物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)(2-1)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)李世明副教授/碩士生導(dǎo)師網(wǎng)絡(luò)信息工程教研室Tel:Email:

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43242567計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院第2章物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)問題1：物聯(lián)網(wǎng)究竟是什么樣的？問題2：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)究竟是什么樣的？問題3：繁雜的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有沒有共性？如果有，這個共性是什么？問題4：如何來理解、分析或設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)？第2章物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)概述物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)架2.2.1總體標(biāo)準(zhǔn)2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)2.2.3網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)2.2.4服務(wù)支撐標(biāo)準(zhǔn)2.2.5應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)2.2.6共性標(biāo)準(zhǔn)小結(jié)學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)時分配：理論4學(xué)時；重點內(nèi)容：物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)感知層標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)支撐標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)和共性標(biāo)準(zhǔn)以及各標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵技術(shù)簡介。引子：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用2.1概述至今還沒有一個被廣泛認(rèn)同的體系結(jié)構(gòu)，其相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)也沒有被正式發(fā)布我國已提交部分物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

交通運輸部推動制訂的《集裝箱－RFID貨運標(biāo)簽系統(tǒng)》，并于2010年由ISO）正式發(fā)布成為物流和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中首個國際標(biāo)準(zhǔn)；“物聯(lián)網(wǎng)概述”（Y.IoT-overview）標(biāo)準(zhǔn)草案（標(biāo)準(zhǔn)編號為Y.2060）由國際電信聯(lián)盟（ITU-T）第13研究組會議審議通過。國外:歐美EPC

Global;日本的U-Japan等2.1概述常見的一種物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)特點：層次清晰、便于理解；過于籠統(tǒng)2.1概述物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展體系架構(gòu)缺少如物聯(lián)網(wǎng)安全等重要問題方面的考慮2.1概述新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)中國物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合工作組提出2.1概述物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)架中國物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合工作組提出2.2物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)架總體標(biāo)準(zhǔn)感知層標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)支撐標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)共性標(biāo)準(zhǔn)2.2.1總體標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系影響著整個物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模、研究內(nèi)容和產(chǎn)業(yè)化形式，標(biāo)準(zhǔn)的全面性和先進(jìn)性直接影響著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向和發(fā)展速度。2.2.1總體標(biāo)準(zhǔn)1．物聯(lián)網(wǎng)

的核心層次2.2.1總體標(biāo)準(zhǔn)物品編碼

物聯(lián)網(wǎng)需要在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)擴(kuò)展和衍生，并按照新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及協(xié)議，在對全球范圍內(nèi)的物品進(jìn)行管理或信息共享時，需要從公共物聯(lián)網(wǎng)的角度探討物品的編碼方案，使全球物品都納入到統(tǒng)一的編碼方案之中，以便于利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行管理。物品識別

物聯(lián)網(wǎng)能夠讓物品“開口說話”，將物理世界與虛擬世界進(jìn)行融合，從而達(dá)到對物品的透明管理；要想達(dá)到上述目標(biāo)，物品的自動識別技術(shù)成為其核心技術(shù)。2.2.1總體標(biāo)準(zhǔn)（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)利用了Internet的開放性，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的信息交換與信息共享過程中為物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和系統(tǒng)應(yīng)用功能，其中物聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)器用于存放物品的信息，物聯(lián)網(wǎng)名稱解析服務(wù)器用于解析物聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)器的IP地址，物品的相關(guān)信息應(yīng)該采用實體標(biāo)記語言表述和傳遞，物聯(lián)網(wǎng)最終將完成信息傳輸和信息管理的功能。2.2.1總體標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)的核心功能

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用傳感器采集數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行傳輸，由于感知到數(shù)據(jù)種類紛繁復(fù)雜，要想正確、快速處理這些數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)必須解決如下問題：（1）數(shù)據(jù)異構(gòu)性問題解決數(shù)據(jù)的異構(gòu)性問題必須從基礎(chǔ)軟件入手。節(jié)點操作系統(tǒng)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)中間件2.2.1總體標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)的核心功能（2）數(shù)據(jù)的海量計算和實時處理問題流數(shù)據(jù)海量數(shù)據(jù)兩種策略：把所有的數(shù)據(jù)都提交給服務(wù)器來處理，為此必須利用更高性能的服務(wù)器甚至為計算中心將數(shù)據(jù)化整為零，提高物聯(lián)網(wǎng)中每一個元素（或節(jié)點）的智能化水平或計算能力，使其自身能夠完成數(shù)據(jù)的中間處理過程，未完成的計算則傳遞到服務(wù)器上進(jìn)行最終處理2.2.1總體標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)的核心功能（3）數(shù)據(jù)傳輸問題傳感器采集到的數(shù)據(jù)被安全可靠地傳輸給數(shù)據(jù)處理中心是得到正確計算結(jié)果的前提。各類傳感器、各種物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點、RFID標(biāo)簽或讀寫器等都是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的源頭和樞紐，它們都是數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)年P(guān)鍵部件。各部件的能耗、系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性等決定物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是否能夠長期可靠地運行，因此必須重視優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)源頭器件硬件的研發(fā)、基礎(chǔ)架構(gòu)理論的研究和探索。2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)感知層技術(shù)是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知能力的核心

關(guān)鍵在于要求物品具備更精確、更全面的感知能力，同時還要滿足低功耗、低成本和微型化的要求感知層標(biāo)準(zhǔn)是保證物聯(lián)網(wǎng)感知和捕獲物理世界信息的首要方案2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)不同結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集

在感知層，數(shù)據(jù)采集主要依靠裝備了各種傳感器（或執(zhí)行器）的傳感網(wǎng)節(jié)點來感知捕獲外界信息的（1）傳感器傳感器是指能按照一定的規(guī)律將感知到的被測量轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置；也就是說，傳感器是感知延伸層獲取數(shù)據(jù)的一種設(shè)備，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分組成。常見的傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、超生波測距傳感器、加速度傳感器和氣敏傳感器等。2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集（2）射頻識別技術(shù)射頻識別技術(shù)（Radio

FrequencyIdentificationDevices，RFID）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，其識別過程無須人工干預(yù)。RFID具有無需接觸、不怕油漬和灰塵污染、自動化程度高、耐用可靠、識別速度快、適應(yīng)各種工作環(huán)境、可實現(xiàn)高速和多標(biāo)簽同時識別2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)RFID2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)RFID結(jié)構(gòu)2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集（3）二維碼技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)中最基本、最關(guān)鍵的技術(shù)之一最大的優(yōu)勢在于其成本較低，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，目前價格較高。2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集（4）數(shù)據(jù)采集接口傳感器輸出的信號是模擬信號或數(shù)字信號數(shù)據(jù)采集接口完成對傳感器輸出信號的接收和處理，處理后的信號為可供測量、控制使用及便于計算2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)短距離傳輸和自組織組網(wǎng)補充和延伸接入網(wǎng)絡(luò)（1）短距離傳輸IEEE802.15.4

經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/915MHz的無線技術(shù)，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡(luò)UWB

超寬帶（UltraWideband，UWB）是一種無載波通信技術(shù)，在10米左右的范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)百Mbit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)短距離傳輸和自組織組網(wǎng)近距離無線通訊技術(shù)飛利浦公司和索尼公司共同開發(fā)的一種非接觸式識別和互聯(lián)技術(shù)運行在13.56MHz的頻率范圍內(nèi)，能在大約10cm范圍內(nèi)建立設(shè)備之間的連接，傳輸速率可為106kbit/s、212kbit/s、424kbit/s，未來可提高到848kbit/s可以在移動設(shè)備、消費類電子產(chǎn)品、PC和智能控件工具間進(jìn)行近距離無線通信2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)短距離傳輸和自組織組網(wǎng)藍(lán)牙一種低成本、短距離的無線個人網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的短距離無線接口傳輸頻段為全球公共通用的2.4GHz頻段，能提供1Mbit/s的傳輸速率和10m的傳輸距離采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)短距離傳輸和自組織組網(wǎng)（2）自組織組網(wǎng)傳感器網(wǎng)微小傳感器節(jié)點、自組織、多跳無線網(wǎng)絡(luò)等個域網(wǎng)無線連接技術(shù)且用于與一個人關(guān)系密切的計算機(jī)設(shè)備之間通信的個人局域網(wǎng)車域網(wǎng)等汽車環(huán)境、信息識別和傳感設(shè)備2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)關(guān)作用2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)短距離傳輸和自組織組網(wǎng)（3）網(wǎng)關(guān)連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶實現(xiàn)數(shù)據(jù)在異構(gòu)網(wǎng)之間的傳輸實現(xiàn)與局域網(wǎng)及廣域網(wǎng)的互聯(lián)具備設(shè)備管理功能2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同信息處理和服務(wù)支持

（1）提供標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)接口，開發(fā)交互界面，編寫詳細(xì)的數(shù)據(jù)上傳、下載、存儲以及其他等業(yè)務(wù)交互流程。

（2）采用節(jié)點中間件方式實現(xiàn)傳感器節(jié)點與上層功能模塊的之間接口，通過定義一系列統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口，屏蔽相關(guān)業(yè)務(wù)節(jié)點底層資源的差異性，使得基于各功能模塊業(yè)務(wù)能力而開發(fā)的應(yīng)用可以獨立于底層資源，使業(yè)務(wù)應(yīng)用具有開放性和可移植性，為業(yè)務(wù)應(yīng)用的開發(fā)提供了一個相對穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境。2.2.2感知層標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同信息處理和服務(wù)支持（3）物聯(lián)網(wǎng)信息處理依托于不同行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)、社會公共服務(wù)系統(tǒng)提供的服務(wù)支持，實現(xiàn)行業(yè)信息的整合，從而為用戶提供海量數(shù)據(jù)的存儲、分析和挖掘，