物联网技术组成概括

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：①并发性很密集。②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。第二节传传感感网技术术图3-4传感网系系统分层层结构第二节传传感感网技术术传感网中中间件是是完成实实时网络络协同和和控制，，实现以以满足应应用系统统性能要要求为目目标的网网络资源源动态管管理机制制，在传传感网节节点间分分配应用用任务并并确定优优化任务务调度策策略，兼兼容不同同传感节节点操作作系统等等任务。。传感网网中间件件需要满满足可靠靠性、自自适应性性、可扩扩展性、、分布式式计算、、能耗优优化等技技术指标标。RFID中间件分分为读取取接口、、处理模模块及应应用程序序接口三三个部分分。六、其他他传感网网技术1．拓扑控控制2．时间同同步3．节点定定位4．网络安安全5．服务质质量（QoS）管理6．数据管管理第三节传传感感网向物物联网的的扩展物联网是是将世界界上所有有和人类类社会生生活相关关的东西西进行网网络连接接，以便便及时获获取信息息和实施施管理。。可见，，物联网网是互联联网的延延伸。现现有的两两类成熟熟技术构构成了物物联网的的两大技技术核心心，这就就是互联联网和传传感网。。互联网网技术赋赋予物联联网远程程连接的的能力，，传感器器技术赋赋予物联联网无处处不在的的能力。。由于互互联网在在物联网网中只起起到远程程数据传传输的作作用，对对物联网网的建设设和应用用而言，，其技术术可以是是透明的的，而且且互联网网被大家家所熟知知。在传感网网的基础础上，按按照物联联网的理理念和应应用需求求进行技技术、部部件等的的扩展就就可以形形成预期期中的物物联网。。可进行行扩展连连接的部部件包括括了所有有有利于于将“物物”连接接入网的的技术和和设备，，如RFID、红外感感应器、、全球定定位系统统、激光光扫描器器等信息息传感设设备，以以及所有有有助于于现实应应用模式式的无限限网络标标准、协协议、接接入技术术等。第四节““感知知”前端端一、RFID和EPCRFID解决了个个体识别别的问题题。图3-5RFID应用第四节““感知知”前端端条码技术术的应用用实现了了对物品品的数字字化管理理，也改改善了供供应链的的管理水水平，如如图3-6所示。图3-6条码技术术应用第四节““感知知”前端端RFID是一种利利用无线线射频识识别技术术识别目目标对象象并获取取相关信信息的技技术。RFID从硬件设设备讲主主要包括括电子标标签和识识读器两两部分。。当电子子标签通通过由识识读器产产生的射射频区域域时，识识读器发发出询问问信号并并向电子子标签提提供电磁磁能量，，标签获获得能量量后向识识读器返返回芯片片内存存存储的EPC数据信息息。因此此，在RFID射频系统统中识读读器不需需要“看看见”就就能读取取信息。。RFID特点：快速读读写、距距离远、、长期跟跟踪管理理等。1．条码标标识技术术的局限限性（1）条码只只能识别别一类产产品，而而无法识识别单品品。（2）条码是是可视传传播技术术，即扫扫描仪必必须“看看见”条条码才能能读取它它，这表表明人们们通常必必须将条条码对准准扫描仪仪才有效效。（3）如果印印有条码码的横条条被撕裂裂、污损损或脱落落，就无无法扫描描这些商商品。（4）传统一一维条码码是索引引代码，，必须实实时和数数据库联联系，从从数据库库中寻找找完整的的描述数数据。第四节““感知知”前端端（5）没有做做到真正正的“一一物一码码”，对对每一个个商品的的管理不不到位，，更无法法实现产产品的实实时追踪踪。（6）传统的的条码技技术不便便于推广广开发基基于互联联网的应应用。（7）没有分分类和属属性信息息，不能能实现分分类查询询、统计计等应用用，在电电子商务务中的应应用受到到限制。。2．RFID标识技术术及其优优越性条码与RFID的功能对对比，在在标签信信息容量量大小、、一次读读取数量量、读取取距离远远近、读读写能力力更新（（标签信信息可反反复读写写R/W）、读取取方便性性（读取取速度与与可否高高速移动动读取））、适应应性（全全方位穿穿透性读读取，在在恶劣环环境下仍仍可读取取，全天天候工作作）等方方面都大大大优于于条码。。RFID是一种新新兴的自自动识别别技术。。射频识别别技术最最突出的的特点如如下：（1）可以非非接触识识读，距距离可以以从十厘厘米至几几十米。。（2）信息容容量大，，唯一标标识每个个物体。。第四节““感知知”前端端（3）可识别别高速运运动物体体。（4）抗恶劣劣环境。。（5）保密性性强。（6）可同时时识别多多个对象象等。3．EPC概念和技技术的产产生及其其技术特特性1）EPC概念和技技术的产产生EPC码采用一一组编号号来代表表制造商商及其产产品，不不同的是是EPC还用另外外一组数数字来唯唯一地标标识单品品。EPC是唯一存存储在RFID标签微微型芯芯片中中的信信息，，这样样可使使得RFID标签能能够维维持低低廉的的成本本并保保持灵灵活性性，使使在数数据库库中无无数的的动态态数据据能够够与EPC标签链链接。。EPC技术是是由美美国麻麻省理理工学学院的的自动动识别别研究究中心心开发发2003年11月1日，国国际物物品编编码协协会（（EAN-UCC）正式式接管管了EPC在全球球的推推广应应用工工作，，成立立了电电子产产品代代码全全球推推广中中心（（EPCGlobal）第四节节““感知知”前前端2）EPC技术特特性EPC标签芯芯片的的面积积不足足1mm2，可实实现二二进制制128字节信信息存存储，，它的的标识识容量量上限限是：：全球球2.68亿家公公司，，每个个公司司出产产1600万种产产品，，每种种产品品生产产680亿个。。EPC的优势势不仅仅在超超强的的标识识能力力，一一秒钟钟可以以识别别50～150件物品品。3）EPC系统组组成与与物联联网一个完完整的的EPC工作系系统由由EPC标签、、识读读器、、Savant服务器器、Internet、对象象名称称解析析服务务器（（ONS）、PML（物理理标记记语言言）服服务器器，以以及众众多的的数据据库组组成。。在全球球互联联网的的基础础上，，EPC通过管管理软软件系系统、、ONS和PML实现全全球““实物物互联联”。。第四节节““感知知”前前端4．RFID与EPC以及EAN-UCC体系的的关系系1）EPC与EAN-UCC之间的的关系系EPC是EAN-UCC系统的的延续续和拓拓展，，主要要表现现在以以下两两个方方面：：组织织上由由EAN和UCC负责EPC在全球球的推推广与与实施施，技技术上上EPC结构与与现行行的EAN-UCC系统中中的GTIN是兼容容的，，也就就是说说GTIN是EPC编码结结构中中的重重要组组成部部分。。二者者之间间既有有区别别又有有联系系，整整体上上必须须维护护EAN-UCC系统的的一致致性和和连续续性。。2）EPC与RFID的关系系EPC与RFID科学的的逻辑辑关系系应该该是：：EPC代码＋＋RFID＋Internet=EPC系统。。EPC系统是是一个个复杂杂、全全面、、综合合的系系统，，包括括RFID、EPC编码、、网络络、通通信协协议等等，RFID只是其其中的的一个个组成成部分分。EPC是RFID技术的的应用用领域域之一一，只只有特特定的的低成成本的的RFID标签才才适合合EPC系统。。第四节节““感知知”前前端5．EPC网络EPC网络的的组成：EPC编码标标准、、EPC标签、、阅读读器、、Savant系统、、对象象名称称解析析服务务器（（ONS）及物物理标标记语语言（（PML）。当RFID标签进进入阅阅读器器的阅阅读范范围时时，阅阅读器器发送送电磁磁波，，RFID标签从从中获获得能能量并并将存存储在在其内内部的的数据据传回回。阅阅读器器接收收到数数据后后便将将其EPC代码传传送到到Savant服务器器，该该代码码进入入公司司局域域网或或互联联网上上的对对象名名称解解析服服务器器（ONS），检检索与与该EPC相关的的产品品信息息存放放的数数据库库服务务器。。二、传传感器器1．根据据传感感器的的工作作原理理分类类可分为为物理传传感器器和化学传传感器器两大类类2．按照照传感感器的的用途途分类类1）力敏敏传感感器2）位置置传感感器3）液面面传感感器第四节节““感知知”前前端4）速度度传感感器5）热敏敏传感感器6）加速速度传传感器器7）射线线辐射射传感感器8）振动动传感感器9）湿敏敏传感感器10）磁敏敏传感感器11）气敏敏传感感器12）真空空度传传感器器13）生物物传感感器14）转速速传感感器15）电流流传感感器16）电压压传感感器17）霍尔尔传感感器18）空气气流量量传感感器3．按传传感器器的输输出信信号分分类模拟传传感器器、数数字传传感器器、膺膺数字字传感感器、、开关关传感感器4．按传传感器器所应应用的的材料料分类类按照其所用用材料的类类别分：金金属、聚合合物、陶瓷瓷、混合物物。按材料的物物理性质分分：绝缘体体、半导体体、磁性材材料。按材料的晶晶体结构分分：单晶、、多晶、非非晶材料。。第四节““感知”前前端5．按照传感感器的制造造工艺分类类1）集成传感感器2）薄膜传感感器3）厚膜传感感器4）陶瓷传感感器三、摄像头头1．摄像头分分类数字摄像头头和模拟摄摄像头2．摄像头工工作原理景物通过镜镜头（LENS）生成的光光学图像投投射到图像像传感器表表面，然后后转为电信信号，经过过A/D（模/数）转换后后变为数字字图像信号号，送到数数字信号处处理芯片（（DSP）中加工处处理，再通通过USB接口传输到到计算机中中进行处理理和显示。。3．摄像头技技术要点1）镜头（LENS）2）感光芯片片（SENSOR）3）视频捕获获能力4）调焦能力力第四节““感知”前前端5）图像解析析度/分辨率6）自动白平平衡调整（（AWB）7）图像压缩缩方式8）彩色深度度（色彩位位数）9）输出/输入接口10）主控芯片片（DSP）4．红外摄像像特点：有夜夜视距离远远、隐蔽性性强、性能能稳定等突突出优势，，对重要的的场所可以以做到24小时连续监监控。红外摄像技技术分为被动红外摄摄像技术和主动红外摄摄像技术。四、微机电电系统MEMS是由微传感感器、微执执行器、信信号处理和和控制电路路、通信接接口和电源源等部件组组成的一体体化的微型型器件系统统。MEMS传感器能够够将信息的的获取、处处理和执行行集成在一一起，组成成具有多功功能的微型型系统，从从而大幅度度地提高系系统的自动动化、智能能化和可靠靠性水平。。第五节数数据传输输一、无线通通信网络1．无线通信信网络的类类型1）无线局域域网（WLAN）2）无线个人人局域网（（WPAN）3）移动宽带带或无线广广域网（WWAN）2．无线局域域网标准1）无线局域域网MAC和PHY标准（802.11）2）802.11标准的规格格3．移动宽带带网络标准准IEEE802.16a4．一些无线线网络协议议1）蓝牙2）ZigBee 3）Wibree第五节数数据传输输4）Z-Wave5）SimplisiTI6）SMAC/Synkro7）MiWi二、下一代代互联网1．认识下一一代互联网网（1）地址空间间更大（（2）传输速度度更快（3）网络信息息更安全（（4）数据传输输更及时（5）信息传递递更方便（（7）网络运营营更有效（6）信息更可可管理2．我国的下下一代互联联网建设我国开创性性地建成了了世界第一一个纯IPv6主干网；在在国际上首首次提出了了真实源地地址认证新新体系结构构理论和两两代互联网网过渡技术术方案，向向国际组织织提交了七七项标准草草案；首次次在全国主主干网中大大规模使用用国产IPv6路由器。第五节数数据传输输第二代教育育和科研计计算机网（（CERNET2）3．下一代互互联网技术术1）IPv6的特点2）IPv6的地址分配配3）IPv6的网络安全全4）IPv6的路由协议议（1）域内路由由协议。（2）域间路由由协议。4．IPv6网络的业务务和应用1）IPv6对业务模式式的影响2）基于IPv6的业务和应应用远程应用业业务（远程程教育、远远程医疗、、远程监控控）。宽带带接接入入业业务务（（FTTH、LAN、DSL等））。。第五五节节数数据据传传输输视频频点点播播业业务务（（VoD）。。移动动业业务务（（CDMAlx、GPRS、WLAN等））。。网络络游游戏戏业业务务。。VoIPv6业务务。。IPv6MPLSVPN。三、、三三网网融融合合1．什什么么是是三三网网融融合合三网网融融合合指指的的是是原原先先独独立立设设计计运运营营的的电电信信网网、、广广播播电电视视网网和和互互联联网网趋趋于于相相互互渗渗透透和和相相互互融融合合。。三网网融融合合指指的的不不是是三三个个物物理理网网络络的的融融合合，，而而是是对对网网络络内内容容和和业业务务的的融融合合。。2．三三网网融融合合的的关关键键问问题题体制制障障碍碍第六六节节““感感知知””终终端端一、、个个人人计计算算机机图3-7个人人计计算算机机优点点：：数据据量量大大，，处处理理速速度度快快，，而而且且操操作作方方便便、、通通用用性性强强。。缺点点：：体积积较较大大。。第六六节节““感感知知””终终端端二、、3G手机机图3-83G手机机第六六节节““感感知知””终终端端三、、PDA图3-9PDA优点点：：是轻轻便便、、小小巧巧、、可可移移动动性性强强；；缺点点：：屏幕幕小小，，且且电电池池续续航航能能力力有有限限。。第七七节节智智能能化化网络络““智智能能化化””需需要要应应用用一一些些传传统统的的或或者者当当前前比比较较前前沿沿的的理理论论或或技技术术，，包包括括统统计计学学、、人人工工神神经经网网络络、、图图像像处处理理、、模模式式识识别别等等。。一、、统统计计学学物联联网网的的重重要要功功能能是是获获取取海海量量数数据据，，而而对对这这些些数数据据进进行行加加工工处处理理才才能能得得到到有有价价值值的的信信息息。。对对数数据据作作加加工工处处理理需需要要各各种种理理论论和和方方法法上上的的工工具具，，其其中中统统计计学学就就是是最最为为基基础础和和重重要要的的一一种种理理论论工工具具。。二、、人人工工神神经经网网络络1．人人工工神神经经网网络络的的概概念念及及特特点点神经经网网络络是是由由多多个个非非常常简简单单的的处处理理单单元元彼彼此此按按某某种种方方式式相相互互连连接接而而形形成成的的计计算算机机系系统统，，该该系系统统靠靠其其状状态态对对外外部部输输入入信信息息的的动动态态响响应应来来处处理理信信息息。。所所谓谓人工工神神经经网网络络就是是指指为为了了模模拟拟生生物物大大脑脑的的结结构构和和功功能能而而构构成成的的一一种种信信息息处处理理系系统统或或计计算算机机。。人工工神神经经网网络络特特点点：：大大规规模模并并行行计计算算、、非非线线性性处处理理、、鲁鲁棒棒性性、、自自组组织织及及自自适适应应性性、、学学习习能能力力、、联联想想能能力力等等。。第七七节节智智能能化化2．人人工工神神经经网网络络的的应应用用领领域域民用用应用用领领域域有有：：语语言言识识别别、、图图像像识识别别与与理理解解、、计计算算机机视视觉觉、、智智能能机机器器人人故故障障、、实实时时语语言言翻翻译译、、企企业业管管理理、、市市场场分分析析、、决决策策优优化化、、物物资资调调运运、、自自适适应应控控制制、、专专家家系系统统、、智智能能接接口口、、神神经经生生物物学学、、心心理理学学和和认认识识科科学学研研究究等等。。军用用应用用领领域域有有：：语语音音、、图图像像信信息息的的录录取取与与处处理理，，雷雷达达、、声声纳纳的的多多目目标标识识别别与与跟跟踪踪，，战战场场管管理理和和决决策策支支持持系系统统，，军军用用机机械械人人控控制制，，各各种种情情况况、、信信息息的的快快速速录录取取、、分分类类与与查查询询、、导导弹弹的的智智能能引引导导，，航航天天器器的的姿姿态态控控制制等等。。3．人人工工神神经经网网络络的的优优越越性性1）具具有有自自学学习习功功能能2）具具有有联联想想存存储储功功能能3）具具有有高高速速寻寻找找优优化化解解的的能能力力第七七节节智智能能化化三、、模模式式识识别别模式式识识别别是指指对对表表征征事事物物或或现现象象的的各各种种形形式式的的（（数数值值的的、、文文字字的的和和逻逻辑辑关关系系的的））信信息息进进行行处处理理和和分分析析，，以以对对事事物物或或现现象象进进行行描描述述、、辨辨认认、、分分类类和和解解释释的的过过程程，，是是信信息息科科学学和和人人工工智智能能的的重重要要组组成成部部分分。。模式式还还可可分分成成抽象象的的和具体体的的两种种形形式式。。模式式识识别别研研究究主主要要集集中中在在两两方方面面：：一一是是研研究究生生物物体体（（包包括括人人））是是如如何何感感知知对对象象的的，，属属于于认认识识科科学学的的范范畴畴；；二二是是在在给给定定的的任任务务下下，，如如何何用用计计算算机机实实现现模模式式识识别别的的理理论论和和方方法法。。1．模模式式识识别别方方法法1）决决策策理理论论方方法法2）句句法法方方法法3）统统计计模模式式识识别别第七七节节智智能能化化2．模模式式识识别别的的应应用用1）文文字字识识别别2）语语音音识识别别3）车车牌牌识识别别4）指指纹纹识识别别5）遥遥感感6）医医学学诊诊断断3．模模式式识识别别的的发发展展潜潜力力四、、数数字字图图像像处处理理数字字图图像像处处理理是是通通过过计计算算机机对对图图像像进进行行去去除除噪噪声声、、增增强强、、复复原原、、分分割割、、提提取取特特征征等等处处理理的的方方法法和和技技术术。。1．数数字字图图像像处处理理的的目目标标（1）提提高高图图像像的的视视感感质质量量（2）提提取取图图像像中中所所包包含含的的某某些些特特征征或或特特殊殊信信息息（3）图图像像数数据据的的变变换换、、编编码码和和压压缩缩2．数数字字图图像像处处理理的的内内容容（1）图像获取取和图像表表现 （2）图像复原原第七节智智能能化（3）图像增强强 （4）图像分析