本書分為6章,主要內容包括物聯網概述、感知識別技術、網絡通信技術、物聯網數據處理技術、物聯網的應用、物聯網與智能電網等。
本書可作為普通高等學校計算機類和電子信息類、自動化類、電氣類專業本科教材,還可作為從事物聯網相關工作的研究人員、工程技術人員的參考用書。
前言
當今是一個知識日新月異、新技術層出不窮的時代,物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后信息社會的第三次信息浪潮。物聯網技術將人類生存的物理世界網絡化、信息化,將分離的物理世界和信息空間互聯整合,代表了未來信息技術的發展方向。物聯網技術已成為未來社會經濟發展、社會進步和科技創新的重要基礎。
作為國家倡導的新興戰略性產業,我國高度關注、重視物聯網的發展和研究,工業和信息化部會同有關部門,在新一代信息技術方面正在開展研究,以形成支持新一代信息技術發展的政策措施。目前有很多高校已經開設了物聯網專業,或者相關專業開設了物聯網課程,這反映出高校對新技術、新產業發展的敏感和重視。物聯網已經在各行各業得到了快速發展,并成為就業前景廣闊的熱門領域。掌握物聯網知識和技術的畢業生主要就業于與物聯網相關的企事業單位,從事物聯網的通信架構、網絡協議和標準、無線傳感器、信息安全等的設計、開發、管理與維護工作,以及在高;蚩蒲袡C構從事科研和教學工作。
本書的特色主要體現在物聯網技術在智能電網的應用和對研究生與本科生的創新創業指導兩方面。智能電網是物聯網技術重要的應用領域之一。物聯網技術在智能電網的各環節均有廣泛的應用前景。在智能電網建設中深入應用物聯網技術,可以有效整合電力系統基礎設施資源和信息通信資源,提高電力系統的智能化及電力流、信息流、業務流的一體化水平,促進電力生產向更高效、更清潔、更安全、更可靠和智能交互的方向發展。通過實際案例分析,使學習者能夠全面地了解物聯網的基本理論知識,掌握物聯網關鍵技術及其應用方法,能夠運用這些技術和方法構建物聯網應用系統,培養創新創業能力。當前,大學生的創新創業能力是建立高校創新體系的關鍵性環節和基礎性內容,能有效地支持和推動國家創新體系的建立,對建設創新型國家也會起到積極的作用。
全書共分6章。以物聯網技術應用為主線,第1章介紹物聯網的基本概念、基本原理和體系結構,第2章到第4章介紹應該掌握的物聯網關鍵技術,如感知識別技術、網絡通信技術和物聯網的數據處理技術等,第5章敘述物聯網的應用領域,第6章重點闡述物聯網在智能電網中的應用。
本書由華北電力大學的張冀擔任主編,負責全書的組稿工作。第1章和第2章由王曉霞編寫,第3章由山西太原理工大學的劉雙慶編寫,第4章由宋亞奇編寫,第5章由李天編寫,第6章由張冀編寫,龐春江老師對本書的編寫做出了貢獻。
本書在編寫過程中參考了大量書籍、文獻和網站資料,因為版面有限,未能全部一一列出,再次向這些資料的作者致以誠摯的謝意。
感謝清華大學出版社編校人員對本書的大力支持和幫助。
由于作者水平有限,書中難免存在缺點和不妥之處,敬請廣大讀者批評指正。
編者
2017年8月
張冀 博士,華北電力大學 副教授。在故障診斷、計算機測控、信息融合、多模型等領域有了較為穩定的學術研究方向,取得國內外專家認可的業績成果,以*作者身份在本學科領域國內外*學術刊物上發表學術論文十余篇,其中SCI期刊2篇,一級學報2篇,EI檢索十幾篇.
目錄
第1章物聯網概述1
1.1物聯網的起源與發展1
1.2物聯網的相關概念2
1.2.1物聯網的基本定義2
1.2.2物聯網、互聯網、傳感網和泛在網3
1.3物聯網的體系結構5
1.4物聯網的關鍵技術14
1.5物聯網的發展前景15
參考文獻17
本章習題18第2章感知識別技術19
2.1自動識別技術19
2.1.1自動識別技術概述19
2.1.2光學字符識別技術20
2.1.3生物識別技術22
2.1.4磁卡識別技術25
2.1.5IC卡識別技術25
2.2條形碼技術26
2.2.1條形碼概述26
2.2.2條形碼的結構與編碼方法28
2.2.3條形碼的識讀原理與技術28
2.2.4常用條形碼29
2.3射頻識別技術34
2.3.1RFID技術概述34
2.3.2RFID系統的分類35
2.3.3RFID系統的組成37
2.3.4RFID的工作原理38
2.3.5RFID的典型應用39
2.3.6EPC技術41
2.4傳感器技術47
2.4.1傳感器技術概述47
2.4.2常用傳感器簡介55
2.4.3智能傳感器65
2.4.4MEMS傳感器71
2.5定位技術76
2.5.1衛星定位系統76
2.5.2蜂窩定位技術85
2.5.3室內無線定位技術87
2.5.4傳感器網絡節點定位技術89
參考文獻93
本章習題93第3章網絡通信技術95
3.1計算機網絡概述95
3.2有線網絡通信102
3.2.1因特網概述102
3.2.2萬維網120
3.3無線網絡通信122
3.3.1無線廣域網125
3.3.2無線城域網126
3.3.3無線局域網129
3.3.4無線個域網155
3.3.5移動通信網183
思考題196
參考文獻197第4章物聯網數據處理技術198
4.1物聯網大數據198
4.1.1什么是大數據198
4.1.2物聯網大數據的產生199
4.1.3物聯網大數據的分類201
4.1.4物聯網大數據的特點和面臨的技術挑戰201
4.1.5物聯網大數據的存儲和處理需求204
4.1.6物聯網大數據的應對策略205
4.2物聯網大數據處理的核心技術——云計算207
4.2.1物聯網大數據與云計算的關系207
4.2.2物聯網大數據處理的研究現狀207
4.2.3阿里云云計算技術209
4.2.4Hadoop大數據處理技術228
4.2.5Spark內存計算技術230
4.2.6Storm實時流數據處理技術235
4.2.7小結236
4.3物聯網大數據挖掘237
4.3.1數據挖掘的概念和功能237
4.3.2物聯網數據挖掘存在的挑戰238
4.3.3基于云計算的物聯網數據挖掘平臺238
4.3.4大數據挖掘并行算法240
4.3.5數據流挖掘算法254
4.3.6小結257
4.4物聯網多傳感器數據融合257
4.4.1數據融合概述257
4.4.2數據融合算法261
4.4.3數據融合算法的新進展265
4.5小結266
習題266
參考文獻267第5章物聯網的綜合應用269
5.1智能交通系統270
5.2智能物流278
5.3智慧城市284
5.4智能工業289
5.5智能農業292
5.6智慧港口298
思考題300
參考文獻300第6章物聯網與智能電網302
6.1智能電網概述303
6.2基于物聯網的智能電網體系架構311
6.2.1智能電網體系架構311
6.2.2智能電網基礎體系311
6.2.3智能電網技術支撐體系315
6.2.4智能電網應用體系321
6.2.5智能電網標準規范體系330
6.3智能電網中的物聯網關鍵技術335
6.4基于物聯網的智能電網安全340
6.5物聯網在智能電網中的典型應用352
6.5.1面向智能電網的物聯網架構分析352
6.5.2輸電線路在線監測系統356
6.5.3智能變電站362
6.5.4智能用電服務369
思考題380
參考文獻381
第5章物聯網的綜合應用
隨著全球經濟的不斷發展,世界各國都希望加強自身的信息化建設來提高工作效率,同時降低生產成本,以增強自身在國際舞臺的競爭力,從而應對日益激烈的市場競爭。物聯網技術綜合了半導體技術、通信網絡技術、計算機技術和傳感技術,將人們生活中的各種機器設備連接成一個網絡,改變了人們的生活方式和理念。它是繼計算機、互聯網與移動通信網之后世界信息產業又一次革命。伴隨著科學技術的發展,機器的數量幾乎是人口數的4倍,因此說物聯網有很大的市場潛力,物聯網通信更是未來通信的主題。
2005年,國際電信聯盟在一份報告中描繪出“物聯網”時代的圖景:當司機出現操作失誤時汽車會自動報警;公文包會提醒主人忘帶了什么東西;衣服會“告訴”洗衣機對顏色和水溫的要求;物流公司應用了物聯網系統的貨車后,當裝載超重時,汽車會自動提示司機超載了,并且超載了多少;當搬運人員卸貨時,一只貨物包裝可能會大叫“你扔疼我了”,或者說“親愛的,請你不要太野蠻”等等。
2009年溫家寶總理在視察無錫以后,提出了“感知中國”的目標,在中國掀起了物聯網發展的一個浪潮。2010年6月在中國科學院和中國工程院兩院院士大會上,胡錦濤主席就指出,“互聯網、云計算、物聯網、知識服務及智能服務的快速發展為個性化制造和服務創新提供了有力工具和環境。”目前,我國已經將物聯網傳感器產品應用在上海浦東國際機場防入侵系統中,通過鋪設3萬多個傳感器節點,實現對地面、柵欄和低空探測的覆蓋,用來防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵。
美國權威咨詢機構Forrester預測,到2020年,世界上“物物互聯”的業務,跟“人與人通信”的業務比例將達到30∶1,物聯網將成為一個萬億元級的超級產業。
物聯網的本質就是把新一代信息技術充分運用在各行各業之中,將物聯網與現有的互聯網進行整合,通過將傳感器裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、供水系統等各種物體中,實現人類社會與物理系統的整合。在這個整合的網絡中,存在能力超級強大的中心計算機群,能夠對網絡內的人員、機器、設備和基礎設施實施實時的管理和控制。
雖然全物聯網應用還沒有完全實現,但物聯網技術早已應用在傳感、通信、智能方面的設備中。智能交通、智能物流、智慧城市、智能工業、智能農業等對物聯網的大膽嘗試和運用,無一不滲透著對物聯網的詮釋。所謂的“智能”是指從現場自動獲取信息,然后與網絡相連,隨時把采集的信息通過網絡傳輸到管理中心或平臺,從系統的角度進行分析和判斷,然后進行實時調整,從而實現流程的自動化、信息化和網絡化;而對于“智慧”的理解,則是在“智能”的基礎上實現流程的人性化。
物聯網前景非常廣闊,它將極大地改變目前的生活方式。本章重點介紹物聯網的幾種典型應用,包括各個應用系統的概述、組成和主要支撐技術。物聯網規模的發展需要與智能化系統化產業融合,從這些智能化產業的應用可以看出物聯網其實早已默默來到我們的生產和生活中,當然它也還將繼續高調強攻,迅速滲透,物聯網的應用將無處不在。
5.1智能交通系統
自19世紀末內燃機誕生之后,汽車工業得以迅速發展。如今人們在享受汽車帶來的巨大便利的同時,越來越嚴重的交通擁擠、堵塞和環境污染問題也引起人們的注意,尤其是高速交通的發展,惡性交通事故呈不斷上升趨勢,這嚴重地制約了經濟的可持續發展,迫使人們采用高、新技術以解決道路交通的諸多問題。作為以上問題解決之道的智能交通系統是未來交通運輸系統的重要發展方向,已被世界各國重視。
智能交通系統(IntelligentTransportationSystem,ITS)是將物聯網先進的信息通信技術、傳感技術、控制技術以及計算機技術等有效地運用于整個交通運輸管理體系,而建立起的一種在大范圍內、全方位發揮作用,實時、準確、高效的綜合運輸和管理系統。其突出特點是以信息的收集、處理、發布、交換、分析、利用為主線,為交通參與者提供多樣性的服務。各種交通信息傳感器,將感知到車流量、車速、車型、車牌、車位等各類交通信息,通過無線傳感器網絡傳送到位于高速數據傳輸主干道上的數據處理中心進行處理,分析出當前的交通狀況。通過物聯網的交通發布系統為交通管理者提供當前的擁堵狀況、交通事故等信息來控制交通信號和車輛通行,同時發布出去的交通信息將影響人的行為,實現人與路的互動。
智能交通系統的功能主要包括表現在順暢、安全和環境方面,具體表現為:增加交通的機動性,提高運營效率,提高道路網的交通能力,提高設施效率,調控交通需求;提高交通的安全水平,降低事故的可能性,減輕事故的損害程度,防止事故后災難的擴大;減輕堵塞,降低汽車運輸對環境的影響。
智能交通系統的主要目標是使汽車與道路的功能智能化,從而保證交通安全、提高交通效率、改善城市環境、降低能源消耗,將先進的交通理論與高新技術集成并運用于道路交通的整個過程,使得車、路、人相互影響,相互聯系,融為一體。系統通過智能化地收集、分析交通數據,以及將交通信息反饋給系統操作者或駕駛員。系統操作者或者駕駛員根據反饋的交通信息,迅速做出反應以改善交通狀況。智能交通系統強調的是系統性、實時性、信息交互性以及服務的廣泛性,與原來的交通管理和交通系統有本質的區別。
智能交通系統的發展開始于1939年,美國在紐約世界博覽會上展出新澤西與曼哈頓之間的喬治華盛頓大橋上設置的基于路車間通信的交通情報系統。這是智能交通系統的萌芽階段,對以后大規模有組織的進行ITS項目研究則有很大影響。
20世紀80~90年代中期是智能交通系統(ITS)的發展階段。西歐、北歐和日本競相發展智能運輸系統,成立了許多制訂、實施開發計劃的機構。其中包括美國的智能運輸系統協會ITSAmerica、歐洲共同體的交通信息與控制組織ERTICO、日本的路車交通智能協會以及智能運輸系統國際標準化機構ISO/TC204等。從20世紀90年代中期到現在,智能交通系統(ITS)研究已進入一個新的階段。1994年第一次智能交通系統(ITS)世界大會在法國巴黎召開,以后每年舉行一次,討論ITS的研究進展和技術間的交流。到1996年,已經有難以計數的大小項目在開展,從理論規劃到實際實施,從現場試驗到形成產業,其發展規模和發展速度極其迅猛。人們日益認識到ITS的潛在價值,智能交通系統(ITS)已經發展成為一個綜合系統。同時,智能交通系統(ITS)得到國際上的普遍承認,甚至滲透到整個信息技術領域。
我國非常重視對智能交通系統的研究,在交通運輸管理中應用了通信和電子技術。全國大部分城市都建立了信號控制系統和交通指揮中心,對本地的交通狀況進行管理和控制,為監視和快速處理城市交通擁堵和突發事件發揮了重要作用。高速公路沿線也建立了通信和監控系統、電子收費系統和IC卡收費系統,部分高速公路已實現了不停車自動收費。這些都是我國在智能化交通系統領域研究方面取得進步的表現。
1.智能交通系統概述
智能交通系統是一個復雜的綜合性信息服務系統,主要著眼于交通信息的廣泛應用與服務,以提高交通設施的運行效率。從系統組成的角度,智能交通系統(ITS)可以分成以下10個子系統:先進的交通信息服務系統(AdvancedTransportationInformationServiceSystem,ATIS)、先進的交通管理系統(AdvancedTrafficManagementSystem,ATMS)、先進的公共交通系統(AdvancedPublicTransportationSystem,APTS)、先進的車輛控制系統(AdvancedVehicleControlSystem,AVCS)、貨物管理系統(FreightTrafficManagementSystem,FTMS)、電子收費系統(ElectronicTollCollectionSystem,ETC)、緊急救援系統(EmergencyRescueSystem,ERS)、運營車輛調度管理系統(CommercialVehicleOperationManagementSystem,CVOM)、智能停車場和旅行信息服務。
1)先進的交通信息服務系統(ATIS)
ATIS是建立在完善的信息網絡基礎上的。交通參與者通過裝備在道路上、車上、換乘站上、停車場上以及氣象中心的傳感器和傳輸設備,向交通信息中心提供各地的實時交通信息;ATIS得到這些信息并通過處理后,實時向交通參與者提供道路交通信息、公共交通信息、換乘信息、交通氣象信息、停車場信息以及與出行相關的其他信息;出行者根據這些信息確定自己的出行方式、選擇路線。更進一步,當車上裝備了自動定位和導航系統時,該系統可以幫助駕駛員自動選擇行駛路線。
隨著信息網絡技術的發展,科學家們已經提出將AITS建立在因特網上,并采用多媒體技術,這將使AITS的服務功能大大加強,交通工具將成為移動的信息中心和辦公室。
2)先進的交通管理系統(ATMS)
ATMS有一部分與ATIS共用信息采集、處理和傳輸系統,但是ATMS主要是給交通管理者使用的,用于檢測控制和管理公路交通,在道路、車輛和駕駛員之間提供通信聯系。它將對道路系統中的交通狀況、交通事故、氣象狀況和交通環境進行實時的監視,依靠先進的車輛檢測技術和計算機信息處理技術,獲得有關交通狀況的信息,并根據收集到的信息對交通進行控制,如信號燈、發布誘導信息、道路管制、事故處理與救援等。
3)先進的公共交通系統(APTS)
APTS的主要目的是采用各種智能技術促進公共運輸業的發展,使公交系統實現安全便捷、經濟、運量大的目標。如通過個人計算機、閉路電視等向公眾就出行方式和事件、路線及車次選擇等提供咨詢,在公交車站通過顯示器向候車者提供車輛的實時運行信息。在公交車輛管理中心,可以根據車輛的實時狀態合理安排發車、收車等計劃,提高工作效率和服務質量。
……