物联网体系结构PPT课件.ppt

可编辑 物联网体系结构 第四组 郭亚锐李赛杨浩宇高光郭芳 1 目录CONTENTS 一 二 三 网络层 杨浩宇 应用支撑层 高光 四 五 应用层 郭芳 物联网概述 郭亚锐 感知层 李赛 2 物联网概述 物联网来了物联网的定义物联网的主要技术特征物联网的体系结构 3 物联网来了 物联网的起源 1999KevinAshtonMIT自动识别中心 1995BillGates未来之路 4 物联网来了 1995年BillGates未来之路描述 物联网 1999年KevinAshtonMIT自动识别中心构造 物联网 互联网基础RFIDWSN数据通信 5 物联网来了 2005国际电信联盟 ITU ITU互联网报告2005 物联网 何为物联网物联网技术支持市场机遇面临的挑战和存在的问题发展中国家的机遇展望2020年的某一天一种新型生态系统 6 物联网来了 2008彭明盛IBM 智慧地球 物联网的内涵和应用模式更透彻的感知更全面的互联更深入的智能 7 物联网来了 物联网 概念的问世 打破了之前的传统思维 过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开 一方面是机场 公路 建筑物 而另一方面是数据中心 个人电脑 宽带等 而在 物联网 时代 钢筋混凝土 电缆将与芯片 宽带整合为统一的基础设施 在此意义上 基础设施更像是一块新的地球工地 世界的运转就在它上面进行 其中包括经济管理 生产运行 社会管理乃至个人生活 8 物联网的定义 物联网是在互联网 移动通信网等通信网络的基础上 针对不同应用领域的需求 利用具有感知 通信与计算能力的智能物体自动获取物理世界的各种信息 将所有能够独立寻址的物理对象互联起来 实现全面感知 可靠传输 智能处理 构建人与物 物与物互联的智能信息服务系统 9 物联网的定义 物联网是在互联网基础上发展起来的 它与互联网在基础设施上有一定程度的重合 但是它不是互联网概念 技术与应用的简单扩展互联网扩大了人与人之间信息共享的深度与广度 物联网更加强调它在人类社会生活的各个方面 国民经济的各个领域广泛与深入地应用 10 物联网的定义 你不在家时 你可以看到孩子或老人现在在家里的状况 你可以在到家前打开家里空调 回家就能享受清凉或温暖 你进家门后 只要按一个 回家 键 家中的安防系统自动解除室内警戒 灯光自动点亮 背景音乐自动响起 窗帘能自动关闭 你家里的甲醛 一氧化碳 二氧化碳等有毒有害气体超标时 空调 新风系统会自动启动 手机也会接到报警短信提醒 你用一个遥控器就能控制家中所有的电器 你要外出 只要按一个 离家 键 家中所有需要关闭的灯和电器自动关闭 安防系统会自动开启 你家中的电器有了故障 维修公司会主动联系你何时来上门修理 11 物联网的主要技术特征 物联网智能物体具有感知 通信与计算能力物联网可以提供所有对象在任何时间 任何地点的互联物联网的目标是实现物理世界与信息世界的融合 12 物联网智能物体具有感知 通信与计算能力 1 智能物体 是对连接到物联网中的人与物的一种抽象 2 对智能物体感知 通信与计算能力的理解 13 物联网可以提供所有对象在任何时间 任何地点的互联 14 物联网的目标是实现物理世界与信息世界的融合 物联网应用涵盖了小到家庭网络 大到工业控制系统 智能交通系统 甚至是国家级 世界级的应用将催生很多具有 计算 通信 控制 协同和自治 特点的智能设备与智能信息系统帮助人类对物理世界具有 全面的感知能力 透彻的认知能力和智慧的处理能力 这种新的计算模式可以帮助人类在提高劳动生产力 生产效率的同时 进一步改善人类社会发展与地球生态和谐 可持续发展的关系 15 物联网的体系结构 感知层网络层应用层 16 17 物联网体系结构 物联网工作过程与人的智能处理问题过程比较 18 目录CONTENTS 一 二 三 网络层 杨浩宇 应用支撑层 高光 四 五 应用层 郭芳 物联网概述 郭亚锐 感知层 李赛 19 感知层的作用感知层是物联网的皮肤和五官 用于识别物体 采集信息 感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题 20 感知层的关键技术传感器技术射频识别 RFID 技术其他 二维码技术 Zig Bee和蓝牙技术 21 传感器 定义 分类 应用 传感器 22 传感器的定义最广义地来说 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件 国际电工委员会 IEC InternationalElectrotechnicalCommittee 的定义为 传感器是测量系统中的一种前置部件 它将输入变量转换成可供测量的信号 按照Gopel等的说法是 传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件 而 传感器系统则是组合有某种信息处理 模拟或数字 能力的传感器 传感器是传感器系统的一个组成部分 它是被测量信号输入的第一道关口 23 传感器功能分类一 根据输入物理量可分为 位移传感器 压力传感器 速度传感器 温度传感器及气敏传感器等 二 根据工作原理可分为 电阻式 电感式 电容式及电势式等 三 根据输出信号的性质可分为 模拟式传感器和数字式传感器 即模拟式传感器输出模拟信号 数字式传感器输出数字信号 四 根据能量转换原理可分为 有源传感器和无源传感器 有源传感器将非电量转换为电能量 如电动势 电荷式传感器等 源程序传感器不起能量转换作用 只是将被测非电量转换为电参数的量 如电阻式 电感式及电容光焕发式传感器等 24 我们常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟 光敏传感器 视觉声敏传感器 听觉气敏传感器 嗅觉化学传感器 味觉压敏 温敏 流体传感器 触觉 25 传感器的应用在现代信息时代 传感器就如同人类的五官 可以对生产过程中的各个环节进行监视 并获取各个参数 是设备处于正常的状态 使产品达到最好的质量 到目前为止 传感器早已渗透到工业生产 宇宙开发 海洋探测 医疗诊断 生物工程等各个领域 几乎每个现代化项目 都离不开各种各样的传感器 26 传感器应用市场的发展 27 射频识别 RFID 28 射频识别定义RadioFrequencyIdentification RFID 是一种无线通信技术 可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据 而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触 其主要核心部件是一个电子标签 通过几厘米到几米距离内传感器发射的无线信号 读取电子标签内储存的信息 识别电子标签代表的物体和人的状态信息 29 射频识别的概念从概念上来讲 RFID类似于条码扫描 对于条码技术而言 它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器 而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签 利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器 从结构上讲RFID是一种简单的无线系统 只有两个基本器件 该系统用于控制 检测和跟踪物体 系统由一个询问器和很多应答器组成 30 射频识别的组成应答器 由天线 耦合元件及芯片组成 一般来说都是用标签作为应答器 每个标签具有唯一的电子编码 附着在物体上标识目标对象 阅读器 由天线 耦合元件 芯片组成 读取 有时还可以写入 标签信息的设备 可设计为手持式RFID读写器或固定式读写器 应用软件系统 是应用层软件 主要是把收集的数据进一步处理 并为人们所使用 31 射频识别工作原理基本工作原理 标签进入磁场后 接收解读器发出的射频信号 凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 无源标签或被动标签 或者由标签主动发送某一频率的信号 ActiveTag 有源标签或主动标签 解读器读取信息并解码后 送至中央信息系统进行有关数据处理 32 射频识别的特点射频技术 非接触识别 实用性 电子收费 物流管理 行李分类等 性能特点 快速扫描 体积小型化 抗污能力与耐久性 可重复使用 穿透性和无屏障阅读 数据记忆容量大 安全性 33 目录CONTENTS 一 二 三 网络层 杨浩宇 应用支撑层 高光 四 五 应用层 郭芳 物联网概述 郭亚锐 感知层 李赛 34 35 3 1有线通信网络层 有线通信技术可分为 中 长距离 WAN 的广域网络 包括PSTN ADSL和HFC数字电视Cable等 短距离的现场总线 FieldBus 也包括PLC电力线载波等技术 35 36 3 1 1三网融合 现有的电信网 有线电视网和计算机网是物联网业务可以利用的中 长距离有线网络 还有一些和这三大网络规模相当的未公开的覆盖全国的专网 如公安系统的专网 据说国家电网的专网比有线电视网规模还要大 三网融合是指电信网 计算机网和有线电视网三大网络通过技术改造 能够提供包括语音 数据 图像等综合多媒体的通信业务 36 37 3 1 1三网融合 基本概述 三网融合是一种广义的 社会化的说法 在现阶段它并不意味着电信网 计算机网和有线电视网三大网络的物理合一 而主要是指高层业务应用的融合 其表现为技术上趋向一致 网络层上可以实现互联互通 形成无缝覆盖 业务层上互相渗透和交叉 应用层上趋向使用统一的IP协议 在经营上互相竞争 互相合作 朝着向人类提供多样化 多媒体化 个性化服务的同一目标逐渐交汇在一起 行业管制和政策方面也逐渐趋向统一 三大网络通过技术改造 能够提供包括语音 数据 图像等综合多媒体的通信业务 这就是所谓的三网融合 37 37 38 3 1 1三网融合 发展 如果按传统的办法处理三网融合将是一个长期而艰巨的过程 如何绕过传统的三网来达到融合的目的 那就是寻找通信体制革命的这条路 我们必须把握技术的发展趋势 结合我国实际情况 选择我们自己的发展道路 38 3 1 1三网融合 发展 我们的实际情况是数据通信与发达国家相比起步晚 传统的数据通信业务规模不大 比起发达国家的多协议 多业务的包袱要小得多 因此 可以尽快转向以IP为基础的新体制 在光缆上采用IP优化光网络 建设宽带IP网 加速我国Internet网的发展 使之与我国传统的通信网长期并存 既节省开支又充分利用现有的网络资源 2010年1月13日国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议 决定加快推进电信网 广播电视网和互联网三网融合 39 39 40 3 1 1三网融合 有线广域网在物联网应用中的一个劣势就是众所周知的IP地址不够的问题 在IPv6未全面实施之前 这个问题将制约有线网在物联网业务中的使用 而无线广域网可以通过发SIM卡 电话ID号码 的方式解决每个智能物件对应一个ID 号码 的问题 尽管如此 中国电信 歌华有线等以有线网络为主的营运商也都有宏大的物联网业务计划 例如在智能家庭网关 HomeGateway 领域 歌华有线凭借机顶盒的部署基础占据一定优势 40 41 3 1 2现场总线FieldBus 41 42 概念 IEC61158标准定义 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式 串行 多点通信的数据总线 总线上的数据输入设备包括按钮 传感器 接触器 变送器 阀门等 传输其位置状态 参数值等数据 总线上的输出数据用于驱动信号灯 接触器 开关 阀门等 42 43 总线将分散的有通信能力的测量控制设备作为网络节点 连接成能相互沟通信息 共同完成自控任务的控制网络 43 产生的背景 在计算机数据传输中 长期使用低数据速率和点对点的数据传输标准 在工业控制或生产自动化领域中使用大量的传感器 执行器和控制器 若采用星形拓扑结构 安装成本和介质造价高 采用流行的LAN组件和环形 总线型拓扑结构 其硬件和软件对应的系统造价高 需要设计一种造价低 而又能经受工业现场环境的通信系统 44 44 减少了接线与安装 45 45 现场总线控制系统FCS 是建立在现场总线技术基础上的网络结构扁平化 具有开放性 可互操作性 常规控制功能彻底分散 有统一的控制策略组态方法的新一代的分散型控制系统 46 46 47 技术特点 开放性 交互性 自治性 适应性 47 47 现场总线系统是企业的底层网络 48 48 49 现场总线的分类 目前国际上有40多种现场总线 但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面 按其传输数据的大小可分为4类 传感器总线 信息量小 响应快 位传输设备总线 可靠性高 响应快 字节传输控制总线 信息量大 可靠性高 信息传输信息总线 信息量大 集成度高 文件传输 49 49 现场总线应用 现场总线技术的应用领域十分广泛 凡属设备间需要数据通信的场合都需要它连续 离散制造业 如电力 石化 冶金 纺织 造纸 过程自动化仪表 火车 汽车 轮船 机器人 数控机床 智能传感器楼宇自控 仓储 智能交通 环境监测 大气 水污染监测网络 农 林 水利 养殖等其技术与产品在工业控制计算机 测控板卡 仪器仪表 系统集成 应用系统等领域都有良好的发展前景 50 50 51 3 2无线通信网络层 无线通信也可分为长距离的无线广域网 WWAN 中 短距离的无线局域网 WLAN 超短距离的WPAN 无线个人网 WirelessPersonalAreaNetworks 传感网主要由WLAN或WPAN技术作为支撑 结合传感器 传感器 和 传感网 二合一的RFID的传输部分也是属于WPAN或WLAN 51 52 3 2 1长距离无线通信 无线通信发展 1G 1995年问世的第一代模拟制式手机只能进行语音通话 2G 1996到1997年出现的第二代GSM TDMA等数字制式手机便增加了接收数据的功能 如接受电子邮件或网页 2 5G 基于2G与3G之间的过渡类型 比2G在速度 带宽上有所提高 可使现有GSM网络轻易地实现与高速数据分组的简便接入 52 2020 1 9 53 长距离无线通信 3G 第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升 它能够在全球范围内更好地实现无缝漫游 并处理图像 音乐 视频流等多种媒体形式 提供包括网页浏览 电话会议 电子商务等多种信息服务 同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性 4G 第四代移动通信技术 是集3G与WLAN于一体 并能够快速传输数据 高质量 音频 视频和图像等 4G能够以100Mbps以上的速度下载 比目前的家用宽带ADSL 4兆 快25倍 并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求 此外 4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署 然后再扩展到整个地区 54 54 55 3 2 2短距离无线通信 蓝牙 蓝牙是一种支持设备短距离通信 一般是10m之内 的无线电技术 能在包括移动电话 PDA 无线耳机 笔记本电脑 相关外设等众多设备之间进行无线信息交换 蓝牙的标准是IEEE802 15 工作在2 4GHz频带 带宽为1Mb s 55 56 3 2 2短距离无线通信 WiFi 俗称无线宽带 它是一种短程无线传输技术 能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号 随著技术的发展 以及IEEE802 11a及IEEE802 11g等标准的出现 现在IEEE802 11这个标准已被统称作Wi Fi 从应用层面来说 要使用Wi Fi 用户首先要有Wi Fi兼容的用户端装置 Wi Fi WirelessFidelity 无线保真技术与蓝牙技术一样 同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术 其目前可使用的标准有两个 分别是IEEE802 11a和IEEE802 11b 该技术由于有着自身的优点 因此受到厂商的青睐 56 57 3 2 2短距离无线通信 WiMAX WiMAX WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess 即全球微波互联接入 WiMAX也叫802 16无线城域网或802 16 WiMAX是一项新兴的宽带无线接入技术 能提供面向互联网的高速连接 数据传输距离最远可达50km WiMAX还具有QoS保障 传输速率高 业务丰富多样等优点 WiMAX的技术起点较高 采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM OFDMA AAS MIMO等先进技术 随着技术标准的发展 WiMAX逐步实现宽带业务的移动化 而3G则实现移动业务的宽带化 两种网络的融合程度会越来越高 57 58 3 2 2短距离无线通信 ZigBee ZigBee是基于IEEE802 15 4标准的低功耗局域网协议 根据国际标准规定 ZigBee技术是一种短距离 低功耗的无线通信技术 其特点是近距离 低复杂度 自组织 低功耗 低数据速率 主要适合用于自动控制和远程控制领域 可以嵌入各种设备 简而言之 ZigBee就是一种便宜的 低功耗的近距离无线组网通讯技术 58 59 Zigbee相关标准和协议 59 IEEE802 15 4标准 目标 为在个人操作空间内相互连通的无线设备提供通信标准IEEE802 15任务组TG1 制定IEEE802 15 1标准 蓝牙无线个人区域网络标准 中等速率 近距离的WPAN网络标准TG2 制定IEEE802 15 2标准 研究IEEE802 15 1与IEEE802 11 无线局域网标准 的共存问题TG3 制定IEEE802 15 3标准 研究高传输速率WPAN标准TG4 制定IEEE802 15 4标准 研究低速WPAN标准 60 60 IEEE802 15 4标准的特征 20kbps 40kbps 100kbps 250kbps四种不同的传输速率支持星型和点到点两种拓扑结构在网络中采取两种地址方式 16位地址和64位地址16位地址是有协调器分配的64位地址是全球唯一的扩展地址采用带冲突避免的载波侦听多路访问 Carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance CSMA CA 的信道访问机制支持ACK机制以保证可靠传输低功耗机制 信道能量检测 链路质量指示 61 61 IEEE802 15 4 IEEE802 15 4标准网络 在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE802 15 4标准相互通信的设备集合全功能设备 FFD 和缩减功能设备 RFD 协调器 与RFD相关联的FFD设备PAN网络协调器 成员身份管理 链路信息管理 分组转发 62 62 IEEE802 15 4星型拓扑 所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯网络协调器持续供电 其他设备电池供电适合家庭自动化 个人计算机外围设备 个人康护护理等小范围的室内应用 63 星型拓扑结构 63 IEEE802 15 4点到点拓扑 任何两个设备之间都可以通讯网络协调器负责管理链路状态信息 认证设备身份等功能允许多跳路由的方式传输数据适合于设备分布范围广的应用 工业检测与控制 64 点到点拓扑结构 64 ZigBee介绍 ZigBee是一种新兴的短距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本的无线网络技术ZigBee依据IEEE802 15 4标准 802 15 4的物理层采用直接序列展频技术 在MAC层主要沿用标准的CSMA CA方式 以提高系统兼容性可使用的频段有2 4GHz 全球ISM 欧洲的868MHz频段 以及美国的915MHz频段 不同频段可使用的信道分别是16 1 10个目前定义的主要应用领域包括电力 家庭和楼宇自动化 医用设备控制等 65 65 66 ZigBee的协议结构 ZigBee是一组基于IEEE802 15 4无线标准研制开发的 有关组网 安全和应用软件方面的技术IEEE802 15 4仅处理MAC层和物理层协议 ZigBee联盟对网络层协议和API进行了标准化 66 67 ZigBee标准 ZigBee协议栈模型 67 68 ZigBee的网络拓扑 星型 网状型 树型 网络协调器全功能设备 FFDRouter 精简功能设备 RFD 68 目录CONTENTS 一 二 三 网络层 杨浩宇 应用支撑层 高光 四 五 应用层 郭芳 物联网概述 郭亚锐 感知层 李赛 69 应用支撑层 data process DataMining DataWarehouse collaboration 包括数据挖掘和数据仓库 70 应用支撑层 监控对象数据类型复杂 数据缺失 传感器多保存历史数据 节点动态变化频繁 时间 地点 物联网数据特点 传感器终端不同 71 应用支撑层 本质上来说就是一个用于海量数据处理的计算平台 网格计算 分布式计算 并行计算 效用计算 网络存储 虚拟化 负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物 以云计算为代表的分布式网络信息处理技术正是为了解决互联网发展所带来的巨量数据存储与处理需求 而在物联网规模发展后产生的数据量将会远远超过互联网的数据量 海量数据的存储与计算处理需要云计算技术的应用 云计算 原理是 使计算分布在大量的分布式计算机上 而非本地计算机或远程服务器中 传统的硬件架构服务器将很难满足数据管理和处理要求 云计算 72 应用支撑层 挖掘任务 分布式数据挖掘 实时高效数据挖掘 数据质量控制 数据挖掘物联网云计算架构其核心目标就是为物联网智能终端提供高性能高可靠的后台数据分析处理方法 因此物联网数据处理部分需要包含机器学习算法以及常规的数据分析算法来为智能终端作消息决策 73 应用支撑层 分层结构 74 目录CONTENTS 一 二 三 网络层 杨浩宇 应用支撑层 高光 四 五 应用层 郭芳 物联网概述 郭亚锐 感知层 李赛 75 目录 76 应用层 物联网的大脑 接收从网络层传递来的 传感器采集到的大量数据信息 采用云计算 数据挖掘等技术对数据进行存储 分析和处理 从中挖掘出有用信息或潜在规律 将分析出的数据与各行业应用相结合 提供决策支持 应用层 接收数据 处理数据 与行业相结合 77 应用层体系结构 78 物联网中间件技术 1 何为中间件 79 2 为什么使用中间件技术 物联网中间件的必要性 屏蔽异构性 实现互操作 数据预处理 80 3 什么是物联网中间件 在物联网中采用中间件技术 以实现多个系统和多种技术之间的资源共享 最终组成一个资源丰富 功能强大的服务系统 中间件可向上层提供不同形式的服务 在基本的平台之上可构筑各种框架 为应用程序提供不同领域内的服务 如事务处理监控器 分布数据访问 对象事务管理器等 81 目前 物联网中间件最主要的代表是RFID 射频识别 中间件 其他的还有嵌入式中间件 数字电视中间件 通用中间件 M2M物联网中间件等 下面 重点