第5章支撐層技術(shù)

1、武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)第5章 支撐技術(shù)武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系2011.9武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜第5章 支撐技術(shù)5.1 物聯(lián)網(wǎng)中間件5.2 云計算5.3 GIS與GPS武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜5.1 物聯(lián)網(wǎng)中間件u物聯(lián)網(wǎng)中間件的作用 1.控制RFID讀寫設(shè)備按照預(yù)定的方式工作，保證不同讀寫設(shè)備之間能夠很好地配合協(xié)調(diào)；2.按照一定的規(guī)則篩選過濾數(shù)據(jù)，篩除冗余數(shù)據(jù)，將

2、有效的數(shù)據(jù)傳送給后臺的應(yīng)用系統(tǒng)。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜u物聯(lián)網(wǎng)中間件的特點獨立于架構(gòu) 物聯(lián)網(wǎng)中間件介于RFID讀寫器與后端應(yīng)用程序之間，獨立于它們之外，它能夠與多個RFID讀寫器、多個后端應(yīng)用程序進行連接，以減輕架構(gòu)與維護的復(fù)雜性。數(shù)據(jù)流 RFID的主要目的在于將實體對象轉(zhuǎn)換為消息環(huán)境下的虛擬對象，因此數(shù)據(jù)處理是RFID最重要的功能。物聯(lián)網(wǎng)中間件具有數(shù)據(jù)的搜集、過濾、整合與傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到企業(yè)后端的應(yīng)用系統(tǒng)。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程

3、煜處理流 物聯(lián)網(wǎng)中間件通常采用程序邏輯及存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能來提供順序的信息流，具有數(shù)據(jù)流設(shè)計與管理的能力。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜u物聯(lián)網(wǎng)中間件的發(fā)展需求導(dǎo)致技術(shù)格局多樣化底層中間件持續(xù)走穩(wěn)高層中間件成為市場新寵新技術(shù)與產(chǎn)品的推出速度放緩實用化是重要的發(fā)展趨勢武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜5.2 云技術(shù)u云計算的定義 云計算是一種全新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方式，將傳統(tǒng)的以桌面為核心的任務(wù)處理轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃W(wǎng)絡(luò)為核心的任務(wù)處理，利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)自己想要完成的一切處理任務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)成為傳

4、遞服務(wù)、計算力和信息的綜合媒介，真正實現(xiàn)按需計算、多人協(xié)作。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜u云計算產(chǎn)生的背景高速互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展資源利用率需求簡單與創(chuàng)新需求其他需求 連接設(shè)備、實時數(shù)據(jù)流、SOA的采用以及搜索、開放協(xié)作、社會網(wǎng)絡(luò)和移動商務(wù)等web2.0應(yīng)用武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜u云計算的發(fā)展SUN公司的黑盒子計劃IBM的藍云計劃微軟Google最大的在線零售商亞馬遜虛擬化技術(shù)先驅(qū)VMware武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)

5、伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜u云計算的特點虛擬化技術(shù) 現(xiàn)有的云計算平臺的最大的特點是利用軟件來實現(xiàn)硬件資源的虛擬化管理、調(diào)度及應(yīng)用。靈活定制 在云計算時代，用戶可以根據(jù)自己的需要或喜好定制相應(yīng)的服務(wù)、應(yīng)用及資源，云計算平臺可以按照用戶的需求來部署相應(yīng)的資源、計算能力、服務(wù)及應(yīng)用。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜動態(tài)可擴展性 在云計算體系中，可以將服務(wù)器實時加入到現(xiàn)有服務(wù)器群中，提高“云”處理能力，如果某計算節(jié)點出現(xiàn)故障，則通過相應(yīng)策略拋棄掉該節(jié)點，并將其任務(wù)交給別的節(jié)點，而在節(jié)點故障排除后可實時加入現(xiàn)有集群中。高可靠性和安全性 自

6、動處理失敗節(jié)點；最可靠、最安全的數(shù)據(jù)存儲中心，有全世界最專業(yè)的團隊管理信息，有全世界最先進的數(shù)據(jù)中心保存數(shù)據(jù)，嚴格的權(quán)限管理策略；數(shù)據(jù)有多個副本備份。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜高性價比 云計算對用戶端的硬件設(shè)備要求最低，使用起來也最方便，軟件不用購買和升級只需定制就可以了，而服務(wù)器端也可以用價格低廉的PC組成云，而計算能力卻可超過大型主機，而用戶在軟硬件維護和升級上的投入大大減少。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜數(shù)據(jù)、軟件在云端(服務(wù)器端) 云計算模式下，用戶的

7、所有數(shù)據(jù)直接存儲在云端，在需要的時候直接從云端下載使用；用戶使用的軟件由服務(wù)商統(tǒng)一部署在云端運行，軟件維護由服務(wù)商來完成，當個人計算出現(xiàn)故障或崩潰，也不會影響該用戶對其軟件的試用，用戶只需要換個PC就可以繼續(xù)自己的工作，包括文檔實時編輯和協(xié)作開發(fā)等。超強的計算和存儲能力 用戶可以在任何時間、任意地點，采用任何設(shè)備登錄云計算系統(tǒng)后就可以進行計算服務(wù)；云計算云端由成千上萬臺甚至更多服務(wù)器組成的集群具有無限空間、無限速度。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜u云計算架構(gòu)云計算的體系結(jié)構(gòu)武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2

8、011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜云計算的服務(wù)層次武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜云計算的技術(shù)層次武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜u典型的云計算平臺Google云計算平臺（1）MapReduce分布處埋技術(shù)分布處埋技術(shù)（2）Google文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)GFS武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜（3）分布式結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)表）分布式結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)表Bigtable武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)

9、出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜亞馬遜云計算平臺AWS（1）存儲系統(tǒng)Dynamo下圖為面向服務(wù)的亞馬遜平臺基本架構(gòu)面向服務(wù)的亞馬遜平臺基本架構(gòu)武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜（2）彈性計算云）彈性計算云EC2 亞馬遜彈性計算云服務(wù)（Elastic Compute Cloud，EC2）是亞馬遜提供的云計算環(huán)境的基本平臺。 EC2向用戶提供了如下一些非常有價值的特性：靈活性、低成本、安全性、易用性、容錯性（3）簡單存儲服務(wù)）簡單存儲服務(wù)S3 S3（Amazon Simple Storage Services）是亞馬遜推

10、出的簡單存儲服務(wù)。S3系統(tǒng)是構(gòu)架在Dynamo之上的。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜（4）簡單隊列服務(wù)）簡單隊列服務(wù)SQS 簡單隊列服務(wù)（Simple Queue Service，SQS）是亞馬遜為了解決其云計算平臺之間不同組件的通信而專門設(shè)計開發(fā)的。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜（5）簡單數(shù)據(jù)庫服務(wù)）簡單數(shù)據(jù)庫服務(wù)SimpleDB 隨著簡單數(shù)據(jù)庫服務(wù)SimpleDB（SDB）的推出，亞馬遜云計算服務(wù)平臺提供的服務(wù)趨于多樣化和全面化。與S3不同的是，SDB主要用于

11、存儲結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，并為這些數(shù)據(jù)提供查找、刪除等基本的數(shù)據(jù)庫功能。 如果將傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫看成一張張表，SDB更像我們平時常接觸到的文件夾的樹狀結(jié)構(gòu)而不是表結(jié)構(gòu)。 SDB為了系統(tǒng)的可用性采取了最終一致性數(shù)據(jù)模型。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜5.3 GIS和GPS武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜全球定位系統(tǒng)GPSuGPS基本原理n GPS 系統(tǒng)是由美國國防部的陸?？杖娫?0 年代聯(lián)合研制的新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，英文名稱是“Navigation Satellite Tim

12、ing And Ranging / Global Positioning System”，意為“衛(wèi)星測時測距導(dǎo)航全球定位系統(tǒng)”，簡稱GPS系統(tǒng)。n 該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全能性（陸地、海洋、航空和航天）、 全球性、全天候、連續(xù)性和實時性的導(dǎo)航定位和定時的功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標速度和時間。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜n GPS的定位原理實質(zhì)上就是測量學(xué)的空間測距，定位利用在平均20200km 高空均勻分布在6個軌道上的24顆衛(wèi)星，發(fā)射測距信號碼和載波用戶，通過接收機接收這些信號，測量衛(wèi)星至接

13、收機之間距離，通過一系列方程演算便可知地面點位坐標。uGPS的組成 GPS由三部分組成：GPS空間部分、地基監(jiān)控站和GPS用戶接收機部分。l GPS 空間部分由24顆分布在6個等間隔軌道上的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布可保證全球任何地區(qū)任何時刻都不少于4顆衛(wèi)星供觀測。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜l 地面監(jiān)控站由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的5個監(jiān)測站、一個主控站和三個注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：對空間衛(wèi)星系統(tǒng)進行監(jiān)控、控制，并向每顆衛(wèi)星注入更新的導(dǎo)航電文。l 用戶接收機通過接收多顆衛(wèi)星的信號來解算出自身的位置，以實現(xiàn)定位和導(dǎo)航

14、。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜u有關(guān)GPS工作的幾個問題（1）信號與多通道信號與多通道 為了獲得位置坐標用戶必須從4顆衛(wèi)星獲得信號，這可以通過兩種不同的方法來實現(xiàn)： 單通道接收機：接順序接收4顆衛(wèi)星的信號，用戶大約每5秒鐘就可以獲得一次定位信息，這種定位系統(tǒng)成本最低； 多通道接收機（以5通道為例）：5通道接收機可以通過4個通道鎖住4顆衛(wèi)星的信號，第5個通道用于獲取低頻導(dǎo)航數(shù)據(jù)。這種方法得到了最高的信噪比，因為任一給定的衛(wèi)星信號都將被連續(xù)而不是在1/4 個工作周期內(nèi)被接收。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2

15、011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜（2）差分工作方式差分工作方式與與獨立工作方式獨立工作方式 差分工作方式需要兩臺接收機，第一臺接收機（即基準差分臺）的位置準確已知，第二臺通過第一臺接收機的位置來修正自己的位置。通過計算測量距離與真實距離的誤差，基準差分臺能夠計算出衛(wèi)星數(shù)據(jù)中由電離層誤差和星歷表誤差所產(chǎn)生的影響，將此信息傳送到用戶接收機時，便能修正此誤差，從而得到更精確的定位。（3）載波相位載波相位與與碼相位碼相位 碼接收機是通過碼相位來測量用戶和衛(wèi)星的偽距的，由于C/A碼片對應(yīng)空間距離為293米，相位檢測精度能達到1%，所以能得到均方誤差為3米的精度，若測量波長為20厘米的載波相位，同

16、樣1%的測量精度，卻能夠產(chǎn)生相當于1毫米的精度（此時接收機更為復(fù)雜），同時，為解決整數(shù)波長的多值性問題，校準時間也比較長。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜（4）操作碼操作碼 普通操作碼需要4顆衛(wèi)星，另外還有幾種方式，第一種方式叫做“視野最優(yōu)”操作碼，用這種碼接收時能自動確定進入視野的衛(wèi)星中哪4顆衛(wèi)星具有最好的導(dǎo)航定位幾何分布；第二種碼是“全視野碼”，用此碼接收時，從視野中所有衛(wèi)星來的信號會被同時處理，系統(tǒng)精度會提高20%；第三種碼是高度輔助碼，適于機載應(yīng)用。這些碼應(yīng)用時可相互轉(zhuǎn)換。（5）系統(tǒng)精度系統(tǒng)精度 GPS提供2種水平的導(dǎo)航服

17、務(wù)：精密定位服務(wù)PPS和標準定位服務(wù)SPS。PPS主要供美國及其盟國的軍用和特殊許可部門，對一般用戶只能使用單頻C/A碼定位，由于美國的GPS政策所定，使用單頻C/A碼還要受到SA的影響，因此一般單機定位精度為二維100米左右，對要求高的場合則需采用DGPS差分工作方式。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜uGPS信號（1）GPS傳輸信號分類傳輸信號分類GPS的傳輸信號包含下面四種不同的信息： 第一種是頻率為10.23MHz的軍用P碼，美國政府禁止把該碼提供給民用用戶。 第二種是C/A碼，頻率為1.023MHz用戶用該碼可以得到基本的

18、定位信息。 第三種信息是一種調(diào)制在同一載波上的50 位/秒的低頻數(shù)據(jù)信號。 最后是載波相位信息。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜（2）GPS 信號結(jié)構(gòu)信號結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導(dǎo)航電文是一種不歸零的二進制數(shù)據(jù)碼D(t)，碼率fd=50HZ。為了節(jié)省衛(wèi)星的電能、增強GPS信號的抗干擾性、保密性，實現(xiàn)遙遠的衛(wèi)星通訊，GPS衛(wèi)星采用偽噪聲碼對D碼作二級調(diào)制，即先將D碼調(diào)制成偽噪聲碼（P碼和C/A碼），再將上述兩噪聲碼調(diào)制在L1、L2 兩載波上，形成向用戶發(fā)射的GPS射電信號。因此，GPS 信號包括兩種載波（L1 、L2）和兩種

19、偽噪聲碼（P碼、C/A碼）。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜地理信息系統(tǒng)GISu地理數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù) 地理數(shù)據(jù)是各種地理特征和現(xiàn)象間關(guān)系的符號化表示，包括空間位置、屬性特征及時態(tài)特征三部分。 空間數(shù)據(jù)主要包括 某個已知坐標系中的位置、實體間的空間關(guān)系、與幾何位置無關(guān)的屬性武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜u地理信息系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng)的定義是由兩個部分組成的。一方面，地理信息系統(tǒng)是一門學(xué)科，是描述、存儲、分析和輸出空間信息的理論和方法的一門新興的交叉學(xué)科；另一方面，地理信息系統(tǒng)是一個技術(shù)系統(tǒng)，是以地理空間數(shù)據(jù)庫（Geospatial Database）為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間的和動態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)的計算機技術(shù)系統(tǒng)。武漢理工大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程系物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)(清華大學(xué)出版社2011.8)伍新華 陸麗萍 姚寒冰 程煜 地理信息系統(tǒng)的三個特征 具有采集、管理、分析和輸出