物联网体系结构及其主要应用

学生：张鲁 指导老师：赵书俊
主要章节
第一章 绪论（物联网的发展背景、过程及其定义） 第二章 物联网的体系结构 第三章 物联网的主要应用 第四章 物联网发展中亟待解决的四大问题
第五章 物联网发展的前景与趋势
第一章 绪论
物联网发展背景和过程：进入21世纪后，在信息化推动社
会生产方式和经济社会发展观发生深刻的变革的背景下， 物联网逐渐进入人们的视野。并在最近10年中呈现高速发 展的态势。全球各国纷纷将发展物联网作为各自信息领域 的国家级战略。
从2003年美国《技术评论》首次明确提出传感网络技术将 是未来改变人们生活的十大技术之首到如今物联网在欧美 形成“智慧地球”的概念，2012两会期间温家宝政府工作 报告中，物联网再次被提为战略性新兴产业，国家将继续 大力培育战略性新兴产业，加快三网融合、云计算、物联 网试点示范工作步伐。
物联网定义：
远程医疗：远程医疗会诊在医学专家和病人之间建立起全
新的联系，使病人在原地、原医院即可接受远地专家的会 诊并在其指导下进行治疗和护理。主要利用网络进行语音 和高清图像的交流，实现专家与病人、专家与医务人员之 间异地“面对面”的会诊。 极大降低了转运病人的成本和时间
一定程度上缓解偏远地区医疗服务能力不足，医疗水平发
（2）网厂协调、智能调度、电力储能、配电自动化等 技术的广泛应用，使电网运行控制更加灵活、经济。 （3）实现实时和非实时信息的高度集成、共享与利用， 为运行管理展示全面、完整和精细的电网运营状态图， 同时能够提供相应的辅助决策支持、控制实施方案和 应对预案。 智能电网通过大量分布式传感技术将信息通信技术与 传统电网融合，极大地提升了电网的信息感知、信息 互联和智能控制能力，实现了实时远程管控，使电网 运行更加经济和高效。
公交行驶过程中通过GPS 将定位信息发送给管控中 心，然后在车站站牌显示 当前车辆位置实时信息。
当道路拥堵时，可使用智 能调度系统向车辆发出暂 时调整行车路线的信息， 避开拥堵路段，减缓城市 交通压力。
二、智能电网 它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过信 息化手段，使能源资源开发、转换（发电）、输电、配电、 供电、售电及用电的电网系统的各个环节，进行智能交流， 实现精确供电、互补供电、提高能源利用率、供电安全， 节省用电成本的目标，这样的电力网络，称为智能电网。 智能电网体现出电力流、信息流和业务流高度融合的显著 优势： （1）稳定性增强，迅速排除故障：可获取电网的全景信息， 及时发现、预见可能发生的故障。故障发生时，电网可以 快速隔离故障，实现自我恢复，从而避免大面积停电的发 生。
第三章 物联网在各领域的主要应用
一、智能交通系统
面对机动化水平提高带来的交通拥堵和道路安全等问 题，智能交通系统的概念逐渐被提出及应用，可以认为智 能交通系统是将信息技术应用于交通的设计、规划、管理 的一种新型交通系统。 智能交通系统的主要应用体现在：交通信息管理系统、 公共交通系统、车辆控制系统、货运管理系统、电子收费 系统。 关键技术有：显示技术、自动车辆识别技术、数据库 技术、自动控制技术
个新概念，其次通过对其体系结构的分析，初步掌握了物 联网的基本组成和依赖的技术，最后对物联网在各个领域 的应用也有了更为清晰的认知，在以后涉及到物联网方面 的工作生活中将会使我受益匪浅。
总结
本论文对物联网发展的背景、现状及前景和趋势做了简述，
并对物联网的体系结构中涉及的感知、网络传输、应用三 个层次进行了一定量的分析，对当前物联网在电网、交通、 农业、医疗、家居方面的应用进行了阐述，介绍了在各个 领域的哪些环节都发挥了什么样的作用，依靠哪些技术支 持。
通过论文写作期间查阅大量资料首先使我认识了物联网这
三、智慧农业 智慧农业与传统农业相比，主要有以下特点： （1）合理施用化肥，降低生产成本，减少环源污染：智能 农业采用因土、因作物、因时全面平衡施肥 （2）减少和节约水资源：由作物动态监控技术定时定量供 给水分，采用智能滴灌微灌等一系列新型灌溉技术。 （3）农作物的物质营养得到合理利用，保证了农产品的产 量和质量：因为智慧农业通过采用先进的现代化高新技术， 对农作物的生产过程进行动态监测和控制，及时采取相应 的措施。
根据物联网的服务类型和节点等情况，下面给出一种由感
知层、网络通信层和应用层组成的3层物联网体系结构。 体系结构图：
感知层：感知层是物联网的皮肤和五官，主要功能是信息
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
感知与采集，主要包括二维码标签和识读器、RFID标签和 读写器、摄像头、各种传感器等。如温度感应器、声音感 应器、震动感应器、压力感应器、RFID读写器、二维码识 读器等。 网络层。网络层是物联网的神经中枢和大脑—用于传递信 息和处理信息。 网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问 题。这些数据可以通过移动通信网、互联网、企业内部网、 各类专网、小型局域网等进行传输。 网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为 中心的物联网的核心技术，包括传感网数据的存储、查询、 分析、挖掘和理解，以及基于感知数据决策的理论与技术。
四、智慧医疗 目前国内公共医疗管理系统不完善，医疗成本高、渠道少、 覆盖面低，大医院人满为患，病人就诊手续繁琐。而智慧 医疗通过快捷完善的数字化信息系统提升诊疗速度，同时 提高医院的运营效率和监管效率 （1）智能医疗服务：电子病历--记录医疗过程中生成的 文字、图形、数据、影像等多种信息，存储门诊、住院治 疗记录，方便就诊，提高医疗工作人员效率 （2）智能医疗监护：生命体征监测----可穿戴的医疗监 控报警系统。采用多参数采集机制，对病人的血压、脉搏、 体温、血液含氧量进行监控，把采集后的信号通过蓝牙传 输到医护中心实时监测。
智能家居系统包含的主要子系统有：家居布线系统、家庭
网络系统、智能家居（中央）控制管理系统、家庭安防系 统、家居照明控制系统、家庭环境控制系统等。
（1）安全防范：智能安防可以实时监控非法闯入、火
灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。一旦出现警情，系 统会自动向中心发出报警信息进入应急联动状态 （2）家电的智能控制和远程控制：如对灯光照明进行 场景设置和远程控制、电器开关的自动控制、中央空 调自动控制系统等。 （3）始终在线的网络服务：将室内家电开关状况、室 内温度、门禁监控画面、以及小区物业信息整合与互 联网相连，实时远程控制
第四章 物联网发展中亟待解决的四大问题
（1）制定国家层面物联网发展战略规划 （2）物联网发展的基础性战略资源—码址资源
（3）物联网应用的成本较高
（4）建立物联网应用的标准体系
第五章 物联网的发展前景与趋势
物联网在最近10年发展速度很快，特别是在互联网、信息
技术基础较好的欧美国家。但是面临物联网仍然面临着人 才缺失的巨大压力，近几年一些高校的物联网专业培养计 划处于起步阶段，学科、课程并不成熟，难已形成高效的 研发团体。同时物联网的应用群体目前大多集中在大型企 业和政府采购中，覆盖面较小，扩展不足。 所以目前物联网机遇与挑战并存，需要物联网产业体 系的完善拉动整个产业的发展。 物联网发展趋势：RFID标签的微型化 物联网在普通大众生活领域的应用 物联网在城市管理中的应用（市政管理、 绿化浇灌、路灯管理、管道管理、交通管理）
（3）医疗产品管理：药品防伪---一般采用RFID电子标签
识别技术。生厂商为每一批药品甚至每一个药瓶都配置唯 一的产品电子代码，将RFID标签粘贴在每一批药品上。在 整个流通环节，所有可能涉及药品的生产商、批发商、零 售商和用户等都可以利用RFID读卡器读取药品的序列号和 其他信息获得，还可以根据药品序列号、通过网络到数据 库中检查药品的真伪。
云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，将是物 联网网络层的重要组成部分，也是应用层中众多应用的基 础。 应用层。应用程式物联网的是“社会分工”—结合行业需 求，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的 深度融合，结合行业需求实现行业智能化。 物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户 提供丰富的特定服务。物联网的应用可分为监控型（物流 监控、污染监控）、查询型（智能检索、远程抄表）、控 制型（智能交通、智能家居、路灯控制）和扫描型（手机 钱包、高速公路不停车收费）等。 应用层是物联网发展的体现，软件开发、智能控制技 术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。
将无线传感器网络布设于农田、园林、温室等目标区
域，网络节点大量实时地收集温度、湿度、光照、气 体浓度等物理量，精准地获取土壤水分、压实程度、 电导率、pH值、氮素等土壤信息。无线传感器网络有 助于实现农业生产的标准化、数字化、网络化。 因此，智慧农业应用中最关键的即为传感器技术 电化学离子敏传感器（土壤N、P、K, 重金属含量快速 检测）光照传感、温度传感、湿度传感等等
4.产品电子代码（EPC）： EPC系统是一个非常先进的综
合性和复杂的系统，其最终目标是为每一个单品建立全球 的、开放的标识标准。EPC代码作为产品信息沟通的纽带， 通过识别承载EPC代码信息的RFID标签，利用计算机互联 网，实现整个供应链中物品的自动识别、信息交换和共享， 进而实现对物品的实时跟踪和透明化管理。 5.云计算：云计算是网络计算、分布式计算、并行计算、 效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机技 术和网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成 本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完 美系统。以云计算为代表的分布式网络信息处理技术正是 解决互联网发展所带来的巨量数据存储与处理需求的绝佳 途径。
第二章 物联网的体系结构
设计物联网体系结构时应该遵循以下几条原则：
（1）多样性原则，物联网体系结构须根据物联网的服务类 型、节点的不同，分别设计多种类型的体系结构。 （2)互联性原则，物联网体系结构需要平滑地与互联网实现 互联互通。 （3)扩展性原则，对于物联网体系结构的架构，应该具有一 定的扩展性设计，以便最大限度地利用现有网络通信基础 设施，节省成本。 （4)安全性原则，因此物联网的体系结构和存储数据应能够 防御大范围内的网络攻击，应具备相当好的安全性和可靠 性。
物联网体系结构中的主要技术：
1.射频识别（RFID）： RFID是一种非接触式的自动识别
技术，他通过射频信号自动读取目标对象电子标签内存储 的信息，获得相关数据。 最基本的RFID系统由3部分组成： 标签、阅读器、天线 2.无线传感网：将一系列在空间上分散的传感器单元通过 自组织的无线网络进行连接，通过各类集成化的微型传感 器协作实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息， 以实现对空间分散范围内的环境状况的协作监控。主要由 分布式传感器节点、基站节点、互联网和用户界面等构成。 3. M2M ：物物互联（M2M） M2M技术是所有机器设备都 具备联网和通信能力，它让机器之间、人与机器之间实现 无缝连接，能够实现业务流程的自动化。
最早的物联网的定义很简单，即：把所有物品通过射频 识别和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化 识别和管理。在早期的概念中，物联网实际上等同于RFID技 术加互联网。 最新的物联网概念应该具有三个特征：一是全面的感知； 二是可靠传递；三是数据处理。 目前比较流行，能够被各方所接受的物联网定义为：通 过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信 息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来， 进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监 控和管理的一种网络。目的是让所有的物品都与网络连接在 一起，方便识别和管理。其核心是将互联网扩展应用于我们 所生活的各个领域
展不平衡的的状况
使医疗突破了地理范围的限制，有利于临床研究的发展，
提高了中小医师的诊疗水平。
五、智能家居 智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信
技术、 安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居 生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事 务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性。