基于Arduino的物联网技术与应用 课件 第9章 物联网通信技术的综合应用

9.1M2M技术9.2WSN技术9.3智能家居9.4智慧城市第9章物联网通信技术的综合应用9.1M2M技术M2M是Machine-to-Machine/Man的简称，是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。9.1M2M技术M2M=机器和机器“说悄悄话”没有人类插手，设备之间用专属语言自动交流、协作完成任务。概念生活化比喻真实案例机器自治像两个机器人在流水线上默契传递零件电梯故障时自动向维修中心发送报警信号数据驱动温度计对空调“喊话”：我测到30℃了！快降温！农田传感器发现土壤干燥→自动打开灌溉阀门网络互联设备用WiFi/4G/5G等“方言”聊天共享单车锁通过NB-IoT网络向服务器报告位置9.1M2M技术全过程无人参与：摄像头是“眼睛”，中央系统是“大脑”，机器人是“手脚”，数据库是“记事本”——它们用数据流串联成一条自动化流水线。9.1M2M技术

简单说：M2M是IoT的“基础技能包”，就像先学会走路才能跑步。维度M2M物联网重点机器间对话（点对点）万物互联生态（网络化）人类角色完全不需要人人可通过手机/屏幕介入典型场景工厂设备自动报修手机控制智能家居9.1M2M技术这些你熟悉的场景背后都是M2M：加油站

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油罐液位传感器

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自动触发补货订单自动售货机

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库存检测

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通知供应商补货+向用户推送优惠券智慧农业

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土壤探头说“我渴了”→

灌溉系统秒开阀门⚡

技术本质（一句话版）传感器+通信模块+智能决策相当于给机器装上“感官神经”+“嘴巴”+“大脑”9.1M2M技术9.1.1M2M系统架构M2M业务是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务。它通过在机器内部嵌入无线通信模块，以无线通信等为接入手段，为客户提供综合的信息化解决方案，以满足客户对监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求。9.1M2M技术M2M业务流程涉及众多环节，其数据通信过程内部也涉及多个业务系统。9.1M2M技术M2M系统架构包括终端、系统以及应用三层。1.第一层——M2M终端2.第二层——M2M管理系统3.第三层——应用系统9.1M2M技术层级核心功能关键组成/模块核心任务价值特点1.M2M终端层(设备/感知层)物理世界与数字世界的接口•传感器（温度、位置等）•执行器（开关、电机等）•嵌入式系统•通信模块（4G/5G/LoRa等）•电源与接口•数据采集与感知•本地数据处理•发送遥测数据•执行控制指令•设备状态上报•智能化•低功耗设计•环境适应性•安全认证2.M2M管理系统层(平台/中枢层)系统核心管理与调度中心连接管理：•SIM/流量管理•网络状态监控设备管理：•设备注册/认证•远程配置/升级数据管理：•数据接收/存储/转发•命令下发安全管理：•身份认证/加密应用支持：•API接口•规则引擎•统一管理海量设备•设备生命周期管理•数据汇聚与路由•保障通信安全•为应用层提供标准化接口•集中化管控•降低开发复杂度•自动化运维•跨平台兼容性3.应用系统层(业务价值层)实现行业业务价值•业务逻辑引擎•用户交互界面（Web/App）•数据分析工具•第三方系统集成模块•执行业务逻辑与决策•数据深度分析与可视化•发送控制指令•自动化业务流程•用户交互服务•行业场景定制化•数据驱动决策•业务流程优化•创新服务赋能9.1M2M技术协同工作流程方向路径数据流(上行)终端层→

通信网络

→管理系统层（解析/存储）→应用系统层（分析/展示）控制流(下行)应用系统层（决策）→管理系统层（路由）→

通信网络

→终端层（执行）9.1M2M技术典型应用场景示例终端层管理系统层应用系统层•智能电表•设备状态监控平台•能源消耗分析系统•车载GPS•连接管理平台（CMP）•物流车队调度平台•工业传感器•规则引擎（自动告警）•工厂预测性维护系统•农业土壤监测仪•API接口（数据开放）•智慧灌溉控制平台9.1M2M技术9.1.2M2M系统结构的特点M2M系统结构具有如下特点。1)多数性2)多样性3)不可见性4)临界性5)隐私问题9.1M2M技术9.1.3M2M技术组成M2M涉及5个重要的技术部分，包括智能化机器、M2M硬件、通信网络、中间件和应用。智能化机器M2M硬件通信网络中间件应用9.1M2M技术9.1.4M2M应用实例1.智能抄表系统该系统将千家万户的用量与管理部门的电脑网络中心联成一体，从根本上解决了目前用水、用电、用气管理的自动化程度低、中间环节多、缴费不及时等问题。9.1M2M技术2.车载系统车载系统由GPS卫星定位系统、移动车载终端、无线网络和管理系统、GPS地图Web服务器、用户终端组成。9.1M2M技术3.智能交通系统智能交通系统由GPS卫星定位系统、ITS控制中心、无线通信网络和移动车载终端等系统模块组成。9.1M2M技术4.安防视频监控安防视频系统包括快照、视频信息采集终端、无线通信网络和远程信息管理系统、服务器、客户端等模块。9.2WSN技术WSN技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。WSN就是在某一特定区域内部署大量的传感器节点，并将传感器采集到的数据通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统进行传输，最终协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。9.2WSN技术9.2.1WSN核心功能WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的无线网络，其目的是借助于节点中内置的形式多样的传感器协作地实时感知和采集周边环境中众多的信息，并对这些信息进行处理，目的是无论何时、何地和在何种环境条件下都可以对大量信息进行获取9.2WSN技术WSN是由大量的具有静止或移动状态的传感器节点按自组织和多跳的方式来构成的一个无线网络9.2WSN技术按照无线传感器网络节点的功能，每个节点包括4个基本单元，具体包括获取数据信息的模块、处理信息数据的模块、传输数据信息的模块以及管理电源模块9.2WSN技术各基本组成单元功能如下。●获取数据信息的模块●处理信息数据的模块●传输数据信息的模快●管理电源模块9.2WSN技术9.2.2WSN的应用特点与传统的通信网络不同，无线传感器网络在很多方面都有特殊性：包括网络核心功能、不同应用场景、涉及的硬件技术等。1.网络节点的数目多2.硬件能力严重受限3.网络动态性强4.多跳路由和自组织性5.以数据为中心6.安全性问题严重9.2WSN技术9.2.3WSN的应用无线传感器网络是当前信息领域中研究的热点之一，可用于特殊环境，实现信号的采集、处理和发送。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，在现实生活中得到了越来越广泛的应用。1.军事领域

2.辅助农业生产3.生态监测与灾害预警4.基础设施状态监测系统5.工业领域6.智能交通7.医疗系统8.信息家电设备9.3智能家居智能家居(HomeAutomation，SmartHome)是一种通过建立在住宅基础上来构建高效的住宅设施与家庭内电器设备的管理平台。9.3智能家居9.3.1家庭自动化家庭自动化是指借助现有的具有微处理功能的电子设备对家中使用的电子电器产品或系统进行集成或控制家庭自动化系统主要是通过一个中央微处理器采集不同电子电器产品的信息，一旦发现外界环境因素发生变化，再通过写在中央微处理器的既定的程序执行并发送适当的信息到有关的电器设备9.3智能家居9.3.2家庭网络首先要明确地将家庭网络和纯粹的“家庭局域网”区分开，家庭网络涉及“家庭局域网/家庭内部网络”这个概念。家庭局域网是指将家庭里的PC、各种外设与因特网互联于一体的网络系统。9.3智能家居9.3.3网络家电网络家电是借助近距离通信技术将普通家用电器进行数字化设计改进的新型家电产品。网络家电可以利用近距离通信技术组成一个家庭内部网络，同时这个家庭网络又可以与外部网络进行连接，进行信息的交换。9.3智能家居9.3.4信息家电信息家电是将个人计算机、电信和电子技术结合起来的创新产品。它具有传统家电的特点，包括价格低廉、操作简单、实用性强、带有个人计算机主要功能9.4智慧城市面对诸多挑战，智慧城市成为一种城市发展的新方式，借助物联网、云计算、移动互联网等信息化技术，实现政府管理、经济发展、民众生活模式的转变。作为城市发展的重要任务，智慧城市的建设正逐渐从宏观规划向微观应用落地发展。9.4智慧城市智慧城市的建设是一个复杂的系统工程，产业链由政府、运营商及其他角色构成，形成了“政府主导+运营商推进+行业并举”的发展模式。9.4智慧城市9.4.1智慧城市概念智慧城市是通过对城市的数字网络化管理，借助现有的信息技术与城市现有的先进经营服务理念进行有效融合，进而提供更加便捷有效的公共管理服务。伴随着城市化步伐的加快，越来越多的城市已经进入快速发展的阶段。9.4智慧城市9.4.2智慧城市设计的重点应用1.光网城市2.无线城市3.政府互联网安全接入4.电子政务统一平台5.人口基础信息系统6.法人基础信息系统7.智慧公共服务8.智慧社会管理9.智慧财税10.智慧水利11.智慧环保12.智慧交通13.智慧教育14.智慧房管15.智慧国土16.智慧社保17.智慧健康保障18.智慧食品药品监管19.智慧旅游20.智慧文化服务21.智慧社区22.智慧工业23.智慧农业24.智慧产业M2M与WSN对比维度M2M（Machine-to-Machine）WSN（WirelessSensorNetwork）核心目标远程设备互联与集中管理（广域通信、设备控制）局部环境感知与数据采集（多节点协同监测）网络架构•星型拓扑为主（终端直连云端）•依赖蜂窝网络或宽带•网状/簇状拓扑（多跳自组网）•节点间协同传输通信范围广域覆盖（城市/全国/全球）局部覆盖（通常<100m，ZigBee等可达1km）传输技术•蜂窝网络（4G/5G/NB-IoT）•卫星通信•以太网•短距离协议（ZigBee、LoRa、BLE）•低功耗自组网M2M与WSN对比维度M2M（Machine-to-Machine）WSN（WirelessSensorNetwork）节点能力•较强处理能力（嵌入式系统）•支持复杂任务（如视频分析）•低功耗、低成本•专注单一传感任务（温度/湿度等）功耗要求中高功耗（部分需持续供电）极低功耗（电池寿命可达数年）数据流向终端→中心平台（双向控制）传感器节点→汇聚节点（单向为主）扩展性依赖网络容量（SIM卡/带宽限制）动态自组网，节点易增减典型协议MQTT、CoAP、HTTPIEEE802.15.4（ZigBee）、6LoWPAN成本结构•终端硬件成本较高•需支付通信服务费•单个节点成本极低（<1美元）•无服务费M2M与WSN1.M2M典型应用场景场景技术优势案