第2、3講物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

1、第2章 物聯(lián)網(wǎng)體系(tx)架構(gòu) 2.1物聯(lián)網(wǎng)(lin wn)體系架構(gòu)概述2.2感知層2.3 網(wǎng)絡(luò)層2.4 應(yīng)用層2.5 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)共九十七頁由于物聯(lián)網(wǎng)尚處在起步階段，還沒有一個(gè)廣泛(gungfn)認(rèn)同的體系結(jié)構(gòu)。在公開發(fā)表物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的同時(shí)，很多研究人員也提出了若干物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。例如物品萬維網(wǎng)（Web of Things，WoT）的體系結(jié)構(gòu) ，它定義了一種面向應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)。這是一個(gè)以用戶為中心的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，試圖把互聯(lián)網(wǎng)中成功的、面向信息獲取的萬維網(wǎng)結(jié)構(gòu)移植到物聯(lián)網(wǎng)上，用于物聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)布、檢索和獲取。當(dāng)前，較具代表性的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)有歐美支持的EPC Global物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和日本

2、的Ubiquitous ID（UID）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等。我國也積極參與了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究，正在積極制訂符合社會(huì)發(fā)展實(shí)際情況的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和架構(gòu)。 2.1物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)(ji u)概述共九十七頁2.1 物聯(lián)網(wǎng)的EPC體系結(jié)構(gòu)隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化和信息網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程的加快，為滿足對(duì)單個(gè)物品的標(biāo)識(shí)和高效識(shí)別，美國麻省理工學(xué)院的自動(dòng)識(shí)別實(shí)驗(yàn)室(Auto-ID)在美國統(tǒng)一代碼協(xié)會(huì)(UCC)的支持下，提出要在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線通信技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界萬物的系統(tǒng)； 同時(shí)(tngsh)還提出了電子產(chǎn)品代碼(Electronic Product Code，EPC)的概念，即每個(gè)對(duì)象都將賦予一個(gè)唯

3、一的EPC，采用射頻識(shí)別技術(shù)的信息系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存由EPC網(wǎng)絡(luò)來處理。共九十七頁隨后，國際物品(wpn)編碼協(xié)會(huì)(EAN)和美國統(tǒng)一代碼協(xié)會(huì)(UCC)于2003 年9 月聯(lián)合成立了非營利性組織EPC Global，將EPC納入了全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中的GTIN編碼體系與EPC概念的完美結(jié)合。EPC Global對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的描述是，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)主要由EPC編碼體系、射頻識(shí)別系統(tǒng)及EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三部分組成。 共九十七頁1EPC編碼體系物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的是全球物品的信息實(shí)時(shí)共享。顯然，首先要做的是實(shí)現(xiàn)全球物品的統(tǒng)一編碼，即對(duì)在地球上任何地方生產(chǎn)出來的任何一件物品，都要給它

4、打上電子標(biāo)簽。 這種電子標(biāo)簽帶有一個(gè)電子產(chǎn)品代碼，并且全球唯一。電子標(biāo)簽代表(dibio)了該物品的基本識(shí)別信息，例如，表示“A公司于B時(shí)間在C地點(diǎn)生產(chǎn)的D類產(chǎn)品的第E件”。目前，歐美支持的EPC編碼和日本支持的UID編碼是兩種常見的電子產(chǎn)品編碼體系。 共九十七頁2射頻(sh pn)識(shí)別系統(tǒng)射頻識(shí)別系統(tǒng)包括EPC標(biāo)簽和讀寫器。EPC標(biāo)簽是編號(hào)(每件商品唯一的號(hào)碼，即牌照)的載體，當(dāng)EPC標(biāo)簽貼在物品上或內(nèi)嵌在物品中時(shí)，該物品與EPC標(biāo)簽中的產(chǎn)品電子代碼就建立起了一對(duì)一的映射關(guān)系。共九十七頁EPC標(biāo)簽從本質(zhì)上來說是一個(gè)電子標(biāo)簽，通過RFID讀寫器可以對(duì)EPC標(biāo)簽的內(nèi)存(ni cn)信息進(jìn)行讀取。

5、這個(gè)內(nèi)存(ni cn)信息通常就是產(chǎn)品電子代碼。 產(chǎn)品電子代碼經(jīng)讀寫器報(bào)送給物聯(lián)網(wǎng)中間件，經(jīng)處理后存儲(chǔ)在分布式數(shù)據(jù)庫中。用戶查詢物品信息時(shí)只要在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的地址欄中輸入物品名稱、生產(chǎn)商、供貨商等數(shù)據(jù)，就可以實(shí)時(shí)獲悉物品在供應(yīng)鏈中的狀況。 目前，與此相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)已制定，包括電子標(biāo)簽的封裝標(biāo)準(zhǔn)，電子標(biāo)簽和讀寫器間的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)等。 共九十七頁3EPC信息(xnx)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括EPC中間件、EPC信息發(fā)現(xiàn)服務(wù)和EPC信息服務(wù)三部分。EPC中間件通常指一個(gè)通用平臺(tái)和接口，是連接RFID讀寫器和信息系統(tǒng)的紐帶。它主要用于實(shí)現(xiàn)RFID讀寫器和后端應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息交互、捕獲實(shí)時(shí)信息和事件，

6、或?qū)⑿畔⑾蛏蟼魉徒o后端應(yīng)用數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)以及ERP系統(tǒng)等，或?qū)⑿畔⑾蛳聜魉徒oRFID讀寫器。共九十七頁EPC信息發(fā)現(xiàn)服務(wù)(fw)(Discovery Service)包括對(duì)象名解析服務(wù)(Object Name Service，ONS)以及配套服務(wù)，它基于電子產(chǎn)品代碼，獲取EPC數(shù)據(jù)訪問通道信息。目前，根ONS系統(tǒng)和配套的發(fā)現(xiàn)服務(wù)系統(tǒng)由EPC Global委托VeriSign公司進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)，其接口標(biāo)準(zhǔn)正在形成之中。共九十七頁EPC信息服務(wù)(EPC Information Service，EPC IS)即EPC系統(tǒng)的軟件(run jin)支持系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)最終用戶在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下交互EPC信息。關(guān)

7、于EPC IS的接口和標(biāo)準(zhǔn)也正在制定中?？梢姡粋€(gè)EPC物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)主要由EPC編碼、EPC標(biāo)簽及RFID讀寫器、中間件系統(tǒng)、ONS服務(wù)器和EPC IS服務(wù)器等部分構(gòu)成，如圖2.3所示。共九十七頁圖2.3 EPC物聯(lián)網(wǎng)(lin wn)體系架構(gòu)示意圖共九十七頁由圖2.3可以看到一個(gè)企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的基本架構(gòu)。該應(yīng)用系統(tǒng)由三大部分組成(z chn)，即RFID識(shí)別系統(tǒng)、中間件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。 RFID識(shí)別系統(tǒng)包含EPC標(biāo)簽和RFID讀寫器，兩者通過RFID空中接口通信，EPC標(biāo)簽貼于每件物品上。 中間件系統(tǒng)含有EPC IS、PML(Physical Markup Language，物體

8、標(biāo)記語言)、ONS及其緩存系統(tǒng)，其后端應(yīng)用數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)還包含ERP系統(tǒng)等。 這些都與計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)相連，可及時(shí)有效地跟蹤、查詢、修改或增減數(shù)據(jù)。共九十七頁RFID讀寫器從含有一個(gè)EPC或一系列EPC的標(biāo)簽上讀取物品的電子(dinz)代碼，然后將讀取的物品電子(dinz)代碼送到中間件系統(tǒng)中進(jìn)行處理。如果讀取的數(shù)據(jù)量較大而中間件系統(tǒng)處理不及時(shí)，可應(yīng)用ONS 來儲(chǔ)存部分讀取數(shù)據(jù)。中間件系統(tǒng)以該EPC 數(shù)據(jù)為信息源，在本地ONS 服務(wù)器獲取包含該產(chǎn)品信息的EPC信息服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)本地ONS不能查閱到EPC編碼所對(duì)應(yīng)的EPC信息服務(wù)器地址時(shí)，可向遠(yuǎn)程ONS發(fā)送解析請(qǐng)求，獲取物品的對(duì)象名稱，繼而通

9、過EPC信息服務(wù)的各種接口獲得物品信息的各種相關(guān)服務(wù)。整個(gè)EPC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，利用在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展產(chǎn)生的通信協(xié)議和描述語言而運(yùn)行。共九十七頁2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)的UID技術(shù)體系鑒于日本在電子標(biāo)簽方面的發(fā)展，早在20世紀(jì)80年代中期(zhngq)就提出了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)(TRON)，其中的T-Engine是其體系的核心。在T-Engine論壇領(lǐng)導(dǎo)下，UID中心設(shè)立于東京大學(xué)，于2003 年3月成立，并得到日本政府以及大企業(yè)的支持，目前包括微軟、索尼、三菱、日立、日電、東芝、夏普、富士通、NTT、DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等諸多企業(yè)。組

10、建UID中心的目的是為了建立和普及自動(dòng)識(shí)別“物品”所需的基礎(chǔ)性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“計(jì)算無處不在”的理想環(huán)境。 共九十七頁UID是一個(gè)開放性的技術(shù)體系，由泛在識(shí)別碼(uCode)、泛在通信器(UG)、信息系統(tǒng)服務(wù)器和uCode解析服務(wù)器等部分構(gòu)成。UID使用uCode作為現(xiàn)實(shí)世界物品和場(chǎng)所的標(biāo)識(shí)，它從uCode電子標(biāo)簽中讀取uCode獲得這些設(shè)施的狀態(tài)，并控制它們，類似于PDA終端。 UID 可廣泛應(yīng)用于多種產(chǎn)業(yè)或行業(yè)，現(xiàn)實(shí)世界用uCode標(biāo)識(shí)的物品、場(chǎng)所等各種實(shí)體與虛擬世界中存儲(chǔ)在信息服務(wù)器中的各種相關(guān)(xinggun)信息聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)。共九十七頁2.1.4 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的原則物聯(lián)網(wǎng)概

11、念的問世，打破了傳統(tǒng)的思維模式。在提出物聯(lián)網(wǎng)概念之前，一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開(fn ki)：一方面是機(jī)場(chǎng)、公路、建筑物，而另一方面是數(shù)據(jù)中心、個(gè)人計(jì)算機(jī)、寬帶等。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，將把鋼筋混凝土、電纜與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施。在這種意義上的基礎(chǔ)設(shè)施就像是一塊新的地球工地，世界在它上面運(yùn)轉(zhuǎn)，包括經(jīng)濟(jì)管理、生產(chǎn)運(yùn)行、社會(huì)管理以及個(gè)人生活等。研究物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，首先需要明確架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基本原則，以便在已有物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，形成參考標(biāo)準(zhǔn)。 共九十七頁物聯(lián)網(wǎng)有別于互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)的主要目的是構(gòu)建一個(gè)全球性的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)； 物聯(lián)網(wǎng)則主要是從應(yīng)用出發(fā)，利用互聯(lián)網(wǎng)、無線通

12、信技術(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳送，是互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)應(yīng)用的延伸(ynshn)，是自動(dòng)化控制、遙控遙測(cè)及信息應(yīng)用技術(shù)的綜合展現(xiàn)。 當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)概念與近程通信、信息采集、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、用戶終端設(shè)備結(jié)合之后，其價(jià)值才能逐步得到展現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該遵循以下幾條原則：共九十七頁(1) 多樣性原則。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型、節(jié)點(diǎn)的不同，分別設(shè)計(jì)多種類型的體系結(jié)構(gòu)，不能也沒有必要建立起唯一的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。(2) 時(shí)空性原則。物聯(lián)網(wǎng)尚在發(fā)展之中，其體系結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足在時(shí)間、空間和能源方面的需求。(3) 互聯(lián)性原則。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)需要平滑地與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，試圖另行(ln xn)設(shè)計(jì)一套互聯(lián)通信

13、協(xié)議及其描述語言，是不現(xiàn)實(shí)的。共九十七頁(4) 擴(kuò)展性原則。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的架構(gòu)，應(yīng)該具有一定的擴(kuò)展性，以便最大限度地利用現(xiàn)有(xin yu)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施，保護(hù)已投資利益。(5) 安全性原則。物物互聯(lián)之后，物聯(lián)網(wǎng)的安全性將比計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的安全性更為重要，因此物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠防御大范圍的網(wǎng)絡(luò)攻擊。(6) 健壯性原則。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具備相當(dāng)好的健壯性和可靠性。 共九十七頁2.1.5實(shí)用的層次性物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)是通過各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)(傳感網(wǎng)、射頻識(shí)別系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等)、條碼與二維碼、全球定位系統(tǒng)，按約定的通信協(xié)議，將物與物、人與物、人與人連接起來，通過各種接入

14、網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種信息網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)定義的核心是，物聯(lián)網(wǎng)的主要特征是每一個(gè)物件都可以尋址，每一個(gè)物件都可以控制(kngzh)，每一個(gè)物件都可以通信。共九十七頁根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型和節(jié)點(diǎn)等情況，物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)劃分有兩種情況：其一是由感知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的四層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)；其二是由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的三層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研究、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)(chny)的實(shí)踐觀察，目前業(yè)界將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)劃分為三個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，并依此概括地描繪物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2.4所示。 共九十七頁專用網(wǎng)絡(luò)電信網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

15、傳感器執(zhí)行器RFID二維碼智能裝置通信模塊延伸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用集成云計(jì)算解析服務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理Web服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件信息處理共九十七頁感知層解決的是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題。感知層可進(jìn)一步劃分為兩個(gè)子層，首先是通過傳感器、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備采集外部物理世界的數(shù)據(jù)，然后通過RFID、條碼、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、藍(lán)牙、紅外等短距離傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)。特別(tbi)是在僅傳遞物品的唯一識(shí)別碼的情況下，也可以只有數(shù)據(jù)的短距離傳輸這一層。實(shí)際上，這兩個(gè)子層有時(shí)很難明確區(qū)分開。感知層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括檢測(cè)技術(shù)、短距離有線和無線通信技術(shù)等。共九十七頁網(wǎng)絡(luò)層解決的是感知層所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)(通常是長(zhǎng)距離

16、)傳輸?shù)膯栴}。這些數(shù)據(jù)可以通過移動(dòng)通信網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、各類專網(wǎng)、小型局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸。特別是當(dāng)三網(wǎng)融合(rngh)后，有線電視網(wǎng)也能承擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的功能，有利于物聯(lián)網(wǎng)的加快推進(jìn)。網(wǎng)絡(luò)層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括長(zhǎng)距離有線和無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。共九十七頁應(yīng)用層解決的是信息處理和人機(jī)界面的問題。網(wǎng)絡(luò)層傳輸而來的數(shù)據(jù)在這一層里進(jìn)入各類信息系統(tǒng)進(jìn)行處理，并通過各種設(shè)備與人進(jìn)行交互。這一層也可按形態(tài)直觀地劃分為兩個(gè)子層。一個(gè)是應(yīng)用程序?qū)樱M(jìn)行數(shù)據(jù)處理，它涵蓋了國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的每一領(lǐng)域，包括電力、醫(yī)療、銀行、交通、環(huán)保、物流、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市管理、家居生活等，包括支付、監(jiān)控、安保、定位、盤點(diǎn)

17、、預(yù)測(cè)等，可用于政府、企業(yè)、社會(huì)組織、家庭、個(gè)人等。這正是物聯(lián)網(wǎng)作為深度信息化產(chǎn)物(chnw)的重要體現(xiàn)。另一個(gè)是終端設(shè)備層，提供人機(jī)界面。物聯(lián)網(wǎng)雖然是“物物相連的網(wǎng)”，但最終是要以人為本的，最終還是需要人的操作與控制，不過這里的人機(jī)界面已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)時(shí)人與計(jì)算機(jī)交互的概念，而是泛指與應(yīng)用程序相連的各種設(shè)備與人的反饋。 共九十七頁在各層之間，信息不是單向傳遞的，可有交互、控制等，所傳遞的信息多種多樣，這其中關(guān)鍵是物品的信息，包括在特定應(yīng)用系統(tǒng)范圍內(nèi)能唯一標(biāo)識(shí)物品的識(shí)別碼和物品的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息。此外(cwi)，軟件和集成電路技術(shù)都是各層所需的關(guān)鍵技術(shù)。共九十七頁2.2感 知 層2.2.1感知層的功

18、能物聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，從原有網(wǎng)絡(luò)用戶終端向“下”延伸和擴(kuò)展，擴(kuò)大通信的對(duì)象范圍，即通信不僅僅局限于人與人之間的通信，還擴(kuò)展到人與現(xiàn)實(shí)世界的各種( zhn)物體之間的通信。 共九十七頁這里的“物”并不是自然物品，而是要滿足一定的條件才能夠被納入物聯(lián)網(wǎng)的范圍，例如有相應(yīng)的信息接收器和發(fā)送器、數(shù)據(jù)傳輸通路、數(shù)據(jù)處理芯片、操作系統(tǒng)、存儲(chǔ)空間等，遵循(zn xn)物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)中有可被識(shí)別的標(biāo)識(shí)?？梢钥吹浆F(xiàn)實(shí)世界的物品未必能滿足這些要求，這就需要特定的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的幫助。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具體來說就是嵌入式系統(tǒng)、傳感器、RFID等。 共九十七頁物聯(lián)網(wǎng)感知層解決的就是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問

19、題，即各類物理量、標(biāo)識(shí)、音頻、視頻數(shù)據(jù)。 感知層處于三層架構(gòu)的最底層，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，具有物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力。作為物聯(lián)網(wǎng)的最基本一層，感知層具有十分重要(zhngyo)的作用。共九十七頁2.2.2 感知層的關(guān)鍵技術(shù)感知層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括檢測(cè)(jin c)技術(shù)、中低速無線或有線短距離傳輸技術(shù)等。 感知層綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、智能組網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器的協(xié)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息。 感知層通過嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知到的信息傳送到接入層的基

20、站節(jié)點(diǎn)和接入網(wǎng)關(guān)，最終到達(dá)用戶終端，從而真正實(shí)現(xiàn)“無處不在”的物聯(lián)網(wǎng)的理念。 共九十七頁1傳感器技術(shù) 人是通過視覺、嗅覺、聽覺及觸覺等感覺來感知外界信息的，感知的信息輸入大腦進(jìn)行分析判斷和處理，大腦再指揮人做出相應(yīng)的動(dòng)作，這是人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界具有的最基本的能力。但是通過人的五官(wgun)感知外界的信息非常有限，例如，人無法利用觸覺來感知超過幾十甚至上千度的溫度，而且也不可能辨別溫度的微小變化，這就需要電子設(shè)備的幫助。同樣，利用電子儀器特別像計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化裝置來代替人的勞動(dòng)時(shí)，計(jì)算機(jī)類似于人的大腦，但僅有大腦而沒有感知外界信息的“五官(wgun)”顯然是不夠的，計(jì)算機(jī)還需要它們的“五

21、官(wgun)”傳感器。 共九十七頁傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，對(duì)各種參量進(jìn)行信息采集和簡(jiǎn)單加工處理的設(shè)備，被稱為物聯(lián)網(wǎng)傳感器。傳感器可以獨(dú)立存在，也可以與其他設(shè)備以一體方式呈現(xiàn)，但無論哪種方式，它都是物聯(lián)網(wǎng)中的感知(gnzh)和輸入部分。在未來的物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器及其組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)將在數(shù)據(jù)采集前端發(fā)揮重要的作用。 共九十七頁傳感器的分類方法多種多樣，比較常用的有按傳感器的物理量、工作原理和輸出信號(hào)三種

22、方式來分類。此外，按照是否具有信息處理功能來分類的意義越來越重要，特別是在未來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。按照這種分類方式，傳感器可分為一般傳感器和智能傳感器。 一般傳感器采集的信息需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理； 智能傳感器帶有微處理器，本身(bnshn)具有采集、處理、交換信息的能力，具備高數(shù)據(jù)精度、高可靠性與高穩(wěn)定性、高信噪比與高分辨力、強(qiáng)自適應(yīng)性、低價(jià)格性能比等特點(diǎn)。 共九十七頁1) 新型傳感器傳感器是節(jié)點(diǎn)感知物質(zhì)(wzh)世界的“感覺器官”，用來感知信息采集點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)。傳感器可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號(hào)，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的數(shù)據(jù)信息。共九十七頁隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳

23、統(tǒng)的傳感器正逐步實(shí)現(xiàn)微型化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化；同時(shí)，也正經(jīng)歷著一個(gè)從傳統(tǒng)傳感器(Dumb Sensor)到智能傳感器(Smart Sensor)再到嵌入式Web傳感器(Embedded Web Sensor)不斷豐富發(fā)展的過程。應(yīng)用新理論、新技術(shù)，采用新工藝、新結(jié)構(gòu)、新材料，研發(fā)各類新型(xnxng)傳感器，提升傳感器的功能與性能，降低成本，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)有大量門類齊全且技術(shù)成熟的傳感器產(chǎn)品可供選擇使用。 共九十七頁2) 智能化傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)技術(shù)所謂智能化傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，是指一個(gè)微型化的嵌入式系統(tǒng)。在感知物質(zhì)世界及其變化的過程中，需要檢測(cè)的對(duì)象很多，例如溫度、壓力、濕度、應(yīng)

24、變等，因此(ync)需要微型化、低功耗的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)來構(gòu)成傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)層支持平臺(tái)。所以需要針對(duì)低功耗傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的低成本、低功耗、小型化、高可靠性等要求，研制低速、中高速傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)核心芯片，以及集射頻、基帶、協(xié)議、處理于一體，具備通信、處理、組網(wǎng)和感知能力的低功耗片上系統(tǒng)；針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用，研制系列節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品。共九十七頁這不但需要采用MEMS 加工技術(shù)，設(shè)計(jì)符合物聯(lián)網(wǎng)要求的微型傳感器，使之可識(shí)別、配接多種敏感元件，并適用于主被動(dòng)各種檢測(cè)方法，而且傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)還應(yīng)具有強(qiáng)抗干擾能力，以適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的需求(xqi)。如何利用傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)具有的局域信號(hào)處理功能，在傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)附近局部完成一定的信號(hào)處理

25、，使原來由中央處理器實(shí)現(xiàn)的串行處理、集中決策的系統(tǒng)，成為一種并行的分布式信息處理系統(tǒng)，這還需要開發(fā)基于專用操作系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)級(jí)系統(tǒng)軟件。 共九十七頁2RFID技術(shù) RFID是射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification)的英文縮寫，是20世紀(jì)90年代開始興起的一種(y zhn)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)通過空間電磁耦合實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別。RFID既可以看成是一種設(shè)備標(biāo)識(shí)技術(shù)，也可以歸類為短距離傳輸技術(shù)。共九十七頁RFID是一種能夠讓物品“開口說話”的技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)感知層的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想中，RFID標(biāo)簽中存儲(chǔ)著規(guī)范而具有互用

26、性的信息，通過有線或無線的方式把它們自動(dòng)采集(cij)到中央信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物品(商品)的識(shí)別，進(jìn)而通過開放式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換和共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的“透明”管理。 共九十七頁RFID系統(tǒng)主要由三部分組成：電子標(biāo)簽(Tag)、讀寫器(Reader)和天線(Antenna)。其中， 電子標(biāo)簽芯片具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用于存儲(chǔ)待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)(biozh)信息； 讀寫器是將約定格式的待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)信息寫入電子標(biāo)簽的存儲(chǔ)區(qū)中(寫入功能)，或在讀寫器的閱讀范圍內(nèi)以無接觸的方式將電子標(biāo)簽內(nèi)保存的信息讀取出來(讀出功能)； 天線用于發(fā)射和接收射頻信號(hào)，往往內(nèi)置在電子標(biāo)簽和讀寫器中。 共九十七頁RFID技術(shù)的

27、工作原理是：電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的磁場(chǎng)后，讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)憑借感應(yīng)電流所獲得(hud)的能量將存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽)發(fā)送出，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽)；讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。 共九十七頁由于RFID具有無需接觸(jich)、自動(dòng)化程度高、耐用可靠、識(shí)別速度快、適應(yīng)各種工作環(huán)境、可實(shí)現(xiàn)高速和多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)別等優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如物流和供應(yīng)鏈管理、門禁安防系統(tǒng)、道路自動(dòng)收費(fèi)、航空行李處理、文檔追蹤/圖書館管理、電子支付、生產(chǎn)制造和裝配、物品監(jiān)視、汽車監(jiān)控、動(dòng)物身份標(biāo)識(shí)等。以簡(jiǎn)單RFID系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合已有的網(wǎng)

28、絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件技術(shù)等，構(gòu)筑一個(gè)由大量聯(lián)網(wǎng)的讀寫器和無數(shù)移動(dòng)的標(biāo)簽組成的、比Internet更為龐大的物聯(lián)網(wǎng)，已成為RFID技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。共九十七頁RFID主要采用ISO 和IEC 制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前可供射頻卡使用的射頻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有ISO/IEC 10536、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693 和ISO/IEC 18000。應(yīng)用最多的是ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都由物理特性、射頻功率和信號(hào)接口、初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分(b fen)組成。共九十七頁RFID與人們常見的條形碼相比，比較明顯的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(

29、1) 讀寫器可同時(shí)識(shí)讀多個(gè)RFID標(biāo)簽。(2) 讀寫時(shí)不需要光線，不受非金屬覆蓋的影響，即使在嚴(yán)酷、骯臟的條件下仍然可以讀取。(3) 存儲(chǔ)容量大，可以反復(fù)讀、寫。(4) 可以在高速運(yùn)動(dòng)中讀取。當(dāng)然，目前RFID還存在許多技術(shù)難點(diǎn)，主要集中在：RFID反碰撞、防沖突問題；RFID天線研究(ynji)；工作頻率的選擇；安全與隱私等方面。 共九十七頁3二維碼技術(shù) 二維碼(2-dimensional bar code)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層實(shí)現(xiàn)過程中最基本和關(guān)鍵的技術(shù)之一。二維碼也叫二維條碼或二維條形碼，是用某種特定的幾何形體按一定規(guī)律在平面上分布(黑白相間)的圖形來記錄信息的應(yīng)用技術(shù)。從技術(shù)原理來看，二

30、維碼在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成(guchng)計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”和“1”比特流的概念，使用若干與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來表示數(shù)值信息，并通過圖像輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)處理。 共九十七頁與一維條形碼相比，二維碼有著明顯的優(yōu)勢(shì)，歸納起來主要有以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)容量更大，二維碼能夠在橫向和縱向兩個(gè)方位同時(shí)表達(dá)信息，因此能在很小的面積內(nèi)表達(dá)大量的信息；超越了字母數(shù)字的限制；條形碼相對(duì)尺寸?。痪哂锌箵p毀能力。此外，二維碼還可以引入保密(bo m)措施，其保密(bo m)性較一維碼要強(qiáng)很多。 共九十七頁二維碼可分為堆疊式/行排式二維碼和矩陣(j zhn)式二維碼。其中，堆疊

31、式/行排式二維碼形態(tài)上是由多行短截的一維碼堆疊而成；矩陣(j zhn)式二維碼以矩陣(j zhn)的形式組成，在矩陣(j zhn)相應(yīng)元素位置上用“點(diǎn)”表示二進(jìn)制“1”，用“空”表示二進(jìn)制“0”，并由“點(diǎn)”和“空”的排列組成代碼。 二維碼具有條碼技術(shù)的一些共性：每種碼制有其特定的字符集；每個(gè)字符占有一定的寬度；具有一定的校驗(yàn)功能等。 共九十七頁二維碼的特點(diǎn)歸納如下：(1) 高密度編碼，信息容量大。二維碼可容納多達(dá)1850個(gè)大寫字母或2710個(gè)數(shù)字或1108個(gè)字節(jié)或500多個(gè)漢字(Hnz)，比普通條碼信息容量高幾十倍。 (2) 編碼范圍廣。二維碼可以把圖片、聲音、文字、簽字、指紋等可以數(shù)字化的信

32、息進(jìn)行編碼，并用條碼表示。 (3) 容錯(cuò)能力強(qiáng)，具有糾錯(cuò)功能。二維碼因穿孔、污損等引起局部損壞時(shí)，甚至損壞面積達(dá)50%時(shí)，仍可以正確得到識(shí)讀。 (4) 譯碼可靠性高。二維碼比普通條碼百萬分之二的譯碼錯(cuò)誤率要低得多，誤碼率不超過千萬分之一。 共九十七頁(5) 可引入加密措施。二維碼保密性、防偽性好。 (6) 成本低，易制作，持久耐用。 (7) 條碼符號(hào)形狀、尺寸大小比例可變。 (8) 二維碼可以使用激光或CCD攝像設(shè)備識(shí)讀，十分方便。 與RFID相比，二維碼最大的優(yōu)勢(shì)(yush)在于成本較低，一條二維碼的成本僅為幾分錢，而RFID標(biāo)簽因其芯片成本較高，制造工藝復(fù)雜，價(jià)格較高。RFID與二維碼功能

33、比較見表2-1。共九十七頁表2-1 RFID與二維碼功能(gngnng)比較共九十七頁4ZigBee技術(shù)ZigBee是一種短距離、低功耗的無線傳輸技術(shù)，是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)，它是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。ZigBee采用分組交換和跳頻技術(shù)，并且可使用三個(gè)頻段，分別是2.4GHz 的公共通用頻段、歐洲的868MHz頻段和美國的915MHz頻段。 ZigBee主要應(yīng)用在短距離范圍并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。與藍(lán)牙相比(xin b)，ZigBee更簡(jiǎn)單、速率更慢、功率及費(fèi)用也更低。同時(shí)，由于ZigBee 技術(shù)的低速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了ZigBe

34、e技術(shù)只適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。 共九十七頁ZigBee技術(shù)主要包括以下特點(diǎn)： (1) 數(shù)據(jù)傳輸速率低，只有10 kb/s250 kb/s，專注(zhunzh)于低傳輸應(yīng)用。 (2) 低功耗。ZigBee設(shè)備只有激活和睡眠兩種狀態(tài)，而且ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通信循環(huán)次數(shù)非常少，工作周期很短，所以一般來說兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月以上。(3) 成本低。因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。 共九十七頁(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大。ZigBee支持(zhch)星形、簇形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持(zhch)255個(gè)設(shè)備。也就是說，每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另

35、外254臺(tái)設(shè)備相連接。 (5) 有效范圍小。ZigBee的有效傳輸距離為10 m75 m，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。 (6) 工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4 GHz、868 MHz(歐洲)及915 MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。共九十七頁(7) 可靠性高。ZigBee采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能，信息在整個(gè)(zhngg)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?(8) 時(shí)延短。ZigBee針對(duì)

36、時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。共九十七頁(9) 安全性高。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒定功能，采用AES-128加密算法，同時(shí)根據(jù)具體應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 由于ZigBee技術(shù)具有成本低、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，可以嵌入各種設(shè)備，在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮了重要作用。其應(yīng)用領(lǐng)域主要有PC外設(shè)(鼠標(biāo)、鍵盤、游戲操控桿)、消費(fèi)類電子設(shè)備(電視機(jī)、CD、VCD、DVD等設(shè)備上的遙控裝置)、家庭(jitng)內(nèi)智能控制(照明、煤氣計(jì)量控制及報(bào)警等)、玩具(電子寵物)、醫(yī)護(hù)(監(jiān)視器和傳感器)、工控(監(jiān)視器、傳感器和自動(dòng)控制設(shè)備)等。 共九十七頁5藍(lán)牙 藍(lán)牙(Bluetoot

37、h)是一種無線數(shù)據(jù)與話音通信的開放性全球規(guī)范，和ZigBee一樣，也是一種短距離的無線傳輸技術(shù)。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的短距離無線接口(ji ku)，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來，是各種設(shè)備在無電線或電纜相互連接的情況下，能在短距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作的一種技術(shù)。共九十七頁藍(lán)牙采用高速跳頻(Frequency Hopping)和時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)等先進(jìn)技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。其傳輸頻段為全球公共通用的2.4 GHz頻段，能提供1 Mb/s的傳輸速率和10 m的傳輸距離(jl)，并采

38、用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。 藍(lán)牙除具有和ZigBee一樣，可以全球范圍適用、功耗低、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)外，還有許多它自己的特點(diǎn)。 共九十七頁(1) 同時(shí)可傳輸話音和數(shù)據(jù)(shj)。藍(lán)牙采用電路交換和分組交換技術(shù)，支持異步數(shù)據(jù)信道、三路話音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步話音同時(shí)傳輸?shù)男诺馈?(2) 可以建立臨時(shí)性的對(duì)等連接(Ad-Hoc Connection)。 (3) 開放的接口標(biāo)準(zhǔn)。為了推廣藍(lán)牙技術(shù)的使用，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)將藍(lán)牙的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)全部公開，全世界范圍內(nèi)的任何單位和個(gè)人都可以進(jìn)行藍(lán)牙產(chǎn)品的開發(fā)，只要最終通過Bluetooth SIG的藍(lán)牙產(chǎn)品兼容性測(cè)試

39、，就可以推向市場(chǎng)。 共九十七頁藍(lán)牙作為一種電纜替代技術(shù)，主要有以下三類應(yīng)用：話音/數(shù)據(jù)接入、外圍設(shè)備互連和個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)。在物聯(lián)網(wǎng)的感知層，主要是用于數(shù)據(jù)接入。藍(lán)牙技術(shù)有效地簡(jiǎn)化了移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化設(shè)備與因特網(wǎng)之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速、高效，為無線通信拓寬(tu kun)了道路。共九十七頁2.3 網(wǎng) 絡(luò) 層2.3.1 網(wǎng)絡(luò)層的功能物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)(wnglu)層是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)(wnglu)的基礎(chǔ)上建立起來的，它與目前主流的移動(dòng)通信網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、各類專網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)(wnglu)一樣，主要承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，特別是當(dāng)三網(wǎng)融合后，有線電視網(wǎng)也能承擔(dān)數(shù)

40、據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?共九十七頁在物聯(lián)網(wǎng)中，要求網(wǎng)絡(luò)層能夠把感知層感知到的數(shù)據(jù)無障礙、高可靠性、高安全性地進(jìn)行傳送，它解決的是感知層所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)，尤其是遠(yuǎn)距離的傳輸問題。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層將承擔(dān)比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更大的數(shù)據(jù)量和面臨更高的服務(wù)質(zhì)量要求，所以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)尚不能滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求(xqi)，這就意味著物聯(lián)網(wǎng)需要對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合和擴(kuò)展，利用新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)更加廣泛和高效的互聯(lián)功能。 共九十七頁由于廣域通信網(wǎng)絡(luò)在早期物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的缺位，早期的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用往往在部署范圍(fnwi)、應(yīng)用領(lǐng)域等諸多方面有所局限，終端之間以及終端與后臺(tái)軟件之間都難以開展協(xié)同。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，建立端到端的全局網(wǎng)絡(luò)將成為

41、必須。 共九十七頁2.3.2 網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)由于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層是建立在Internet和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)有(xin yu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的，除具有目前已經(jīng)比較成熟的如遠(yuǎn)距離有線、無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)外，為實(shí)現(xiàn)“物物相連”的需求，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層將綜合使用IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有線與無線的結(jié)合、寬帶與窄帶的結(jié)合、感知網(wǎng)與通信網(wǎng)的結(jié)合。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層中的感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的技術(shù)。 共九十七頁下面將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)依托的Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無

42、線傳感器網(wǎng)絡(luò)三種主要網(wǎng)絡(luò)形態(tài)以及涉及的IPv6、Wi-Fi等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行(jnxng)簡(jiǎn)單介紹.共九十七頁1Internet Internet，中文譯為因特網(wǎng)，廣義的因特網(wǎng)叫互聯(lián)網(wǎng)，是以相互交流信息資源為目的，基于一些共同的協(xié)議，并通過許多路由器和公共互聯(lián)網(wǎng)連接而成，它是一個(gè)信息資源和資源共享的集合。Internet采用了目前最流行的客戶機(jī)/服務(wù)器工作(gngzu)模式，凡是使用TCP/IP協(xié)議，并能與Internet中任意主機(jī)進(jìn)行通信的計(jì)算機(jī)，無論是何種類型、采用何種操作系統(tǒng)，均可看成是Internet的一部分，可見Internet覆蓋范圍之廣。物聯(lián)網(wǎng)也被認(rèn)為是Internet的進(jìn)一步延伸。

43、 共九十七頁Internet將作為物聯(lián)網(wǎng)主要的傳輸網(wǎng)絡(luò)之一，然而為了讓Internet適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)量和多終端的要求，業(yè)界正在發(fā)展一系列新技術(shù)。其中，由于Internet中用(zhngyng)IP地址對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，而目前的IPv4受制于資源空間耗竭，已經(jīng)無法提供更多的IP地址，所以IPv6以其近乎無限的地址空間將在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重大作用。引入IPv6技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)不僅可以為人類服務(wù)，還將服務(wù)于眾多硬件設(shè)備，如家用電器、傳感器、遠(yuǎn)程照相機(jī)、汽車等，它將使物聯(lián)網(wǎng)無所不在、無處不在地深入社會(huì)的每個(gè)角落。 共九十七頁2移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信就是移動(dòng)體之間的通信，或移動(dòng)體與固定體之間的通信。通過有線或無線

44、介質(zhì)將這些物體連接起來進(jìn)行話音等服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)就是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)三部分組成(z chn)。無線接入網(wǎng)主要為移動(dòng)終端提供接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)主要為各種業(yè)務(wù)提供交換和傳輸服務(wù)。從通信技術(shù)層面看，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基本技術(shù)可分為傳輸技術(shù)和交換技術(shù)兩大類。 共九十七頁在物聯(lián)網(wǎng)中，終端需要以有線或無線方式連接起來，發(fā)送或者接收各類數(shù)據(jù)(shj)；同時(shí)，考慮到終端連接的方便性、信息基礎(chǔ)設(shè)施的可用性(不是所有地方都有方便的固定接入能力)以及某些應(yīng)用場(chǎng)景本身需要監(jiān)控的目標(biāo)就是在移動(dòng)狀態(tài)下，因此，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以其覆蓋廣、建設(shè)成本低、部署方便、終端具備移動(dòng)性等特點(diǎn)將成為物

45、聯(lián)網(wǎng)重要的接入手段和傳輸載體，為人與人之間、人與網(wǎng)絡(luò)之間、物與物之間的通信提供服務(wù)。 在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)前比較熱門的接入技術(shù)有3G、Wi-Fi和WiMAX。 共九十七頁在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，3G是指第三代支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通信技術(shù)，3G網(wǎng)絡(luò)則綜合了蜂窩、無繩、集群、移動(dòng)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星等各種移動(dòng)通信系統(tǒng)的功能，與固定電信網(wǎng)的業(yè)務(wù)兼容，能同時(shí)提供話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。3G的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所有地區(qū)(城區(qū)(chngq)與野外)的無縫覆蓋，從而使用戶在任何地方均可以使用系統(tǒng)所提供的各種服務(wù)。3G包括三種主要國際標(biāo)準(zhǔn)，即CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA，其中TD-SCDMA是由中國第一個(gè)提出的，以我

46、國知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主的、被國際上廣泛接受和認(rèn)可的無線通信國際標(biāo)準(zhǔn)。 共九十七頁Wi-Fi全稱Wireless Fidelity(無線保真技術(shù))，傳輸距離有幾百米，可實(shí)現(xiàn)各種便攜設(shè)備(手機(jī)、筆記本電腦、PDA等)在局部區(qū)域內(nèi)的高速無線連接或接入局域網(wǎng)。Wi-Fi是由接入點(diǎn)(Access Point，AP)和無線網(wǎng)卡組成(z chn)的無線網(wǎng)絡(luò)。主流的Wi-Fi技術(shù)無線標(biāo)準(zhǔn)有IEEE 802.11b及IEEE 802.11g兩種，可分別提供11 Mb/s和54 Mb/s兩種傳輸速率。 共九十七頁WiMAX全稱為World Interoperability for Microwave Access(全球微

47、波接入互操作性)，是一種城域網(wǎng)(MAN)無線接入技術(shù)，它是針對(duì)微波和毫米波頻段提出的一種空中接口標(biāo)準(zhǔn)，其信號(hào)傳輸(chun sh)半徑可以達(dá)到50km，基本上能覆蓋到城郊。正是由于這種遠(yuǎn)距離傳輸(chun sh)特性，WiMAX不僅能解決無線接入問題，還能作為有線網(wǎng)絡(luò)接入(有線電視、DSL)的無線擴(kuò)展，方便地實(shí)現(xiàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)連接。 共九十七頁3無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的基本功能是將一系列空間分散的傳感器單元通過自組織的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，從而將各自采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸匯總，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控，并根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)(xingyng)的分析

48、和處理。共九十七頁很多文獻(xiàn)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)歸為感知層技術(shù)，實(shí)際上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)貫穿物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層面，是結(jié)合了計(jì)算機(jī)、通信、傳感器三項(xiàng)技術(shù)的一門新興技術(shù)，具有較大范圍、低成本、高密度、靈活布設(shè)、實(shí)時(shí)采集(cij)、全天候工作的優(yōu)勢(shì)，且對(duì)物聯(lián)網(wǎng)其他產(chǎn)業(yè)具有顯著帶動(dòng)作用。共九十七頁如果說Internet構(gòu)成了邏輯上的虛擬數(shù)字世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的數(shù)字世界與客觀上的物理(wl)世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測(cè)、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比較，它具有如下特點(diǎn)： 共九十七頁(1) 節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為(n wi)龐

49、大(上千甚至上萬)，節(jié)點(diǎn)分布更為(n wi)密集； (2) 由于環(huán)境影響和存在能量耗盡問題，節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障； (3) 環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化； (4) 通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的； (5) 傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等都十分有限。 因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效利用，主要涉及節(jié)能、定位、時(shí)間同步等關(guān)鍵技術(shù)，這也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。 共九十七頁2.4 應(yīng) 用 層2.4.1 應(yīng)用層的功能應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力和目的。應(yīng)用層的主要功能是把感知和傳輸來的信息進(jìn)行分析和處理，做出正確的控制和決策，實(shí)現(xiàn)

50、智能化的管理、應(yīng)用和服務(wù)。這一層解決(jiju)的是信息處理和人機(jī)界面的問題。 共九十七頁物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可分為監(jiān)控型(物流監(jiān)控、污染監(jiān)控)、查詢型(智能檢索、遠(yuǎn)程抄表)、控制性(智能交通、智能家居、路燈控制)和掃描型(手機(jī)錢包、高速公路不停車收費(fèi))等。目前(mqin)，軟件開發(fā)、智能控制技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用層技術(shù)會(huì)為用戶提供豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。同時(shí)，各種行業(yè)和家庭應(yīng)用的開發(fā)會(huì)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的普及，也會(huì)給整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈帶來利潤。 共九十七頁2.4.2 應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層能夠?yàn)橛脩籼峁┴S富多彩的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，然而，如何合理、高效地處理從網(wǎng)絡(luò)層傳來的海量數(shù)據(jù)，并從中提取有效(yuxio)信息，是

51、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。下面將對(duì)應(yīng)用層的M2M、用于處理海量數(shù)據(jù)的云計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 共九十七頁1M2M M2M是Machine-to-Machine(機(jī)器對(duì)機(jī)器)的縮寫，根據(jù)(gnj)不同應(yīng)用場(chǎng)景，往往也被解釋為Man-to-Machine(人對(duì)機(jī)器)、Machine-to-Man(機(jī)器對(duì)人)、Mobile-to-Machine(移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器)、Machine-to-Mobile(機(jī)器對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))。Machine一般特指人造的機(jī)器設(shè)備，而物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)中的Things則是指更抽象的物體，范圍更廣。例如，樹木和動(dòng)物屬于Things，可以被

52、感知、被標(biāo)記，屬于物聯(lián)網(wǎng)的研究范疇，但它們不是Machine，不是人為事物；冰箱則屬于Machine，同時(shí)也是一種Things。所以，M2M可以看做是物聯(lián)網(wǎng)的子集或應(yīng)用。 共九十七頁M2M是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)普遍的應(yīng)用形式，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的第一步。M2M業(yè)務(wù)現(xiàn)階段通過結(jié)合通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和軟件智能處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器設(shè)備信息的自動(dòng)獲取和自動(dòng)控制。這個(gè)階段通信的對(duì)象主要是機(jī)器設(shè)備，尚未擴(kuò)展到任何物品，在通信過程中，也以使用離散的終端節(jié)點(diǎn)為主。并且，M2M的平臺(tái)也不等于(dngy)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營的平臺(tái)，它只解決了物與物的通信，解決不了物聯(lián)網(wǎng)智能化的應(yīng)用。所以，隨著軟件的發(fā)展，特別是應(yīng)用軟件和中間件軟件的

53、發(fā)展，M2M平臺(tái)可以逐漸過渡到物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用平臺(tái)上。共九十七頁M2M將多種不同類型的通信技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，將數(shù)據(jù)從一臺(tái)終端傳送到另一臺(tái)終端，也就是機(jī)器與機(jī)器的對(duì)話。M2M技術(shù)綜合了數(shù)據(jù)采集、GPS、遠(yuǎn)程監(jiān)控、電信、工業(yè)控制等技術(shù)，可以在安全監(jiān)測(cè)、自動(dòng)抄表、機(jī)械服務(wù)(fw)、維修業(yè)務(wù)、自動(dòng)售貨機(jī)、公共交通系統(tǒng)、車隊(duì)管理、工業(yè)流程自動(dòng)化、電動(dòng)機(jī)械、城市信息化等環(huán)境中運(yùn)行并提供廣泛的應(yīng)用和解決方案。 共九十七頁M2M技術(shù)的目標(biāo)就是使所有機(jī)器設(shè)備都具備聯(lián)網(wǎng)和通信能力，其核心理念就是網(wǎng)絡(luò)一切(Network Everything)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備具有了通信和聯(lián)網(wǎng)能力，網(wǎng)絡(luò)一切逐步變

54、為現(xiàn)實(shí)。M2M技術(shù)具有非常重要的意義，有著(yu zhe)廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用，會(huì)推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)方式和生活方式的新一輪變革。共九十七頁2云計(jì)算 云計(jì)算(Cloud Computing)是分布式計(jì)算(Distributed Computing)、并行計(jì)算(Parallel Computing)和網(wǎng)格計(jì)算(Grid Computing)的發(fā)展，或者說是這些計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)。云計(jì)算通過共享基礎(chǔ)資源(硬件、平臺(tái)、軟件)的方法，將巨大的系統(tǒng)池連接在一起以提供各種IT服務(wù)，這樣企業(yè)與個(gè)人用戶無需再投入昂貴的硬件購置成本，只需要通過互聯(lián)網(wǎng)來租賃計(jì)算力等資源。用戶可以在多種場(chǎng)合(chng h)，利用各類終端

55、，通過互聯(lián)網(wǎng)接入云計(jì)算平臺(tái)來共享資源。 共九十七頁云計(jì)算涵蓋的業(yè)務(wù)范圍一般有狹義和廣義之分。狹義云計(jì)算指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式，通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展(kuzhn)的方式獲得所需的資源(硬件、平臺(tái)、軟件)。提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為“云”?！霸啤敝械馁Y源在使用者看來是可以無限擴(kuò)展的，并且可以隨時(shí)獲取、按需使用、隨時(shí)擴(kuò)展、按使用付費(fèi)。這種特性經(jīng)常被稱為像水電一樣使用的IT基礎(chǔ)設(shè)施。廣義云計(jì)算指服務(wù)的交付和使用模式，通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的服務(wù)。這種服務(wù)可以是與IT和軟件、互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的，也可以使用任意其他的服務(wù)。 共九十七頁云計(jì)算具有強(qiáng)大的處理能力、存儲(chǔ)能力、帶寬和極高的性價(jià)比，可以

56、有效用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和業(yè)務(wù)，也是應(yīng)用層能提供眾多服務(wù)的基礎(chǔ)。它可以為各種不同(b tn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供統(tǒng)一的服務(wù)交付平臺(tái)，可以為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供海量的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，還可以提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和數(shù)據(jù)處理方法。利用云計(jì)算可大大簡(jiǎn)化應(yīng)用的交付過程，降低交付成本，并能提高處理效率。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)也將成為云計(jì)算最大的用戶，促使云計(jì)算取得更大的商業(yè)成功。共九十七頁3人工智能 人工智能(Artificial Intelligence)是探索、研究使各種機(jī)器模擬人的某些思維過程和智能行為(如學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等)，使人類(rnli)的智能得以物化與延伸的一門學(xué)科。目前對(duì)人工智能的定義大多可劃分為四類，即機(jī)

57、器“像人一樣思考”、“像人一樣行動(dòng)”、“理性地思考”和“理性地行動(dòng)”。人工智能企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以與人類智能相似的方式作出反應(yīng)的智能機(jī)器。該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。目前主要的方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計(jì)算和粒度計(jì)算三種。在物聯(lián)網(wǎng)中，人工智能技術(shù)主要負(fù)責(zé)分析物品所承載的信息內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理。 共九十七頁人工智能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：大大改善操作者作業(yè)環(huán)境，減輕工作強(qiáng)度；提高作業(yè)質(zhì)量和工作效率；一些危險(xiǎn)場(chǎng)合或重點(diǎn)施工應(yīng)用得到解決；環(huán)保、節(jié)能(ji nn)；提高機(jī)器的自動(dòng)化程度及智能化水平；提高設(shè)備的可靠性，降低維護(hù)成本；實(shí)現(xiàn)故障診斷的智能化等。 共九十七頁4數(shù)據(jù)挖掘 數(shù)據(jù)挖掘(Data Mining)是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的及隨機(jī)的實(shí)際應(yīng)用(yngyng)數(shù)據(jù)中，挖掘出隱含的、未知的、對(duì)決策有潛在價(jià)值的數(shù)據(jù)的過程。數(shù)據(jù)挖掘主要基于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)據(jù)庫、可視化技術(shù)等，高度自動(dòng)化地分析數(shù)據(jù)，做出歸納性的推理。它一般分為描述型數(shù)據(jù)挖掘和預(yù)測(cè)型數(shù)據(jù)挖掘兩種。描述型數(shù)據(jù)挖掘包括數(shù)據(jù)總結(jié)、聚類及關(guān)聯(lián)分析等；預(yù)測(cè)型數(shù)據(jù)挖掘包括分類、回歸及時(shí)間序列分析等。數(shù)據(jù)挖掘通過對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析、綜合、歸納和推理，揭示事件間的相互關(guān)系，預(yù)測(cè)未來的發(fā)展趨勢(shì)，為決策者提供決策依據(jù)。 共九十