物联网工程导论.docx

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中国电子学会物联网专家委员会推荐

普通高等教育物联网工程规划教材

物联网工程导论

王志良石志国主编

目录

第一章绪论 8

1.1物联网的定义 8

1.2物联网的起源 10

1.3物联网的三大推动力 13

1.3.1第一大推动力：

政府 13

1.3.2第二大推动力：

企业 16

1.3.3第三大推动力：

教育界与科技界 18

1.4国家的《战略性新兴产业》解析 19

本章小结 21

习题 22

参考文献 22

第二章物联网应用案例 23

2.1智能城市 23

2.1.1智慧城市概述 23

2.1.2智慧城市 25

2.1.3物联网与智慧城市 31

2.2智慧校园 33

2.2.1智慧校园概述 33

2.2.2智慧校园的架构与技术核心 36

2.2.3智慧校园的深化应用 42

2.3老年人用物联网信息终端 43

2.3.1系统功能 44

2.3.2系统整体构架 45

2.4智能电网 46

2.4.1物联网与智能电网 46

2.4.2物联网在智能电网中的应用 46

2.4.3分布式发电与微电网技术 48

2.4.4中国国家电网公司“坚强智能电网”建设 50

2.5智能家居 53

2.5.1智能家居的概念 54

2.5.2智能家居体系结构 55

本章小结 56

习题 57

参考文献 57

第三章物联网的技术基础 58

3.1物联网的三个层次 59

3.2物联网的八层架构 60

3.3物联网的四大支撑技术 63

3.3.1RFID技术 64

3.3.2WSN/ZigBee技术 70

3.3.3常见组网技术 75

3.3.4微机电系统技术 90

3.4两个技术范畴 97

3.4.1智能网络空间技术 97

3.4.2物联网终端技术 101

3.4.3物联网的标准体系 111

3.5云计算 115

本章小结 119

习题 119

参考文献 120

第四章信息处理与软件服务 121

4.1智能信息处理 121

4.1.1开放复杂智能系统 122

4.1.2分布智能 124

4.2服务科学分析方法 128

4.2.1服务科学基本介绍 128

4.2.2服务科学概念 131

4.3方法与模型 133

4.3.1服务科学的相关技术 133

4.3.2服务工程方法论 135

4.3.3方法论与霍尔工程方法 135

4.4服务科学的数学基础一一运筹学及相关理论 137

4.4.1服务科学与运筹学 137

4.4.2运筹学概述 137

本章小结 141

习题 142

参考文献 142

第五章物联网的知识体系与课程安排 143

5.1物联网的知识体系 143

5.1.1物联网工程知识领域 145

5.1.2物联网工程知识模块 145

5.1.3物联网工程知识单元 146

5.1.4物联网工程知识点 147

5.2物联网的课程体系 149

5.2.1总体培养目标 149

5.2.2学制与学位 149

5.2.3课程分类 149

5.2.4课程设置 150

本章小结 152

习题 153

参考文献 153

第六章物联网工程师的合格人才标准 154

6.1物联网人才 错误！

未定义书签。

6.2物联网工程师职业道德 错误！

未定义书签。

6.3处事原则一一中庸之道 错误！

未定义书签。

6.4大学四年学习生涯一一刻苦学习，积极进取 错误！

未定义书签。

习题 错误！

未定义书签。

参考文献 错误！

未定义书签。

结束语 错误！

未定义书签。

附录 美国计算机协会（ACM）伦理与职业行为规范 172

缩略语 178

第一章绪论

作为新兴事物的物联网其实并不年轻，近十年的发展历程中，不同的国家、不同的机构组织，在不同时期，都在关注着物联网。

物联网（InternetofThings,简称I0T）被看作是信息领域的一次重大发展与变革，其广泛应用将在未来5-15年中为解决现代社会问题做出极大贡献。

2009年以来，美国、欧盟、日本等纷纷出台物联网发展计划，进行相关技术和产业的前瞻布局，我国“十二五”规划中也将物联网作为战略性新兴产业予以重点关注和推进。

但整体而言，无论国内还是国外，物联网的研究和开发都还处于起步阶段。

1.1物联网的定义

物联网自从其诞生以来，已经引起巨大关注，被认为是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。

有关资料表明，国内外普遍认为物联网是麻省理工学院Ashton教授于1999年最早提出来的，如图1.1所示，其理念是基于射频识别技术（RFID）,电子代码（EPC）等技术，在互联网的基础上，构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网，即物联网。

此设想有两层意思：

第一，物联网的核心和基础是互联网，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，并进行信息交换和通信。

图1.1物联网定义

2010年温总理在十一届人大三次会议上所作政府工作报告中对物联网做了这样的定义：

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，进行信息交换和通讯，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，还有一些具体环境下为物联网做出的定义：

欧盟定义：

将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。

国际电信联盟（ITU）的定义：

物联网主要解决物品到物品（ThingtoThing,T2T）,人到物品（HumantoThing,H2T），人到人（HumantoHuman,H2H）之间的互连。

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之间的连接，H2H是指人之间不依赖于个人电脑而进行的互连。

需要利用物联网才能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。

物联网是连接物品的网络，有些学者在讨论物联网中，常常提到M2M的概念，可以解释成为人到人（MantoMan）、人到机器（MantoMachine）、机器到机器（MachinetoMachine）。

本质上,在人与机器、机器与机器的交互，大部分是为了实现人与人之间的信息交互。

ITU物联网研究组：

物联网的核心技术主要是普适网络、下一代网络和普适计算。

这3项核心技术的简单定义如下，普适网络,无处不在的、普遍存在的网络；下一代网络，可以在任何时间、任何地点,互连任何物品，提供多种形式信息访问和信息管理的网络；普适计算,无处不在的、普遍存在的计算。

其中下一代网中“互连任何物品”的定义是ITU物联网研究组对下一代网定义的扩展，是对下一代网发展趋势的高度概括。

从现在已经成为现实的多种装置的互连网络，例如手机互连、移动装置互连、汽车互连、传感器互连等等，都揭示了下一代网在“互连任何物品”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，它是将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。

因此，物联网技术的发展几乎涉及了信息技术的方方面面，是一种聚合性、系统性的创新应用与发展，因此被称为是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、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。

总体上物联网可以概括为：

通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，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、识别和管理。

因此，把物联网初步定义为是通过射频识别（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。

特别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）遵循物联网的通信协议；9）在世界网络中有可被识别的唯一编号。

通过以上分析，发现物联网的核心是物与物以及人与物之间的信息交互，其基本特征可简要概括为全面感知、可靠传送和智能处理，如表1.1所示。

表1.1物联网的三个特征

全面感知

利用射频识别、二维码、传感器等感知、捕获、测量技术随时随地对物体进行信息采集和获取

可靠传送

通过将物体接入信息网络，依托各种通信网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享

智能处理

利用各种智能计算技术，对海量的感知数据和信息进行分析并处理，实现智能化的决策和控制

1.2物联网的起源

回顾历史，不知是巧合还是有意，在大的危机之后，总会有新的行业诞生，引领和支撑经济的复苏、发展，从而带动社会进入新的经济上升周期。

上世纪末，一系列新兴市场遭受金融危机的冲击后，诞生了互联网这一新兴行业。

而在这次人类历史上数一数二的金融危机余波未了时，在人们热切关注新能源行业发展时，又出现一个新名词和新概念：

物联网。

物联网逐渐成为了人们眼中的"救世主”，尽管仍有一些学术界或者是技术精英对这种说法莫衷一是，但不可否认的是，包括美国在内的一些国家正在试图通过“物联网”走出经济的泥潭。

信息产业的每一次跨越都不是技术上的偶然发明，而是国家发展战略结出的硕果。

经济危机催生科技信息革命

2009年1月，中国科学院院长路甬祥在接受《瞭望》新闻周刊专访时中指出：

眼下这场全球性金融危机爆发之时，“科学的沉寂”已达60余年，一些重要的科学问题和关键核心技术发生革命性突破的先兆已日益显现。

当前国际金融危机对世界经济社会政治格局的影响继续显现，国际国内环境的重大变化对我国经济社会发展已经产生了深刻影响。

当前，由美国次贷危机引发的这场百年不遇的国际金融危机的影响正在全球继续扩散蔓延，尚未见底，有可能持续较长时间，世界经济将经历一个较长的低迷、调整和变革期，全球经济增速快速下滑，能源资源、粮食价格大幅波动，失业率普遍上升，对我国经济的影响不容低估。

世界正处在科技创新突破和科技革命的前夜。

这一重要结论，主要基于以下分析：

（1）历史经验表明，全球性经济危机往往催生重大科技创新突破和科技革命。

根据经济长波理论，每一次的经济低谷必定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是可以为绝大多数工业产业提供一种全新的使用价值，从而带动新一轮的消费增长和高额的产业投资，以触动新经济周期的形成。

1857年的世界经济危机引发了以电气革命为标志的第二次技术革命，1929年的世界经济危机引发了战后以电子、航空航天和核能等技术突破为标志的第三次技术革命。

依靠科技创新创造新的经济增长点、新的就业岗位和新的经济社会发展模式，是摆脱危机，创新经济增长的根本出路。

过去的十几年间，互联网技术取得巨大成功。

目前的经济危机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为推动下一个经济增长的特别重要推手。

（2）前瞻全球现代化发展的未来图景，包括中国、印度在内的近三十亿人口追求小康生活和实现现代化的宏伟历史进程与自然资源供给能力和生态环境承载能力的矛盾日益凸显和尖锐，按照传统的大量耗费不可再生自然资源和破坏生态环境的经济增长方式、沿袭少数国家以攫取世界