第2章 物联网架构技术

第2章物联网架构技术

ArchitectureoftheInternetofThings学习任务概述感知层12网络层3应用层42.1概述 “物联网”概念的问世，打破了之前的传统思维。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。物联网的本质就是物理世界和数字世界的融合。2.1概述 物联网的定义为：物联网通过装置在各类物体上的电子标签（RFID）、传感器、二维码采集信息，并通过通信网络将物物、物人相连，协同工作，从而给物体赋予智能。2.1概述 一般认为，物联网应该具备三大特征：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;可靠传递，通过无线网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递给用户;智能处理，利用云计算、数据挖掘及模糊识别等人工智能技术，对大量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。物联网典型体系架构2.1概述通用四层结构2.1概述感知控制层：它是物联网发展和应用的基础，包括RFID读写器、智能传感节点和接入网关等组成。各种传感节点通过感知目标环境的相关信息，并自行组网传递到网关接入点，网关将收集到的数据通过互联网络提交到后台处理。数据传输层：主要负责通过各种接入设备实现互联网、移动通信网等不同类型的网络融合。此外，还提供路由、格式转换、地址转换等功能。2.1概述2.1概述数据的动态组织与管理层：实现感知数据的语义理解、推理、决策以及提供数据的查询、存储、分析、挖掘等。云计算为感知数据的存储、分析提供了很好的平台，是信息处理的重要组成部分，也是应用层各种应用的基础。应用决策层：物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供多种不同类型的服务。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控），控制型（智能交通、智能家居），扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。5层结构2.1概述2.1概述物联网发展的关键技术如图所示，其中负责物体标识的标识技术、感知物体动态信息的感知技术、实现信息传递的通信技术和网络融合技术、信息处理的智能技术我们称之为物联网的四大关键技术。2.2

感知层2.2.1感知层功能2.2.2物品标识与数据采集2.2.3自组织网络2.2.4信息短距离传输2.2.1

感知层功能感知层是实现物联网全面的感知的核心能力是物联网中包括关键技术、标准化方面、产业化方面亟待突破的部分关键在于具备更精确、更全面的感知能力，并解决低功耗、小型化和低成本的问题物联网感知层2.2.1

感知层功能物联网在传统网络的基础上，从原有网络用户终端向“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。物联网感知层解决的就是人类社会和物理世界的数据获取和数据收集问题。2.2.1

感知层功能感知层由具有感知、识别、控制和执行等能力的多种设备组成，一般包括数据编码与数据获取和数据短距离传输两个部分。1.数据编码与数据获取。数据编码与物品的标识符相关，关键技术为条形码、EPC等。数据获取与数据采集技术相关，数据采集技术主要有自动识别技术和传感技术。2.数据短距离传输。是指收集终端装置采集的信息，并负责将信息在终端装置和网关之间双向传送。关键技术为蓝牙、zigbee等。2.2

感知层2.2.1感知层功能2.2.2物品标识与数据采集2.2.3自组织网络2.2.4信息短距离传输2.2.2物品标识与数据采集

1、数据编码

物联网中的标识符应该能够反映每个单独个体的特征、历史、分类和归属等信息，应该具有唯一性、一致性和长期性，不会随物体位置的改变而改变，不会随连接网络的改变而改变。新的标识符必须支持现存的标识符。

现在许多领域已经开始给物体分配唯一的标识符，例如，EPC（ElectronicProductCode，电子产品编码）系统已经开始给全球物品分配唯一的标识符，且支持现存的条码编码体系。标识符应具有的特点：

足够大的地址空间，如EPC、IPv6全球唯一性永久性简单性可扩展和兼容性内嵌信息的简洁性2.2.2物品标识与数据采集

2、数据采集

在现实生活中，各种各样的活动或者事件都会产生这样或者那样的数据。这些数据是我们生产生活的基础依据。

数据采集主要有两种方式，一种是利用自动识别技术进行物体信息的数据采集，一种是利用传感器技术进行物体信息的数据采集。2.2.2物品标识与数据采集1）自动识别技术(AutomaticIdentification)

自动识别技术是一种高度自动化的信息与数据采集技术，是集计算机技术、通信技术、光、磁、无线、物理、机电等为一体的综合性技术。

自动识别技术的原理就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。

自动识别技术包括条码技术、磁卡技术、射频识别技术、声音识别及视觉识别等。2.2.2物品标识与数据采集各种自动识别技术2.2.2物品标识与数据采集条码技术是目前全球应用最广泛的自动识别技术。条码识别系统是由印刷设备印出来的条码符号、光学式读取装置用的条码阅读机、收集资料数据的手提式终端机、智能型计算机、网络等硬件设备，加上软件所构成的一种信息识别系统。

磁条从本质意义上讲和计算机用的磁带或磁盘是一样的，它可以用来记载字母、字符及数字信息。通过粘合或热合与塑料或纸牢固地整合在一起形成磁卡。

磁条技术的优点是数据可读写，即具有现场改造数据的能力；数据存储量能满足大多数需求，便于使用，成本低廉，具有一定的数据安全性。IC卡(IntegratedCircuitCard，集成电路卡)具有磁卡所无法比拟的许多优点：存储容量大，是磁卡的几倍至几十倍；安全性高，具有防伪造、防篡改的能力；可脱机使用，应用较为灵活;同时，也存在着价格高、抗静电和紫外线能力弱等缺点。 RFID（RadioFrequencyIdentification,射频识别）是物联网中最重要的自动识别技术。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。

最基本的RFID系统包括电子标签（Tag）、读写器（Reader）和天线（Antenna）。光学字符识别技术所谓OCR（OpticalCharacterRecognition光学字符识别）技术，是指电子设备（例如扫描仪或数码相机）检查纸上打印的字符，通过检测暗、亮的模式确定其形状，然后用字符识别方法将形状翻译成计算机文字的过程；即，对文本资料进行扫描，然后对图像文件进行分析处理，获取文字及版面信息的过程。

汉王作为国内一大厂商，推出了一款新一代电子词典汉王e典笔A10T，应用了汉王光学字符识别（OCR）技术和手写技术，以及嵌入式翻译系统，既可以扫描查询生词，也可以手写输入查询，快速实现中英互译。计算机人脸识别技术(FaceRecognitionTechnology，FRT)是利用计算机对人脸图像进行分析，从中提取有效的识别信息，用来“辨别”身份的一门技术。它涉及到图像处理、模式识别、计算机视觉和神经网络等。人脸识别技术在商业上和法律上有大量应用，如身份证、护照、驾驶执照与实际持证人的核对，视频监控系统中的人物跟踪、Video图像的实时匹配、公安系统的犯罪身份识别及海关的监控系统和自动门卫系统等。

条码磁卡ICRFID信息量小较大大较大可修改不可可可可读方式CDD扫描电磁转换电方式无线收发保密性较差较好最好好抗干扰怕污染怕强磁场静电干扰电波干扰价格低较高高较高寿命较短短长较长优点输入速度快、价格便宜；设备种类多；可非接触式识读数据密度高；输入速度快信息安全可靠可在灰油污等情况下使用；可非接触式识读缺点抗污染差，信息量小不能非接触式识读；数据可变更价格昂贵价格昂贵，发射装置寿命较短，数据可改写2）传感器技术(SensorTechnology)

传感器是获取自然和生产领域准确可靠信息的主要途径与手段。传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息按照一定的规律转换成电信号或其他所需形式的信息传递给其他装置或器官，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。通常由敏感元件和转换元件组成。2.2.2物品标识与数据采集目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的可按传感器的物理网、工作原理、输出信号的性质等方式来分类。 温度传感器、湿度传感器、压力传感器、水位传感器、风速传感器、功率传感器等等。自动门：人体红外波 烟雾报警器：烟敏电阻测量烟雾浓度 数码相机：光学传感器捕获图像 电子秤：力学传感器压井盖：压力传感器2.2.2物品标识与数据采集2.2

感知层2.2.1感知层功能2.2.2物品标识与数据采集2.2.3自组织网络2.2.4信息短距离传输目前无线移动网络主要有两种：1.基于网络基础设施的，如无线局域网、蜂窝移动网络。2.无网络基础设施的，没有固定的路由器，网络中的节点可以随意移动，并以任意方式相互通信，一般称为自组织网络。2.2.3自组织网络无线移动网络2.2.3自组织网络1.Ad-hocNetwork,自组织网

自组织网络是一群兼具终端及路由功能的设备，通过无线链路形成的无中心、多跳、临时性自治系统。

多跳（multi-hop）：节点发射功率有限，远距离通信需要依靠其它节点的中继，从而每个节点既是终端又是路由器；无中心：网络中不存在任何控制中心，节点之间相互协作构成网络。临时性：专为某个特殊目的而建立，一般只是临时性的。2.MobileAd-hocNETwork,MANET

移动自组织网络是一种临时性的、自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，网络中的各个节点不需要直接连接，能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施（如基站、无线接入点）的情况下，通过中继的方式，在两个距离很远而无法直接通信的终端节点之间传送信息，提供终端之间的相互通信。2.2.3自组织网络移动自组织网络的特点：带宽有限：频谱受限，共享链路。（带宽优化问题）拓扑动态变化：节点移动、链路时变、节点失效等。（传统路由算法会出现路由振荡、难以收敛的问题）存在单向链路：传输功率及环境噪声差异可能在节点间形成单向链路。（传统路由算法一般给予对称链路假设）节点能量有限：节点使用电池供电，充电困难。（设备要求节能，延长网络生存时间）安全性差：开放的无线信道，有限的电源供应，分布式控制。（易遭受窃听、主动入侵、拒绝服务等网络攻击）2.2.3自组织网络2.WirelessSensorNetwork，WSN

无线传感器网络（WSN）是一种自组织网络。无线传感器网络由随机部署在监测区域内的大量传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。

无线传感器网络是物联网的重要组成部分，将带来信息感知的一场变革。其应用在不断扩展，已经用于跟踪候鸟和昆虫的迁徙；研究环境变化对农作物的影响；监测海洋、大气、土壤的成分；监测农作物的虫害，土壤的酸碱度和施肥状况等。2.2.3自组织网络3.无线传感器网络与互联网的连接无线传感器网络的体系结构2.2.3自组织网络2.2

感知层2.2.1感知层功能2.2.2物品标识与数据采集2.2.3自组织网络2.2.4信息短距离传输

感知层通过自动识别技术和传感器技术等获取的信息，需要进行短距离传输，以使信息采集点的装置协同工作，或使已采集的信息传递到网关设备。

信息短距离传输有多种方式，包括ZigBee技术、蓝牙（Bluetooth）技术、RFID（RadioFrequencyIDentification）技术、IrDA（InfraredDataAssociation）技术、NFC（NearFieldCommunication）技术、UWB（UltraWideband）技术等。2.2.4信息短距离传输ZigBee技术

ZigBee来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。Zigbee是一种短距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的无线传输技术，采用分组交换和跳频技术，并且可使用3个频段，分别是2.4GHz的公共通用频段、欧洲的868MHz频段和美国的915MHz频段。2.2.4信息短距离传输ZigBee技术

ZigBee技术可以实现在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点。主要应用于短距离范围、数据流量较小的业务，适合用于自动控制领域和远程控制领域，可以嵌入各种设备。如PC外设（无线鼠标键盘游戏操纵杆），智能家居家用电器。2.2.4信息短距离传输

ZigBee技术

基于Zigbee无线电能管理系统

通过Zigbee无线组网对厂区内的配电房、行政、车间，以及各段工序的用电情况进行全程计量管理。把用户终端的一些电力参数（如电压、电流、功率、谐波、电能、开关量等），通过无线的方式传送给监控主机，进行集中采集、集中管理、集中调度，并提供日报、月报、年报的电能统计，帮助各部门了解用电情况。通过这些数据，就能制定每年、每月的节能计划，以达到建设节约型工厂，节约型社会的目的。

2.2.4信息短距离传输ZigBee技术

技术特点：·数据传输速率低 ·低功耗·成本低 ·网络容量大·有效范围小 ·工作频段灵活·可靠性高 ·时延短·安全性高2.2.4信息短距离传输蓝牙技术蓝牙（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，是一种短距离（一般10m内）的无线传输技术。蓝牙采用高速跳频和时分多址等先进技术，支持点对点及点对多点通信。主要应用于话音/数据接入、外围设备互连、个人局域网（PAN）等。

2.2.4信息短距离传输蓝牙技术蓝牙的技术特点：（1）同时可传输话音和数据（2）可以建立临时性的对等连接（AdhocConnection)（3）开放的接口标准2.2.4信息短距离传输IrDA红外连接技术IrDA（InfraredDataAssociation，红外数据组织）技术适用于需要短距离无线通信的场合，进行点对点的直线数据传输。红外通信的特点是成本低，连接方便，简单易用，兼容性好，在小型移动设备中得到广泛应用。如：电视、DVD遥控器2.2.4信息短距离传输2.3网络层

2.3.1网络层功能2.3.2接入网2.3.3互联网2.3.1

网络层功能物联网网络层广泛覆盖的通信网络是实现物联网的基础设施是物联网三层中标准化程度最高、产业化能力最强、最成熟的部分关键在于为物联网应用特征进行优化和改进，形成协同感知的网络

物联网的网络层是在现有的网络和互联网基础上建立起来的。

网络层与目前主流的移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网等网络一样，主要承担着数据传输的功能。 此外，有线电视网和电力网也能承担数据传输的功能。2.3.1网络层功能

物联网的网络层包括接入网和核心网。

接入网是指骨干网络到用户终端之间的所有设备，其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地称为“最后一公里”。接入网的接入方式包括铜线接入、光纤接入、光纤同轴电缆混合接入、无线接入、以太网接入、电力网接入等多种方式。

核心网通常是指除接入网和用户驻地网之外的网络部分。核心网是基于IP的、统一的、高性能、可扩展的分组网络，支持移动性以及异构接入。2.3.1网络层功能2.3网络层

2.3.1网络层功能2.3.2接入网2.3.3互联网

传统的接入网主要以铜缆的形式为用户提供一般的语音业务和数据业务。

物联网要满足未来不同的信息化应用，在接入层面需要考虑多种异构网络的融合与协同，将感知层感知到的信息无障碍、高可靠性地接入网络。随着网络的不断发展，出现了一系列新的接入网技术，包括无线接入技术、光纤接入技术、同轴接入技术、电力网接入技术。2.3.2接入网1.无线接入技术（WirelessAccessTechnology）

无线接入技术通过无线介质将终端与网络节点连接起来，具有建设速度快、设备安装灵活、成本低、使用方便等特点。考虑到终端连接的方便性、信息基础设施的可用性（不是所有地方都有固定接入能力）、监控目标的移动性，在物联网中无线接入技术已经成为最重要的接入手段。 目前最常用的无线接入技术有3G、Wi-Fi和WiMAX。2.3.2接入网1.无线接入技术

3G是支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术，它将无线通信与互联网结合，实现了网络的移动化，是物联网将物体信息接入互联网的重要平台。

Wi-Fi（WirelessFidelity，无线保真技术），是无线局域网的同义词。是一种可以将PC、手持设备等终端以无线方式连接的一种技术。其特点是速度快，组网成本低，覆盖范围比蓝牙大，通信距离远（几百米）。在家庭、办公室、小型企业和一些公共场所（机场、书店，咖啡店等）用的较多。2.3.2接入网1.无线接入技术

WiMAX（WorldwideInterperabilityforMicrowaveAcess,全球微波互连接入）。

WiMAX能实现更远的无线信号传输距离，达到50公里，这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。 WiMAX提供更高速的宽带接入。WiMAX所能提供的接入速度可以达到70Mbps；2011年4月，IEEE通过了802.16m标准，下载速率可能超过300Mbps。2.3.2接入网2.有线接入技术

铜缆接入技术，是指在非加感的用户线上，采用先进的数字处理技术来提高双绞线的传输容量，向用户提供各种业务的技术。光纤接入技术是一种光纤到楼、光纤到路边、以太网到用户的接入方式，它为用户提供了可靠性很高的宽带保证。混合光纤/同轴网（HybridFiberCoax，HFC）也是一种宽带接入技术，它的主干网使用光纤，分配网则采用同轴电缆系统，用于传输和分配用户信息。电力网接入技术：技术还不成熟，成本较高，电力公司做宽带接入业务的较少。2.3.2接入网2.3网络层

2.3.1网络层功能2.3.2接入网2.3.3互联网

互联网是由多个计算机网络按照一定的协议组成的国际计算机网络。

首先，互联网是全球性的；

其次，互联网上的每一台主机都需要有“地址”；

最后，这些主机必须按照共同的规则（协议）连接在一起。2.3.3互联网计算机网络的基本结构2.3.3互联网

互联网是由计算机网络相互连接而成。从计算机网络组成的角度来看，典型的计算机网络从逻辑上可以分为两部分：资源子网和通信子网。

资源子网由主计算机系统、终端、连网外部设备、各种信息资源等组成。资源子网负责全网的数据处理业务，负责向网络用户提供各种网络资源和网络服务。

通信子网由一些专用的通信控制处理机和连接它们的通信线路组成，完成网络数据传输、转发等通信处理的任务。2.3.3互联网

互联网数据通信能力强，网上的计算机是相对独立的，它们各自相互联系又相互独立。

互联网的功能主要有三个：数据通信、资源共享和分布处理。数据通信是计算机最基本的功能，能够实现快速传送计算机与终端、计算机与计算机之间的各种信息。计算机互联网络的目的就是实现网络资源共享。网络中的各计算机进行任务分担，分布处理，并行处理，可以充分利用网络资源，提高计算机的综合处理能力，增强网络处理问题的实时性。2.3.3互联网2.4应用层

2.4.1应用层功能2.4.2物联网中间件2.4.3物联网应用场景 2.4.4物联网应用所需环境

2.4.1

应用层功能物联网网络层提供丰富的基于物联网的应用，是物联网发展的根本目标将物联网技术与行业信息化需求相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集关键在于行业融合、信息资源的开发利用、低成本高质量的解决方案、信息安全的保障以及有效的商业模式的开发

物联网应用层解决的是信息处理和人机交互的问题，网络层传输而来的数据在这一层进入各行各业、各种类型的信息处理系统，并通过各种设备与人进行交互。 应用层由各种应用服务器组成（包括数据库服务器），还包括物联网管理中心、信息中心等。主要功能包括对采集数据的汇聚、转换、分析，以及用户层呈现的适配和事件触发等。 应用层要为用户提供物联网应用UI接口，包括用户设备（如PC、手机）、客户端浏览器等。 2.4.1应用层功能应用层主要由二个子层构成：其一是物联网中间件，其二是物联网应用场景。2.4.1应用层功能2.4应用层

2.4.1应用层功能2.4.2物联网中间件2.4.3物联网应用场景 2.4.4物联网应用所需环境

中间件（Middleware）是一种独立的系统软件，处于操作系统与应用程序之间，总的作用是为处于自己上层的应用软件提供运行和开发的环境，屏蔽底层操作系统的复杂性，使程序设计者面对简单而统一的开发环境，减轻应用软件开发者的负担。2.4.2物联网中间件 在早期，用户根据自己的应用需求，找系统集成商单独开发软件。由于不同用户需要实现的功能各不相同，软件开发也各不相同，开发周期较长，需求程度，服务质量得不到保证。主要取决于系统集成商的服务能力。2.4.2物联网中间件

物联网中间件通过标准接口提供标准化的服务，系统集成的周期短，服务质量能得到保证。物联网中间件应该是物联网的基础设施之一，在理想模式下，应该成为一个公共的服务资源系统。

物联网中间件还是一个基础的“管理”平台，可以提供数据管理、通信管理和设备管理等。同时，物联网中间件也是一个具备各种“能力”的平台，例如具有定位能力、短信能力等。2.4.2物联网中间件2.4应用层

2.4.1应用层功能2.4.2物联网中间件2.4.3物联网应用场景 2.4.4物联网应用所需环境

2.4.3物联网应用场景2.4应用层

2.4.1应用层功能2.4.2物联网中间件2.4.3物联网应用场景 2.4.4物联网应用所需环境

2.4.4物联网应用所需环境物联网是一个数以亿计物物相连的巨大的动态网络，“物”具有完全的通信和计算能力，这需要一个普适计算和云计算的环境。可以提高处理复杂问题的能力，提高社会的信息化水平，实现真实世界与虚拟世界的融合。1.PervasiveComputing/UbiquitousComputingMainframeComputingDesktopComputingUbiquitousComputing2.4.4物联网应用所需环境1991年，施乐公司PALOATO研究中心的首席技术官MarkWeiser在《ScientificAmerican》上发表了文章“TheComputerforthe21stCentury”，正式提出了普适计算的概念。他预测计算模式将来会发展为普适计算模式。在这种模式中，人们能够在任何时间（anytime）、任何地点（anywhere）、以任何方式（anyway）访问到所需要的信息。 1.PervasiveComputing/UbiquitousComputing2.4.4物联网应用所需环境

1999年，IBM提出普适计算的概念，又称普存计算、普及计算，欧洲的有些组织团体则叫环境智能。 普适计算指的是无所不在、随时随地可以进行计算的一种方式。 1.PervasiveComputing/UbiquitousComputing

普适计算的概念强调和环境融为一体的计算，而计算机本身则从人们的视线里消失。在普适计算的模式下，人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。

2.4.4物联网应用所需环境 普适计算的目的是建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐地融合在一起，在这个融合空间中人们可以随时随地、透明地获得数字化服务。

Themostprofoundtechnologiesarethosethatdisappear.Theyweavethemselvesintothefabricofeverydaylifeuntiltheyareindistinguishablefromit.最具有深远意义的是那些从人们注意力中消失的技术，这些技术已经渗透到人们的日常生活中以至于与生活难以区分。1.PervasiveComputing/UbiquitousComputing2.4.4物联网应用所需环境1.PervasiveComputing/UbiquitousComputing

普适计算的核心思想是小型、便宜、网络化的处理设备广泛分布在日常生活的各个场所，计算设备将不只依赖命令行、图形界面进行人机交互，而更依赖“自然”的交互方式，计算设备的尺寸将缩小到毫米甚至纳米级。 实现普适计算的基本条件是计算设备越来越小，方便人们随时随地佩带和使用。在计算设备无时不在、无所不在的条件下，普适计算才有可能实现。2.4.4物联网应用所需环境穿戴计算是普适计算设备研究中的一个重要方面，通过把计算和交互设备穿戴在身上，方便人们随时随地获取计算和信息服务，典型的可穿戴计算设备如可穿戴式战场电脑、智能衣服、智能手套、智能手表等。2.4.4物联网应用所需环境

传统模式下，企业建立一套IT系统不仅仅需要购买硬件等基础设施，还要买软件的许可证，