物联网体系结构课件

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1、物联网体系结构,目 录,1. 物联网的定义,2. 物联网技术体系,3. 物联网的应用,目 录,1. 物联网的定义,2. 物联网技术体系,3. 物联网的应用,1.1 物联网概念,物联网的英文名称为“The Internet of Things”，简称IOT。由该名称可见，物联网就是“物物相连的互联网”。 从网络结构上看，物联网就是通过Internet将众多信息传感设备与应用系统连接起来并在广域网范围内对物品身份进行识别的分布式系统。,1.1 物联网概念,物联网的概念是由麻省理工学院Auto-ID研究中心于1999年提出的。当时基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频

2、识别技术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网。,1.2 物联网定义,目前较为公认的物联网的定义是： 通过射频识别（RFID）装置、红外感应器、 全球定位系统GPS、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 当每个而不是每种物品能够被唯一标识后，利用识别、通信和计算等技术，在互联网基础上，构建的连接各种物品的网络，就是人们常说的物联网。,物联网中的“物”的涵义要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围： 要有相应信息的接收器； 要有数据传输通路； 要有一定的存储功能；

3、 要有CPU；,1.2 物联网定义, 要有操作系统； 要有专门的应用程序； 要有数据发送器； 遵循物联网的通信协议； 在世界网络中有可被识别的唯一编号。,1.2 物联网定义,1.3 物联网的发展与形成,物联网的发展跟互联网是分不开的，主要两个层面的意思： 第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，它是在互联网基础上的延伸和扩展； 第二，物联网是比互联网更为庞大的网络，其网络连接延伸到了任何的物品和物品之间，这些物品可以通过各种信息传感设备与互联网络连接在一起，进行更为复杂的信息交换和通信。,一般认为,物联网具有以下的三大特征: 1） 全面感知 利用RFID 、传感器、二维码等随时随地获取和采集物体

4、的信息。 2）可靠传递 通过无线网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递给用户。,1.4 物联网的三大特征,3）智能处理 利用云计算、数据挖掘以及模糊识别等人工智能技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。,物联网概念模型,1.4 物联网的三大特征,目 录,1. 物联网的定义,2. 物联网技术体系,3. 物联网的应用,2.1 物联网技术概论,物联网是典型的交叉学科，它所涉及的核心技术包括IPv6技术、云计算技术、传感技术、RFID智能识别技术、无线通信技术等。 因此，从技术角度讲，物联网专业主要涉及的专业有：计算机科学与工程、电子与电气工程、电子信息与通讯、自动控制

5、、遥感与遥测、精密仪器、电子商务等等。,欧盟于2009年9月发布的欧盟物联网战略研究路线图白皮书中列出13类关键技术，包括：标识技术、物联网体系结构技术、通信与网络技术、数据和信号处理技术、软件和算法、发现与搜索引擎技术、电源和能量储存技术等。,2.1 物联网技术概论,2.2 物联网的层次结构,2.2 物联网的层次结构,感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。 网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网、接入网和核心网，网络层可依托公众电信网和互璇网也可以依托行业专用通信网络。,应用层类似于人类社会的“分工”，包括应用基础

6、设施中间件和各种物联网应用，应用基础设施中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。,2.2 物联网的层次结构,2.3 物联网感知层关键技术,1. RFID技术 2. 条形码 3. 传感器技术 4. 无线传感器网络技术 5. 产品电子代码EPC,2.3.1 RFID技术,RFID(Radio Frequency Identification)， 即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。通过射频信号自动识别对象并获取相关数据完成信息的自动

7、采集工作 ，RFID是物联网最关键的一个技术，它为物体贴上电子标签，实现高效灵活的管理。,RFID基本上是由3部分组成: 1）标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象； 2）阅读器(Reader)或读写器：读取(有时还可以写入)标签信息的设备, 可设计为手持式或固定式; 3）天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。,2.3.1 RFID技术,RFID标签打印机,2.3.1 RFID技术,感应式读写器,2.3.1 RFID技术,RFID工作原理 标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产

8、品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。,2.3.1 RFID技术,条形码是一种信息的图形化表示方法，可以把信息制作成条形码，然后用相应的扫描设备把其中的信息输入到计算机中。,条形码扫描器,一维条形码,2.3.2 条形码,条形码分为一维条码和二维条码，一维条形码将宽度不等的多个黑条和空白，按一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。二维条形码是在二维空间水平和竖直方向存储信息的条形码。它的优点是信息容量大，译码可靠性高，纠错能力强，制作成本低，

9、保密与防伪性能好。,2.3.2 条形码,传感器是指能感知预定的被测指标并按照一定规律转换成可用信号的器件和装置，通常有敏感元件和转换元件组成 。 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。,2.3.3 传感器技术,物联网中传感器节点是在传感器基础上增加了协同、计算、通信功能构成了具有感知能力、计算能力和通信能力的传感器节点。智能化是传感器的重要特点，嵌入式智能技术是实现传感器智能化的重要手段。,2.3.3 传感器技术,无线传感器网络(WSN, wireless se

10、nsor network)它是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统,以其低成本、微型化、低功耗和灵活的组网方式、铺设方式以及适合移动目标等特点受到广泛重视,是关系国民经济发展和国家安全的重要技术。,2.3.4 无线传感器网络,EPC系统（物联网）是在计算机互联网和射频技术RFID的基础上，利用全球统一标识系统编码技术给每一个实体对象一个唯一的代码，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things”。,2.3.5 产品电子代码EPC,EPC 系统主要由如下六方面组成： （1） EPC编码标准 （2） EPC 标签 （3） 识读器 （4）

11、 Savant (神经网络软件) （5） 对象名解析服务(Object Naming Service：ONS) （6） 实体标记语言（Physical Markup Language PML）,2.3.5 产品电子代码EPC,1. ZigBee 2. WIFI无线网络 3. 蓝牙技术 4. GPS技术,2.4 物联网网络层关键技术,ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。 ZigB

12、ee网络主要特点是低功耗、低成本、时延短、网络容量大、可靠、安全。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。,2.4.1 ZigBee,ZigBee设备类型,2.4.1 ZigBee,1. ZigBee协调器（Coordinator） 2. ZigBee路由器（Router） 3. ZigBee终端设备（End-device） 一个Zigbee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。,2.4.2 WIFI无线网络,Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。 WIFI突出优势： 其一，无线电波的覆盖范围广 其二，传输速度

13、非常快 其三，厂商进入该领域的门槛比较低,2.4.2 WIFI无线网络,Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)所持有。目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。 802.11是IEEE(电子工程师协会)最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取。,蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。 蓝牙技术优势：稳定、全球可用、设备范围广、易于使用、通用规

14、格。,2.4.3 蓝牙技术,GPS（Global Positioning System，全球定位系统）是利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统。全球四大卫星导航系统：美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯“格洛纳斯”系统、欧洲“伽利略”系统、中国“北斗”系统。,2.4.4 GPS技术,30-100美元（模块）,成本相对较高,覆盖广、质量好,大范围语音和数据传输应用,无线通信,约20美元,高功耗、协议开销大、需要接入点,使用现有网络、高速率、组网灵活（前向、后向兼容）,Web/Email/Video等相关应用,WiFi（802.11b),50美分左右,缺少安全性规范和完善的标准,可

15、靠、电源和成本优势、组网方便,家庭、楼宇自动化以及监控类应用,ZigBee,5-50美分,无处理能力，单向,成本低、无功耗,物流、军事、防伪等多种行业,无源RFID,低于5美元,以移动电话为中心，每网最多8个节点,应用较多、成本较低且方便使用,替代有线：遥感勘测、移动电子商务、数字电子设备、工业控制、智能化建筑、家庭和办公自动化、电子商务、无线公文包、军事,蓝牙,节点成本,缺点,优点,主要应用,主要技术,无线传输技术,*zigbee实际的售价在100元以上,1.云计算技术 2.软件和算法 3.信息和隐私安全技术 4.标识和解析技术,2.5 物联网应用层关键技术,云计算具有弹性收缩、快速部署、资

16、源抽象和按用量收费的特性，按照云计算的服务类型可以将云分为三层：基础架构即服务、平台即服务、软件即服务。,2.5.1 云计算技术,2.5.1 云计算技术,云计算涉及的关键技术,基础架构即服务位于最底层，该层提供的是最基本的计算和存储能力，在这其中自动化和虚拟化是核心技术。 平台即服务位于三层服务的中间，该层涉及两个关键技术：基于云的软件开发、测试及运行技术和大规模分布式应用运行环境。 软件即服务位于最顶层，该层涉及的关键技术：Web2.0中的Mashup、应用多租户技术、应用虚拟化等技术。,2.5.1 云计算技术,软件和算法在物联网的信息处理和应用集成中发挥重要作用，是物联网智慧性的集中体现。这其中的关键技术主要包括面向服务的体系架构(SOA)和中间件技术，重点包括各种物联网计算系统的感知信息处理、交互与优化软件与算法、物联网计算系统体系结构与软件平台研发等。,2.5.2 软件和算法,面向服务的体系架构(ServiceorientedArchitecture，SOA)是一种松耦合的软件组件技术，它将应用程序的不同功能模块