物联网综合设计课程报告.docx

物联网综合设计课程报告高巨强 2012141462010物联网综合设计课程报告高巨强|2012141462010课程号：304101010教师：周欣2015物联网综合设计课程报告【摘要】物联网（The Internet of Things， IOT）是互联网的延伸与扩展，是继计算机技术、互联网和移动通信之后的又一次信息产业革命。目前，物联网已被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点，其应用范围几乎覆盖了各行各业。物联网的设计应遵从实用性、先进性、安全性、标准化、开放性、可扩展性、可靠性与可用性等原则。基本按照以下步骤进行设计：1、 用户需求调查与分析：充分调查分析物联网的应用背景和工作环境，及其对硬件和软件平台系统的功能要求及影响2、 网络系统初步设计3、 物联网系统详细设计4、 用户和应用系统设计5、 系统测试和试运行【关键词】物联网；设计方案；分层设计；系统集成；设计原则和步骤一 物联网综合设计概述在进行物联网方案设计之前有必要了解一下物联网综合设计的基本知识，物联网（The Internet of Things， IOT）是互联网的延伸与扩展，是继计算机技术、互联网和移动通信之后的又一次信息产业革命。目前，物联网已被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。物联网将有力带动传统产业转型升级，引领战略性新兴产业的发展，实现经济结构的升级和调整，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然界的关系，引发社会生产和经济发展方式的深度变革，具有巨大的增长潜能。一般认为,物联网具有以下的三大特点：全面感知：利用RFID 、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息。可靠传输：利用以太网、无线网、移动网将感知的信息进行实时的传输。智能处理：对物体实现智能化的控制和管理，达到人与物的沟通。物联网是继互联网之后IT产业的第三次浪潮，我们就起源点、面向对象、发展过程、用户、技术手段对二者进行对比发现他们的不同：互 联 网物 联 网起源点在哪里计算机技术的出现、技术的传播速度加快传感技术的创新、云计算面向的对象是谁人人和物怎么样发展的过程技术的研究到人类的技术共享使用芯片多技术的平台和应用过程谁是使用者所用的人人和物，人即信息体，物即信息体技术手段网络协议数据采集，传输介质，后台计算表一物联网的产业链包括三个部分：以集成电路设计制造、嵌入式系统为主的核心产业体系；以网络、软件、通信、信息安全产业和信息服务为代表的支撑产业体系；以数字地球、现代物流、智能交通、智能环保、绿色制造等为代表的面向应用的关联产业体系。图一物联网是一种信息网络。借鉴互联网建设的经验和教训，任何网络建设方案的设计都应坚持实用性、先进性、安全性、标准化、开放性、可扩展性、可靠性与可用性等原则。经过组网规划、规划设计、分层设计、系统集成等步骤完成一个物联网方案的设计，具体流程如下图：图二二 物联网详细设计物联网详细设计分为以下几个方面：物联网体系结构与网络设计、物联网感知层设计、物联网网络层设计、物联网应用层设计、安全设计。1.物联网体系结构与网络设计，物联网处理问题要经过三个过程：全面感知、可靠传输与智能计算。是一个形式多样、涉及社会生活各个领域的复杂系统。从实现技术角度来看具备以下特点：网络的差异性、规模的差异性、接入的多样性。因此在设计的过程中要充分考虑应用性要求进行网络系统设计，网络设计需要有经验的设计人员，网络设计通常包含许多权衡，设计目标才是推动设计的唯一因素，采用最简单和最可行的解决方案，不要使用一套严格的和可能过于全面的设计规则和模板，用于网络上所有的设备都要采用成熟的和经过测试的软/硬件，基本的设计计划必须要坚决执行。 遵循以上设计原则然后参照一下步骤进行设计：1)确定性能参数，具体说明每一个设计目标，如应用程序响应时间、数据包损失百分比、延迟和应用程序可用性等，2)找出设计的局限性。最明显的局限性是预算，其他还可能包括实施的时间表、设备的技术支持、网络规范和政策，3)在考虑了系统规定参数之后，制定相关网络参数的目标，4)开始进行设计。这是要解决一些主要的问题，如选择网络技术和设备、IP地址计划、路由策略等5)设计应该与系统规定参数是一样的。如果系统规定参数不能满足迭代步骤的要求，就需要向下兼容6)解决设计的全部技术细节和替代方法7)技术解决方案的每一个重要方面都要在实验室进行测试，如应用程序的响应时间和可用性等，这有助于逐步地精细调整技术解决方案在某些情况下，最终的实验室测试结果可能表明基本的性能目标或者系统规定参数是不切合实际的，这时必须要进行修改或采取折中的方案: 任何目标的实现都要求进行折中和妥协 ，设计者要让用户计划他们想要的各方面的花费，如在可伸缩性、可用性、网络性能、安全性、可管理性、易用性、适应性、可付性等上的,有时进行妥协与折中比描述的更复杂，对于网络系统来说，不同部分的目标是不一样的,一组用户可能更重视可用性而不是可付性，而另一组用户可能更重视部署最新型的应用和更看重性价比，而不是可用性。2. 物联网感知层设计，感知层是物联网的基础，是联系物理世界与信息世界的重要纽带，是由大量具有感知、通信、识别（或执行）能力的智能物体与感知网络组成。感知数据的准确性与实时性决定了物联网的应用价值，感知节点的分布范围决定了物联网的覆盖能力，感知节点的生存能力决定了物联网的生命周期。在设计感知层时，我们需要注意两个问题：由于一些实际的物联网应用系统中要求末端的感知节点需要同时具有感知与控制能力，因此有一些技术资料中将感知层也叫做“感知控制层”；目前讨论的物联网主要针对大规模与造价低的RFID、传感器的应用问题，这在物联网发展的第一阶段是非常自然和必须的。但我们进行设计时可以前瞻性地采用智能机器人技术，它必然会进入物联网，成为物联网重要的成员。3.物联网网络层设计，网络层连接感知层与应用层，正确传输感知层的数据与应用层的控制指令，保证数据传输与存储的安全性。通信是物联网网络层的关键，物联网通信包含有线和无线通信技术，而最能体现物联网特征的则是无线通信技术。网络层主要实现信息的传递、路由和控制，通常包括接入网、会聚网和核心网。从整体上看，物联网的网络层可看成层次拓扑结构，即最下层的接入网（如无线传感器网络）、中间的会聚网以及上层的核心网（如专用通信网络、公众电信网和互联网）。在物联网的网络层设计中，重点是接入网、接入方式及其物联网网关的设计方面。接入网的组网过程因应用场景而异。可以有目的、有计划地部署，也可以以随机抛掷的方式部署，因此物理拓扑形式是多样的。按照物联网的组网形态和组网方式，有集中式、分布式、混合式、网状式等结构；按照节点功能及结构层次，物联网的拓扑结构通常可分为平面网络结构、分级网络结构、混合网络结构，以及Mesh网络结构。接入方式 可以是有线的或者无线的。4.物联网应用层设计，物联网应用的多样化、规模化与行业化决定了物联网应用层技术的复杂性，可以用于智能电网、智能交通、智能物流、智能数字制造、智能建筑、智能农业、智能家居、智能环境监控、智慧医疗保健、智慧城市等领域。应用层的主要组成部分是应用层协议，不同的物联网应用系统要制定不同的应用层协议。物联网应用可以分为6种基本类别：监控报警类、数据采集类、信息推送类、视频监控类、远程控制类、识别与定位类。6种基本物联网应用对网络承载能力需求对比能力指标监控报警数据采集信息推送视频监控远程控制识别与定位上行流量少量数据数据量较大少量数据量大无数据量较大下行流量无较少数据量较大少量少量少量应用场景家庭安防气象信息监测智能交通全球眼工业自动化物流货运表二要分析完成业务承载能力分析、业务应用对平台营运的需求、业务带宽需求及管理等问题的解决方案才能更好的进行应用层的设计。5.物联网安全技术，物联网以传感网、无线网为核心网络，这给针对物联网的 各种攻击提供了机会，使物联网面临的安全问题比一般互联网更加严峻。物联网安全威胁的特点：复杂的网络环境，无线信道的开放性，物联网终端的局限性，物联网本身控制现实生活和生产设备的巨大价值。一次物联网的安全设计是很重要的一块。物联网安全架构一般分为4个逻辑层：感知层、传输层（网络层）、处理层、应用层。已有的对传感网、互联网等的一些安全解决方案可能不再适用。物联网面临的终端物体的规模是巨大的；终端设备的处理能力差异很大；处理的数据量是海量的。物联网是融几层于一体的大系统，许多安全问题来源于系统的整合。图三针对以上安全问题现有的机制有现有RFID安全机制物理安全机制：Kill命令机制。从物理上销毁标签；裁剪标签法。消费者可以将RFID天线扯掉或刮除，缩短标签的可读范围；静电屏蔽机制。使用法拉第网罩来屏蔽标签，使之不能接受任何识读器的信号；主动干扰。使用一个设备持续发送干扰信号，干扰任何靠近标签的识读器发出的信号。基于密码技术的软件安全机制。主要研究内容是利用各种成熟的密码方案和机制来设计和实现符合RFID安全需求的密码安全协议。应用层需要如下的安全机制：有效的数据库访问控制和内容筛选机制；不同场景的隐私信息保护技术；叛逆追踪和其他信息泄露追踪机制；安全的计算机数据销毁技术；安全的电子产品和软件的知识产权保护技术。 三 综合设计方案以智能家居为例了解一下物联网综合设计方案。智能家居控制系统方案设计：本方案选用单片机ARM Cortex-M3、SST89E58RDA为系统的中央控制器，以实现家居的安全性、便利性、舒适性、艺术性、低碳性为目的。以智能化、人性化、高性价比为原则，将WIFI模块、GSM模块、门禁系统、无线视频传输模块、手持无线语音控制模块、无线数据传输模块、空气质量检测模块、各类传感器模块和其他受控部件等有机结合，构成整个智能家居控制系统。1. 需求分析：方便的手持设备、摄像头、门禁、空气质量检测、温度、烟雾检测、远程控制。2. 系统架构设计：硬件部分，(1)控制单元。单片机COTERX-M3与SST89E58RDA是系统中控制部分关键的元件，它与控制单元组成控制部分功能。 (2)传感器数据采集系统。利用传感器采集信息，为用户提供准确的数据。(3)受控部件。通过网络及控制设备，控制家用电器和相应设备。(4)GSM（ SIM300）模块。通过GSM完成报警功能。(5)手持无线语音设备。通过设备在室内操作家电开关。(6)WIFI网络。利用手持设备通过WIFI网络控制家电开关。(7)无线数据传输模块。准确稳定地传输数据。(8)门禁模块。对来访者进行身份识别，并对异常情况报警，达到安防的目的。软件部分，(1)数据采集与数据分析部分。即对数据进行实时的采集与处理。(2)PC机远程控制部分。对家庭中的PC机传送