物联网架构技术

1、第 2 章 物联网架构技术 学习任务务物联网结结构未来的物物联网架架构技术术案例:上海嘉定定物联网网工程示示范项目目123 本章主要要涉及：2.1物联网结结构从物联网网的功能能上来说说，应该该具备四四个特征征：一是全面面感知能能力，可可以利用用RFID、传感器器、二维维条形码码等获取取被控/被测物体体的信息息;二是数据据信息的的可靠传传递，可可以通过过各种电电信网络络与互联联网的融融合，将将物体的的信息实实时准确确地传递递出去;2.1物联网结结构三是可以以智能处处理，利利用现代代控制技技术提供供的智能能计算方方法，对对大量数数据和信信息进行行分析和和处理，对物体体实施智智能化的的控制。四是可以

2、以根据各各个行业业、各种种业务的的具体特特点形成成各种单单独的业业务应用用，或者者整个行行业及系系统的建建成应用用解决方方案。2.1物联网结结构2.1物联网结结构而按照更更为科学学及严谨谨的表述述，物联联网结构构应分成成:感知识别别层 网络络构建层层 管理理服务层层 综合合应用层层2.1.1感知识别别层感知层是是物联网网发展和和应用的的基础，RFID技术、传传感和控控制技术术、短距距离无线线通信技技术是感感知层的的主要技技术。例如张贴贴安装在在设备上上的RFID标签和用用来识别别RFID信息的扫扫描仪、 感应应器都属属于物联联网的感感知层。现在的高高速公路路不停车车收费系系统、超超市仓储储管理

3、系系统等都都是基于于这一类类结构的的物联网网。2.1.1感知识别别层感知层由由传感器器节点接接入网关关组成，智能节节点感知知信息（温度、湿度、图像等等），并并自行组组网传递递到上层层网关接接入点，由网关关将收集集到的感感应信息息通过网网络层提提交到后后台处理理。当后台对对数据处处理完毕毕，发送送执行命命令到相相应的执执行机构构完成对对被控/被测对象象的控制制参数调调整或发发出某种种提示信信号以实实现对其其的一个个远程监监控。2.1.1感知识别别层由传感器器组成的的感知结结构2.1.2网络构建建层网络是物物联网最最重要的的基础设设施之一一。网络构建建层在物物联网四四层模型型中连接接感知识识别层和

4、和管理服服务层，具有强强大的纽纽带作用用，高效效、稳定定、及时时、安全全地传输输上下层层的数据据。物联网在在网络构构建层存存在各种种网络形形式，通通常使用用的网络络形式有有如下几种种：2.1.2网络构建建层 互联联网：互联网/电信网是是物联网网的核心心网络、平台和和技术支支持。IPv6的使用扫扫清了可可接入网网络的终终端设备备在数量量上的限限制。无线宽带带网：WiFi/WiMAX等无线宽宽带技术术的覆盖盖范围较较广，传传输速度度较快，为物联联网提供供高速可可靠廉价价且不受受接入设设备位置置限制的的互联手手段。2.1.2网络构建建层 无线线低速网网：ZigBee/蓝牙/红外等低低速网络络协议能能

5、够适应应物联网网中能力力较低的的节点的的低速率率、低通通信半径径、低计计算能力力和低能能量来源源等特征征。 移动动通信网网：移动通信信网络将将成为“全面、随时、随地”传输信信息的有有效平台台。高速速、实时时、高覆覆盖率、多元化化处理多多媒体数数据，为为“物品品触网”创造条条件。2.1.2网络构建建层网络构建建层2.1.3管理服务务层管理服务务层位于于感知识识别和网网络构建建层之上上，综合合应用层层之下，人们通通常把物物联网应应用冠以以“智能”的名称称，如智智能电网网、智能能交通、智能物物流等，其中的的智慧就就来自这这一层。当感知识识别层生生成的大大量信息息经过网网络层传传输汇聚聚到管理理服务层

6、层，管理理服务层层解决数数据如何何存储（数据库库与海量量存储技技术）、如何检检索（搜搜索引擎擎）、如如何使用用（数据据挖掘与与机器学学习）、如何不不被滥用用（数据据安全与与隐私保保护）等等问题。2.1.3管理服务务层1.数据库物联网数数据特点点是海量量性，多多态性，关联性性及语义义性。适适应这种种需求，在物联联网中主主要使用用的是关关系数据据库和新新兴数据据库系统统。 关系系数据库库系统作作为一项项有着近近半个世世纪历史史的数据据处理技技术，仍仍可在物物联网中中使用，为物联联网的运运行提供供支撑。 新兴兴数据库库系统（NoSQL数据库）针对非非关系型型、分布布式的数数据存储储，并不不要求数数据

7、库具具有确定定的表模模式，通通过避免免连接操操作提升升数据库库性能。2.1.3管理服务务层2.海量信息息存储海量信息息存储早早期采用用大型服服务器存存储，基基本都是是以服务务器为中中心的处处理模式式，使用用直连存存储（DAS，DirectAttachedStorage），存储储设备（包括磁磁盘阵列列，磁带带库，光光盘库等等）作为为服务器器的外设设使用。2.1.3管理服务务层随着网络络技术的的发展，服务器器之间交交换数据据或向磁磁盘库等等存储设设备备份份时，都都是通过过局域网网进行，这是主主要应用用网络附附加存储储（NAS，Network Attached Storage）技术来来实现网网络存储

8、储，但这将占占用大量量的网络络开销，严重影影响网络络的整体体性能。2.1.3管理服务务层为了能够够共享打打容量，高速度度存储设设备，并并且不占占用局域域网资源源的海量量信息传传输和备备份，就就需要专专用存储储区域网网络（SAN,StorageAreaNetwork）来实现现。2.1.3管理服务务层3.数据中心心数据中心心不仅包包括计算算机系统统和配套套设备（如通信信/存储设备备），还还包括冗冗余的数数据通信信连接/环境控制制设备/监控设备备及安全全装置，是一大大型的系系统工程程。通过过高度的的安全性性和可靠靠性提供供及时持持续的数数据服务务，为物物联网应应用提供供良好的的支持。典型的数数据中心

9、心如Google/Hadoop数据中心心。2.1.3管理服务务层4.搜索引擎擎Web搜索引擎擎是一个个能够在在合理响响应时间间内，根根据用户户的查询询关键词词，返回回一个包包含相关关信息的的结果列列表（hits list）服务的的综合体体。传统的Web搜索引擎擎是基于于查询关关键词的的，对于于相同的的关键词词，会得得到相同同的查询询结果。而物联网网时代的的搜索引引擎必须须是从智智能物体体角度思思考搜索索引擎与与物体之之间的关关系，主主动识别别物体并并提取有有用信息息。从用用户角度度上的多多模态信信息利用用，使查查询结果果更精确确，更智智能，更更定制化化。2.1.3管理服务务层5.数据挖掘掘技术

10、物联网需需要对海海量的数数据进行行更透彻彻的感知知要求对对海量数数据多维维度整合合与分析析，更深深入的智智能化需需要普适适性的数数据搜索索和服务务，需要从大大量数据据中获取取潜在有有用的且且可被人人理解的的模式，基本类型型有关联联分析，聚类分分析，演演化分析析等。这这些需求求都使用用了数据据挖掘技技术。2.1.3管理服务务层例如用于于精准农农业可以以实时监监测环境境数据，挖掘影影响产量量的重要要因素，获得产产量最大大化配置置方式。而用于市市场营销销则可以以通过数数据库行行销和货货篮分析析等方式式获取顾顾客购物物取向和和兴趣。2.1.4综合应用用层传统互联联网经历历了以数数据为中中心到以以人为中

11、中心的转转化，典典型应用用包括文文件传输输、电子子邮件、万维网网、电子子商务、视频点点播、在在线游戏戏和社交交网络等等；而物联网网应用以以“物”或或者物理理世界为为中心，涵盖物物品追踪踪、环境境感知、智能物物流、智智能交通通、智能能电网等等等。物物联网应应用目前前正处于于快速增增长期，具有多多样化、规模化化、行业业化等特特点。2.1.4综合应用用层 智能能物流：现代物流流系统希希望利用用信息生生成设备备，如RFID设备、感感应器或或全球定定位系统统等种种种装置与与互联网网结合起起来而形形成的一一个巨大大网络，并能够够在这个个物联化化的物流流网络中中实现智智能化的的物流管管理。 智能能交通：通过

12、在基基础设施施和交通通工具当当中广泛泛应用信信息、通通讯技术术来提高高交通运运输系统统的安全全性、可可管理性性、运输输效能同同时降低低能源消消耗和对对地球环环境的负负面影响响。2.1.4综合应用用层 绿色色建筑：物联网技技术为绿绿色建筑筑带来了了新的力力量。通通过建立立以节能能为目标标的建筑筑设备监监控网络络，将各各种设备备和系统统融合在在一起，形成以以智能处处理为中中心的物物联网应应用系统统，有效效的为建建筑节能能减排提提供有力力的支撑撑。 智能能电网：以先进的的通信技技术、传传感器技技术、信信息技术术为基础础，以电电网设备备间的信信息交互互为手段段，以实实现电网网运行的的可靠、安全、经济、

13、高效、环境友友好和使使用安全全为目的的的先进进的现代代化电力力系统。2.1.4综合应用用层 环境境监测：通过对人人类和环环境有影影响的各各种物质质的含量量、排放放量、以以及各种种环境状状态参数数的检测测，跟踪踪环境质质量的变变化，确确定环境境质量水水平，为为环境管管理、污污染治理理、防灾灾减灾等等工作提提供基础础信息、方法指指引和质质量保证证。2.2未来的物物联网架架构技术术通过专业业人员对对物联网网体系结结构的长长期讨论论，目前前可以明明确以下下几点：首先，未未来的物物联网需需要一个个开放的的架构来来最大限限度的满满足各种种不同系系统和分分布式资资源之间间的互操操作性需需求。这些系统统和资源

14、源既可能能是来自自于信息息和服务务的提供供者，也也可能来来自于信信息和服服务的使使用者或或者客户户。2.2未来的物物联网架架构技术术其次，未未来的物物联网的的架构还还需要有有良好的的、明确确定义的的、呈现现为粒度度形式的的层次划划分。物联网的的架构技技术应该该促进用用户丰富富的选择择权，而而不应该该将用户户锁定到到必须使使用某一一家或者者某几家家大的、处于垄垄断地位位的解决决方案服服务提供供商所发发布的各各种应用用上。2.2未来的物物联网架架构技术术同时，物物联网的的架构技技术需要要设计为为可以抵抵御物理理网络中中各种中中断以及及干扰的的形式，尽可能能将这些些情况所所带来的的影响降降低到最最小

15、程度度。而且，未未来的物物联网架架构还需需要考虑虑到这样样一个事事实：即即，以后后网络中中的很多多节点和和网络设设备将是是移动的的。2.2未来的物物联网架架构技术术最后，从从对于未未来物联联网的架架构技术术来说，要理解解下列几几件事情情：第一，对对于身处处未来物物联网中中的各种种节点，他们中中的大多多数将需需要有能能力与其其他节点点一起动动态的、自主的的组建各各式各样样的本地地或者远远程对等等网络。2.2未来的物物联网架架构技术术第二，可可以预料料到，未未来的物物联网中中产生的的数据将将是海量量的。物联网的的架构技技术一定定要同时时支持移移动的“智能”与、自自主的信信息过滤滤、自主主模式识识别

16、、自自主机器器学习以以及自主主判断决决策能力力，要让让这些能能力能够够达到各各种物联联网子网网络的边边缘地带带，而无无需考虑虑数据是是在附近近产生的的还是远远程生成成的。2.2未来的物物联网架架构技术术第三，在在未来物物联网架架构的设设计过程程中，我我们要一一方面使使得基于于事件的的处理、路由、存储、检索以以及引用用能力成成为可能能，另一方面面还要允允许这些些能力可可以在离离线的、非连接接情况（比如，那些网网络连接接是时断断时续的的，或者者根本没没有网络络覆盖的的地方）下进行行操作。2.3案例:上海嘉定定物联网网工程示示范项目目按照上海海嘉定物物联网工工程示范范项目规规划，到到2013年年底，基本建建成研发发、产业业、应用用三个层层次的载载体，即以上海海物联网网中心为为核心技技术研发发平台，以上海海物联网网中心产产业化基基地作为为产业发发展支撑撑，以上上海“智智慧城市市”嘉定定示范区区引领物物联网广广泛应用用。从而，使使嘉定区区成为国国内最具具竞争力力、具有有国际影影响力的的物联网网技术和和产业创创新发源源地。2.3案例:上海嘉定定物联网网工程示示范项目目1、智慧社社