《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用》課件-6. 物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用6.1嵌入式技術(shù)知識(shí)目標(biāo)掌握嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)與處理器軟件的特征能力目標(biāo)掌握嵌入式技術(shù)的基本理論知識(shí)；思政目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)概括能力與系統(tǒng)架構(gòu)能力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用02嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)03嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)01嵌入式系統(tǒng)介紹及應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目錄05嵌入式處理器軟件的特征06物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)的機(jī)遇04嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)Part01嵌入式系統(tǒng)介紹及應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用定義：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。組成：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)及用戶的應(yīng)用程序功能：對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭功能管理系統(tǒng)、POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境工程與自然以及機(jī)器人等。物聯(lián)網(wǎng)是新興的通信應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，嵌入式系統(tǒng)顯然是其中的“大腦”和“中樞神經(jīng)”，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的所有個(gè)體都需要嵌入式系統(tǒng)來(lái)傳輸和處理信息，嵌入式系統(tǒng)的好壞將直接影響物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)作。Part02嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)的接口操作系統(tǒng)與硬件的接口嵌入式應(yīng)用程序嵌入式操作系統(tǒng)硬件抽象層硬件環(huán)境如何簡(jiǎn)潔有效地使嵌入式系統(tǒng)能夠應(yīng)用于各種不同的應(yīng)用環(huán)境，是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展中所必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。原先嵌入式系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)逐步演化成為一種四層結(jié)構(gòu)。這個(gè)新增加的中間層次叫硬件抽象層，是一個(gè)介于硬件與軟件之間的中間層次。硬件抽象層通過(guò)特定的上層接口與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，向操作系統(tǒng)提供底層的硬件信息，并根據(jù)操作系統(tǒng)的要求完成對(duì)硬件的直接操作。硬件抽象層的引入大大推動(dòng)了嵌入式操作系統(tǒng)的通用化。Part03嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用處理器和操作系統(tǒng)不存在市場(chǎng)壟斷性，雖在體系結(jié)構(gòu)上存在主流，但不同的應(yīng)用領(lǐng)域決定了市場(chǎng)不可被少數(shù)公司或產(chǎn)品壟斷。所以，嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品和技術(shù)是高度分散的。高分散性嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、產(chǎn)品、應(yīng)用的，不能獨(dú)立于應(yīng)用發(fā)展。處理器要針對(duì)用戶需求，對(duì)芯片配置進(jìn)行更改，因此嵌入式系統(tǒng)要和具體應(yīng)用有機(jī)結(jié)合。產(chǎn)品特性Part04嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲(chǔ)地址和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址指向同一個(gè)存儲(chǔ)器的不同物理位置；采用單一的地址及數(shù)據(jù)總線，程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同。程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問(wèn)。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)（普林斯頓結(jié)構(gòu)）哈佛結(jié)構(gòu)Part05嵌入式處理器軟件的特征物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用固態(tài)化存儲(chǔ)：軟件一般固化在存儲(chǔ)器芯片或嵌入式微控制器中以提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性；代碼質(zhì)量高、可靠性高：程序編寫和編譯工具的質(zhì)量高以減少程序二進(jìn)制代碼長(zhǎng)度，提高執(zhí)行速度；系統(tǒng)軟件高實(shí)時(shí)性：優(yōu)化編寫的系統(tǒng)軟件對(duì)多種任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧的合理調(diào)度；需要開發(fā)工具和環(huán)境：對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和程序功能修改；需要實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）開發(fā)平臺(tái)：合理調(diào)度多任務(wù)以及利用系統(tǒng)資源，保證程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性、可靠性，并減少開發(fā)時(shí)間，保障軟件質(zhì)量。采用C語(yǔ)言作為軟件開發(fā)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。Part06物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)的機(jī)遇物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)嵌入式操作系統(tǒng)(EmbeddedOperatingSystem，EOS)融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，它除具有通用操作系統(tǒng)的基本特點(diǎn)外，在小巧、可裝卸等方面還有更為嚴(yán)格的要求，并且在操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)上還要綜合終端用戶、制造商和第三方軟件開發(fā)者的不同需求。目前常見的嵌入式操作系統(tǒng)主要是WindowsCE、Linux、Palm，這些系統(tǒng)各有優(yōu)劣，從業(yè)者往往需要根據(jù)自己的實(shí)際需求進(jìn)行選擇和再次開發(fā)。但無(wú)論如何，嵌入式操作系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的重要地位不容置疑，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)從業(yè)者來(lái)講，其中有著巨大的發(fā)展空間。物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)及現(xiàn)在國(guó)家對(duì)提升自身核心競(jìng)爭(zhēng)力的大力提倡，給國(guó)內(nèi)嵌入式系統(tǒng)行業(yè)帶來(lái)的機(jī)遇不言而喻。我們要做的是快速提升自己的技術(shù)實(shí)力、產(chǎn)品價(jià)值，緊跟科技發(fā)展和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的步伐，迅速成長(zhǎng)，充分利用本土化的優(yōu)勢(shì)，縮小和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的差距，從而爭(zhēng)取更大的市場(chǎng)空間。課堂小結(jié)3.嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)。2.嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。1.嵌入式系統(tǒng)。課堂小結(jié)6.物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)的機(jī)遇。5.嵌入式處理器軟件的特征。4.嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用6.2物聯(lián)網(wǎng)軟件和中間件知識(shí)目標(biāo)了解物聯(lián)網(wǎng)中間件的結(jié)構(gòu)分類與架構(gòu)。能力目標(biāo)掌握中間件的體系結(jié)構(gòu)。思政目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)概括能力與總結(jié)能力。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用02中間件體系結(jié)構(gòu)03中間件的分類04物聯(lián)網(wǎng)中間件架構(gòu)01物聯(lián)網(wǎng)軟件和中間件的概念物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目錄Part01物聯(lián)網(wǎng)軟件和中間件的概念物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)軟件和中間件可以視為網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)之上、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)之下的一層支撐軟件。處于物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的中上層，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的靈魂和中樞神經(jīng)。如果說(shuō)軟件是物聯(lián)網(wǎng)的靈魂，中間件（Middleware）就是這個(gè)靈魂的核心。物聯(lián)網(wǎng)中間件處于物聯(lián)網(wǎng)的集成服務(wù)器端和感知層、傳輸層的嵌入式設(shè)備中，是介于前端讀寫器硬件模塊和后端應(yīng)用軟件之間的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)系統(tǒng)軟件提供基礎(chǔ)服務(wù)，可以連接網(wǎng)絡(luò)上不同的應(yīng)用系統(tǒng)，以達(dá)到資源和功能共享的目的。服務(wù)器端中間件稱為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)中間件，一般基于傳統(tǒng)的中間件(應(yīng)用服務(wù)器、ESBMO等)構(gòu)建，加入設(shè)備連接和圖形化組態(tài)展示等模塊；嵌入式中間件是一些支持不同通信協(xié)議的模塊和運(yùn)行環(huán)境。中間件的特點(diǎn)是它固化了很多通用功能，但在具體應(yīng)用中需要二次開發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的行業(yè)業(yè)務(wù)需求，因此所有物聯(lián)網(wǎng)中間件都需要提供快速開發(fā)（RAD）工具。Part02中間件體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用中間件的特點(diǎn)：滿足大量應(yīng)用的需要；運(yùn)行于多種硬件和OS平臺(tái)之上；支持分布計(jì)算，提供跨網(wǎng)絡(luò)、硬件和OS平臺(tái)的應(yīng)用或服務(wù)交互；支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；支持標(biāo)準(zhǔn)接口中間件體系結(jié)構(gòu)ReaderReaderONSEPC信息服務(wù)其他savant其他服務(wù)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件Reader接口應(yīng)用軟件接口處理模塊處理模塊處理模塊處理模塊用戶自定義處理模塊處理模塊容器內(nèi)部模塊通過(guò)特殊處理模塊定義的API相互作用由于標(biāo)準(zhǔn)接口影響可移植性、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議影響互操作性，所以中間件已成為許多標(biāo)準(zhǔn)化工作的主要部分。對(duì)于應(yīng)用軟件開發(fā)，中間件比操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更重要，中間件提供的程序接口定義了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的高層應(yīng)用環(huán)境，不管底層的計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件怎樣更新?lián)Q代，只要將中間件升級(jí)更新，并保持中間件對(duì)外的接口定義不變，應(yīng)用軟件幾乎不用修改，從而保護(hù)了企業(yè)在應(yīng)用軟件開發(fā)和維護(hù)中的重大投資。Part03中間件的分類物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用中間件包括的范圍十分廣泛，針對(duì)不同的應(yīng)用需求涌現(xiàn)出多種各具特色的中間件產(chǎn)品。但至今中間件還沒(méi)有一個(gè)比較精確的定義，因此，在不同的角度或不同的層次上，對(duì)中間件的分類也會(huì)有所不同。由于中間件需要屏蔽分布環(huán)境中異構(gòu)的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它必須能夠提供分布環(huán)境下的通信服務(wù)，這種通信服務(wù)稱為平臺(tái)。基于目的和實(shí)現(xiàn)機(jī)制的不同，將平臺(tái)分為以下幾類。遠(yuǎn)程執(zhí)行位于不同地址空間的過(guò)程。分為服務(wù)器(Server)和客戶端(Client)兩部分。Server提供遠(yuǎn)程過(guò)程，Client向Server發(fā)出遠(yuǎn)程調(diào)用，他們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，通信是同步的并且采用線程可以進(jìn)行異步調(diào)用。在RPC模型中，Client和Server只要具備相應(yīng)接口和運(yùn)行支持，即可完成相應(yīng)互操作。由于Client與Server直接連接，因此具有一定局限性：需要網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)定位Server；在Client發(fā)出請(qǐng)求的同時(shí)，需要Server是活動(dòng)的。1.遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用(RPC)利用高效可靠的消息傳遞機(jī)制進(jìn)行平臺(tái)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)交流，并基于數(shù)據(jù)通信來(lái)進(jìn)行分布式系統(tǒng)的集成。通過(guò)提供消息傳遞和排隊(duì)的模型，可在分布環(huán)境下擴(kuò)展進(jìn)程間的通信，并支持多通信協(xié)議、語(yǔ)言、應(yīng)用程序、硬件和軟件平臺(tái)。消息傳遞和排隊(duì)技術(shù)的特點(diǎn)：通信程序可在不同的時(shí)間運(yùn)行；對(duì)應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)沒(méi)有約束；程序與網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性相隔離。2.面向消息的中間件(MOM)通過(guò)提供通信架構(gòu)實(shí)現(xiàn)在異構(gòu)的分布計(jì)算環(huán)境中透明地向其他對(duì)象發(fā)送請(qǐng)求或接收響應(yīng)。對(duì)象透明地發(fā)送請(qǐng)求和接收響應(yīng)的基本機(jī)制是建立對(duì)象之間Client/Server關(guān)系的中間件。ORB攔截請(qǐng)求調(diào)用，并負(fù)責(zé)找到可以實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的對(duì)象、傳遞參數(shù)、調(diào)用相應(yīng)的方法、返回結(jié)果等。3.對(duì)象請(qǐng)求代理(ORB)界于Client和Server之間，進(jìn)行事務(wù)管理與協(xié)調(diào)、負(fù)載平衡、失敗恢復(fù)等，以提高系統(tǒng)的整體性能。功能包括：進(jìn)程管理，包括啟動(dòng)Server進(jìn)程，為其分配任務(wù)，監(jiān)控其執(zhí)行并對(duì)負(fù)載進(jìn)行平衡；事務(wù)管理，保證在其監(jiān)控下的事務(wù)處理的原則性、一致性、獨(dú)立性和持久性；通信管理，為Client和Server之間提供多種通信機(jī)制，包括請(qǐng)求響應(yīng)、會(huì)話、排隊(duì)、訂閱發(fā)布和廣播等。4.事務(wù)處理監(jiān)控(TPM)通過(guò)為異構(gòu)環(huán)境中的服務(wù)和資源提供統(tǒng)一的觀測(cè)結(jié)果，簡(jiǎn)化用戶界面，為大型分布式應(yīng)用搭建標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，并把大型分散的系統(tǒng)技術(shù)組合在一起，實(shí)現(xiàn)大型應(yīng)用軟件系統(tǒng)的集成。5.數(shù)據(jù)訪問(wèn)中間件Part04物聯(lián)網(wǎng)中間件架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用遠(yuǎn)程對(duì)象調(diào)用：中間件開發(fā)的主流技術(shù)為J2EE，遠(yuǎn)程對(duì)象調(diào)用是其主要調(diào)用方法，可最大程度實(shí)現(xiàn)分布式的軟件體系結(jié)構(gòu)；面向消息的中間件：Java消息服務(wù)(JMS)是實(shí)現(xiàn)重要功能模塊的主要技術(shù)，有利于系統(tǒng)集成整合；對(duì)象代理：CORBAR技術(shù)和SOA設(shè)計(jì)理念都涉及對(duì)象代理和讀物總線的概念，在中間件的開發(fā)后期，將會(huì)以SOA的形式通過(guò)WebService發(fā)布在企業(yè)服務(wù)總線上，方便客戶端的調(diào)用。事務(wù)管理：J2EE中的EJB技術(shù)明確地規(guī)范了事務(wù)操作和事務(wù)管理，并且有相應(yīng)的J2EE容器來(lái)對(duì)中間件當(dāng)中的事務(wù)進(jìn)行管理。物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)信息交互的中間件結(jié)合了以下特點(diǎn)：課堂小結(jié)3.中間件特點(diǎn)。2.中間件體系結(jié)構(gòu)。1.物聯(lián)網(wǎng)軟件和中間件的概念。課堂小結(jié)5.物聯(lián)網(wǎng)中間件架構(gòu)。4.中間件分類。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用6.3數(shù)據(jù)處理與云計(jì)算知識(shí)目標(biāo)了解Google云計(jì)算技術(shù)。能力目標(biāo)掌握云計(jì)算的基本概念和特點(diǎn)。思政目標(biāo)了解云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用02云計(jì)算技術(shù)的特征03云計(jì)算目標(biāo)04Google云計(jì)算技術(shù)01云計(jì)算的含義物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目錄Part01云計(jì)算的含義物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用云計(jì)算包含兩方面的含義：一方面是底層構(gòu)建的云計(jì)算平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)施，是用來(lái)構(gòu)造上層應(yīng)用程序的基礎(chǔ)；另一方面是構(gòu)建在這個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)之上的云計(jì)算應(yīng)用程序，主要是針對(duì)云計(jì)算的基礎(chǔ)架構(gòu)的研究與實(shí)現(xiàn)狀況給出綜述。云計(jì)算有三個(gè)最基本的特征：第一個(gè)是基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)在大規(guī)模的廉價(jià)服務(wù)器集群之上；第二個(gè)是應(yīng)用程序與底層服務(wù)協(xié)作開發(fā)，最大限度地利用資源；第三個(gè)是通過(guò)多個(gè)廉價(jià)服務(wù)器之間的冗余，利用軟件獲得高可用性?！霸朴?jì)算”一詞用來(lái)同時(shí)描述一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)或者一種類型的應(yīng)用程序。一個(gè)云計(jì)算的平臺(tái)按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)部署（Provision）、配置（Configuration）、重新配置（Reconfigure）以及取消服務(wù)（Deprovision）等。云計(jì)算平臺(tái)中的服務(wù)器可以是物理的服務(wù)器或者虛擬的服務(wù)器。高級(jí)的計(jì)算云通常包含一些其他的計(jì)算資源，例如存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SANS）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、防火墻以及其他安全設(shè)備等。云計(jì)算描述了一種可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪問(wèn)的可擴(kuò)展的應(yīng)用程序。“云應(yīng)用”使用大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心及功能強(qiáng)勁的服務(wù)器來(lái)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。任何一個(gè)用戶通過(guò)合適的互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器就能夠訪問(wèn)一個(gè)云計(jì)算應(yīng)用程序。云計(jì)算有兩方面的含義:一方面它描述了基礎(chǔ)設(shè)施，用來(lái)構(gòu)造應(yīng)用程序，其地位相當(dāng)于PC上的操作系統(tǒng);另一方面它描述了建立在這種基礎(chǔ)設(shè)施之上的云計(jì)算應(yīng)用。云計(jì)算是一個(gè)具有更廣泛含義的計(jì)算平臺(tái)，能夠支持非網(wǎng)格的應(yīng)用，如支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序中的前臺(tái)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器三層應(yīng)用程序架構(gòu)模式，以及支持當(dāng)前Web2.0模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。云計(jì)算是能夠提供動(dòng)態(tài)資源池、虛擬化和高可用性的下一代計(jì)算平臺(tái)。Part02云計(jì)算技術(shù)的特征物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用①硬件基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)在大規(guī)模的廉價(jià)服務(wù)器集群之上。云計(jì)算的基礎(chǔ)架構(gòu)大量使用了廉價(jià)的服務(wù)器集群，特別是x86架構(gòu)的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)一般也使用千兆以太網(wǎng)。②應(yīng)用程序與底層服務(wù)協(xié)作開發(fā)，最大限度地利用資源。傳統(tǒng)的應(yīng)用程序建立在完善的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(如操作系統(tǒng))之上，利用底層提供的服務(wù)來(lái)構(gòu)造應(yīng)用。而云計(jì)算為了更好地利用資源，采用了底層結(jié)構(gòu)與上層應(yīng)用共同設(shè)計(jì)的方法來(lái)完善應(yīng)用程序的構(gòu)建。③通過(guò)多個(gè)廉價(jià)服務(wù)器之間的冗余，使用軟件獲得高可用性。由于使用了廉價(jià)的服務(wù)器集群，節(jié)點(diǎn)的失效將不可避免，并且會(huì)有節(jié)點(diǎn)同時(shí)失效的問(wèn)題。為此，在軟件設(shè)計(jì)上需要考慮節(jié)點(diǎn)之間的容錯(cuò)問(wèn)題，使用冗余的節(jié)點(diǎn)獲得高可用性。Part03云計(jì)算目標(biāo)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用云計(jì)算能夠無(wú)縫地?cái)U(kuò)展到大規(guī)模的集群之上，甚至可以數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)處理云計(jì)算能夠容忍節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤，甚至有很大一部分節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效也不會(huì)影響程序的正確運(yùn)行。可擴(kuò)展性高可用性云計(jì)算可以達(dá)到兩個(gè)分布式計(jì)算的重要目標(biāo):Part04Google云計(jì)算技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用GFS將整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)分為三類角色:客戶端、主服務(wù)器和數(shù)據(jù)塊服務(wù)器?？蛻舳耸荊FS以庫(kù)文件的形式提供給應(yīng)用程序的專用訪問(wèn)接口。應(yīng)用程序直接調(diào)用這些庫(kù)函數(shù)，并與該庫(kù)鏈接在一起。主服務(wù)器是GFS的管理節(jié)點(diǎn)，它保存系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)整個(gè)文件系統(tǒng)的管理，是GFS文件系統(tǒng)中的“大腦”。數(shù)據(jù)塊服務(wù)器負(fù)責(zé)具體的存儲(chǔ)工作。數(shù)據(jù)以文件的形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊服務(wù)器上，數(shù)據(jù)塊服務(wù)器可以有多個(gè)，它的數(shù)目直接決定了GFS的規(guī)模?？蛻舳嗽谠L問(wèn)GFS時(shí)，首先訪問(wèn)主服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，獲取將要與之進(jìn)行交互的數(shù)據(jù)塊服務(wù)器信息，然后直接訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)塊服務(wù)器完成數(shù)據(jù)存取。1.Google文件系統(tǒng)GFSMap-Reduce是一種處理海量數(shù)據(jù)的并行編程模式,于大規(guī)模數(shù)據(jù)集(通常大于1TB)的并行運(yùn)算?！癕ap”“Reduce”的概念和主要思想，都是從函數(shù)式編程語(yǔ)言和矢量編程語(yǔ)言借鑒而來(lái)的。由于Map-Reduce有函數(shù)式和矢量編程語(yǔ)的共性，使得這種編程模式特別適合于海量數(shù)據(jù)的搜索、挖掘、分析和機(jī)器智能學(xué)習(xí)等。2.Map-ReduceMap-Reduce的運(yùn)行模型圖中有M個(gè)Map操作和R個(gè)Reduce操作。簡(jiǎn)單也說(shuō)就是一個(gè)Map函數(shù)對(duì)一部分原始數(shù)據(jù)進(jìn)行指定的操作。每個(gè)Map操作都針對(duì)不同的原始數(shù)據(jù)，因此Map與Map之間是互相獨(dú)立的，這就使得它們可以充分并行化。一個(gè)Reduce操作對(duì)每個(gè)Map所產(chǎn)生的一部分中間結(jié)果是互補(bǔ)交叉的,所有Reduce產(chǎn)生的最終結(jié)果經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單連接形成了結(jié)果集，因此Reduce也可以在并行環(huán)境下執(zhí)行。2.Map-ReduceMap-Reduce的運(yùn)行模型Chubby提供粗粒度鎖服務(wù),它基于松耦合分布式系統(tǒng)，解決了分布的一致性問(wèn)題。Chubby被劃分成兩部分:客戶端和服務(wù)器端，兩者之間通過(guò)遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用來(lái)連接。在客戶端，每個(gè)客戶應(yīng)用程序都有一個(gè)Chubby程序庫(kù),客戶端的所有應(yīng)用都是通過(guò)調(diào)用這個(gè)庫(kù)中的相關(guān)函數(shù)來(lái)完成的。服務(wù)器端稱為Chubby單元，一般由五個(gè)配置一致的被稱為副本的服務(wù)器組成，副本在系統(tǒng)剛開始時(shí)處于對(duì)等地位。這些副本按少數(shù)服從多數(shù)選舉產(chǎn)生主服務(wù)器，對(duì)應(yīng)的時(shí)間就稱為主服務(wù)器租約期。租約期內(nèi)，所有的客戶請(qǐng)求都是由主服務(wù)器來(lái)處理的。3.分布式鎖服務(wù)ChubbyChubby的基本架構(gòu)Bigtable是在Google公司的另外三個(gè)云計(jì)算組件基礎(chǔ)之上構(gòu)建的，主要由鏈接到客戶程序中的庫(kù)、一個(gè)Master服務(wù)器和多個(gè)Table服務(wù)器三部分紹成。客戶需要訪問(wèn)Bigtable服務(wù)時(shí)首先要利用其庫(kù)函數(shù)執(zhí)行Open()操作來(lái)打開一個(gè)鎖(實(shí)際上就是獲取文件目錄)，鎖打開以后客戶端就可以和子表服務(wù)器進(jìn)行通信了。和許多具有單節(jié)點(diǎn)的分布式系統(tǒng)一樣，客戶端主要與子表服務(wù)器通信，幾乎不和主服務(wù)器進(jìn)行通信，這使得主服務(wù)器的負(fù)載大大降低。主服務(wù)器主要進(jìn)行一些元數(shù)據(jù)的操作，以及對(duì)子表服務(wù)器之間的負(fù)載調(diào)度等，實(shí)際的數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在子表服務(wù)器上的。4.分布式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表BigtableBigtable的基本架構(gòu)課堂小結(jié)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用3.云計(jì)算目標(biāo)。4.Google云計(jì)算技術(shù)。2.云計(jì)算技術(shù)的特征。1.云計(jì)算的含義。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用6.4微機(jī)電技術(shù)知識(shí)目標(biāo)了解微機(jī)電技術(shù)的分類，研究?jī)?nèi)容以及技術(shù)分類。能力目標(biāo)掌握微機(jī)電技術(shù)的分類。思政目標(biāo)了解微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用02微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)03微機(jī)電系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容04微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)分類01微機(jī)電系統(tǒng)的概念物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目錄Part01微機(jī)電系統(tǒng)的概念物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是微電子技術(shù)的拓寬和延伸，它將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合，實(shí)現(xiàn)了微電子與機(jī)械融為一體的系統(tǒng)。MEMS主要包括微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路三部分。作為輸入信號(hào)的自然界各種信息首先通過(guò)傳感器裝換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理以后(模擬/數(shù)字)再通過(guò)微執(zhí)行器對(duì)外部世界發(fā)生作用。傳感器可以把能量從一種轉(zhuǎn)化為另一種形式，從而將現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)(如熱、運(yùn)動(dòng)等信號(hào))轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以處理號(hào)(如電信號(hào))。執(zhí)行器根據(jù)信號(hào)處理電路發(fā)出的指令完成人們所需要的操作。信號(hào)處理則可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大和計(jì)算等處理。MEMS的目標(biāo)是通過(guò)系統(tǒng)的微型化、集成化來(lái)探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)Part02微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用(1)微型化：MEMS體積小(芯片的特征尺寸為納米/微米級(jí))、質(zhì)量輕、功耗低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。(2)多樣化：MEMS包含有數(shù)字接口、自檢、自調(diào)整和總線兼容等功能，具備在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的基本條件，具有標(biāo)準(zhǔn)的輸出，便于與系統(tǒng)集成在一起，而且能按照需求靈活地設(shè)計(jì)制造更多樣化的MEMS。(3)微電子化：采用MEMS工藝，可以把不同功能、不同敏感方向或運(yùn)動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的微電子機(jī)械系統(tǒng)。(4)批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在同一硅片上同時(shí)可制造出成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMS，批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。(5)多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多學(xué)科，并集成了當(dāng)今科學(xué)發(fā)展的許多尖端成果。Part03微機(jī)電系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用MEMS產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)、器件、電路和封裝等設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使得CAD技術(shù)在MEMS器件設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用，采用CAD能設(shè)計(jì)出低成本、高性能、更復(fù)雜的新型系統(tǒng)。2D和3D計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)的發(fā)展能夠?qū)?fù)雜的MEMS結(jié)構(gòu)及版圖進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，有限元分析技術(shù)的應(yīng)用可以用精確的計(jì)算機(jī)數(shù)值求解方法來(lái)分析和預(yù)測(cè)器件的性能，使器件的靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬成為可能，從而能夠?qū)EMS器件的結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和設(shè)計(jì)優(yōu)化。1.設(shè)計(jì)技術(shù)MEMS應(yīng)用的材料主要多有單品硅、多品硅、壓電材料和其他類型合成材料。①硅材料：硅的機(jī)械性能好，硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度接近鋁，熱傳導(dǎo)性接近鉬和鎢。②壓電材料：開發(fā)研究表明，壓電材料是制作MEMS的良好材料。MEMS材料的一個(gè)明顯的變化是用單晶石英取代硅。石英也是一種高性能的晶體，雖然批量生產(chǎn)不如硅，但可以進(jìn)行定向腐蝕，已用于制造壓力傳感器、加速度計(jì)和陀螺。③合成材料:最近幾年材料結(jié)構(gòu)的控制技術(shù)發(fā)展很快，未來(lái)，MEMS應(yīng)用的新材料包括化合物材料、高溫超導(dǎo)材料、磁阻材料、鐵電材料、熱點(diǎn)材料以及許多其他功能的材料。這些材料是專門為MEMS傳感器研究和開發(fā)的。2.材料微機(jī)械加工技術(shù)是制作微傳感器、微執(zhí)行器和微電子機(jī)械系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。微機(jī)械加工工藝分為硅基加工和非硅基加工。硅基加工技術(shù)比較成熟，硅的力學(xué)性能較好，適合做微型機(jī)械。MEMS技術(shù)首先是在微電子平面加工工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，又先后有了深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)、LIGA和準(zhǔn)分子激光等多種工藝創(chuàng)新。這些工藝相互補(bǔ)充，各有所長(zhǎng)。目前已經(jīng)面市的一代MEMS產(chǎn)品具有的關(guān)鍵特征：簡(jiǎn)單、易于大規(guī)模生產(chǎn)、價(jià)格便宜、適合用硅平面工藝加工。3.制作工藝MEMS的封裝和測(cè)試占重要地位。建立在微電子基礎(chǔ)上的MEMS產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝應(yīng)該是比較成熟和可靠的，伴隨著CAD和生產(chǎn)工藝要求的不斷提高，提高測(cè)試和封裝的水平才能確保產(chǎn)品的高性能、高可靠性并降低生產(chǎn)成本。4.測(cè)試技術(shù)Part04微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)分類物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用在MEMS技術(shù)研究領(lǐng)域中，傳感MEMS是指采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的、特征尺寸至微米/納米級(jí)、具有將感受量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件和系統(tǒng)，包括速度、加速度、壓力、溫度、濕度、氣體、磁、光、聲、生物、化學(xué)等傳感MEMS,它是人類數(shù)向白然界的意是各種現(xiàn)代化裝置中的神經(jīng)元。作為現(xiàn)代高新技術(shù)的傳感器MEMS技術(shù)是現(xiàn)代傳感器技術(shù)的重要發(fā)展方向。20世紀(jì)80年代后期MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展,極大地推動(dòng)了微傳感器技術(shù)和微執(zhí)行器技術(shù)的發(fā)展。采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器由于體積小、重量輕、成本低、功耗低、具有高可靠性、易批量化生產(chǎn)、易于集成化和多功能化，成為各種包含自動(dòng)化裝置的現(xiàn)代武器裝備必不可少關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。1.傳感MEMS技術(shù)生物MEMS技術(shù)是一類應(yīng)用MEMS加工技術(shù)制造的化學(xué)/生物微型分析和檢測(cè)芯片或儀器。它把生化檢測(cè)過(guò)程中的進(jìn)樣、反應(yīng)、分析、檢測(cè)等功能通過(guò)固相基片上的微反應(yīng)器(微流體腔和微流體管道)實(shí)現(xiàn)。生物MEMS是一種典型的MEMS器件及系統(tǒng)，具有體積小、成本低、可標(biāo)準(zhǔn)化和批量化生產(chǎn)等特點(diǎn)。在功能上它具有獲取信息量大、分析效率高、樣品用量少、操作簡(jiǎn)便、可實(shí)現(xiàn)生物和化學(xué)信息的實(shí)時(shí)自動(dòng)化檢測(cè)等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、化工、制藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)家安全等許多研究和應(yīng)用領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。2.生物MEMS技術(shù)人們可以在一個(gè)芯片或微型系統(tǒng)上將信息獲取、信息傳輸、處理和執(zhí)行等功能集成起來(lái)。這類用于通信、多媒體、網(wǎng)絡(luò)和智能等領(lǐng)域中的MEMS技術(shù)稱為信息MEMS技術(shù)。信息MEMS技術(shù)中已形成產(chǎn)業(yè)的有硬盤讀寫頭、噴墨打印頭、數(shù)字徽鏡陣列(DMD)等。目前的研究熱點(diǎn)是全光通信和移動(dòng)通信中的MEMS技術(shù)，如MEMS光開關(guān)和RFMEMS開關(guān)等。信息MEMS技術(shù)在信息領(lǐng)域中的應(yīng)用會(huì)促進(jìn)許多產(chǎn)品的集成化、微型化、智能化，成倍地提高器件和系統(tǒng)的功能密度、信息密度和互聯(lián)密度，大幅度地節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景。3.信息MEMS技術(shù)課堂小結(jié)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用3.微機(jī)電系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容。4.微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)分類。2.微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。1.微機(jī)電系統(tǒng)的概念。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用6.5人工智能視角下智能建造的研究方向知識(shí)目標(biāo)了解智能建造的的四個(gè)研究方向。能力目標(biāo)掌握人工智能視角的智能建造。思政目標(biāo)了解智能建造的發(fā)展趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用02設(shè)計(jì)智能化方向03施工高效化方向04運(yùn)維智慧化01研究背景物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用目錄04拆除綠色化Part01研究背景物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用近些年,信息化建筑理念逐漸被重視，建筑信息模型(buildinginformationmodel,BIM)的優(yōu)勢(shì)也不斷被認(rèn)可。隨著工程應(yīng)用不斷拓展和深入，應(yīng)用范圍擴(kuò)展到工程建設(shè)項(xiàng)目的深化設(shè)計(jì)、虛擬施工、運(yùn)維管理及全生命周期，應(yīng)用領(lǐng)域從傳統(tǒng)建筑業(yè)拓寬到管線綜合、城市軌道交通等城市基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域。雖然BIM從技術(shù)上解決了建筑全生命周期內(nèi)的信息共享和交換，但其在國(guó)內(nèi)的普及度不高。這是由于建筑涉及的信息范圍廣泛，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專業(yè)性強(qiáng)，而以多維度、多功能及多用途的計(jì)算機(jī)可視化圖形表現(xiàn)的BIM模型數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)難以組織和管理，從而給計(jì)算機(jī)圖形處理能力帶來(lái)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，對(duì)計(jì)算機(jī)的顯示分析、存儲(chǔ)計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葧?huì)造成極大挑戰(zhàn)，對(duì)人員素質(zhì)要求高，使用和維護(hù)煩瑣，不使用專業(yè)軟件的項(xiàng)目參與方將無(wú)法及時(shí)地共享和交互相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，更加無(wú)法實(shí)現(xiàn)大空間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)同步與共享。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)普及的當(dāng)今時(shí)代，用戶在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以快速便捷、在線可視的“輕量化”方式展現(xiàn)BIM模型、使用BIM數(shù)據(jù)、解除對(duì)專業(yè)軟件的依賴已成為BIM技術(shù)當(dāng)下研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前國(guó)家主要職能部門均開始推行數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合,在這一導(dǎo)向下,諸多傳統(tǒng)行業(yè)(如建筑行業(yè))想要搶占未來(lái)產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)就需要推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化改造,而轉(zhuǎn)型最好的切合點(diǎn)就在信息技術(shù)領(lǐng)域,也即“數(shù)轉(zhuǎn)智改”。從設(shè)備、裝置、開關(guān)等基礎(chǔ)設(shè)施和組成部件的角度來(lái)看,應(yīng)用領(lǐng)域是BIM+物聯(lián)網(wǎng);從數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與展示角度來(lái)看,應(yīng)用領(lǐng)域是BIM+大數(shù)據(jù);從分布式計(jì)算和并行計(jì)算的角度來(lái)看,應(yīng)用領(lǐng)域是BIM+云計(jì)算;從智能化算法的角度來(lái)看,應(yīng)用領(lǐng)域是BIM+人工智能;從新模式、新業(yè)態(tài)的宏觀角度來(lái)看,應(yīng)用領(lǐng)域是BIM+互聯(lián)網(wǎng)。從傳統(tǒng)建筑信息模型的角度來(lái)看,建筑信息化被分為