第1章 物联网概论
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理解物联网的定义与技术特征需要注意的3个基本的问题：
• 物联网是在互联网基础上发展起来的，它与互 联网在基础设施上有一定程度的重合，但是它 不是互联网概念、技术与应用的简单扩展 • 互联网扩大了人与人之间信息共享的深度与广 度，物联网更加强调它在人类社会生活的各个 方面、国民经济的各个领域广泛与深入地应用 • 物联网的主要特征是：全面感知、可靠传输、 智能处理
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1.2.3 物联网的研究背景
1. 信息世界与物理世界的融合 （1）信息世界的发展
互联网的广泛应用造就了人类历史上最庞大的 信息世界 • • • • 2005年互联网包含的数据量约为5×109GB 2007年约为281×109GB 2008年约为487×109GB 从2009到2011年数据以每年60%的速度增长
21
CPS研究的基本思路
• CPS是“人、机、物”深度融合的系统 • CPS是“3C”与物理设备深度融合的系统 • CPS 是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的 系统
22
• 物联网发展的技术背景与社会背景
23
1.3 物联网定义与主要技术特征
1.3.1 物联网的定义
物联网是在互联网、移动通信网等通信网 络的基础上，针对不同应用领域的需求， 利用具有感知、通信与计算能力的智能物 体自动获取物理世界的各种信息，将所有 能够独立寻址的物理对象互联起来，实现 全面感知、可靠传输、智能处理，构建人 与物、物与物互联的智能信息服务系统。
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（3）对物联网标识符的理解 • 在互联网中，名字（name）、地址（address） 与路径（route）是由区别的 • 在物联网中，要实现全球范围智能物体之间的 互联与通信就必须解决物体标识问题 • 如果应用系统使用TCP/IP协议，可以为每一个 节点分配一个IPv4或Pv6地址 • 物联网中的RFID标签编码目前影响最大的两 个标准—电子产品编码（EPC）与泛在识别 （UID）标准
10
1.1.4 物联网与我国战略性新兴产业
• 2009年8月7日，国务院总理温家宝在无锡视察 时发表了重要的讲话，提出“感知中国”的战略 构想，指示要抓住机会，大力发展物联网技术 与产业。 • 2010年3月5日，国务院总理温家宝在十一届全 国人大三次会议上作政府工作报告中指出： “国际金融危机正在催生新的科技革命和产业 革命。发展战略性新兴产业，抢占经济科技制 高点，决定国家的未来，必须抓住机遇，明确 重点，有所作为。转变经济发展方式刻不容缓， 大力培育战略性新兴产业”。
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（4）智能物体与嵌入式技术的关系
• 智能物体的感知、通信与计算能力的大小应该 根据物联网应用系统的需求来确定 • 智能物体都应该是一种嵌入式电子装置 ，或者 是装备有嵌入式电子装置的人、动物或与物体 • 嵌入式电子装置可能是功能很简单的RFID芯 片，也可能是一个功能复杂的无线传感器节点 • 嵌入式电子设置可能使用简单的微处理器芯片 和小的存储器，也可能使用功能很强的微处理 器芯片和大的存储器
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2. 物联网可以提供所有对象在任何时间、任何地点的互联
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实现物联网在任何时候、任何地点与任何一个物体通信 的要求，需要研究和解决以下几个基本的问题：
• • • • •
如何连接不同的物体？ 如何实现不同物体之间的通信？ 如何建立物联网的通信模型？ 如何保证物联网的服务质量？ 如何实现物联网中物体的命名、编码、 识别与寻址？ • 如何保护物联网的信息安全与个人隐私？
11
• 2011年3月16日发布的我国国民经济和社 会发展“十二五”规划纲要的第十章 “培育发展战略性新兴产业”与第十三 章“全面提高信息化水平”中多次强调 了“推动物联网关键技术研发和在重点 领域的应用示范。”大力发展物联网产 业已经成为一项我国具有战略意义的重 要决策。 • 工业和信息化部于2011年11月28日发布 了《物联网“十二五”发展规划》。
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1.2 物联网发展的技术背景
1.2.1 从人类对技术需求 的角度认识物联网 发展的必然性
13
1.2.2 从网络技术演变的角度认识物联网发展的必然性
网络结点数
Internet主机 IPIP 地址数（ 主机 地址数 Lottor,RFC1296） ARPANET 主机数（Mark Lottor,<mkl@nw.com>） 早期的ARPANET 主机数（Peter Salus,<phs@netcom.com>）
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3. 互联网技术发展对物联网形成的影响 • TCP/IP协议的研究与设计的成功，促进了互联网的快 速发展。在互联网形成过程中，广域网、城域网、局 域网与个人区域网技术逐步成熟 • 互联网的大规模应用带来了大批用户接入的需求，促 进了接入技术的发展，推动了宽带城域网技术的发展 • 基于Web的电子商务、电子政务、远程医疗、远程教 育，以及基于对等结构的P2P网络、移动通信技术与移 动互联网的应用，使得互联网的应用以超常规的速度 发展 • 无线局域网、无线城域网与无线自组网、无线传感器 网络与无线个人区域网的研究与应用为物联网的发展 奠定了基础
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1.1.3 欧盟与各国政府物联网产业发展规划
1. 欧盟发展物联网产业的规划 • 第一阶段（2010年前）：基于RFID技术实现低功耗、 低成本的单个物体间的互联，并在物流、零售、制药 等领域开展局部的应用 • 第二阶段（2010～2015年）：利用传感网与无处不在 的RFID标签实现物与物之间的广泛互联，针对特定的 产业制定技术标准，并完成部分网络的融合 • 第三阶段（2015～2020年）：具有可执行指令的RFID 标签广泛应用，物体进入半智能化，物联网中异构网 络互联的标准制定完成，网络具有高速数据传输能力 • 第四阶段（2020年之后）：物体具有完全的智能响应 能力，异构系统能够实现协同工作，人、物、服务与 网络达到深度地融合
第 1章 物联网概论
段鹏松
物联网概念的提出
第 1章 知识点结构
物联网发展的社会背景
物联网发展的技术背景
物联网定义
物联网的技术特征
物联网的体系结构模型* 物联网关键技术
物联网产业链结构
2
我国物联网 十二五发展规划
1.1 物联网发展的社会背景
1.1.1 物联网概念的提出 1.比尔·盖茨与电子别针
• • • • 1995年出版的《未来之路》 “物—物互联”的设想 “电子别针”与家庭电子服务设施接通 通过“电子别针”去感知来访者的位置，控制室 内的照明和温度，控制电话和音响、电视等家电 设备
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2. 韩国政府关于物联网的发展规划 • 韩国政府提出了泛在感知网络的概念 • 通过在各种物品中嵌入传感器，传感器之间自主地传 输和采集环境信息，通过网络实现对外部环境的监控 • 物联网重点发展的四大领域与计划： — u-City计划，推动智能城市建设 — Telematics示范应用计划，发展车用信息通信服务
17Baidu Nhomakorabea
• 物联网 发展的 技术背景
ARPANET
社会需求 技术发展 TCP/IP协议的应用
1984年，组建NSFNET 1991年，允许商业应用
Web技术的应用
Internet
1993年，NII计划的推行 1995年，互联网大规模应用 1998年，RFID的商业应用 1999年，无线传感网应用的发展 移动通信技术的发展 2005年，ITU提出物联网的概念 2005年，CPS研究计划的提出 2009年，IBM智慧地球概念的提出 2009年，我国物联网产业发展的提出 移动互联网技术的发展 云计算技术的发展 宽带城域网技术的发展
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（2）对智能物体感知、通信与计算能力的理解 智能物体的物理与生物特征可以不一样，但是有一点 是共同的：具有感知、通信和计算能力 • 智能物体能够感知到哪一种或几种参数，这是由所选 用的传感器或RFID类型而定 • 通信能力的不同表现在：它可以是主动发送数据，也 可以是被动的由外部读写器来读取数据；它可以使用 有线通信方式，也可以用无线通信方式；它可以用微 波信道通信，也可以用红外信道通信 • 计算能力的不同表现在：它可能是只是简单地产生数 据，可能是进行计算量比较小的数据汇聚计算，也可 能是进行计算量比较大的数据融合、路由选择、拓扑 控制、数据加密与解密、身份认证计算与控制
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3. 物联网的目标是实现物理世界与信息世界的融合 • 物联网应用涵盖了小到家庭网络，大到工业控 制系统、智能交通系统，甚至是国家级、世界 级的应用 • 将催生很多具有“计算、通信、控制、协同和 自治”特点的智能设备与智能信息系统 • 帮助人类对物理世界具有“全面的感知能力、 透彻的认知能力和智慧的处理能力” • 这种新的计算模式可以帮助人类在提高劳动生 产力、生产效率的同时，进一步改善人类社会 发展与地球生态和谐、可持续发展的关系
无线网络技术的发展
Internet of Things
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2. 普适计算（Pervasive Computing）的研究
• 普适计算的重要特征是“无处不在”与 “不可见” • 普适计算体现出信息空间与物理空间的 融合 • 普适计算的核心是“以人为本” • 普适计算的重点在于提供面向用户的、 统一的、自适应的网络服务
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• 物联网、互联网、传感网与泛在网之间的关系
泛在网 物联网 传感网 互联网
20
3. CPS（Cyber Physical Systems，CPS）的研究
• 随着嵌入式计算、无线通信、自动控制与新型 传感器技术的快速发展与日趋成熟，信息物理 融合系统CPS的研究引起了学术界广泛地重视 • CPS是一个综合计算、网络与物理世界的复杂 系统，通过计算技术、通信技术与控制技术的 有机融合和深度协作 • CPS可以用于智能交通、智能电网、智慧城市、 健康医疗、环境监控、军事国防、工农业生产 之中，实现信息世界与物理世界的紧密融合
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1.3.2 物联网的主要技术特征 1. 物联网智能物体具有感知、通信与计算能力 （1）“智能物体”是对连接到物联网中的人与 物的一种抽象 • 现实社会物理世界的人或物 —物体（thing）/对象（object） • 物联网中具有“感知”、“通信”与“计算” 能力的人或物 —智能物体（Smart Thing） / 智能对象（Smart Object）
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（2）物理世界的发展 信息获取方式逐步从人工生成向人工与自动获取并重的 模式发展 RFID标签、传感器将成为自动获取信息的主要手段 • 截止到2007年初，累计销售RFID标签达到37.52亿个 • 2009年全球销售RFID标签为19.7亿个 • 2010年销售RFID标签达到23.1亿个 • 目前世界上已经有大约50亿个具有通信功能的微处理器和 微控制器 • Intel公司预测到2015年将增长到150亿个 • 爱立信公司预测到2020年将增长到500亿个
3
2. Auto-ID 实验室、RFID与物联网的概念
• 1998年，美国麻省理工学院Auto-ID 实验室 • 产品电子代码（EPC）研究 • 提出了利用RFID、无线网络与互联 网，构建物—物互联的物联网的概念 与解决方案
4
3. 物联网时代概念的提出 • 从1997年～2005年，ITU从研究互联网/ 移动互联网对电信业发展影响的角度， 发布了七份 “ITU Internet Reports”研 究报告 • “物联网”概念产生于20世纪90年代， 而真正引起各国政府与产业界的重视是 在2005年国际电信联盟（ITU）发布的互 联网研究报告《物联网（Internet of Things，IOT）》之后
5
6
1.1.2 物联网与智慧地球
• 智慧地球将传感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、油气管道等各 种物体中，并通过超级计算机和云计算组成物联网， 实现人与物的融合。 • 通过在基础设施和制造业中大量嵌入传感器，捕捉运 行过程中的各种信息，然后通过无线网络接入到互联 网，通过计算机分析、处理和发出指令，反馈给控制 器，远程执行指令。 • 通过智慧地球技术的实施，人类可以以更加精细和动 态的方式管理生产与生活，提高资源利用率和生产能 力，改善人与自然的关系。
— u-IT产业集群计划，加速新兴科技服务业的发展
— u-Home计划，推动智能家庭应用的发展
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3. 日本政府关于物联网的发展规划 • 2009年7月，日本政府IT战略本部制定了 新一代的信息化战略—i-Japan战略2015 • 战略规划提出到2015年，让信息技术如 同水和空气一样融入每一个角落 • 针对电子政务、医疗保健、教育与人才 等三大核心公共事业领域 • 提出了智能电网、灾难应急处置、智能 家居、智能交通与智能医疗保健等项目
理解物联网的定义与技术特征需要注意的3个基本的问题：
• 物联网是在互联网基础上发展起来的，它与互 联网在基础设施上有一定程度的重合，但是它 不是互联网概念、技术与应用的简单扩展 • 互联网扩大了人与人之间信息共享的深度与广 度，物联网更加强调它在人类社会生活的各个 方面、国民经济的各个领域广泛与深入地应用 • 物联网的主要特征是：全面感知、可靠传输、 智能处理
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1.2.3 物联网的研究背景
1. 信息世界与物理世界的融合 （1）信息世界的发展
互联网的广泛应用造就了人类历史上最庞大的 信息世界 • • • • 2005年互联网包含的数据量约为5×109GB 2007年约为281×109GB 2008年约为487×109GB 从2009到2011年数据以每年60%的速度增长
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CPS研究的基本思路
• CPS是“人、机、物”深度融合的系统 • CPS是“3C”与物理设备深度融合的系统 • CPS 是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的 系统
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• 物联网发展的技术背景与社会背景
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1.3 物联网定义与主要技术特征
1.3.1 物联网的定义
物联网是在互联网、移动通信网等通信网 络的基础上，针对不同应用领域的需求， 利用具有感知、通信与计算能力的智能物 体自动获取物理世界的各种信息，将所有 能够独立寻址的物理对象互联起来，实现 全面感知、可靠传输、智能处理，构建人 与物、物与物互联的智能信息服务系统。
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（3）对物联网标识符的理解 • 在互联网中，名字（name）、地址（address） 与路径（route）是由区别的 • 在物联网中，要实现全球范围智能物体之间的 互联与通信就必须解决物体标识问题 • 如果应用系统使用TCP/IP协议，可以为每一个 节点分配一个IPv4或Pv6地址 • 物联网中的RFID标签编码目前影响最大的两 个标准—电子产品编码（EPC）与泛在识别 （UID）标准
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1.1.4 物联网与我国战略性新兴产业
• 2009年8月7日，国务院总理温家宝在无锡视察 时发表了重要的讲话，提出“感知中国”的战略 构想，指示要抓住机会，大力发展物联网技术 与产业。 • 2010年3月5日，国务院总理温家宝在十一届全 国人大三次会议上作政府工作报告中指出： “国际金融危机正在催生新的科技革命和产业 革命。发展战略性新兴产业，抢占经济科技制 高点，决定国家的未来，必须抓住机遇，明确 重点，有所作为。转变经济发展方式刻不容缓， 大力培育战略性新兴产业”。
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（4）智能物体与嵌入式技术的关系
• 智能物体的感知、通信与计算能力的大小应该 根据物联网应用系统的需求来确定 • 智能物体都应该是一种嵌入式电子装置 ，或者 是装备有嵌入式电子装置的人、动物或与物体 • 嵌入式电子装置可能是功能很简单的RFID芯 片，也可能是一个功能复杂的无线传感器节点 • 嵌入式电子设置可能使用简单的微处理器芯片 和小的存储器，也可能使用功能很强的微处理 器芯片和大的存储器
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2. 物联网可以提供所有对象在任何时间、任何地点的互联
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实现物联网在任何时候、任何地点与任何一个物体通信 的要求，需要研究和解决以下几个基本的问题：
• • • • •
如何连接不同的物体？ 如何实现不同物体之间的通信？ 如何建立物联网的通信模型？ 如何保证物联网的服务质量？ 如何实现物联网中物体的命名、编码、 识别与寻址？ • 如何保护物联网的信息安全与个人隐私？
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• 2011年3月16日发布的我国国民经济和社 会发展“十二五”规划纲要的第十章 “培育发展战略性新兴产业”与第十三 章“全面提高信息化水平”中多次强调 了“推动物联网关键技术研发和在重点 领域的应用示范。”大力发展物联网产 业已经成为一项我国具有战略意义的重 要决策。 • 工业和信息化部于2011年11月28日发布 了《物联网“十二五”发展规划》。
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1.2 物联网发展的技术背景
1.2.1 从人类对技术需求 的角度认识物联网 发展的必然性
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1.2.2 从网络技术演变的角度认识物联网发展的必然性
网络结点数
Internet主机 IPIP 地址数（ 主机 地址数 Lottor,RFC1296） ARPANET 主机数（Mark Lottor,<mkl@nw.com>） 早期的ARPANET 主机数（Peter Salus,<phs@netcom.com>）
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3. 互联网技术发展对物联网形成的影响 • TCP/IP协议的研究与设计的成功，促进了互联网的快 速发展。在互联网形成过程中，广域网、城域网、局 域网与个人区域网技术逐步成熟 • 互联网的大规模应用带来了大批用户接入的需求，促 进了接入技术的发展，推动了宽带城域网技术的发展 • 基于Web的电子商务、电子政务、远程医疗、远程教 育，以及基于对等结构的P2P网络、移动通信技术与移 动互联网的应用，使得互联网的应用以超常规的速度 发展 • 无线局域网、无线城域网与无线自组网、无线传感器 网络与无线个人区域网的研究与应用为物联网的发展 奠定了基础
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1.1.3 欧盟与各国政府物联网产业发展规划
1. 欧盟发展物联网产业的规划 • 第一阶段（2010年前）：基于RFID技术实现低功耗、 低成本的单个物体间的互联，并在物流、零售、制药 等领域开展局部的应用 • 第二阶段（2010～2015年）：利用传感网与无处不在 的RFID标签实现物与物之间的广泛互联，针对特定的 产业制定技术标准，并完成部分网络的融合 • 第三阶段（2015～2020年）：具有可执行指令的RFID 标签广泛应用，物体进入半智能化，物联网中异构网 络互联的标准制定完成，网络具有高速数据传输能力 • 第四阶段（2020年之后）：物体具有完全的智能响应 能力，异构系统能够实现协同工作，人、物、服务与 网络达到深度地融合
第 1章 物联网概论
段鹏松
物联网概念的提出
第 1章 知识点结构
物联网发展的社会背景
物联网发展的技术背景
物联网定义
物联网的技术特征
物联网的体系结构模型* 物联网关键技术
物联网产业链结构
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我国物联网 十二五发展规划
1.1 物联网发展的社会背景
1.1.1 物联网概念的提出 1.比尔·盖茨与电子别针
• • • • 1995年出版的《未来之路》 “物—物互联”的设想 “电子别针”与家庭电子服务设施接通 通过“电子别针”去感知来访者的位置，控制室 内的照明和温度，控制电话和音响、电视等家电 设备
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2. 韩国政府关于物联网的发展规划 • 韩国政府提出了泛在感知网络的概念 • 通过在各种物品中嵌入传感器，传感器之间自主地传 输和采集环境信息，通过网络实现对外部环境的监控 • 物联网重点发展的四大领域与计划： — u-City计划，推动智能城市建设 — Telematics示范应用计划，发展车用信息通信服务
17Baidu Nhomakorabea
• 物联网 发展的 技术背景
ARPANET
社会需求 技术发展 TCP/IP协议的应用
1984年，组建NSFNET 1991年，允许商业应用
Web技术的应用
Internet
1993年，NII计划的推行 1995年，互联网大规模应用 1998年，RFID的商业应用 1999年，无线传感网应用的发展 移动通信技术的发展 2005年，ITU提出物联网的概念 2005年，CPS研究计划的提出 2009年，IBM智慧地球概念的提出 2009年，我国物联网产业发展的提出 移动互联网技术的发展 云计算技术的发展 宽带城域网技术的发展
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（2）对智能物体感知、通信与计算能力的理解 智能物体的物理与生物特征可以不一样，但是有一点 是共同的：具有感知、通信和计算能力 • 智能物体能够感知到哪一种或几种参数，这是由所选 用的传感器或RFID类型而定 • 通信能力的不同表现在：它可以是主动发送数据，也 可以是被动的由外部读写器来读取数据；它可以使用 有线通信方式，也可以用无线通信方式；它可以用微 波信道通信，也可以用红外信道通信 • 计算能力的不同表现在：它可能是只是简单地产生数 据，可能是进行计算量比较小的数据汇聚计算，也可 能是进行计算量比较大的数据融合、路由选择、拓扑 控制、数据加密与解密、身份认证计算与控制
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3. 物联网的目标是实现物理世界与信息世界的融合 • 物联网应用涵盖了小到家庭网络，大到工业控 制系统、智能交通系统，甚至是国家级、世界 级的应用 • 将催生很多具有“计算、通信、控制、协同和 自治”特点的智能设备与智能信息系统 • 帮助人类对物理世界具有“全面的感知能力、 透彻的认知能力和智慧的处理能力” • 这种新的计算模式可以帮助人类在提高劳动生 产力、生产效率的同时，进一步改善人类社会 发展与地球生态和谐、可持续发展的关系
无线网络技术的发展
Internet of Things
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2. 普适计算（Pervasive Computing）的研究
• 普适计算的重要特征是“无处不在”与 “不可见” • 普适计算体现出信息空间与物理空间的 融合 • 普适计算的核心是“以人为本” • 普适计算的重点在于提供面向用户的、 统一的、自适应的网络服务
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• 物联网、互联网、传感网与泛在网之间的关系
泛在网 物联网 传感网 互联网
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3. CPS（Cyber Physical Systems，CPS）的研究
• 随着嵌入式计算、无线通信、自动控制与新型 传感器技术的快速发展与日趋成熟，信息物理 融合系统CPS的研究引起了学术界广泛地重视 • CPS是一个综合计算、网络与物理世界的复杂 系统，通过计算技术、通信技术与控制技术的 有机融合和深度协作 • CPS可以用于智能交通、智能电网、智慧城市、 健康医疗、环境监控、军事国防、工农业生产 之中，实现信息世界与物理世界的紧密融合
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1.3.2 物联网的主要技术特征 1. 物联网智能物体具有感知、通信与计算能力 （1）“智能物体”是对连接到物联网中的人与 物的一种抽象 • 现实社会物理世界的人或物 —物体（thing）/对象（object） • 物联网中具有“感知”、“通信”与“计算” 能力的人或物 —智能物体（Smart Thing） / 智能对象（Smart Object）
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（2）物理世界的发展 信息获取方式逐步从人工生成向人工与自动获取并重的 模式发展 RFID标签、传感器将成为自动获取信息的主要手段 • 截止到2007年初，累计销售RFID标签达到37.52亿个 • 2009年全球销售RFID标签为19.7亿个 • 2010年销售RFID标签达到23.1亿个 • 目前世界上已经有大约50亿个具有通信功能的微处理器和 微控制器 • Intel公司预测到2015年将增长到150亿个 • 爱立信公司预测到2020年将增长到500亿个
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2. Auto-ID 实验室、RFID与物联网的概念
• 1998年，美国麻省理工学院Auto-ID 实验室 • 产品电子代码（EPC）研究 • 提出了利用RFID、无线网络与互联 网，构建物—物互联的物联网的概念 与解决方案
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3. 物联网时代概念的提出 • 从1997年～2005年，ITU从研究互联网/ 移动互联网对电信业发展影响的角度， 发布了七份 “ITU Internet Reports”研 究报告 • “物联网”概念产生于20世纪90年代， 而真正引起各国政府与产业界的重视是 在2005年国际电信联盟（ITU）发布的互 联网研究报告《物联网（Internet of Things，IOT）》之后
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1.1.2 物联网与智慧地球
• 智慧地球将传感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、油气管道等各 种物体中，并通过超级计算机和云计算组成物联网， 实现人与物的融合。 • 通过在基础设施和制造业中大量嵌入传感器，捕捉运 行过程中的各种信息，然后通过无线网络接入到互联 网，通过计算机分析、处理和发出指令，反馈给控制 器，远程执行指令。 • 通过智慧地球技术的实施，人类可以以更加精细和动 态的方式管理生产与生活，提高资源利用率和生产能 力，改善人与自然的关系。
— u-IT产业集群计划，加速新兴科技服务业的发展
— u-Home计划，推动智能家庭应用的发展
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3. 日本政府关于物联网的发展规划 • 2009年7月，日本政府IT战略本部制定了 新一代的信息化战略—i-Japan战略2015 • 战略规划提出到2015年，让信息技术如 同水和空气一样融入每一个角落 • 针对电子政务、医疗保健、教育与人才 等三大核心公共事业领域 • 提出了智能电网、灾难应急处置、智能 家居、智能交通与智能医疗保健等项目