教学课件-物联网工程与实践

11物联网工程与实践第一章：物联网工程简介11物联网工程与实践22前言物联网是指将各种实时信息获取设备或设备集合体，如传感网、射频标签阅读装置、条码与二维码设备、仪表、全球定位系统和其它基于物一物通信模式的短距无线自组织网络，通过各种接入网与互联网、广电网或电信网结合起来所形成的一个巨大的实时信息收集、传输、控制及信息服务网络。物联网应用涉及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。物联网工程的任务是建立高效、稳定的物联网实时信息系统。物联网实时信息系统主要包括六个部分：节点、网关、传输网络、数据服务中心、信息服务接入网及信息服务客户端。由于信息服务接入网和客户端同传统的互联网信息服务接入网及客户端相似，这两部分内容将不是本书讨论的重点。本章将从物联网的起源、物联网服务、物联网实时信息系统简介和物联网工程的主要任务几个方面来对物联网工程进行简单介绍。后续几章内容将对物联网实时信息系统的几个主要组成部分进行详细的论述。22前言物联网是指将各种实时信息获取设备或设备集合体，如传感31.1物联网的起源物联网概念最早来自“微软之父”BillGates在1995年出版的图书《TheRoadAhead（未来之路）》。1998年Auto-ID提出物联网（InternetofThings，IOT）的概念。我国科学院的一些研究所在1999年就启动了传感网的研究，并已取得了一些科研成果，且建立了一些试用的传感网。在我国，一些专家也将传感网称为物联网，但本书认为传感网只是物联网的一个重要组成部分，将传感网等同于物联网有些不妥。2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WorldSummitontheInformationSociety，WSIS）上，国际电信联盟（InternationalTelecommunicationsUnion，ITU）发布了《ITUInternetReports2005:TheInternetofThings》报告，并正式提出了“物联网”的概念。31.1物联网的起源物联网概念最早来自“微软之父”Bill41.1.1物联网的历史早在1991年的英国剑桥大学有一个计算机实验室，实验室咖啡壶事件。1995年，BillGates在他的《TheRoadAhead（未来之路）》书中描述了一些物联网应用场景。KevinAshton提出的物联网是针对物流管理系统的。2005年11月17日举行的信息社会世界峰会上，发布了《ITUInternetreports2005---TheInternetofThings》报告。2009年8月7日至9日，当时国务院总理温家宝在江苏考察太湖污染治理时，在和中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心的技术人员交流后提到：尽快建立我国的传感信息中心，或者叫“感知我国”中心。2012年2月14日，工信部正式公布了《物联网“十二五”发展规划》。41.1.1物联网的历史早在1991年的英国剑桥大学有一个51.1.2物联网发展现状1．美国物联网软硬件关键技术2．欧盟物联网技术研发和应用政策3.日本泛在网发展战略4．韩国U-Korea战略5.我国物联网发展现状51.1.2物联网发展现状1．美国物联网软硬件关键技术61.1.3物联网发展趋势根据美国权威的咨询公司Forrester预计，到2020年物联网世界服务规模将是互联网业务的30倍，将形成万亿元人民币的市场规模。其中，仅在智能电网和机场防入侵系统应用方面将有一千亿元人民币的市场。在一份中关村发布物联网产业报告中指出，未来10年，我国的物联网产业将经历应用创新、技术创新和服务创新的3个阶段，最终形成家庭应用、企业应用和公共管理服务三个较为稳定的市场，到2020年的市场规模将超过5万亿元人民币。61.1.3物联网发展趋势根据美国权威的咨询公司Forre71.2物联网服务物联网实时信息系统可提供的服务包括实时监测、定位跟踪、报警联动、自动化处理、反向控制、远程维护、统计决策和信息安全等。71.2物联网服务物联网实时信息系统可提供的服务包括实时监81.2.1实时监测一方面，实时监测是指利用软件对系统运行的过程进行同步的监控，比如杀毒软件实时对计算机内存进行监控并对调用的系统文件进行适当的操作。另一方面，物联网应用领域的实时监测是指实时收集被监控对象的数据，并对数据进行智能化处理及显示，用户可以通过监控界面或数据来实时了解被监控对象的当前状态。81.2.1实时监测一方面，实时监测是指利用软件对系统运行91.2.2定位跟踪物体的定位跟踪可以通过RFID射频技术和全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）技术来实现。通过RFID实时信息系统，可以监控目标行踪。91.2.2定位跟踪物体的定位跟踪可以通过RFID射频技101.2.3报警联动报警联动是指报警事件发生时，产生与报警相关联的各种设备运行动作（如报警图像拍摄存储、照明设备的开或关、空调设备的打开或关闭、供水系统的打开或关闭等）。例如，高温报警时，打开备用空调；湿度太低时打开加湿机，有人非法进入房间时打开视频监视设备及打开房间里的灯光等。101.2.3报警联动报警联动是指报警事件发生时，产生与报111.2.4自动化处理在某种意义上，物联网就是自动化和信息化结合的产物。例如，机器与机器通信（MachinetoMachine，M2M）是自动化的一项重要技术，M2M也被人认为是物联网的前身。机器和机器通信主要集中在设备之间，涉及大量的自动化应用。111.2.4自动化处理在某种意义上，物联网就是自动化和信121.2.5反向控制所谓反向控制，是指当物联网实时信息系统收到有关所监控设备的相关信息后，根据信息的具体内容，系统本身或者管理人员在异地通过网络对所监控设备实施控制措施，比如关闭或打开设备等。对于智能家居系统，天气热了，回家前，你可以通过手机或电脑检查一下家里的室温，然后，在任何地方通过移动电话或电脑开启家里的空调，回到家时，家里就会有一个舒适的环境121.2.5反向控制所谓反向控制，是指当物联网实时信息131.2.6远程维护远程维护（RemoteMaintenance，RM）一般是指从事信息技术服务的工程师、管理人员或系统本身通过网络连接到目标设备进行设备的安装、配置、维护、监控和管理，服务工程师没有必要亲临现场就可以解决问题。从远程维护工作的性质来看，其主要是用来解决软件系统问题。131.2.6远程维护远程维护（RemoteMaint141.2.7统计决策基于海量数据的智能决策是物联网“智慧”的来源。例如，通过使用传感器监测农作物生长的土壤性质和环境条件，实时数据通过网络传输到数据服务中心，通过数据挖掘的方法，可以知道环境温度、湿度和土壤参数和其他因素影响作物产量的规律，可调整各种作物生长环境参数来最大限度地提高作物产量。141.2.7统计决策基于海量数据的智能决策是物联网“智151.2.8信息安全任何信息系统都存在安全问题，作为实时信息系统，物联网不可避免也存在与传统互联网相关的安全问题。同其它信息系统的安全类似，物联网存在内部安全和外部安全两个方面的问题。物联网的信息安全服务要解决物联网的一般安全问题和物联网信息的隐私问题，为用户提供安全可靠的实时信息服务。151.2.8信息安全任何信息系统都存在安全问题，作为实161.3物联网实时信息系统简介当前，物联网是一个规模大小及应用种类各不相同的实时信息系统。物联网实时信息系统通过传感器、RFID、GPS及仪表等收集所监控对象的实时状态信息，并将感兴趣信息及时传输到数据服务中心。对数据中心的各种数据进行智能化处理后可形成各种物联网信息服务。人们可以在没有意识到物联网存在的情况下，通过适当的智能终端设备（比如智能手机等）接入到网络并享受物联网所提供的各种实时信息服务。161.3物联网实时信息系统简介当前，物联网是一个规模大171.3.1物联网实时信息系统应用现状目前，物联网实时信息系统多为孤立的信息系统，不同部门、单位或行业根据具体的需求，建立了规模不同的各自独立的物联网实时信息系统。当前，常见的物联网应用实时信息系统包括医药跟踪信息系统、制造业物流实时信息系统、物资仓储监控实时信息系统；智能物流实时信息系统、工业生产监控实时信息系统、农业生产环境实时监控系统、智能电网实时监控系统、智能家居实时监控系统、智慧城市实时信息服务系统、智能交通系统和智能校园信息服务系统171.3.1物联网实时信息系统应用现状目前，物联网实时信181.3.2物联网实时信息系统的组成物联网工程的任务是建立高效、稳定的物联网实时信息系统。如图1-1所示，物联网实时信息系统一般包含六个部分：节点、网关、传输网络、数据服务中心、物联网服务接入网络和物联网服务客户端。由于物联网服务接入网络和物联网服务客户端和现有的互联网接入网络及互联网服务极其相似，本书的重点将放在物联网实时信息系统的节点、网关、传输网络和数据服务中心四个部分。181.3.2物联网实时信息系统的组成物联网工程的任务是19图1-1物联网实时信息系统组成19图1-1物联网实时信息系统组成201.3.3物联网实时信息系统的分类根据当前的物联网发展现状，物联网实时信息系统可以分为单机的物联网实时信息系统、小区域物联网实时信息系统和大区域物联网实时信息系统。201.3.3物联网实时信息系统的分类根据当前的物联网发展211.4物联网工程的主要任务物联网工程的主要任务是设计、实现并管理一个物联网实时信息系统。具体任务包括：网关收集来自物联网节点的实时数据，网关对实时数据进行初步处理并将数据发送到数据服务中心，数据服务中心存储数据，数据服务中心在数据智能化处理的基础上提供用户可以接收或使用的物联网服务，比如实时监测、定位跟踪、警报处理、反向控制和远程维护等。211.4物联网工程的主要任务物联网工程的主要任务是设计221.4.1物联网实时信息系统设计物联网实时信息系统设计主要包括节点设计、网关设计、传输网络设计和数据服务中心设计四个方面的内容。221.4.1物联网实时信息系统设计物联网实时信息系统设计231.4.2物联网实时信息系统实现物联网实时信息系统的实现包括六个方面的内容，分别是物联网节点的选取安装及配置、网关的选取安装及配置、传输网络设备的选取安装及配置、数据服务中心服务器的选取安装及配置、数据服务中心软件的实现和客户端软件的实现。231.4.2物联网实时信息系统实现物联网实时信息系统的241.4.3物联网实时信息系统管理物联网实时信息系统的管理主要包括物联网设备管理、物联网网络管理和物联网安全管理。241.4.3物联网实时信息系统管理物联网实时信息系统的251.5小结本章对物联网工程所涉及的基本内容进行了概述。物联网工程就是建立及维护物联网实时信息系统过程。物联网实时信息系统的建立是信息化技术在经济及社会发展的各个领域更深层次应用的需要。本章的基本内容包括物联网的起源、物联网服务、物联网实时信息系统简介和物联网工程的主要任务。251.5小结本章对物联网工程所涉及的基本内容进行了概述。2626物联网工程与实践第二章：物联网节点2626物联网工程与实践2727前言物联网节点是指RFID标签、传感器、传感网及各种仪表，它们负责产生人类感兴趣的各种数据。一个传感器设备本身可以收集环境数据，并将数据直接上传到物联网网关。传感网是一个无线传感器的集合，多个无线传感器一起完成环境数据的收集，并将数据上传到物联网网关，这里我们也将传感网作为一个特殊的物联网节点。IOT节点所收集的数据包括：物品编码、温度、湿度、气压、耗电量、大气有毒气体含量及水资源有害成分含量等。本章将对常见的物联网节点进行介绍。2727前言物联网节点是指RFID标签、传感器、传感网及各种282.1RFID标签RFID标签，俗称电子标签或智能标签，可以附在物体表面或嵌入到物体当中来标示目标对象。RFID标签（tag）由耦合元件及芯片组成，每个RFID标签的芯片中都存储有一个唯一的电子编码。RFID标签使用非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID信息系统主要由RFID标签和RFID读写器组成，用于被监控目标的检测和跟踪。282.1RFID标签RFID标签，俗称电子标签或智能标签292.1.1RFID标签简介1948年，HarryStockman发表的“利用反射功率的通讯”论文奠定了射频识别技术的理论基础。1951-1960时期为RFID技术的实验室研究探索阶段；1961-1970年间，RFID理论得到了迅速的发展，并开始进行了一些应用尝试。1971-1980年来，进行了较大规模的RFID技术与产品开发研究，产生了一些成熟的RFID应用。1981-1990年间，RFID射频识别技术及产品进入了各种规模的商业应用阶段。1991-2000年间，RFID产品已被广泛应用，越来越多RFID产品已逐渐成为人们生活的一部分。292.1.1RFID标签简介1948年，HarrySt302.1.2RFID标签分类以不同频率为基础，RFID电子标签可以分为低频电子标签、高频电子标签、UHF标签和微波电子标签。根据包装形式的不同，RFID标签可以分为卡型标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。总之，根据不同的分类标准，RFID电子标签可以有许多不同的分类。302.1.2RFID标签分类以不同频率为基础，RFID电312.1.3RFID标签应用RFID可应用在很多物流管理、零售服务、制造业元配件管理、服装业销售、医疗健康、身份识别、食品药品防伪和交通管理等方面。312.1.3RFID标签应用RFID可应用在很多物流管理322.2传感器传感器是一种信息检测装置，能感受到被测量的信息，并可将检测到的信息按一定规律转换成电信号或其它所需形式进行信息输出。从传感器获取的信息在经过处理后，可实现信息的传输、处理、存储及显示。从狭义上说，传感器是一种将非电信号的物理量转变成可以进行计算机处理的电信号的装置，它是实现自动检测和自动控制的重要环节，是物联网应用中的一个重要组成部分。322.2传感器传感器是一种信息检测装置，能感受到被测量的信332.2.1传感器简介在基于物联网应用的新技术革命到来时，世界进入了信息化无处不在的时代。在利用信息的过程中，首先要解决的是如何获得准确、可靠信息的问题，而传感器是获取自然界和工农业生产过程信息的主要途径和手段。传感器是物联网技术发展和应用实施的重要基础技术，传感器技术的兴起有着较长的历史。在80年代早期，世界进入了传感器的时代，当时日本把传感器技术列为十大技术之首。332.2.1传感器简介在基于物联网应用的新技术革命到来时342.2.2传感器分类一般而言，传感器可以按照用途、原理、输出信号、测量信息类型进行分类。342.2.2传感器分类一般而言，传感器可以按照用途、原理352.2.3传感器应用传感器可应用于机械制造、工业控制、汽车电子产品、电子通信产品及消费电子产品中。在世界范围内，汽车市场是需求传感器最大的市场，工农业生产的过程控制是需求传感器的第二大市场。352.2.3传感器应用传感器可应用于机械制造、工业控制362.3传感网传感网是由分散的无线传感器通过特定的无线路由协议而组成的无线自组网络，传感网中的每一个无线传感器都可以通过其它一个或多个传感器组成的路径将数据传输到特定的无线基站。当一条传输路径出现问题时，传感网将通过重组生成另外一条路径。传感网是一个集多个传感器节点可以进行大面积监测的，并在相同的网关管理下的网络。362.3传感网传感网是由分散的无线传感器通过特定的无线路372.3.1传感网简介如图2-1所示，无线传感网可以利用多个传感器来收集较大区域的多个监控点的实时数据，然后将数据通过无线基站传输到物联网网关,然后将数据通过传输网络发送到数据服务中心。372.3.1传感网简介如图2-1所示，无线传感网可以利用38图2-1基于传感网的物联网应用38图2-1基于传感网的物联网应用392.3.2传感网分类从无线传输技术角度来讲，WSN主要包括ZigBee无线传感网、WiFi无线传感网和蓝牙（Bluetooth）无线传感网。392.3.2传感网分类从无线传输技术角度来讲，WSN主要40图2-2ZigBee传感网拓扑图40图2-2ZigBee传感网拓扑图41图2-3WiFi传感网络信息系统41图2-3WiFi传感网络信息系统42图2-4蓝牙传感网络体系结构模型42图2-4蓝牙传感网络体系结构模型432.3.3传感网应用目前，实际经济和社会生活中所使用的传感网主要为ZigBee无线传感网。通常，在符合下列条件之一情况下，可以考虑使用ZigBee传感网技术进行数据传输。第一，需要进行数据采集和监控的地点较多。第二，需要节点进行的数据传输量小，且需要节点价格便宜。第三，要求可靠且安全的数据传输。第四，安装传感器节点的地方空间小，需要较小体积的传感器及较小体积供电设备或电池。第五，监测点多且地形复杂，并需要传感网覆盖较大的监控区域等。432.3.3传感网应用目前，实际经济和社会生活中所使用的442.4仪表仪表可以用来测量温度、压力、功率、压力等，仪表的外形一般就像钟表，可以直接通过刻度来显示数值，这也就是把这类工具称作仪表的原因。常见的仪表有压力仪表、温度仪表、流量仪表等，它们被广泛地应用于工业生产、农业生产、交通控制、科学研究、环保保护和学校科研教学等各方面。一般而言，当前的很多仪表还不能够将其显示的数值直接变成计算机可以处理的数据。442.4仪表仪表可以用来测量温度、压力、功率、压力等，仪452.4.1仪表简介基于来自智能仪表的数据，可以建立不同的监控管理信息系统平台，来实现工业过程的智能化管理。现代工业智能控制系统发展的一个重点是制造基于数字化技术的各种仪表，从模拟仪表向数字仪表转变。并将这些数字化仪表同现代工业的智能化、信息化和网络化有机地结合起来，可实现工农业生产过程或环保检测过程中采样系统和数据处理系统的自动化和智能化。452.4.1仪表简介基于来自智能仪表的数据，可以建立不同462.4.2仪表分类仪表是利用各种不同的科学技术原理生产出来的工具，可以从不同方面对它们进行分类。按照使用的场所不同，可分为量具仪表、汽车仪表、电离辐射仪表、船用仪表和航空仪表等。按照仪表所测的物理量的不同，又可将仪表分为温度测量仪表、压力测量仪表和流量测量仪表等。针对物联网应用，我们可将仪表分为智能化仪表和非智能化仪表。智能化仪表以数字形式显示，并可将数据以无线或有线接口发送到计算机中进行数据处理；非智能仪表一般不能将数据直接发送到电脑中进行处理。要想将非智能仪表的数据发送到电脑，一般要使用第三方的硬件及软件。462.4.2仪表分类仪表是利用各种不同的科学技术原理生产472.4.3仪表应用1.仪表在信息技术领域的应用2.仪表在工业化领域的应用3.仪表在高新技术领域的应用4.仪表在环境保护领域的应用472.4.3仪表应用1.仪表在信息技术领域的应用482.5GPS接收机GPS接收机是用来接收卫星信号来确定地面位置的电子设备。特定卫星发射导航和定位信号可供数以百万计的设备来接收，GPS接收机的首要功能是接收卫星导航信号。对用户来说，只要拥有一部GPS信号接收机，并对接收到的GPS信息进行智能化处理，就可以实现地面、海洋和空间的导航及目标跟踪。482.5GPS接收机GPS接收机是用来接收卫星信号来确492.5.1GPS接收机简介目前，世界上有了很多家GPS接收机生产商，生产GPS接收机的工厂有几十个，GPS接收机产品的种类也有几百个。国际知名的GPS接收仪制造商包括美国天宝（Trimble）、瑞士徕卡测量系统导航公司（LeicaGeosystems）、日本拓普康（TOPCON）公司；我国南方测绘、中海油和科力达等。南方测绘生产的GPS接收仪主要包括RTKGPS接收机S82、S86、蓝牙GPS静态接收仪。492.5.1GPS接收机简介目前，世界上有了很多家GPS502.5.2GPS接收机分类一般而言，在任何时间和地点，人们都可以利用GPS信号进行导航。根据不同的应用目的，GPS接收机的功能也有所不同。目前，世界范围内，有了几百种型号的GPS接收机，对于这些产品，可以按照使用目的、功能等进行分类。根据接收机的用途，可以将GPS接收机分为导航型接收机、测地型接收机和授时型接收机。502.5.2GPS接收机分类一般而言，在任何时间和地点512.5.3GPS接收机应用GPS接收机可用于很多经济及社会生活的领域。利用GPS接收机获取的位置信息，在经过智能化处理后可进行定位导航服务、军用打击定位服务和民用定位服务。512.5.3GPS接收机应用GPS接收机可用于很多经济及522.6扫描设备扫描设备可通过捕捉被扫描物体的图像并将这个图像转化为计算机设备可以显示、编辑、存储和输出的形式。常见的扫描设备包括一维码扫描设备、二维条码扫描设备和图形扫描仪。522.6扫描设备扫描设备可通过捕捉被扫描物体的图像并将532.7网络摄像头网络摄像机也被称为网络摄像头，它是结合传统相机和网络通信技术制造出来的摄像设备，它可以将图形或视频便捷地通过网络从地球的一端传输到地球另一端。网络摄像头的用户不需要使用任何特殊的软件，只需要使用标准网络浏览器，如IE、Firefox等就可以查看来自网络摄像头的图片或视频了。532.7网络摄像头网络摄像机也被称为网络摄像头，它是结合542.8执行器在很多和工业化控制相关的物联网应用中，执行器是一个重要的物联网节点，它从物联网网关接收控制命令信号来实现某些特定的操作。执行器是在工业生产过程和自动化控制系统中，基于接收的信号，按一定的规则来调节特定设备运动特征的装置。执行器可以是一种工业自动化装备，如调节阀、电磁阀及挡板等。在工业生产或社会生活服务的各种过程控制系统中，为了实现自动控制过程，执行器可以接收各种指令信号，调整运行机制，改变被控制对象能量或原材料的进或出。542.8执行器在很多和工业化控制相关的物联网应用中，执行552.9继电器继电器是一种电器控制装置，随着输入信号的变化，其电力输出状态也发生相应的变化，这使它具有完成控制系统和被控制系统之间相互作用的能力。继电器常见的应用是实现设备控制自动化，它实际上是一种以自动切换小电流来控制大电流操作的电子设备。继电器通常在各种工农业生产及社会服务应用中配合其它电路来完成电力使用自动调节、电路运行安全保护等作用。552.9继电器继电器是一种电器控制装置，随着输入信号的变562.10小结物联网节点在物联网应用的实现上起着极其重要的作用。基于物联网技术的实时信息化技术与传统信息化技术的最大差别就是原始信息的来源不同。传统信息化过程中，其原始信息主要来自于人工手动输入的数据，而基于物联网技术的更深层次的信息化的原始信息来源于物联网节点所产生的各种实时数据。本章所介绍的物联网节点包括RFID标签、传感器、传感网、仪表、GPS接收机、扫描设备、网络摄像头、执行器和继电器。当然，随着物联网技术的发展，越来越多的新型物联网节点也会涌现出来。物联网节点的设计研发和工业制造能力是一个国家物联网产业核心竞争力的重要标志。562.10小结物联网节点在物联网应用的实现上起着极其重要5757物联网工程与实践第三章：物联网网关5757物联网工程与实践5858前言在物联网实时信息系统中，物联网网关是一个非常重要的设备，这个设备在各种实时数据的收集、实时数据传输、和设备控制过程中起着至关重要的作用。一般而言，物联网网关一方面从与其相连接的物联网节点中获取各种数据，在将这些数据进行初步处理后，发送到物联网数据服务中心。另一方面，物联网网关也从数据服务中心接收各种控制指令，网关通过执行器或者继电器来完成这些指令的操作，比如打开空调或关闭空调等。常见的物联网网关包括智能手机、无线网关、家庭智能网关、工业通信网关、RFID读写器和M2M网关等5858前言在物联网实时信息系统中，物联网网关是一个非常重要593.1智能手机智能手机基于WiFi和3G/4G移动网络，可以访问互联网上面的各种信息服务。通常情况下，智能手机作为物联网应用终端设备，通过访问物联网数据中心来获取各种实时数据服务、接收警报或进行设备的控制。但在一些特殊的情况下，智能手机可以作为一种移动的物联网网关，完成实时数据的收集及传输。593.1智能手机智能手机基于WiFi和3G/4G移动网603.1.1智能手机简介智能手机首先是一个移动电话，同时它还是一个运行嵌入式操作系统的微型电脑。常用的智能手机操作系统包括Nokia的Symbian、微软的WindowsMobile、开源Linux（包括iOS、Android、Maemo、MeeGo和WebOS）、PalmOS和黑莓操作系统（OperatingSystem，OS)。相对于功能手机不能自由安装和卸载软件，智能手机是可以安装和卸载各种应用软件的，这使得智能手机受到越来越多的欢迎。智能手机的系统结构如图3-1所示，它由硬件、操作系统和网络支持等各功能层组成。603.1.1智能手机简介智能手机首先是一个移动电话，同61图3-1智能手机的系统结构61图3-1智能手机的系统结构62图3-2全球第一部智能手机62图3-2全球第一部智能手机633.1.2智能手机硬件在智能手机的硬件结构中，最重要的部分包括手机主处理器、无线通信模块、液晶（LiquidCrystalDisplay，LCD）显示屏、音频编解码器、数字基带（DigitalBaseband，DBB）无线调制解调器、摄像头、麦克风和扬声器控制器等。目前，智能手机市场已进入“4核时代”，2014年，主要的智能手机厂家都发布了不同品牌的具有4G通信功能的四核CPU智能手机，这些手机运行速度更快，且游戏体验更棒。633.1.2智能手机硬件在智能手机的硬件结构中，最重要的643.1.3智能手机操作系统曾经应用的智能手机操作系统有Symbian、WindowsMobile、WindowsPhone、iOS和Android，它们占据了超过99%的智能手机市场份额。643.1.3智能手机操作系统曾经应用的智能手机操作系统有653.1.4智能手机应用智能手机有除了通话功能外，还具有大多数PDA的功能，特别是个人信息管理以及基于无线数据通信的浏览器、GPS、电子邮件、短信、互联网接入、影视娱乐等功能。同时，结合智能手机的摄像设备、GPS及传感器设备，可以获取手机用户周围的各种实时信息，利用WiFi或3G通信网络可将各种实时信息传输的数据服务中心，从而开发各种物联网应用。653.1.4智能手机应用智能手机有除了通话功能外，还具有663.2无线网关物联网网关可以是一个无线网关，这个无线网关一方面起着实现局域网或广域网无线网络接入服务的作用，另一方面也可以作为物联网网关来管理相应的物联网节点，来实现实时数据的收集及设备的控制。常见的无线网关包括WiFi无线网关、ZigBee无线网关、蓝牙无线网关、移动无线网关和复合型无线网关。663.2无线网关物联网网关可以是一个无线网关，这个无线673.2.1WiFi无线网关在物联网应用中，无线网关所具有的的主要功能为提供无线接入点功能。一般而言，无线网关可提供10/100/1000Mbps宽区域网络功能。同时，常见的提供无线网接入的协议包括IEEE802.11b、802.11g、802.11a和802.11n，无线局域网通过网络地址转换(NetworkAddressTranslation，NAT)共享访问功能实现多用户的广域网接入。无线网关应用不仅可提供高速互联网接入，还可提供广泛的物联网应用服务，比如互动视频服务、视频电话服务、网络游戏、环境监控及相关设备控制等。673.2.1WiFi无线网关在物联网应用中，无线网关所具683.2.2ZigBee无线网关ZigBee无线网关一般是指一个具有ZigBee通信接口的物联网网关，这个ZigBee通信接口使这个网关具有同ZigBee节点或ZigBee传感网进行数据通信的能力。如图3-4所示，多个ZigBee设备构成一个无线自组网络，该网络可以通过ZigBee无线网关控制每个家电设备。一般而言，ZigBee无线网关具有一个以太网接口标准，可以连接到局域网或互联网。683.2.2ZigBee无线网关ZigBee无线网关一般69图3-4基于Zigbee无线网关的物联网应用69图3-4基于Zigbee无线网关的物联网应用703.2.3蓝牙无线网关蓝牙无线网关可以支持多个蓝牙设备快速进行网络连接并实现设备之间的数据交换。图3-6是一个无线蓝牙网关的结构示意图，这个蓝牙无线网关所使用的微处理器为S3C44BOX。基于蓝牙无线通信技术的传感器、家电设备和通信设备可以通过蓝牙网关与外部进行实时通信，可实现相关的设备控制及环境安全远程报警等功能。703.2.3蓝牙无线网关蓝牙无线网关可以支持多个蓝牙设备71图3-6蓝牙无线网关71图3-6蓝牙无线网关723.2.4移动无线网关基于3G或4G移动网络通信技术的网关是目前很多物联网应用的重要组成部分。移动无线网关，除了支持实现广域网通信接入的3G、3.5GWCDMA无线网络功能外，还支持802.11a/b/g/nWiFi功能。在物联网应用中，很多物联网节点可以通过WiFi方式与网关进行数据传输，汇集到网关的各种数据在经过初步处理后，经过移动无线通信网络，传输到物联网数据服务中心。基于移动无线网关的典型物联网应用包括：偏远地区安全监控、市郊交通监控、宽带不发达地区金融ATM/查询终端应用、油田监测、电力远程抄表、路灯监控和环境监测等。723.2.4移动无线网关基于3G或4G移动网络通信技术的733.2.5复合型无线网关对于一些比较复杂的物联网应用，所需要的网关的功能也比较复杂，比如网关需要管理蓝牙节点和ZigBee节点等。图3-7是一个复合型物联网网关的结构示意图。这个网关主要由高级精简指令集机器(AdvancedRISCMachine，ARM）处理器、蓝牙和ZigBee数据采集模块、3G通信模块、存储模块和复位模块等组成。733.2.5复合型无线网关对于一些比较复杂的物联网应用，74图3-73G/ZigBee/蓝牙网关体系结构示意图74图3-73G/ZigBee/蓝牙网关体系结构示意图753.3家庭智能网关智能家居是一个重要的物联网应用领域，家庭网关是实现智能家居应用的一个重要设备，它提供了大量的接口，支持蓝牙、802.11a/b/g、3G/4G网络及以太网通信。家庭智能网关一方面需要管理很多家电设备及传感器节点，另一方面也对家庭的安全通信和娱乐进行管理和监控。753.3家庭智能网关智能家居是一个重要的物联网应用领域763.3.1家庭智能网关简介家庭智能网关首先可以为家庭中的网络信息设备提供智能宽带接入。一方面，它可以接收来自外部网络的不同的通讯信号，通过家庭网络将信号发送到用户设备，来实现设备的自动化和智能化控制。另一方面，家庭网关可以将来自家庭网络的相关数据发送到远程数据服务中心。763.3.1家庭智能网关简介家庭智能网关首先可以为家庭中77图3-10智能家庭网关应用77图3-10智能家庭网关应用783.3.2家庭智能网关分类根据网络通信物理介质的不同，可以将家庭智能网关分为基于ADSL的家庭智能网关、基于机顶盒的家庭智能网关和基于电力线通信（PowerLineCommunication，PLC）的家庭智能网关。这里主要对PLC家庭智能网关和机顶盒家庭智能网关进行简要介绍。783.3.2家庭智能网关分类根据网络通信物理介质的不同，79图3-11PLC家庭智能网关系统结构图79图3-11PLC家庭智能网关系统结构图80图3-12当前家庭信息孤岛网络80图3-12当前家庭信息孤岛网络81图3-13基于机顶盒的智能家庭网关架构示意图

81图3-13基于机顶盒的智能家庭网关架构示意图82图3-14家庭物联网应用服务系统82图3-14家庭物联网应用服务系统833.3.3家庭智能网关应用智能家庭网关通过各种高速通信接口将家庭安全报警、家庭照明控制、家用网络设备、居室视频对讲、网络安全监控、家庭网络音乐设施、移动电话、网络电视、电脑和各种信息通信终端连接到家庭智能网关，通过局域网络或广域网连接到物业管理服务中心。通过家庭智能网关所建立的智能家居实时信息服务系统，用户可以远程控制来获取信息服务或对家庭实施管理。833.3.3家庭智能网关应用智能家庭网关通过各种高速通信843.4工业通信网关应用物联网技术可以实现传统工业的升级改造，并为工业的节能减排打下坚实的基础，工业网关是物联网工业应用的一个极其重要的组成部分。工业通信网关可以实现工业生产网络通信及网络控制环境下各种网络协议消息的转换。843.4工业通信网关应用物联网技术可以实现传统工业的升853.5RFID读写器有很多RFID读写器可以作为物联网网关来使用。在很多物联网应用中，RFID读写器是一个重要的设备，对于不同的物联网应用，RFID读写器的功能有所差异。一般而言，作为物联网网关的RFID读写器除了具有收集及传输RFID相关数据的功能外，其还具有管理蓝牙、ZigBee及仪表等物联网节点的能力，从这些节点上收集数据并将数据传输到物联网数据服务中心。853.5RFID读写器有很多RFID读写器可以作为物联网863.6M2M网关实现M2M通信的网关被称为M2M网关，它是物联网应用的一个重要设备。在各种物联网应用中，M2M网关从与之相关的机器设备中获取数据，将数据发送到远程数据服务中心，还可以接收来自数据服务中心的命令，实现对设备的远程控制和操作。863.6M2M网关实现M2M通信的网关被称为M2M网关，873.7小结物联网网关是物联网应用中极其重要的设备，对于不同的物联网应用，所需要的网关设备的硬件及软件功能也有着差别。物联网网关的基本功能是实现实时数据的采集和传输，并能够接收来自数据服务中心的指令。可以作为物联网网关的硬件设备包括一些现有的设备，比如智能手机、无线网关、家庭智能网关、工业通信网关、RFID读写器和M2M网关等。当然，针对特殊的物联网应用，也可以通过研发特殊的物联网网关来完成。873.7小结物联网网关是物联网应用中极其重要的设备，对于8888物联网工程与实践第四章：物联网传输网络8888物联网工程与实践8989前言物联网传输网络完成网关与数据服务中心之间的数据传送。传输网络包括局域传输网络和广域传输网络。局域传输网络包括有线局域网（IEEE802.3以太网）和无线传输网（WiMax\802.11、ZigBee)。广域传输网络包括广电网、电信网及互联网。大多数情况下，数据传输网络的骨干为互联网。8989前言物联网传输网络完成网关与数据服务中心之间的数据传904.1WiFi网络WiFi是一种无线局域网通信技术。使用WiFi进行局域网或互联网通信的常见设备包括笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。随着物联网应用在各个领域的展开，很多物联网网关或物联网节点也采用WiFi技术进行通信。IEEE802.11是与WiFi技术及产品相关的无线局域网通信技术标准。因为二者密切相关，有时候802.11和WiFi概念也被交叉使用。904.1WiFi网络WiFi是一种无线局域网通信技术。使914.1.1WiFi网络简介作为全球公认的局域网通信标准制定组织，过去20多年，IEEE802工作组在局域网领域建立了很多通信标准或协议，这包括802.3以太网协议、802.5令牌环协议，802.3z100BaseT快速以太网协议等。1997年，经过7年的大量工作后，IEEE802.11无线局域网通信标准得以正式发布。1999年9月，IEEE继续推出了802.11b物理层高速率通信协议，用于补充802.11协议物理层通信速率的不足。之前，802.11协议只有1Mbps和2Mbps两个通信速率。914.1.1WiFi网络简介作为全球公认的局域网通信标准92图4-1WiFi自组网络（AdHoc）92图4-1WiFi自组网络（AdHoc）93图4-2基础架构网络(Infrastructure)93图4-2基础架构网络(Infrastructure)94图4-3WiFi多AP模式通信网络94图4-3WiFi多AP模式通信网络95图4-4WiFi无线网桥模式通信网络95图4-4WiFi无线网桥模式通信网络964.1.2WiFi网络分类依照传输速率的不同，802.11无线局域网可分为传统802.11网络、802.11b网络、802.11g网络、802.11a网络和802.11n网络。964.1.2WiFi网络分类依照传输速率的不同，802.974.1.3WiFi网络应用在全世界，WiFi所使用的2.4GHz频带不需要许可证就可以使用，这使得使用WiFi的设备在整个世界范围内都可以使用，使得人们在任何时间任何地点都可以享受成本非常低的无线高数据带宽服务。现在，我国的WiFi无线网络覆盖的范围也越来越广泛，安装WiFi无线通信网络的地方包括高档酒店、豪华住宅、机场和咖啡店等。由于安装及使用WiFi无线通信网络成本很低，同时WiFi网络可为人们带来很大的方便，因而出现了越来越多的无线校园和无线城市。同时，很多基于WiFi网络的应用也快速兴起。974.1.3WiFi网络应用在全世界，WiFi所使用的298图4-5无线校园网98图4-5无线校园网99图4-6无线城市网络及应用99图4-6无线城市网络及应用100图4-7基于WiFi的物联网应用系统组成100图4-7基于WiFi的物联网应用系统组成1014.2移动通信网络随着移动通信技术的发展和物联网应用在各个领域的进一步深入，由于许多实施物联网应用的领域没有建设传统的有线网络，这使得移动通信网络在物联网实时数据传输方面起到了极其重要的作用。移动通信是指至少有一个或两个通信物体在移动并进行信息的传输和交换。移动通信包括移动的人之间的通信、移动的车辆间的通信、移动船舶之间的通信、飞机和其他移动体之间的通信等。移动通信所使用的频带包括低频、高频、中频、VHF和UHF频段等。移动通信系统一般包括移动站、固定基站、移动交换局域网和通信个体组成。1014.2移动通信网络随着移动通信技术的发展和物联网应102图4-8移动通信技术发展102图4-8移动通信技术发展1034.2.2移动通信网络分类1034.2.2移动通信网络分类1044.2.3移动通信网络应用随着移动技术的发展和物联网应用的进一步深入，移动通信除了提供语音电话服务外，其还提供其它很多服务；这包括物联网实时数据传输、移动办公、移动医疗及急救、移动商务、工作生活和娱乐、可视通信和救灾应用等1044.2.3移动通信网络应用随着移动技术的发展和物联网105图4-11新型Colorimetrixapp移动医疗应用105图4-11新型Colorimetrixapp移动医106图4-14救灾现场应急移动通信网络搭建106图4-14救灾现场应急移动通信网络搭建1074.3互联网互联网在人类信息化历史上起了非常重要的作用。目前，随着物联网在各个领域的应用，互联网对于物联网实时信息的传输及物联网服务的提供起着越来越重要的作用。一般而言，互联网是对广域网和局域网等基于交换机和路由器的网络的总称，它是按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。使用互联网，无论距离的远近，都可以实现一台计算机与另外一台或多台计算机之间的通信，也可以实现计算机同专门服务器（Web服务器、FTP服务器、电子邮件服务器等）的通信。人们可以和千里之外的朋友发送消息给对方，不但能帮助完成工作，而且还可以使人们共同娱乐。1074.3互联网互联网在人类信息化历史上起了非常重要的108图4-15从主机为中心到以网络为中心

108图4-15从主机为中心到以网络为中心109图4-16基于ISP的互联网架构109图4-16基于ISP的互联网架构110图4-17基于ISP的互联网的层次结构110图4-17基于ISP的互联网的层次结构1114.3.2互联网的组成分类对于当前的互联网，它是现有的各种网络的组合体，它包括局域网（LocalAreaNetwork，LAN）、城域网(MetropolitanAreaNetwork，MAN)和广域网(WideAreaNetwork，WAN)。1114.3.2互联网的组成分类对于当前的互联网，它是现有112图4-19星形结构局域网112图4-19星形结构局域网113图4-20树形结构局域网113图4-20树形结构局域网114图4-21城域网的层次结构114图4-21城域网的层次结构115图4-22相距较远的局域网通过路由器与广域网相连115图4-22相距较远的局域网通过路由器与广域网相连1164.3.3互联网应用目前，随着物联网应用的深入，互联网大量被用来传输物联网实时数据。当然，互联网还有很多传统的应用，这包括电子商务、网络电视服务、实时语音、视频通信、网络游戏、网络远程教育和宽带电影等。1164.3.3互联网应用目前，随着物联网应用的深入，互联1174.4电信网电信网络是一个可以使得一个或多个用户之间进行语音或视频通信的网络，它一般由多个电信系统相互连接而成。电信网是人们实现远程通信的极其重要的基础设施，通过有线线路、无线远程通信、光纤或其它电磁系统，可实现语音、视频及其它数字数据的远程或近程传输、接收和发送。随着电信网升级改造的推进，电信网也越来越多的从事基于TCP/IP的数据传输业务。这将使电信网成为物联网数据传输网络的一个重要组成部分。1174.4电信网电信网络是一个可以使得一个或多个用户之间1184.4.1电信网简介在我国，电信网是指由原来的邮电部所支持建设并进行管理的网络，这些网络包括传统的公共电话交换网（PublicSwitchedTelecommunicationNetwork，PSTN）、数字数据网（DigitalDataNetwork，DDN）、帧中继网络（FrameRelay，FR）和异步传输模式（AsynchronousTransferMode，ATM）网等。一般而言，电信网的硬件骨架由通信终端设备、传输设备和交换设备组成。要实现电信网的正常运行和管理，还需要信令系统、通信协议和相应的操作系统来辅助工作。1184.4.1电信网简介在我国，电信网是指由原来的邮电部1194.4.2电信网分类电信产业有很长的发展历史，而且涉及领域广泛，这导致电信网有很多分类方法。一般来说，按电信行业所提供业务的不同，可将当前的电信网分为电话网、数据通信网及图像通信网等。另一个方面，按照服务区域范围的大小，可将电信网分为本地电信网、长途电信网和国际电信网等。当然，还可以继续按照传输媒介种类、信息交换方式、电信网结构形式、信息信号形式及信息传递方式的不同，来对电信网进行不同的分类。1194.4.2电信网分类电信产业有很长的发展历史，而且涉1204.4.3电信网应用随着物联网应用在各个领域进一步的深入发展，对电信网信息化服务多样性的需求也越来越强烈。在新的电信产业大发展的背景下，电信运营商原来的带宽出租和语音服务为主的业务已经不能满足未来的客户需求和市场竞争。随着全球信息技术程度的提高，电信运营商需要推出一系列新业务，即面向一般消费者的娱乐游戏业务和面向企业用户的网络化和信息化服务业务。随着电信网络和信息化新技术的发展，一些新的电信服务，如IPTV、移动电视、VoIP的发展将进入一个黄金时期。1204.4.3电信网应用随着物联网应用在各个领域进一步1214.5广播电视网广播电视网一般是指通过无线电波或有线媒介向特定地区广播音频和图像节目软硬件系统的总称。声音广播一般只广播的声音信息，而电视广播可同时传输图像和声音信息。有线电视网是广播电视网重要的组成部分，它一般由有线电视网络公司负责运营，通过混合光纤同轴电缆网（HybridFiberCoaxial，HFC）网络为用户提供电视和上网宽带服务。1214.5广播电视网广播电视网一般是指通过无线电波或有线1224.5.1广播电视网简介一个现代有线电视网络及其所提供的服务如图4-23所示，该系统主要由光线信号发送器、线缆调制解调器终端系统、交换机、路由器和用户分配网等组成。有线电视网一般通过CableModem来提供宽带连接电脑的网络数据传输服务，最高数据传输速率可达到38Mbps。1224.5.1广播电视网简介一个现代有线电视网络及其所提123图4-23现代有线电视网123图4-23现代有线电视网124图4-24以太网无源光网络124图4-24以太网无源光网络1254.5.2广播电视网分类这里讨论的广播电视网主要指有线电视网。有线电视网按带宽、使用器材、传输手段和结构类型等的不同可分成不同的种类。这里主要讨论有线电视网（CommunityAntennaTelevision，CATV）、HFC和下一代广播电视网（NextGenerationBroadcastingNetwork，NGB）有线电视网络。1254.5.2广播电视网分类这里讨论的广播电视网主要指1264.5.3三网融合物联网应用在我国各个生产和社会生活领域日益受到重视，这使得人们对高性能物联网传输网络的需求变得越来越迫切，这也间接地促进了三网融合的发展。三网融合是指电信网、广播电视网和互联网在分别进行改造后，所使用的网络通信技术将会接近一致，这一方面可以使彼此网络之间可以互联互通，也可以提供相似的各种信息化服务业务,包括语音、数据和广播等各种服务。这就是说，三网融合并不意味着三大网络的物理的融合，而主要是指高层业务应用集成的融合。1264.5.3三网融合物联网应用在我国各个生产和社会生活1274.6小结物联网传输网络的主要作用是将物联网网关的实时数据传输的物联网数据服务中心。常见的传输网络包括WiFi网络、移动通信网络、互联网、电信网和广播电视网。本章较详细地介绍了这些网络的发展状况及其相关应用。1274.6小结物联网传输网络的主要作用是将物联网网关的实128128物联网工程与实践第五章：物联网数据服务中心128128物联网工程与实践129129前言一般情况下，对于较大规模的物联网应用，物联网数据服务中心与传统互联网服务的数据中心类似。组成物联网数据服务中心的硬件设备包括计算机、服务器、网络设备和存储设备等。数据服务中心负责存储来自一个或多个网关的实时数据，并对数据进行分析处理、显示及智能决策。有关人员及部门可通过各种手段（微信、短信、语音、电子邮件及浏览器等）随时随地从数据服务中心获得有用信息。数据服务中心还向网关发出各种指令来管理整个物联网网络。在物联网应用中，数据服务中心面临着存储、分析处理海量数据及做出智能决策的巨大任务。129129前言一般情况下，对于较大规模的物联网应用，物联网1305.1数据服务中心种类根据物联网应用规模的不同，数据服务中心可以分为网关服务器融合型数据服务中心、局域网数据服务中心、广域网数据服务中心和多级数据服务中心。1305.1数据服务中心种类根据物联网应用规模的不同，数据1315.1.1网关服务器融合型数据服务中心

对于简单的物联网应用，比如智能家居（图5-1），数据的收集、处理及安全设备的控制都是通过家庭网关来进行的。家庭网关集成了物联网网关和物联网数据服务中心的数据处理、存储、交换和管理功能。在本书中，我们将家庭网关定义为网关服务器融合型数据服务中心。1315.1.1网关服务器融合型数据服务中心对于简单的物132图5-1智能家居网关服务器融合型数据服务中心132图5-1智能家居网关服务器融合型数据服务中心1335.1.2局域网数据服务中心对于一些企事业所建立的较大规模物联网应用，需要处理大量的物联网实时数据，一般需要建立基于局域网的物联网数据服务中心来进行数据处理并提供各种物联网信息服务。如图5-2所示，基于局域网的物联网数据服务中心一般包括中心路由器、交换机、接入交换机和服务器群。数据服务中心实现物联网应用实时信息的聚合，实现各种物联网应用系统的无缝接人和集成，并提供一个可以满足实现各种物联网应用服务的集成化环境。1335.1.2局域网数据服务中心对于一些企事业所建立的134图5-2基于局域网的物联网数据服务中心

134图5-2基于局域网的物联网数据服务中心1355.1.3广域网数据服务中心对于较大范围的物联网应用，其所设计的物联网数据服务中心为广域网数据服务中心。如图5-3所示，分部在大范围内的物联网网关通过广域网将实时数据汇集到数据服务中心。数据中心的各种数据和服务可以提供给分支机构数据用户和移动数据用户。1355.1.3广域网数据服务中心对于较大范围的物联网应用136图5-3物联网广域网数据服务中心136图5-3物联网广域网数据服务中心1375.1.4多级数据服务中心对于很多大规模大范围的物联网应用，比如全国河流水资源污染实时监控应用系统，可建立多级别数据服务中心来保障物联网实时信息服务的高效稳定运行。如图5-4所示，不同级别的数据中心之间通过互联网、移动网络或电信网连接起来。对于多级物联网数据服务中心，可实现对物联网数据的集中与分布式的标准化管理。1375.1.4多级数据服务中心对于很多大规模大范围的物联138图5-4物联网应用多级别数据服务中心138图5-4物联网应用多级别数据服务中心139图5-5空气质量实时监控多级别数据服务中心139图5-5空气质量实时监控多级别数据服务中心1405.2数据服务中心实时数据接收及处理

对于数据服务中心而言，其要实时接收来自不同网关的各种数据，并将这些数据存储到数据库，一般包括单网关数据接收及处理、多网关数据接收及处理和多级服务器数据接收及处理。1405.2数据服务中心实时数据接收及处理对于数据服务中1415.2.1单网关数据接收及处理一些简单或局部的物联网应用所涉及的数据服务中心较简单，一种情况是将物联网网关和数据服务中心融合为一体。如图5-6所示，对于网关数据中心融合型的物联网应用，网关本身同时要完成数据收集、数据处理、数据显示及设备控制的任务，形成简单的物联网应用，比如智能家居系统。1415.2.1单网关数据接收及处理一些简单或局部的物联142图5-6网关数据中心融合型智能家居拓扑图142图5-6网关数据中心融合型智能家居拓扑图1435.2.2多网关数据接收及处理多数情况下，在常见的较大规模的物联网应用中，数据服务中心需要接受来自多个数据网关的数据。在大规模物联网应用中，每一个网关管理一个监控区域的的各种监控节点，负责该区域数据的收集、传输和设备的控制。同时，多个网关向同一个数据服务中心发送数据。如图5-8所示，利用物联网技术对葡萄园进行监控，在较大范围内布置多个物联网网关，每一个网关管理多种传感器节点，组建无线传感网，采集环境参数；然后物联网网关，通过3G通信技术将葡萄园实时数据传输至远程数据服务中心。1435.2.2多网关数据接收及处理多数情况下，在常见的较144图5-8多网关数据收集和处理物联网应用144图5-8多网关数据收集和处理物联网应用1455.2.3多级服务器数据接收及处理如图5-9所示，在多级别物联网数据服务主中心体系中，最高级别的数据服务中心可以成为主中心，而其它较低级别的物联网数据服务中心可成为分中心。主中心和分中心之间通过互联网或专用网连接,按照要求，分中心不断将自己的数据发送到主中心或上一个级别的分中心。在主中心和分中心中，所使用的主要硬件设备及相关软件系统包括数据交换服务器、实时数据接收处理系统、监控系统和交互分析系统等。1455.2.3多级服务器数据接收及处理如图5-9所示，在146图5-9多级数据服务中心数据收集和处理146图5-9多级数据服务中心数据收集和处理1475.3数据服务中心信息化服务物联网数据服务中心对海量的物联网数据进行存储、智能化处理，来形成各种有价值的物联网信息化服务，以达到服务于经济和社会发展的目的。典型的物联网信息化服务包括实时监测服务、定位跟踪服务、报警联动服务、自动化处理服务、反向控制服务、远程维护服务、统计决策服务和信息安全服务等。1475.3数据服务中心信息化服务物联网数据服务中心对海量1485.4小结物联网数据服务中心是物联网应用中最重要的组成部分。海量物联网数据的存储及智能化数据处理，基本上都是由物联网数据服务中心来完成的。本章首先介绍了常见的物联网数据服务中心种类，它包括网关服务器融合型数据服务中心、局域网数据服务中心、广域网数据服务中心和多级数据服务中心。接着介绍了数据服务中心所涉及的实时数据接收及处理。最后，简单介绍了物联网数据服务中心可以提供的实时信息化服务。1485.4小结物联网数据服务中心是物联网应用中最重要的组149149物联网工程与实践第六章：RFID信息系统设计149149物联网工程与实践150150前言随着RFID技术的发展和RFID应用系统的推广，RFID设备在各方面的性能得到了快速的提高。同时，RFID设备的成本也逐渐下降。可以预见，随着物联网应用的更加深入，RFID技术在未来将得到更加广泛的跨区域和跨行业的应用。目前，主要的RFID应用分为四种类型。第一，简单RFID射频技术应用，比如门禁管理。第二，涉及复杂通信网络的RFID应用，比如公共运输和物流跟踪及管理。第三，智能家居型RFID应用，比如智慧冰箱和智慧厨房。第四，其它各种具有创意的RFID应用，比如多媒体旅游向导和智慧问答等。150150前言随着RFID技术的发展和RFID应用系统的推1516.1RFID信息系统简介如图6-1所示，RFID信息系统包括主机、读写器、天线、无线射频（频谱）和标签。当标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息。读写器收到信息并解码后，送至主机进行有关数据处理，这包括将处理后的RFID标签数据发送给一些大型的RFID应用系统1516.1RFID信息系统简介如图6-1所示，RFID信152图6-1RFID信息系统组成152图6-1RFID信息系统组成1536.1.1RFID信息系统背景RFID信息化管理系统的应用有较长的历史。2003年6月，在零售贸易展中，沃尔玛当时的信息主管（ChiefInformationOfficer，CIO）LindaDillman对听众说，沃尔玛将要求供应商必须在2004年，在他们的商品中粘贴有RFID标签,而且，2006年之前，所有的供应商必须都这样做。2010世博会在上海举行时，展览会的组织者在很多方面使用了大量的RFID射频技术，建设了一个高效的实时管理信息服务系统。这个系统不但对大量的展会组织者、参展商、参观者、志愿者等各种各样的人进行了安全有效的管理，该系统还提供了交通管理、信息查询、票证防伪等快捷有效的信息化服务。1536.1.1RFID信息系统背景RFID信息化管理系统1546.1.2RFID信息系统功能近年来，随着物联网技术在各个领域的应用，人们对于物体的定位、跟踪及溯源变得越来越感兴趣。基于RFID射频识别技术的定位和跟踪管理信息化系统的建设，也越来越引起人们的重视。同时，这些系统在经济、社会生产及生活的各个方面也起到了积极的推动作用。RFID信息系统的功能包括固定场所人员定位跟踪管理、资产定位跟踪管理和仓库管理。1546.1.2RFID信息系统功能近年来，随着物联网技术1556.1.3RFID信息系统分类根据RFID技术应用规模的大小和数据服务中心的复杂程度，可以将RFID信息系统分为简单的RFID信息系统、大型RFID信息系统和复杂RFID信息系统。1556.1.3RFID信息系统分类根据RFID技术应用规156图6-2基于RFID的门禁系统156图6-2基于RFID的门禁系统157图6-3RFID仓储管理系统拓扑图157图6-3RFID仓储管理系统拓扑图158图6-5基于RFID技术的食品安全追溯监控平台158图6-5基于RFID技术的食品安全追溯监控平台1596.2RFID标签选取与设计对于不同的RFID信息系统应用，使用的RFID标签的种类和功能各不相同。为了充分发挥RFID信息系统的功能及保障信息系统的稳定运行，可选取或设计不同的RFID标签。1596.2RFID标签选取与设计对于不同的RFID信息系1606.2.1RFID标签选取首先，在购买超高频标签时，必须了解UHFRFID标签的重要参数，比如标签的大小、所使用频率、存储空间、封装材料、读写距离及应用范围等。第二，在选择电子标签时，用户不要盲目追求低价格的产品，要选用最适合完成高性能项目的电子标签。第三，RFID项目的建设及管理人员，应该注意RFID技术不是万能的，在使用RFID技术的同时，必须结合管理流程的改造，才能真正取得实效。因此，在购买电子标签时，用户必须多多咨询RFID信息系统集成商。1606.2.1RFID标签选取首先，在购买超高频标签时，1616.2.2RFID标签设计一般而言，RFID标签的主要组成部分包括微处理器、无线收发单元和电源单元。RFID标签的设计主要包括芯片设计、天线设计、标签的封装设计等。设计RFID芯片时需要注意芯片的功耗设计、标签芯片的存储设计、防碰撞算法设计、电路技术设计和芯片安全技术设计等。RFID标签天线的设计对于生产高性能的电子标签是很重要的。设计电子标签时，还要注意天线的结构优化技术、多标签天线优化分配技术、智能波束扫描天线阵列技术等。1616.2.2RFID标签设计一般而言，RFID标签的主1626.3RFID读写器的选取与设计对于不同的RFID信息系统，其要实现不同的物体识别和跟踪功能，对所使用的RFID读写器的功能要求也有所区别。根据不同的RFID应用，需要选取或设计不同的RFID读写器。1626.3RFID读写器的选取与设计对于不同的RFID信1636.3.1RFID读写器选取RFID读写器作为RFID应用系统的重要组成部分，针对不同的项目，选择合适的RFID读写器，将对于项目的顺利实施和降低成本起着积极的作用。在选取RFID读写器时，还应该根据物联网应用的不同，进行合适的外观设计。对于数据处理量不大的RFID应用，由于应用环境相对简单，可以选择外观较小的RFID读写器。1636.3.1RFID读写器选取RFID读写器作为RFI1646.3.2RFID读写器设计这里我们简单介绍一种新型RFID读写器的设计过程，其包括读写器硬件结构设计、主控模块设计、收发模块设计；读写器系统软件设计；防碰撞程序和读写器接口设计。1646.3.2RFID读写器设计这里我们简单介绍一种新型165图6-8RFID读写器硬件系统结构框图165图6-8RFID读写器硬件系统结构框图166图6-12读写器接口设计166图6-12读写器接口设计1676.4RFID数据的收集及发送针对不同的RFID信息系统，RFID标签数据的收集和发送的具体情况也各不相同，下面从简单的RFID信息系统和复杂RFID信息系统两个方面来介绍应用系统的数据收集及发送。1676.4RFID数据的收集及发送针对不同的RFID信息1686.4.1简单信息系统的RFID数据收集及发送典型的RFID系统主要由读写器、电子标签、中间件和应用系统软件组成，简单的RFID系统涉及一个或多个RFID读写器，多个读写器通过局域网或RS-232/485串口和一台主机进行数据交换。RFID数据的交换包括收集、传输及处理。这里以汽车衡自动计量系统来描述简单RFID系统的数据收集及发送过程。如图6-13所示，称重系统和远程RFID自动识别技术结合起来可以实现车辆无卸货自动称重。1686.4.1简单信息系统的RFID数据收集及发送典型的169图6-13基于RFID技术的车辆智能称重管理系统169图6-13基于RFID技术的车辆智能称重管理系统1706.4.2复杂RFID数据收集和发送如图6-14所示，复杂的