物聯(lián)網(wǎng)工程應用-基于人工智能經(jīng)典案例 課件 第二章 物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)工程應用信息科學與工程學院電子與通信系黃如副教授2引言物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)在當今快速發(fā)展的技術(shù)時代，智能物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為連接物理世界與數(shù)字世界的重要橋梁。隨著智能設(shè)備和傳感器的普及，物聯(lián)網(wǎng)的應用場景變得越來越廣泛，從智能家居到工業(yè)自動化，從健康監(jiān)測到智慧城市，智能物聯(lián)網(wǎng)正在深刻改變著我們的工作和生活方式。為了實現(xiàn)這些多樣化應用，一個統(tǒng)一、高效、可靠的物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)至關(guān)重要。本章將重點關(guān)注智能物聯(lián)網(wǎng)的體系標準與協(xié)議架構(gòu)，深入探討近場無線通信技術(shù)標準及協(xié)議，包括Bluetooth、高速WPAN、ZigBee、WLAN和高速WMAN，分析它們在智能物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的角色和適用場景。此外，本章還將詳細介紹物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的三個關(guān)鍵層級：感知層、網(wǎng)絡層和應用層，以及它們?nèi)绾喂餐ぷ饕詫崿F(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的互操作性。進一步地，本章將探討智能物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和應用，包括物聯(lián)網(wǎng)智能架構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)專家系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)工程應用。這些內(nèi)容將為讀者提供一個全面的視角，了解如何利用智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來構(gòu)建更智能、更互聯(lián)的系統(tǒng)和服務。32物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)近場無線通信技術(shù)概述無線通信技術(shù)分類近場無線通信技術(shù)傳輸距離較短，通常在幾米到幾百米之間。適用于設(shè)備間的短距離通信。主要技術(shù)：Bluetooth、高速WPAN、ZigBee、WLAN、高速WMAN。遠距離無線通信技術(shù)傳輸距離較長，通常覆蓋幾公里到幾十公里。適用于廣域網(wǎng)通信，如蜂窩網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信等。42Bluetooth標準介紹物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)Bluetooth技術(shù)特征工作頻段全球通用使用2.4GHzISM頻段，全球范圍內(nèi)無需許可，解決了蜂窩移動電話的“國界”障礙。設(shè)備可以快速搜索并建立連接，通過控制軟件進行數(shù)據(jù)傳輸。兼容性和抗干擾能力強獨立于操作系統(tǒng)，兼容性好，支持多種操作系統(tǒng)。采用跳頻技術(shù)，有效避免ISM頻帶的干擾源，抗干擾能力強。傳輸距離較短典型傳輸距離為10米，增大射頻功率后可擴展至100米。在有效范圍內(nèi)保證傳輸速度不受影響。低功耗支持多種低功耗模式，包括激活、呼吸、保持和休眠模式，適用于電池供電設(shè)備。52Bluetooth低功耗協(xié)議棧物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)藍牙低功耗協(xié)議棧結(jié)構(gòu)物理層（PHY）工作頻率：2.4GHz，傳輸速率：1Mb/s，采用自適應跳頻技術(shù)（GFSK）減小干擾和信號衰減。鏈路層（LL）控制設(shè)備狀態(tài)，包括就緒、廣播、掃描、發(fā)起、連接等狀態(tài)。廣播狀態(tài)：設(shè)備在沒有連接的情況下對外傳輸數(shù)據(jù)。掃描狀態(tài)：設(shè)備監(jiān)聽廣播數(shù)據(jù)。發(fā)起狀態(tài)：設(shè)備對廣播發(fā)出回應，請求加入網(wǎng)絡。連接狀態(tài)：設(shè)備進入連接狀態(tài)，充當主機或從機。主機控制接口層（HCI）控制層與主機層之間的橋梁，負責通信與交互。邏輯鏈路控制和適配協(xié)議層（L2CAP）提供數(shù)據(jù)封裝和邏輯上的端到端傳輸。62Bluetooth低功耗協(xié)議棧物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)藍牙低功耗協(xié)議棧結(jié)構(gòu)物理層（PHY）工作頻率：2.4GHz，傳輸速率：1Mb/s，采用自適應跳頻技術(shù)（GFSK）減小干擾和信號衰減。鏈路層（LL）控制設(shè)備狀態(tài)，包括就緒、廣播、掃描、發(fā)起、連接等狀態(tài)。廣播狀態(tài)：設(shè)備在沒有連接的情況下對外傳輸數(shù)據(jù)。掃描狀態(tài)：設(shè)備監(jiān)聽廣播數(shù)據(jù)。發(fā)起狀態(tài)：設(shè)備對廣播發(fā)出回應，請求加入網(wǎng)絡。連接狀態(tài)：設(shè)備進入連接狀態(tài)，充當主機或從機。主機控制接口層（HCI）控制層與主機層之間的橋梁，負責通信與交互。邏輯鏈路控制和適配協(xié)議層（L2CAP）提供數(shù)據(jù)封裝和邏輯上的端到端傳輸。2高速WPAN標準介紹物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)7高速WPAN特點高速率支持高達55Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，適用于多媒體應用，如高質(zhì)量影像和聲音傳輸。短距離最優(yōu)通信距離小于10米，適合家庭和辦公環(huán)境。QoS支持提供服務質(zhì)量（QoS）保障，確保多媒體業(yè)務的流暢性。低功耗先進的功率管理功能，延長設(shè)備電池壽命。超寬帶（UWB）技術(shù)簡介頻帶寬使用3.1GHz～10.6GHz頻段，帶寬可達500MHz～7.5GHz，遠大于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)。低功耗采用低占空比脈沖，功耗極低，系統(tǒng)耗電量僅為傳統(tǒng)無線通信設(shè)備的幾百分之一到幾十分之一。高傳輸速率在短距離內(nèi)可實現(xiàn)幾百Mb/s的傳輸速率。多徑分辨率高采用窄脈沖技術(shù)，抗多徑干擾能力強，適用于復雜環(huán)境。2ZigBee標準介紹物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)8ZigBee技術(shù)特征工作頻段靈活支持2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）、915MHz（美國）頻段，均為免執(zhí)照頻段。低速率數(shù)據(jù)傳輸速率較低：20kb/s（868MHz）、40kb/s（915MHz）、250kb/s（2.4GHz）。低功耗支持休眠模式，兩節(jié)5號電池可供電6個月以上，適用于長時間運行的設(shè)備。通信范圍有限典型通信距離為10～75米，適合家庭和辦公室環(huán)境。低成本協(xié)議簡單，硬件成本低，支持8位單片機控制。數(shù)據(jù)傳輸可靠采用CSMA/CA防碰撞機制和確認數(shù)據(jù)傳輸機制，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。網(wǎng)絡容量大單個網(wǎng)絡支持255個設(shè)備，通過協(xié)調(diào)器可擴展至64000個節(jié)點。組網(wǎng)方式靈活支持星形網(wǎng)、簇形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)等多種拓撲結(jié)構(gòu)。自配置設(shè)備可自動加入或退出網(wǎng)絡，支持自組織和自配置的組網(wǎng)模式。安全模式支持認證與鑒權(quán)，提供三個等級的安全處理：無安全模式、安全模式（ACL）、高級加密模式（AES-128）。2WLAN標準介紹物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)9WLAN簡介定義無線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）是通過無線通信技術(shù)在一定局部范圍內(nèi)建立的網(wǎng)絡，實現(xiàn)傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的功能。發(fā)展歷史起源于20世紀70年代的ALOHANET，1990年IEEE啟動802.11項目，標志著WLAN技術(shù)的成熟。主要標準：IEEE802.11a/b/g/n/ac/ax。應用場景家庭、辦公、公共場所（如機場、咖啡店）等，提供高速無線網(wǎng)絡接入。2高速WMAN協(xié)議標準介紹物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)10IEEE802.16簡介定義IEEE802.16是無線城域網(wǎng)（WMAN）的標準，提供寬帶無線接入服務，覆蓋范圍幾公里到幾十公里。發(fā)展歷程1999年IEEE802.16工作組成立，2002年發(fā)布10～66GHz標準，2003年推出2～11GHz的IEEE802.16a標準。2004年發(fā)布IEEE802.16d（固定WiMax），2005年發(fā)布IEEE802.16e（支持移動性）。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)物理層：支持TDD和FDD，涉及頻率帶寬、調(diào)制方式、糾錯技術(shù)等。MAC層：包括特定服務匯聚子層、MAC公共部分子層、安全子層，提供系統(tǒng)接入、帶寬分配、連接管理等功能。WiMax技術(shù)優(yōu)勢覆蓋范圍廣基站覆蓋范圍可達50公里，典型覆蓋范圍為6～10公里，適合城市范圍的無線寬帶接入。高速率下行速率可達1Gb/s，上行速率可達100Mb/s，滿足移動用戶的多媒體需求。支持移動性IEEE802.16e標準支持移動環(huán)境，適用于移動寬帶接入。靈活的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)支持點到多點（PMP）和網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh）結(jié)構(gòu)，適合不同應用場景。低成本基站建設(shè)成本低，適合大規(guī)模部署。2物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)概述物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)11三層架構(gòu)感知層功能：負責數(shù)據(jù)的采集和物體的識別。主要技術(shù)：傳感器、RFID、二維碼、GPS等。應用場景：環(huán)境監(jiān)測、智能家居、工業(yè)自動化等。網(wǎng)絡層功能：負責數(shù)據(jù)的傳輸和網(wǎng)絡管理。主要技術(shù)：互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)（WLAN）、無線城域網(wǎng)（WMAN）等。應用場景：數(shù)據(jù)傳輸、遠程監(jiān)控、設(shè)備互聯(lián)等。應用層功能：負責數(shù)據(jù)的處理和應用服務。主要技術(shù)：云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等。應用場景：智能交通、智慧城市、智能醫(yī)療等。2感知層技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)12EPC技術(shù)定義電子產(chǎn)品編碼（ElectronicProductCode，EPC）是全球統(tǒng)一標識系統(tǒng)的擴展，用于對單品進行全球唯一標識。特點全球唯一標識，支持供應鏈管理和物流跟蹤。與條形碼技術(shù)結(jié)合使用，未完全取代條形碼。應用場景物流管理、供應鏈跟蹤、零售業(yè)等。傳感器技術(shù)定義傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置。組成敏感元件：直接感受被測量。轉(zhuǎn)換元件：將物理量信號轉(zhuǎn)換為電信號。變換電路：對電信號進行放大和調(diào)制。常見傳感器溫度傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器、光傳感器、霍爾傳感器等。2感知層技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)13RFID技術(shù)定義射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）通過射頻信號自動識別目標對象，并對其信息進行標志、登記、存儲和管理。系統(tǒng)組成電子標簽：存儲唯一識別碼，附著在物體上。讀寫器：讀取或?qū)懭霕撕炐畔?。天線：在標簽和讀寫器間傳輸射頻信號。應用場景倉儲管理、智能交通、門禁系統(tǒng)等。特性低頻高頻超高頻微波工作頻率125～134kHz13.56MHz868～915MHz2.45～5.8GHz市場占有率74%17%6%3%速度慢中等快很快潮濕環(huán)境影響無影響無影響影響較大影響較大方向性無無部分有全球適用頻率是是部分（歐盟、美國）部分（非歐盟國家）現(xiàn)有ISO標準11784/85，1422318000-3.1/14443EPCC0，C1，C2，G218000-4主要應用范圍進出管理、固定設(shè)備、天然氣、洗衣店圖書館、產(chǎn)品跟蹤、貨架、運輸貨架、卡車、拖車跟蹤收費站、集裝箱2網(wǎng)絡層技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)14M2M技術(shù)定義機器對機器（Machine-to-Machine，M2M）是一種在系統(tǒng)之間、遠程設(shè)備之間、機器與人之間建立無線連接的技術(shù)。系統(tǒng)架構(gòu)應用層：數(shù)據(jù)存儲、業(yè)務分析、用戶界面。網(wǎng)絡傳輸層：數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備終端層：數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制。應用場景遠程監(jiān)控、智能電網(wǎng)、智能交通等。2網(wǎng)絡層技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)156LoWPAN技術(shù)定義IPv6overLowPowerWirelessPersonalAreaNetwork，將IPv6引入低功耗無線個域網(wǎng)。技術(shù)優(yōu)勢普及性、適用性、更多地址空間、支持無狀態(tài)自動地址配置、易接入、易開發(fā)。協(xié)議棧物理層、MAC層、網(wǎng)絡適配層、IPv6層。TD-SCDMA與光纖通信技術(shù)TD-SCDMA中國自主知識產(chǎn)權(quán)的3G標準，頻譜利用率高，適用于物聯(lián)網(wǎng)承載網(wǎng)。光纖通信技術(shù)頻帶寬、傳輸損耗低、抗電磁干擾、保密性強、體積小、質(zhì)量輕。2應用層技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)16云計算與霧計算云計算特征：超大規(guī)模、彈性服務、資源池化、服務可計費、泛在接入、可靠性。架構(gòu)：基礎(chǔ)設(shè)施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、軟件即服務（SaaS）。霧計算定義：在用戶和云服務層之間增加霧層，利用邊緣設(shè)備提供計算資源。架構(gòu)：終端用戶層、霧計算層、云計算中心層。服務與管理技術(shù)服務技術(shù)提供數(shù)據(jù)挖掘、存儲、計算和處理服務，支持各種應用場景。管理技術(shù)包括服務質(zhì)量（QoS）保證、安全管理、計費管理、資源監(jiān)控等。2智能物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)17智能設(shè)備及解決方案功能：負責數(shù)據(jù)的收集、抓取、分揀及搬運。主要設(shè)備：傳感器、攝像頭、智能終端等。應用場景：智能家居、智能工廠、智慧城市等。操作系統(tǒng)層（OS層）功能：連接與控制設(shè)備層，進行數(shù)據(jù)智能分析與處理。技術(shù)能力：業(yè)務邏輯、統(tǒng)一建模、全鏈路技術(shù)能力、高并發(fā)支撐能力。形態(tài)：通常以PaaS（平臺即服務）形態(tài)存在?；A(chǔ)設(shè)施功能：提供服務器、存儲、AI訓練和部署能力等IT基礎(chǔ)設(shè)施。主要組件：數(shù)據(jù)中心、云計算資源、網(wǎng)絡設(shè)備等。2物聯(lián)網(wǎng)專家系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)18專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)知識庫存儲專家級的知識和經(jīng)驗，用于問題解決。推理機根據(jù)知識庫中的知識進行推理和判斷，生成解決方案。用戶界面提供用戶與專家系統(tǒng)的交互接口，用戶可以通過界面了解系統(tǒng)的推理過程和結(jié)果。解釋器解釋系統(tǒng)的推理過程和結(jié)果，增強系統(tǒng)的透明性。專家系統(tǒng)的特點專業(yè)性擁有專家級的知識與經(jīng)驗，解決問題的能力越強。啟發(fā)性運用專門知識與經(jīng)驗進行判斷、推理和聯(lián)想，而非單一的邏輯知識。透明性用戶可以通過專家系統(tǒng)了解其知識內(nèi)容和推理思路。靈活性專業(yè)知識與推理機構(gòu)相互分離，系統(tǒng)可以不斷接納新的知識。2物聯(lián)網(wǎng)工程應用-建筑人居物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)19智能家居功能通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)家庭設(shè)備的智能控制，如智能照明、智能溫控、智能安防等。應用場景家庭自動化、遠程控制、能源管理等。智能酒店功能通過人臉識別或移動設(shè)備實現(xiàn)快速入住和退房，客房內(nèi)的智能設(shè)備根據(jù)客人喜好自動調(diào)整設(shè)置。應用場景智能客房、智能服務機器人、智能能源管理等。智能辦公環(huán)境功能通過預約系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)會議室的照明、空調(diào)和投影設(shè)備，提高會議效率。應用場景智能會議室、環(huán)境監(jiān)測、資產(chǎn)管理等。典型應用AIoT的應用智能酒店服務更多以智能終端與智能服務機器人服務住客，配以入住系統(tǒng)，智能導航與智能服務系統(tǒng)優(yōu)化住客體驗家居/酒店室內(nèi)智能以傳感設(shè)備感知居住環(huán)境，收集用戶居住習慣數(shù)據(jù)，通過AIoT平臺與邊緣智能算法改善居住環(huán)境條件，并與用戶習慣自適應和自匹配辦公環(huán)境能耗管理以智能網(wǎng)關(guān)與智能電器為數(shù)據(jù)入口，利用AIoTPaaS平臺實時監(jiān)測能耗，并通過AI算法實現(xiàn)設(shè)備自動啟閉，能源自主降耗2物聯(lián)網(wǎng)工程應用–工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)20設(shè)備管理功能通過傳感器和機器學習技術(shù)建立設(shè)備故障預測模型，實現(xiàn)預測性維護。應用場景工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、故障診斷、維護管理等。能源管理功能基于機器學習的歷史數(shù)據(jù)能耗分析，優(yōu)化能源使用，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。應用場景工業(yè)能耗監(jiān)控、能源優(yōu)化、用能風險預警等。工業(yè)視覺功能通過基于深度學習的視覺技術(shù)檢測工件表面瑕疵、尺寸等參數(shù)，判斷工件品質(zhì)。應用場景產(chǎn)品表面瑕疵檢測、尺寸檢測、質(zhì)量監(jiān)控等。安全監(jiān)控功能通過巡檢機器人或監(jiān)控系統(tǒng)對煙火、高溫、特殊氣體泄漏等進行實時監(jiān)控和告警。應用場景工廠安全監(jiān)控、危險區(qū)域監(jiān)測、異常行為檢測等。2物聯(lián)網(wǎng)工程應用–城市物聯(lián)網(wǎng)體系標準與協(xié)議架構(gòu)21交通監(jiān)管功能通過AI攝像頭實現(xiàn)車輛信息識別、違規(guī)行為檢測、駕駛員危險行為預警等。應用場景智能交通管理、電子停車收費、交通流量監(jiān)控等?；A(chǔ)設(shè)施管理功能通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡的自動化運維，減少人工干預。