《物联网控制基础》课件第1章.ppt

1、第 1 章绪 论1.1物联网的基础知识物联网的基础知识1.2物联网的建模探究物联网的建模探究1.3物联网的控制理论基础物联网的控制理论基础1.1 物联网的基础知识物联网的基础知识1.1.1 物联网的定义物联网的定义国内外普遍认为物联网的概念最早由麻省理工学院的Ashton教授于1999年提出，其整体结构的定义如图1-1所示。该定义的理念是基于射频识别(RFID)、电子代码(EPC)等技术，以互联网为平台，构造一个可以实现全球物品信息实时共享的实物网络，即物联网。图1-1 麻省理工学院的Ashton教授给出的物联网定义此设想包含以下两层含义：第一，物联网的核心和基础是互联网，物联网是在互联网基础

2、上延伸和扩展的网络；第二，在物联网中，用户端可以延伸和扩展到任何物体，并可以在物体间进行信息交换，实现实时通信的功能。2010年在十一届全国人大三次会议上，温总理所作出的政府工作报告中对物联网有如下定义：物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，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，它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。除了上面的定义之外，还有一些在具体环境下为物联网做出的定义。欧盟的定义：将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络，便形成了物联网。国际电信联盟（ITU）的定义：物联网主要解决物品到物品（Thing to Thin

3、g，T2T）、人到物品（Human to Thing，H2T）、人到人（Human to Human,H2H）之间的互联。这里与传统互联网不同的是，H2T是指人利用通用装置与物品进行的互联，H2H是指人与人之间不依赖于个人电脑所建立的互联。物联网解决的是传统意义上的互联网没有考虑的、对于任何物品连接的问题。因此，我们可以认为物联网是连接物品的网络，有些学者在讨论物联网时，常常提到M2M的概念，我们可以将其解释为人到人（Man to Man）、人到机器（Man to Machine）、机器到机器（Machine to Machine）。从本质上讲，在人与机器、机器与机器的交互中，其主要目的是为了

4、实现人与人之间的信息交互。ITU物联网研究组认为：物联网的核心技术是普适网络、下一代网络和普适计算。这三项核心技术的简单定义如下：普适网络，即无处不在的、普遍存在的网络；下一代网络，指可以在任何时间、任何地点，互联任何物品，提供多种形式信息访问和信息管理的网络；普适计算，指无处不在的、普遍存在的计算。其中，下一代网络中所提到的“互联任何物品”便是ITU物联网研究组对下一代网络定义的扩展，是对下一代网络发展趋势的高度概括。已经成为现实的多种装置的互联网络，例如手机互联、移动装置互联、汽车互联、传感器互联等，都揭示了下一代网络在“互联任何物品”方面的发展趋势。目前国内外对物联网还没有一个统一公认的

5、标准定义，但从物联网的本质分析，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后才出现的一种聚合性应用与技术提升，它将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合，形成一种大型集成化的应用，使人与物智慧对话，以此来创造一个智慧的世界。正因如此，物联网技术的发展几乎涉及信息技术的方方面面，作为一种聚合性、系统性的创新应用与发展，它被誉为信息产业的第三次革命性创新，其本质主要体现在三个方面：一是网络互联特征，即对需要联网的“物”一定要能够实现互联、互通；二是识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别、物物通信的功能；三是智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。总体上物

6、联网可以概括为：通过传感器、射频识别（RFID）、全球定位、激光扫描等技术，实时地采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种信息，通过各种可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，从而实现对物品和过程的智能化感知、识别与管理。特别要注意的是，物联网中的“物”，不是普通意义的万事万物，这里的“物”要满足以下条件：（1）要有相应信息的接收器；（2）要有数据传输通路；（3）要有一定的存储功能；（4）要有处理运算单元(CPU)；（5）要有操作系统；（6）要有专门的应用程序；（7）要有数据发送器；（8）要遵循物联网的通信协议；（9）要在世界网络中有可被识别

7、的唯一编号。通过以上分析可知，物联网的核心是物与物以及人与物之间的信息交互，其基本特征可简要地概括为全面感知、可靠传送和智能处理，如表1-1所示。1.1.2 物联网的体系框架物联网的体系框架在物联网蓬勃发展的同时，相关统一协议的制定正在迅速推进，无论是美国、欧盟、日本、中国等物联网积极推进国，还是国际电信联盟等国际组织都提出了自己的协议方案，并力求使其上升为国际标准，但是到目前为止还没有世界公认的物联网通用规范协议。从整体上看，物联网体系可以分为软件和硬件两大部分。软件部分即为物联网的应用服务层，包括应用、支撑两个子部分；硬件部分分为网络传输层和感知控制层，分别对应传输和感知两个子部分。软件部

8、分大都基于互联网的TCP/IP通信协议，而硬件部分则有GPRS、传感器等通信协议。在日后的学习中，我们需要通过物联网的主要技术，分析其知识点、知识单元、知识体系，从而掌握实用的软件、硬件技术和平台，理解物联网的学科基础，进而真正地领悟物联网的本质。物联网的体系框架见表1-2。物联网作为一种形式多样的聚合性复杂系统，涉及信息技术自上而下的每个层面，其体系结构可分为感知控制层、网络传输层、应用服务层，如图1-2 所示。互联网的公共技术包括标识解析、安全技术、服务质量（QoS）管理和网络管理，这些技术虽然不属于物联网技术的某个特定层面，却与物联网技术架构的每个层面都有紧密的联系。图1-2 物联网的体

9、系框架感知控制层由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层组成。数据采集子层通过各种类型的传感器获取物理世界中发生的物理事件和数据信息，例如各种物理量、标识、音频和视频多媒体数据等。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维条码和实时定位等技术。短距离通信技术和协同信息处理子层将采集到的数据在局部范围内进行协同处理，以提高信息的精度，降低信息的冗余度，并通过自组织组网技术将短距离传感网接入广域承载网络中。传感器网络的中间件技术旨在解决感知控制层的数据与多种应用平台间的兼容性问题，包括代码管理、服务管理、状态管理、设备管理、时间同步、定位等，在有些应用中还需要通过执行器或其

10、他智能终端对感知结果作出反应，实现智能控制。网络传输层将来自感知控制层的各类信息通过基础承载网络传输到应用服务层，包括移动通信网、互联网、卫星网、广电网、行业专网及形成的融合网络等。根据应用需求，网络传输层可作为透明传送的网络层，并具备升级能力以满足未来不同内容传输的要求。经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等相关网络技术已比较成熟，在早期阶段基本能够满足物联网的数据传输需要。应用服务层主要将物联网技术与行业专业系统相结合，实现广泛的物物互联的应用解决方案，主要包括业务中间件和行业应用领域。其中，物联网服务支撑子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通；物联网应用服务子层包

11、括环境监测、智能电力、智能交通、工业监控、智能家居等多种行业应用。从物联网工程教学、学习的角度分析，物联网技术的高度集成性需要学习者的基础知识积累较多，表1-3详细地说明了物联网工程学习所需要的知识准备和积累，按照物联网的三层结构规划，给出了学生应达到的培养目标。1.1.3 物联网的关键技术和难点从物联网的发展历程和定义可以发现，物联网所具有的显著特点是技术高度集成、学科复杂交叉、综合应用广泛。物联网的涵盖范围广阔，涉及学科领域众多，运用到的原理技术复杂，至今还未能达成世界公认的统一技术标准，但通过分析其技术基础，以及展望未来的应用需求，发现了如表1-4所示的物联网关键支撑技术，这些技术构成了

12、目前物联网研究的重要平台，并为后续发展打下了坚实的基础。简要地概括，物联网可以被看做传感网、互联网以及智能服务的综合体，其中智能服务将成为未来发展与应用的核心，更直接地说，物联网就是把世界上所有的物体连接起来形成的网络。目前物联网的发展正处于将理想转化为现实的阶段，在这样一个实际发展的过程中，物联网将不可避免地遇到很多技术以及产业问题。表1-5为目前物联网发展中亟待解决的问题。1.1.4 物联网的应用领域物联网的应用领域在日常生活中，物联网更多地被解读为一个商业术语，而不是严格意义上的科学概念，无论是对商业服务者，还是对科学研究者来说，物联网都可以称得上是科技以人为本与服务引领生活的完美融合体

13、。各个行业的小规模具体应用逐渐构建成如今高度集成、兼容并包的物联网系统，总的来说，物联网的应用架构由三个干流组成，如图1-3所示。图1-3 物联网的应用架构2010中国国际物联网博览会上发布的20092010中国物联网年度发展报告称，2009年中国物联网产业市场规模已达到1716亿元，预计2010年将超过2000亿元，至2015年，中国物联网整体市场规模将达到7500亿元，年复合增长率超过30%，市场前景将远远超过计算机、互联网、移动通信等领域。与此同时，工业和信息化部已将物联网规划纳入到“十二五”的专题规划中，将其列为国家重点发展的五大战略性新兴产业之一，并明确地提出要大力发展宽带融合的下一

14、代国家基础设施，推进物联网的产业应用。物联网“十二五”规划已经锁定十大应用领域，下面简要地介绍各个领域的应用概况。1.智能电网智能电网建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括可自愈性、较强的抵御攻击的能力、可提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、可启动电力市场以及资产的优化高效运行。物联网技术可以应用于整个电力系统，从电厂、大坝、变电站、高压输电线路直至用户终端，全面打造智能化电力运行平台，其中包括对电力系

15、统运行状态进行实时监控和自动故障处理，监测电网的整体健康水平，触发可能导致电网故障的预警机制并判断是否需要即刻检查或采取相应的措施，分析电网的系统故障以及电压降低、电能质量差、过载等不良系统状态并生成自适应的控制方案等。目前，智能电网的主要应用有智能变电站、智能配电网、智能电能表、智能交互终端、智能调度、智能家电、智能用电楼宇、智能城市用电网、智能发电系统和新型储能系统等。2.智能交通“车路”信息系统一直是智能交通发展的重点方向，继互联网、物联网之后，“车联网”已成为未来智能城市的新标志。车联网是指在车辆上装载电子标签，并通过无线射频等识别技术实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态

16、信息进行实时提取和有效利用，根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效地监管并提供智能化的综合服务。将物联网应用于交通领域，司机便可以通过车载信息智能终端享受集实时定位、动态导航、车辆保障、安全驾驶、休闲娱乐、资讯播报为一体的全方位综合服务。此外，交通信息采集、车辆环境监控、汽车驾驶导航、不停车收费等智能交通服务，也无疑可以有效地提高道路利用率、改善不良驾驶习惯、减少车辆拥堵、实现节能减排，同时这种智能化的交通服务方式也有利于提高出行效率，促进和谐交通的发展。3.智能物流智能物流是指在物联网广泛应用的基础上，利用先进的信息采集、信息处理、信息流通和信息管理技术，在需要寄递的信件和包裹上嵌入

17、电子标签、条形码等能够存储物品信息的标识，通过无线网络的方式将相关信息及时地发送到后台信息处理系统中，各子信息系统可互联形成一个庞大的网络，从而达到对物品快速收寄、分发、运输、投递以及实施跟踪、监控等智能化管理的目的，并最终依照承诺时限递送到收件人或指定地点获得签收的新型寄递服务。物联网的应用极大地促进了物流业的智能化进程，通过物联网的技术手段将物流智能化已成为物流领域的全新发展方向。国家近期出台的十大振兴产业规划细则中明确将物流快递业作为未来重点发展的行业之一。客观来说，物流业也以其规模快速增长、基础设施急需完善等显著行业特征被视为最适宜同物联网结合的产业之一，并且国外的许多物流企业正在逐步

18、开始尝试智能化物流模式，已取得一定的成绩。4.智能家居智能家居利用先进的计算机、嵌入式系统和网络通信，将家庭中的各种设备（如照明、环境控制、安防系统、网络家电等）通过家庭网络连接到一起。智能家居在让用户方便地管理家庭设备的同时，实现了家居环境内的设备互联、互通，在无需人为操作的情况下，自组织地为用户服务。智能家居以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能系统设计方案、安全防范技术、自动控制技术、音频和视频技术构建出高效的住宅设施与家庭日程事务综合管理系统，提升了家居的安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现了环保节能的生态理念。智能家居作为一个新生产业，目前处于导入期与成长期的临界点，市

19、场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广、普及的进一步落实，可以培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景一片光明。5.金融与服务业物联网的诞生将商务延伸到所有物品上，真正地实现了突破空间和时间束缚的金融构想，使商务活动的参与主体可以在任何时间、任何地点实时地获取和采集商业信息，摆脱了单一的设备和网络环境束缚，使得“移动支付”、“移动购物”、“手机钱包”、“手机银行”、“电子机票”等方便快捷的应用形式层出不穷。此外，将国家、省、市、县、乡镇的金融机构联网，建立各金融部门信息共享的平台，可以有效地遏制传统金融市场因缺乏有效监管而带来的风险蔓延，对维护个人及国家经济安全

20、和社会金融稳定具有重要意义。6.智能农业智能农业是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产模式，实现集约高效可持续发展的现代农业生产方式。它集科研、生产、加工、销售于一体，实现周年性、全天候、反季节的企业化规模生产；集成现代生物技术、农业工程、农用新材料等学科，以现代化农业设施为依托，科技含量高，产品附加值高，土地产出率高，劳动生产率高。把物联网应用到农业生产中，可根据用户的需求，实时监控环境温度、湿度信号以及光照、土壤温度、二氧化碳浓度、叶面湿度、露点温度、虫害情况等环境参数，在牲畜体内植入传感芯片跟踪放牧情况，并采用无线信号收发模块传输数据，开关或调节指定设备，降低人力成本，量化农副业产品

21、生长环境，打造食品溯源体系，实现农产品生长环境的可持续发展，为实施农牧业综合生态信息自动监测以及农牧业智能化管理提供科学依据。7.智能医疗智能医疗通过打造健康档案区域医疗信息平台，利用最先进的物联网技术实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动，逐步达到信息化。将物联网技术应用于医疗健康领域，可以解决医疗资源紧张、医疗费用昂贵、老龄化压力增大等各种社会问题。借助实用的医疗传感设备，可以实时感知、处理和分析重大的医疗事件。从而快速、有效地做出响应；乡村卫生所、乡镇医院和社区医院也可以无缝地连接到中心医院，从而实时地进行远程医务人员培训、获取专家建议、安排转诊调度方案；还可以通过联网整合并共

22、享各医疗机构的医疗信息记录，构建一个综合的专业医疗网络。在中国新医改的大背景下，智能医疗正在走进寻常百姓的生活，在不久的将来医疗行业将融入更多的人工智能、传感技术等高科技，使医疗服务走向真正意义的智能化，推动医疗事业的繁荣发展。8.工业与自动化控制以感知和智能为代表的新兴技术使得未来信息产业的发展由以人类信息为主导的互联网，向以物与物互联信息为主导的物联网转型。面向工业与自动化领域的物联网技术是以泛在网络为基础、以泛在感知为核心、以泛在服务为目的、以泛在智能拓展和提升为目标的综合性一体化信息处理技术，它是物联网的关键组成部分。物联网大大地加快了工业化进程，显著地提高了人类的物质生活水平，并且在

23、推进我国工业和制造业的产业结构调整、促进工业企业节能降耗、提高产品品质、提高企业经济效益等方面发挥了巨大的推动作用。因此，物联网在工业领域具有广阔的应用前景。近期，冶金工业、石化工业和汽车工业等均成为物联网技术应用的热点领域。总之，基于物联网的工业自动化是人机和谐、智能制造系统发展的崭新历史阶段，一方面，物联网将改变工业的生产和管理模式，提高生产和管理效率，增强我国工业的可持续发展能力和国际竞争力；另一方面，工业是我国的“耗能污染大户”，工业用能占全国能源消费总量的70以上，化学需氧量以及二氧化硫排放量分别占到全国总排放量的38和86，物联网技术的研究与推广将是使我国工业实现节能降耗总目标的重

24、要机遇。9.环境与安全监测安全问题是人们越来越关注的问题之一，因此，我们可以利用物联网开发出高度智能化的安防产品与安防系统，进行智能分析、判断及监控，最大限度地降低因传感器问题及外部干扰造成的误报，实现高度智能化的人机对话、由面到点的实时安防及精确治理等功能，弥补传统安防系统的缺陷，确保人们的生命和财产安全。此外，物联网还可以用于烟花爆竹销售点的监测、危险品运输车辆的监管、火灾事故的监控、气候灾害的预警、智能城管、平安城市建设等领域；同时还可以用于对残障人员、弱势群体(老人、儿童等)、宠物进行跟踪定位，防止走失等；还可以用于井盖、变压器等公共财产的实时监控和跟踪定位，保障人们生活环境的安全，防

25、止公共财产的损失。10.国防军事物联网被许多军事专家誉为“一个未探明储量的金矿”，它为正在孕育的军事变革提供了新的契机。物联网概念的问世，对现有军事系统的格局产生了巨大的冲击，可能会使军队建设和作战方式发生新的重大变化。可以设想，在国防科研、军工企业及武器平台等各个环节中设置标签读取装置，并通过无线和有线网络将其联接起来，那么每个国防要素及作战单元甚至整个国家军事力量都将处于全信息和全数字化状态。大到卫星、导弹、飞机、舰船、坦克、火炮等军事装备，小到单兵作战器械，从通信技侦系统到后勤保障系统，从军事科学试验到军事装备工程，其应用遍及战争准备、战争实施的每一个环节。可以说，物联网扩大了未来作战的

26、时域、空域，对国防建设的各个领域产生了深远的影响，将引发一场划时代意义的军事技术革命和作战方式的变革。以上对物联网技术的主要应用领域进行了介绍，但物联网的应用绝不局限于此，用一句形象的话来说，就是“物联无所不达，应用无所不能”。现在物联网的发展已取得一定成就，在未来的发展过程中可能还会遇到严峻的挑战，但可以肯定的是，物联网的出现和推广必将极大地改变我们的生活，物联网时代的到来已是大势所趋，未来将出现越来越多的物联网产品及相应的服务模式。1.2 物联网的建模探究物联网的建模探究1.2.1 物联网的基本原理物联网的基本原理物联网是在能量的支持下实现物质与信息联合运动的物质形态，是研究信息流、物质流

27、和能量流彼此作用、相互转换的方法与技术。这里我们首先需要了解一下物质不灭定律的基本含义。物质不灭定律（又称物质守恒定律）是指：在任何与周围隔绝的物质系统中，即在孤立系统中，不论发生何种变化和过程，物质的总质量保持不变。信息作为物质及其属性的集合，是物质有效的描述载体。在2004年7月21日举行的“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上，英国传奇科学家斯蒂芬霍金教授宣布了信息不灭的理论，即系统中存储信息的增加等于进入系统的信息减去离开系统的信息。生态系统中各种环境的信息、物的信息、人的信息经感知关联后形成网络，信息在各产业系统中传递、流通，被读取和识别后形成反馈，推动产业系统的有效运行，通过物

28、联网对信息全面连接，使物与物之间形成正向的信息联动。能量作为物质与信息联合运动的支持者，既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中，能量的总和保持不变。物联网在建立物物联系网络的过程中消耗能量，感知物流与信息流的同时也将感知能量流，如图1-4所示，可以认为物联网空间沟通了物质空间、信息空间和能量空间，并在这三个空间中相互转化。物联网在现实物联的过程中以低消耗的能量来取代生产中较高的能量散失部分，从而实现产业能源消耗的趋零化。物联网在一定意义上讲就是让没有生命的物所蕴含的信息流动起来，为生命与生机永恒地在这个星球上流动提

29、供了一种手段。图1-4 物联网空间1.2.2 物联网应用的科学问题物联网应用的科学问题1.大规模异质网元的数据交换问题大规模异质网元的接入和海量数据的交换是物联网广泛应用所需要的新的技术突破：一方面，物联网借助互联网、通信网等主流平台实现子网连接和网络融合，进而提供信息共享和协同服务；另一方面，在局部紧耦合区域内，物联网表现出很强的动态自治需求，局部区域的各种网元为了执行特定的网络任务，动态地自我组织，实现互联、互通、互操作，综合利用局部自治域内的信息来提高网络服务的效率。因此，物联网发展面临的首要难题是：如何解决物联网大规模性、多元异构性、系统动态性与高效数据交换之间的矛盾。为此，将物联网要

30、解决的大规模异质网元高效互联凝练为第一个关键科学问题，其主要研究的是局部动态自治和高效网络融合中面临的大规模异质网元的数据交换问题。2.不确定信息的有效整合与交互适配问题物联网通过各种智能化设备对物理世界进行全面的感知，所感知的信息具有显著的不确定性，这种不确定性需要确定的表达方式，并且信息需要通过重组、清洗、融合等网内处理后才能整合为可用的信息服务。其中，网元之间的信息融合需要根据网络任务的需求，随时随地地进行网元间的信息交互，实现信息的高效共享。因此，物联网面临的又一难题是：如何对感知信息进行标识、整合与利用，解决网元在信息交互过程中存在的信息表达、效能平衡和权限保护等适配问题，从而为应用

31、服务提供有效的支撑。因此，将解决不确定感知信息的有效利用问题凝练为第二个关键科学问题，即不确定信息的有效整合与交互适配问题。3.动态系统环境中服务自适应问题在动态的物联网系统环境中，需要有针对性地处理交互对象实体的不确定性、与环境交互的随机性，以及满足变化的运行平台约束等问题，并研究新型的软件开发理论体系和支撑技术，使物联网软件系统具有更强的情境感知能力和动态调配能力，以此提升物联网服务的环境适配性；同时还需要建立能够提供灵活时变服务的物联网软件结构，使物联网软件具备自主性和演化性，实现用户需求域、信息空间域和物理空间域三者的协同，灵活地适应不断变化的环境，从而提供智慧的服务。1.2.3 物联

32、网的建模物联网的建模在客观世界的各个领域，特别是生命、社会、思维领域，普遍存在着这样一类现象：诸多部分一旦按照某种方式形成系统，就会产生出系统整体具有而部分或部分总和不具有的属性、特征、行为、功能等，一旦把整体还原为互不相干的各部分，这些属性、特征、行为、功能就不复存在。系统科学把这种整体具有而部分不具有的东西，称为涌现性（Emergent Property）。物联网作为一个复杂系统显然也具有涌现性，从层次结构的角度看，涌现性是指那些高层次具有而还原到低层次就不复存在的属性、特征和行为功能。当然新质的涌现不一定都伴随着层次的提升，同一层次上一种新结构取代原结构的演化也会伴随着不同质的整体涌现性

33、的形成，单层次的提升必定伴随着原层次所没有的新质的涌现。物联网是一个混杂的复杂非线性多变量系统，既包含虚拟的网络，也包含真实的物理世界；既有连续变量，也有离散变量；既有非线性问题，也有线性问题；既蕴含对称性，也蕴含非对称性。其两者既对立又统一，彼此互相关联、相互转化，可见对立统一是物联网建模的基本原则。这样，我们就可以采用已经存在的复杂系统之数学方法与统计方法对物联网进行描述和分析。物联网空间中存在信息流、物质流和能量流三种流体，它们彼此间可以相互转化、相互制约。如何表述它们三者的关系从而实现物联网的控制功能就集中体现为对物体的四个确定原则，即定性、定质、定位、定量。对“四定”进行描述和分析需

34、要建立一个统一的纯数学特征空间，并在此空间中对信息流、物质流和能量流三种流体进行统一的分析和优化。在任何数学分析体系中，基本尺度都是必不可少的，物联网的基本尺度需要考虑信息流的尺度、物质流的尺度以及能量流的尺度。由此，我们将物联网的建模问题简化为如何统一这三种尺度的问题。物联网作为复杂大系统的一个分支，我们可以通过理论分析的方法对其逐步进行深入的研究。首先，可以将物联网的非线性特征线性化，再利用牛顿数学方法进行分析，比如，把虚拟网络空间看做是虚部，把实际物理空间看做是实部，利用复变函数对物联网进行描述解析。以上一系列建模的最终目标是为了实现物联网的以下控制目标：一是M2M、P2P环境下的控制问

35、题，这里双滑模控制模型可能是一种有效的控制方法；二是对物联网大网络进行管理、控制和优化的问题；三是提升物联网控制安全性的问题。如何围绕物联网安全进行数理方法研究，是需要深入探索的问题。1.3 物联网的控制理论基础物联网的控制理论基础RFID、ZigBee、WiFi等技术已经在物联网环境中得到越来越广泛的应用，然而，作为物联网研究的另一重要方面物联网的理论与相关方法，也不容忽视。物联网的理论研究以网络理论、控制理论、信息论等为基础，需要打破学科壁垒，融合多学科知识，建立起新的物联网理论与模型。发展物联网理论的目的是使人机环境可以和谐地运行，实现绿色节能，提高生产效率，建立以人为中心的服务体系。物

36、联网将虚拟网络空间和实际物理世界相结合，研究信息流、物质流、能量流的彼此作用及相互转换过程。控制论学科起源于20世纪40年代，它的诞生以美国数学家诺伯特维纳(Norbert Wiener，18941964)1948年出版的控制论一书作为标志。该著作表明要发展一门通用的控制科学，就必须从统一的观点来考察各种系统的控制和通信问题。书中这种“统一”的新颖思想吸引了各领域的众多学者，并被引入到诸多科学领域。控制论为现代科学的研究提供了新的思想和观点，促进了当代哲学观点的变革，也因此被认为是20世纪上半叶科学理论的伟业之一。1.3.1 控制理论的基本思想控制理论的基本思想控制理论（Control The

37、ory）产生于控制论诞生之前，它是研究如何对工程对象或系统施加控制信号使其达到预期目标的一门技术学科。所谓控制（Control），是指为了改善系统的性能或达到某个特定的目的，对系统输出信号进行采集和加工，并将由此产生的控制信号施加到系统中的过程。在通常情况下，系统可以分为不可控系统和可控系统两大类，前者是指无法进行人工控制、干预的系统，后者是指可以进行人工控制、干预的系统。人们讨论的控制系统一般是指可控系统，它由控制部分和被控对象组成。控制部分一般由传感器（Sensor）、控制器（Controller）和执行器（Actuator）组成。传感器用来采集信息，并将其转换成适当的形式传送给控制器。作

38、为控制系统的核心，控制器用来加工信息、产生控制信号。执行器则将控制器产生的控制信号进行放大和变换，最终施加到被控对象上产生控制作用。控制器将测量信息（系统输出信号）加工成控制信号的方法称为控制算法（Algorithm），设计和实现控制算法是控制理论中最重要的研究课题。我们可以将以上概念直观地串联起来构成简单的控制系统，如图1-5所示。图1-5 控制系统的简单结构图控制系统的输出也称为系统响应，如果控制的目的是使得系统响应跟随某个设定的输入信号变化，则称其为伺服控制；如果要求系统输出信号保持在某个设定的固定值附近，则称其为调节控制，简称为调节（Regulation）。在工业控制系统中，诸如温度、

39、速度、压力、液压等参量的控制问题，大都属于参量保持恒定或在给定范围之内的调节问题，因而早年的经典控制理论也称为自动调节原理。20世纪60年代，第二代控制理论现代控制理论问世，其中包括以状态为基础的状态空间法、贝尔曼的动态规划法、庞特里亚金的极小值原理以及卡尔曼滤波器。与经典控制理论不同，现代控制理论主要研究具有高性能、高精度和多回路耦合的多变量系统的分析和设计问题。表1-6将经典控制理论和现代控制理论进行对比分析。随着计算机技术的不断发展，可编程控制器和工业机器人等以计算机控制为代表的新的自动化技术逐步出现，由此自动化技术发生了根本性的变化，其相应的自动控制科学研究也出现了许多分支，如自适应控

40、制、混杂控制、模糊控制以及神经网络控制等。此外，控制的概念、原理和方法还被用于社会、经济、人口和环境等复杂系统的分析与管理，形成了经济控制论和人口控制论等科学分支。目前，控制理论还在继续发展，并朝着以控制论、信息论和仿生学为基础的智能控制理论方向不断地深入。1.3.2 “三论三论”与物联网与物联网20世纪40年代末，随着科技的进步，各个科学研究领域的分支日益细化，与此同时各学科之间相互渗透的现象越来越明显。为适应这一发展趋势，信息论、系统论、控制论这三门边缘学科几乎同时产生，因此将其简称为“三论”，它们的出现对科学技术和思维的发展起到了巨大的推动作用，为现代多门新学科的出现奠定了坚实的基础。信

41、息论是一门研究信息传输和信息处理系统中一般规律的学科。香农（C.E.Shannon）在通信的数学理论中明确提出：“通信的基本问题是在通信的一端精确地或近似地复现另一端所挑选的消息”。此书主要讨论如何解决通信过程中的技术问题，在此基础上威沃尔（W.Weaver）展开了进一步的研究，将通信扩展为技术问题、语义问题和效用问题三个层次，扩大了其使用范围。这样，信息论的基本思想撇开了物质与能量的具体运动形态，系统有目的的运动被抽象为信息变换过程，系统的控制过程通过信息的传递来完成。系统论是研究系统结构和功能（包括演化、协同和控制）的一般规律的学科，其研究对象为各类系统。人们可以根据组成系统的元素和元素种

42、类的多少来预估系统的复杂程度，从而将其分为简单系统与巨系统两大类。简单系统是指系统的元素比较少且元素间的关系比较单纯，如某些非生命系统或工程系统；巨系统（Giant System）是指组成系统的元素数目比较庞大的系统。如果组成系统的元素非常多，但元素种类比较少且它们之间的关系比较简单，则可称为简单巨系统，如激光系统；如果组成系统的元素不仅数量大而且种类也多，它们之间的关系又很复杂并有多种层次结构，则可称为复杂巨系统，如人体系统、生态系统、社会系统等。在人体系统和生态系统中，元素之间的关系虽然复杂，但还是有确定规律的，因此其复杂程度并不是很高。社会系统的组成元素是人，由于人的意识作用造成系统元素

43、之间的关系不仅复杂而且带有很大的不确定性，因此可以说这是迄今为止最复杂的系统。系统论的任务从根本上说有两个方面：一是对系统规律的认识，二是在认识规律的基础上研究如何控制系统。后者将控制论的思想引入到系统中，因此巨系统成为控制论最为重要的研究对象。控制论是一门综合性、边缘性、基础性的学科。这里必须说明，控制论不等于控制理论或自动控制原理。控制论是研究动物、机械、自然和社会等系统中控制、反馈和通信之共同规律的学科，而控制理论是在控制论出现之前将控制、反馈和通信应用到工程和物理系统中，形成的一整套对于自动控制系统分析与设计的数学理论和方法，一般认为工程控制论就是控制理论。尽管一般系统具有质量、能量和

44、信息三个要素，但控制论只着眼于信息方面，着重研究系统的行为方式，控制论与控制科学和工程学科密切相关，并是其理论核心，控制论与其他学科的关系如图1-6所示。图1-6 控制论与其他相关科学的关系以“三论”为代表的新兴学科及其孕育的科学方法论是20世纪以来最伟大的科学研究理论成果之一，它们的崛起为人类认识世界、改造世界提供了新动力。物联网在此推动下应运而生，它需要结合信息论、系统论、控制论于一体，将其作为核心的方法论构建上层模型，在网络环境中应用各种具体信息技术去实现物物相联，从整体上提升物联网系统的理论及应用能力。1.3.3 物联网与自动控制物联网与自动控制自动化作为一种行为和状态，它是通过自动控

45、制系统得以实现的。从物联网本质（信息、能量与物质）的角度出发，自动化技术的作用是以信息为媒介促进能量与物质（如能源、材料和环境资源、人力资源等）的有效利用，从而为现代社会发展提供物质的保证，因此，自动化技术是信息与能量、物质之间的桥梁。图1-7形象地描述了物联网与自动控制技术体系的关系。图1-7 物联网与自动控制的关系所谓系统（System），是指由相互关联、相互制约、相互影响的一系列部件组成的具体有某种功能的有机整体。系统由两个以上的要素（组成部分）组成，单个要素不能构成系统；各要素之间不是孤立的，而是具有某种联系并存在一定相互作用的，即各要素之间存在物质、能量、信息的交换；此外，还要具备完成特定功能的能力。对于一个具体的系统而言，系统以外的部分统称为环境，系统与其环境的边界称为系统边界，环境对系统的作用称为输入，系统对环境的作用称为输出。自动控制系统是指能够实现“自动化”任务的设备，是工程技术领域的人造系统。自动控制系统通常由控制部分和控制对象组成。随着科学技术的不断发展，出现了越来越多的大型复杂人造系统，物联网系统便是其中之一，它包含了自然界的生态系统、生物系统，乃至社会经济系统等。因此，若想实现对物联网系统的控制就必须从自动控制系统着手，逐步扩大系统要素的数量、分析要素间的关联控制关系、完善控制技术，从而实现物联网的无限互联、无限控制、无限服务理念。