物联网导论物联网体系结构概述

桂小林11物联网技术概论（课程第2章）桂小林2AR2物联网的模型最少学时：3学时知识点：功能模型层次模型拓扑结构学习目标：熟悉物联网的功能模型熟悉物联网的层次模型理解功能模型与层次模型之间的关系连接物联网常用网络拓扑结构桂小林3第二章物联网体系结构桂小林4本章内容2.1物联网体系结构概述2.2物联网体系结构的基本组成2.3物联网关键技术2.4已有物联网相关应用架构桂小林52.1物联网体系结构概述认识任何事物都要有一个从整体到局部的过程，尤其对于结构复杂、功能多样的系统。首先需要对它的整体结构有所了解，然后才能进一步的去讨论其中的细节。体系架构是指导具体系统设计的首要前提。物联网应用广泛，系统规划和设计极易因角度的不同而产生不同的结果，因此急需建立一个具有框架支撑作用的体系架构。另外，随着应用需求的不断发展，各种新技术将逐渐纳入物联网体系中，体系架构的设计也将决定物联网的技术细节、应用模式和发展趋势。桂小林6如图2-1所示，在物联网中，任何人和物之间都可以在任何时间、任何地点实现与任何网络的无缝融合，它实现了物理世界的情景（context）感知、处理和控制这一闭环过程真正意义上形成了人-物、人-人、物-物间信息连接的新一代智能互联网络。桂小林7物联网的最终目的是建立一个满足人们生产、生活以及对资源、信息更高需求的综合平台，管理跨组织、跨管理域的各种资源和异构设备，为上层应用提供全面的资源共享接口，实现分布式资源的有效集成，提供各种数据的智能计算、信息的及时共享，决策的辅助分析等。物联网是在传感网、互联网的基础上发展起来的桂小林8物联网可以抽象划分成广泛分布的感知设备、物联网中间件、上层应用三个层次，如图2-2所示中间件（Middleware）是位于感知设备和应用之间的通用服务，这些服务具有标准的程序接口和协议，即中间件=平台+通信。桂小林92.2物联网体系结构的基本组成由物联网特点可知，物联网具有很强的异构性，为实现异构设备之间的互联、互通与互操作，物联网需要以一个开放的、分层的、可扩展的网络体系结构为框架。目前，国内外的研究人员在描述物联网的体系结构时，差异很大。如：ITU-T在Y.2002的自下而上分为底层泛在感知网络、异构网络接入层、骨干传输网、网络中间件、泛在网络应用平台5层结构。通用四层物联网体系结构，包含感知控制层、数据传输层、数据管理与组织层、应用决策层。桂小林105层结构桂小林11通用四层层结构桂小林12通用四层层结构感知控制制层：它是物联联网发展展和应用用的基础础，包括括RFID读写器、、智能传传感节点点和接入入网关等等组成。。各种传传感节点点通过感感知目标标环境的的相关信信息，并并自行组组网传递递到网关关接入点点，网关关将收集集到的数数据通过过互联网网络提交交到后台台处理。。数据传输输层：主要负责责通过各各种接入入设备实实现互联联网、移移动通信信网等不不同类型型的网络络融合。。此外，，还提供供路由、、格式转转换、地地址转换换等功能能。数据的动动态组织织与管理理层：实现感知知数据的的语义理理解、推推理、决决策以及及提供数数据的查查询、存存储、分分析、挖挖掘等。。云计算算为感知知数据的的存储、、分析提提供了很很好的平平台，是是信息处处理的重重要组成成部分，，也是应应用层各各种应用用的基础础。应用决策策层：物联网网应用层层利用经经过分析析处理的的感知数数据，为为用户提提供多种种不同类类型的服服务。物物联网的的应用可可分为监监控型（（物流监监控、污污染监控控），控控制型（（智能交交通、智智能家居居），扫扫描型（（手机钱钱包、高高速公路路不停车车收费））等。桂小林13感知控制制层感知是指指对客观观事物的的信息直直接获取取并进行行认知和和理解的的过程。。人们对于于信息获获取的需需求促使使其不断断研发新新的技术术来获取取感知信信息，如如传感器、、RFID、定位技技术等。桂小林14数据传输输层物联网的的数据传传输层主主要进行行信息的的传送，，它是物物理感知知世界的的延伸，，更好地地实现物与物之间的通通信、物与人之间的通通信以及及人与人之间的通信。。物联网数的据据传输层主要要包括接入网和核心心网两层结构学生调研桂小林15数据管理层数据管理层则则是利用云计计算平台实现现海量感知数数据的动态组组织与管理，，云计算技术术的运用，使使数以亿计的的各类物品的的实时动态管管理变得可能能。随着物联网应应用的发展、、终端数量的的增长，通过过借助云计算算处理海量信信息，进行辅辅助决策，提提升物联网信信息处理能力力。(1)智能计算(2)海量数据存储储、检索。。。桂小林16应用决策层物联网技术综综合了传感器器技术、嵌入入式计算技术术、互联网络络及无线通信信技术、分布布式信息处理理技术等多种种领域技术,具有十分广广阔的应用前前景，在智能能家居、工农农业控制、城城市管理、远远程医疗、环环境监测、抢抢险救灾、防防恐反恐、危危险区域远程程控制等众多多领域有着广广泛的应用价价值。桂小林17智能处理层：智能处理层层是整个系统统的核心，它它的主要功能能是数据存储储和多源数据据的协同分析析。通过在服服务器上部署署智能分析处处理程序，针针对单一探测测器所采集的的数据，调用用相应的功能能模块进行分分析，对同一一区域的其它它探测器所采采集的信息进进行综合分析析，实现异常常事件的智能能判断。应用决策层：：应用决策层的的主要是系统统的应用展示示和管理。用用户可以通过过智能手机、、平板电脑等等远程监控终终端监控和管管理系统，及及时对监测到到的各种事件件进行决策处处理。桂小林18图2-11手机钱包桂小林19三层桂小林20桂小林212.3物联联网关键技术术物联网是继互互联网后又一一次技术的革革新，代表着着未来计算机机与通信的发发展方向。这这次革新也取取决于一些重重要领域的动动态技术创新新，从RFID、EPC、传感技术术到认知网络络、云计算等等。物联网发展的的关键技术如如图2-12所示，其中中负责物体标标识的RFID技术、感感知物体动态态信息的传感感器技术、实实现信息传递递的通信技术术和网络融合合技术、信息息处理的智能能技术我们称称之为物联网网的四大关键键技术。桂小林22感感知标识技技术感知和标识是是物联网实现现“物物相联联，人物互动动”的基础，，各种类型的的传感器在弥弥合物理和虚虚拟世界差距距方面发挥了了关键作用，，数据的产生生、获取、传传输、处理、、应用是物联联网的重要组组成部分，其其中数据的获获取是物联网网智能信息化化的重要环节节之一，没有有它，物联网网也就成了无无水之源、无无本之木。桂小林23桂小林24网网络与通信信技术物联网本质上上是泛在网络络，需要融合合现有的各种种通信网络，，并引入新的的通信网络。。要实现泛在的的物联网，异异构网络的融融合是一个重重要的技术问问题。三网融合技术术：“三网融合””又叫“三网网合一”（即即FDDX），意指电信信网、有线电电视网和计算算机通信网的的相互渗透、、互相兼容、、并逐步整合合成为全世界界统一的信息息通信网络。。桂小林25三网融合桂小林26云云计算技术术物联网聚集海海量数据海量数据需要要有效组织、、管理、存储储高效数据处理理时物联网的的核心需要运用的云云计算技术处处理海量数据据虚拟化Map-reduce。。。。桂小林27云计算--低成本的海量量信息处理技技术云计算资源池池存储能力统一监控管理理计算能力SaaS(SoftwareasaSevice)软件即服务物联网应用不不再是单纯的的卖硬件或软软件，而是针针对长尾市场场中各行各业业的需求，通通过能力开放放与组合，形形成个性化、、差异化的优优质服务。云计算(Cloudcomputing)利用大规模低低成本运算单单元通过网络络相连而组成成的运算系统统，为物联网网海量的信息息处理提供低低成本计算能能力。27桂小林28云计算--从从单户到多租租户桂小林29云计算讲解[SaaS]桂小林30安全技术由于物联网终终端感知网络络的私有特性性，因此安全全也是一个必必须面对的问问题。物联网网中的传感节节点通常需要要部署在无人人值守、不可可控制的环境境中，除了受受到一般无线线网络所面临临的信息泄露、信信息篡改、重重放攻击、拒拒绝服务等多多种威胁外，，还面临传感感节点容易被被攻击者获取取，通过物理理手段获取存存储在节点中中的所有信息息，从而侵入入网络、控制制网络的威胁胁。涉及到安全的的主要有程序序内容、运行行使用、信息息传输等方面面。位置是物联网网的核心服务务。位置隐私私成为物联网网推广应用的的核心技术。。桂小林31因此，物联网网需要云计算算支撑，必须须解决人们关关注的隐私安全问题题。用户数据应用桂小林322.4已有有物联网相关关应用架构目前，具有代代表性的物联联网架构主要要可以分为三三类：(1)基于传感器技技术的无线传传感网体系结结构；(2)基于互联网和和射频识别技技术的EPC、UID系统；(3)学术界和企业业提出的M2M、CPS系统框架。下面我们就分分别介绍这些些相关应用框框架。桂小林33WSN桂小林34EPC/UID系统桂小林35EPC/UID系统EPC(ElectronicProductCode)电电子产品编编码的概念最最早由美国麻麻省理工大学学(MIT)的Sarma和Brock教授在在1999年年提出的，其其核心思想是是为每一个产产品提供唯一一的电子标识识符，通过射射频识别技术术实现数据的的自动标识和和采集。2003年，，国际物品编编码协会(EAN)和美美国统一代码码协会(UCC)联合成成立了EPC—global，以推推动EPC技技术在商业上上的应用。桂小林36EPC编码体体系有EPC-64，EPC-96和EPC-256三三种。使用较较多的是EPC-64编编码体系，而而新一代的EPC标签将将采用EPC-96编码码体系，其具体结构如如表2-19所示。体系标头厂商识别代码对象分类代码序列号EPC-968282436桂小林37桂小林38桂小林39M2M系统M2M的定义义可以分为广广义和狭义两两种。广义上包括Machine-to-Machine、Man-to-Machine以及Machine-to-Man。它它是指是人与与各种远程设设备之间的无无线数据通信信。狭义上的M2M是Machine-to-Machine的简称，指指一方或双方方是机器且机机器通过程序序控制，能自自动完成整个个通信过程的的通信形式桂小林40M2M系统从从右至左可以以划分为M2M设备域、、M2M网络络域、M2M应用域。桂小林412.5物联联网的反馈与与控制“某日小张正正在公司上班班，突然手机机收到震动了了铃声提示……原来是家中无无人时门被打打开，门磁侦侦测到有人闯闯入，则将闯闯入报警通过过无线网关发发送给主人小小张的手机，，手机收到信信息发出震动动铃声提示，，小张确认后后发出控制指指令，电磁门门锁自动落锁锁并触发无线线声光报警器器发出报警。。”这一场景成果果实现了物联联网的感、联联、智、控四四种属性。这这四种属性形形成了一个完完整的反馈控控制系统。桂小林422.5物联网的反馈馈与控制自动控制的基基本原理与方方式自动控控制的的概念念及应应用反馈控控制系系统的的基本本组成成自动控控制系系统的的基本本控制制方式式桂小林林43自动控控制是是指在在没有有人直直接参参与的的情况况下，，利用用外加加的设设备或或装置置（称称控制制装置置或控控制器器），，使机机器、、设备备或生生产过过程（（统称称被控控对象象）的的某个个工作作状态态或参参数（（即被被控量量）自自动地地按照照预定定的程程序运运行。。自动控控制的的概念念及应应用2.5物联网网的反反馈与与控制制自动控控制的的基本本原理理与方方式桂小林林44反馈控控制定定义反馈——把取出出输出出量送送回到到输入入端，，并与与输入入信号号相比比较产产生偏偏差信信号的的过程程，称称为反反馈。。分为为负反反馈和和正反反馈。。反馈控控制——就是采采用负负反馈馈并利利用偏偏差进进行控控制的的过程程，而而且，，由于于引入入了被被控量量的反反馈信信息，，整个个控制制过程程成为为闭合合过程程，因因此反反馈控控制也也称闭闭环控控制。。桂小林林45反馈控控制原原理桂小林林46反馈控控制系系统组组成测量元元件：检测测被控控制的的物理理量，，并将将其转转换为为电量量。给定元元件：给出出与期期望的的被控控量相相对应应的系系统输输入量量。比较元元件：把测测量元元件检检测的的被控控量实实际值值与给给定元元件给给出的的参据据量进进行比比较，，求出出它们们之间间的偏偏差。。放大元元件：将比比较元元件给给出的的偏差差信号号进行行放大大，用用来推推动执执行元元件去去控制制被控控对象象。执行元元件：直接接推动动被控控对象象，使使其被被控量量发生生变化化。校正元元件：也叫叫补偿元元件，用串串联或或反馈馈的方方式连连接在在系统统中，，以改改善系系统性性能。。桂小林林47自动控控制系系统的的基本本控制制方式式——反馈控控制方方式方式：：按偏偏差进进行控控制。。特点：：减小小或消消除这这个偏偏差作用：：具有有抑制制任何何内、、外扰扰动对对被控控量产产生影响响的能能力，，有较较高的的控制制精度度。问题：：系统统使用用的元元件多多、结结构复复杂，，设计计麻烦。。桂小林林48自动控控制系系统的的基本本控制制方式式——开环控控制方方式方式：：是指指控制制装置置与被被控对对象之之间只只有顺顺向作作用而没没有反反向联联系的的控制制过程程。特点：：是系系统的的输出出量不不会对对系统统的控控制作作用发发生影响响。设设计简简单。。作用：：可以以按给给定量量控制制，也也可以以按扰扰动控控制。。缺点：：按扰扰动控控制方方式只只适合合扰动动可测测的场场合，，且一个个补偿偿能力力单一一。桂小林林49自动控控制系系统的的基本本控制制方式式——复合控控制方方式方式：：把两两者结结合起起来，，对主主要扰扰动采采用适适当补补偿的的装置置实现现按扰扰动控控制，，同时时再组组成反反馈控控制系系统实实现按按偏差差控制制，以以消除除其余余扰动动产生生的偏偏差。。特点：：系统统的主主要扰扰动已已被补补偿，，反馈馈控制制系统统就比比较容容易被被设计计，控控制效效果也也会更更好。。桂小林林502.5物联网网的反反馈与与控制制物联网网系统统的控控制论论解析析物联网网的控控制特特