《现代通信技术导论》课件第8章 物联网通信.ppt

1、第8章 物联网通信p8.1 物联网的基本概念p8.2 物联网的基本原理p8.3 物联网的应用p8.4 物联网通信发展的趋势8.1 物联网的基本概念 p2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了ITU互联网报告2005：物联网，正式提出了物联网的概念。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。根据ITU的描述，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界

2、里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。8.2 物联网的基本原理物联网的基本原理p物联网的基本原理是先利用无线射频技术、无线传感器以及全球定位系统等对物品的信息进行识别和采集，然后利用信息传输网络将信息汇集到数据处理系统对数据进行处理，将处理后的数据反馈给各种应用实体。物联网的网络架构包括感知层、网络层和应用层。物联网的网络架构 8.2.1 感知层 p感知层位于物联网的最底层，是物联网数据信息的来源。感知层用来感知和采集物理世界中的物理数据和事件，包括众多的数字信息和物理量，以及图片、音频、视频等多媒体信息，同时接收上层网络传送来的

3、控制信息，并完成相应的执行动作。物联网信息采集的技术种类繁多，主要包括RFID 技术、无线传感技术和全球定位系统。一、物联网感知方法一、物联网感知方法pRFID 系统一般由阅读器、标签和数据处理系统等组成，标签又分为无源的和有源的。在嵌入无源标签的物品进入识别范围内后，其利用读写器发出的射频信号驱动标签内的芯片使其发送出物品信息，读写器随后接收芯片的应答，将信息处理后发送到中央信息系统。嵌入有源标签的物品在进入识别范围后，会主动向读写器发送物品信息。p无线传感器网络是早于物联网出现的一个概念，作为感知手段，在物联网出现后以传感器网络子网或端节点的形式被纳入到物联网的感知层部分。无线传感技术是由

4、智能传感节点和接入网关组成，智能节点感知信息（温度、湿度、图像等），并自行组网传递到上层网关接入点，由网关将收集到的感应信息通过网络层提交到后台处理。pGPS是目前世界上应用最为广泛和成熟的定位技术，主要由空间卫星、地面控制站和用户接收设备等组成。在测量出某一已知位置的卫星到用户接收机的距离的基础上，再综合其他卫星的测量数据和手持设备，则可快速准确地得出接收机所在位置的三维坐标等相关信息。二 RFID技术1、RFID技术的起源与发展pRFID起源于20世纪40年代，当时的雷达技术催生了RFID技术，并在1948年奠定了RFID的理论基础；经过几十年的实验和研究，RFID技术的研发在20世纪70

5、年代达到高潮，进而首次被商业应用；90年代人们开始重视RFID技术的标准化问题，以更加丰富的经验应用着RFID技术，RFID越来越多地进入人们生活；本世纪以来，随着RFID标签造价的降低而得到大规模应用。目前RFID技术应用己经处于全面推广的阶段。2、RFID系统组成pRFID系统细分由五个组件构成，包括：传送器、接收器、微处理器、天线、标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)，因而工业界经常将RFID系统粗分为为阅读器、天线和标签三大组件，这三大组件一般都可由不同的生厂商生产。RFRD系统组成 3、RFID系统分类pRFID系统有多种不同的分类方法。按

6、照工作频率来分可分为低频(30-300kHz)、高频(3-30MHZ)、超高频(300MHz-3GHz)，3GHz以上为微波范围。其中，低频有125kHz，133kHz两个典型工作频率，通常为无源标签，通信范围小于1米，标签数据量小，成本低；高频的典型工作频率为13.56MHz，标签和阅读器成本均较高，标签存储数据量较大，有效阅读距离在1米或几米的范围内；超高频的典型工作频率有433MHz，860-960MHz，以及严格意义上说属于微波范围的2.45GHz，5.8GHz，这些频率的标签分为有源和无源两种。通信范围大于1米，典型情况为4-6米，最大可能超过10米。p按照标签的主动被动来分类可以分

7、为被动式标签(Passive Tag)，主动式标签(Active Tag)，半主动标签(Semi-active Tag)。被动式标签内部没有电源设备，因而也称无源标签，该类标签通过阅读器的电磁波驱动而发送数据传递给阅读器；主动式标签内部携带电源设备，又称有源标签，电源设备的存在使该类标签体积大，价格昂贵，但通信距离因而更远，有的甚至可达上百米；半主动标签内部携带电池，用来充当传感器的能量来源，在阅读时同样是通过阅读器的驱动来实现信息传递。4、标签防冲突p标签进入阅读器的工作范围就将被驱动并按照一定的协议读取，但随着阅读器通信距离的增加，其识别区域的面积也在增大。有两类冲突将会发生，第一类冲突是

8、当两个或多个阅读器覆盖了同样的一块区域时，在该区域的标签会发生读取逻辑上的紊乱，即标签不知道该被哪个阅读器驱动，若多个阅读器对该标签有不同的指示，该标签就不能确定自己该执行哪个指示。这类冲突通常被称为阅读器信号冲突问题。p第二类冲突是在RFID系统读取过程中，一个阅读器的读取范围内会有多个标签甚至大量的标签进入，当两个以上的标签同时向阅读器发送标识信号时，信号将产生叠加而导致阅读器不能正常解析标签发送的信号。该类冲突被称为标签信号冲突问题。三、无线传感网节点定位 在无线传感器网络中，节点的地理位置信息具有重要意义。一些性能优异的地理路由方法需要节点的坐标信息来进行路由；传感器网络中节点感知到的

9、信息只有与节点所在的位置信息结合使用，才能对感知数据进行分析并获知该地域的环境的变化和异常 1、无线传感器网络的定位评价标准p定位精度。p定位方法在节点规模不同时的效果对比。p铺节点密度。p节点密度。p容错性和自适应性。p功耗。p代价。2、定位方法分类p根据是否汇聚各节点信息于某一节点做集中的定位可分为集中式定位和分布式定位。p根据节点的位置得出是否是其绝对位置分为绝对定位和相对定位。p根据是否使用到节点间测量距离信息分为两种，即：基于测距的(Range-Based)和无需测距的(Range-Free)定位方法。3、典型的定位系统pRADAR 系统pMicrosoft 的 RADAR 定位系统

10、是利用“指纹识别”技术，解决无线局域网中移动设备的定位问题。该系统通过对指定环境下的 RF 信号衰减值的处理实现定位，其中数据处理分为两个阶段：离线阶段和实时处理阶段。离线阶段是通过记录目标节点坐标所对应的 3 个基站的 RF 信号，生成以坐标为变量的 RF 信号信息函数；实时处理阶段采集 3 个基站的 RF 信号信息，根据信号信息函数求解目标节点的位置。通过这种方法可以达到 23m 的定位精度，实现房间级的定位需求。但使用这种方法采集离线定位样本依赖于实验环境，一旦基站移动，则需要重新建立信息库。为了克服环境依赖性，RADAR 提出了采用 WAF 来建立离线样本集，然后在利用位置指纹对目标节

11、点进行位置估计。WAF 与基站部署的位置关联很小，通常情况下，基站的移动并不需求重新生成模型参数 WAF。（2）SpotON 系统pSpotON 系统是一个典型的基于射频 RSS 分析的三维位置感知方法，可以实现小范围内的定位需求。SpotON 系统使用的是瞎子爬山的优化算法，根据 RF 信号的经验传播模型，通过最小化信号强度进行目标节点的位置估计。在定位系统的设计上，定位的目标对象通过同构的感知节点信号信息来定位，避免了对所有节点的集中控制，但由于 SpotON 标签的自身特点，在实际应用部署与扩展中受到很大限制。（3）LocSens 系统pLocSens 系统是最新开发的基于无线传感器网络

12、的室内定位系统。该系统将RSSI 作为位置计算数据源，实现了低成本的定位需求。在系统设计中，首先在定位区域全方位地对信号强度进行大量采样，建立样本数据库，并采用类似于基于“位置指纹”的算法实现位置估计。该算法在对目标对象的坐标位置求解中利用统计学方法求解最近邻节点的权值。系统在进行实验中采用多种传感器设备分别测试，实现了约2.34m 定位精度。此外，LocSens 还针对移动目标对象，利用目标对象的行迹数据对其进行跟踪，并优化了目标的移动轨迹。（4）Cricket 系统pE-911 系统及智能机器人导航等领域均使用 AOA 定位技术确定目标对象的移动方向及位置，但该方案通过高能耗的天线阵列进行

13、测量，不适用于低能耗的定位需求。针对这个问题，MIT 提出了一种融合 TDOA 和信号到达相位差的硬件解决方案Cricket Compass，其原型系统可在400角误差为50确定信号方向。Cricket 系统是麻省理工学院 Oxygen 项目的组成部分，用于确定大楼内目标节点的符号位置。该定位系统是通过 RF 信号与超声波信号达到的时间间隔及其速度，通过对未知节点与参考节点的距离计算，选择最近邻的参考节点估计自身所处的房间位置。（5）Active Badge 系统p在室内定位技术的研究早期，定位系统的开发常采用对实际带标识的设备进行静态部署，当目标节点感知到其标识设备后，则利用标识设备信息作为

14、目标节点的计算位置参考数据。Active Badge 系统就是利用该原理并结合红外线技术的集中式室内定位系统。由于红外线不能穿透墙壁，因此，系统对每一个标识目标设备安装了一个Badge，在每个 Badge 周期的每个 15s，红外线发送唯一的大约持续 0.1s 的 ID 号，标识目标设备接收到这些信号就将其传输至网络，并且指导当前某个 Badge 在这个单元附近，从而实现位置估计。Active Badge 系统最大的缺点是大规模的网络部署比较困难，此外，红外线抗干扰能力比较弱，比较适用于室外的定位应用需求 8.2.2 网络层网络层p传感网接入传感网接入Internet的方式的方式p无线传感器网

15、络（Wireless Sensor Networks，WSN）具有直接监测物理世界的能力，在环境监测、医疗健康、航空探测、智能家居等多个领域具有广泛的应用前景。Internet作为一个巨大的资源库，是资源整合、资源共享、服务提供、服务访问和信息传输的载体，但是Internet缺乏与物理世界直接打交道的能力。解决WSN接入Internet问题是用户查找、定购和使用WSN 提供服务的前提。p现有的WSN接入Internet方法主要包括：应用层网关、IP覆盖和虚拟IP网关等。1、基于网关的方法p使用应用层网关作为网络接口实现WSN 和Internet的互联。网关可以起到两种不同作用：p（1）网关作为

16、转发节点出现，其特点是要求客户端首先向代理服务器注册相关的数据信息，代理只是在传感网和因特网的客户端之问转发数据信息；p（2）作为前端节点出现，其特点是主动收集来自传感网的信息，来自因特网的客户端向代理查询，如果与收集的信息吻合，则向客户端发布相关信息，否则再向传感网广播查询信息。物联网网关典型结构 WSN-Internet网关结构 2、基于覆盖的方法p覆盖策略与网关策略最大的区别是没有明确的网关，协议之间的适配依赖于协议栈的修改。将WSN接入Internet存在两种基于覆盖的方法：p（1）Internet覆盖WSN，提出一个在传感器节点上实现IP协议栈的解决方案u.IP，此方法使得Inter

17、net用户能够直接访问拥有IP地址的传感器节点。但是IP协议栈仅仅能够被部署在具有较强能力的节点上；p（2）WSN覆盖Internet：WSN协议栈被部署在TCP/IP之上，Internet上的主机被看作虚拟传感器节点。Internet主机能够直接和传感器节点通信并像传感器节点一样处理数据包，其缺点在于需要在Internet主机上部署额外的协议栈。3、虚拟IP网关p此方法将传感器节点ID/位置与网关的IP地址映射。对于Internet用户，仅仅网关被分配虚拟IP地址，传感器节点并不分配IP地址。p以节点或位置为中心将传感网节点的ID或位置地址向网关的IP地址做映射。该IP地址并没有实际分配到传

18、感器节点上，而只是存储在网关中，作为internet用户访问时提供的虚拟IP地址。包括2部分：TCP/IP网络数据包-传感网数据包的转换和传感网数据包-TCP/IP网络数据包的转换。一、身份定义和地址解析一、身份定义和地址解析p 物联网将物与物、物与人、人与人等连接成一个有机整体，网内节点众多，如何高效、准确、实时地实现各个节点之间的通信与信息交换，是物联网的核心，也是关键技术之一。这就涉及到节点的寻址与地址解析。p1、身份的定义和地址解析的必要性p身份即物体的唯一标识码，不同于其他任何物体。地址解析，即网络地址和物理地址之间的相互映射与寻址关系。局域网或广域网并不知道一个IP地址前缀与一个网

19、络的关系，也不知道一个IP地址后缀与一台特定计算机的关系。更为重要的是，通过一个物理网络进行传送的帧必须含有目的地的硬件地址。软件在发送一个包之前，必须先将目的地的IP地址翻译成等价的硬件地址。2、身份定义国内外标准p下面针对RFID、WSN、互联网以及移动智能终端的身份定义分别作出说明p（1）RFID（无源）编码国际主流标准p针对物联网中纷繁复杂的众多节点，目前已有多种身份定义标准，比较主流的有以下几种：EPCglobal UID AIMglobal ISO/IEC IP-X。EPC Global字段解析（2）RFID编码国内标准及研究状况p我国由于RFID技术和产业发展比较滞后，技术应用规

20、模较小，使用频率有部分冲突，意见难以统一等原因，相关国家标准进展缓慢。已公布的几个标准中，很少涉及到核心技术，具有自主知识产权的RFID 相关标准较少，多数集中在应用层面，如GB/T 20563-2006动物射频识别代码结构、GB/T22334-2008动物射频识别技术准则等。（3）WSN、互联网、智能终端的身份定义p传感器网络：传感器网络中现在比较成熟的是802.15.4 协议，MAC地址是由64位组成的地址。p互联网中MAC地址是一个48位的地址，具有全球唯一性p手机IMEI码：IMEI码由GSM（全球移动通信协会）统一分配，15位组成。3、地址解析方案p针对不同的网络类型，目前地址解析的

21、方法不尽相同。针对这些特殊的编码方式，目前已有固定的解析协议。下面以EPC网络的地址解析方法为例说明。EPC网络工作流程 4、互联网地址解析p(1)IPV4地址解析-地址解析协议（Address Resolution Protocol，ARP）。ARP标准定义了两类基本的消息：一类是请求，另一类是应答。p(2)IPV6地址解析-包括2种报文：邻居请求报文和邻居宣告报文。p(3)WSN的地址解析p 基于代理或者网关情形的地址解析p 全IP下地址解析方案6LowPan NAT网关方式示意图 p传感器网络高效通信传感器网络高效通信p在物联网环境中由于网络规模以及设备和数据量的巨大，因此提高通信效率成

22、为亟待解决的问题。同样的问题也出现在无线传感器网络中，我们可以借鉴无线传感器网络中的高效通信方案来提高物联网中的通信效率。p无线传感器网络主要使用免费的ISM频段，如433MHz，2.450GHz频段等，目前无线传感器网络应用比较广泛的通信协议有IEEE802.15.4（Zigbee），蓝牙，和wifi技术等。由于数字电视的普及，原来模拟电视占用的频段被闲置下来，因此FCC（美国联邦通信委员会）考虑在不干扰已获的频段使用的用户的前提下，把空闲下来的VHF和UHF频段提供给无线局域网使用。1、wifi技术（1）Wi-Fi定义pWi-Fi，其实就是 IEEE 802.11b 的别称，是由一个名为“

23、无线以太网相容联盟”（WECA）的组织所发布的业界术语。它是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。随著技术的发展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作Wi-Fi。从应用层面来说，要使用Wi-Fi，用户首先要有Wi-Fi 兼容的用户端装置。它是由AP(Access Point)和无线网卡组成的无线网络。AP一般称为网络桥接器或接入点，它是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备。p拓扑控制技术p传感器网络拓扑控制主要研究

24、的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构。目前，传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为功率控制和睡眠调度两类。2、Zigbee网络拓扑控制（1）Zigbee网络拓扑控制的意义pZigbee网络的拓扑控制具备十分重要的意义。首先通过对网络的拓扑控制可以延长整个网络的生命周期；其次，通过对网络进行拓扑控制可以提高整个网络的通信效率；再次，在拓扑控制降低了通信干扰、提高MAC层协议和路由协议的效率的同时，也为数据融合、时间同步和目标定位奠定了一定的基础；此外，拓扑控制还对路由协议中转发节点的选择和数据融合

25、中队融合节点的选择起着重要的作用，拓扑控制还能提高网络的可靠性、可扩展性等其他性能。（2）Zigbee网络拓扑控制的目的p对Zigbee网络，其拓扑控制主要是考虑对节点的能耗的控制，来延长Zigbee网络的网络生命周期。pZigbee网络层使用了AODV与Cluster-Tree算法相结合的路由协议来控制网络拓扑，实现了两种协议的优势互补，具有较高的分组递交率，较低的控制开销和平均时延。节点电池能量的有效利用对Zigbee网络的整体性能至关重要，如果在Zigbee网络拓扑控制中加入专门的节能机制，将能够显著地延长Zigbee网络的网络生命周期。（3）Zigbee网络拓扑控制的结构pZigbee

26、技术网络可采用多种类型的拓扑。如图所示，主要的有星型(Star)，树型(Tree)和网型（Mesh）。3、认知无线电p随着物联网的发展，一旦物联网形成规模并与无线通信网络紧密结合，将进一步加剧有限的频谱资源与“无限”的用户需求之间的矛盾。p传统的无线网络采用的都是固定的频谱分配政策，根据FCC（美国联邦通信委员会）的研究报告，频谱使用率随时间、地区和频带的不同而不同，其范围在15%85%之间。从图中可以看到在3GHz以上的频谱利用率很低，尤其是4-5GHz上频谱利用率只有0.3%。p物联网路由协议物联网路由协议1、泛洪(Flooding)协议：节点接收到的信息将以广播的形式发送给邻居节点，直到

27、信息到达目的节点。2、闲聊（Gossiping）协议：该协议中节点不是用广播转发分组，而是随机选择某一个相邻节点转发，如果一个节点不是第一次收到它的相邻节点的数据，则将此数据发回相邻节点。3、信息协商传感器路由（SPIN）协议：在该协议中节点广播要发送的数据的特征信息，当有节点需要这些数据时，才会进行发送数据。4、谣传路由(rumor routing)协议：该协议源节点和目的节点向网络中随机发送自身信息。当两者交叉在一起时即形成一条可用路径。5、低功率自适应集簇分层型（LEACH）协议：这种协议是一种分层的路由协议，该协议将随机选择一定数目的节点作为簇首，簇首负责网络中的通信，这样可以使所有节

28、点平均消耗能量，因而延长了网络生存时间。6、自组织网络路由协议：可以分为先验式（Proactive）路由协议、反应式（Reactive）路由协议以及混合式路由协议。先验式路由协议中所有节点都有一张包含该节点到网络中其他所有节点的路由信息的路由表，因此节点间进行数据传输时的时延较小，但是由于定期更新路由表导致路由开销比较大。反应式路由协议也就是按需路由协议，在该协议中节点不时维护路由信息，只有当有数据要传送时才会发起路由查找过程，如果能找到已有路由，则开始数据传递；如果没有可用路由则发起新的路由请求。8.2.3 应用层 面向物联网的数据分析 1、数据空间技术p数据空间是近几年提出的数据管理新技术

29、。它是与主体相关的数据及其联系的集合，其中的所有数据对主体来说都是可控的，主体相关性和可控性是数据空间数据项的基本属性。数据空间有3个基本要素：主体、数据集和服务，其中主体是指数据空间的所有者；数据集是与主体相关的所有可控数据的集合，包括对象和对象之间的关系；主体通过服务对数据空间进行管理和使用，服务包括分类、查询、更新、索引等。可以说一个数据空间应该包含与某个组织或个体相关的一切信息，无论这些信息是以何种形式存储、存放于何处。数据空间技术包括信息抽取、分类、模式匹配、数据模型、数据集成与更新、数据查询、存储索引、数据演化等多个方面。2、云计算技术p基于云计算平台来实施物联网数据的管理可以充分

30、利用云计算平台的可靠、安全的数据存储中心和严格的权限管理策略，以及云计算中心对接入网络的终端的普适性，有利于解决物联网的机器对机器通信(M2M)应用的广泛性，并可与运营商合作，避免重复投资。同时借鉴云计算数据管理技术，设计海量数据处理的体系结构，能突破吞吐量瓶颈，实现实时或准实时的数据查询和深层次的数据分析。3、数据挖掘技术p数据挖掘是从大量的数据中提取潜在的、事先未知的、有用的、能被人理解的模式的高级处理过程。被挖掘的数据可以是结构化的关系数据库中的数据，半结构化的文本、图形和图像数据，或者是分布式的异构数据。4、数据融合技术p数据融合是一个多级，多层面的数据处理过程，主要完成对来自多个信息

31、源的数据的自动检测、关联、估计及组合等的处理，是基于多信息源数据的综合、分析、判断和决策的新技术。数据融合有数据级融合、特征级融合、决策级融合。5、不确定性数据管理技术p在物联网中通常要综合利用各种异构的数据源来实现智慧感知。数据源本身的不确定性不可避免地带来物联网数据空间的不确定性，主要包括数据本身的不确定性、语义映射的不确定性和查询分析的不确定性等，有必要利用不确定性技术来对物联网的数据进行管理。p隐私和安全问题 1、国际无线传感器网络安全相关标准的研究与提案情况 传感器网络涉及的相关国际标准化组织较多，目前ISO/IEC JTCI，IEEE，ITU和IETF等组织都在开展传感网标准研究工

32、作。在世界范围内，与传感器网络安全相关的标准组织也在不同的应用领域开展了多样的研究与探（1）ISA 100.11a标准安全方案。（2）无线HART 标准安全方案。（3）ZigBee 标准安全方案（4）WIAPA 标准安全方案。（5）ISO/IEC JTC1 传感器网络安全提案 2、国外对无线传感器网络的安全机制的研究现状（1）密钥管理方面（2）身份认证方面（3）安全路由与安全数据传播方面（4）信任管理（5）加密算法方面3、国内对无线传感器网络的安全机制的研究现状p就国内而言，无线传感器网络密钥管理研究主要集中在中国科学院、清华大学、西安交通大学、西安电子科技大学、南京大学、华中科技大学和哈尔滨

33、工业大学等高校和科研单位。大部分国内的研究以提高网络安全性，减少能量消耗为目标，例如中国科学院软件研究所的姚刚等提出的基于Weil对的成对密钥协商协议；西安电子科技大学的刘志宏等提出的基于区域的方案；西安交通大学的王换招等提出了基于密钥池的簇状网络动态密钥分配协议；南京大学的王汝传等提出的基于门限机制和密钥联系表的方案；华中师范大学刘河与北京科技大学姚宣霞提出基于蜂窝模型的方案；南京邮电大学杨庚提出基于身份加密的方案；华中科技大学张建民等提出的基于节点ID的方案。p性能监控和管理性能监控和管理p由于接入物联网的设备数量巨大，以及物联网网络规模覆盖极为广阔。对物联网的性能进行有效的监控以及对整个

34、网络进行管理成为一个极大的挑战。目前还没有发现针对物联网的有效的网络管理方案，这方面的研究还十分匮乏。在传感器网络中也存在相似的问题，因此传感器网络中的网络管理方案可以为物联网提供一个行之有效的方法。p1、传感器网络管理的现状 p传感网的管理是控制一个复杂的传感器网络使得它具有最高的监控能力和感知能力的过程。根据进行网络管理的系统的能力，这一过程通常包括数据收集、数据处理，然后提交给管理者，用于在网络操作中使用。它可能还包括分析数据并提供解决方案，进一步它还可以产生对管理者管理网络有用的报告。国际标准化组织在OSI的网络管理框架中，将网络管理的功能划分为五个功能域，每个功能域分别完成不同的网络

35、管理功能。由于传感器网络的特点，对它的网络管理的内容与国际标准化组织规定的五个方面来比，又有了新的改变。8.3 物联网的应用物联网的应用8.3.1 智能电网 p减少停电现象 p通过在智慧电力中安装先进分析和优化引擎，电力提供商可以突破“传统”网络的瓶颈，而直接转向能够主动管理电力故障的“智能”电网。对电力故障的管理计划不仅考虑到了电网中复杂的拓扑结构和资源限制，还能够识别同类型发电设备，这样，电力提供商就可以有效地安排停电检测维修任务的优先顺序。如此一来，停电时间和频率可减少约 30%，停电导致的收入损失也相应减少，而电网的可靠性以及客户的满意度都得到了提升。2、智能电表p智慧的电力设施的支持

36、下，智能电表可以重新定义电力提供商和客户的关系。通过安装内容丰富且读取方便的设备，用户可了解在任何时刻的电力费用，并且用户还可以随时获取一天中任意时刻的用电价格(查看前后的记录)，这样电力提供商就为用户提供了很大的灵活性，用户可以根据了解到的信息改变其用电模式。智能电表不仅可以测量用电量，它还是电网上的传感器，可以协助检测波动和停电。它还能储存和关联信息，支持电力提供商完成远程开启或关闭服务，也能远程支持使用后支付或提前支付等付费方式的转换。总而言之，智能电表可大幅度减小系统的峰值负荷，转换电力操作模式，也能重新定义客户体验。8.3.2 智能交通 1、实时交通信息 p智慧的道路是减少交通拥堵的

37、关键，但我们仍不了解行人、车辆、货物和商品在市内的具体移动状况。因此，获取数据是重要的第一步。通过随处都安置的传感器，我们可以实时获取路况信息，帮助监控和控制交通流量。人们可以获取实时的交通信息，并据此调整路线，从而避免拥堵。未来，我们将能建成自动化的高速公路，实现车辆与网络相连，从而指引车辆更改路线或优化行程。2、车辆监控p通过大量的摄像头和传感器，实现对车辆的证照管理、交通违章取证和测速，加强对车辆的监管力度，进一步减少交通事故和违法犯罪活动的发生。3、道路收费 p通过 RFID 技术以及利用激光、照相机和系统技术等的先进自由车流路边系统来无缝地检测、标识车辆并收取费用。这种方法提高了车辆

38、通行效率，缓解高速公路收费站车辆通行压力4、应用案例p伦敦的Countdown是方便公交车乘客而设计的一种公交车站实时信息系统。该系统已经试验成功，目前正在伦敦全市范围推广。8.3.3智能医疗智能医疗1、整合的医疗平台 p整合的医疗保健平台根据需要通过医院的各系统收集并存储患者信息，并将相关信息添加到患者的电子医疗档案，所有授权和整合的医院都可以访问。电子健康档案系统通过可靠的门户网站集中进行病历整合和共享，这样各种治疗活动就可以不受医院行政界限而形成一种整合的视角。有了电子健康档案系统，医院可以准确顺畅地将患者转到其他门诊或其他医院，患者可随时了解自己的病情，医生可以通过参考患者完整的病史为

39、其做出准确的诊断和治疗。这样资源和患者能够有效地在各个医院之间流动，通过各医院之间适当的管理系统，政策，转诊系统等。这个平台满足一个有效的多层次医疗网络对信息分享的需要。2、药品安全监控p如果将物联网技术应用于药品的物流管理中，我们将能够随时追踪、共享药品的生产信息和物流信息，对于查询不到这些信息的假冒伪劣产品公之于众。药品零售商可以用物联网来消除药品的损耗和流失!管理药品有效期、进行库存管理等等。3、老人儿童监护p如果家里有老人或小孩，将来你可以为他们买一块带传感器的手表，即使你在外面开会、出差，手表也可以随时显示他们的体征，并通过手机或电脑发送给你。健康参数：1）体温2）血压3）心电图4）

40、血氧监测因特网医院医院健康检测平台示意图 8.3.4 精细农业精细农业1、农作物生长监控p物联网通过光照、温度、湿度等各式各样的无线传感器，可以实现对农作物生产环境中的温度、湿度信号以及光照、土壤温度、土壤含水量、CO2浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数进行实时采集，同时在现场布置摄像头等监控设备，实时采集视频信号，用户通过电脑或3G手机，随时随地观察现场情况、查看现场温湿度等数据，并可以远程控制智能调节指定设备，如自动开启或者关闭浇灌系统、温室开关卷帘等。现场采集的数据，为农业综合生态信息自动监测、环境自动控制和智能化管理提供科学依据。2、农产品溯源p食品生产每一环的相关信息都会输入到芯片中

41、，这些信息都采用一种可兼容的格式，被汇总到中央信息处理库，再通过互联网实现信息的交换和共享。以后在超市买菜，消费者可以通过扫描每包蔬菜上的追溯码，准确了解该蔬菜的种植过程、施肥和用药情况、加工企业、加工日期、检验信息等各项数据，买到真正放心的食物。p给放养的牲畜中的每一只羊都贴上一个二维码，这个二维码会一直保持到超市出售的肉品上，消费者可通过手机阅读二维码，知道牲畜的成长历史，确保食品安全。我国已有10亿存栏动物贴上了这种二维码。8.3.5 环境保护环境保护1、大气监测p可以通过在人群密集或者敏感地区布放特定的传感器来监测空气中有害化学成分的含量。传感器通过小型的传感网将采集到的数据上传到网关

42、，再通过卫星或者有线的方式将数据汇集到数据处理中心，经过数据处理中心处理后的有用数据可以供有权限的客户查询。这些数据既可以为研究者提供实时数据，又可以作为大众的出行指南。当污染超标时，执法单位可以向对污染排放着进行相应的处理，实施有效的降低大气污染 2、水质监测p对水质监测包含饮用水质监测和水质污染监测两种。饮用水源监测是在水源地布置各种传感器、视频监视等传感设备，将水源地基本情况、水质的PH值等指标实时传至环保物联网，实现实时监测和预警；而水质污染监测是在各单位污染排放口安装水质自动分析仪表和视频监控，对排污单位排放的污水水质中的有害物质进行实时监控，并同步到排污单位、中央控制中心、环境执法

43、人员的终端上，以便有效防止过度排放或重大污染事故的发生。3、灾害监测p灾害监测包括地质灾害监测和火灾监测等。地址灾害监测可以通过在山区中泥石流、滑坡等自然灾害容易发生的地方布设节点，可提前发出预警，以便做好准备，采取相应措施，防止进一步的恶性事故的发生。火灾监测可在重点保护林区铺设大量节点随时监控内部火险情况，一旦有危险，可立刻发出警报，并给出具体方位及当前火势大小 4、应用案例p英特尔研究实验室利用无线传感器读出缅因州“大鸭岛”上的气候，进而用此技术来评价一种海燕筑巢的条件。位于缅因州海岸的大鸭岛上的洞穴中生活着海燕，由于环境恶劣，加上海燕十分机警，研究人员无法采用通常的跟踪观察方法来了解其

44、栖息环境在2002年，英特尔研究中心伯克利实验室研究人员在大鸭岛上布置了32个基于TinyOS的传感器节点，并将它们接入互联网，从而读出岛上的气候，评价海燕筑巢的环境条件。8.3.6 企业管理 1、供应链网络优化 p智慧的供应链通过使用强大的分析和模拟引擎来优化从原材料至成品的供应链网络。这可以帮助企业确定生产设备的位置，优化采购地点，亦能帮助制定库存分配战略。使用后，公司可以通过优化的网络设计来实现真正无缝的端到端供应链，这样就能提高控制力。2、质量控制p对于生产过程中用到的原材料、零部件等中间产品的位置确定和管理一般都采用人工寻找、人工记录和人工更新的方法，传统的方式效率较低且容易出错，如

45、果使用物联网技术就可以给中间产品贴上电子标签，能够迅速确定中间产品的位置，并且不容易出错，保障了流水线的正常生产作业，使产品质量生产效率都得到了提高。3、物品拣选p在产品的运输和销售过程中，需要对产品进行分拣。在这个过程中，贴有标签的产品可以被迅速而准确的分拣，提高了发货速度。4、仓储管理 p结合RFID和GPS技术，可以准确有效的知道物品的存放位置，便于对不同的货仓进行合理的出货和补货，保证了产品的及时供应。5、应用案例p世界500强企业泰科国际使用无限传感网来发展新型工业温控系统，已经取得了良好效果。作为全球最大的健身器材生产商，Life Fitness通过为每一台健身器械安装无线节点，形

46、成无线传感网，从而实现对健身器材放置位置的动态调节，在方便管理的同时也为客户提供了新的体验。8.3.7其他应用领域 1、公共安全p利用部署在大街小巷的全球眼监控探头，实现图像敏感性智能分析并与110、119、112等交互，实现探头与探头之间、探头与人、探头与报警系统之间的联动，从而构建和谐安全的城市生活环境。p上海浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，多种传感手段组成一个协同系统后，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。2、智能家居p数字家庭是以计算机技术和网络技术为基础，包括各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等，通过不同的互连方式进行

47、通信及数据交换，实现家庭网络中各类电子产品之间的“互联互通”的一种服务。数字家庭的四大功能：信息、通信、娱乐和生活 8.4 物联网通信发展的趋势 1、标准化p物联网在发展的过程中，其应用层、网络层、感知层会有大量的技术出现，可能会使用不同的技术标准，而标准是一种交流规则，如果没有统一的标准，那么将难以实现大范围内的网络互联。标准化无疑是影响物联网普及的重要因素。目前 RFID，WSN 等技术领域还没有一套完整的国际标准，各厂家的设备往往不能实现互操作。标准化将合理使用现在标准，或者在必要时创建新的统一标准。因此标准化问题越来越被重视，目前国外国内存在多个物联网标准化组织，将大力推动物联网的标准

48、化进程。2、规模化p随着世界各国对物联网技术、标准和应用的不断推进，物联网在各行业领域中的规模将逐步扩大，尤其是一些政府推动的国家性项目，如智能电网、智能交通、环保、节能，将吸引大批有实力的企业进入物联网领域，大大推进物联网应用进程，为扩大物联网产业规模产生巨大作用。3、安全化p在未来的物联网中，每个人包括每件拥有的物品都将随时随地被感知，在这种环境中如何防止个人信息的泄露、盗用，确保信息的安全性和隐私性，将是物联网应用推进过程中的一大趋势。4、协同化p随着产业和标准的不断完善，物联网将朝协同化方向发展，形成小同物体间、小同企业间、小同行业乃至小同地区或国家间的物联网信息的互联互通互操作，应用模式从闭环走向开环，最终形成可服务于小同行业和领域的全球化物联网应用体系。5、智能化p物联网将从目前简单的物体识别和信息采集，走向真正意义上的物联网，实时感知、网络交互和应用平台可控可用，实现信息在真实世界和虚拟空间之间的智能化流动。