物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用：第2章 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

1、 第2章物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu) 概述2.1感知層 2.2小結(jié) 2.5網(wǎng)絡(luò)層 2.3應(yīng)用層 2.42.1 概述2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景 2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)需求分析 2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu) 2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景 物聯(lián)網(wǎng)是近年來(lái)的熱點(diǎn)，人人都在提物聯(lián)網(wǎng)，但物聯(lián)網(wǎng)到底是什么？究竟能做什么？本節(jié)將對(duì)幾種與普通用戶關(guān)系緊密的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行介紹。應(yīng)用場(chǎng)景一： 當(dāng)你早上拿車鑰匙出門上班，在電腦旁待命的感應(yīng)器檢測(cè)到之后就會(huì)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)起一系列事件，比如通過(guò)短信或者喇叭自動(dòng)播報(bào)今天的天氣，在電腦上顯示快捷通暢的開(kāi)車路徑并估算路上所花時(shí)間，同時(shí)通過(guò)短信或者即時(shí)聊天工具告知你的同事你將馬上到達(dá)等。應(yīng)用場(chǎng)景二

2、： 想象一下，聯(lián)網(wǎng)冰箱可以監(jiān)視冰箱里的食物，在我們?nèi)コ械臅r(shí)候，家里的冰箱會(huì)告訴我們?nèi)鄙傩┦裁?，也?huì)告訴我們食物什么時(shí)候過(guò)期。它還可以跟蹤常用的美食網(wǎng)站，為你收集食譜并在你的購(gòu)物單里添加配料。這種冰箱知道你喜歡吃什么東西，依據(jù)的是你給每頓飯做出的評(píng)分。它可以照顧你的身體，因?yàn)樗朗裁词澄飳?duì)你有好處。應(yīng)用場(chǎng)景三： 用戶開(kāi)通了家庭安防業(yè)務(wù)，可以通過(guò)PC或手機(jī)等終端遠(yuǎn)程查看家里的各種環(huán)境參數(shù)、安全狀態(tài)和視頻監(jiān)控圖像。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接入速度較快時(shí)，用戶可以看到一個(gè)以三維立體圖像顯示的家庭實(shí)景圖，并且采用警示燈等方式顯示危險(xiǎn)；用戶還可以通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)從不同的視角查看具體情況；在網(wǎng)絡(luò)接入速度較慢時(shí)，用戶可以通過(guò)一

3、個(gè)文本和簡(jiǎn)單的圖示觀察家庭安全狀態(tài)和危險(xiǎn)信號(hào)。 物聯(lián)網(wǎng)在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用豐富多彩 綜上所述，從體系架構(gòu)角度可以將物聯(lián)網(wǎng)支持的業(yè)務(wù)應(yīng)用可分為3類： （1）具備物理世界認(rèn)知能力的應(yīng)用。（2）在網(wǎng)絡(luò)融合基礎(chǔ)上的泛在化應(yīng)用。（3）基于應(yīng)用目標(biāo)的綜合信息服務(wù)應(yīng)用。2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)需求分析 “物聯(lián)網(wǎng)”概念的問(wèn)世，打破了之前的傳統(tǒng)思維。在“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代，鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)就是物理世界和數(shù)字世界的融合。 物聯(lián)網(wǎng)是為了打破地域限制，實(shí)現(xiàn)物物之間按需進(jìn)行的信息獲取、傳遞、存儲(chǔ)、融合、使用等服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。因此，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備如下3個(gè)能力 ：全面感知、可靠傳遞、智能處

4、理（1）全面感知：利用RFID、傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體的信息，包括用戶位置、周邊環(huán)境、個(gè)體喜好、身體狀況、情緒、環(huán)境溫度、濕度，以及用戶業(yè)務(wù)感受、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等。（2）可靠傳遞：通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)融合、業(yè)務(wù)融合、終端融合、運(yùn)營(yíng)管理融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去。（3）智能處理：利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)智能化控制。2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu) 目前在業(yè)界物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)也大致被公認(rèn)為有這三個(gè)層次，底層是用來(lái)感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，最上面則是內(nèi)容應(yīng)用層 。 感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官識(shí)別物體，采集信息。感知層包括二

5、維碼標(biāo)簽和識(shí)讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS等，主要作用是識(shí)別物體，采集信息，與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用相似。 網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦信息傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心和信息處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進(jìn)行傳遞和處理，類似于人體結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)中樞和大腦。 應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會(huì)分工”與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛智能化。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)行業(yè)智能化，這類似于人的社會(huì)分工，最終構(gòu)成人類社會(huì) 。2.2 感知層2.2.1 感知層功能 2.2.2 感知層關(guān)鍵技術(shù) 2.2.1 感知層功能 物聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，

6、從原有網(wǎng)絡(luò)用戶終端向“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。 物聯(lián)網(wǎng)感知層解決的就是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題。 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。 感知層一般包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)短距離傳輸兩部分 此處的短距離傳輸技術(shù)，尤指像藍(lán)牙、ZigBee這類傳輸距離小于100m，速率低于1Mbit/s的中低速無(wú)線短距離傳輸技術(shù)。2.2.2 感知層關(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)線或有線短距離傳輸技術(shù)等。

7、傳感器技術(shù) 計(jì)算機(jī)類似于人的大腦，而僅有大腦而沒(méi)有感知外界信息的“五官”顯然是不夠的，計(jì)算機(jī)也還需要它們的“五官”傳感器。 傳感器功能：傳輸 處理存儲(chǔ) 顯示記錄 控制 傳感器分類依據(jù)：物理量工作原理輸出信號(hào)的性質(zhì) 或是分為智能傳感器與一般傳感器 傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它是物聯(lián)網(wǎng)中不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要方法 RFID技術(shù) RFID是射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification）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是一

8、種能夠讓物品“開(kāi)口說(shuō)話”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)有線或無(wú)線的方式把它們自動(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)的組成：電子標(biāo)簽（Tag） 讀寫(xiě)器（Reader） 天線（Antenna） RFID技術(shù)的工作原理： 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)出射頻信號(hào) 憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），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

9、央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。 二維碼技術(shù) 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)。 技術(shù)原理： 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。 二維碼的優(yōu)勢(shì)：數(shù)據(jù)容量更大二維碼能在橫向和縱向兩個(gè)方位同時(shí)表達(dá)信息超越了字母數(shù)字的限制具有抗損毀能力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。 二維碼的特點(diǎn)：（1）高密度編碼，信息容量大：可容納多達(dá)1850個(gè)大寫(xiě)字母或2710

10、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約高幾十倍。 （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：比普通條碼譯碼錯(cuò)誤率百萬(wàn)分之二要低得多，誤碼率不超過(guò)千萬(wàn)分之一。（5）可引入加密措施：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。ZigBee技術(shù) ZigBee是一種短距離、低功耗的無(wú)線傳輸技

11、術(shù)，是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)，它是IEEE 802.15.4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3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。 應(yīng)用：短距離范圍數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)技術(shù)特點(diǎn)： 數(shù)據(jù)傳輸速率低 低功耗 成本低 網(wǎng)絡(luò)容量大 有效范圍小 工作頻段靈活 可靠性高 時(shí)延短 安全性高藍(lán)牙 藍(lán)牙（Bluetooth）是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與話音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范，和ZigBee一樣，是一種短距離的無(wú)線傳輸技術(shù)。 藍(lán)牙采用高速跳頻（Frequency Hopping）和時(shí)分多址（Time Division Mult

12、iple Access，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。 藍(lán)牙的技術(shù)特點(diǎn)：（1）同時(shí)可傳輸話音和數(shù)據(jù)（2）可以建立臨時(shí)性的對(duì)等連接（Ad hoc Connection)（3）開(kāi)放的接口標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙的應(yīng)用： 話音/數(shù)據(jù)接入 外圍設(shè)備互連 個(gè)人局域網(wǎng)（PAN） 2.3 網(wǎng)絡(luò)層2.3.1 網(wǎng)絡(luò)層功能 2.3.2 網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù) 2.3.1 網(wǎng)絡(luò)層功能 網(wǎng)絡(luò)層主要承擔(dān)著數(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)距離地傳輸問(wèn)題。 2.3.1 網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù) Internet 移動(dòng)通信

13、網(wǎng) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Internet 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，它將使物聯(lián)網(wǎng)無(wú)所不在、無(wú)處不在地深入社會(huì)每個(gè)角落。 移動(dòng)通信網(wǎng) 移動(dòng)通信網(wǎng)由無(wú)線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)三部分組成。無(wú)線接入網(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)。 移動(dòng)通信網(wǎng)為人與人之間通信、人與網(wǎng)絡(luò)之間的通信、物與物之間的通信提供服務(wù)。 在移動(dòng)通信網(wǎng)中，當(dāng)前比較熱門的接入技術(shù)有3G、Wi-Fi和WiMAX。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線傳感器網(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)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，從而

14、將各自采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(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。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)： 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 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 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 通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的 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2.4 應(yīng)用層2.4.1 應(yīng)用層功能 2.4.2 應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù) 2.4.1 應(yīng)用層功能 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

15、息處理和人機(jī)界面的問(wèn)題。 2.4.2 應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù) M2M云計(jì)算人工智能數(shù)據(jù)挖掘中間件M2M根據(jù)不同場(chǎng)景代表Machine-to-Machine Man-to-MachineMachine-to-ManMobile-to-MachineMachine-to-Mobile 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將多種不同類型的通信技術(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。 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（Network Everything）。云計(jì)算 云計(jì)算（Cloud Compu

16、ting）是分布式計(jì)算（Distributed Computing）、并行計(jì)算（Parallel Computing）和網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）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)。 用戶可以在多種場(chǎng)合，利用各類終端，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)接入云計(jì)算平臺(tái)來(lái)共享資源。 人工智能 人工智能（Artificial Intelligence）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），使人類的智能得以物化與延伸的一門學(xué)科。 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。 數(shù)據(jù)挖掘 數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的及隨機(jī)的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)中，挖掘出隱含的、未知的、對(duì)決策有潛