第5章支撑层技术

1、武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜物联网工程技术第5章 支撑技术武汉理工大学物联网工程系2011.9武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜第5章 支撑技术5.1 物联网中间件5.2 云计算5.3 GIS与GPS武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜5.1 物联网中间件u物联网中间件的作用 1.控制RFID读写设备按照预定的方式工作，保证不同读写设备之间能够很好地配合协调；2.按照一定的规则筛选过滤数据，筛除冗余数据，将

2、有效的数据传送给后台的应用系统。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜u物联网中间件的特点独立于架构 物联网中间件介于RFID读写器与后端应用程序之间，独立于它们之外，它能够与多个RFID读写器、多个后端应用程序进行连接，以减轻架构与维护的复杂性。数据流 RFID的主要目的在于将实体对象转换为消息环境下的虚拟对象，因此数据处理是RFID最重要的功能。物联网中间件具有数据的搜集、过滤、整合与传递等特性，以便将正确的对象信息传到企业后端的应用系统。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程

3、煜处理流 物联网中间件通常采用程序逻辑及存储转发的功能来提供顺序的信息流，具有数据流设计与管理的能力。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜u物联网中间件的发展需求导致技术格局多样化底层中间件持续走稳高层中间件成为市场新宠新技术与产品的推出速度放缓实用化是重要的发展趋势武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜5.2 云技术u云计算的定义 云计算是一种全新的网络服务方式，将传统的以桌面为核心的任务处理转变为以网络为核心的任务处理，利用互联网实现自己想要完成的一切处理任务，使网络成为传

4、递服务、计算力和信息的综合媒介，真正实现按需计算、多人协作。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜u云计算产生的背景高速互联网技术发展资源利用率需求简单与创新需求其他需求 连接设备、实时数据流、SOA的采用以及搜索、开放协作、社会网络和移动商务等web2.0应用武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜u云计算的发展SUN公司的黑盒子计划IBM的蓝云计划微软Google最大的在线零售商亚马逊虚拟化技术先驱VMware武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)

5、伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜u云计算的特点虚拟化技术 现有的云计算平台的最大的特点是利用软件来实现硬件资源的虚拟化管理、调度及应用。灵活定制 在云计算时代，用户可以根据自己的需要或喜好定制相应的服务、应用及资源，云计算平台可以按照用户的需求来部署相应的资源、计算能力、服务及应用。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜动态可扩展性 在云计算体系中，可以将服务器实时加入到现有服务器群中，提高“云”处理能力，如果某计算节点出现故障，则通过相应策略抛弃掉该节点，并将其任务交给别的节点，而在节点故障排除后可实时加入现有集群中。高可靠性和安全性 自

6、动处理失败节点；最可靠、最安全的数据存储中心，有全世界最专业的团队管理信息，有全世界最先进的数据中心保存数据，严格的权限管理策略；数据有多个副本备份。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜高性价比 云计算对用户端的硬件设备要求最低，使用起来也最方便，软件不用购买和升级只需定制就可以了，而服务器端也可以用价格低廉的PC组成云，而计算能力却可超过大型主机，而用户在软硬件维护和升级上的投入大大减少。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜数据、软件在云端(服务器端) 云计算模式下，用户的

7、所有数据直接存储在云端，在需要的时候直接从云端下载使用；用户使用的软件由服务商统一部署在云端运行，软件维护由服务商来完成，当个人计算出现故障或崩溃，也不会影响该用户对其软件的试用，用户只需要换个PC就可以继续自己的工作，包括文档实时编辑和协作开发等。超强的计算和存储能力 用户可以在任何时间、任意地点，采用任何设备登录云计算系统后就可以进行计算服务；云计算云端由成千上万台甚至更多服务器组成的集群具有无限空间、无限速度。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜u云计算架构云计算的体系结构武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2

8、011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜云计算的服务层次武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜云计算的技术层次武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜u典型的云计算平台Google云计算平台（1）MapReduce分布处埋技术分布处埋技术（2）Google文件系统文件系统GFS武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜（3）分布式结构化的数据表）分布式结构化的数据表Bigtable武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学

9、出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜亚马逊云计算平台AWS（1）存储系统Dynamo下图为面向服务的亚马逊平台基本架构面向服务的亚马逊平台基本架构武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜（2）弹性计算云）弹性计算云EC2 亚马逊弹性计算云服务（Elastic Compute Cloud，EC2）是亚马逊提供的云计算环境的基本平台。 EC2向用户提供了如下一些非常有价值的特性：灵活性、低成本、安全性、易用性、容错性（3）简单存储服务）简单存储服务S3 S3（Amazon Simple Storage Services）是亚马逊推

10、出的简单存储服务。S3系统是构架在Dynamo之上的。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜（4）简单队列服务）简单队列服务SQS 简单队列服务（Simple Queue Service，SQS）是亚马逊为了解决其云计算平台之间不同组件的通信而专门设计开发的。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜（5）简单数据库服务）简单数据库服务SimpleDB 随着简单数据库服务SimpleDB（SDB）的推出，亚马逊云计算服务平台提供的服务趋于多样化和全面化。与S3不同的是，SDB主要用于

11、存储结构化的数据，并为这些数据提供查找、删除等基本的数据库功能。 如果将传统的关系数据库看成一张张表，SDB更像我们平时常接触到的文件夹的树状结构而不是表结构。 SDB为了系统的可用性采取了最终一致性数据模型。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜5.3 GIS和GPS武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜全球定位系统GPSuGPS基本原理n GPS 系统是由美国国防部的陆海空三军在70 年代联合研制的新型卫星导航系统，英文名称是“Navigation Satellite Tim

12、ing And Ranging / Global Positioning System”，意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称GPS系统。n 该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、 全球性、全天候、连续性和实时性的导航定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标速度和时间。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜n GPS的定位原理实质上就是测量学的空间测距，定位利用在平均20200km 高空均匀分布在6个轨道上的24颗卫星，发射测距信号码和载波用户，通过接收机接收这些信号，测量卫星至接

13、收机之间距离，通过一系列方程演算便可知地面点位坐标。uGPS的组成 GPS由三部分组成：GPS空间部分、地基监控站和GPS用户接收机部分。l GPS 空间部分由24颗分布在6个等间隔轨道上的卫星组成，卫星分布可保证全球任何地区任何时刻都不少于4颗卫星供观测。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜l 地面监控站由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监控、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。l 用户接收机通过接收多颗卫星的信号来解算出自身的位置，以实现定位和导航

14、。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜u有关GPS工作的几个问题（1）信号与多通道信号与多通道 为了获得位置坐标用户必须从4颗卫星获得信号，这可以通过两种不同的方法来实现： 单通道接收机：接顺序接收4颗卫星的信号，用户大约每5秒钟就可以获得一次定位信息，这种定位系统成本最低； 多通道接收机（以5通道为例）：5通道接收机可以通过4个通道锁住4颗卫星的信号，第5个通道用于获取低频导航数据。这种方法得到了最高的信噪比，因为任一给定的卫星信号都将被连续而不是在1/4 个工作周期内被接收。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2

15、011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜（2）差分工作方式差分工作方式与与独立工作方式独立工作方式 差分工作方式需要两台接收机，第一台接收机（即基准差分台）的位置准确已知，第二台通过第一台接收机的位置来修正自己的位置。通过计算测量距离与真实距离的误差，基准差分台能够计算出卫星数据中由电离层误差和星历表误差所产生的影响，将此信息传送到用户接收机时，便能修正此误差，从而得到更精确的定位。（3）载波相位载波相位与与码相位码相位 码接收机是通过码相位来测量用户和卫星的伪距的，由于C/A码片对应空间距离为293米，相位检测精度能达到1%，所以能得到均方误差为3米的精度，若测量波长为20厘米的载波相位，同

16、样1%的测量精度，却能够产生相当于1毫米的精度（此时接收机更为复杂），同时，为解决整数波长的多值性问题，校准时间也比较长。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜（4）操作码操作码 普通操作码需要4颗卫星，另外还有几种方式，第一种方式叫做“视野最优”操作码，用这种码接收时能自动确定进入视野的卫星中哪4颗卫星具有最好的导航定位几何分布；第二种码是“全视野码”，用此码接收时，从视野中所有卫星来的信号会被同时处理，系统精度会提高20%；第三种码是高度辅助码，适于机载应用。这些码应用时可相互转换。（5）系统精度系统精度 GPS提供2种水平的导航服

17、务：精密定位服务PPS和标准定位服务SPS。PPS主要供美国及其盟国的军用和特殊许可部门，对一般用户只能使用单频C/A码定位，由于美国的GPS政策所定，使用单频C/A码还要受到SA的影响，因此一般单机定位精度为二维100米左右，对要求高的场合则需采用DGPS差分工作方式。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜uGPS信号（1）GPS传输信号分类传输信号分类GPS的传输信号包含下面四种不同的信息： 第一种是频率为10.23MHz的军用P码，美国政府禁止把该码提供给民用用户。 第二种是C/A码，频率为1.023MHz用户用该码可以得到基本的

18、定位信息。 第三种信息是一种调制在同一载波上的50 位/秒的低频数据信号。 最后是载波相位信息。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜（2）GPS 信号结构信号结构 GPS卫星向广大用户发送的导航电文是一种不归零的二进制数据码D(t)，码率fd=50HZ。为了节省卫星的电能、增强GPS信号的抗干扰性、保密性，实现遥远的卫星通讯，GPS卫星采用伪噪声码对D码作二级调制，即先将D码调制成伪噪声码（P码和C/A码），再将上述两噪声码调制在L1、L2 两载波上，形成向用户发射的GPS射电信号。因此，GPS 信号包括两种载波（L1 、L2）和两种

19、伪噪声码（P码、C/A码）。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜地理信息系统GISu地理数据与空间数据 地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。 空间数据主要包括 某个已知坐标系中的位置、实体间的空间关系、与几何位置无关的属性武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜u地理信息系统 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（Geospatial Database）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。武汉理工大学物联网工程系物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)伍新华 陆丽萍 姚寒冰 程煜 地理信息系统的三个特征 具有采集、管理、分析和输出