物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)

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