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第三部分相关技术及应用

本部分课程介绍了物联网的概念、发展、应用、技术体系、标准、及关键性技术环节。

第一课物联网概述

一切资产能见化：

使军中物资可以了如指掌（信息统筹）；尽量减少在机场、货栈中累积和存放的物资（加快流转）；确保正确的货柜和正确的物资按时地送到用户的手中（减少损耗）。

国际运输信息跟踪系统：

美军军用物资中心还开发了一个使用射频辨识标签和全球定位技术的“资产可见系统”，称之为国际运输信息跟踪系统。

在这套跟踪系统中，射频询问器和卫星接收器都可以安装在运送军用物资的载体上，射频询问器读到附置在每一个集装箱和货柜上的“射频辨识标签”所发出的信息，并将之与运输载体的位置数据一起通过卫星接收器和发送器，送到军用物资运输中心的数据库。

后勤官员通过查询数据库就可以知道所运送的物资及运载体目前所处的位置。

用户可以直接，从运载体上取得物流的信息，甚至可以在计算机上对照地图跟踪货物运输的情况。

联合后勤管理系统：

该系统的目标就是对军中一切资产进行识别和跟踪，包含从供应商订货开始，直至运输、仓储及送到用户手中的全过程，利用这套系统使后勤部门的官员和战地指挥官都可以对后勤物资的流动清晰可见，而在这之前是不可能做到的。

这套系统首先在欧洲战区开发和应用，并逐渐推广到全球的美军供应系统。

美国的这项军用信息技术很快就向民用转移。

WalMart花费了很长的时间和很多的资源来开发民用的RFID系统。

早期的RFID系统是将芯片安置在每一个集装箱、货柜、或特定的装备上；而后，则是用RFID取代条形码，将芯片配置在每一件物品上。

利用RFID构造的系统，有可能实现“一切社会商品、物资的能见化”，不仅对物流，而且对社会经济活动和管理意义重大。

联合后勤管理系统的特点

（一）：

利用“射频辨识标签（RFID）”取代条形码，安置在每一个集装箱、货柜、或特定的装备上。

这种“射频辨识标签”，实质上是一个微电子芯片，用以取代条形码，就可以使计算机自动跟踪每一件物品，不需要再用人工扫描条形码。

在美军运送货物的各条路线上的关卡或检查站，装有“射频询问器”。

载运军用物资的飞机、汽车或其他交通工具在通过关卡或检查站时，射频询问器即可从集装箱或货柜所带的“射频辨识标签”上取得所载物资的标号信息。

联合后勤管理系统的特点

（二）：

标号信息与射频询问器的地理位置信息均通过国防部的通讯卫星送至位于美国马萨诸塞州剑桥市的军用物资运输中心，同时存入这个中心的在运物资信息库。

散布于各地的美国陆海空三军的六个指挥和后勤中心均可进入和访问这个数据库，只要有一台笔记本型电脑即可。

用户只要键入集装箱或货柜的编号或物资申请单的号码即可跟踪货物的运送情况。

必要时，也可以按所需的装备的种类和名称来查询，非常方便。

国际运输信息跟踪系统：

一个使用射频标签和全球定位技术的资产可见系统，称之为国际运输信息跟踪系统。

射频询问器和卫星接收器可安装在运送军用物资的载体上，射频询问器读到附置在每个集装箱和货柜上的射频辨识标签所发出的信息，并将之与运输载体的位置数据一起通过卫星接收器和发送器，送到军用物资运输中心的数据库。

沃尔玛与宝洁公司的RFID实验：

这项计划将要求数以亿计的商品配置电子标签，并能在供应链任何地方被实时跟踪；安装在工厂、配送中心、仓库及商场货架上的读写器能自动记录商品在整个供应链上流动的信息。

第二课物联网概念的发展与解析

2005年国际电信联盟（ITU）在突尼斯举行的信息社会世界峰会上正式确定了“物联网”的概念，随后发布了《ITU互联网报告2005：

物联网》，介绍了物联网的特征、相关的技术（射频识别技术、传感器、智能植入技术和纳米技术）、面临的挑战和未来的市场机遇。

2008年11月1日IBM提出了“智慧地球”的概念，是IBM对于如何运用先进的信息技术构建这个新的世界运行模型的一个愿景。

智慧地球就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓物联网，然后将物联网与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。

智慧地球的关键特征：

利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统共同构成物联网的末梢感知网络，不仅能够提供事物本身的信息，而且能够提供各种关联信息；通过各种形式的通信网络将各种事物以不同方式联入网络，将各类系统中收集和储存的

IBM认为建设智慧地球需要三个步骤：

各种创新的感应科技开始被嵌入各种物体和设施中，从而令物质世界被极大程度的数据化。

随着网络的高度发达，人，数据和各种事物将以不同方式联入网络。

先进的技术和超级计算机可以对这些堆积如山的数据进行整理，加工和分析，将生硬的数据转化成实实在在的洞察，并帮助人们做出正确的行动决策。

物联网概念特征的发展历程：

物联网是现代信息技术所引起的一场关于物的利用和管理的革命，它既是当代信息化向高端发展的一个重要内容，也是新型工业化的一个重要方面。

1999年以标准为特征，网络RFID系统，实现对物品的识别和管理。

2005年，以互联为特征，物联网报告，所有物品与网络的连接与信息共享。

2008年，以智能服务为特征，智慧地球，更透彻的感知，更全面的互联通，更深入的智能化。

物联网的典型定义：

定义一：

由具有标识，虚拟个性的物体/对象所组成的网络，这些标识和个性运行在智能空间，使用智慧的接口与用户，社会和环境的上下文进行连接和通信。

（2008年5月，欧洲智能系统集成技术平台，EPoss）

定义二：

物联网是未来互联网的整合部分，它是以标准，互通的通讯协议为基础，具有自我配置能力的全球动态网络设施。

在这个网络中所有实质和虚拟的物品都有特定的编码和物理特性，通过智能界面无缝连接，实现信息共享。

（2009年9月，欧盟第七框架）

定义三：

通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品和互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别，定位，跟踪，监控和管理的一种网络。

它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。

（2010年3月，我国政府工作报告）

物联网概念的解析

侠义：

连接物品到物品的网络，实现物品的智能化识别和管理。

广义：

一种实现物与物之间，人与物之间的信息互联的网络，从而孕育出各种新颖的应用和服务。

外延：

实现物理世界与信息世界的融合，将一切事物数字化，网络化，在物品之间，物品与人之间，人与现实环境之间实现高效信息交互，是信息化在人类社会综合应用达到的更高境界。

物联网的功能特征：

普适性的数据分析和服务，异构性的网络基础设施，泛在化的数据传感单元。

物联网是信息化发展深化的必然阶段

物联网的概念特点：

物联网是互联网和通信网的拓展应用和网络延伸，它通过感知识别，网络传输互联，计算处理等三层架构，实现人与物，物与物信息交互和无缝连接，提升人对物理世界实时控制和精确管理能力，从而实现资源优化配置和科学智能决策。

物联网概念的解析

三层架构：

感知/网络/应用层，两类模式：

后台网络智能决策，现场终端智能决策。

本质：

人对物理世界的实时感知，精确管理，智能控制。

目标：

智能科学决策。

与物联网有关的通信术语：

IOT：

一种通过现有和演进的ICT支持所开发的数据获取与通信能力并基于标准和互操作通信协议互连物理与逻辑物件，用以充实人们的生活并有利于信息集合和知识生产的全球信息通信设施。

M2M：

机器到机器的通信是在机器之间无需（或仅是有限）人为交互或干预的通信，是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。

M2M表达的是多种不同类型的机器通讯技术：

机器设备之间的通讯、机器控制通讯、人机接口通讯等。

目前M2M更多的是指非IT机器设备通过移动通信网络与其他设备或IT系统的通信。

MTC：

机器类通信是一种无需人工交互的一个或多个实体的数据通信形式。

MOC：

面向机器的通信是在两个或者多个物品之间的通信，其中至少一个物品在通信过程中不需要人为交互或者干涉。

CPS：

信息物理融合系统，是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C，即计算、通信和控制技术的有机融合与深度协作，实现大型系统的实时感知和动态控制。

CPS基本特征是构成了一个能与物理世界交互的感知反馈环，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现与实物过程的密切互动，从而给实物系统增加或扩展新的能力。

物联网与M2M和CPS

M2M和CPS都是物联网的一种变现形式，M2M侧重于机器之间的通信过程，而CPS则更强调反馈与控制过程，突出对物的实时、动态的信息控制与信息服务。

M2M偏重于实际应用，得到了工业界的重点关注，是现阶段物联网的最普遍的应用形式；CPS更偏重于研究，吸引了学术界的更多目光，将是物联网应用的重要技术形态。

物联网与互联网的关系

物联网的底层借助RFID和传感器等实现对物件的信息采集，通过传感网将一组传感器的信息汇集，并连到核心网络；基础网络是物联网的重要组成部分，用于承载物物互联或物与人互联的信息传递。

物联网可用的基础网络可有很多种，根据应用的需要，可采用公众通信网络，或者采用行业专网，甚至新建专用于物联网的通信网。

互联网既可以连接人也可以连接物，既可以连接虚拟世界也可以连接实际世界。

通常互联网最适合作为物联网的基础网络，特别是当物物互联范围超出局域网，以及当需要利用公众网传送需处理和利用的信息时。

物联网与互联网上传统业务相比有不同的特点：

在物联网以互联网作为基础网络平台的情况下，物联网相当于互联网上面向特定任务来组织的虚拟专用网（VPN）；互联网是全球性的，但物联网往往是行业性的或区域性的。

与其说物联网是网络，不如说物联网是业务或应用形态；物联网应用的多样性与承载平台的通用性之间需要有中间件来适配；物联网的上层即智能信息处理、数据挖掘与决策支撑等是传统互联网业务不一定需要的功能。

第三课物联网在国内外发展现状

国外物联网应用与发展趋势：

欧美和日韩的运营商在物联网产业链中均处于主导地位，但角色地位略有差异，前者各环节有传统厂商以及运营商共同推进，以及新兴的专注于M2M的厂商积极参与，产业生态较为成熟，后者运营商成为产业链的主要推动力。

2008年IBM提出智慧地球计划，2009年奥巴马政府批准相关领域发展计划：

智慧电网、智慧医疗。

欧盟：

专家小组制定14行动计划。

2005年6月，欧盟制定i2010：

欧洲信息社会规划。

2009年6月，发布物联网：

欧洲行动计划。

2009年10月，欧洲物联网路线图2020。

2010年7月，第二届物联网大会，成立欧盟物联网专家小组。

国内对物联网发展的重视：

2009年8月7日，温家宝总理视察无锡时提出感知中国理念，由此推动了物联网概念在国内的重视。

2009年11月3日，温家宝向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，将物联网列入五大必争产业制高点之一。

2010年3月5日，温家宝总理在《政府工作报告》将加快物联网的研发应用，明确纳入重点产业发展。

2010年1月，国家发改委委托中国工程院启动了中国物联网和相关产业十二五发展战略研究：

加强我国物联网相关领域专业发展；核心技术掌握现状的调查、评估；系统考虑网络、软件、硬件等未来十到二十年的产业技术路线图；构建全球领先的物联网应用、产业和技术创新体系；提出操作性更强的工程和政策建议。

2011年物联网发展专项资金支持范围：

技术研发类项目：

重点支持智能传感器、超高频和微波RFID、传感器网络和节点等感知技术，物联网应用中间件、嵌入式系统、海量数据存储于处理等应用技术，物联网信息安全、标识编码、频谱等共性技术的研发。

产业化类项目：

重点支持传感器、二维条码识读设备、M2M设备、传感器网络通信模块/节点/网关、应用软件、信息安全等关键产品的中试和规模化生产。

应用示范与推广类项目：

支持有利于提高生产效率、改造传统工业流程、促进安全生产和节能减排的工业行业应用示范，以及在公共安全、公共服务、社会信息化等社会管理领域中的应用示范。

标准研制与公共服务类项目：

支持物联网总体架构、接口、协同信息处理等基础和共性技术的研制；支持物联网共性技术服务平台及综合信息服务平台建设。

中国物联网产业发展战略规划：

工信部披露的公开信息显示，中国物联网在十二五期间将重点发展十大应用领域、四大核心技术，并希望在2015年形成核心技术2000亿元的产业规模。

十大应用领域：

智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、环境与安全检测、工业与自动化控制、医疗健康、精细农牧化、金融与服务业、国防军事。

四大核心技术：

传感器；系统和实验检测；芯片、中间件集成模块及设备；工程实施、服务

开发及系统运维。

2015年产业目标：

形成50个面向物联网应用的示范工程，形成5-10个物联网示范城市，核心技术的产业规模达到2000亿元。

国内对物联网核心技术发展的扶持：

2010年起，国家科技部等部委出台了一系列支撑物联网研究的国家科技计划项目，包括：

新一代宽带无线移动通信网重大专项（2010年度课题：

短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化；2011年度课题：

物联网及泛在网）；国家重点基础研究发展计划（973计划）：

2010年度课题：

物联网体系、理论建模与软件设计方法。

国内物联网人才培养的体系建立：

2010年7月，教育部向社会公布了新设立的140个本科新专业详单，其中物联网工程专业榜上有名。

无锡市建设国家传感网创新示范区：

2009年11月底，国务院正式批准无锡建设国家传感网创新示范区（国家传感信息中心）。

此前，中科院、清华大学、北京邮电大学、东南大学等20多家科研院所已在无锡设立机构，中国移动、中国联通、中国电信三大移动运营商也先后登陆，与无锡市政府签约开展传感网应用技术研究合作，传感网各类资源要素已聚集无锡。

中关村物联网产业联盟：

2009年11月1日，中关村物联网产业联盟成立，联盟宗旨：

打造中国物联网产业中心，以应用为导向、以产业为主线、以技术为核心、以创新为动力、打造中国物联网产业中心。

国内各省市物联网产业发展规划：

东中西分不均、缺乏长远规划、地方特色不够明星。

第四课物联网面临的标准化问题

物联网发展的八大关键要素：

标准、规范、标识、资源、隐私、安全。

（应用、网络、感知、法律、政策、国际治理）

物联网标准的全球研究进展：

物联网的标准化工作在全球的多个标准化组织竞相开展，包括：

国际标准化组织（ITU、ISO、IEC）、区域性标准化组织（ETSI）、国家标准化组织（CCSA、ATIS、TTA、TTC）、行业标准化组织、论坛和任务组（IETF、IEEE、OMA）等。

国际电信联盟的物联网标准化研究

ITU-T作为联合国负责信息和通信标准化的专设机构，在全球物联网标准化总体组织协调和具体标准制定中具有举足轻重的地位。

ITU-T为了加快推进物联网标准化，于2011年2月确定成立物联网全球标准推动组。

ITU-T物联网方面的标准集中在总体框架、标识、应用、安全等四个方面；相关标准化工作主要分布在SG13、SG16、SG17和SG11等四个研究组。

SG13组主要从NGN角度对物联网展开研究，目前的标准化范畴集中在物联网需求和系统架构研究、物联网的参考模型、商业模式等。

SG16侧重于对具体物联网业务应用、物联网标识和解析体系进行研究；

SG17的研究侧重于物联网安全；

SG11主要针对具体实现和测试方法进行研究。

国际电信联盟已正式通过物联网相关标准

2012年7月，ITU-T第13研究组会议正式通过“物联网概述”标准、标准编号为Y.2060。

该标准由我国发起立项，标准涵盖物联网的概念、术语、技术视图、特征、需求、参考模型、商业模式等基本内容。

该标准是全球的第一个物联网总体性标准，对于全球物联网标准化具有重要的里程碑意义。

目前，ITU-T正在推进三个物联网标准草案的主要编辑工作，这三个物联网标准草案包括：

物联网通用需求、物联网功能框架及其能力，以及物联网应用支撑模型。

中国的物联网相关标准化组织

2009年9月，传感器网络标准工作组成立：

经国家标准化管理委员会批准，全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准工作组，积极开展传感网络标准制定工作，深度参与国际标准化活动，旨在通过标准化为产业发展奠定坚实技术基础。

2010年6月，物联网标准联合工作组成立

联合工作组将紧紧围绕物联网产业与应用发展需求，统筹规划、整合资源，坚持自主创新与开放兼容相结合的标准战略，加快推进我国物联网国家标准体系的建设和相关国标的制定，同时积极参与有关国际标准的制定，以掌握主动权。

我国对于国际物联网标准化工作的支持

2011年2月，ITU-T发起“物联网全球标准行动”，工信部电信研究院的专家被选为LOT-GSI技术标准评议协调官；2012年1月，ITU-T成立M2M焦点组，工信部电信研究院的专家称为焦点组主席。

利用ITU-T形成的有利平台，国内相关单位牵头研究相关的国际规范，中国电信牵头立项了物联网网关通用需求和能力、下一代网络环境下面向机器通信的需求标准，中国联通牵头立项了电子健康检测业务需求和能力要求标准。

物联网标准化体系的构建

物联网标准化体系应由物联网总体标准、物联网共性技术标准以及行业物联网标准构成。

物联网总体标准由基本标准、物联网需求类标准、物联网架构类标准、物联网评估和测试类标准构成。

基本类标准将包括物联网基本术语、物联网的总体参考模型等；物联网需求类标准包括物联网的总体技术要求、物联网安全的总体技术要求、物联网服务质量总体要求、物联网标识和解析的总体要求；物联网架构类标准包括物联网系统的总体架构、物联网安全的总体架构、物联网标识和解析的总体架构等；物联网评估和测试类标准包括物联网应用评估、物联网公共测试等。

物联网共性技术标准包括信息感知技术类标准、信息传输技术类标准、信息开放技术类标准和信息处理技术类标准，这些标准是用于不同行业物联网的共性技术标准。

物联网共性标准基于可重用于物联网应用的现有各类信息通信技术标准。

行业物联网标准由公共服务和智能电网、智能交通、智能医疗等垂直行业物联网标准构成。

行业物联网标准将遵循物联网总体性标准和共性技术标准的要求，面向行业应用需求，研制开发行业特有的技术、产品和应用类标准。

第五课EPCglobal给出的体系架构

EPCglobal简介：

1999年MIT成立了Auto-IDCenter，并且提出了产品电子码的概念，之后与七所知名大学共同组成Auto-IDLabs，旨在通过互联网平台，利用射频识别、无线数据通信等技术，构造一个实现全球物品信息实时共享的网络。

2003年11月1日，国际物品编码协会（EAN/UCC）正式接管了EPC在全球的推广应用工作，成立了电子产品代码推广中心（EPCGlobal）标志着EPC正式进入全球推广应用阶段。

负责管理和推广EPC工作，并与Auto-IDLabs保持密切合作，使研究机构与使用者之间架起一座沟通的桥梁；EPCglobal成立的目的是为了推动EPC机制，并且制定标准规范，使这个机制能在全球广泛地应用。

EPCglobal与物联网：

EPCglobal建立的网络架构又称为“物联网”，利用现有Internet的网络架构，在全球建立起一个庞大的物品信息交换网络，并且使所有参与流通的物品都具有唯一的产品电子码。

借由EPCglobal网络架构相关机制，将使具有产品电子码的物品，在网络上准确的定位于追踪，并且为每项物品建立一套完整的电子履历，使伪造商品不能流通。

EPC的系统结构：

全球电子产品编码体系、EPC识别系统、信息网络系统。

EPC规定了用数字信息的形式将物品信息存储于具体的商品实物固定在一起的RFID应答器中。

EPCglobal网络：

将RFID与因特网技术串联起来，使任何产业的企业供应链，在世界任何地方、任何时候，数据都是透明可追踪。

EPCglobal网络的RFID技术初阶段着重在供应链的应用，因此须建构传递对象信息的整体网络，网络主要构成有五个元素：

产品电子码、标签和读取器、EPC中间件、对象名称解析服务、EPC信息服务系统。

EPC编码：

EPC编码由版本号、EPC域名管理、对象分类和序列号四个字段组成。

实体标记语言（PML）：

由可扩展标记语言（XML）发展而来，是一个标准词汇集，用于表述和传递EPC相关信息，是阅读器、Savant、EPCIS、应用程序、ONS之间相互通信的共同语言，是一种相互交换数据和通信的格式，与实际如何存储数据无关，它名为实体标记语言，但本身不是产品描述标记语言。

EPCglobal网络应用优点：

较低的存货成本、减少缺货产生、降低盘损、提高资产使用率、杜绝仿冒、改善产品回收作业。

EPCglobal网络与物联网的关系：

基于EPCglobal标准的网络是一个能够实现供应链中的商品快速自动识别以及信息共享的框架，通过采用多种技术手段，基于EPCglobal标准的网络为在供应链中识读EPC所标识的贸易项目、并且在贸易伙伴之间共享项目信息提供了一种机制。

基于EPCglobal标准的网络可以看作是物联网的一种早期形态或者专有形态。

通过EPCglobal网络，企业对RFID技术的应用将有企业内部的闭环应用过渡到供应链的开环应用上，实现真正的物联网。

第六课机器对机器采用的体系架构

（一）

什么是M2M业务？

M2M业务室基于特定行业终端，以固定/移动通信网为接入手段，为集团客户提供机器（远程监控终端）到机器（信息处理中心）的解决方案，满足客户对生产过程监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的信息化需求。

广义上来看，M2M可代表机器对机器、人对机器和机器对人之间的连接于通信，它涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。

它是时下物联网技术发展的关键。

M2M可以分为机器对机器、人对机器、机器对人三大类。

M2M的意义：

M2M是一种理念，也是所有增强机器设备通信和网络能力技术的总称。

人与人之间的沟通很多也是通过机器实现的。

M2M是一种通信手段和通信方式的拓展，实现人与人通信之外的信息沟通，进一步加快社会信息化进程。

M2M的国际化标准：

M2M总体框架，术语、需求和功能架构完成。

智能计量、电子医疗应用场景完成；启动用户互联、城市自动化、汽车应用的应用场景研究。

3GPP2网络增强：

TSG-S：

启动M2M需求以及对网络的增强要求研究；SGAdHoc：

启动M2M对编码的要求。

SA1：

MTC需求和特性，已经完成，定义了16种业务特性；

SA2：

支持MTC对核心网络的增强要求；

SA3：

MTC的安全特性

RAN2/GERAN：

UMTS/LTE/GSM/EDGE无线网络优化

IEEE802.16网络增强：

确定M2M增强为802.16m之后系统演进的高优先级功能。

2010年4月开始启动M2M需求、应用场景和架构前期研究，准备802.16p立项。

第七课机器对机器的体系架构

（二）

ETSI定义的简化M2M体系架构

M2M功能体系架构重点研究为M2M应用提供M2M服务的网络功能体系结构，包括定义新的功能实体，与ETSI其他TB或其他标准化组织标准间的标准访问点和概要级的呼叫流程。

M2M技术涉及到了通信网络中从终端到网络再到应用的各个层面，M2M的承载网络包括了3GPP、TISPAN及IETF定义的多种类型的通信网络。

3GPP定义的M2M业务需求

M2M通信特征：

MTC设备与一个或者多个MTC服务器进行通信，3GPP网络作为MTC设备与服务器之间传递信息的承载通道。

通用业务需求：

地址和标号（地址空间受限，受限的编号涉及到MSI,MSISDN和IPv4地址，编号能够唯一标识一个MTC设备，能够唯一标识一个MTC设备组；计费：

能够对一个MTC组进行计费，能够对特定的时间段执行特殊费率、能够对特定的事件进行计费；安全：

能够提供H2H相同的安全级别。

远端MTC设备管理由现有的机制完成，例如OMADM。

特定业务需求：

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