第章物聯(lián)網(wǎng)架構技術《物聯(lián)網(wǎng)技術基礎教程》

第2章物聯(lián)網(wǎng)架構技術

學習任務物聯(lián)網(wǎng)結構未來的物聯(lián)網(wǎng)架構技術

案例:上海嘉定物聯(lián)網(wǎng)工程示范項目123本章主要涉及：2.1物聯(lián)網(wǎng)結構從物聯(lián)網(wǎng)的功能上來說，應該具備四個特征：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)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去;2.1物聯(lián)網(wǎng)結構三是可以智能處理，利用現(xiàn)代控制技術提供的智能計算方法，對大量數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。四是可以根據(jù)各個行業(yè)、各種業(yè)務的具體特點形成各種單獨的業(yè)務應用，或者整個行業(yè)及系統(tǒng)的建成應用解決方案。2.1物聯(lián)網(wǎng)結構2.1物聯(lián)網(wǎng)結構

而按照更為科學及嚴謹?shù)谋硎?，物?lián)網(wǎng)結構應分成:①感知識別層②網(wǎng)絡構建層③管理服務層④綜合應用層2.1.1感知識別層感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應用的基礎，RFID技術、傳感和控制技術、短距離無線通信技術是感知層的主要技術。例如張貼安裝在設備上的RFID標簽和用來識別RFID信息的掃描儀、感應器都屬于物聯(lián)網(wǎng)的感知層。現(xiàn)在的高速公路不停車收費系統(tǒng)、超市倉儲管理系統(tǒng)等都是基于這一類結構的物聯(lián)網(wǎng)。2.1.1感知識別層感知層由傳感器節(jié)點接入網(wǎng)關組成，智能節(jié)點感知信息（溫度、濕度、圖像等），并自行組網(wǎng)傳遞到上層網(wǎng)關接入點，由網(wǎng)關將收集到的感應信息通過網(wǎng)絡層提交到后臺處理。當后臺對數(shù)據(jù)處理完畢，發(fā)送執(zhí)行命令到相應的執(zhí)行機構完成對被控/被測對象的控制參數(shù)調整或發(fā)出某種提示信號以實現(xiàn)對其的一個遠程監(jiān)控。2.1.1感知識別層由傳感器組成的感知結構

2.1.2網(wǎng)絡構建層網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)最重要的基礎設施之一。網(wǎng)絡構建層在物聯(lián)網(wǎng)四層模型中連接感知識別層和管理服務層，具有強大的紐帶作用，高效、穩(wěn)定、及時、安全地傳輸上下層的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡構建層存在各種網(wǎng)絡形式，通常使用的網(wǎng)絡形式有如下幾種：網(wǎng)絡構建建層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、、平臺和和技術支支持。IPv6的使用掃掃清了可可接入網(wǎng)網(wǎng)絡的終終端設備備在數(shù)量量上的限限制。②無線寬帶帶網(wǎng)：WiFi/WiMAX等無線寬寬帶技術術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價且不受受接入設設備位置置限制的的互聯(lián)手手段。網(wǎng)絡構建建層③無線線低速網(wǎng)網(wǎng)：ZigBee/藍牙/紅外等低低速網(wǎng)絡絡協(xié)議能能夠適應應物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)中能力力較低的的節(jié)點的的低速率率、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。④移動動通信網(wǎng)網(wǎng)：移動通信信網(wǎng)絡將將成為““全面、、隨時、、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。網(wǎng)絡構建建層網(wǎng)絡構建建層管理服務務層管理服務務層位于于感知識識別和網(wǎng)網(wǎng)絡構建建層之上上，綜合合應用層層之下，，人們通通常把物物聯(lián)網(wǎng)應應用冠以以“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自這這一層。。當感知識識別層生生成的大大量信息息經(jīng)過網(wǎng)網(wǎng)絡層傳傳輸匯聚聚到管理理服務層層，管理理服務層層解決數(shù)數(shù)據(jù)如何何存儲（（數(shù)據(jù)庫庫與海量量存儲技技術）、、如何檢檢索（搜搜索引擎擎）、如如何使用用（數(shù)據(jù)據(jù)挖掘與與機器學學習）、、如何不不被濫用用（數(shù)據(jù)據(jù)安全與與隱私保保護）等等問題。。管理服務務層1.數(shù)據(jù)庫物聯(lián)網(wǎng)數(shù)數(shù)據(jù)特點點是海量量性，多多態(tài)性，，關聯(lián)性性及語義義性。適適應這種種需求，，在物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)中主主要使用用的是關關系數(shù)據(jù)據(jù)庫和新新興數(shù)據(jù)據(jù)庫系統(tǒng)統(tǒng)。①關系系數(shù)據(jù)庫庫系統(tǒng)作作為一項項有著近近半個世世紀歷史史的數(shù)據(jù)據(jù)處理技技術，仍仍可在物物聯(lián)網(wǎng)中中使用，，為物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的運運行提供供支撐。。②新興興數(shù)據(jù)庫庫系統(tǒng)（（NoSQL數(shù)據(jù)庫））針對非非關系型型、分布布式的數(shù)數(shù)據(jù)存儲儲，并不不要求數(shù)數(shù)據(jù)庫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)庫庫性能。。管理服務務層2.海量信息息存儲海量信息息存儲早早期采用用大型服服務器存存儲，基基本都是是以服務務器為中中心的處處理模式式，使用用直連存存儲（DAS，DirectAttachedStorage），存儲儲設備（（包括磁磁盤陣列列，磁帶帶庫，光光盤庫等等）作為為服務器器的外設設使用。。管理服務務層隨著網(wǎng)絡絡技術的的發(fā)展，，服務器器之間交交換數(shù)據(jù)據(jù)或向磁磁盤庫等等存儲設設備備份份時，都都是通過過局域網(wǎng)網(wǎng)進行，，這是主主要應用用網(wǎng)絡附附加存儲儲（NAS，NetworkAttachedStorage）技術來來實現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡存儲儲，但這將占占用大量量的網(wǎng)絡絡開銷，，嚴重影影響網(wǎng)絡絡的整體體性能。。管理服務務層為了能夠夠共享打打容量，，高速度度存儲設設備，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儲區(qū)域網(wǎng)網(wǎng)絡（SAN,StorageAreaNetwork）來實現(xiàn)現(xiàn)。管理服務務層3.數(shù)據(jù)中心心數(shù)據(jù)中心心不僅包包括計算算機系統(tǒng)統(tǒng)和配套套設備（（如通信信/存儲設備），，還包括冗余余的數(shù)據(jù)通信信連接/環(huán)境控制設備備/監(jiān)控設備及安安全裝置，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時持續(xù)的數(shù)據(jù)據(jù)服務，為物物聯(lián)網(wǎng)應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。管理服務層4.搜索引擎Web搜索引擎是一一個能夠在合合理響應時間間內，根據(jù)用用戶的查詢關關鍵詞，返回回一個包含相相關信息的結結果列表（hitslist）服務的綜合合體。傳統(tǒng)的Web搜索引擎是基基于查詢關鍵鍵詞的，對于于相同的關鍵鍵詞，會得到到相同的查詢詢結果。而物聯(lián)網(wǎng)時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系，，主動識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，使使查詢結果更更精確，更智智能，更定制制化。管理服務層5.數(shù)據(jù)挖掘技術術物聯(lián)網(wǎng)需要對對海量的數(shù)據(jù)據(jù)進行更透徹徹的感知要求求對海量數(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，，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，基本類型有關關聯(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。。管理服務層例如用于精準準農業(yè)可以實實時監(jiān)測環(huán)境境數(shù)據(jù)，挖掘掘影響產量的的重要因素，，獲得產量最最大化配置方方式。而用于市場營營銷則可以通通過數(shù)據(jù)庫行行銷和貨籃分分析等方式獲獲取顧客購物物取向和興趣趣。綜合應用層傳統(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化，典型型應用包括文文件傳輸、電電子郵件、萬萬維網(wǎng)、電子子商務、視頻頻點播、在線線游戲和社交交網(wǎng)絡等；而物聯(lián)網(wǎng)應用用以“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)應應用目前正處處于快速增長長期，具有多多樣化、規(guī)模?；?、行業(yè)化化等特點。綜合應用層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備備，如RFID設備、感應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)結合起來來而形成的一一個巨大網(wǎng)絡絡，并能夠在在這個物聯(lián)化化的物流網(wǎng)絡絡中實現(xiàn)智能能化的物流管管理。②智能交通通：通過在基礎設設施和交通工工具當中廣泛泛應用信息、、通訊技術來來提高交通運運輸系統(tǒng)的安安全性、可管管理性、運輸輸效能同時降降低能源消耗耗和對地球環(huán)環(huán)境的負面影影響。綜合應用層③綠色建筑筑：物聯(lián)網(wǎng)技術為為綠色建筑帶帶來了新的力力量。通過建建立以節(jié)能為為目標的建筑筑設備監(jiān)控網(wǎng)網(wǎng)絡，將各種種設備和系統(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)：以先進的通信信技術、傳感感器技術、信信息技術為基基礎，以電網(wǎng)網(wǎng)設備間的信信息交互為手手段，以實現(xiàn)現(xiàn)電網(wǎng)運行的的可靠、安全全、經(jīng)濟、高高效、環(huán)境友友好和使用安安全為目的的的先進的現(xiàn)代代化電力系統(tǒng)統(tǒng)。綜合應用層⑤環(huán)境監(jiān)測測：通過對人類和和環(huán)境有影響響的各種物質質的含量、排排放量、以及及各種環(huán)境狀狀態(tài)參數(shù)的檢檢測，跟蹤環(huán)環(huán)境質量的變變化，確定環(huán)環(huán)境質量水平平，為環(huán)境管管理、污染治治理、防災減減災等工作提提供基礎信息息、方法指引引和質量保證證。2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構技術通過專業(yè)人員員對物聯(lián)網(wǎng)體體系結構的長長期討論，目目前可以明確確以下幾點：：首先，未來的的物聯(lián)網(wǎng)需要要一個開放的的架構來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自于信息息和服務的提提供者，也可可能來自于信信息和服務的的使用者或者者客戶。2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構技術其次，未來的的物聯(lián)網(wǎng)的架架構還需要有有良好的、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)的架構構技術應該促促進用戶豐富富的選擇權，，而不應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提供供商所發(fā)布的的各種應用上上。2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構技術同時，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的架構技術術需要設計為為可以抵御物物理網(wǎng)絡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的影響響降低到最小小程度。而且，未來的的物聯(lián)網(wǎng)架構構還需要考慮慮到這樣一個個事實：即，，以后網(wǎng)絡中中的很多節(jié)點點和網(wǎng)絡設備備將是移動的的。2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構技術最后，從對于于未來物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的架構技術術來說，要理理解下列幾件件事情：第一，對于身身處未來物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)中的各種種節(jié)點，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)點一起動態(tài)態(tài)的、自主的的組建各式各各樣的本地或或者遠程對等等網(wǎng)絡。2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構技術第二，可以預預料到，未來來的物聯(lián)網(wǎng)中中產生的數(shù)據(jù)據(jù)將是海量的的。物聯(lián)網(wǎng)的架構構技術一定要要同時支持移移動的“智能”與、、自主的信息息過濾、自主主模式識別、、自主機器學學習以及自主主判斷決策能能力，要讓這這些能力能夠夠達到各種物物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)絡絡的邊緣地帶帶，而無需考考慮數(shù)據(jù)是在在附近產生的的還是遠程生生成的。2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)架構技術第三，在未來來物聯(lián)網(wǎng)架構構的設計過程程中，我們要要一方面使得得基于事件的的處理、路由由、存儲、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)絡連接是時時斷時續(xù)的，，或者根本沒沒有網(wǎng)絡覆蓋蓋的地方）下下進行操作。。2.3案