物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)概論（第2版）課件 第2章 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

第2章物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用》2.1本章的學(xué)習(xí)目標(biāo)1物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)概述2感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用3網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用4應(yīng)用層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用目錄CONTENTSPART012.2物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)概述2.2物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)概述2.2物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)概述1）感知層它好比是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，主要功能是識(shí)別物體、數(shù)據(jù)采集與感知，涉及傳感器、RFID射頻、定位、音視頻識(shí)別等技術(shù)。聽(tīng)覺(jué)嗅覺(jué)視覺(jué)觸覺(jué)味覺(jué)五官2.2物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)概述2）網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人的大腦和神經(jīng)中樞，主要負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。主要功能是把感知層獲取到的信息可靠、安全地進(jìn)行傳送。網(wǎng)絡(luò)層主要的功能就是實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由與控制，該層主要包含移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)以及衛(wèi)星等通信技術(shù)。2.2物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)概述3）應(yīng)用層它好比是物聯(lián)網(wǎng)的大腦，主要功能是支撐不同行業(yè)、不同應(yīng)用及不同系統(tǒng)之間的信息協(xié)同共享、以及各種行業(yè)應(yīng)用服務(wù)。PART022.3感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.3感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用感知層處于物聯(lián)網(wǎng)的底層，它是智能設(shè)備（物）與感知網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)集合體，在物體上加上電子標(biāo)簽或各種傳感器，可以讓它組成感知網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)電子標(biāo)簽可以賦予物體在感知網(wǎng)絡(luò)中的身份，通過(guò)各種傳感器可以獲取物體本身或所處環(huán)境的狀態(tài)信息，此外，還可以結(jié)合相關(guān)的執(zhí)行器設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)人與物之間的交互。感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的重要性1關(guān)聯(lián)著物聯(lián)網(wǎng)的生命周期2決定了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用價(jià)值3影響著物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍4關(guān)系著物聯(lián)網(wǎng)的安全2.3.1感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的重要性2.3感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.3.2感知層的功能描述感知層處于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)中的底層，其主要功能一般包括感知終端的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸兩部分。其工作流程一般先通過(guò)傳感器、RFID、GPS、攝像頭等感知設(shè)備獲取物理世界的數(shù)據(jù)，然后在通過(guò)藍(lán)牙、ZigBee、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、紅外線等通信技術(shù)進(jìn)行協(xié)同工作或?qū)?shù)據(jù)傳送至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、云平臺(tái)。2.3感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.3.2感知層的功能描述標(biāo)識(shí)技術(shù)1）感知層的主要關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)識(shí)技術(shù)是將物體接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，它讓物體在網(wǎng)絡(luò)中具有可是別的身份。傳感技術(shù)傳感技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，也是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭之一。傳感技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備就是傳感器。視頻技術(shù)視頻技術(shù)可看作是非接觸式的傳感技術(shù)，它可以從大量的視頻中提取關(guān)鍵信息和有價(jià)值的信息，為物聯(lián)網(wǎng)的感知能力提供了重要的補(bǔ)充。2.3感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.3.2感知層的功能描述1）感知層的相關(guān)硬件接口與通信協(xié)議—RS-232接口:2.3感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.3.2感知層的功能描述2）感知層的相關(guān)硬件接口與通信協(xié)議—RS-485接口:2.3.2感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.3.2感知層的功能描述3）感知層的相關(guān)硬件接口與通信協(xié)議—UART/USART接口:2.3感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.3.2感知層的功能描述4）感知層的相關(guān)硬件接口與通信協(xié)議—IIC/I2C接口:2.3.2感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.3.2感知層的功能描述5）感知層的相關(guān)硬件接口與通信協(xié)議—USB接口:2.3感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.3.2感知層的功能描述6）感知層的相關(guān)硬件接口與通信協(xié)議—SPI、QSPI接口:QSPI（QueuedSPI）隊(duì)列串行外設(shè)接口：該接口是SPI接口的擴(kuò)展，比SPI應(yīng)用更加廣泛。QSPI是在SPI協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)其增加了隊(duì)列傳輸機(jī)制，傳輸過(guò)程不需要CPU干預(yù)，極大的提高了傳輸效率。SPI2.3感知層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.3.2感知層的功能描述7）感知層的相關(guān)硬件接口與通信協(xié)議—CAN接口:CAN總線-以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器PART032.4網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.4網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中也起著非常重要的作用，它主要負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)的可靠傳輸與存儲(chǔ)工作。網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)中的重要性主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)中的重要性1網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)通信的基礎(chǔ)2物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景和規(guī)模大小是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的選擇依據(jù)3網(wǎng)絡(luò)層的安全性決定了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性2.4.1網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)中的重要性2.4網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.4.2網(wǎng)絡(luò)層的功能描述網(wǎng)絡(luò)層處于物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)的中間層，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)端系統(tǒng)（即感知端和應(yīng)用端）之間數(shù)據(jù)的透明傳輸。（1）物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的組成網(wǎng)絡(luò)層主要包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩部分，核心網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的骨干和核心，接入網(wǎng)是核心網(wǎng)絡(luò)與感知終端之間的通信網(wǎng)絡(luò)。2.4網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.4.2網(wǎng)絡(luò)層的功能描述（2）物聯(lián)網(wǎng)的連接技術(shù)指標(biāo)參數(shù)廣域網(wǎng)接入的主要協(xié)議局域網(wǎng)接入的主要協(xié)議2/3/4/5GeMTCNB-IOTLoRaSigfoxWi-FiZigBee藍(lán)牙覆蓋范圍1-10km1-10km1-10km1-10km1-10km20-200m100m20-200m傳輸速率170kbps~100Mbps1Mbps100kbps50kbps100kbps54Mbps20kbps~250kpbs1Mbps連接數(shù)<2萬(wàn)/小區(qū)<2萬(wàn)/小區(qū)<5萬(wàn)/小區(qū)1萬(wàn)1萬(wàn)約10個(gè)6.5萬(wàn)約7個(gè)待機(jī)時(shí)間數(shù)天/月10年10年3~5年10年1-5天2年數(shù)天/月授權(quán)頻譜是是是否否否否否優(yōu)勢(shì)高安全性、傳輸數(shù)據(jù)量大低功耗海量連接高速率可移動(dòng)高安全性低時(shí)延廣覆蓋低功耗低成本廣連接傳輸率低成本低技術(shù)簡(jiǎn)單應(yīng)用廣泛傳輸速率快低功耗自組網(wǎng)低復(fù)雜度可靠組網(wǎng)簡(jiǎn)單低功耗低延時(shí)安全缺點(diǎn)功耗高成本高模塊成本高協(xié)議復(fù)雜非授權(quán)頻段、數(shù)據(jù)傳輸量小非授權(quán)頻段、相對(duì)封閉設(shè)置麻煩功耗高成本高傳輸范圍小、速率低、時(shí)延不確定傳輸范圍小2.4網(wǎng)絡(luò)層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.4.2網(wǎng)絡(luò)層的功能描述（3）物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)的主要協(xié)議-IP協(xié)議PART042.5應(yīng)用層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.5應(yīng)用層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層要處理的兩個(gè)核心問(wèn)題就是數(shù)據(jù)和應(yīng)用。2.5.1應(yīng)用層在物聯(lián)網(wǎng)中的重要性從數(shù)據(jù)上看：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層需要將接收到的感知層采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、分析、處理以及實(shí)時(shí)管理，隨時(shí)隨地為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)提供這些數(shù)據(jù)并供其使用。從應(yīng)用上看：?jiǎn)渭兲峁?shù)據(jù)的管理和處理還不夠，還需要將這些數(shù)據(jù)和各種實(shí)際的事務(wù)進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，大數(shù)據(jù)內(nèi)容與各種事務(wù)的具體內(nèi)容緊密關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與具體物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用相結(jié)合。2.5應(yīng)用層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.5.2應(yīng)用層的功能描述（1）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的結(jié)構(gòu)中間件云計(jì)算與大數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在各個(gè)垂直行業(yè)和應(yīng)用場(chǎng)景，用戶通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)可以與物理世界中的事物進(jìn)行交互的系統(tǒng)，它也是物與物、人與物、人與人之間交流的橋梁。云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)可以為物聯(lián)網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)和分析。物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)是一種介于物聯(lián)網(wǎng)硬件和應(yīng)用軟件之間的技術(shù)，它是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的重要軟件組成部分，可以向下進(jìn)行集成處理，向上直接為系統(tǒng)軟件提供數(shù)據(jù)等資源，能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供統(tǒng)一封裝的公共能力。2.5應(yīng)用層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.5.2應(yīng)用層的功能描述（2）典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議服務(wù)器與本地瀏覽器之間的超文本傳輸協(xié)議2.5應(yīng)用層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.5.2應(yīng)用層的功能描述（2）典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議MQTT是也是一個(gè)基于客戶端/服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱（Publish/Subscribe）傳輸協(xié)議，該協(xié)議的特點(diǎn)是輕量、簡(jiǎn)單、開(kāi)放和易于實(shí)現(xiàn)2.5應(yīng)用層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.5.2應(yīng)用層的功能描述（2）典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議Modbus協(xié)議屬于應(yīng)用層通信協(xié)議，它是一種串行通信協(xié)議，最初是為了使用可編程邏輯控制器（PLC）而設(shè)計(jì)，能夠讓不同廠商的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行集中控制。2.5應(yīng)用層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.5.2應(yīng)用層的功能描述（2）典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議CoAP協(xié)議是用于受約束設(shè)備的專(zhuān)用互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用協(xié)議，該協(xié)議設(shè)計(jì)用于在同一受限網(wǎng)絡(luò)（如低功率或有損網(wǎng)絡(luò)）上的設(shè)備之間，設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)上的一般節(jié)點(diǎn)之間以及在都通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)鏈接的不同首先網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備之間使用。2.5應(yīng)用層在物聯(lián)網(wǎng)中的作用2.5.2應(yīng)用層的功能描述（2）典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層協(xié)議數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)協(xié)