《物联网概论》课程论文

学院2015～2016学年第一学期《物联网概论》课程

（论文）

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一个哈密瓜的旅行

——安科智慧农庄

内容摘要：物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的英文名称叫“The Internet of things”。顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、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，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网技术被称为是信息产业的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来主要体现在三个方面：一是互联网特征，即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络；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与物物通信（M2M）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。

具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、公路、建筑油气管道等各种物体中，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，可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、环境监测、照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。在本文中，将通过一个哈密瓜的旅行来诠释未来的物联网应用方式之一，并提出了一些对未来物联网发展的建议。

关键词：物联网；RFID技术；智能化

评语：

评分：

一. 物联网概述

1.1 定义/特征

定义

英文名：Internet of Things（IOT），也称为Web of Things。

物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

特征

和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。

首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。

其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。

还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

1.2 背景

1、物联网的实践最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐贩售机——Networked Coke Machine。

2、1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网(Internet of Things)这个概念；是1999年MIT Auto-ID中心的Ashton教授在研究RFID时最早提出来的。提出了结合物品编码、RFID和互联网技术的解决方案。当时基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things”（简称物联网），这也是在2003年掀起第一轮华夏物联网热潮的基础。

3、2005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《ITU互联网报告2005：物联网》，引用了“物联网”的概念。物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。

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。物联网概念的兴起，很大程度上得益于国际电信联盟2005 年以物联网为标题的年度互联网报告。然而，ITU的报告对物联网缺乏一个清晰的定义。

4、2008年后，为了促进科技发展，寻找经济新的增长点，各国政府开始重视下一代的技术规划，将目光放在了物联网上。在中国，同年11月在北京大学举行的第二届中国移动政务研讨会“知识社会与创新2.0”提出移动技术、物联网技术的发展代表着新一代信息技术的形成，并带动了经济社会形态、创新形态的变革，推动了面向知识社会的以用户体验为核心的下一代创新（创新 2.0）形态的形成，创新与发展更加关注用户、注重以人为本。而创新2.0形态的形成又进一步推动新一代信息技术的健康发展。

5、2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。当年，美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。

6、2009年8月温家宝总理在视察中科院无锡物联网产业研究所时，对于物联网应用也提出了一些看法和要求。自温总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。

物联网的概念与其说是一个外来概念，不如说它已经是一个“中国制造”的概念，他的覆盖范围与时俱进，已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围，物联网已被贴上“中国式”标签。

1.3技术架构和应用模式

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。

感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网获识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。

网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。

应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，目前绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试，某些行业已经积累一些成功的案例。

1.4用途

业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国也正在高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。

中国移动总裁王建宙提及，物联网将会成为中国移动未来的发展重点。他表示将会邀请台湾生产RFID、传感器和条形码的厂商和中国移动合作。运用物联网技术，上海移动已为多个行业客户度身打造了集数据采集、传输、处理和业务管理于一体的整套无线综合应用解决方案。最新数据显示，上海移动目前已将超过10万个芯片装载在出租车、公交车上，形式多样的物联网应用在各行各业大显神通，确保城市的有序运作。在上海世博会期间，“车务通”全面运用于上海公共交通系统，以最先进的技术保障世博园区周边大流量交通的顺畅；面向物流企业运输管理的“e物流”，将为用户提供实时准确的货况信息、车辆跟踪定位、运输路径选择、物流网络设计与优化等服务，大大提升物流企业综合竞争能力。

此外，在“物联网”普及以后，用于动物、植物和机器、物品的传感器与电子标签及配套的接口装置的数量将大大超过手机的数量。物联网的推广将会成为推进经济发展的又一个驱动器，为产业开拓了又一个潜力无穷的发展机会。按照目前对物联网的需求，在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签，这将大大推进信息技术元件的生产，同时增加大量的就业机会。

要真正建立一个有效的物联网，有两个重要因素。一是规模性，只有具备了规模，才能使物品的智能发挥作用。例如，一个城市有100万辆汽车，如果我们只在1万辆汽车上装上智能系统，就不可能形成一个智能交通系统；二是流动性，物品通常都不是静止的，而是处于运动的状态，必须保持物品在运动状态，甚至高速运动状态下都能随时实现对话。

美国权威咨询机构FORRESTER预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比1，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。

二.物联网应用案例

2.1 案例（哈密瓜的旅行）

一个美好的清晨，安科智慧农庄里静悄悄的。整齐的大棚里，一个个金灿灿的哈密瓜安稳地躺在半空中的网袋里。瓜园里埋设了众多的土壤水肥传感器，及时采集水分和肥力的情况，通过田间的无线接入点把数据传回控制中心，然后按指令启动滴灌系统为作物补充水分和养料。

不过，每天的现场巡视还是必不可少的。农庄的主人小赵坐在智能小车上，不紧不慢地穿行于两列瓜藤之间，像个正在检阅仪仗队的将军。利用预设编号的非接触式RFID（无线射频识别，是一种通信技术）卡，瓜田里的每条田垄都设立了巡查系统的检查点。每天，小赵都要依次通过这些RFID卡，让手中的RFID 读取设备感应它们。哪怕遗漏了大棚里的任何一条小路，小车的屏幕都会不厌其烦地提示今天的巡视没有完成，并且提示哪一条小路尚未被巡视到。

短促悦耳的提示声不时响起，这意味着又有哈密瓜可以采摘了。在给雌花授粉的时候，小赵会把一个可以多次写入的半有源RFID吊牌，挂在离花朵最近的瓜藤上。吊牌的芯片里记录了哈密瓜的品种、授粉日期以及编号，这是未来每一个哈密瓜的“身份证”。通过远距离感应并读取RIFD吊牌里的记录，结合后继时段中的天气和温度，农庄的管理系统可以向小赵提供精准的采摘日期建议，并通过智能小车的终端提醒他。随着巡视工作的顺利结束，小车的货斗里几乎装满了诱人的哈密瓜。小赵驾着小车回到农庄库房，依次把哈密瓜套上泡沫网套和包装袋，把对应的半有源RFID吊牌别在袋口，然后把哈密瓜分别放进相应规格的周转箱。

几十公里外的都市中心。白领小钱正在停车，手机的提示音却突然响了，一条短信跳了出来：“亲爱的主人，您的笨笨冰箱没有发现任何水果的RFID标签，请主人注意饮食平衡！”短信末尾附带了一个小钱很熟悉的链接，那是他办理过会员的安科智慧农庄网店。看来，家里的冰箱利用扫描RIFD标签完成了库存扫描，并通过互联网及时发来了购物提醒点开链接，小钱发现农庄今天供应西瓜、哈密瓜和当季蔬菜。他信手点了几下屏幕，预定下一个重量1公斤左右的哈密瓜。

与此同时，安科智慧农庄的销售员小孙和小李也开始了忙碌。他们按照网上订单的要求，在库房里为顾客挑选合适的水果或蔬菜。过磅的时候，智能台秤会同时读取半有源RFID吊牌里的信息，然后很快吐出一张销售标签。这张标签只比普通不干胶标签稍微厚一点。然而纸质表面的下面却藏着复杂的柔性线路和芯片。这是一张一次写入多次读取的RFID标签，通过读取器可以读出刚刚写入的商品信息。比如过磅一个哈密瓜，标签里就包括了品种、采摘、生产商以及重量、价格和配送信息等等这些信息来自网店的客户管理系统和农庄的库存管理系统，这张RFID标签也成了这个哈密瓜的新“身份证”。

不多时，小钱的手机也收到了订单确认及付款链接。午休的时候，小钱完成了网上支付，随即收到了取货用的二维码。属于小钱的哈密瓜随后被送入配送库房，那个半有源RFID吊牌则会被回收再次使用。REID读取器快速地读取每一箱货物的信息，并显示在分装平台的屏幕上。配送员们根据这些信息，按照配送地址把一箱箱水果和蔬菜各就各位，几辆厢式配送车很快出发。

下午，属于小钱的那个哈密瓜完成了漫长的旅行，来到了小钱家小区的地下车库里，这里摆放着农庄的暂存柜。配送员把各家订购的水果和蔬菜分别放进一个个单独的柜门，同时回收留在暂存柜中的周转箱。智能暂存柜将识别RFID标签上的订单信息，然后根据会员号为客户打开正确的柜门。傍晚，小钱来到了安科智慧农庄的暂存柜前。聪明的暂存柜发现了小钱皮包里的RFID会员卡，很快通过内部的管理系统找到了对应的货物。小钱根据柜子屏幕上的提示把手机上的二维码对准摄像头，哈密瓜暂时容身的那个柜门便轻声开启了。

回到了家，小钱随手把拎着的哈密瓜塞进了冰箱。冰箱的屏幕立刻亮了起来：“亲爱的主人，您购买的哈密瓜是早晨8：10分前采摘的，为了保证风味和营养，建议您尽快食用……”在RFID技术的帮助下，一个0.8公斤重的新鲜哈密瓜，顺利地抵达了旅程的终点。

2.2 小结

从上面的典型案例，我们可以看出物联网的两种基本应用模式：

(1)对象的智能标签。通过NFC、二维码、RFID等技术标识特定的对象，用于区分对象个体，例如在案例中我们使用的RFID标签，其基本用途就是用来获得对象的识别信息；此外在现在生活中，通过智能标签还可以用于获得对象物品所包含的扩展信息，例如智能卡上的金额余额，二维码中所包含的网址和名称等。

(2)对象的智能控制。物联网基于云计算平台和智能网络，可以依据传感器网络用获取的数据进行决策，改变对象的行为进行控制和反馈。上例中，瓜园的智能滴灌系统通过田间的无线接入点采集的数据为作物补充水分和养料，正是智能控制的体现。在生活中，也不缺乏这些应用，例如根据光线的强弱调整路灯的亮度，根据车辆的流量自动调整红绿灯间隔等。

三.物联网的未来

3.1趋势

业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国也正在高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。

目前，我国已有6.8亿移动电话用户，使用互联网的人数也已超过3.38亿人。互联网和无线通信网络已成为人获取信息和人际沟通的不可或缺的基础设施。而当网络进一步作为物体与物体沟通的工具、人与物体沟通的工具，整个网络的规模和应用将面临进一步爆发。

目前具体的应用已经开始实施，未来是铺开更大范围的问题。比如给放养的羊群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每一块羊肉上，消费者可以通过手机阅读二维码，知道羊的成长历史，确保食品安全；将带有“钱包”功能的电子标签与手机的SIM卡合为一体，手机就有钱包的功能，消费者可用手机作为小额支付的工具，用手机乘坐地铁和公交车、超市购物，去影剧院看影剧。重庆市已有20万人刷手机乘坐城市轻轨；在电度表上装上传感器，供电部门随时都可以知道用户使用电力的情况，使电网也具备智能。我国江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变压器的运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理等，一年来降低电损1.2亿千瓦时。

此外，在“物联网”普及以后，用于动物、植物和机器、物品的传感器与电子标签及配套的接口装置的数量将大大超过手机的数量。物联网的推广将会成为推进经济发展的又一个驱动器，为产业开拓了又一个潜力无穷的发展机会。按照目前对物联网的需求，在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签，这将大大推进信息技术元件的生产，同时增加大量的就业机会。

互联网之父瑟夫在近期也对CBN记者表示，在他看来，全球互联网又来到了一个转折的阶段，完成人的上网后，要为电脑外的每一个物体都分配一个IP地址，因此整个互联网的设计、管理、运营和创新能力都会来到一个新的阶段。美国权威咨询机构FORRESTER预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30:1。因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。

3.2措施

物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，是继通信网之后的另一个万亿级市场。物联网是新一代信息网络技术的高度集成和综合运用，是新一轮产业革命的重要方向和推动力量，对于培育新的经济增长点、推动产业结构转型升级、提升社会管理和公共服务的效率和水平具有重要意义。但是，物联网的实现并不仅仅只是一个技术方面的问题，建设物联网的过程中将涉及到许多规划、管理、协调、合作等方面的问题，还涉及个人隐私保护等方面的问题。这就需要有一系列相应的配套政策和规章、制度的制订和完善。

因此，开展物联网技术创新与应用应从以下几方面着手：

（一）正确认识物联网

社会上对物联网的认识不够深刻，对物联网的炒作有些过头了，物联网应该有它自己的发展规律。发展物联网必须遵循产业发展规律，正确处理好市场与政府、全局与局部、创新与合作、发展与安全的关系。

（二）大力攻克核心技术

着力突破核心芯片、智能传感器等一批核心关键技术.同时结合物联网特点，在突破关键共性技术时，研发和推广应用技术，加强行业和领域物联网技术解决方案的研发和公共服务平台建设，以应用技术为支撑突破应用创新。

（三）协调推进产业发展

制订物联网发展规划，全面布局。重点发展高端传感器、MEMS、智能传感器和传感器网节点、传感器网关；超高频RFID、有源RFID和RFID中间件产业等，重点发展物联网相关终端和设备以及软件和信息服务，着力统筹推动物联网整个产业链协调发展，形成上下游联动、共同促进的良好格局。

（四）积极开展应用示范

推动典型物联网应用示范，带动发展。着力在工业、农业、商贸流通、能源交通、社会事业、城市管理等领域，开展物联网应用示范和规模化应用，通过应用引导和技术研发的互动式发展，带动物联网的产业发展。重点建设传感网在公众服务与重点行业的典型应用示范工程，确立以应用带动产业的发展模式，消除制约传感网规模发展的瓶颈。深度开发物联网采集来的信息资源，提升物联网的应用过程产业链的整体价值。

（五）加强信息安全保障

着力加强物联网安全保障技术、产品研发和法律法规制度建设，提升信息安全保障能力。在物联网中，射频识别技术是一个很重要的技术。在射频识别系统中，标签有可能预先被嵌入任何物品中，比如人们的日常生活物品中，但由于该物品（比如衣物）的拥有者，不一定能够觉察该物品预先已嵌入有电子标签以及自身可能不受控制地被扫描、定位和追踪，这势必会使个人的隐私问题受到侵犯。因此，如何确保标签物的拥有者个人隐私不受侵犯便成为射频识别技术以至物联网推广的关键问题。

（六）降低使用成本

在成本尚未降至能普及的前提下，物联网的发展将受到限制。物联网产业是需要将物与物连接起来并且进行更好的控制管理。这一特点决定了其发展必将会随着经济发展和社会需求而催生出更多的应用。所以，在物联网传感技术推广的初期，功能单一，价位高是很难避免的问题。因为，电子标签贵，读写设备贵，所以，很难形成大规模的应用。而由于没有大规模的应用，电子标签和读写器的成本问题便始终没有达到人们的预期。成本高，就没有大规模的应用，而没有大规模的应用，成本高的问题就更难以解决。如何突破初期的用户在成本方面的壁垒成了打开这一片市场的首要问题。