第2、3講物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

第2章物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu) 2 1物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)概述2 2感知層2 3網(wǎng)絡(luò)層2 4應(yīng)用層2 5物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù) 由于物聯(lián)網(wǎng)尚處在起步階段 還沒(méi)有一個(gè)廣泛認(rèn)同的體系結(jié)構(gòu) 在公開(kāi)發(fā)表物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的同時(shí) 很多研究人員也提出了若干物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 例如物品萬(wàn)維網(wǎng) WebofThings WoT 的體系結(jié)構(gòu) 它定義了一種面向應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng) 這是一個(gè)以用戶(hù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 試圖把互聯(lián)網(wǎng)中成功的 面向信息獲取的萬(wàn)維網(wǎng)結(jié)構(gòu)移植到物聯(lián)網(wǎng)上 用于物聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)布 檢索和獲取 當(dāng)前 較具代表性的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)有歐美支持的EPCGlobal物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和日本的UbiquitousID UID 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等 我國(guó)也積極參與了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究 正在積極制訂符合社會(huì)發(fā)展實(shí)際情況的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和架構(gòu) 2 1物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)概述 2 1物聯(lián)網(wǎng)的EPC體系結(jié)構(gòu)隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化和信息網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的加快 為滿(mǎn)足對(duì)單個(gè)物品的標(biāo)識(shí)和高效識(shí)別 美國(guó)麻省理工學(xué)院的自動(dòng)識(shí)別實(shí)驗(yàn)室 Auto ID 在美國(guó)統(tǒng)一代碼協(xié)會(huì) UCC 的支持下 提出要在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上 利用RFID 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù) 構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界萬(wàn)物的系統(tǒng) 同時(shí)還提出了電子產(chǎn)品代碼 ElectronicProductCode EPC 的概念 即每個(gè)對(duì)象都將賦予一個(gè)唯一的EPC 采用射頻識(shí)別技術(shù)的信息系統(tǒng)管理 數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存由EPC網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理 隨后 國(guó)際物品編碼協(xié)會(huì) EAN 和美國(guó)統(tǒng)一代碼協(xié)會(huì) UCC 于2003年9月聯(lián)合成立了非營(yíng)利性組織EPCGlobal 將EPC納入了全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中的GTIN編碼體系與EPC概念的完美結(jié)合 EPCGlobal對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的描述是 一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)主要由EPC編碼體系 射頻識(shí)別系統(tǒng)及EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三部分組成 1 EPC編碼體系物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的是全球物品的信息實(shí)時(shí)共享 顯然 首先要做的是實(shí)現(xiàn)全球物品的統(tǒng)一編碼 即對(duì)在地球上任何地方生產(chǎn)出來(lái)的任何一件物品 都要給它打上電子標(biāo)簽 這種電子標(biāo)簽帶有一個(gè)電子產(chǎn)品代碼 并且全球唯一 電子標(biāo)簽代表了該物品的基本識(shí)別信息 例如 表示 A公司于B時(shí)間在C地點(diǎn)生產(chǎn)的D類(lèi)產(chǎn)品的第E件 目前 歐美支持的EPC編碼和日本支持的UID編碼是兩種常見(jiàn)的電子產(chǎn)品編碼體系 2 射頻識(shí)別系統(tǒng)射頻識(shí)別系統(tǒng)包括EPC標(biāo)簽和讀寫(xiě)器 EPC標(biāo)簽是編號(hào) 每件商品唯一的號(hào)碼 即牌照 的載體 當(dāng)EPC標(biāo)簽貼在物品上或內(nèi)嵌在物品中時(shí) 該物品與EPC標(biāo)簽中的產(chǎn)品電子代碼就建立起了一對(duì)一的映射關(guān)系 EPC標(biāo)簽從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一個(gè)電子標(biāo)簽 通過(guò)RFID讀寫(xiě)器可以對(duì)EPC標(biāo)簽的內(nèi)存信息進(jìn)行讀取 這個(gè)內(nèi)存信息通常就是產(chǎn)品電子代碼 產(chǎn)品電子代碼經(jīng)讀寫(xiě)器報(bào)送給物聯(lián)網(wǎng)中間件 經(jīng)處理后存儲(chǔ)在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中 用戶(hù)查詢(xún)物品信息時(shí)只要在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的地址欄中輸入物品名稱(chēng) 生產(chǎn)商 供貨商等數(shù)據(jù) 就可以實(shí)時(shí)獲悉物品在供應(yīng)鏈中的狀況 目前 與此相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)已制定 包括電子標(biāo)簽的封裝標(biāo)準(zhǔn) 電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器間的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)等 3 EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括EPC中間件 EPC信息發(fā)現(xiàn)服務(wù)和EPC信息服務(wù)三部分 EPC中間件通常指一個(gè)通用平臺(tái)和接口 是連接RFID讀寫(xiě)器和信息系統(tǒng)的紐帶 它主要用于實(shí)現(xiàn)RFID讀寫(xiě)器和后端應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息交互 捕獲實(shí)時(shí)信息和事件 或?qū)⑿畔⑾蛏蟼魉徒o后端應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)軟件系統(tǒng)以及ERP系統(tǒng)等 或?qū)⑿畔⑾蛳聜魉徒oRFID讀寫(xiě)器 EPC信息發(fā)現(xiàn)服務(wù) DiscoveryService 包括對(duì)象名解析服務(wù) ObjectNameService ONS 以及配套服務(wù) 它基于電子產(chǎn)品代碼 獲取EPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)通道信息 目前 根ONS系統(tǒng)和配套的發(fā)現(xiàn)服務(wù)系統(tǒng)由EPCGlobal委托VeriSign公司進(jìn)行運(yùn)行維護(hù) 其接口標(biāo)準(zhǔn)正在形成之中 EPC信息服務(wù) EPCInformationService EPCIS 即EPC系統(tǒng)的軟件支持系統(tǒng) 用以實(shí)現(xiàn)最終用戶(hù)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下交互EPC信息 關(guān)于EPCIS的接口和標(biāo)準(zhǔn)也正在制定中 可見(jiàn) 一個(gè)EPC物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)主要由EPC編碼 EPC標(biāo)簽及RFID讀寫(xiě)器 中間件系統(tǒng) ONS服務(wù)器和EPCIS服務(wù)器等部分構(gòu)成 如圖2 3所示 圖2 3EPC物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)示意圖 由圖2 3可以看到一個(gè)企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的基本架構(gòu) 該應(yīng)用系統(tǒng)由三大部分組成 即RFID識(shí)別系統(tǒng) 中間件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) RFID識(shí)別系統(tǒng)包含EPC標(biāo)簽和RFID讀寫(xiě)器 兩者通過(guò)RFID空中接口通信 EPC標(biāo)簽貼于每件物品上 中間件系統(tǒng)含有EPCIS PML PhysicalMarkupLanguage 物體標(biāo)記語(yǔ)言 ONS及其緩存系統(tǒng) 其后端應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)軟件系統(tǒng)還包含ERP系統(tǒng)等 這些都與計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)相連 可及時(shí)有效地跟蹤 查詢(xún) 修改或增減數(shù)據(jù) RFID讀寫(xiě)器從含有一個(gè)EPC或一系列EPC的標(biāo)簽上讀取物品的電子代碼 然后將讀取的物品電子代碼送到中間件系統(tǒng)中進(jìn)行處理 如果讀取的數(shù)據(jù)量較大而中間件系統(tǒng)處理不及時(shí) 可應(yīng)用ONS來(lái)儲(chǔ)存部分讀取數(shù)據(jù) 中間件系統(tǒng)以該EPC數(shù)據(jù)為信息源 在本地ONS服務(wù)器獲取包含該產(chǎn)品信息的EPC信息服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址 當(dāng)本地ONS不能查閱到EPC編碼所對(duì)應(yīng)的EPC信息服務(wù)器地址時(shí) 可向遠(yuǎn)程O(píng)NS發(fā)送解析請(qǐng)求 獲取物品的對(duì)象名稱(chēng) 繼而通過(guò)EPC信息服務(wù)的各種接口獲得物品信息的各種相關(guān)服務(wù) 整個(gè)EPC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 利用在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展產(chǎn)生的通信協(xié)議和描述語(yǔ)言而運(yùn)行 2 1 3物聯(lián)網(wǎng)的UID技術(shù)體系鑒于日本在電子標(biāo)簽方面的發(fā)展 早在20世紀(jì)80年代中期就提出了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng) TRON 其中的T Engine是其體系的核心 在T Engine論壇領(lǐng)導(dǎo)下 UID中心設(shè)立于東京大學(xué) 于2003年3月成立 并得到日本政府以及大企業(yè)的支持 目前包括微軟 索尼 三菱 日立 日電 東芝 夏普 富士通 NTT DoCoMo KDDI J Phone 伊藤忠 大日本印刷 凸版印刷 理光等諸多企業(yè) 組建UID中心的目的是為了建立和普及自動(dòng)識(shí)別 物品 所需的基礎(chǔ)性技術(shù) 實(shí)現(xiàn) 計(jì)算無(wú)處不在 的理想環(huán)境 UID是一個(gè)開(kāi)放性的技術(shù)體系 由泛在識(shí)別碼 uCode 泛在通信器 UG 信息系統(tǒng)服務(wù)器和uCode解析服務(wù)器等部分構(gòu)成 UID使用uCode作為現(xiàn)實(shí)世界物品和場(chǎng)所的標(biāo)識(shí) 它從uCode電子標(biāo)簽中讀取uCode獲得這些設(shè)施的狀態(tài) 并控制它們 類(lèi)似于PDA終端 UID可廣泛應(yīng)用于多種產(chǎn)業(yè)或行業(yè) 現(xiàn)實(shí)世界用uCode標(biāo)識(shí)的物品 場(chǎng)所等各種實(shí)體與虛擬世界中存儲(chǔ)在信息服務(wù)器中的各種相關(guān)信息聯(lián)系起來(lái) 實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián) 2 1 4構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的原則物聯(lián)網(wǎng)概念的問(wèn)世 打破了傳統(tǒng)的思維模式 在提出物聯(lián)網(wǎng)概念之前 一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開(kāi) 一方面是機(jī)場(chǎng) 公路 建筑物 而另一方面是數(shù)據(jù)中心 個(gè)人計(jì)算機(jī) 寬帶等 在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代 將把鋼筋混凝土 電纜與芯片 寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施 在這種意義上的基礎(chǔ)設(shè)施就像是一塊新的地球工地 世界在它上面運(yùn)轉(zhuǎn) 包括經(jīng)濟(jì)管理 生產(chǎn)運(yùn)行 社會(huì)管理以及個(gè)人生活等 研究物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 首先需要明確架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基本原則 以便在已有物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上 形成參考標(biāo)準(zhǔn) 物聯(lián)網(wǎng)有別于互聯(lián)網(wǎng) 互聯(lián)網(wǎng)的主要目的是構(gòu)建一個(gè)全球性的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò) 物聯(lián)網(wǎng)則主要是從應(yīng)用出發(fā) 利用互聯(lián)網(wǎng) 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳送 是互聯(lián)網(wǎng) 移動(dòng)通信網(wǎng)應(yīng)用的延伸 是自動(dòng)化控制 遙控遙測(cè)及信息應(yīng)用技術(shù)的綜合展現(xiàn) 當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)概念與近程通信 信息采集 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 用戶(hù)終端設(shè)備結(jié)合之后 其價(jià)值才能逐步得到展現(xiàn) 因此 設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該遵循以下幾條原則 1 多樣性原則 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類(lèi)型 節(jié)點(diǎn)的不同 分別設(shè)計(jì)多種類(lèi)型的體系結(jié)構(gòu) 不能也沒(méi)有必要建立起唯一的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu) 2 時(shí)空性原則 物聯(lián)網(wǎng)尚在發(fā)展之中 其體系結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿(mǎn)足在時(shí)間 空間和能源方面的需求 3 互聯(lián)性原則 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)需要平滑地與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通 試圖另行設(shè)計(jì)一套互聯(lián)通信協(xié)議及其描述語(yǔ)言 是不現(xiàn)實(shí)的 4 擴(kuò)展性原則 對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的架構(gòu) 應(yīng)該具有一定的擴(kuò)展性 以便最大限度地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施 保護(hù)已投資利益 5 安全性原則 物物互聯(lián)之后 物聯(lián)網(wǎng)的安全性將比計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的安全性更為重要 因此物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠防御大范圍的網(wǎng)絡(luò)攻擊 6 健壯性原則 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具備相當(dāng)好的健壯性和可靠性 2 1 5實(shí)用的層次性物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng) 傳感網(wǎng) 射頻識(shí)別系統(tǒng) 紅外感應(yīng)器 激光掃描器等 條碼與二維碼 全球定位系統(tǒng) 按約定的通信協(xié)議 將物與物 人與物 人與人連接起來(lái) 通過(guò)各種接入網(wǎng) 互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換 以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別 定位 跟蹤 監(jiān)控和管理的一種信息網(wǎng)絡(luò) 這個(gè)定義的核心是 物聯(lián)網(wǎng)的主要特征是每一個(gè)物件都可以尋址 每一個(gè)物件都可以控制 每一個(gè)物件都可以通信 根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類(lèi)型和節(jié)點(diǎn)等情況 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)劃分有兩種情況 其一是由感知層 接入層 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的四層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 其二是由感知層 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的三層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 根據(jù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研究 技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的實(shí)踐觀察 目前業(yè)界將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)劃分為三個(gè)層次 感知層 網(wǎng)絡(luò)層 應(yīng)用層 并依此概括地描繪物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu) 如圖2 4所示 感知層解決的是人類(lèi)世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題 感知層可進(jìn)一步劃分為兩個(gè)子層 首先是通過(guò)傳感器 數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備采集外部物理世界的數(shù)據(jù) 然后通過(guò)RFID 條碼 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn) 藍(lán)牙 紅外等短距離傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù) 特別是在僅傳遞物品的唯一識(shí)別碼的情況下 也可以只有數(shù)據(jù)的短距離傳輸這一層 實(shí)際上 這兩個(gè)子層有時(shí)很難明確區(qū)分開(kāi) 感知層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括檢測(cè)技術(shù) 短距離有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等 網(wǎng)絡(luò)層解決的是感知層所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi) 通常是長(zhǎng)距離 傳輸?shù)膯?wèn)題 這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng) 國(guó)際互聯(lián)網(wǎng) 企業(yè)內(nèi)部網(wǎng) 各類(lèi)專(zhuān)網(wǎng) 小型局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸 特別是當(dāng)三網(wǎng)融合后 有線(xiàn)電視網(wǎng)也能承擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的功能 有利于物聯(lián)網(wǎng)的加快推進(jìn) 網(wǎng)絡(luò)層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括長(zhǎng)距離有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等 應(yīng)用層解決的是信息處理和人機(jī)界面的問(wèn)題 網(wǎng)絡(luò)層傳輸而來(lái)的數(shù)據(jù)在這一層里進(jìn)入各類(lèi)信息系統(tǒng)進(jìn)行處理 并通過(guò)各種設(shè)備與人進(jìn)行交互 這一層也可按形態(tài)直觀地劃分為兩個(gè)子層 一個(gè)是應(yīng)用程序?qū)?進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 它涵蓋了國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的每一領(lǐng)域 包括電力 醫(yī)療 銀行 交通 環(huán)保 物流 工業(yè) 農(nóng)業(yè) 城市管理 家居生活等 包括支付 監(jiān)控 安保 定位 盤(pán)點(diǎn) 預(yù)測(cè)等 可用于政府 企業(yè) 社會(huì)組織 家庭 個(gè)人等 這正是物聯(lián)網(wǎng)作為深度信息化產(chǎn)物的重要體現(xiàn) 另一個(gè)是終端設(shè)備層 提供人機(jī)界面 物聯(lián)網(wǎng)雖然是 物物相連的網(wǎng) 但最終是要以人為本的 最終還是需要人的操作與控制 不過(guò)這里的人機(jī)界面已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)時(shí)人與計(jì)算機(jī)交互的概念 而是泛指與應(yīng)用程序相連的各種設(shè)備與人的反饋 在各層之間 信息不是單向傳遞的 可有交互 控制等 所傳遞的信息多種多樣 這其中關(guān)鍵是物品的信息 包括在特定應(yīng)用系統(tǒng)范圍內(nèi)能唯一標(biāo)識(shí)物品的識(shí)別碼和物品的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息 此外 軟件和集成電路技術(shù)都是各層所需的關(guān)鍵技術(shù) 2 2感知層 2 2 1感知層的功能物聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上 從原有網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)終端向 下 延伸和擴(kuò)展 擴(kuò)大通信的對(duì)象范圍 即通信不僅僅局限于人與人之間的通信 還擴(kuò)展到人與現(xiàn)實(shí)世界的各種物體之間的通信 這里的 物 并不是自然物品 而是要滿(mǎn)足一定的條件才能夠被納入物聯(lián)網(wǎng)的范圍 例如有相應(yīng)的信息接收器和發(fā)送器 數(shù)據(jù)傳輸通路 數(shù)據(jù)處理芯片 操作系統(tǒng) 存儲(chǔ)空間等 遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議 在物聯(lián)網(wǎng)中有可被識(shí)別的標(biāo)識(shí) 可以看到現(xiàn)實(shí)世界的物品未必能滿(mǎn)足這些要求 這就需要特定的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的幫助 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具體來(lái)說(shuō)就是嵌入式系統(tǒng) 傳感器 RFID等 物聯(lián)網(wǎng)感知層解決的就是人類(lèi)世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題 即各類(lèi)物理量 標(biāo)識(shí) 音頻 視頻數(shù)據(jù) 感知層處于三層架構(gòu)的最底層 是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ) 具有物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力 作為物聯(lián)網(wǎng)的最基本一層 感知層具有十分重要的作用 2 2 2感知層的關(guān)鍵技術(shù)感知層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括檢測(cè)技術(shù) 中低速無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)短距離傳輸技術(shù)等 感知層綜合了傳感器技術(shù) 嵌入式計(jì)算技術(shù) 智能組網(wǎng)技術(shù) 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù) 分布式信息處理技術(shù)等 能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器的協(xié)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息 感知層通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理 并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知到的信息傳送到接入層的基站節(jié)點(diǎn)和接入網(wǎng)關(guān) 最終到達(dá)用戶(hù)終端 從而真正實(shí)現(xiàn) 無(wú)處不在 的物聯(lián)網(wǎng)的理念 1 傳感器技術(shù)人是通過(guò)視覺(jué) 嗅覺(jué) 聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)等感覺(jué)來(lái)感知外界信息的 感知的信息輸入大腦進(jìn)行分析判斷和處理 大腦再指揮人做出相應(yīng)的動(dòng)作 這是人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界和改造世界具有的最基本的能力 但是通過(guò)人的五官感知外界的信息非常有限 例如 人無(wú)法利用觸覺(jué)來(lái)感知超過(guò)幾十甚至上千度的溫度 而且也不可能辨別溫度的微小變化 這就需要電子設(shè)備的幫助 同樣 利用電子儀器特別像計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化裝置來(lái)代替人的勞動(dòng)時(shí) 計(jì)算機(jī)類(lèi)似于人的大腦 但僅有大腦而沒(méi)有感知外界信息的 五官 顯然是不夠的 計(jì)算機(jī)還需要它們的 五官 傳感器 傳感器是一種檢測(cè)裝置 能感受到被測(cè)的信息 并能將檢測(cè)感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出 以滿(mǎn)足信息的傳輸 處理 存儲(chǔ) 顯示 記錄和控制等要求 它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié) 在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中 對(duì)各種參量進(jìn)行信息采集和簡(jiǎn)單加工處理的設(shè)備 被稱(chēng)為物聯(lián)網(wǎng)傳感器 傳感器可以獨(dú)立存在 也可以與其他設(shè)備以一體方式呈現(xiàn) 但無(wú)論哪種方式 它都是物聯(lián)網(wǎng)中的感知和輸入部分 在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)中 傳感器及其組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)將在數(shù)據(jù)采集前端發(fā)揮重要的作用 傳感器的分類(lèi)方法多種多樣 比較常用的有按傳感器的物理量 工作原理和輸出信號(hào)三種方式來(lái)分類(lèi) 此外 按照是否具有信息處理功能來(lái)分類(lèi)的意義越來(lái)越重要 特別是在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代 按照這種分類(lèi)方式 傳感器可分為一般傳感器和智能傳感器 一般傳感器采集的信息需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 智能傳感器帶有微處理器 本身具有采集 處理 交換信息的能力 具備高數(shù)據(jù)精度 高可靠性與高穩(wěn)定性 高信噪比與高分辨力 強(qiáng)自適應(yīng)性 低價(jià)格性能比等特點(diǎn) 1 新型傳感器傳感器是節(jié)點(diǎn)感知物質(zhì)世界的 感覺(jué)器官 用來(lái)感知信息采集點(diǎn)的環(huán)境參數(shù) 傳感器可以感知熱 力 光 電 聲 位移等信號(hào) 為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的處理 傳輸 分析和反饋提供最原始的數(shù)據(jù)信息 隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步 傳統(tǒng)的傳感器正逐步實(shí)現(xiàn)微型化 智能化 信息化 網(wǎng)絡(luò)化 同時(shí) 也正經(jīng)歷著一個(gè)從傳統(tǒng)傳感器 DumbSensor 到智能傳感器 SmartSensor 再到嵌入式Web傳感器 EmbeddedWebSensor 不斷豐富發(fā)展的過(guò)程 應(yīng)用新理論 新技術(shù) 采用新工藝 新結(jié)構(gòu) 新材料 研發(fā)各類(lèi)新型傳感器 提升傳感器的功能與性能 降低成本 是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ) 目前 市場(chǎng)上已經(jīng)有大量門(mén)類(lèi)齊全且技術(shù)成熟的傳感器產(chǎn)品可供選擇使用 2 智能化傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)技術(shù)所謂智能化傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn) 是指一個(gè)微型化的嵌入式系統(tǒng) 在感知物質(zhì)世界及其變化的過(guò)程中 需要檢測(cè)的對(duì)象很多 例如溫度 壓力 濕度 應(yīng)變等 因此需要微型化 低功耗的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)成傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)層支持平臺(tái) 所以需要針對(duì)低功耗傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的低成本 低功耗 小型化 高可靠性等要求 研制低速 中高速傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)核心芯片 以及集射頻 基帶 協(xié)議 處理于一體 具備通信 處理 組網(wǎng)和感知能力的低功耗片上系統(tǒng) 針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用 研制系列節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品 這不但需要采用MEMS加工技術(shù) 設(shè)計(jì)符合物聯(lián)網(wǎng)要求的微型傳感器 使之可識(shí)別 配接多種敏感元件 并適用于主被動(dòng)各種檢測(cè)方法 而且傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)還應(yīng)具有強(qiáng)抗干擾能力 以適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的需求 如何利用傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有的局域信號(hào)處理功能 在傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)附近局部完成一定的信號(hào)處理 使原來(lái)由中央處理器實(shí)現(xiàn)的串行處理 集中決策的系統(tǒng) 成為一種并行的分布式信息處理系統(tǒng) 這還需要開(kāi)發(fā)基于專(zhuān)用操作系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)級(jí)系統(tǒng)軟件 2 RFID技術(shù)RFID是射頻識(shí)別 RadioFrequencyIdentification 的英文縮寫(xiě) 是20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù) 它利用射頻信號(hào)通過(guò)空間電磁耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別 RFID既可以看成是一種設(shè)備標(biāo)識(shí)技術(shù) 也可以歸類(lèi)為短距離傳輸技術(shù) RFID是一種能夠讓物品 開(kāi)口說(shuō)話(huà) 的技術(shù) 也是物聯(lián)網(wǎng)感知層的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù) 在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想中 RFID標(biāo)簽中存儲(chǔ)著規(guī)范而具有互用性的信息 通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式把它們自動(dòng)采集到中央信息系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)物品 商品 的識(shí)別 進(jìn)而通過(guò)開(kāi)放式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換和共享 實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的 透明 管理 RFID系統(tǒng)主要由三部分組成 電子標(biāo)簽 Tag 讀寫(xiě)器 Reader 和天線(xiàn) Antenna 其中 電子標(biāo)簽芯片具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 用于存儲(chǔ)待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)信息 讀寫(xiě)器是將約定格式的待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)信息寫(xiě)入電子標(biāo)簽的存儲(chǔ)區(qū)中 寫(xiě)入功能 或在讀寫(xiě)器的閱讀范圍內(nèi)以無(wú)接觸的方式將電子標(biāo)簽內(nèi)保存的信息讀取出來(lái) 讀出功能 天線(xiàn)用于發(fā)射和接收射頻信號(hào) 往往內(nèi)置在電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器中 RFID技術(shù)的工作原理是 電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)后 讀寫(xiě)器發(fā)出的射頻信號(hào)憑借感應(yīng)電流所獲得的能量將存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息 無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽 發(fā)送出 或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào) 有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽 讀寫(xiě)器讀取信息并解碼后 送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理 由于RFID具有無(wú)需接觸 自動(dòng)化程度高 耐用可靠 識(shí)別速度快 適應(yīng)各種工作環(huán)境 可實(shí)現(xiàn)高速和多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)別等優(yōu)勢(shì) 因此應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 如物流和供應(yīng)鏈管理 門(mén)禁安防系統(tǒng) 道路自動(dòng)收費(fèi) 航空行李處理 文檔追蹤 圖書(shū)館管理 電子支付 生產(chǎn)制造和裝配 物品監(jiān)視 汽車(chē)監(jiān)控 動(dòng)物身份標(biāo)識(shí)等 以簡(jiǎn)單RFID系統(tǒng)為基礎(chǔ) 結(jié)合已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) 中間件技術(shù)等 構(gòu)筑一個(gè)由大量聯(lián)網(wǎng)的讀寫(xiě)器和無(wú)數(shù)移動(dòng)的標(biāo)簽組成的 比Internet更為龐大的物聯(lián)網(wǎng) 已成為RFID技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì) RFID主要采用ISO和IEC制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 目前可供射頻卡使用的射頻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有ISO IEC10536 ISO IEC14443 ISO IEC15693和ISO IEC18000 應(yīng)用最多的是ISO IEC14443和ISO IEC15693 這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都由物理特性 射頻功率和信號(hào)接口 初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分組成 RFID與人們常見(jiàn)的條形碼相比 比較明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 1 讀寫(xiě)器可同時(shí)識(shí)讀多個(gè)RFID標(biāo)簽 2 讀寫(xiě)時(shí)不需要光線(xiàn) 不受非金屬覆蓋的影響 即使在嚴(yán)酷 骯臟的條件下仍然可以讀取 3 存儲(chǔ)容量大 可以反復(fù)讀 寫(xiě) 4 可以在高速運(yùn)動(dòng)中讀取 當(dāng)然 目前RFID還存在許多技術(shù)難點(diǎn) 主要集中在 RFID反碰撞 防沖突問(wèn)題 RFID天線(xiàn)研究 工作頻率的選擇 安全與隱私等方面 3 二維碼技術(shù)二維碼 2 dimensionalbarcode 技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層實(shí)現(xiàn)過(guò)程中最基本和關(guān)鍵的技術(shù)之一 二維碼也叫二維條碼或二維條形碼 是用某種特定的幾何形體按一定規(guī)律在平面上分布 黑白相間 的圖形來(lái)記錄信息的應(yīng)用技術(shù) 從技術(shù)原理來(lái)看 二維碼在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的 0 和 1 比特流的概念 使用若干與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來(lái)表示數(shù)值信息 并通過(guò)圖像輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)處理 與一維條形碼相比 二維碼有著明顯的優(yōu)勢(shì) 歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面 數(shù)據(jù)容量更大 二維碼能夠在橫向和縱向兩個(gè)方位同時(shí)表達(dá)信息 因此能在很小的面積內(nèi)表達(dá)大量的信息 超越了字母數(shù)字的限制 條形碼相對(duì)尺寸小 具有抗損毀能力 此外 二維碼還可以引入保密措施 其保密性較一維碼要強(qiáng)很多 二維碼可分為堆疊式 行排式二維碼和矩陣式二維碼 其中 堆疊式 行排式二維碼形態(tài)上是由多行短截的一維碼堆疊而成 矩陣式二維碼以矩陣的形式組成 在矩陣相應(yīng)元素位置上用 點(diǎn) 表示二進(jìn)制 1 用 空 表示二進(jìn)制 0 并由 點(diǎn) 和 空 的排列組成代碼 二維碼具有條碼技術(shù)的一些共性 每種碼制有其特定的字符集 每個(gè)字符占有一定的寬度 具有一定的校驗(yàn)功能等 二維碼的特點(diǎn)歸納如下 1 高密度編碼 信息容量大 二維碼可容納多達(dá)1850個(gè)大寫(xiě)字母或2710個(gè)數(shù)字或1108個(gè)字節(jié)或500多個(gè)漢字 比普通條碼信息容量高幾十倍 2 編碼范圍廣 二維碼可以把圖片 聲音 文字 簽字 指紋等可以數(shù)字化的信息進(jìn)行編碼 并用條碼表示 3 容錯(cuò)能力強(qiáng) 具有糾錯(cuò)功能 二維碼因穿孔 污損等引起局部損壞時(shí) 甚至損壞面積達(dá)50 時(shí) 仍可以正確得到識(shí)讀 4 譯碼可靠性高 二維碼比普通條碼百萬(wàn)分之二的譯碼錯(cuò)誤率要低得多 誤碼率不超過(guò)千萬(wàn)分之一 5 可引入加密措施 二維碼保密性 防偽性好 6 成本低 易制作 持久耐用 7 條碼符號(hào)形狀 尺寸大小比例可變 8 二維碼可以使用激光或CCD攝像設(shè)備識(shí)讀 十分方便 與RFID相比 二維碼最大的優(yōu)勢(shì)在于成本較低 一條二維碼的成本僅為幾分錢(qián) 而RFID標(biāo)簽因其芯片成本較高 制造工藝復(fù)雜 價(jià)格較高 RFID與二維碼功能比較見(jiàn)表2 1 表2 1RFID與二維碼功能比較 4 ZigBee技術(shù)ZigBee是一種短距離 低功耗的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù) 是一種介于無(wú)線(xiàn)標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù) 它是IEEE802 15 4協(xié)議的代名詞 ZigBee采用分組交換和跳頻技術(shù) 并且可使用三個(gè)頻段 分別是2 4GHz的公共通用頻段 歐洲的868MHz頻段和美國(guó)的915MHz頻段 ZigBee主要應(yīng)用在短距離范圍并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間 與藍(lán)牙相比 ZigBee更簡(jiǎn)單 速率更慢 功率及費(fèi)用也更低 同時(shí) 由于ZigBee技術(shù)的低速率和通信范圍較小的特點(diǎn) 也決定了ZigBee技術(shù)只適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù) ZigBee技術(shù)主要包括以下特點(diǎn) 1 數(shù)據(jù)傳輸速率低 只有10kb s 250kb s 專(zhuān)注于低傳輸應(yīng)用 2 低功耗 ZigBee設(shè)備只有激活和睡眠兩種狀態(tài) 而且ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通信循環(huán)次數(shù)非常少 工作周期很短 所以一般來(lái)說(shuō)兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月以上 3 成本低 因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低 協(xié)議簡(jiǎn)單 所以大大降低了成本 4 網(wǎng)絡(luò)容量大 ZigBee支持星形 簇形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備 也就是說(shuō) 每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接 5 有效范圍小 ZigBee的有效傳輸距離為10m 75m 具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定 基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境 6 工作頻段靈活 使用的頻段分別為2 4GHz 868MHz 歐洲 及915MHz 美國(guó) 均為免執(zhí)照頻段 7 可靠性高 ZigBee采用了碰撞避免機(jī)制 同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙 避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突 節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能 信息在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸 從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?8 時(shí)延短 ZigBee針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短 9 安全性高 ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒定功能 采用AES 128加密算法 同時(shí)根據(jù)具體應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性 由于ZigBee技術(shù)具有成本低 組網(wǎng)靈活等特點(diǎn) 可以嵌入各種設(shè)備 在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮了重要作用 其應(yīng)用領(lǐng)域主要有PC外設(shè) 鼠標(biāo) 鍵盤(pán) 游戲操控桿 消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備 電視機(jī) CD VCD DVD等設(shè)備上的遙控裝置 家庭內(nèi)智能控制 照明 煤氣計(jì)量控制及報(bào)警等 玩具 電子寵物 醫(yī)護(hù) 監(jiān)視器和傳感器 工控 監(jiān)視器 傳感器和自動(dòng)控制設(shè)備 等 5 藍(lán)牙藍(lán)牙 Bluetooth 是一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)與話(huà)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范 和ZigBee一樣 也是一種短距離的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù) 其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的短距離無(wú)線(xiàn)接口 將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來(lái) 是各種設(shè)備在無(wú)電線(xiàn)或電纜相互連接的情況下 能在短距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作的一種技術(shù) 藍(lán)牙采用高速跳頻 FrequencyHopping 和時(shí)分多址 TimeDivisionMultipleAccess TDMA 等先進(jìn)技術(shù) 支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信 其傳輸頻段為全球公共通用的2 4GHz頻段 能提供1Mb s的傳輸速率和10m的傳輸距離 并采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸 藍(lán)牙除具有和ZigBee一樣 可以全球范圍適用 功耗低 成本低 抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)外 還有許多它自己的特點(diǎn) 1 同時(shí)可傳輸話(huà)音和數(shù)據(jù) 藍(lán)牙采用電路交換和分組交換技術(shù) 支持異步數(shù)據(jù)信道 三路話(huà)音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步話(huà)音同時(shí)傳輸?shù)男诺?2 可以建立臨時(shí)性的對(duì)等連接 Ad HocConnection 3 開(kāi)放的接口標(biāo)準(zhǔn) 為了推廣藍(lán)牙技術(shù)的使用 藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 BluetoothSIG 將藍(lán)牙的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)全部公開(kāi) 全世界范圍內(nèi)的任何單位和個(gè)人都可以進(jìn)行藍(lán)牙產(chǎn)品的開(kāi)發(fā) 只要最終通過(guò)BluetoothSIG的藍(lán)牙產(chǎn)品兼容性測(cè)試 就可以推向市場(chǎng) 藍(lán)牙作為一種電纜替代技術(shù) 主要有以下三類(lèi)應(yīng)用 話(huà)音 數(shù)據(jù)接入 外圍設(shè)備互連和個(gè)人局域網(wǎng) PAN 在物聯(lián)網(wǎng)的感知層 主要是用于數(shù)據(jù)接入 藍(lán)牙技術(shù)有效地簡(jiǎn)化了移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信 也能夠成功地簡(jiǎn)化設(shè)備與因特網(wǎng)之間的通信 從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速 高效 為無(wú)線(xiàn)通信拓寬了道路 2 3網(wǎng)絡(luò)層 2 3 1網(wǎng)絡(luò)層的功能物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的 它與目前主流的移動(dòng)通信網(wǎng) 國(guó)際互聯(lián)網(wǎng) 企業(yè)內(nèi)部網(wǎng) 各類(lèi)專(zhuān)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)一樣 主要承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?特別是當(dāng)三網(wǎng)融合后 有線(xiàn)電視網(wǎng)也能承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?在物聯(lián)網(wǎng)中 要求網(wǎng)絡(luò)層能夠把感知層感知到的數(shù)據(jù)無(wú)障礙 高可靠性 高安全性地進(jìn)行傳送 它解決的是感知層所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi) 尤其是遠(yuǎn)距離的傳輸問(wèn)題 同時(shí) 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層將承擔(dān)比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更大的數(shù)據(jù)量和面臨更高的服務(wù)質(zhì)量要求 所以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)尚不能滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)的需求 這就意味著物聯(lián)網(wǎng)需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合和擴(kuò)展 利用新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)更加廣泛和高效的互聯(lián)功能 由于廣域通信網(wǎng)絡(luò)在早期物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的缺位 早期的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用往往在部署范圍 應(yīng)用領(lǐng)域等諸多方面有所局限 終端之間以及終端與后臺(tái)軟件之間都難以開(kāi)展協(xié)同 隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 建立端到端的全局網(wǎng)絡(luò)將成為必須 2 3 2網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)由于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層是建立在Internet和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的 除具有目前已經(jīng)比較成熟的如遠(yuǎn)距離有線(xiàn) 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)外 為實(shí)現(xiàn) 物物相連 的需求 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層將綜合使用IPv6 2G 3G Wi Fi等通信技術(shù) 實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)的結(jié)合 寬帶與窄帶的結(jié)合 感知網(wǎng)與通信網(wǎng)的結(jié)合 同時(shí) 網(wǎng)絡(luò)層中的感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù) 感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ) 查詢(xún) 分析 挖掘 理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的技術(shù) 下面將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)依托的Internet 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)三種主要網(wǎng)絡(luò)形態(tài)以及涉及的IPv6 Wi Fi等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹 1 InternetInternet 中文譯為因特網(wǎng) 廣義的因特網(wǎng)叫互聯(lián)網(wǎng) 是以相互交流信息資源為目的 基于一些共同的協(xié)議 并通過(guò)許多路由器和公共互聯(lián)網(wǎng)連接而成 它是一個(gè)信息資源和資源共享的集合 Internet采用了目前最流行的客戶(hù)機(jī) 服務(wù)器工作模式 凡是使用TCP IP協(xié)議 并能與Internet中任意主機(jī)進(jìn)行通信的計(jì)算機(jī) 無(wú)論是何種類(lèi)型 采用何種操作系統(tǒng) 均可看成是Internet的一部分 可見(jiàn)Internet覆蓋范圍之廣 物聯(lián)網(wǎng)也被認(rèn)為是Internet的進(jìn)一步延伸 Internet將作為物聯(lián)網(wǎng)主要的傳輸網(wǎng)絡(luò)之一 然而為了讓Internet適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)量和多終端的要求 業(yè)界正在發(fā)展一系列新技術(shù) 其中 由于Internet中用IP地址對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí) 而目前的IPv4受制于資源空間耗竭 已經(jīng)無(wú)法提供更多的IP地址 所以IPv6以其近乎無(wú)限的地址空間將在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重大作用 引入IPv6技術(shù) 使網(wǎng)絡(luò)不僅可以為人類(lèi)服務(wù) 還將服務(wù)于眾多硬件設(shè)備 如家用電器 傳感器 遠(yuǎn)程照相機(jī) 汽車(chē)等 它將使物聯(lián)網(wǎng)無(wú)所不在 無(wú)處不在地深入社會(huì)的每個(gè)角落 2 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信就是移動(dòng)體之間的通信 或移動(dòng)體與固定體之間的通信 通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)介質(zhì)將這些物體連接起來(lái)進(jìn)行話(huà)音等服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)就是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò) 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng) 核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)三部分組成 無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)主要為移動(dòng)終端提供接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)主要為各種業(yè)務(wù)提供交換和傳輸服務(wù) 從通信技術(shù)層面看 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基本技術(shù)可分為傳輸技術(shù)和交換技術(shù)兩大類(lèi) 在物聯(lián)網(wǎng)中 終端需要以有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式連接起來(lái) 發(fā)送或者接收各類(lèi)數(shù)據(jù) 同時(shí) 考慮到終端連接的方便性 信息基礎(chǔ)設(shè)施的可用性 不是所有地方都有方便的固定接入能力 以及某些應(yīng)用場(chǎng)景本身需要監(jiān)控的目標(biāo)就是在移動(dòng)狀態(tài)下 因此 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以其覆蓋廣 建設(shè)成本低 部署方便 終端具備移動(dòng)性等特點(diǎn)將成為物聯(lián)網(wǎng)重要的接入手段和傳輸載體 為人與人之間 人與網(wǎng)絡(luò)之間 物與物之間的通信提供服務(wù) 在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中 當(dāng)前比較熱門(mén)的接入技術(shù)有3G Wi Fi和WiMAX 在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中 3G是指第三代支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通信技術(shù) 3G網(wǎng)絡(luò)則綜合了蜂窩 無(wú)繩 集群 移動(dòng)數(shù)據(jù) 衛(wèi)星等各種移動(dòng)通信系統(tǒng)的功能 與固定電信網(wǎng)的業(yè)務(wù)兼容 能同時(shí)提供話(huà)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 3G的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所有地區(qū) 城區(qū)與野外 的無(wú)縫覆蓋 從而使用戶(hù)在任何地方均可以使用系統(tǒng)所提供的各種服務(wù) 3G包括三種主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 即CDMA2000 WCDMA和TD SCDMA 其中TD SCDMA是由中國(guó)第一個(gè)提出的 以我國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主的 被國(guó)際上廣泛接受和認(rèn)可的無(wú)線(xiàn)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) Wi Fi全稱(chēng)WirelessFidelity 無(wú)線(xiàn)保真技術(shù) 傳輸距離有幾百米 可實(shí)現(xiàn)各種便攜設(shè)備 手機(jī) 筆記本電腦 PDA等 在局部區(qū)域內(nèi)的高速無(wú)線(xiàn)連接或接入局域網(wǎng) Wi Fi是由接入點(diǎn) AccessPoint AP 和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡組成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò) 主流的Wi Fi技術(shù)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)有IEEE802 11b及IEEE802 11g兩種 可分別提供11Mb s和54Mb s兩種傳輸速率 WiMAX全稱(chēng)為WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess 全球微波接入互操作性 是一種城域網(wǎng) MAN 無(wú)線(xiàn)接入技術(shù) 它是針對(duì)微波和毫米波頻段提出的一種空中接口標(biāo)準(zhǔn) 其信號(hào)傳輸半徑可以達(dá)到50km 基本上能覆蓋到城郊 正是由于這種遠(yuǎn)距離傳輸特性 WiMAX不僅能解決無(wú)線(xiàn)接入問(wèn)題 還能作為有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入 有線(xiàn)電視 DSL 的無(wú)線(xiàn)擴(kuò)展 方便地實(shí)現(xiàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)連接 3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN 的基本功能是將一系列空間分散的傳感器單元通過(guò)自組織的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接 從而將各自采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸匯總 以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控 并根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理 很多文獻(xiàn)將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)歸為感知層技術(shù) 實(shí)際上無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)貫穿物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層面 是結(jié)合了計(jì)算機(jī) 通信 傳感器三項(xiàng)技術(shù)的一門(mén)新興技術(shù) 具有較大范圍 低成本 高密度 靈活布設(shè) 實(shí)時(shí)采集 全天候工作的優(yōu)勢(shì) 且對(duì)物聯(lián)網(wǎng)其他產(chǎn)業(yè)具有顯著帶動(dòng)作用 如果說(shuō)Internet構(gòu)成了邏輯上的虛擬數(shù)字世界 改變了人與人之間的溝通方式 那么無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的數(shù)字世界與客觀上的物理世界融合在一起 改變?nèi)祟?lèi)與自然界的交互方式 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測(cè) 控制以及無(wú)線(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比較 它具有如下特點(diǎn) 1 節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大 上千甚至上萬(wàn) 節(jié)點(diǎn)分布更為密集 2 由于環(huán)境影響和存在能量耗盡問(wèn)題 節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障 3 環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化 4 通常情況下 大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的 5 傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量 處理能力 存儲(chǔ)能力和通信能力等都十分有限 因此 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效利用 主要涉及節(jié)能 定位 時(shí)間同步等關(guān)鍵技術(shù) 這也是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一 2 4應(yīng)用層 2 4 1應(yīng)用層的功能應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力和目的 應(yīng)用層的主要功能是把感知和傳輸來(lái)的信息進(jìn)行分析和處理 做出正確的控制和決策 實(shí)現(xiàn)智能化的管理 應(yīng)用和服務(wù) 這一層解決的是信息處理和人機(jī)界面的問(wèn)題 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可分為監(jiān)控型 物流監(jiān)控 污染監(jiān)控 查詢(xún)型 智能檢索 遠(yuǎn)程抄表 控制性 智能交通 智能家居 路燈控制 和掃描型 手機(jī)錢(qián)包 高速公路不停車(chē)收費(fèi) 等 目前 軟件開(kāi)發(fā) 智能控制技術(shù)發(fā)展迅速 應(yīng)用層技術(shù)會(huì)為用戶(hù)提供豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 同時(shí) 各種行業(yè)和家庭應(yīng)用的開(kāi)發(fā)會(huì)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的普及 也會(huì)給整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)利潤(rùn) 2 4 2應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層能夠?yàn)橛脩?hù)提供豐富多彩的業(yè)務(wù)體驗(yàn) 然而 如何合理 高效地處理從網(wǎng)絡(luò)層傳來(lái)的海量數(shù)據(jù) 并從中提取有效信息 是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題 下面將對(duì)應(yīng)用層的M2M 用于處理海量數(shù)據(jù)的云計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹 1 M2MM2M是Machine to Machine 機(jī)器對(duì)機(jī)器 的縮寫(xiě) 根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景 往往也被解釋為Man to Machine 人對(duì)機(jī)器 Machine to Man 機(jī)器對(duì)人 Mobile to Machine 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器 Machine to Mobile 機(jī)器對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) Machine一般特指人造的機(jī)器設(shè)備 而物聯(lián)網(wǎng) InternetofThings 中的Things則是指更抽象的物體 范圍更廣 例如 樹(shù)木和動(dòng)物屬于Things 可以被感知 被標(biāo)記 屬于物聯(lián)網(wǎng)的研究范疇 但它們不是Machine 不是人為事物 冰箱則屬于Machine 同時(shí)也是一種Things 所以 M2M可以看做是物聯(lián)網(wǎng)的子集或應(yīng)用 M2M是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)普遍的應(yīng)用形式 是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的第一步 M2M業(yè)務(wù)現(xiàn)階段通過(guò)結(jié)合通信技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù)和軟件智能處理技術(shù) 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器設(shè)備信息的自動(dòng)獲取和自動(dòng)控制 這個(gè)階段通信的對(duì)象主要是機(jī)器設(shè)備 尚未擴(kuò)展到任何物品 在通信過(guò)程中 也以使用離散的終端節(jié)點(diǎn)為主 并且 M2M的平臺(tái)也不等于物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的平臺(tái) 它只解決了物與物的通信 解決不了物聯(lián)網(wǎng)智能化的應(yīng)用 所以 隨著軟件的發(fā)展 特別是應(yīng)用軟件和中間件軟件的發(fā)展 M2M平臺(tái)可以逐漸過(guò)渡到物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用平臺(tái)上 M2M將多種不同類(lèi)型的通信技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起 將數(shù)據(jù)從一臺(tái)終端傳送到另一臺(tái)終端 也就是機(jī)器與機(jī)器的對(duì)話(huà) M2M技術(shù)綜合了數(shù)據(jù)采集 GPS 遠(yuǎn)程監(jiān)控 電信 工業(yè)控制等技術(shù) 可以在安全監(jiān)測(cè) 自動(dòng)抄表 機(jī)械服務(wù) 維修業(yè)務(wù) 自動(dòng)售貨機(jī) 公共交通系統(tǒng) 車(chē)隊(duì)管理 工業(yè)流程自動(dòng)化 電動(dòng)機(jī)械 城市信息化等環(huán)境中運(yùn)行并提供廣泛的應(yīng)用和解決方案 M2M技術(shù)的目標(biāo)就是使所有機(jī)器設(shè)備都具備聯(lián)網(wǎng)和通信能力 其核心理念就是網(wǎng)絡(luò)一切 NetworkEverything 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 越來(lái)越多的設(shè)備具有了通信和聯(lián)網(wǎng)能力 網(wǎng)絡(luò)一切逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí) M2M技術(shù)具有非常重要的意義 有著廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用 會(huì)推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)方式和生活方式的新一輪變革 2 云計(jì)算云計(jì)算 CloudComputing 是分布式計(jì)算 DistributedComputing 并行計(jì)算 ParallelComputing 和網(wǎng)格計(jì)算 GridComputing 的發(fā)展 或者說(shuō)是這些計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn) 云計(jì)算通過(guò)共享基礎(chǔ)資源 硬件 平臺(tái) 軟件 的方法 將巨大的系統(tǒng)池連接在一起以提供各種IT服務(wù) 這樣企業(yè)與個(gè)人用戶(hù)無(wú)需再投入昂貴的硬件購(gòu)置成本 只需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)租賃計(jì)算力等資源 用戶(hù)可以在多種場(chǎng)合 利用各類(lèi)終端 通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入云計(jì)算平臺(tái)來(lái)共享資源 云計(jì)算涵蓋的業(yè)務(wù)范圍一般有狹義和廣義之分 狹義云計(jì)算指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需 易擴(kuò)展的方式獲得所需的資源 硬件 平臺(tái) 軟件 提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為 云 云 中的資源在使用者看來(lái)是可以無(wú)限擴(kuò)展的 并且可以隨時(shí)獲取 按需使用 隨時(shí)擴(kuò)展 按使用付費(fèi) 這種特性經(jīng)常被稱(chēng)為像水電一樣使用的IT基礎(chǔ)設(shè)施 廣義云計(jì)算指服務(wù)的交付和使用模式 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以按需 易擴(kuò)展的方式獲得所需的服務(wù) 這種服務(wù)可以是與IT和軟件 互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的 也可以使用任意其他的服務(wù) 云計(jì)算具有強(qiáng)大的處理能力 存儲(chǔ)能力 帶寬和極高的性?xún)r(jià)比 可以有效用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和業(yè)務(wù) 也是應(yīng)用層能提供眾多服務(wù)的基礎(chǔ) 它可以為各種不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供統(tǒng)一的服務(wù)交付平臺(tái) 可以為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供海量的計(jì)算和存儲(chǔ)資源 還可以提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和數(shù)據(jù)處理方法 利用云計(jì)算可大大簡(jiǎn)化應(yīng)用的交付過(guò)程 降低交付成本 并能提高處理效率 同時(shí) 物聯(lián)網(wǎng)也將成為云計(jì)算最大的用戶(hù) 促使云計(jì)算取得更大的商業(yè)成功 3 人工智能人工智能 ArtificialIntelligence 是探索 研究使各種機(jī)器模擬人的某些思維過(guò)程和智能行為 如學(xué)習(xí) 推理 思考 規(guī)劃等 使人類(lèi)的智能得以物化與延伸的一門(mén)學(xué)科 目前對(duì)人工智能的定義大多可劃分為四類(lèi) 即機(jī)器 像人一樣思考 像人一樣行動(dòng) 理性地思考 和 理性地行動(dòng) 人工智能企圖了解智能的實(shí)質(zhì) 并生產(chǎn)出一種新的能以與人類(lèi)智能相似的方式作出反應(yīng)的智能機(jī)器 該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人 語(yǔ)言識(shí)別 圖像識(shí)別 自然語(yǔ)言處理和專(zhuān)家系統(tǒng)等 目前主要的方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)化計(jì)算和粒度計(jì)算三種 在物聯(lián)網(wǎng)中 人工智能技術(shù)主要負(fù)責(zé)分析物品所承載的信息內(nèi)容 從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理 人工智能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于 大大改善操作者作業(yè)環(huán)境 減輕工作強(qiáng)度 提高作業(yè)質(zhì)量和工作效率 一些危險(xiǎn)場(chǎng)合或重點(diǎn)施工應(yīng)用得到解決 環(huán)保 節(jié)能 提高機(jī)器的自動(dòng)化程度及智能化水平 提高設(shè)備的可靠性 降低維護(hù)成本 實(shí)現(xiàn)故障診斷的智能化等 4 數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘 DataMining 是從大量的 不完全的 有噪