物联网技术组成概括40

物联网技术组成概括,第一节物联网技术简介,最初的狭义传感器网络指的是由传感器节点和控制节点组成的局域无线网络，后来将互联网加入到传感网的系统结构中来，能将传感器网络的信息传送给更远的用户，这样就形成了广义的传感器网络的结构，将广义传感器网络的感知前端再加入更多的可以感知信息的部件（主要是RFID，以及所有其他能有助于物与物或人与物之间交换信息的感知部件），就构成了当前讨论的物联网的概念。,将来的物联网也必须是智能化的物联网，所依赖的技术应该包含前端技术（传感器、RFID等）、数据传输技术（无线通信、互联网等）、智能化处理技术（数理统计、模式识别等）、终端技术（给用户呈现信息的软、硬件技术）。,第二节传感网技术,图3-1传感器节点示意图,第二节传感网技术,一、传感网节点,传感网是由大量部署在作用区域内、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点，通过自组织方式构成能根据环境自主完成指定任务的分布式、智能化网络系统。,传感网节点的组成和功能包括以下四个基本单元：感知单元（由传感器和模/数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源部分，如图3-2所示。,图3-2传感器节点结构,第二节传感网技术,传感网的每个节点可以配备一个或多个传感器、一个无线电收发器、一个微控制器和一个能源（通常为电池）。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒，小到一粒尘埃。,加州大学伯克利分校主持开发的低功耗无线传感器节点Mica，Mica节点上可感知多个不同物理量：光强度、温度、地磁强度等。,二、传感网系统结构,包括三个方面的技术：感应、通信、计算（硬件、软件、算法）。,典型的传感网的体系结构包括分布式传感器节点（群）、sink节点、互联网和用户界面等。,传感网的系统结构如图3-3所示。,第二节传感网技术,图3-3传感网的系统结构,第二节传感网技术,三、传感网协议,无线传感器网络协议也大致包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层上的协议。,1物理层,无线传感网物理层通信协议主要解决传输介质选择、传输频段选择、无线电收发器的设计、调制方式等问题。,2数据链路层MAC协议,传感网的MAC协议旨在为资源（特别是能量）受限的大量传感器节点建立具有自组织能力的多跳通信链路，实现公平优先的通信资源共享，处理数据包之间的碰撞，重点是如何节省能量。,1）基于随机竞争的MAC协议,2）基于TDMA（时分多址）的MAC协议,第二节传感网技术,3网络层路由协议,1）基于聚簇的路由协议2）基于地理位置的路由协议3）以数据为中心的路由协议4）能量感知路由协议,4传输层协议,传感网的传输层与传统的网络传输层担负的任务大致相同，负责端到端的传输控制。,第二节传感网技术,四、传感网操作系统,节点是传感网中部署到研究区域中用于收集和转发信息、协作完成指定任务的对象。每个节点上运行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其ID。,存在的问题：应用程序开发的难度大大增加，程序员无法继承现有的软件成果，无法形成规模化开发。,在传感网中，传感器节点有两个很突出的特点：,并发性很密集。传感器节点模块化程度很高。,TinyOS中引入了四种技术：轻线程、主动消息、事件驱动和组件化编程。,第二节传感网技术,五、传感网中间件,中间件在软件系统中起到承上启下的作用。中间件是构件化软件的一种表现形式，它抽象了典型的应用模式，应用软件制造者可以基于标准的中间件进行再开发，这种操作系统方式其实就是软件构件化的具体表现。,传感网的特点：,网络节点体积非常小，能量、资源有限，节点很容易出现功能失效。由于节点本身的移动、能量耗尽或环境影响造成的节点失效，导致网络拓扑动态变化。由于节点部署往往数量庞大，人工部署和维护不大可能，需要网络自配置和自维护。大量节点使网络更加健壮，但同时会造成数据冗余问题，需要数据的网内融合。网络往往由许多体系结构、计算能力、存储能力、能量级别各不相同的异构节点组成，网络设计时也要考虑异构性问题。,第二节传感网技术,图3-4传感网系统分层结构,第二节传感网技术,传感网中间件是完成实时网络协同和控制，实现以满足应用系统性能要求为目标的网络资源动态管理机制，在传感网节点间分配应用任务并确定优化任务调度策略，兼容不同传感节点操作系统等任务。传感网中间件需要满足可靠性、自适应性、可扩展性、分布式计算、能耗优化等技术指标。,RFID中间件分为读取接口、处理模块及应用程序接口三个部分。,六、其他传感网技术,1拓扑控制2时间同步3节点定位4网络安全5服务质量（QoS）管理6数据管理,第三节传感网向物联网的扩展,物联网是将世界上所有和人类社会生活相关的东西进行网络连接，以便及时获取信息和实施管理。可见，物联网是互联网的延伸。现有的两类成熟技术构成了物联网的两大技术核心，这就是互联网和传感网。互联网技术赋予物联网远程连接的能力，传感器技术赋予物联网无处不在的能力。由于互联网在物联网中只起到远程数据传输的作用，对物联网的建设和应用而言，其技术可以是透明的，而且互联网被大家所熟知。,在传感网的基础上，按照物联网的理念和应用需求进行技术、部件等的扩展就可以形成预期中的物联网。可进行扩展连接的部件包括了所有有利于将“物”连接入网的技术和设备，如RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，以及所有有助于现实应用模式的无限网络标准、协议、接入技术等。,第四节“感知”前端,一、RFID和EPC,RFID解决了个体识别的问题。,图3-5RFID应用,第四节“感知”前端,条码技术的应用实现了对物品的数字化管理，也改善了供应链的管理水平，如图3-6所示。,图3-6条码技术应用,第四节“感知”前端,RFID是一种利用无线射频识别技术识别目标对象并获取相关信息的技术。RFID从硬件设备讲主要包括电子标签和识读器两部分。当电子标签通过由识读器产生的射频区域时，识读器发出询问信号并向电子标签提供电磁能量，标签获得能量后向识读器返回芯片内存存储的EPC数据信息。因此，在RFID射频系统中识读器不需要“看见”就能读取信息。,RFID特点：快速读写、距离远、长期跟踪管理等。,1条码标识技术的局限性,（1）条码只能识别一类产品，而无法识别单品。（2）条码是可视传播技术，即扫描仪必须“看见”条码才能读取它，这表明人们通常必须将条码对准扫描仪才有效。（3）如果印有条码的横条被撕裂、污损或脱落，就无法扫描这些商品。（4）传统一维条码是索引代码，必须实时和数据库联系，从数据库中寻找完整的描述数据。,第四节“感知”前端,（5）没有做到真正的“一物一码”，对每一个商品的管理不到位，更无法实现产品的实时追踪。（6）传统的条码技术不便于推广开发基于互联网的应用。（7）没有分类和属性信息，不能实现分类查询、统计等应用，在电子商务中的应用受到限制。,2RFID标识技术及其优越性,条码与RFID的功能对比，在标签信息容量大小、一次读取数量、读取距离远近、读写能力更新（标签信息可反复读写R/W）、读取方便性（读取速度与可否高速移动读取）、适应性（全方位穿透性读取，在恶劣环境下仍可读取，全天候工作）等方面都大大优于条码。,RFID是一种新兴的自动识别技术。,射频识别技术最突出的特点如下：,（1）可以非接触识读，距离可以从十厘米至几十米。（2）信息容量大，唯一标识每个物体。,第四节“感知”前端,（3）可识别高速运动物体。（4）抗恶劣环境。（5）保密性强。（6）可同时识别多个对象等。,3EPC概念和技术的产生及其技术特性,1）EPC概念和技术的产生,EPC码采用一组编号来代表制造商及其产品，不同的是EPC还用另外一组数字来唯一地标识单品。EPC是唯一存储在RFID标签微型芯片中的信息，这样可使得RFID标签能够维持低廉的成本并保持灵活性，使在数据库中无数的动态数据能够与EPC标签链接。,EPC技术是由美国麻省理工学院的自动识别研究中心开发,2003年11月1日，国际物品编码协会（EAN-UCC）正式接管了EPC在全球的推广应用工作，成立了电子产品代码全球推广中心（EPCGlobal）,第四节“感知”前端,2）EPC技术特性,EPC标签芯片的面积不足1mm2，可实现二进制128字节信息存储，它的标识容量上限是：全球2.68亿家公司，每个公司出产1600万种产品，每种产品生产680亿个。,EPC的优势不仅在超强的标识能力，一秒钟可以识别50150件物品。,3）EPC系统组成与物联网,一个完整的EPC工作系统由EPC标签、识读器、Savant服务器、Internet、对象名称解析服务器（ONS）、PML（物理标记语言）服务器，以及众多的数据库组成。,在全球互联网的基础上，EPC通过管理软件系统、ONS和PML实现全球“实物互联”。,第四节“感知”前端,4RFID与EPC以及EAN-UCC体系的关系,1）EPC与EAN-UCC之间的关系,EPC是EAN-UCC系统的延续和拓展，主要表现在以下两个方面：组织上由EAN和UCC负责EPC在全球的推广与实施，技术上EPC结构与现行的EAN-UCC系统中的GTIN是兼容的，也就是说GTIN是EPC编码结构中的重要组成部分。二者之间既有区别又有联系，整体上必须维护EAN-UCC系统的一致性和连续性。,2）EPC与RFID的关系,EPC与RFID科学的逻辑关系应该是：EPC代码RFIDInternet=EPC系统。,EPC系统是一个复杂、全面、综合的系统，包括RFID、EPC编码、网络、通信协议等，RFID只是其中的一个组成部分。EPC是RFID技术的应用领域之一，只有特定的低成本的RFID标签才适合EPC系统。,第四节“感知”前端,5EPC网络,EPC网络的组成：EPC编码标准、EPC标签、阅读器、Savant系统、对象名称解析服务器（ONS）及物理标记语言（PML）。,当RFID标签进入阅读器的阅读范围时，阅读器发送电磁波，RFID标签从中获得能量并将存储在其内部的数据传回。阅读器接收到数据后便将其EPC代码传送到Savant服务器，该代码进入公司局域网或互联网上的对象名称解析服务器（ONS），检索与该EPC相关的产品信息存放的数据库服务器。,二、传感器,1根据传感器的工作原理分类,可分为物理传感器和化学传感器两大类,2按照传感器的用途分类,1）力敏传感器2）位置传感器3）液面传感器,第四节“感知”前端,4）速度传感器5）热敏传感器6）加速度传感器7）射线辐射传感器8）振动传感器9）湿敏传感器10）磁敏传感器11）气敏传感器12）真空度传感器13）生物传感器14）转速传感器15）电流传感器16）电压传感器17）霍尔传感器18）空气流量传感器,3按传感器的输出信号分类,模拟传感器、数字传感器、膺数字传感器、开关传感器,4按传感器所应用的材料分类,按照其所用材料的类别分：金属、聚合物、陶瓷、混合物。按材料的物理性质分：绝缘体、半导体、磁性材料。按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶材料。,第四节“感知”前端,5按照传感器的制造工艺分类,1）集成传感器2）薄膜传感器3）厚膜传感器4）陶瓷传感器,三、摄像头,1摄像头分类,数字摄像头和模拟摄像头,2摄像头工作原理,景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面，然后转为电信号，经过A/D（模/数）转换后变为数字图像信号，送到数字信号处理芯片（DSP）中加工处理，再通过USB接口传输到计算机中进行处理和显示。,3摄像头技术要点,1）镜头（LENS）2）感光芯片（SENSOR）3）视频捕获能力4）调焦能力,第四节“感知”前端,5）图像解析度/分辨率6）自动白平衡调整（AWB）7）图像压缩方式8）彩色深度（色彩位数）9）输出/输入接口10）主控芯片（DSP）,4红外摄像,特点：有夜视距离远、隐蔽性强、性能稳定等突出优势，对重要的场所可以做到24小时连续监控。,红外摄像技术分为被动红外摄像技术和主动红外摄像技术。,四、微机电系统,MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。MEMS传感器能够将信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。,第五节数据传输,一、无线通信网络,1无线通信网络的类型,1）无线局域网（WLAN）2）无线个人局域网（WPAN）3）移动宽带或无线广域网（WWAN）,2无线局域网标准,1）无线局域网MAC和PHY标准（802.11）2）802.11标准的规格,3移动宽带网络标准,IEEE802.16a,4一些无线网络协议,1）蓝牙2）ZigBee3）Wibree,第五节数据传输,4）Z-Wave5）SimplisiTI6）SMAC/Synkro7）MiWi,二、下一代互联网,1认识下一代互联网,（1）地址空间更大（2）传输速度更快（3）网络信息更安全（4）数据传输更及时（5）信息传递更方便（7）网络运营更有效（6）信息更可管理,2我国的下一代互联网建设,我国开创性地建成了世界第一个纯IPv6主干网；在国际上首次提出了真实源地址认证新体系结构理论和两代互联网过渡技术方案，向国际组织提交了七项标准草案；首次在全国主干网中大规模使用国产IPv6路由器。,第五节数据传输,第二代教育和科研计算机网（CERNET2）,3下一代互联网技术,1）IPv6的特点2）IPv6的地址分配3）IPv6的网络安全4）IPv6的路由协议,（1）域内路由协议。（2）域间路由协议。,4IPv6网络的业务和应用,1）IPv6对业务模式的影响,2）基于IPv6的业务和应用,远程应用业务（远程教育、远程医疗、远程监控）。宽带接入业务（FTTH、LAN、DSL等）。,第五节数据传输,视频点播业务（VoD）。移动业务（CDMAlx、GPRS、WLAN等）。网络游戏业务。VoIPv6业务。IPv6MPLSVPN。,三、三网融合,1什么是三网融合,三网融合指的是原先独立设计运营的电信网、广播电视网和互联网趋于相互渗透和相互融合。,三网融合指的不是三个物理网络的融合，而是对网络内容和业务的融合。,2三网融合的关键问题,体制障碍,第六节“感知”终端,一、个人计算机,图3-7个人计算机,优点：数据量大，处理速度快，而且操作方便、通用性强。缺点：体积较大。,第六节“感知”终端,二、3G手机,图3-83G手机,第六节“感知”终端,三、PDA,图3-9PDA,优点：是轻便、小巧、可移动性强；缺点：屏幕小，且电池续航能力有限。,第七节智能化,网络“智能化”需要应用一些传统的或者当前比较前沿的理论或技术，包括统计学、人工神经网络、图像处理、模式识别等。,一、统计学,物联网的重要功能是获取海量数据，而对这些数据进行加工处理才能得到有价值的信息。对数据作加工处理需要各种理论和方法上的工具，其中统计学就是最为基础和重要的一种理论工具。,二、人工神经网络,1人工神经网络的概念及特点,神经网络是由多个非常简单的处理单元彼此按某种方式相互连接而形成的计算机系统，该系统靠其状态对外部输入信息的动态响应来处理信息。所谓人工神经网络就是指为了模拟生物大脑的结构和功能而构成的一种信息处理系统或计算机。人工神经网络特点：大规模并行计算、非线性处理、鲁棒性、自组织及自适应性、学习能力、联想能力等。,第七节智能化,2人工神经网络的应用领域,民用应用领域有：语言识别、图像识别与理解、计算机视觉、智能机器人故障、实时语言翻译、企业管理、市场分析、决策优化、物资调运、自适应控制、专家系统、智能接口、神经生物学、心理学和认识科学研究等。军用应用领域有：语音、图像信息的录取与处理，雷达、声纳的多目标识别与跟踪，战场管理和决策支持系统，军用机械人控制，各种情况、信息的快速录取、分类与查询、导弹的智能引导，航天器的姿态控制等。,3人工神经网络的优越性,1）具有自学习功能2）具有联想存储功能3）具有高速寻找优化解的能力,第七节智能化,三、模式识别,模式识别是指对表征事物或现象的各种形式的（数值的、文字的和逻辑关系的）信息进行处理和分析，以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程，是信息科学和人工智能的重要组成部分。,模式还可分成抽象的和具体的两种形式。,模式识别研究主要集中在两方面：一是研究生物体（包括人）是如何感知对象的，属于认识科学的范畴；二是在给定的任务下，如何用计算机实现模式识别的理论和方法。,1模式识别方法,1）决策理论方法2）句法方法3）统计模式识别,第七节智能化,2模式识别的应用,1）文字识别2）语音识别3）车牌识别4）指纹识别5）遥感6）医学诊断,3模式识别的发展潜力,四、数字图像处理,数字图像处理是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。,1数字图像处理的目标,（1）提高图像的视感质量（2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息（3）图像数据的变换、编码和压缩,2数字图像处理的内容,（1）图像获取和图像表现（2）图像复原,第七节智能化,（3）图像增强（4）图像分析（5）图像重建（6）图像编码和压缩,3数字图像处理的理论工具,（1）包括各种正交变换和图像滤波等方法，其共同点是图像变换到其他域（如频域）中进行处理（如滤波）后，再变换到原来的空间（域）中。（2）直接在空间域中处理图像，它包括各种统计方法、微分方法及其他数学方