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1、物联网应用开发,第四章 系统架构,目录,4.1 系统结构,4.1.1 物联网体系架构 感知层由各种传感器构成，包括温湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、红外线、GPS等感知终端。感知层是物联网识别物体、采集信息的来源。 网络层由各种网络，包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成，是整个物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。 应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。,4.1.2 感知层,感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。它首先通过传感器、数码相机等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙
2、、红外等短距离传输技术传递数据。 1、感知层功能 在对感知层进行设计时首先要明确整个系统的功能，然后采用相应的传感器或者单片机嵌入式之类的感知设备对采集到的信号进行初步处理，同时还可以整合通信模块，具体视系统而定，针对特定环境采用不同的通信模块，如GPRS、ZIGBEER、BLUETOOTH、红外等。,感知层是物联网的皮肤和五官-用于识别物体，采集信息。,4.1.2 感知层,2 物品标识与数据采集 方法大致分为：手工采集和自动采集。自动采集方式主要有： 1、条形码 （1）一维条码 （2）二维条码 现已应用在国防、公共安全、交通运输、医疗保健、工业、商业、金融、海关及政府管理等多个领域。 2、磁
3、卡（magnetic card） 一种卡片状的磁性记录介质，与各种读卡器配合作用。可用于制作银行卡、公交卡、电话卡；电子游戏卡、车票、机票以及各种交通收费卡等。 3、IC卡(Integrated Circuit Card，集成电路卡) 外形与磁卡相似，二者区别在于数据存储的媒体不同。磁卡是通过卡上磁条的磁场变化来存储信息的，而IC卡是通过嵌入卡中的电擦式可编程只读存储器集成电路芯片(EEPROM)来存储数据信息的。,4.1.2 感知层,4、无线射频识别标签RFID 射频识别（Radio Frequency Identification，简称RFID）技术，是一种无线通信技术，可通过无线电讯号识
4、别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。 无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。 许多行业都运用了射频识别技术。将标签附着在一辆正在生产中的汽车，厂方便可以追踪此车在生产线上的进度。仓库可以追踪药品的所在。射频标签也可以附于牲畜与宠物上
5、，方便对牲畜与宠物的积极识别（积极识别意思是防止数只牲畜使用同一个身份）。射频识别的身份识别卡可以使员工得以建筑进入锁住的部分，汽车上的射频应答器也可以用来征收收费路段与停车场的费用。某些射频标签附在衣物、个人财物上，甚至于植入人体之内。由于这项技术可能会在未经本人许可的情况下读取个人信息，这项技术也有可能会侵犯个人隐私。,4.1.2 感知层,3 自组织网络 移动自组织(Ad Hoc)网络是一种多跳的临时性自治系统，它的原型是美国早在1968年建立的ALOHA网络和之后于1973提出 的PR(Packet Radio)网络。ALOHA网络需要固定的基站，网络中的每一个节点都必须和其它所有节点直
6、接连接才能互相通信，是一种单跳网络。直到PR网络，才出现了真正意义上的多跳网络，网络中的各个节点不需要直接连接，而是能够通过中继的方式，在两个距离很远而无法直接通信的节点之间传送信息。PR网络被广泛应用于军事领域。IEEE在开发802.11标准时，提出将PR网络改名为Ad Hoc网络，也即今天我们常说的移动自组织网络。 作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施(如基站、AP)的情况下，提供终端之间的相互通信。由于终端的发射功率和无线覆盖范围有限，因此距离较远的两个终端如果要进行通信就必须借助于其它节点进行分组
7、转发，这样节点之间构成了一种无线多跳网络。 网络中的移动终端具有路由和分组转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。移动自组织网络既可以作为单独的网络独立工作，也可以以末端子网的形式接入现有网络，如Internet网络和蜂窝网。,4.1.2 感知层,4 信息短距离传输 1、蓝牙技术 是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。 2、WI-FI（无线保真）技术 是一种可以将个人电脑、手持设备
8、（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信号。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。 3、IrDA技术 IrDA是红外数据组织（Infrared Data Association）的简称，目前广泛采用的IrDA红外连接技术就是由该组织提出的。 4、NFC（Near Field Communication，近场通信）技术 又称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输，在十厘米内交换数据。这个技术由非接触式射频识别（RFID）演变而来，其基础是RFID及互连技术。NFC采用主动和被动两
9、种读取模式。,4.1.3 网络层,网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。如果想用尽量少的词来记住网络层，那就是“路径选择、路由及逻辑寻址”。 1 网络层功能 网络层在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端，从而向传输层提供最基本的端到端的数据传送服务。网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括路由选择、拥塞控制和网际互连等。具备以下主要功能：路由选择和中继、激活,终止
10、网络连接、在一条数据链路上复用多条网络连接,多采取分时复用技术、差错检测 、排序,流量控制、服务选择、网络层管理 、分段和合段 、流量控制 、加速数据传送、复位 。,4.1.3 网络层,2 接入网 指骨干网络到用户终端之间的所有设备。其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地称为“最后一公里“。由于骨干网一般采用光纤结构，传输速度快，因此，接入网便成为了整个网络系统的瓶颈。接入网的接入方式包括铜线（普通电话线）接入、光纤接入、光纤同轴电缆（有线电视电缆）混合接入和无线接入等几种方式。 根据接入网框架和体制要求，接入网的重要特征可以归纳为如下几点： 1接入网对于所接入的业务提供承载能力，实现业务的
11、透明传送。 2接入网对用户信令是透明的，除了一些用户信令格式转换外，信令和业务处理的功能依然在业务节点中。 3接入网的引入不应限制现有的各种接入类型和业务，接入网应通过有限的标准化的接口与业务节点相连。 4接入网有独立于业务节点的网络管理系统，该系统通过标准化的接口连接TMN，TMN实施对接入网的操作、维护和管理。,4.1.3 网络层,3 互联网 互联网（Internetwork），又称网际网路，是网络与网络之间所串连成的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相连，形成逻辑上的单一巨大国际网络。这种将计算机网络互相联接在一起的方法可称作“网络互联”，在这基础上发展出覆盖全世界的全球性互联网络称互联
12、网，即是互相连接一起的网络。互联网并不等同万维网，万维网只是一建基于超文本相互链接而成的全球性系统，且是互联网所能提供的服务其中之一。 事实上，互联网还远远不是我们经常说到的“信息高速公路”。这不仅因互联网的传输速度不够，更重要的是互联网还没有定型，还一直在发展、变化。因此，任何对互联网的技术定义也只能是当下的、现时的。 与此同时，在越来越多的人加入到互联网中、越来越多地使用互联网的过程中，也会不断地从社会、文化的角度对互联网的意义、价值和本质提出新的理解。,4.1.4 应用层,应用层也称为应用实体（AE），它由若干个特定应用服务元素（SASE）和一个或多个公用应用服务元素（CASE）组成。每
13、个SASE提供特定的应用服务，例如文件运输访问和管理（FTAM）、电子文电处理（MHS）、虚拟终端协议（VAP）等。CASE提供一组公用的应用服务，例如联系控制服务元素（ACSE）、可靠运输服务元素（RTSE）和远程操作服务元素（ROSE）等。 1 应用层功能 应用层主要包括服务支撑层和应用子集层。物联网的核心功能是对信息资源进行采集、开发和利用。服务支撑层的主要功能是根据底层采集的数据，形成与业务需求相适应、实时更新的动态数据资源库。 物联网主要功能是将用户端的所有需要的信息互通互联，实现全方位的远程识别、读取和操控、互动。 比如，将每家每户的电冰箱联在一起，超市就知道谁家用掉了什么，需要配
14、送什么了。 如果全国计量系统建成互联网，重要物资、产品的每个称重信息都可以上传到信息中心。 已经在做的如远程抄表系统，也应算作物联网的一种子系统。,4.1.4 应用层,2物联网中间件 是物联网应用的共性需求（感知、互联互通和智能），与已存在的各种中间件及信息处理技术，包括信息感知技术、下一代网络技术、人工智能与自动化技术的聚合与技术提升。 按物联网底层感知及互联互通，和面向大规模物联网应用两方面介绍当前物联网中间件的相关研究现状：在物联网底层感知与互联互通方面， EPC中间件相关规范、OPC中间件相关规范已经过多年的发展，相关商业产品在业界已被广泛接受和使用。WSN中间件，以及面向开放互联的O
15、SGi中间件，正处于研究热点；在大规模物联网应用方面，面对海量数据实时处理等的需求，传统面向服务的中间件技术将难以发挥作用，而事件驱动架构、复杂事件处理CEP中间件则是物联网大规模应用的核心研究内容之一。 （一）EPC中间件 EPC（Electronic Product Code）中间件扮演电子产品标签和应用程序之间的中介角色。应用程序使用EPC中间件所提供的一组通用应用程序接口，即可连到RFID读写器，读取RFID标签数据。,4.1.4 应用层,（二）OPC中间件 OPC（OLE for Process Control， 用于过程控制的OLE）是一个面向开放工控系统的工业标准。OPC基于微软
16、的OLE(Active X)、COM (构件对象模型)和DCOM (分布式构件对象模型)技术，包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统，现已成为工业界系统互联的缺省方案。 （三）WSN中间件 WSN（Wireless Sensor Networks）无线传感器网络不同于传统网络，具有自己独特的特征，如有限的能量、通信带宽、处理和存储能力，动态变化的拓扑，节点异构等。WSN中间件主要用于支持基于无线传感器应用的开发、维护、部署和执行。 （四）OSGi中间件 OSGi规范基于JAVA技术，可为设备的网络服务定义一个标准的、面向组件的计算环境，并提供已开发的象HTTP服务器、配置、日志、安全、用户管理、XML等很多公共功能标准组件。OSGi组件可以在无需网络设备重启下被设备动态加载或移除，以满足不同应用的不同需求。,4.1.4 应用层,（五）CEP中间件 复杂事件处理（Complex Event Progressing）技术可以实现从系统中获取大量信息，进行过滤组合，继而判断推理决策的过程。这些信息统称事件，复杂事件处理工具提供规则引擎和持续查询语言技术来处
