1物联网在工业领域的应用邬贺铨中国工程院2010.03.262物联网及其应用q互联网的演进与应用拓展q物联网的概念与支撑技术q物联网在重要领域的应用物联网的内涵3需要连网的物件q 物理对象(不论是智能的或非智能的物体)数量非常巨大，需要联网互动、通信、控制以便参与业务流程或管理的物件其数量也比人口多百 倍微处理器与微控制器500亿控制器与智能传感器17.5亿静态设备4.25亿机动设备5亿静态信息设备12亿移动信息设备35亿嵌入式控制器，温度/压力/流量传感器 ，断路器，衡器等医疗器械，HVAC，工业机械，分布式设备等汽车，集装箱，油轮，火车，城铁，供应链设备等台式机，服务器，交换机，存储设备手机，MID，智能手机， 上网本，GPS等45RFID（射频标签）及其应用AntennaHF TagUHF TagChip从RFID到传感器Gen 1 RFIDGen 2 RFIDGen 5 Interacting RFIDGen 4 Acting RFIDGen 3 Sensing RFIDClass 1Class 1Class 5Class 5性能、复杂性、集成度TimeTimeRFID 有利于改进库存从而增加销售3%，减少商店人力消耗65%，降低库存消耗7.5% (Precursor Analysis). Wal-Mart 全部上万个供货商都使用RFID贴在容器和货盘上,每年节约成本84亿美元Gartner公司报告2009年RFID系统在全球供应链市场规模将达到100亿美元6传感器节点的组成7电源单元电源发生定位系统移动器传感 器模数 转换处理器 存储收发单元传感器敏感物理条件或化学成分并且传递与被观察的特性 成比例的电信号的电子设备。传感器节点由传 感器和可选的能够检 测数据处理及联网的 执行元件组成的设备 。-ITU-T Recommendation Y.2221ITU(国际电信联盟）关于传感网的定义q 传感器网包含互联的传感器节点的网络，这些节点通过有线或无线通信交换传感数据。q 泛在传感器网（USN)-在现有物理网上构造的概念性的网络，它使用传感数据并在任何时间、任何地点向任何物件提供服务，而且在USN中通过使用上下文感知产生信息。8-ITU-T, Rec.Y.2221 (Y.USN-reqts), “Requirements for support of Ubiquitous Sensor Network (USN) applications and services in the NGN environment“ 传感器网络的三个基本要素： 传感器节点，感知对象，观察者传感器网络的基本功能：协作地感知、采集、处理和发布感知信息。9无线传感器网络10传感器网络和Ad hoc网络的比较q 传感器网络中的节点数量大，节点的配置非常密集q 传感器节点的位置并不一定需要预先设计和计算，传 感器网络拓扑的变化十分频繁q 传感器网络中的部分或全部节点可以移动q 传感器网每个节点既是终端，也可能又是路由器q 传感器节点不一定有全球性的标识q 传感器节点的电能，计算能力及存储器容量都很有限q 传感器网络主要用广播方式通信，而大部分Ad hoc网络是基于点到点通信方式的对传感器网络的协议要求q 物理层：工作在915 MHz （工业、科学和医学）或其他频段，发 送功率和传输距离的24次方成正比，使用上往往需要接力q 数据链路层：MAC 协议的作用是节点公平和有效地共享通信资源 ，现有MAC 协议以提高网络的性能和带宽利用率为主要目标，而传感器网络需优化节能、移动管理和故障恢复q 网络层：需要适应拓扑频繁改变和可扩展性的协议、基于节能优先 的路由选择、基于属性的寻址、数据汇聚（将来自多个传感器节点 ，具有相同属性的数据汇聚，解决数据破碎和重复）q 传送层：有限的电能和存储量限制使传感器节点不能存储大量的数 据， 而且TCP方式开销太大，需要有适合传感器网的协议q 应用层：传感器管理协议、任务分配和数据通告协议、传感器询问 和数据分发协议等 1112传感器网的管理平面功能q 电源管理平面 管理传感器节点的电源使用方式 可以使传感器节点在收到一个消息后关闭接收器 当一个节点电量低时，可以向邻居节点广播电量不足消息，并不再参 与转发数据q 移动管理平面 检测和登记传感器节点的移动 了解谁是自己的相邻节点q 任务管理平面 在一个特定的区域内均衡及调度传感任务 在一个区域内并非所有的传感器节点都要同时执行传感任务物联网概念的提出和定义q 关于物联网的含义与其概念提出背景（来源：Wikipedia）在计算领域， the Internet of Things 指的是物件的网络，诸如家用器具。它通常是自配置的无线网络。 the Internet of Things 的概念归因于MIT大学在1999年创建的Auto-ID Center。q 欧盟关于物联网的定义（Internet of Things: Strategic Research Roadmap, CERP-IoT SRA , first presentation 16 September 2009)物联网是未来互联网的一部分，能够被定义为基于标准和交互通信协议具有自配置能力的动态全球网络设施，在物联网内物理和虚拟的“物件”具有身份、物理属性、拟人化、使用智能接口并且无缝综合到信息网络中。13物联网（Internet of Things)的主要特征每一物件 均可寻址每一物件均可控制每一物件 均可通信1415A symbiotic interaction among the real/physical, the digital, virtual worlds and society + Ubiquitous any-ware物联网强调的是认知汇聚计算收集通信连接内容数字世界虚拟网络世界实际物理世界物 件 综 合数 据 综 合语义综合物联网的功能 从感知平台到数据挖掘泛在化的传感单元及网络异构性的互联网基础设施普适性的数据分析与服务更透彻的感知利用任何可以 随时随地感知、测量、捕获和传 递信息的设备、系统或流程，便 于立即采取应对措施和进行长期 规划。更全面的互联互通将个人电 子设备、组织和政府信息系统中 储存的信息交互和共享，从而对 环境和业务状况进行实时监控。更深入的智能化 使用数据挖 掘和分析工具、科学模型和功能 强大的运算系统处理复杂的数据 分析、汇总和计算，整合和分析 海量的跨地域、跨行业的信息， 以更好地支持决策和行动。“智慧地球”是IBM对运用信息技术构建新的世界运行模型的愿景。 “感知中国”是对物联网在中国泛在应用效果的概括。物联网的功能从物联网到Cyber-Physical System（CPS)q Cyber Physical System (CPS) 是计算与物理过程的综合q CPS的发展使得计算资源与物理资源 间的紧密连结并完成现实社会与虚拟空间的有机协调q CPS的目标是突破传统嵌入式系统的框架，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程合作和自治等能力，通过互联网组成各种相应自 治控制系统和信息服务系统，实现被动数据 主动信息 可靠服务17ComputationCommunicationControlCyberPhysicalInformationCPS is the co-joining of computation and communication with physical processes.物联网与互联网的关系q 物联网的底层借助RFID和传感器等实现对物件的信息采集与控制，通过传感网将一组传感器的信息汇集，并连到核心网络；基础网络是物联网的重要组成部分，用于承载物物互联或物与人互联的信息传递；物联网的上层实现信息的处理和决策支持。q 物联网可用的基础网络可以有很多种，根据应用的需要，可以采用公众通信网络，或者采用行业专网，甚至新建专用于物联网的通信网。q 互联网既可以连接人也可以连接物，既可以连接虚拟世界也可以连接实际世界。通常互联网最适合作为物联网的基础网络，特别是当物物互联的范围超出局域网时，以及当需要利用公众网传送需处理和利用的信息时。18物联网与互联网的关系q物联网与互联网上传统业务相比有不同的特点： 在物联网以公众网络（例如互联网）作为基础网络平台的情况下，物联网相当于互联网上面向特定任务来组织的VPN； 互联网是全球性的，但物联网往往是行业性的或区域性的； 一些物联网的应用例如智能电网对网络承载平台的可靠性有很高的要求； 物联网的行业应用的多样性与承载平台的通用性之间需要有中间件来适配； 物联网的上层即智能信息处理、数据挖掘与决策支撑等是传统互联网业务不一定需要的功能。19Future Internet20SocietySocietyFuture InternetIoTIoTIoMIoMIoSIoSIoEIoEv IoT Internet of Things v IoM Internet of Media v IoS Internet of Services v IoE Internet of Enterprises物联网的核心网络既可以是下一代互联网，也可以是现有的互 联网。在未来的互联网中，物联网应用仍然是主要目标之一。传感网、物联网与泛在网传感网物联网泛在网定义终端基础网络通信对象标准化组织传感网实现传感器的互联和信息的收集传感器物对物ISO/IEC物联网将各种信息传感设备如RFID、红 外感应器、GPS、激光扫描器等 与互联网结合，实现对所有物品 的智能化识别与管理传感器、RFID、 二维码、内置移 动通信的各种模 块一个或多个 基础网络物对物、 物对人IEEE、ETSI 、EPCGlobal 、泛在网通过网络的泛在互联，实现物与 物、物与人、人与人之间按需的 的信息获取、传递、储存、认知 、分析、使用等服务，强调人机 自然交互、异构网络融合和智能 应用。传感器、RFID、 二维码、内置移 动通信的各种模 块、手机、上网 卡等所有的网络物对物、 物对人、 人对人ITU、3GPP 、GSMA、 OMA2122物联网在工业领域的应用物联网的应用领域23制造、后勤、服务、 银行、金融监管机构 、媒体等 农牧业、循环利用、 环境管理服务、能源 管理等面向公众和社会的 政府服务物联网在工业领域应用24物联网在工业领域应用q 制造业供应链智能化采购、零部件库存管理、储存运输参数监 测、物流跟踪；q 生产环境监测温度等环境条件监测、无线遥测地震仪、井下生 产控制系统；q 生产过程用料与工艺优化生产线过程检测、实时参数采集、生 产设备监控、材料消耗监测；q 设备管理设备操作使用记录、设备故障诊断、资产管理；q 产品全生命周期监测产品销售管理、产品交付管理、产品运输 容器安全监测、管道监测、产品处置监测、产品回收再利用；q 环保监测排放监测、污染监测、能耗监测；q 对员工的管理关键情况下对员工岗位的无线跟踪25生产制造过程的全寿命管理q 通过使用智能设备或唯一的识别器以及可与智能支持网络设施和信息系 统交互的数据载体链接物品，能够优化生产过程和监视从生产到处置的 全寿命过程。 通过标签物品和容器能获得关于车间位置、存放和处置地点、生产装备的 状态。 精细的信息用作完善生产计划和改进后勤的输入数据。 围绕可识别物品设计自组织和智能制造解决方案。 从生产到寿命期结束，物品与附加的信息处理元件不可分，物品的历史和 它目前的状况能够被持续监视和储存在标签或信息系统中。 所获得的数据反映了产品的使用历史，其中包含了对于产品设计、市场和 与产品有关服务以及从安全、环保、循环利用、再制造或丢弃对寿命终了 的决定。26智能电网q 因发电与用电量不匹配，电网利用率很低，美国也仅有55。每年美国因电网扰动与断电损失790