武奇生物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用(第二部分)

第二章

物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成第一章

目錄2.1 物聯(lián)網(wǎng)的工作原理和特性

2.2 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)總述2.3感知層2.4網(wǎng)絡(luò)層2.5應(yīng)用層2.6多視角下的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)2.7國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究2.8物聯(lián)網(wǎng)的安全策略和統(tǒng)一接入控制本章概述本章首先介紹物聯(lián)網(wǎng)的工作原理和特性，然后著重講解物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。本章將從國(guó)內(nèi)外的研究狀況、通用物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和不同視角下物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分類三個(gè)方面闡述物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。最后以EPC結(jié)構(gòu)在實(shí)際中的運(yùn)用作為例子，具體講解物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。2.1.1物聯(lián)網(wǎng)的工作原理實(shí)質(zhì)是利用射頻自動(dòng)識(shí)別(RFID)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品(商品)的自動(dòng)識(shí)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(chǔ)著規(guī)范而具有互用性的信息，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)把它們自動(dòng)采集到中央信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物品(商品)的識(shí)別，進(jìn)而通過(guò)開(kāi)放性的計(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。2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的工作步驟1.1.2visualSTATE事件處理機(jī)制技術(shù)上的問(wèn)題是物聯(lián)網(wǎng)最為關(guān)鍵的問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)，是一項(xiàng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)展步驟主要如下：（1）對(duì)物體屬性進(jìn)行標(biāo)識(shí)，屬性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的屬性。（2）需要識(shí)別設(shè)備完成對(duì)物體屬性的讀取，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。（3）將物體的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行摹?.1.3物聯(lián)網(wǎng)的兩大特征和三個(gè)基本要素物聯(lián)網(wǎng)兩大特征第一：泛在化第二：智能化三個(gè)基本要素第一個(gè)要素是在信息感知這個(gè)方面。全面信息采集是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。第二個(gè)要素就是傳送網(wǎng)。無(wú)所不在、泛在化的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的重要設(shè)施。第三個(gè)要素就是信息處理。其中最重要的就是如何低成本處理海量信息。2.2物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)總述物聯(lián)網(wǎng)大致被公認(rèn)為有三個(gè)層次：底層是用來(lái)感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，最上層則是應(yīng)用層。1.1.2visualSTATE事件處理機(jī)制感知層感知層包括傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備，包括數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關(guān)之前的傳感器網(wǎng)絡(luò)。感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，RFID技術(shù)、傳感和控制技術(shù)、短距離無(wú)線通信技術(shù)是感知層涉及的主要技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)層物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層將建立在現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上。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)，其包括傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、分析、挖掘、理解及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術(shù)。應(yīng)用層物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層利用經(jīng)過(guò)分析處理的感知數(shù)據(jù)為用戶提供豐富的特定服務(wù)。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的。2.3.1感知層概述感知層由各種類型的采集和控制模塊組成，如溫度傳感應(yīng)器、聲音感應(yīng)器、振動(dòng)感應(yīng)器、壓力感應(yīng)器、RFID讀寫器、二維碼識(shí)讀器等，完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制功能，還包括數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關(guān)之前的傳感器網(wǎng)絡(luò)。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。2.3.2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一——RFID

RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。RFID技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享。RFID基本上由三部分組成：標(biāo)簽、讀寫器和天線。具體技術(shù)將在第3章詳細(xì)介紹。2.3.3

傳感器網(wǎng)絡(luò)概述傳感器是機(jī)器感知物質(zhì)世界的“感覺(jué)器官”，可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號(hào)，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成包括如下幾個(gè)基本單元：傳感單元（由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元（包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無(wú)線通信模塊組成）及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)及電源自供電系統(tǒng)等。2.3.3

傳感器網(wǎng)絡(luò)概述面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究包括以下方面：先進(jìn)測(cè)試技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控。智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究。傳感器網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)及底層協(xié)議研究。對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的檢測(cè)與控制。傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全。2.3.4傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)WSN節(jié)點(diǎn)的基本組成包括如下幾個(gè)基本單元：傳感單元（由傳感器和A/D轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元（包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無(wú)線通信模塊組成）及能量單元。按照分工的不同，傳感器網(wǎng)絡(luò)又可以細(xì)分為末梢節(jié)點(diǎn)層和接入層。末梢節(jié)點(diǎn)層由各種類型的采集和控制模塊組成，如溫度感應(yīng)器、聲音感應(yīng)器、振動(dòng)感應(yīng)器、壓力感應(yīng)器、RFID讀寫器、二維碼識(shí)讀器等，完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制功能。接入層由基站節(jié)點(diǎn)（sink節(jié)點(diǎn)）和接入網(wǎng)關(guān)（AccessGateway）組成，完成應(yīng)用末梢各節(jié)點(diǎn)信息的組網(wǎng)控制和信息匯集，或完成向末梢節(jié)點(diǎn)下發(fā)信息的轉(zhuǎn)發(fā)等功能。也就是末梢節(jié)點(diǎn)之間完成組網(wǎng)后，如果末梢節(jié)點(diǎn)需要上傳數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)，基站節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后,通過(guò)接入網(wǎng)關(guān)完成和承載網(wǎng)絡(luò)的連接。2.3.4傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.3.4傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)末梢節(jié)點(diǎn)與接入層構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的信息采集和控制，其按照接入網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性不同可分為簡(jiǎn)單接入方式和多跳接入方式。簡(jiǎn)單接入就是在采集設(shè)備獲取信息后直接通過(guò)有線或無(wú)線方式將信息直接發(fā)送至承載網(wǎng)絡(luò)，如圖所示。目前RFID讀寫設(shè)備主要采用簡(jiǎn)單接入方式，此方式可用于終端設(shè)備分散、數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)應(yīng)用。2.3.4傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)多跳接入是利用WSN技術(shù)，將具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式，各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(guò)接入網(wǎng)關(guān)傳遞到承載網(wǎng)絡(luò)。典型的無(wú)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(guò)采用多跳接入方式可以降低末梢節(jié)點(diǎn)、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(shí)施工作和提升接入網(wǎng)絡(luò)的健壯性，如圖所示。2.4.1網(wǎng)絡(luò)層的組成網(wǎng)絡(luò)層可以細(xì)分為承載網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用控制層。承載網(wǎng)絡(luò)主要由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。應(yīng)用控制層由各種應(yīng)用服務(wù)器組成（包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器），主要功能包括對(duì)采集數(shù)據(jù)的匯集、轉(zhuǎn)換、分析，以及用戶層呈現(xiàn)的適配和事件的觸發(fā)等。2.4.1網(wǎng)絡(luò)層的組成2.4.2互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，但物聯(lián)網(wǎng)并不是互聯(lián)網(wǎng)的翻版，也不是互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)接口。由于物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展，使其具備了互聯(lián)網(wǎng)的特性。物聯(lián)網(wǎng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)由人找物，而且能夠?qū)崿F(xiàn)以物找人，通過(guò)對(duì)人的規(guī)范性回復(fù)進(jìn)行識(shí)別，還能夠做出方案性的選擇?；ヂ?lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的比較，如下表所示。2.4.2互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)2.4.3云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算是分布式計(jì)算技術(shù)的一種，其最基本的概念是透過(guò)網(wǎng)絡(luò)將龐大的計(jì)算處理程序自動(dòng)分拆成無(wú)數(shù)個(gè)較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)經(jīng)搜尋、計(jì)算分析后將處理結(jié)果回傳給用戶。2.4.3云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算具有以下特點(diǎn)：超大規(guī)模虛擬化高可靠性通用性高可擴(kuò)展性按需服務(wù)極其廉價(jià)云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)各自具備很多優(yōu)勢(shì)，把云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)，可以看出，云計(jì)算其實(shí)就相當(dāng)于一個(gè)人的大腦，而物聯(lián)網(wǎng)就是其眼睛、鼻子、耳朵和四肢等。2.4.2互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合方式可以分為：?jiǎn)沃行?，多終端多中心，大量終端信息、應(yīng)用分層處理，海量終端以上三種只是云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合方式的粗線條的勾勒，也許已經(jīng)有很多模式或者方式在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中了，兩者的結(jié)合方式還需要繼續(xù)探索研究。2.4.2互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)都是新興事物，不過(guò)現(xiàn)在已經(jīng)有了很多的應(yīng)用。但是，兩者結(jié)合的案例目前還是比較少的。有了云計(jì)算中心的廉價(jià)、超大量的處理能力和存儲(chǔ)能力，有了物聯(lián)網(wǎng)無(wú)處不在的信息采集，這兩者結(jié)合，將出現(xiàn)整個(gè)星球的生物都聯(lián)系起來(lái)的奇妙情景。云計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它將引導(dǎo)互聯(lián)網(wǎng)和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2.5應(yīng)用層應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的目的。軟件開(kāi)發(fā)、智能控制技術(shù)將會(huì)為用戶提供豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。各種行業(yè)和家庭應(yīng)用的開(kāi)發(fā)將會(huì)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的普及。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展面臨互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期相似的問(wèn)題，那就是如何解決內(nèi)容應(yīng)用豐富和商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式的問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用延伸，是信息網(wǎng)絡(luò)上的一種增值應(yīng)用，有別于語(yǔ)音電話、短信等基本的通信需求。因此，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期面臨著廣泛開(kāi)展需求挖掘及投資消費(fèi)引導(dǎo)的工作。2.5應(yīng)用層物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用類型2.5應(yīng)用層總體來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)將在提升信息傳送效率、改善民生、提高生產(chǎn)率、降低企業(yè)管理成本等方面發(fā)揮重要作用。從實(shí)際價(jià)值和購(gòu)買能力來(lái)看，企業(yè)將有望成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的第一批用戶，其應(yīng)用也將是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期的主要應(yīng)用。從企業(yè)點(diǎn)點(diǎn)滴滴應(yīng)用開(kāi)始，逐步延伸擴(kuò)大，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈成熟和應(yīng)用的成熟。2.6.1物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)自身特征，其應(yīng)該提供以下幾類服務(wù)：聯(lián)網(wǎng)類服務(wù)。物品標(biāo)識(shí)、通信和定位。信息類服務(wù)。信息采集、存儲(chǔ)和查詢。操作類服務(wù)。遠(yuǎn)程配置、監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程操作和控制。安全類服務(wù)。用戶管理、訪問(wèn)控制、事件報(bào)警、入侵檢測(cè)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(jí)和計(jì)費(fèi)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?cái)U(kuò)展或裁剪。物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型是設(shè)計(jì)和驗(yàn)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(lái)構(gòu)建不同的體系結(jié)構(gòu)。2.6.2物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)分類為了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，首先需要?jiǎng)澐治锫?lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的類型。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以分成無(wú)源CPS節(jié)點(diǎn)、有源CPS節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)CPS節(jié)點(diǎn)，其特征從以下方面進(jìn)行描述：電源、移動(dòng)性、感知性、存儲(chǔ)能力、計(jì)算能力、聯(lián)網(wǎng)能力和連接能力。2.6.3物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)根據(jù)以上物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間存在無(wú)源節(jié)點(diǎn)與有源節(jié)點(diǎn)、有