物联网技术与应用实践项目式熊茂华 项目1

1、1,项目一,物联网体系架构设计,项目一,物联网体系架构设计,1.1,任务一：背景知识,1.2,任务二：物联网体系架构,1.3,任务三：物联网体系架构详析,2,项目一,物联网体系架构设计,1.1,任务一：背景知识,图,1.1,物联网应用示意图物联网,The Internet of Things,的,概念是在,1999,年提出的，又名传感网，它的定义很简单：把,所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理,3,项目一,物联网体系架构设计,国际电信联盟,2005,年的一份报告曾描绘“物联网”时代,的图景,如图,1.1,所示,当司机出现操作失误时，汽车会自动报,警；公文包会

2、提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗,衣机对颜色和水温的要求等,4,项目一,物联网体系架构设计,图,1.1,物联网应用示意图,5,项目一,物联网体系架构设计,物联网有如下基本特点,1,全面感知,2,可靠的传送,3,智能控制,6,项目一,物联网体系架构设计,1.1.1,国外物联网发展现状,1,美国物联网发展现状,1995,年，比尔,盖茨在其未来之路一书中已提及物,联网概念,2005,年,11,月,17,日，在突尼斯举行的信息社会世界,峰会,WSIS,上，国际电信联盟,ITU,发布了,ITU,互联网报告,2005,物联网，报告指出，无所不在的“物联网”通信时,代即将来临，世界上所有的物体从轮胎

3、到牙刷、从房屋到纸,巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别,RFID,技术,传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应,用,7,项目一,物联网体系架构设计,2,欧盟物联网发展现状,2009,年，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和,社会委员会及地区委员会递交了欧盟物联网行动计划,以确保欧洲在构建物联网的过程中起主导作用。行动计划共,包括,14,项内容：管理，隐私及数据保护，“芯片沉默”的权,利，潜在危险，关键资源，标准化，研究，公私合作，创新,管理机制，国际对话，环境问题，统计数据和进展监督等,8,项目一,物联网体系架构设计,该行动方案，描绘了物联网技术应用的前景，并提出要,加

4、强欧盟政府对物联网的管理，其行动方案提出的政策建议,主要包括,1,加强物联网管理,2,完善隐私和个人数据保护,3,提高物联网的可信度、接受度和安全性,9,项目一,物联网体系架构设计,3,日本物联网发展现状,自,20,世纪,90,年代中期以来，日本政府相继制定了,e-Japan,u-Japan,i-Japan,等多项国家信息技术发展战略，从大规模开,展信息基础设施建设入手，稳步推进，不断拓展和深化信息,技术的应用，以此带动本国社会、经济发展。其中，日本的,u,Japan,i-Japan,战略与当前提出的物联网概念有许多共同之处,10,项目一,物联网体系架构设计,1.1.2,国内物联网现状,1,国

5、内物联网发展概况,中国科学院早在,1999,年就启动了传感网研究，组建了,2000,多人的团队，先后投入数亿元，目前已拥有从材料、技,术、器件、系统到网络的完整产业链。总体而言，在物联网,这个全新产业中，我国的技术研发和产业化水平已经处于世,界前列，掌握物联网世界话语权。当前，政府主导、产学研,相结合共同推动发展的良好态势正在中国形成,11,项目一,物联网体系架构设计,2,国内物联网技术研究现状,2009,年,10,月，在第四届民营科技企业博览会上，西安优,势微电子公司宣布：中国第一颗物联网的芯,唐芯一号,芯片研制成功，并且已经攻克了物联网的核心技术。“唐芯,一号”芯片是一颗超低功耗射频可编程

6、片上系统,PSOC,可,以满足各种条件下无线传感网、无线个域网、有源,RFID,等物,联网应用的特殊需要，为我国物联网产业发展奠定了基础,12,项目一,物联网体系架构设计,1.1.3,物联网的应用,物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作,公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、农业管理、老,人护理、个人健康等多个领域。在国家大力推动工业化与信,息化两化融合的大背景下，物联网将是工业乃至更多行业信,息化过程中一个比较现实的突破口。一旦物联网大规模普及,无数的物品需要加装更加小巧智能的传感器，用于动物、植,物、机器等物品的传感器与电子标签及配套的接口装置数量,将大大超过目前的手机数量,1

7、3,项目一,物联网体系架构设计,图,1.2,未来物联网的应用场景,14,项目一,物联网体系架构设计,1.2,任务二：物联网体系架构,1.2.1,物联网的自主体系结构,为了适应异构物联网无线通信环境需要,Guy Pujolle,在,An autonomic-oriented architecture for the Internet of Things,IEEE John Vincent Atanasoff 2006 International Symposium on,Modern Computing,中，提出了一种采用自主通信技术的物联,网自主体系结构，如图,1.3,所示,15,项目一,物联

8、网体系架构设计,图,1.3,物联网的一种自主体系结构,16,项目一,物联网体系架构设计,在图,1.3,所示的自主体系结构中，其自主特征主要是由,STP/SP,协议栈和智能层取代了传统的,TCP/IP,协议栈，如图,1.4,所示，其中,STP,表示智能传输协议,Smart Transport Protocol,SP,表示智能协议,Smart Protocol,物联网节点的智能层主要用,于协商交互节点之间,STP/SP,的选择，优化无线链路之上的通,信和数据传输，以满足异构物联网设备之间的联网需求,17,项目一,物联网体系架构设计,图,1.4 STP/SP,协议栈的自主体系结构,18,项目一,物联

9、网体系架构设计,1.2.2,物联网的,EPC,体系结构,1. EPC,编码体系,2,射频识别系统,3. EPC,信息网络系统,19,项目一,物联网体系架构设计,图,1.5 EPC,物联网体系架构示意图,20,项目一,物联网体系架构设计,1.2.3,物联网的,UID,技术体系,在电子标签方面，日本早在,20,世纪,80,年代中期就提出了,实时嵌入式系统,TRON,其中的,T-Engine,是该体系的核心,21,项目一,物联网体系架构设计,1.2.4,构建物联网体系结构的原则,物联网有别于互联网。互联网的主要目的是构建一个全,球性的计算机通信网络；物联网则主要是从应用出发，利用,互联网、无线通信技

10、术进行业务数据的传送，是互联网、移,动通信网应用的延伸，是自动化控制、遥控遥测及信息应用,技术的综合展现。当物联网概念与近程通信、信息采集、网,络技术、用户终端设备结合之后，其价值才能逐步得到展现,22,项目一,物联网体系架构设计,因此，设计物联网体系结构应该遵循以下六条原则,1,多样性原则,2,时空性原则,3,互联性原则,4,扩展性原则,5,安全性原则,6,健壮性原则,23,项目一,物联网体系架构设计,1.2.5,实用的层次性物联网体系架构,物联网是通过各种信息传感设备及系统,传感网、射频识,别系统、红外感应器、激光扫描器等,条码与二维码、全球,定位系统，按约定的通信协议，将物与物、人与物、

11、人与人,连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现,智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。这,个定义的核心是，物联网的主要特征是每一个物件都可以寻,址，每一个物件都可以控制，每一个物件都可以通信,24,项目一,物联网体系架构设计,图,1.6,物联网体系架构示意图,25,项目一,物联网体系架构设计,1.3,任务三：物联网体系架构详析,1.3.1,感知层,物联网与传统网络的主要区别在于，物联网扩大了传统,网络的通信范围，即物联网不仅仅局限于人与人之间的通信,还扩展到人与物、物与物之间的通信,26,项目一,物联网体系架构设计,1,感知层的功能,物联网在传统网络的基础上，从原有网

12、络用户终端向,下”延伸和扩展，扩大通信的对象范围，即通信不仅仅局,限于人与人之间的通信，还扩展到人与现实世界的各种物体,之间的通信,27,项目一,物联网体系架构设计,2,感知层的关键技术,1,传感器技术,传感器的分类方法多种多样，比较常用的有按传感器的,物理量、工作原理和输出信号三种方式来分类,一般传感器采集的信息需要计算机进行处理；智能传感,器带有微处理器，本身具有采集、处理、交换信息的能力,具备数据精度高、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高分辨,力、强自适应性、低价格性能比等特点,1,新型传感器,2,智能化传感网节点技术,28,项目一,物联网体系架构设计,2) ?RFID,技术,RFID,是

13、射频识别,Radio Frequency Identification,的英文缩,写，是,20,世纪,90,年代开始兴起的一种自动识别技术，它利用,射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传,递的信息实现物体识别,RFID,既可以看成是一种设备标识技,术，也可以归类为短距离传输技术，在本书中更倾向于前者,29,项目一,物联网体系架构设计,RFID,与人们常见的条形码相比，比较明显的优势体现在,以下四个方面,1,阅读器可同时识读多个,RFID,标签,2,阅读时不需要光线、不受非金属覆盖的影响，而且在,严酷、肮脏条件下仍然可以读取,3,存储容量大，可以反复读、写,4,信息可以在高速运动中

14、读取,30,项目一,物联网体系架构设计,3,二维码技术,二维码,2-dimensional bar code,技术是物联网感知层实现,过程中最基本和关键的技术之一。二维码也叫二维条码或二,维条形码，是用某种特定的几何形体按一定规律在平面上分,布,黑白相间,的图形来记录信息的应用技术。从技术原理来看,二维码在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的,0,和,1,比特流的概念，使用若干与二进制相对应的几何形,体来表示数值信息，并通过图像输入设备或光电扫描设备自,动识读以实现信息的自动处理,31,项目一,物联网体系架构设计,二维码具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的,字符集，每个字符占有一

15、定的宽度，具有一定的校验功能等,二维码的特点归纳如下,1,高密度编码，信息容量大：二维码可容纳多达,1850,个,大写字母或,2710,个数字或,1108,个字节或,500,多个汉字，比普通,条码信息容量高约几十倍,2,编码范围广：二维码可以把图片、声音、文字、签字,指纹等可以数字化的信息进行编码，并用条码表示,3,容错能力强，具有纠错功能：二维码因穿孔、污损等,引起局部损坏时，甚至损坏面积达,50,时，仍可以正确得到识,读,32,项目一,物联网体系架构设计,4,译码可靠性高：二维码比普通条码译码错误率,2,10,7,要低得多，误码率不超过,1,10,8,5,可引入加密措施：二维码保密性、防伪

16、性好,6,二维码成本低，易制作，持久耐用,7,条码符号形状、尺寸大小比例可变,8,二维码可以使用激光或,CCD,摄像设备识读，十分方便,33,项目一,物联网体系架构设计,表,1.1,RFID,与二维码功能比较,功,能,RFID,二,维,码,读取数量,可同时读取多个,RFID,标签,一次只能读取一个二维码,读取条件,RFID,标签不需要光线就可以读取或更新,二维码读取时需要光线,容量,存储资料的容量大,存储资料的容量小,读写能力,电子资料可以重复写,资料不可更新,读取方便性,RFID,标签可以很薄，如在包内仍可读取资料,二维码读取时需要清晰可见,资料准确性,准确性高,需靠人工读取，有人为疏失的,

17、可能性,坚固性,RFID,标签在严酷,恶劣与肮脏的环境下仍然可,读取资料,当二维码污损将无法读取，无,耐久性,高速读取,在高速运动中仍可读取,移动中读取有所限制,34,项目一,物联网体系架构设计,4) ?ZigBee,ZigBee,是一种短距离、低功耗的无线传输技术，是一种介,于无线标记技术和蓝牙之间的技术，它是,IEEE 802.15.4,协议的,代名词,ZigBee,采用分组交换和跳频技术，并且可使用,3,个频,段，分别是,2.4 GHz,的公共通用频段、欧洲的,868 MHz,频段和,美国的,915 MHz,频段,ZigBee,主要应用在短距离范围并且数据,传输速率不高的各种电子设备之间

18、。与蓝牙相比,ZigBee,更简,单，速率更慢，功率及费用也更低。同时，由于,ZigBee,技术,的低速率和通信范围较小的特点，也决定了,ZigBee,技术只适合,于承载数据流量较小的业务,35,项目一,物联网体系架构设计,ZigBee,技术主要包括以下特点,1,数据传输速率低,2,低功耗,3,成本低,4,网络容量大,5,有效范围小,6,工作频段灵活,7,可靠性高,8,时延短,9,安全性高,36,项目一,物联网体系架构设计,5,蓝牙,蓝牙,Bluetooth,是一种无线数据与话音通信的开放性全球,规范，和,ZigBee,一样，也是一种短距离的无线传输技术。其实,质内容是为固定设备或移动设备之间

19、的通信环境建立通用的,短距离无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来,是各种设备在无电线或电缆相互连接的情况下，能在短距离,范围内实现相互通信或操作的一种技术,37,项目一,物联网体系架构设计,蓝牙除具有和,ZigBee,一样，可以全球范围适用、功耗低,成本低、抗干扰能力强等特点外，还有许多它自己的特点,1,同时可传输语音和数据,2,可以建立临时性的对等连接,Ad hoc Connection,3,开放的接口标准,38,项目一,物联网体系架构设计,1.3.2,网络层,1,网络层功能,物联网网络层是在现有网络的基础上建立起来的，它与,目前主流的移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专,网

20、等网络一样，主要承担着数据传输的功能，特别是当三网,融合后，有线电视网也能承担数据传输的功能,39,项目一,物联网体系架构设计,2,网络层关键技术,1) ?Internet,Internet,中文译为因特网，广义的因特网叫互联网，是,以相互交流信息资源为目的，基于一些共同的协议，并通过,许多路由器和公共互联网连接而成的，它是一个信息资源和,资源共享的集合,Internet,采用了目前最流行的客户机,服务器,工作模式，凡是使用,TCP/IP,协议，并能与,Internet,中任意主机,进行通信的计算机，无论是何种类型、采用何种操作系统,均可看成是,Internet,的一部分，可见,Interne

21、t,覆盖范围之广。物,联网也被认为是,Internet,的进一步延伸,40,项目一,物联网体系架构设计,2,移动通信网,移动通信就是移动体之间的通信，或移动体与固定体之,间的通信。通过有线或无线介质将这些物体连接起来进行话,音等服务的网络就是移动通信网,41,项目一,物联网体系架构设计,3,无线传感器网络,无线传感器网络,WSN,的基本功能是将一系列空间分散的,传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采,集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散范,围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相,应的分析和处理,42,项目一,物联网体系架构设计,如果说,Internet

22、,构成了逻辑上的虚拟数字世界，改变了人,与人之间的沟通方式，那么无线传感器网络就是将逻辑上的,数字世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然,界的交互方式。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通,信的网络系统，相比传统网络，其特点是,1,节点数目更为庞大,上千甚至上万,节点分布更为密,集,2,由于环境影响和存在能量耗尽问题，节点更容易出现,故障,43,项目一,物联网体系架构设计,3,环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化,4,通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的,5,传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信,能力等都十分有限,44,项目一,物联网体系架构设计,1.3.3,应

23、用层,1,应用层功能,应用是物联网发展的驱动力和目的。应用层的主要功能,是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制,和决策，实现智能化的管理、应用和服务。这一层解决的是,信息处理和人机界面的问题,45,项目一,物联网体系架构设计,2,应用层关键技术,1) ?M2M,M2M,是,Machine-to-Machine,机器对机器,的缩写，根据不,同应用场景，往往也被解释为,Man-to-Machine,人对机器,Machine-to-Man,机器对人,Mobile-to-Machine,移动网络对机,器,Machine-to-Mobile,机器对移动网络,由于,Machine,一般,特指人造的机器设备，而物联网,The Internet of Things,中的,Things,则是指更抽象的物体，范围也更广,46,项目一,物联网体系架构设计,2,云计算,云计算,Cloud Computing,是分布式计算,Distributed,Computing,并行计算,Parallel Computing,和网格计算,Grid,Computing,的发展，