物聯網講座 1 目錄 物聯網定義物聯網發展歷史物聯網應用領域物聯網核心技術關注中國物聯網總結現狀和不足 2 物聯網定義 基本定義 物聯網 InternetofThings 指的是將各種信息傳感設備 如射頻識別 RFID 裝置 紅外感應器 全球定位系統 激光掃描器等種種裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡 其目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起 方便識別和管理 3 物聯網定義 歐盟定義 將現有的互聯的計算機網絡擴展到互聯的物品網絡 ITU定義 fromanytime anyplaceconnectivityforanyone wewillnowhaveconnectivityforanything 4 物聯網發展歷史 1999年MITAuto IDCenter提出物聯網概念 即把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來 實現智能化識別和管理 2004年日本總務省提出u Japan構想中 希望在2010年將日本建設成一個 Anytime Anywhere Anything Anyone 都可以上網的環境 同年 韓國政府制定了u Korea戰略 韓國信通部發布的 數字時代的人本主義 IT839戰略 以具體呼應u Korea 5 物聯網發展歷史 2005年11月在突尼斯舉行的信息社會世界峰會 WSIS 上 國際電信聯盟 ITU 發布了 ITU互聯網報告2005 物聯網 報告指出 無所不在的 物聯網 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主動進行交換 射頻識別技術 RFID 傳感器技術 納米技術 智能嵌入技術將到更加廣泛的應用 2008年11月IBM提出 智慧的地球 概念 即 互聯網 物聯網 智慧地球 以此做為經濟振興戰略 如果在基礎建設的執行中 植入 智慧 的理念 不僅僅能夠在短期內有力的刺激經濟 促進就業 而且能夠在短時間內為中國打造一個成熟的智慧基礎設施平臺 6 物聯網發展歷史 2009年6月歐盟委員會提出針對物聯網行動方案 方案明確表示在技術層面將給予大量資金支持 在政府管理層面將提出與現有法規相適應的網絡監管方案2009年8月溫家寶總理在無錫考察傳感網產業發展時明確指示要早一點謀劃未來 早一點攻破核心技術 并且明確要求盡快建立中國的傳感信息中心 或者叫 感知中國 中心 目前 經國家標準化管理委員會批準 全國信息技術標準化技術委員會組建了傳感器網絡標準工作組 標準工作組現聚集了中國科學院 中國移動通信集團公司等國內傳感網主要的技術研究和應用單位 7 物聯網應用領域 電力電網 減少停電現象通過在智慧的電力中安裝先進分析和優化引擎 電力提供商可以突破 傳統 網絡的瓶頸 而直接轉向能夠主動管理電力故障的 智能 電網 對電力故障的管理計劃不僅考慮到了電網中復雜的拓撲結構和資源限制 還能夠識別同類型發電設備 這樣 電力提供商就可以有效地安排停電檢測維修任務的優先順序 如此一來 停電時間和頻率可減少約30 停電導致的收入損失也相應減少 而電網的可靠性以及客戶的滿意度都得到了提升 8 減少停電現象 9 物聯網應用領域 電力電網 智能電表在智慧的電力設施的支持下 智能電表可以重新定義電力提供商和客戶的關系 通過安裝內容豐富且讀取方便的設備 用戶可了解在任何時刻的電力費用 并且用戶還可以隨時獲取一天中任意時刻的用電價格 查看前后的記錄 這樣電力提供商就為用戶提供了很大的靈活性 用戶可以根據了解到的信息改變其用電模式 智能電表不僅可以測量用電量 它還是電網上的傳感器 可以協助檢測波動和停電 它還能儲存和關聯信息 支持電力提供商完成遠程開啟或關閉服務 也能遠程支持使用后支付或提前支付等付費方式的轉換 總而言之 智能電表可大幅度減小系統的峰值負荷 轉換電力操作模式 也能重新定義客戶體驗 10 智能電表 11 物聯網應用領域 醫療系統 整合的醫療平臺整合的醫療保健平臺根據需要通過醫院的各系統收集并存儲患者信息 并將相關信息添加到患者的電子醫療檔案 所有授權和整合的醫院都可以訪問 這樣資源和患者能夠有效地在各個醫院之間流動 通過各醫院之間適當的管理系統 政策 轉診系統等 這個平臺滿足一個有效的多層次醫療網絡對信息分享的需要 12 整合的醫療平臺 13 物聯網應用領域 醫療系統 電子健康檔案系統電子健康檔案系統通過可靠的門戶網站集中進行病歷整合和共享 這樣各種治療活動就可以不受醫院行政界限而形成一種整合的視角 有了電子健康檔案系統 醫院可以準確順暢地將患者轉到其他門診或其他醫院 患者可隨時了解自己的病情 醫生可以通過參考患者完整的病史為其做出準確的診斷和治療 14 電子健康檔案系統 15 物聯網應用領域 城市設施 實時城市管理實時城市管理設立一個城市監控報告中心 將城市劃分為多個網格 這樣系統能夠快速收集每個網格中所有類型的信息 城市監控中心依據事件的緊急程度上報或指派相關職能部門 如火警 警察局 醫院 采取適當的行動 這樣政府就可實時監督并及時響應城市事件 整合的公共服務新的公共服務系統將不同職能部門 如民政 社保 警察局 稅務等 中原本孤立的數據和流程整合到一個集成平臺 并創建一個統一流程來集中管理系統和數據 為居民提供更加便利和高效的一站式服務 16 實時城市管理與整合的公共服務 17 物聯網應用領域 交通管理 實時交通信息智慧的道路是減少交通擁堵的關鍵 但我們仍不了解行人 車輛 貨物和商品在市內的具體移動狀況 因此 獲取數據是重要的第一步 通過隨處都安置的傳感器 我們可以實時獲取路況信息 幫助監控和控制交通流量 人們可以獲取實時的交通信息 并據此調整路線 從而避免擁堵 未來 我們將能建成自動化的高速公路 實現車輛與網絡相連 從而指引車輛更改路線或優化行程 道路收費通過RFID技術以及利用激光 照相機和系統技術等的先進自由車流路邊系統來無縫地檢測 標識車輛并收取費用 18 實時交通信息 19 物聯網應用領域 物流供應鏈 供應鏈網絡優化智慧的供應鏈通過使用強大的分析和模擬引擎來優化從原材料至成品的供應鏈網絡 這可以幫助企業確定生產設備的位置 優化采購地點 亦能幫助制定庫存分配戰略 使用后 公司可以通過優化的網絡設計來實現真正無縫的端到端供應鏈 這樣就能提高控制力 同時還能減少資產 降低成本 交通運輸 存儲和庫存成本 減少碳排放 也能改善客戶服務 備貨時間 按時交付 加速上市 20 物聯網應用領域 物流供應鏈 提供供應鏈可視性供應鏈的每個成員都應當能夠追溯產品生產者以及產品成分 包裝 來源等特征 也應當能夠向前追蹤產品成分 包裝和產品的的每一項活動 這變得越來越重要 要設計一個具有對整個價值鏈可追溯性的供應鏈 公司必須創建流程和基礎架構來收集 集成 分析和傳遞關于產品來源和特征的可靠信息 這應當貫穿于供應鏈的各個階段 從農場到餐桌 它將不同的技術解決方案整合起來 使物理供應鏈 商品的運動軌跡 和信息供應鏈 數據的收集 存儲 組織 分析和訪問控制 能夠相互集成 有了這樣的供應鏈可視性 公司就能保護和推廣品牌 主動地吸引其他股東并降低安全事故的影響 21 22 物聯網應用領域 通信行業 在 2009年中國國際信息通信展覽會 上 中國移動展出了手機支付 這就是典型的物聯網概念應用 手機支付實際上主要是手機SIM卡的更換 由普通SIM卡更換為RFID SIM卡 而不需要對手機進行更換 用戶在消費時 只需要將手機從接收器上輕輕一掃 就可以方便進行各種購物 以及獲得詳細的費用清單 中國電信一直在推介自己的全球眼技術 其實就是遠程監控的物聯網應用 比如上海海關都采用中國電信的遠程監控系統 通過畫面可以對貨物進行通關檢查 也減少人力 中國聯通日前在上海推出了公交卡手機 通過刷手機可以實現公交車票支付 這些都是典型的應用 23 公交卡手機 24 物聯網核心技術 物聯網核心技術包括射頻識別 RFID 裝置 WSN網絡 紅外感應器 全球定位系統 Internet與移動網絡 網絡服務 行業應用軟件 在這些技術當中 又以底層嵌入式設備芯片開發最為關鍵 引領整個行業的上游發展 以下我們著重介紹RFID技術和WSN技術 25 RFID技術 RFID意義 RFID作為物聯網中最為重要核心技術 對物聯網的發展起著至為重要作用 RFID目前仍然面臨著諸多問題有待解決 RFID的存在諸多國際標準 如影響力最大的EPCGlobal標準 支持各頻段的ISO IEC標準 以及日本本土制造商SONY NEC等支持的UID標準 各國際標準間互不兼容 導致RFID應用難以大范圍內推廣 目前 歐盟下的GRIFS項目致力于各RFID標準開發機構間相互合作 RFID的標簽成本仍然過高和中國自主制定的RFID標準推廣問題都成為制約物聯網問題的瓶頸之一 除此之外 目前RFID應用大中集中為閉環市場 集中于醫療 軍工等 到普及的開環市場還有一段時日 26 RFID技術 標準概況 RFID系統主要由數據采集和后臺數據庫網絡應用系統兩大部分組成 目前已經發布或者正在制定中的標準主要與數據采集相關 其中包括電子標簽與讀寫器之間的接口 讀寫器與計算機之間的數據交換協議 RFID標簽與讀寫器的性能和一致性測試規范以及RFID標簽的數據內容編碼標準等 在RFID標簽的數據內容編碼領域 各路標準競爭最為激烈 目前全球共有五大標準組織 分別代表了國際上不同團體或者國家的利益 其中EPCGlobal是由北美UCC產品統一編碼組織和歐洲EAN產品標準組織聯合成立 在全球擁有上百家成員 并且得到了零售巨頭沃爾瑪 制造業巨頭強生 寶潔等大型企業的強力支持 而AIM ISO UID則代表一部分歐美國家以及日本對RFID標準的爭奪 IP X的成員則以非洲 大洋洲 亞洲等國家為主 比較而言 EPCGlobal得到更多廠商的認可和支持 27 WSN技術 WSN前景 無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成 通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡 傳感器網絡將能擴展人們與現實世界進行遠程交互的能力 無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取平臺 能夠實時監測和采集網絡分布區域內的各種檢測對象的信息 并將這些信息發送到網關節點 以實現復雜的指定范圍內目標檢測與跟蹤 具有快速展開 抗毀性強等特點 有著廣闊的應用前景 美國商業周刊和MIT技術評論在預測未來技術發展的報告中 分別將無線傳感器網絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一 28 WSN網絡結構 WSN網絡通常分為物理層 MAC層 網絡層 傳輸層 應用層 物理層定義WSN中的Sink Node間的通信物理參數 使用哪個頻段 使用何種信號調制解調方式等 MAC層定義各節點的初始化 通過收發beacon request associate等消息完成自身網絡定義 同時定義的MAC幀的調試策略 避免多個收發節點間的通信沖突 在網絡層 完成邏輯路由信息采集 使收發網絡包裹能夠按照不同策略到使用最優化路徑到達目標節點 傳輸層提供包裹傳輸的可靠性 為應用層提供入口 應用層最終將收集后的節點信息整合處理 滿足不同應用程序計算需要 29 WSN相關標準組織 IEEE802 15該組織致力于無線個人網 WPAN 網絡底層協議標準制定 其分表的IEEEStd802 15 4 2006詳細定義了PHY和MAC層實現的各種機制 在最近的IEEEStd802 15 4 2009c中添加了對中國WPAN頻段支持 314 316MHz 430 434MHz and779 787MHzbands 以及O QPSK調制的支持 ZigBeeAllianceZigbee是基于IEEE802 15 4標準建立的針對WPAN的整套協議棧 IEEE802 15 4標準與ZigBeeAlliance的關系相當于IEEE802 11標準與WIFIAlliance的關系 基于ZigBee的RF芯片在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信 這些傳感器只需要很少的能量 以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器 所以的通信效率非常高 廣泛應用于工業場景 30 WSN相關標準 IETF6LoWPAN該工作組的任務是定義在如何利用IEEE802 15 4鏈路支持基于IPv6的通信的同時 遵守開放標準以及保證與其他IP設備的互操作性 該協議中使用了IP報頭壓縮技術 將龐大的128位IPv6源或目的地址壓縮或刪除 同時在MAC與IP層之間使用適配層 使得1280比特的IPv6的MTU能夠在127字節的MACframe上傳輸 IPSOAlliance該聯盟為各大IT廠商結合產物 致力于推動IP協議在智能物體上的普及 ZigBee標準ZigBee協議棧底層是基于IEEE802 15 42003的PHY層和MAC層機制構成 而上層包括應用層 網絡層和安全服務層 31 32 4G技術 3G背景 2008年5月 由國資委牽頭的電信業務重組方案正式公布 中國聯通的CDMA網與GSM網被拆分 前者并入中國電信 組建為新電信 后者吸納中國網通成立新聯通 鐵通則并入中國移動成為其全資子公司 中國衛通的基礎電信業務將并入中國電信 根據電信業重組方案 3G牌照的發放方式是 新中國移動獲得TD SCDMA牌照 新中國電信獲得CDMA2000牌照 中國聯通獲得WCDMA牌照 2009年1月7日14 30 工業和信息化部為中國移動 中國電信和中國聯通發放3張第三代移動通信 3G 牌照 此舉標志著我國正式進入3G時代 33 4G技術 4G前景 3G與2G的主要區別是在傳輸聲音和數據的速度上的提升 它能夠在全球范圍內更好地實現無線漫游 并處理圖像 音樂 視頻流等多種媒體形式 提供包括網頁瀏覽 電話會議 電子商務等多種信息服務 同時也要考慮與已有第二代系統的良好兼容性 而4G通信技術將繼續大幅提高通話質量及數據通信速度 目前 4G通信技術相關的科研和應用探索已經在全球各大高校和企業研究中心內悄然進行 4G最大的優勢在于更高的數據傳輸速率 預計數據傳輸速率會超過100Mbit s 這個速率是目前移動電話數據傳輸速率的1萬倍 也是3G移動電話速率的50倍 隨之而來的高清晰電視電影節目將推動手機新的應用模式 此外 4G通信技術有望集成不同模式的無線通信協議 從無線局域網和藍牙等室內無線網絡 到室外的蜂窩信號 廣播電視到衛星通信 移動用戶可以自由地從一個標準漫游到另一個標準 34 4G關鍵技術 接入方案 第一代無線通信標準使用普通的TDMA或FDMA TDMA在高速率信道上 為了避免多徑效應 需要加大保護周期 這使TDMA變得低效 2G的無線通信標準GSM使用TDMA和FDMA的結合形式做為接入方案 而CDMA標準使用另外一種接入技術 CDMA 而在3G中 IS 2000 UMTS HSXPA 1xEV DO TD SCDMA接入方案都為CDMA 在4G中 新的接入方案將得到布署 這包括OFDMA和SC FDMA MC CDMA等 IPv6支持 在3G標準的基礎架構中 同時使用并行的電路交換和數據包交換網絡 在4G中 將只支持數據包交換網絡 有利于數據傳輸的低延遲 IPv6擁有著用之不盡的IP地址 足以滿足全球所有手機終端的編號支持 35 4G關鍵技術 高級天線系統 在4G中 將會使用多天線技術 這將意味著高速率 高穩定 遠距離通信的實現 多天線意味著空間利用 spatialmultiplexing 對功耗限制和帶寬保留的實現起著重要作用 MIMO是多天線系統中的代表技術 在下一代無線局域網802 11n中 已得到廣泛布署 未來的手機和移動基礎也將會大量布署MIMO技術 36 4G標準 目前 ITU對4G標準的征集從2009年開始 到2009年底征集標準結束 正式標準在2011年確定 現在主推的4G標準包括由3GPP主推的LTE LongTermEvolution IEEE主推的WiMax以及UWB標準 在完成TD SCDMA商業應用后 中國政府正在制定自主的4G標準 中國移動計劃將其下一代移動網絡升級為TD LTE 37 關注中國物聯網 比特網 ChinaByte 9月21日消息 在20日09通信展最后一天 工信部副部長奚國華表示 傳感網和物聯網是兩個名字一個概念 為方便交流宣傳 傳感網是官方用名 物聯網可作為小名使用 節選自 38 關注中國物聯網 日前 經國家標準化管理委員會批準 全國信息技術標準化技術委員會組建了傳感器網絡標準工作組節選自 39 關注中國物聯網 09年8月7日 溫家寶總理在考察中科院無錫高新微納傳感網工程技術研發中心時指出 要積極創造條件 在進入微納傳感網領域比較早的無錫 建立中國的傳感網中心 感知中國 中心 09年9月25日 省長羅志軍在無錫就推進傳感網產業發展進行調研 并召開座談會研究部署無錫 感知中國 中心規劃建設下一階段工作任務 他指出 在無錫規劃建設 感知中國 中心節選自 40 關注中國物聯網 物聯網 調整后將迎來第二春 物聯網 調整后將迎來第二春從9月中旬開始 物聯網 概念股成為市場炒作的熱點 以遠望谷 新大陸等為代表的個股紛紛出現連