嵌入式与物联网应用及发展ppt课件.ppt

嵌入式与物联网技术应用及发展,嵌入式教研室：王杰,目录,物联网（IOT）的起源,物联网（IOT）的定义,广义的物联网涵义,利用条码、射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，实现人与人、人与物、物与物的在任何时间、任何地点的连接（anything、anytime、anywhere），从而进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。,各国物联网战略或计划,物联网（IOT）提出的背景,十五年周期定律,IBM前首席执行官郭士纳提出一个重要的观点：计算模式每隔15年发生一次变革。,每一次这样的技术变革都引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。而互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟。,物联网（IOT）的特征,全面感知,可靠传输,智能处理,利用RFID、传感器、二维码等能够随时随地采集物体的动态信息。,通过网络将感知的各种信息进行实时传送。,利用计算机技术，及时地对海量的数据进行信息控制，真正达到了人与物的沟通、物与物的沟通。,物联网（IOT）的特征,全面感知,可靠传输,智能处理,利用RFID、传感器、二维码等能够随时随地采集物体的动态信息。,通过网络将感知的各种信息进行实时传送。,利用计算机技术，及时地对海量的数据进行信息控制，真正达到了人与物的沟通、物与物的沟通。,IOT基本理论模型,近距离通信,因特网,跟踪定位,高速数据网络,物联网的体系架构,智慧星球,感知中国,中国物联网发展,面临五个主要技术问题,（1）技术标准问题 世界各国存在不同的标准。中国信息技术标准化技术委员会于2006年成立了无线传感器网络标准项目组。2009年9月，传感器网络标准工作组正式成立了PG1(国际标准化)、PG2(标准体系与系统架构)、PG3(通信与信息交互)、PG4(协同信息处理)、PG5(标识)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(电力行业应用调研)等8个专项组，开展具体的国家标准的制定工作。 （2）安全问题 信息采集频繁，其数据安全也必须重点考虑。（3）协议问题 物联网是互联网的延伸，在物联网核心层面是基于TCP/IP，但在接入层面，协议类别五花八门，GPRS/CDMA、短信、传感器、有线等多种通道，物联网需要一个统一的协议栈。（4）IP地址问题 每个物品都需要在物联网中被寻址，就需要一个地址。物联网需要更多的IP地址，IPv4资源即将耗尽，那就需要IPv6来支撑。IPv4向IPv6过渡是一个漫长的过程，因此物联网一旦使用IPv6地址，就必然会存在与IPv4的兼容性问题。（5）终端问题。 物联网终端除具有本身功能外还拥有传感器和网络接入等功能，且不同行业需求千差万别，如何满足终端产品的多样化需求，对运营商来说是一大挑战。,16,物联网核心技术：RFID,中国RFID发展思路,物联网核心技术：WSN,物联网核心技术：WSN体系结构,WSN体系结构：平面拓扑结构,WSN体系结构：逻辑分层结构,物联网核心技术：WSN体系结构,传感器节点体系结构传感器网络协议栈,物联网核心技术：WSN的特征,物联网核心技术：WSN通信,WSN在无线通信框架中的位置,物联网核心技术：WSN融合,WSN和其它无线通信技术的融合,物联网核心技术：应用前景,物联网核心技术,RFID侧重于识别，能够实现对目标的标识和管理，同时RFID系统具有读写距离有限、抗干扰性差、实现成本较高的不足；WSN侧重于组网，实现数据的传递，具有部署简单，实现成本低廉等优点，但一般WSN并不具有节点标识功能。RFID与WSN的结合存在很大的契机。 RFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合：物联网架构下RFID与WSN的融合，传感器网络架构下RFID与WSN的融合。,物联网架构下RFID与WSN的融合,RFID和WSN融合,物联网核心技术,传感器网络架构下RFID与WSN的融合：智能基站,RFID和WSN融合,物联网核心技术,传感器网络架构下RFID与WSN的融合：智能节点,RFID和WSN融合,物联网核心技术,传感器网络架构下RFID与WSN的融合：智能传感标签,RFID和WSN融合,物联网应用示意图,29,物联网应用,给放养的牲畜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肉品上，消费者可通过手机阅读二维码，知道牲畜的成长历史，确保食品安全。我国已有10亿存栏动物贴上了这种二维码。,畜牧溯源,30,物联网应用,无线葡萄园,2002 年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。,葡萄园环境监测系统示意图,31,物联网应用,32,物联网应用,大鸭岛生态环境监测系统,2002年，由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把无线传感器网络技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。位于缅因州海岸大鸭岛上的海燕由于环境恶劣，海燕又十分机警，研究人员无法采用通常方法进行跟踪观察。为此他们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型数百个节点，系统通过自组织无线网络，将数据传输到300英尺外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器。在那之后，全球的研究人员都可以通过互联网察看该地区各个节点的数据，掌握第一手的环境资料，为生态环境研究者提供了一个极为有效便利的平台。,大鸭岛生态环境监测系统,33,物联网应用,水下无线传感器网络技术,根据目前欧美各国在研项目的文献资料，可以大致将水下传感器网络的组成结构可分为以下几类： (1) 基于水面浮标的(射频+水声通信)可任意升降的三维立体水下传感器网络系统。优点：布放比较容易，可利用太阳能、GPS以及水面上的无线通信，回避、降低了水下通信的困难。缺点：阻碍航道，易被发现破坏，容易随波逐流，位置不能固定。 (2) 由固定在海底基站的节点构成的，可任意升降的三维立体网络系统。通过光缆或声通信与水面网关、节点联结，将数据传输至基站。优点：不会影响航行。缺点：维护不容易。,(3) 基于水面浮标节点 (射频+水声通信)、水中自主航行器（水声通信）和水底固定节点（水声通信）的三维立体系统。优点：覆盖全面，配置灵活，功能强大。缺点：系统复杂，成本高。 与地面无线传感器网络相比，水下传感器网络仍然存在着诸多困难：如有效带宽非常有限、水下信道非常恶劣等等，在这个领域还有许多的困难需要解决。,34,物联网应用,人身上可以安装不同的传感器，对人的健康参数进行监控，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去医院检查身体。,个人保健,35,物联网应用,利用部署在大街小巷的全球眼监控探头，实现图像敏感性智能分析并与110、119、112等交互，实现探头与探头之间、探头与人、探头与报警系统之间的联动，从而构建和谐安全的城市生活环境。,平安城市建设,36,物联网应用,对珍贵的古老建筑进行保护，是文物保护单位长期以来的一个工作重点。将具有温度、湿度、压力、加速度、光照等传感器的节点布放在重点保护对象当中，无需拉线钻孔，便可有效地对建筑物进行长期的监测。此外，对于珍贵文物而言，在保存地点的墙角、天花板等位置，监测环境的温度、湿度是否超过安全值，可以更妥善地保护展览品的品质。,文物保护,37,物联网应用,探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索，是一种经济可行的方案。NASA 的 JPL 实验室研制的 Sensor Webs 就是为将来的火星探测、选定着陆场地等需求进行技术准备的。现在该项目已在佛罗里达宇航中心的环境监测项目中进行测试和完善。,空间、海洋探索,美国宇航局的空间探索计划中无线传感器网络的应用模式示意图,38,总结,粮食仓储物联网建设思路,多功能传感系统,39,物联网管理平台,移动POS,金融,供应链,智能运输,工业自动化,智能建筑,消防,公共安全,环境保护,气象,数字化医疗,遥感勘测,军事,农业,林业,水务,电力,煤炭,石化,物流、零售、自动服务,设备、安全、节能,生产、安全、防灾、水电油气,防火、勘察、报警,污染检测、报警,水质、水量、污染、安全,大棚、土壤、灌溉、环境、跟踪,抄表、监控、节能,设备、临床、辅助诊断、病程,险情、油井、运输、管线,联动、消防栓、定位、调度,照明、信号、应急、灾害、识别,大地勘测、森林、地震、海洋,侦查、监控、定位、评估,降水、防洪、远程设备,交易、订单、跟踪、识别,通风、瓦斯、救灾定位,库存、车队、监控、导航、识别、货物,电子支付、实时信息,总结,物联网应用频谱,嵌入式定义以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。,什么是嵌入式,什么是嵌入式,嵌入式产品在生活中处处都能看到，上到太空的人造卫星，火箭导弹，下到机顶盒，空调，手表等等都是嵌入式产品。其实，所有带有数字接口的设备，都可以划入嵌入式的范围。,嵌入式系统的应用领域,办公市场 电话系统，传真系统，复印机，计时系统，照相机和摄象机运输市场 航空、铁路、公路运输系统，燃料服务，航空管理，信令系统，雷达系统，交通指挥系统，停车系统，售票系统，乘客信息系统，检票系统，行李处理系统，应急设备等建筑市场 电力供应，备用电源和发电机，火警控制系统，供热和通风系统，电梯和升降系统，车库管理，安保系统，电子门锁系统，楼宇管理系统，闭路电视系统，电子保险柜，警铃等医疗市场 心脏除颤器，心脏起搏器，患者信息和监视系统，MN光设备，理疗控制系统，电磁成像系统等军事 武器控制,物联网与嵌入式应用领域-电力电网,减少停电现象 通过在智慧的电力中安装先进分析和优化引擎，电力提供商可以突破“传统”网络的瓶颈，而直接转向能够主动管理电力故障的“智能”电网。对电力故障的管理计划不仅考虑到了电网中复杂的拓扑结构和资源限制，还能够识别同类型发电设备，这样，电力提供商就可以有效地安排停电检测维修任务的优先顺序。如此一来，停电时间和频率可减少约 30%，停电导致的收入损失也相应减少，而电网的可靠性以及客户的满意度都得到了提升。,减少停电现象,物联网与嵌入式应用领域-电力电网,智能电表在智慧的电力设施的支持下，智能电表可以重新定义电力提供商和客户的关系。通过安装内容丰富且读取方便的设备，用户可了解在任何时刻的电力费用，并且用户还可以随时获取一天中任意时刻的用电价格(查看前后的记录)，这样电力提供商就为用户提供了很大的灵活性，用户可以根据了解到的信息改变其用电模式。智能电表不仅可以测量用电量，它还是电网上的传感器，可以协助检测波动和停电。它还能储存和关联信息，支持电力提供商完成远程开启或关闭服务，也能远程支持使用后支付或提前支付等付费方式的转换。总而言之，智能电表可大幅度减小系统的峰值负荷，转换电力操作模式，也能重新定义客户体验。,智能电表,物联网与嵌入式应用领域-医疗系统,整合的医疗平台整合的医疗保健平台根据需要通过医院的各系统收集并存储患者信息，并将相关信息添加到患者的电子医疗档案，所有授权和整合的医院都可以访问。这样资源和患者能够有效地在各个医院之间流动，通过各医院之间适当的管理系统，政策，转诊系统等。这个平台满足一个有效的多层次医疗网络对信息分享的需要。,整合的医疗平台,物联网与嵌入式应用领域-医疗系统,电子健康档案系统电子健康档案系统通过可靠的门户网站集中进行病历整合和共享，这样各种治疗活动就可以不受医院行政界限而形成一种整合的视角。有了电子健康档案系统，医院可以准确顺畅地将患者转到其他门诊或其他医院，患者可随时了解自己的病情，医生可以通过参考患者完整的病史为其做出准确的诊断和治疗。,电子健康档案系统,物联网与嵌入式应用领域- 城市设施,实时城市管理 实时城市管理设立一个城市监控报告中心，将城市划分为多个网格，这样系统能够快速收集每个网格中所有类型的信息，城市监控中心依据事件的紧急程度上报或指派相关职能部门(如火警，警察局，医院)采取适当的行动，这样政府就可实时监督并及时响应城市事件。 整合的公共服务新的公共服务系统将不同职能部门(如民政、社保、警察局、税务等)中原本孤立的数据和流程整合到一个集成平台，并创建一个统一流程来集中管理系统和数据，为居民提供更加便利和高效的一站式服务,实时城市管理与整合的公共服务,物联网与嵌入式应用领域-交通管理,实时交通信息 智慧的道路是减少交通拥堵的关键，但我们仍不了解行人、车辆、货物和商品在市内的具体移动状况。因此，获取数据是重要的第一步。通过随处都安置的传感器，我们可以实时获取路况信息，帮助监控和控制交通流量。人们可以获取实时的交通信息，并据此调整路线，从而避免拥堵。未来，我们将能建成自动化的高速公路，实现车辆与网络相连，从而指引车辆更改路线或优化行程。 道路收费 通过 RFID 技术以及利用激光、照相机和系统技术等的先进自由车流路边系统来无缝地检测、标识车辆并收取费用。,实时交通信息,物联网与嵌入式应用领域-物流供应链,供应链网络优化 智慧的供应链通过使用强大的分析和模拟引擎来优化从原材料至成品的供应链网络。这可以帮助企业确定生产设备的位置，优化采购地点，亦能帮助制定库存分配战略。使用后，公司可以通过优化的网络设计来实现真正无缝的端到端供应链，这样就能提高控制力，同时还能减少资产、降低成本(交通运输、存储和库存成本)、减少碳排放，也能改善客户服务(备货时间、按时交付、加速上市),物联网与嵌入式应用领域-物流供应链,提供供应链可视性供应链的每个成员都应当能够追溯产品生产者以及产品成分、包装、来源等特征，也应当能够向前追踪产品成分、包装和产品的的每一项活动，这变得越来越重要。要设计一个具有对整个价值链可追溯性的供应链，公司必须创建流程和基础架构来收集、集成、分析和传递关于产品来源和特征的可靠信息，这应当贯穿于供应链的各个阶段(从农场到餐桌)。它将不同的技术解决方案整合起来，使物理供应链(商品的运动轨迹)和信息供应链(数据的收集、存储、组织、分析和访问控制)能够相互集成。有了这样的供应链可视性，公司就能保护和推广品牌、主动地吸引其他股东并降低安全事故的影响。,物联网与嵌入式应用领域-通信行业,在“2009 年中国国际信息通信展览会”上，中国移动展出了手机支付，这就是典型的物联网概念应用。手机支付实际上主要是手机 SIM 卡的更换，由普通 SIM 卡更换为 RFID-SIM卡，而不需要对手机进行更换。用户在消费时，只需要将手机从接收器上轻轻一扫，就可以方便进行各种购物，以及获得详细的费用清单。中国电信一直在推介自己的全球眼技术，其实就是远程监控的物联网应用。比如上海海关都采用中国电信的远程监控系统，通过画面可以对货物进行通关检查，也减少人力。中国联通日前在上海推出了公交卡手机，通过刷手机可以实现公交车票支付，这些都是典型的应用。,公交卡手机,常见的嵌入式产品,手持可移动设备,GPS导航,工业控制,自动化控制,防盗监控,智能家居,机器人,此外，嵌入式还用在军事、医疗、交通、电网等方面。,嵌入式医疗设备网络,军事（航天）工业产品,数字化单兵信息装备夜视扫描、全球定位、指挥通信,应用1：闸机控制,应用2：车载多媒体控制器,相关政策,2009 年 6 月 欧盟委员会提出针对物联网行动方案，方案明确表示在技术层面将给予大量资金支持，在政府管理层面将提出与现有法规相适应的网络监管方案2009 年 8 月 温家宝总理在无锡考察传感网产业发展时明确指示要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，并且明确要求尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。目前：经国家标准化管理委员会批准，全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准工作组，标准工作组现聚集了中国科学院、中国移动通信集团公司等国内传感网主要的技术研究和应用单位。,相关政策,据新华社电根据教育部网站3月9日发出的通知，我国拟针对互联网、低碳经济、环保技术、生物医药等国家决定大力发展的重要战略性新兴产业，在高校本科教育阶段设立相关专业。根据教育部办公厅关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知，这些产业“关系到未来环境和人类生活”，有着“对高素质人才的迫切需求”。,相关政策,通知规定，战略性新兴产业涉及的领域包括：一、新能源产业。可再生能源技术、节能减排技术、清洁煤技术、核能技术，节能环保和资源循环利用，以低碳排放为特征的工业、建筑、交通体系，新能源汽车等。二、信息网络产业。传感网、物联网技术。三、新材料产业。微电子和光电子材料和器件、新型功能材料、高性能结构材料、纳米技术和材料等。四、农业和医药产业。转基因育种技术。创新药物和基本医疗器械关键核心技术。五、空间、海洋和地球探索与资源开发利用。,5月17日计世资讯公布了物联网产业链国内外发展研究调查认为，2010年将是中国物联网产业发展最关键的一年，2010年中国物联网产业市场规模将达到1800亿元，至2015年，中国物联网整体市场规模将达到7000亿元，年复合增长率超过30。,市场前景与预测,市场前景与预测,行业应用将成为未来几年物联网产业发展的主要驱动力。智能交通、城市安防、智能电网等行业市场成熟度较高，这些行业传感技术成熟，政府扶持力度大，在许多城市已经开始规模化应用，市场前景广阔，投资机会巨大，将成为未来几年物联网产业发展的重点领域；医疗卫生、家庭、个人等领域的智能传感应用则需要较长的时间，技术、标准均有待于进一步完善，大多产品还处于试验阶段，短时间内不会大规模应用。,行业人才需求,工信部已将物联网纳入十二五规划中，“十二五”期间中国物联网应“初步形成产业体系完整、创新能力增强、应用水平提升、网络信息安全的良性发展格局”。工信部表示，各地政府纷纷上马物联网项目，急需大量的物联网人才，而且非常奇缺。比如，仅无锡到2015年总需要引进和培养高级物联网人才5000名，普通从业人员5万人。,行业人才需求,深圳九九加一实业公司物联网培训中心负责人表示: “物联网”产业发展上升为国家战略，今年全国物联网相关人才缺口量18万,需要高校及社会有实力培训机构积极介入培养物联网相关人才,保障物联网产业快速的发展.,行业人才需求,全国首家物联网工程学院6月中旬在江南大学挂牌成立。这是国内第一家覆盖“传”、“感”、“网”三方面专业学院，拥有从本科到博士多层次培养体系。,就业方向：自动化企业智能家电智能家居工业控制企业数字娱乐公司汽车医疗航空航天环境保护、智能物流等领域。,工作就业,工作就业,就业岗位,工作就业,就业企业名录：远望谷、新大陆、大唐电信、国基科技、威控科技、四通电机、汉威电子、同方科技、华为、中兴、汉鼎科技、东方电子、威尔泰、北斗星通、高鸿、股份、东信和平、晶源电子、怡亚通、中瑞思创、华工科技、三维通信、银江股份、IBM、东源电器、许继电器、理工监测、北京科锐、九州电气、荣信股份、长城开发等等大公司，适合就业的小公司不下十几万家。,物联网核心技术,物联网核心技术包括射频识别(RFID)装置、WSN 网络、红外感应器、全球定位系统、Internet 与移动网络，网络服务，行业应用软件。在这些技术当中，又以底层设备软硬件开发最为关键，引领整个行业的上游发展。,物联网系统架构,嵌入式系统的典型结构,学嵌入式的核心内容,C语言ARM处理器原理嵌入式Linux开发嵌入式驱动开发Android系统移植及开发,Linux操作系统,同Windows一样，Linux也是一款操作系统，只是用途不一样。Linux操作系统多用在嵌入式产品、网络服务器、手持可移动设备中。 在很多纯软件的IT公司里也会用到Linux，这些公司的职位大概有前端开发、后台开发、windows开发、手机软件开发、测试，运维等等，而Linux工程师主要可以胜任后台开发。 Linux的安全性远高于Windows系统，并且它是开源的，免费的，非常适合中国IT产业的情况，所以大部分公司都支持嵌入式Linux系统。,Linux的重要性,世界上排名前500的超级计算机中Linux操作系统的占92.4%！认为Linux总体上比别的操作系统安全的人占77.2%。移动市场：（数据截止2012年3月） 世界上有1.36亿台基于Linux操作系统的手机，占手机市场总数的75%，而且年增长率达到91.5%。,关于Linux的IT公司调查,驱动接受Linux的公司认为：能带来特性/产品优势: 69%能降低总拥有成本70%安全性: 64%支持Linux的公司招聘：擅长Linux的优先占81%认为寻找Linux人才困难的占85%打算增加Linux职位的占63%,物联网嵌入式教学设备,ARM+无线传感模块实验箱,物联网最新技术热点,物联网最新技术热点,物联网最新技术热点,物联网最新技术热点,物联网最新技术热点,物联网最新技术热点,嵌入式系统的发展趋势(1),嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的需求向:可适应不同的嵌入式硬件平台具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好的实时性、可靠性、高可用方向发展,嵌入式系统的发展趋势(2),嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大量新的应用针对外部联网要求，嵌入系统必需配有通信接口，需要TCP/IP协议簇软件支持。针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA/2G/3G通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持网络交互的应用，还需内置XML浏览器和Web Server。,嵌入式系统的发展趋势(3),嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展 支持自然的人机交互和互动的、图形化、多媒体的嵌入式人机界面。操作简便、直观、无须学习。如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。 可编程的嵌入式系统。嵌入式系统可支持二次开发如采用嵌入式Java技术，可动态加载和升级软件，增强嵌入式系统功能。 支持分布式计算。与其他嵌入式系统和通用计算机系统互联构成分布式计算环境。,