物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成與要素

關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成與要素第1頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五第2章 目錄2.1 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成與要素2.2 物聯(lián)網(wǎng)中的計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)接入2.3產(chǎn)品電子代碼（EPC）與RFID第2頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.1 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成與要素

2.1.1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)2.1.3物聯(lián)網(wǎng)建模與要素第3頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.1 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成與要素

2.1.1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成實質(zhì)是利用射頻自動識別(RFID)技術(shù)，通過計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品(商品)的自動識別、信息的互聯(lián)與共享和智能控制。在物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想中，RFID標(biāo)簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)把它們自動采集到中央信息系統(tǒng)，實現(xiàn)物品(商品)的識別，進(jìn)而通過開放性的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交換和共享，實現(xiàn)對物品的“透明”管理。第4頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)特征來看與互聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系有幾點特征：（1）軟、硬技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用網(wǎng)。從目前技術(shù)觀點看，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系是由可接入互聯(lián)網(wǎng)的傳感器組成的軟硬結(jié)合的應(yīng)用網(wǎng)。（2）互聯(lián)網(wǎng)與傳感器是基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)不是一個全新的網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和擴(kuò)展，是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一部分。（3）互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)好比是人類信息交換的動脈，物聯(lián)網(wǎng)就是毛細(xì)血管，兩者互聯(lián)互通，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的有益補(bǔ)充。第5頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五（4）未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)絡(luò)、未來的互聯(lián)網(wǎng)，他們的名字雖然不同，但表達(dá)的都是同一個愿景，那就是人類可以隨時、隨地、使用任何網(wǎng)絡(luò)、聯(lián)系任何人或物，達(dá)到信息自由交換的目的。物聯(lián)網(wǎng)需要對物體具有全面感知能力，對信息具有可靠傳送和智能處理能力，從而形成一個連接物體與物體的信息網(wǎng)絡(luò)，即全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯(lián)網(wǎng)的基本特征。第6頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

1、物聯(lián)網(wǎng)及其服務(wù)體系分類：（1）按應(yīng)用對象分：專用物聯(lián)網(wǎng)和公眾物聯(lián)網(wǎng)公眾物聯(lián)網(wǎng)：為滿足大眾生活和信息的需求提供的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。專用物聯(lián)網(wǎng)：滿足企業(yè)、團(tuán)體或個人特色的應(yīng)用需求，有針對地提供專業(yè)性的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。專用物聯(lián)網(wǎng)可以利用公眾網(wǎng)絡(luò)(如Internet)、專用網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)或移動通信互聯(lián)網(wǎng)的公用網(wǎng)絡(luò)）中的專用資源等進(jìn)行信息傳送。第7頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五表表2-1表2-1物聯(lián)網(wǎng)分類方式舉例第8頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)多跳接入是利用WSN技術(shù)，將具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式，各節(jié)點能根據(jù)環(huán)境的變化，自主地完成網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組織和信息的傳遞。由于節(jié)點間距離較短，一般采用多跳方式進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)最終將信息通過接入網(wǎng)關(guān)傳遞到承載網(wǎng)絡(luò)。典型的無線傳感器設(shè)備有ZigBee、UWB等。多跳接入方式適用于終端設(shè)備分別集中、終端與網(wǎng)絡(luò)間傳遞數(shù)據(jù)量較小的應(yīng)用。通過采用多跳接入方式可以降低末梢節(jié)點、接入層和承載網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)投資和應(yīng)用成本，以及方便建設(shè)實施工作和提升接入網(wǎng)絡(luò)的健壯性，如圖所示。第9頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五

2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)自身特征，其應(yīng)該提供以下幾類服務(wù)：連網(wǎng)類服務(wù)：物品標(biāo)識、通信和定位。信息類服務(wù)：信息采集、存儲和查詢。操作類服務(wù)：遠(yuǎn)程配置、監(jiān)測、遠(yuǎn)程操作和控制。安全類服務(wù)：用戶管理、訪問控制、事件報警、入侵檢測和攻擊防御。管理類服務(wù)：故障診斷、性能優(yōu)化、系統(tǒng)升級和計費管理服務(wù)。

根據(jù)不同領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，以上服務(wù)類型可以進(jìn)行相應(yīng)地擴(kuò)展或裁剪。物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型是設(shè)計和驗證物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要依據(jù)。因此，也可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的不同應(yīng)用來構(gòu)建不同的體系結(jié)構(gòu)。第10頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和互連類型為了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，首先需要劃分物聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的類型。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點可以分成無源CPS節(jié)點、有源CPS節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)CPS節(jié)點，其特征從以下方面進(jìn)行描述：電源、移動性、感知性、存儲能力、計算能力、連網(wǎng)能力和連接能力。第11頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和互連類型無源CPS節(jié)點：具有電子標(biāo)簽的物體，這是物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)量最多的節(jié)點。有源CPS節(jié)點：具備感知、連網(wǎng)和控制能力的嵌入式系統(tǒng)，這是物聯(lián)網(wǎng)的核心節(jié)點?；ヂ?lián)網(wǎng)CPS節(jié)點：具備連網(wǎng)、控制能力的計算系統(tǒng)，這是物聯(lián)網(wǎng)的信息中心和控制中心。第12頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和互連類型根據(jù)以上物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的分類，可以進(jìn)一步研究可能存在的連接類型。例如，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點之間存在無源節(jié)點與有源節(jié)點、有源節(jié)點與有源節(jié)點及有源節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點之間的連接，這些類型的連接結(jié)構(gòu)構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的體系結(jié)構(gòu)。由于物聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)性，通用物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成：無源節(jié)點與有源節(jié)點互聯(lián)結(jié)構(gòu)、有源節(jié)點與有源節(jié)點互聯(lián)結(jié)構(gòu)、有源節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點互聯(lián)結(jié)構(gòu)。第13頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和互連類型無源節(jié)點與有源節(jié)點互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖所示。第14頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和互連類型有源節(jié)點與有源節(jié)點互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖所示。第15頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和互連類型有源節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖所示。第16頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五2.物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和互連類型在以上定義的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)物理層協(xié)議提供在物理信道上采集和傳遞信息的功能，具有一定的安全性和可靠性控制能力；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議提供對物理信道訪問控制、復(fù)用，在鏈路層安全、可靠、高效傳遞數(shù)據(jù)的功能，具有較為完整的可靠性、安全性控制能力，可以提供服務(wù)質(zhì)量的保證；

應(yīng)用層協(xié)議提供信息采集、傳遞、查詢功能，具有較為完整的用戶管理、聯(lián)網(wǎng)配置、安全管理、可靠性控制能力。第17頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計應(yīng)該遵循一定的原則，而設(shè)計體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)必不可少的環(huán)節(jié)，其原則具體包括：（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)節(jié)點類型的不同，分成多種類型的體系結(jié)構(gòu)；（2）時空性原則，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)的時間、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)必須能夠平滑地與互聯(lián)網(wǎng)連接；（4）安全性原則，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須能夠防御大范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)攻擊；（5）堅固性原則，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須具備堅固性和可靠性。3.設(shè)計的基本原則第18頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五基于這5條基本原則，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)可以分成標(biāo)識物品、建立物品聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺和建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)幾個環(huán)節(jié)。（1）構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的第一步是標(biāo)識物品，也就是標(biāo)識世界上所有的物品，需要利用電子標(biāo)簽和傳感器技術(shù)。世界上所有的物品可以簡單分成人造物品和自然物品，貼上電子標(biāo)簽或配置傳感裝置，都可以改造成為CPS節(jié)點。標(biāo)識物品的另外一項技術(shù)就是世界統(tǒng)一的物品編碼技術(shù)。目前還沒有針對物聯(lián)網(wǎng)的全球物品編碼技術(shù)。3.設(shè)計的基本原則第19頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五(2）建立物品聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在完成物品標(biāo)識之后，就可以建立、驗證和采集被標(biāo)識物品的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，即有源CPS節(jié)點。需要設(shè)計和實現(xiàn)有源CPS節(jié)點與無源CPS節(jié)點、有源CPS節(jié)點與有源CPS節(jié)點之間的無線通信機(jī)制，以及基于信息編解碼技術(shù)的物品識別機(jī)制；必須設(shè)計和實現(xiàn)通信信道復(fù)用機(jī)制，使得在一條信道上可以同時完成多個無源或者有源CPS節(jié)點的通信，例如同時識別100多個具有RFID標(biāo)簽的物品；設(shè)計和實現(xiàn)通信信道上的可靠傳輸機(jī)制和實時傳輸機(jī)制，滿足物聯(lián)網(wǎng)對可靠性和實時性的要求。前兩部分可以構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。3.設(shè)計的基本原則第20頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五3.設(shè)計的基本原則有源CPS節(jié)點實現(xiàn)系統(tǒng)第21頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五（3）建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)建立在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺之上。在建立有源CPS節(jié)點的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之后，就需要設(shè)計和實現(xiàn)有源CPS節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)配置、用戶管理、節(jié)點控制、信息采集、信息傳輸和信息查詢等功能，建立一個基本的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺，即面向某個具體應(yīng)用領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)中間件。3.設(shè)計的基本原則第22頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五（4）建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)在建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件之后，就可以進(jìn)一步設(shè)計和實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，包括基本應(yīng)用系統(tǒng)和特定應(yīng)用系統(tǒng)?；緫?yīng)用系統(tǒng)包括物品命名管理系統(tǒng)、物品身份真?zhèn)悟炞C系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)管理等，特定應(yīng)用系統(tǒng)包括倉儲管理系統(tǒng)、樓宇監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。3.設(shè)計的基本原則第23頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五3.設(shè)計的基本原則物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)第24頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)需要區(qū)分應(yīng)用系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)端和互聯(lián)網(wǎng)端。應(yīng)用系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)端部署在有源CPS節(jié)點上，可以作為應(yīng)用系統(tǒng)的客戶端（客戶機(jī)/服務(wù)器），也可作為應(yīng)用系統(tǒng)的對等端應(yīng)用模式（P2P，Peer-to-Peer，對等），但是必須要求功能簡捷可靠；應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)端部署在互聯(lián)網(wǎng)CPS節(jié)點上，可以作為應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)器端（客戶機(jī)/服務(wù)器），也可以作為應(yīng)用系統(tǒng)的P2P應(yīng)用模式，但都需要提供較為強(qiáng)大的存儲和后端處理能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。3.設(shè)計的基本原則第25頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五3.設(shè)計的基本原則物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)第26頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五網(wǎng)絡(luò)科學(xué)理論的發(fā)展、基本方法和建模要研究的問題和各要素之間的關(guān)系見下表：2.1.3物聯(lián)網(wǎng)建模與要素

1.物聯(lián)網(wǎng)的物理模型網(wǎng)絡(luò)建模要素第27頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五

1.物聯(lián)網(wǎng)的物理模型第28頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段是建立在Cyber模型基礎(chǔ)之上的，該模型具體化就是互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)是由規(guī)模巨大的節(jié)點和鏈接關(guān)系，以及錯綜復(fù)雜的邊而構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)）。目前有代表性的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)主要是無尺度網(wǎng)絡(luò)和小世界網(wǎng)絡(luò)，以及一些新型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。無尺度度網(wǎng)絡(luò)：在網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點只和很少節(jié)點連接，而有極少的節(jié)點與非常多的節(jié)點連接。這種關(guān)鍵的節(jié)點（稱為“樞紐”或“集散節(jié)點”）的存在使得無尺度網(wǎng)絡(luò)對意外故障有強(qiáng)大的承受能力，但面對協(xié)同性攻擊時則顯得脆弱。現(xiàn)實中的許多網(wǎng)絡(luò)都帶有無尺度的特性，例如因特網(wǎng)、金融系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、社會人際網(wǎng)絡(luò)等等。2.1.3物聯(lián)網(wǎng)建模與要素

1.物聯(lián)網(wǎng)的物理模型第29頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五無尺度網(wǎng)絡(luò)的例子

1.物聯(lián)網(wǎng)的物理模型第30頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五（2）Barabasi-Albert模型1999年，Barabasi和Albert在《科學(xué)》雜志發(fā)表了《隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的標(biāo)度》，發(fā)現(xiàn)了在真實網(wǎng)路中的冪律分布，提出了無尺度網(wǎng)絡(luò)概念和眾多真實網(wǎng)絡(luò)所共有的兩種演化機(jī)理——增長和擇優(yōu)連接。無尺度網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)節(jié)點僅有少量連線，而少數(shù)節(jié)點擁有大量連線。如一個網(wǎng)頁更可能關(guān)注那些已經(jīng)受歡迎的文檔，并與它們保持超鏈接，因高鏈接的文檔很容易被發(fā)現(xiàn)，因而也很著名。

1.物聯(lián)網(wǎng)的物理模型第31頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五在物聯(lián)網(wǎng)中，最常用的是有關(guān)運動的參量。而物體是不斷運動的，而且運動是有規(guī)律的。研究物理運動的理論是最基本的描述物理運動的方法。

2、運動參量與基本的理論第32頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五理論與概念第33頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五控制論是自動控制、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、數(shù)理邏輯、神經(jīng)生理學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、行為科學(xué)等多種學(xué)科技術(shù)相互滲透形成的一門橫斷性學(xué)科?？刂普撗芯勘砻?，無論自動機(jī)器，還是神經(jīng)系統(tǒng)、生命系統(tǒng)，以至經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)，不考慮各自的質(zhì)太特點，都可以看作是一個自動控制系統(tǒng)。反饋對系統(tǒng)的控制和穩(wěn)定起著決定性作用?？刂普撗芯咳绾卫每刂破?，通過信息交換和反饋作用，使系統(tǒng)能自動按照人們預(yù)定的程序運行，最終達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)。

2、運動參量與基本的理論第34頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五自動控制

定義：自動控制就是在沒有人直接操作的情況下，通過控制裝置操縱受控對象（一個裝置或一個生產(chǎn)過程），使之自動地按照給定的規(guī)律運行，使被控變量能按照給定的規(guī)律變化。能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制任務(wù)的系統(tǒng)就可稱為自動控制系統(tǒng)。

組成：第35頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五舉例分析：液位控制系統(tǒng)第36頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，星期五自動控制的基本內(nèi)容第37頁，共41頁，2022年，5月20日，7點44分，