。可以看出,对于物联网的关注程度相当于对“商品房价格”和“传感器网络”的关注程度,远小于对“软件”(2亿多条) 、“互联网”(1亿多条) 、“奥运会”(约3千万条)的关注程度;大于对“物价指数”(
3、约300万条)的关注程度,远大于对“第三代移动通信”(约71万条)的关注程度。通过与物联网相关技术的搜索可以看出,虽然物联网的被关注程度远小于“网络安全”、“RF ID(Radio Frequency IDentification) ”、“下一代网络”和“嵌入式系统”(超过或者接近1千万条)技术的被关注程度,但是,与“传感器网络”的关注程度十分接近,而传感器网络发展历史远长于物联网。从以上搜索结果可以看出,物联网已经迅速成为当前具有影响力的技术。社会各界在较短时间内对于物联网产生了极大的关注,说明许多人相信物联网可能对人类社会、人们日常生活产生巨大的影响。无论国内还是国外,物联网的研究和开发才
4、处于起步阶段,有关物联网的定位和特征还存在一些混乱的概念,物联网的系统模型和结构尚没有形成标准,物联网的研究和开发在国内还存在一定程度的盲目性。从科学研究的角度看,物联网的研究和开发存在一些值得思考的问题。例如,物联网是否就是传感器网络? 什么是物联网研究和开发的核心技术?什么是物联网的创新技术? 物联网与互联网存在哪些本质的区别? 如何开展对我国经济和社会发展有价值的物联网研究和开发?本文在分析物联网相关的技术和应用的基础上,试图回答以上有关物联网的问题;在分析和研究已有物联网技术方案的基础上,尝试提出一种物联网互连体系结构,用于指导物联网的理论研究;在分析和研究物联网应用实例的基础上,试图
5、提出一种物联网系统模型,用于指导物联网技术标准的研究和应用系统的开发。在以上研究基础上,试图得出物联网不同于互联网的特征,从中推导出科学地开展物联网研究和开发的基本原则,为我国的物联网研究和开发提供有科学依据的参考。2物联网的基本概念中国物联网校企联盟将物联网定义为当下几乎所有技术与计算机、互联网技术的结合,实现物体与物体之间:环境以及状态信息实时的实时共享以及智能化的收集、传递、处理、执行。广义上说,当下涉及到信息技术的应用,都可以纳入物联网的范畴。计算机学报刊发的物联网体系结构与实现方法的比较研究一文对其体系结构、实现方法进行了分析介绍。而在其著名的科技融合体模型中,提出了物联网是当下最接
6、近该模型顶端的科技概念和应用。物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体,让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。其具有:智能、先进、互联的三个重要特征。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用,被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。国际电信联盟( ITU) 发布的ITU 互联网报告,对物联网做了如下定义: 通过二维码识读设备、射频识别(RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。图2.1 物联网三层结构
7、的形象化根据国际电信联盟(ITU)的定义,物联网主要解决物品与物品(Thing to Thing,T2T),人与物品 (Human to Thing,H2T),人与人(Human to Human,H2H)之间的互连。但是与传统互联网不同的是,H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接,从而使得物品连接更加的简化,而H2H是指人之间不依赖于PC而进行的互连。因为互联网并没有考虑到对于任何物品连接的问题,故我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。物联网顾名思义就是连接物品的网络,许多学者讨论物联网中,经常会引入一个M2M的概念,可以解释成为人到人(Man toMan)、人到机器(Man to M
8、achine)、机器 到机器(Machine to Machine)。从本质上而言,在人与机器、机器与机器的交互,大部分是为了实现人与人之间的信息交互。物联网是指通过各种信息传感设备,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息,与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人,所有的物品与网络的连接,方便识别、管理和控制。4其在2011年的产业规模超过2600亿元人民币。构成物联网产业五个层级的支撑层、感知层、传输层、平台层,以及应用层分别占物联网产业规模的2.7%、22.0%、33.1%、37.5%和4.7%。而物联网感知层、传输层参与厂商众多,成为产业中竞争最为
9、激烈的领域。图2.2 物联网感知层介绍在市场应用方面,2011年从整体来看,占据中国物联网市场主要份额的应用领域为智能工业、智能物流、智能交通、智能电网、智能医疗、智能农业和智能环保。其中智能工业占比最大,为20.0%。产业分布上,国内物联网产业已初步形成环渤海、长三角、珠三角,以及中西部地区等四大区域集聚发展的总体产业空间格局。其中,长三角地区产业规模位列四大区域之首。2012年我国物联网产业市场规模达到3650亿元,比2011年增长38.6%。从智能安防到智能电网,从二维码普及到智慧城市落地,作为被寄予厚望的新兴产业,物联网正四处开花,悄然影响着人们的生活。随着我国物联网产业发展迅猛的态势
10、和产业规模集群的形成,我国物联网时代下的产业革命也初露端倪。从具体的情况来看,我国物联网技术已经融入到了纺织、冶金、机械、石化、制药等工业制造领域。在工业流程监控、生产链管理、物资供应链管理、产品质量监控、装备维修、检验检测、安全生产、用能管理等生产环节着重推进了物联网的应用和发展,建立了应用协调机制,提高了工业生产效率和产品质量,实现了工业的集约化生产、企业的智能化管理和节能降耗。随着物联网技术的研发和产业的发展,预计2013年中国物联网市场规模将达4896亿元,到2015年,这一规模将达到7500亿元,发展前景将超过计算机、互联网、移动通信等传统IT领域。作为信息产业发展的第三次革命,物联
11、网涉及的领域越来越广,其理念也日趋成熟,可寻址、可通信、可控制、泛在化与开放模式正逐渐成为物联网发展的演进目标。而对于 智慧城市的建设而言,物联网将信息交换延伸到物与物的范畴,价值信息极大丰富和无处不在的智能处理将成为城市管理者解决问题的重要手段。3. 物联网体系结构及核心技术 3.1 物联网的体系结构物联网应是一个开放型的架构,它使用开放型协议,支持各种基于互联网的应用,除此之外,物联网还应包括可扩展、安全、语义表示等中间键来推动现实世界数据与互联网的融合。 因此,通过总结大量文献的研究工作,并结合我们提出的物联网的特点,尝试提出了如图 1 所示的物联网体系结构,用以指导物联网的理论研究。
12、模型侧重物联网的定性描述而不是协议的具体定义。 因此,物联网应是一个包含感知控制层、网络互联层、资源管理层、信息处理层、应用层的五层体系结构。图3.1 物联网五层体系结构感知控制层: 它是物联网发展和应用的基础, 包括RFID 读写器、智能传感节点和接入网关等组成。 各种传感节点通过感知目标环境的娃网关信息, 并自行组网传递到网关接入点, 网关将收集到的数据通过互联网络提交到后台处理。网络互联层:主要负责通过各种接入设备实现互联网、移动通信网等不同类型的网络融合。此外,还提供路由、格式转换、地址转换等功能。资源管理层: 提供资源的初始化, 监测资源的运行状况,协调多个资源之间的工作,实现跨域资
13、源间的交互。信息处理层:实现感知数据的语义理解、推理、决策以及提供数据的查询、存储、分析、挖掘等。云计算为感知数据的存储、分析提供了很好的平台,是信息处理的重要组成部分,也是应用层各种应用的基础。应用层:物联网应用层利用经过分析处理的感知数据,为用户提供多种不同类型的服务。 物联网的应用可分为监控型(物流监控、污染监控),控制型(智能交通、智能家居),扫描型(手机钱包、高速公路不停车收费)等。此外,物联网还应包括安全机制、容错机制、服务质量控制等贯穿各层的支撑技术来为用户提供各种具体的应用支持。 3.2 物联网核心技术通过上述对体系结构的分析可知,物联网发展的关键技术如图 2 所示,其中负责物
14、体标识的 RFID 技术、感知物体动态信息的传感器技术、实现信息传递的通信技术和网络融合技术、信息处理的智能技术我们称之为物联网的四大关键技术。图3.2 物联网核心技术3.2.1 标识技术物联网是将各种智能设备通过互联互通结合形成的一个包含亿万物体的巨大网络。 因此,在物联网的应用过程中首先需要解决的是“物”的识别。 物体的标识技术是指与物体相关联的,用来无歧义地标识物体的全局唯一值,标识的实质就是对物联网中所有的“物”进行编码,实现“物”的数字化的过程,编码的规则有很多,例如使用 RFID 技术的 EPC 编码,基于 TCP/IP 的 IPV4、IPV6 编码等,不同编码规则之间的映射与兼容
15、,编码与服务之间的映射,都是未来物联网中需要我们解决的问题。RFID(Radio Frequency Identification)无线射频身份识别。 它是一种非接触式的识别技术,它通过射频信号可以自动识别目标并采集其中的数据,识别过程中无须人工干预。 RFID 标签技术具有对物体的唯一标识能力,可以保证物体在通信或信息处理过程中正确的定位和管理。目前,RFID 研究主要集中在 RFID 天线技术、防冲突算法、RFID 的安全与隐私。 RFID 是构建物理世界和数字世界的桥梁,我国在 RFID 芯片技术、系统安全等核心技术还处于起步阶段,存在大量的挑战,尽管在一些研究上取得了很多进步,但还有一
16、些核心关键技术需要我们进一步的研究。 此外,基于 TCP/IP 的 Ipv6 地址技术采用无状态的地址分配方案来解决海量地址的高效率分配,可以满足物联网对网络地址的庞大需求。图3.3 标识的必要性图3.4 REID标识分配的成功经验3.2.2 感知技术数据的产生、获取、传输、处理、应用是物联网的重要组成部分,其中数据的获取是物联网智能信息化的重要环节之一,没有它,物联网也就成了无水之源、无本之木。 在物联网中,终端数据的获取主要是通过 RFID、传感器、红外感知设备、全球定位系统等设备实现对数据的实时采集。传感器(sensor)可以探测包括热、力、光、电、声等外部环境信号,为物联网中数据的传递
17、、加工、应用提供原始数据。 它实现对象目标动态信息的获取,使“物”具有了感知外部世界的能力,因此,我们可以将 RFID 比作人体的“眼睛”,而传感器可以视为“皮肤”,RFID 解决“Who”,实现物体的识别,而传感器解决“How”,实现物体的感知。目前,面向物联网的 WSN 研究方向主要有以下几个方面:1) WSN 网络协议的研究物联网中数据的采集过程主要是通过控制各种传感设备收集周围环境信息, 通过相应的 WSN 网络协议将数据传递到附近的汇聚(sink)节点,最终通过互联网交付给应用层的用户,因此,WSN 网络协议的研究是物联网的核心技术之一,WSN 网络协议的设计目标是在满足应用需求的同
18、时,尽量减少网络额外开销,提高系统吞吐率,提高资源的整体利用率。 目前绝大多数 WSN 网络协议的研究主要集中在路由层和 MAC 层。2) WSN 支撑技术研究WSN 是一个多学科交叉的领域,除了基础的网络协议外,还应有广泛的支撑技术来更好的实现物联网中各种应用。 WSN 支撑技术有时间同步、节点定位、数据融合、服务质量保证、网络管理等。 针对不同的物联网应用场景,我们会对这些支撑技术提出不同的要求,例如,多传感器的协作感知、数据压缩与融合主要是建立在时间同步基础上,节点定位主要应用在测距定位、物品跟踪等领域。3) WSN 安全性研究。由于 WSN 中无线信道的广播特性以及自组织网络的特性,节
19、点容易受到各种主动攻击或被动攻击,获取存储在节点中的隐私信息。 在未来物联网中,不同的应用有不同的安全需求,例如,在远程医疗环境中,用户通常并不希望自己的病例信息被第三者看到,在野外环境监测中,要保证节点不会受到欺骗攻击,采集到虚假的信息。 现阶段安全目标的实现主要依赖于密钥管理、身份认证和数据加密。3.2.3 通信技术与网络融合技术物联网中感知数据的传递主要依托网络和通信技术,其中通信技术根据传输类型的不同分为短距离无线通信和广域网通信。目前主流的短距离无线通信包括:WLAN 技术、UWB 技术、ZigBee 技术、RFID 以及蓝牙技术。 WLAN、UWB 等技术主要应用在便携式家电以及通
20、信设备。 它们的最高传输速率100Mbits/s,支持视频、音频等多媒体信息的传输。 低速短距离通信技术 ZigBee、RFID 等主要应用在家庭、企业、工厂等实现自动化控制、监测、跟踪等应用。 短距离无线通信技术是一种结构简单、低功耗、低成本的无线通信网络,可以广泛应用在物联网底层数据的感知,但是由于绝大多数的短距离无线通信技术都工作在公共的 ISM 频段,频段间的干扰问题日益严重。 如何避免冲突,实现频率间的复用都需要进一步地解决。广域网通信技术主要有 IP 互联技术、2G/3G 移动通信技术、卫星通信技术等,广域网通信技术负责底层感知数据的远程传输,通过不同类型网络最终交付给用户使用。
21、物联网需要整合上述不同的通信技术,实现一个多元化和交互式的网络环境。网络融合技术充分利用了不同网络的通信资源优势,根据应用环境的不同,因地制宜,通过灵活有效的组网方式,从而为用户提供更丰富的网络服务。 未来物联网中的网络层面将不在局限与传统的、单一的网络结构,最终将实现互联网、2G/3G 移动通信网、广电网等不同类型融合网络的无缝、透明的融合,这其中涉及到了有线、无线、移动等多种方式的接入,异构网之间地址的统一、转换,分组格式、路由方式的选择等问题。图3.5 感知层组网技术现状分析3.2.4 智能信息处理技术在物联网中,为了感知某一事件的发生,需要部署多种类别不同的感应设备来监测事件的不同属性
22、,通过对感知数据的融合处理,来判别事件是否发生,其中的关键技术是如何将感知的物理数据转化为便于人和机器理解的逻辑数据。 智能信息处理技术融合了智能计算、数据挖掘、优化算法、机器学习等,通过智能技术我们可以将物品“讲话”的内容进行智能处理和分析,最终将结果交付给用户。 例如,当我们在超市拿起一个物品时,通过智能信息处理技术可以将产品的产地、结构成分等用户关心的的信息返回给我们,帮助我们更好的了解该产品。 物联网所带来的变革是将思想注入到物体中,使其能和人进行直接交流,形成一个智能化的网络,如何使“物”具有思想,我们认为其关键就是各种智能技术的引入。4. 物联网的应用4.1 物联网在科技中的应用4
23、.1.1物联网与下一代网络按照ITU物联网研究组的研究结论 ,物联网的核心技术主要是普适网络、下一代网络和普适计算。这3项核心技术的简单定义如下,普适网络,无处不在的、普遍存在的网络;下一代网络,可以在任何时间、任何地点,互连任何物品,提供多种形式信息访问和信息管理的网络;普适计算,无处不在的、普遍存在的计算。其中下一代网中“互连任何物品”的定义是ITU物联网研究组对下一代网定义的扩展,我们认为,这是对下一代网发展趋势的高度概括。从现在已经成为现实的多种装置的互连网络,例如手机互连、移动装置互连、汽车互连、传感器互连等等,都揭示了下一代网在“互连任何物品”方面的发展趋势。从以上的定义可以看出,
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