第章物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)教程》

第2章物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)

學(xué)習(xí)任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)

案例:上海嘉定物聯(lián)網(wǎng)工程示范項(xiàng)目123本章主要涉及：2.1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)從物聯(lián)網(wǎng)的功能上來(lái)說，應(yīng)該具備四個(gè)特征：一是全面感知能力，可以利用RFID、傳感器、二維條形碼等獲取被控/被測(cè)物體的信息;二是數(shù)據(jù)信息的可靠傳遞，可以通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去;2.1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)三是可以智能處理，利用現(xiàn)代控制技術(shù)提供的智能計(jì)算方法，對(duì)大量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化的控制。四是可以根據(jù)各個(gè)行業(yè)、各種業(yè)務(wù)的具體特點(diǎn)形成各種單獨(dú)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，或者整個(gè)行業(yè)及系統(tǒng)的建成應(yīng)用解決方案。2.1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)2.1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

而按照更為科學(xué)及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋硎?，物?lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)分成:①感知識(shí)別層②網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層③管理服務(wù)層④綜合應(yīng)用層2.1.1感知識(shí)別層感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，RFID技術(shù)、傳感和控制技術(shù)、短距離無(wú)線通信技術(shù)是感知層的主要技術(shù)。例如張貼安裝在設(shè)備上的RFID標(biāo)簽和用來(lái)識(shí)別RFID信息的掃描儀、感應(yīng)器都屬于物聯(lián)網(wǎng)的感知層?，F(xiàn)在的高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)、超市倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)等都是基于這一類結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)。2.1.1感知識(shí)別層感知層由傳感器節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)關(guān)組成，智能節(jié)點(diǎn)感知信息（溫度、濕度、圖像等），并自行組網(wǎng)傳遞到上層網(wǎng)關(guān)接入點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)將收集到的感應(yīng)信息通過網(wǎng)絡(luò)層提交到后臺(tái)處理。當(dāng)后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)處理完畢，發(fā)送執(zhí)行命令到相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)被控/被測(cè)對(duì)象的控制參數(shù)調(diào)整或發(fā)出某種提示信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控。2.1.1感知識(shí)別層由傳感器組成的感知結(jié)構(gòu)

2.1.2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層在物聯(lián)網(wǎng)四層模型中連接感知識(shí)別層和管理服務(wù)層，具有強(qiáng)大的紐帶作用，高效、穩(wěn)定、及時(shí)、安全地傳輸上下層的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層存在各種網(wǎng)絡(luò)形式，通常使用的網(wǎng)絡(luò)形式有如下幾種：網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層①互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)：互聯(lián)網(wǎng)/電信網(wǎng)是是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的核心心網(wǎng)絡(luò)、、平臺(tái)和和技術(shù)支支持。IPv6的使用掃掃清了可可接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的終終端設(shè)備備在數(shù)量量上的限限制。②無(wú)線寬帶帶網(wǎng)：WiFi/WiMAX等無(wú)線寬寬帶技術(shù)術(shù)的覆蓋蓋范圍較較廣，傳傳輸速度度較快，，為物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)提供供高速可可靠廉價(jià)價(jià)且不受受接入設(shè)設(shè)備位置置限制的的互聯(lián)手手段。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層③無(wú)線線低速網(wǎng)網(wǎng)：ZigBee/藍(lán)牙/紅外等低低速網(wǎng)絡(luò)絡(luò)協(xié)議能能夠適應(yīng)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)中能力力較低的的節(jié)點(diǎn)的的低速率率、低通通信半徑徑、低計(jì)計(jì)算能力力和低能能量來(lái)源源等特征征。④移動(dòng)動(dòng)通信網(wǎng)網(wǎng)：移動(dòng)通信信網(wǎng)絡(luò)將將成為““全面、、隨時(shí)、、隨地””傳輸信信息的有有效平臺(tái)臺(tái)。高速速、實(shí)時(shí)時(shí)、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。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建層管理服務(wù)務(wù)層管理服務(wù)務(wù)層位于于感知識(shí)識(shí)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，，人們通通常把物物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)應(yīng)用冠以以“智能””的名稱稱，如智智能電網(wǎng)網(wǎng)、智能能交通、、智能物物流等，，其中的的智慧就就來(lái)自這這一層。。當(dāng)感知識(shí)識(shí)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，管理理服務(wù)層層解決數(shù)數(shù)據(jù)如何何存儲(chǔ)（（數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)與海量量存儲(chǔ)技技術(shù)）、、如何檢檢索（搜搜索引擎擎）、如如何使用用（數(shù)據(jù)據(jù)挖掘與與機(jī)器學(xué)學(xué)習(xí)）、、如何不不被濫用用（數(shù)據(jù)據(jù)安全與與隱私保保護(hù)）等等問題。。管理服務(wù)務(wù)層1.數(shù)據(jù)庫(kù)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)點(diǎn)是海量量性，多多態(tài)性，，關(guān)聯(lián)性性及語(yǔ)義義性。適適應(yīng)這種種需求，，在物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)中主主要使用用的是關(guān)關(guān)系數(shù)據(jù)據(jù)庫(kù)和新新興數(shù)據(jù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)統(tǒng)。①關(guān)系系數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)系統(tǒng)作作為一項(xiàng)項(xiàng)有著近近半個(gè)世世紀(jì)歷史史的數(shù)據(jù)據(jù)處理技技術(shù)，仍仍可在物物聯(lián)網(wǎng)中中使用，，為物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)運(yùn)行提供供支撐。。②新興興數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)系統(tǒng)（（NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)））針對(duì)非非關(guān)系型型、分布布式的數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)儲(chǔ)，并不不要求數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)具具有確定定的表模模式，通通過避免免連接操操作提升升數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)性能。。管理服務(wù)務(wù)層2.海量信息息存儲(chǔ)海量信息息存儲(chǔ)早早期采用用大型服服務(wù)器存存儲(chǔ)，基基本都是是以服務(wù)務(wù)器為中中心的處處理模式式，使用用直連存存儲(chǔ)（DAS，DirectAttachedStorage），存儲(chǔ)儲(chǔ)設(shè)備（（包括磁磁盤陣列列，磁帶帶庫(kù)，光光盤庫(kù)等等）作為為服務(wù)器器的外設(shè)設(shè)使用。。管理服務(wù)務(wù)層隨著網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù)的的發(fā)展，，服務(wù)器器之間交交換數(shù)據(jù)據(jù)或向磁磁盤庫(kù)等等存儲(chǔ)設(shè)設(shè)備備份份時(shí)，都都是通過過局域網(wǎng)網(wǎng)進(jìn)行，，這是主主要應(yīng)用用網(wǎng)絡(luò)附附加存儲(chǔ)儲(chǔ)（NAS，NetworkAttachedStorage）技術(shù)來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)儲(chǔ)，但這將占占用大量量的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)開銷，，嚴(yán)重影影響網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的整體體性能。。管理服務(wù)務(wù)層為了能夠夠共享打打容量，，高速度度存儲(chǔ)設(shè)設(shè)備，并并且不占占用局域域網(wǎng)資源源的海量量信息傳傳輸和備備份，就就需要專專用存儲(chǔ)儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)（SAN,StorageAreaNetwork）來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。管理服務(wù)務(wù)層3.數(shù)據(jù)中心心數(shù)據(jù)中心心不僅包包括計(jì)算算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)和配套套設(shè)備（（如通信信/存儲(chǔ)設(shè)備），，還包括冗余余的數(shù)據(jù)通信信連接/環(huán)境控制設(shè)備備/監(jiān)控設(shè)備及安安全裝置，是是一大型的系系統(tǒng)工程。通通過高度的安安全性和可靠靠性提供及時(shí)時(shí)持續(xù)的數(shù)據(jù)據(jù)服務(wù)，為物物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提提供良好的支支持。典型的數(shù)據(jù)中中心如Google/Hadoop數(shù)據(jù)中心。管理服務(wù)層4.搜索引擎Web搜索引擎是一一個(gè)能夠在合合理響應(yīng)時(shí)間間內(nèi)，根據(jù)用用戶的查詢關(guān)關(guān)鍵詞，返回回一個(gè)包含相相關(guān)信息的結(jié)結(jié)果列表（hitslist）服務(wù)的綜合合體。傳統(tǒng)的Web搜索引擎是基基于查詢關(guān)鍵鍵詞的，對(duì)于于相同的關(guān)鍵鍵詞，會(huì)得到到相同的查詢?cè)兘Y(jié)果。而物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代代的搜索引擎擎必須是從智智能物體角度度思考搜索引引擎與物體之之間的關(guān)系，，主動(dòng)識(shí)別物物體并提取有有用信息。從從用戶角度上上的多模態(tài)信信息利用，使使查詢結(jié)果更更精確，更智智能，更定制制化。管理服務(wù)層5.數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)術(shù)物聯(lián)網(wǎng)需要對(duì)對(duì)海量的數(shù)據(jù)據(jù)進(jìn)行更透徹徹的感知要求求對(duì)海量數(shù)據(jù)據(jù)多維度整合合與分析，更更深入的智能能化需要普適適性的數(shù)據(jù)搜搜索和服務(wù)，，需要從大量數(shù)數(shù)據(jù)中獲取潛潛在有用的且且可被人理解解的模式，基本類型有關(guān)關(guān)聯(lián)分析，聚聚類分析，演演化分析等。。這些需求都都使用了數(shù)據(jù)據(jù)挖掘技術(shù)。。管理服務(wù)層例如用于精準(zhǔn)準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以實(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境境數(shù)據(jù)，挖掘掘影響產(chǎn)量的的重要因素，，獲得產(chǎn)量最最大化配置方方式。而用于市場(chǎng)營(yíng)營(yíng)銷則可以通通過數(shù)據(jù)庫(kù)行行銷和貨籃分分析等方式獲獲取顧客購(gòu)物物取向和興趣趣。綜合應(yīng)用層傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)經(jīng)歷了以數(shù)據(jù)據(jù)為中心到以以人為中心的的轉(zhuǎn)化，典型型應(yīng)用包括文文件傳輸、電電子郵件、萬(wàn)萬(wàn)維網(wǎng)、電子子商務(wù)、視頻頻點(diǎn)播、在線線游戲和社交交網(wǎng)絡(luò)等；而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用用以“物”或者物物理世界為中中心，涵蓋物物品追蹤、環(huán)環(huán)境感知、智智能物流、智智能交通、智智能電網(wǎng)等等等。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)應(yīng)用目前正處處于快速增長(zhǎng)長(zhǎng)期，具有多多樣化、規(guī)模?；⑿袠I(yè)化化等特點(diǎn)。綜合應(yīng)用層①智能物流流：現(xiàn)代物流系統(tǒng)統(tǒng)希望利用信信息生成設(shè)備備，如RFID設(shè)備、感應(yīng)器器或全球定位位系統(tǒng)等種種種裝置與互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)來(lái)而形成的一一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，并能夠在在這個(gè)物聯(lián)化化的物流網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)智能能化的物流管管理。②智能交通通：通過在基礎(chǔ)設(shè)設(shè)施和交通工工具當(dāng)中廣泛泛應(yīng)用信息、、通訊技術(shù)來(lái)來(lái)提高交通運(yùn)運(yùn)輸系統(tǒng)的安安全性、可管管理性、運(yùn)輸輸效能同時(shí)降降低能源消耗耗和對(duì)地球環(huán)環(huán)境的負(fù)面影影響。綜合應(yīng)用層③綠色建筑筑：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為為綠色建筑帶帶來(lái)了新的力力量。通過建建立以節(jié)能為為目標(biāo)的建筑筑設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，將各種種設(shè)備和系統(tǒng)統(tǒng)融合在一起起，形成以智智能處理為中中心的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，，有效的為建建筑節(jié)能減排排提供有力的的支撐。④智能電網(wǎng)網(wǎng)：以先進(jìn)的通信信技術(shù)、傳感感器技術(shù)、信信息技術(shù)為基基礎(chǔ)，以電網(wǎng)網(wǎng)設(shè)備間的信信息交互為手手段，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的的可靠、安全全、經(jīng)濟(jì)、高高效、環(huán)境友友好和使用安安全為目的的的先進(jìn)的現(xiàn)代代化電力系統(tǒng)統(tǒng)。綜合應(yīng)用層⑤環(huán)境監(jiān)測(cè)測(cè)：通過對(duì)人類和和環(huán)境有影響響的各種物質(zhì)質(zhì)的含量、排排放量、以及及各種環(huán)境狀狀態(tài)參數(shù)的檢檢測(cè)，跟蹤環(huán)環(huán)境質(zhì)量的變變化，確定環(huán)環(huán)境質(zhì)量水平平，為環(huán)境管管理、污染治治理、防災(zāi)減減災(zāi)等工作提提供基礎(chǔ)信息息、方法指引引和質(zhì)量保證證。2.2未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)通過專業(yè)人員員對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體體系結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)長(zhǎng)期討論，目目前可以明確確以下幾點(diǎn)：：首先，未來(lái)的的物聯(lián)網(wǎng)需要要一個(gè)開放的的架構(gòu)來(lái)最大大限度的滿足足各種不同系系統(tǒng)和分布式式資源之間的的互操作性需需求。這些系統(tǒng)和資資源既可能是是來(lái)自于信息息和服務(wù)的提提供者，也可可能來(lái)自于信信息和服務(wù)的的使用者或者者客戶。2.2未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)其次，未來(lái)的的物聯(lián)網(wǎng)的架架構(gòu)還需要有有良好的、明明確定義的、、呈現(xiàn)為粒度度形式的層次次劃分。物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)構(gòu)技術(shù)應(yīng)該促促進(jìn)用戶豐富富的選擇權(quán)，，而不應(yīng)該將將用戶鎖定到到必須使用某某一家或者某某幾家大的、、處于壟斷地地位的解決方方案服務(wù)提供供商所發(fā)布的的各種應(yīng)用上上。2.2未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的架構(gòu)技術(shù)術(shù)需要設(shè)計(jì)為為可以抵御物物理網(wǎng)絡(luò)中各各種中斷以及及干擾的形式式，盡可能將將這些情況所所帶來(lái)的影響響降低到最小小程度。而且，未來(lái)的的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)構(gòu)還需要考慮慮到這樣一個(gè)個(gè)事實(shí)：即，，以后網(wǎng)絡(luò)中中的很多節(jié)點(diǎn)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備備將是移動(dòng)的的。2.2未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)最后，從對(duì)于于未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的架構(gòu)技術(shù)術(shù)來(lái)說，要理理解下列幾件件事情：第一，對(duì)于身身處未來(lái)物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)中的各種種節(jié)點(diǎn)，他們們中的大多數(shù)數(shù)將需要有能能力與其他節(jié)節(jié)點(diǎn)一起動(dòng)態(tài)態(tài)的、自主的的組建各式各各樣的本地或或者遠(yuǎn)程對(duì)等等網(wǎng)絡(luò)。2.2未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)第二，可以預(yù)預(yù)料到，未來(lái)來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)中中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)據(jù)將是海量的的。物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)構(gòu)技術(shù)一定要要同時(shí)支持移移動(dòng)的“智能”與、、自主的信息息過濾、自主主模式識(shí)別、、自主機(jī)器學(xué)學(xué)習(xí)以及自主主判斷決策能能力，要讓這這些能力能夠夠達(dá)到各種物物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的邊緣地帶帶，而無(wú)需考考慮數(shù)據(jù)是在在附近產(chǎn)生的的還是遠(yuǎn)程生生成的。2.2未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)第三，在未來(lái)來(lái)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程程中，我們要要一方面使得得基于事件的的處理、路由由、存儲(chǔ)、檢檢索以及引用用能力成為可可能，另一方面還要要允許這些能能力可以在離離線的、非連連接情況（比比如，那些網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接是時(shí)時(shí)斷時(shí)續(xù)的，，或者根本沒沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋蓋的地方）下下進(jìn)行操作。。2.3案