物聯(lián)網(wǎng)編程概述

第1章物聯(lián)網(wǎng)編程概述本章內(nèi)容容1.1起源與發(fā)發(fā)展1.2核心技術(shù)術(shù)1.3應(yīng)用前景景什么是物物聯(lián)網(wǎng)？？物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的概念念是如何何產(chǎn)生的的？1.1歷史進程程2009“感知中國國”2008IBM“智慧地球”2005國際電信信聯(lián)盟《ITU互聯(lián)網(wǎng)報報告2005：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)》，指出無無所不在在的“物物聯(lián)網(wǎng)””通信時時代即將將來臨1995BillGates《未來之路路》物物互聯(lián)聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)的的基本思思想出現(xiàn)現(xiàn)于20世紀90年代1.1歷史進程程：主線線復(fù)雜，，來源不不單一RFID1999年，美國國麻省理理工學院院（MIT）Auto-ID中心，提提出EPC系統(tǒng)及物物聯(lián)網(wǎng)概概念普適計算算（PervasiveComputing）感知與互互聯(lián)嵌入式系系統(tǒng)20世紀90年代末，，傳感網(wǎng)網(wǎng)起步2006年，NSFworkshoponCPS(Cyber-PhysicalSystems)信息-物理融合合系統(tǒng)什么是物物聯(lián)網(wǎng)？？概念的提提出Incomputing,,theInternetofThingsreferstoanetworkofobjects,,suchashouseholdappliances..Itisoftenaself-configuringwirelessnetwork.TheconceptoftheinternetofthingsisattributedtotheoriginalAuto-IDCenter,,foundedin1999andbasedatthetimeinMIT.物聯(lián)網(wǎng)實際是中中國人的的發(fā)明，，整合了了美國CPS((Cyber--PhysicalSystems)、歐盟IoT（InternetofThings))和日本U-Japan等概念。。是一個基基于互聯(lián)網(wǎng)、、傳統(tǒng)電電信網(wǎng)等信息載載體，讓讓所有能能被獨立立尋址的的普通物理理對象實現(xiàn)互聯(lián)聯(lián)互通的的網(wǎng)絡(luò)。。普通對象象設(shè)備化化，自治終端端互聯(lián)化化和普適服務(wù)務(wù)智能化化是其三個個重要特特征。本章內(nèi)容容1.1起源與發(fā)發(fā)展1.2核心技術(shù)術(shù)1.3應(yīng)用前景景根據(jù)信息息生成、、傳輸、、處理和和應(yīng)用將將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)分為感感知識別別層、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層、管管理服務(wù)務(wù)層和綜綜合應(yīng)用用層。1.2核心技術(shù)術(shù)：感知知識別層層核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層1.2核心技術(shù)術(shù)：感知知識別層層核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層通過感知知識別技技術(shù)，讓讓物品““開口說說話、發(fā)發(fā)布信息息”是融融合物理理世界和和信息世世界的重重要一環(huán)環(huán)，是物物聯(lián)網(wǎng)區(qū)區(qū)別于其其他網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的最獨特的部分。。物聯(lián)網(wǎng)的的“觸手手”是位位于感知知識別層層的大量量信息生成成設(shè)備，既包括括采用自自動生成成方式的的RFID、傳感器器、定位位系統(tǒng)等等，也包包括采用用人工生生成方式式的各種種智能設(shè)設(shè)備，例例如智能手機機、PDA、多媒體體播放器器、上網(wǎng)網(wǎng)本、筆筆記本電電腦等等等。信息生成成方式多多樣化是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的重要要特征之之一。感知識別別層位于于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)四層模模型的最最底端，，是所有有上層結(jié)結(jié)構(gòu)的基基礎(chǔ)。核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層技術(shù)舉例例：RFID基本組成成：工業(yè)界經(jīng)經(jīng)常將RFID系統(tǒng)分為為標簽，，閱讀器器和天線線三大組組件。工作原理理：閱讀器通通過天線線發(fā)送電電子信號號，標簽簽接收到到信號后后發(fā)射內(nèi)內(nèi)部存儲儲的標識識信息，，閱讀器器再通過過天線接接收并識識別標簽簽發(fā)回的的信息，，最后閱閱讀器再再將識別別結(jié)果發(fā)發(fā)送給主主機。技術(shù)舉例例：傳感感器網(wǎng)絡(luò)絡(luò)發(fā)展歷程程：傳感器→→無線傳傳感器→→無線傳傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（大大量微型型、低成成本、低低功耗的的傳感器器節(jié)點組組成的多多跳無線線網(wǎng)絡(luò)））應(yīng)用舉例例：VigilNet:美國弗吉吉尼亞大大學研制制的用于于軍事監(jiān)監(jiān)測的系系統(tǒng)。傳傳感節(jié)點點具有自主成網(wǎng)網(wǎng)，多跳傳輸輸?shù)忍攸c。。Mercury:美國哈佛佛大學研研制的可穿戴的的醫(yī)療監(jiān)監(jiān)控傳感器。。傳感器器具有設(shè)設(shè)計人性性化，高精度感感知，連續(xù)長期期采集數(shù)數(shù)據(jù)等特點。。GreenOrbs（綠野千千傳）：森林監(jiān)監(jiān)測傳感感網(wǎng)系統(tǒng)統(tǒng)，適用用于長期、大大規(guī)模、、自動化化的環(huán)境監(jiān)監(jiān)測任務(wù)務(wù)核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層技術(shù)舉例例：定位位系統(tǒng)位置信息息拓展：所在地理位置置+處在該地地理位置置的時間+處在該地地理位置置的對象（人或設(shè)設(shè)備）定位系統(tǒng)統(tǒng)與技術(shù)術(shù)：GPS，蜂窩基基站定位位，無線線室內(nèi)環(huán)環(huán)境定位位（紅外外線/.超聲波/藍牙），，新興定定位系統(tǒng)統(tǒng)（A-GPS/無線AP/網(wǎng)絡(luò)定位位）；距距離/距離差/無線信號號特征物聯(lián)網(wǎng)環(huán)環(huán)境下對對定位技技術(shù)的挑挑戰(zhàn)：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)、多變變環(huán)境下下的精準準定位大規(guī)模應(yīng)應(yīng)用基于位置置的服務(wù)務(wù)（LocationbasedServices）位置信息息帶來的的信息安安全和隱隱私保護護問題核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層技術(shù)舉例例：智能能信息設(shè)設(shè)備傳統(tǒng)智能能設(shè)備：：個人計算算機（PC）/個人數(shù)字字助理（（PDA）/…物聯(lián)網(wǎng)時時代新智智能設(shè)備備：數(shù)字標牌牌（實時時信息互互動）/智能電視視（具有有全功能能的互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)，個個性化體體驗）/智能手機機/…物聯(lián)網(wǎng)環(huán)環(huán)境下智智能設(shè)備備發(fā)展新新趨勢：：更深入的的智能化化：縱向（包包括傳統(tǒng)統(tǒng)的智能能設(shè)備））+縱向（融融入沒有有計算能能力的簡簡單物理理對象））更透徹的的感知：：主動感知知(部署傳感感器)+被動感知知(發(fā)出查詢詢請求)更全面的的互聯(lián)互互通：互聯(lián)互通通+信息共享享核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層1.2核心技術(shù)術(shù)：網(wǎng)絡(luò)絡(luò)構(gòu)建層層核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層1.2核心技術(shù)術(shù)：網(wǎng)絡(luò)絡(luò)構(gòu)建層層核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層網(wǎng)絡(luò)是物物聯(lián)網(wǎng)最最重要的的基礎(chǔ)設(shè)施施之一。物聯(lián)網(wǎng)的的網(wǎng)絡(luò)和和現(xiàn)有網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)有何何異同？？物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)是下一一代互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)嗎？？無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在物物聯(lián)網(wǎng)中中究竟扮扮演了什什么角色色？網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層在物物聯(lián)網(wǎng)四四層模型型中連接接感知識識別層和和管理服服務(wù)層，，具有強強大的紐帶作用，高高效、穩(wěn)穩(wěn)定、及及時、安安全地傳傳輸上下下層的數(shù)數(shù)據(jù)。各種網(wǎng)絡(luò)絡(luò)形式如如何應(yīng)用用于物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)？互聯(lián)網(wǎng)：IPv6掃清了可接入入網(wǎng)絡(luò)的的終端設(shè)設(shè)備在數(shù)量上的的限制?；ヂ?lián)網(wǎng)網(wǎng)/電信網(wǎng)是是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)絡(luò)、平臺和和技術(shù)支支持。無線寬帶帶網(wǎng)：WiFi/WiMAX等無線寬寬帶技術(shù)術(shù)覆蓋范范圍較廣廣，傳輸輸速度較較快，為為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)提供高速可靠靠廉價且不受接入設(shè)備備位置限制制的互聯(lián)手手段。無線低速速網(wǎng)：ZigBee//藍牙/紅外等低速網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議議能夠適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中中能力較低低的節(jié)點點的低速率率、低通通信半徑徑、低計計算能力力和低能能量來源源等特征征。移動通信信網(wǎng)：移動通通信網(wǎng)絡(luò)絡(luò)將成為為“全面、隨隨時、隨隨地”傳輸信信息的有有效平臺臺。高速速、實時時、高覆覆蓋率、、多元化化處理多多媒體數(shù)數(shù)據(jù)，為為“物品品觸網(wǎng)””創(chuàng)造條條件。1.2核心技術(shù)術(shù)：管理理服務(wù)層層核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層管理服務(wù)務(wù)層位于于感知識識別和網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層之上上，綜合合應(yīng)用層層之下，，是物聯(lián)網(wǎng)智智慧的源源泉。人們通通常把物物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)應(yīng)用冠以以“智能能”的名名稱，如如智能電電網(wǎng)、智智能交通通、智能能物流等等，其中中的智慧慧就來自自這一層層。當感知識識別層生生成的大大量信息息經(jīng)過網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層傳傳輸匯聚聚到管理理服務(wù)層層，如果果不能有有效地整整合與利利用，那那無異于于入寶山山而空返返，望““數(shù)據(jù)的的海洋””而興嘆嘆。管理服務(wù)務(wù)層解決決數(shù)據(jù)如何存儲儲（數(shù)據(jù)庫庫與海量量存儲技技術(shù)）、、如何檢索索（搜索引引擎）、、如何使用用（數(shù)據(jù)挖挖掘與機機器學習習）、如何不被被濫用（數(shù)據(jù)安安全與隱隱私保護護）等問問題。((大數(shù)據(jù)、、云計算算！)海量信息息存儲與與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層網(wǎng)絡(luò)存儲儲體系結(jié)結(jié)構(gòu)：直接附加加存儲（（DAS）網(wǎng)絡(luò)附加加存儲（（NAS）存儲區(qū)域域網(wǎng)絡(luò)（（SAN）困難：只能滿足足中等規(guī)規(guī)模商業(yè)業(yè)需求數(shù)據(jù)中心心不僅包括括計算機機系統(tǒng)和和配套設(shè)設(shè)備（如如通信/存儲設(shè)備備），還還包括冗冗余的數(shù)數(shù)據(jù)通信信連接/環(huán)境控制制設(shè)備/監(jiān)控設(shè)備備及安全全裝置，，是一大大型的系系統(tǒng)工程程。通過過高度的的安全性性和可靠靠性提供供及時持持續(xù)的數(shù)數(shù)據(jù)服務(wù)務(wù)，為物物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)應(yīng)用提供供良好的的支持。。典型的數(shù)數(shù)據(jù)中心心：Google//Hadoop搜索引擎擎與物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層情景（Context）搜索索：一個能夠夠在合理理響應(yīng)時時間內(nèi)，，根據(jù)用用戶的查查詢關(guān)鍵鍵詞和用用戶所在在的情景景，返回回包含相相關(guān)信息息的結(jié)果果列表（（hitslist）。傳統(tǒng)的搜搜索引擎擎是基于查查詢關(guān)鍵詞的，對于于相同的的關(guān)鍵詞詞，會得得到相同同的查詢詢結(jié)果。。物聯(lián)網(wǎng)時時代搜索索引擎的的新思考考從智能物物體角度度思考搜搜索引擎擎與物體體之間的的關(guān)系，，主動識識別物體體并提取取有用信信息。從用戶角角度上的的多模態(tài)態(tài)信息利利用，使使查詢結(jié)結(jié)果更精精確，更更智能，，更定制制化。物聯(lián)網(wǎng)的的智慧決決策核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層需求分析析：更透徹的的感知要要求對海海量數(shù)據(jù)據(jù)多維度度整合與與分析更深入的的智能化化需要普普適性的的數(shù)據(jù)搜搜索和服服務(wù)數(shù)據(jù)挖掘掘技術(shù)從大量數(shù)數(shù)據(jù)中獲獲取潛在在有用的的且可被被人理解解的模式式，基本本類型有有關(guān)聯(lián)分分析，聚聚類分析析，演化化分析等等。應(yīng)用舉例例：精準農(nóng)業(yè)業(yè)：實時監(jiān)監(jiān)測環(huán)境境數(shù)據(jù)，，挖掘影影響產(chǎn)量量的重要要因素，，獲得產(chǎn)產(chǎn)量最大大化配置置方式市場營銷銷：通過數(shù)數(shù)據(jù)庫行行銷和貨貨籃分析析等方式式獲取顧顧客購物物取向和和興趣信息安全全與隱私私保護核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層RFID安全主要安全全和隱私私隱患：：竊聽、跟跟蹤、中中間人攻攻擊、欺欺騙/重放/克隆、物物理破解解、篡改改信息、、拒絕服服務(wù)攻擊擊、RFID病毒…保護手段段：物理安全全機制/密碼學安安全機制制/PUF…位置隱私私定義：用戶對自自己位置置信息的的掌控能能力：用用戶能自自由決定定是否發(fā)發(fā)布位置置信息，，將信息息發(fā)布給給誰，通通過何種種方式來來發(fā)布，，以及發(fā)發(fā)布的信信息有多多詳細。。保護手段段：制度制約約、隱私私方針、、身份匿匿名、數(shù)數(shù)據(jù)混淆淆1.2核心技術(shù)術(shù)：綜合合應(yīng)用層層“實踐出出真知””，無論論任何技技術(shù)，應(yīng)應(yīng)用是決決定成敗敗的關(guān)鍵鍵。物聯(lián)網(wǎng)豐豐富的內(nèi)內(nèi)涵催生生出更加加豐富的的外延應(yīng)應(yīng)用。傳統(tǒng)互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)經(jīng)歷歷了以數(shù)數(shù)據(jù)為中中心到以以人為中中心的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化，典典型應(yīng)用用包括文文件傳輸輸、電子子郵件、、萬維網(wǎng)網(wǎng)、電子子商務(wù)、、視頻點點播、在在線游戲戲和社交交網(wǎng)絡(luò)等等；而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)應(yīng)用以““物”或或者物理理世界為為中心，涵蓋物物品追蹤蹤、環(huán)境境感知、、智能物物流、智智能交通通、智能能電網(wǎng)等等等。物物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)應(yīng)用目前前正處于于快速增增長期，，具有多多樣化、、規(guī)?；?、行業(yè)業(yè)化等特特點。核心技術(shù)術(shù)綜合應(yīng)用用層管理服務(wù)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層感知識別別層本章內(nèi)容容1.1起源與發(fā)發(fā)展1.2核心技術(shù)術(shù)1.3應(yīng)用前景景物聯(lián)網(wǎng)豐豐富的內(nèi)內(nèi)涵催生生出更加加豐富的的外延應(yīng)應(yīng)用。1.3物聯(lián)網(wǎng)的的應(yīng)用前前景智能物流流：現(xiàn)代物流流系統(tǒng)希希望利用用信息生生成設(shè)備備，如RFID設(shè)備、感感應(yīng)器或或全球定定位系統(tǒng)統(tǒng)等種種種裝置與與互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)結(jié)合起起來而形形成的一一個巨大大網(wǎng)絡(luò)，，并能夠夠在這個個物聯(lián)化化的物流流網(wǎng)絡(luò)中中實現(xiàn)智智能化的的物流管管理。智能交通通：通過在基基礎(chǔ)設(shè)施施和交通通工具當當中廣泛泛應(yīng)用信信息、通通訊技術(shù)術(shù)來提高高交通運運輸系統(tǒng)統(tǒng)的安全全性、可可管理性性、運輸輸效能同同時降低低能源消消耗和對對地球環(huán)環(huán)境的負負面影響響。綠色建筑筑：物聯(lián)網(wǎng)技