物联网应用技术chap2

物联网应用系统技术

主讲人：刘永磊liuyonglei@.c2章物联网体系结构2.1物联网技术架构2.2物联网、传感网、泛在网的关系2.3物联网的关键技术2.4物联网标准第2章物联网体系结构物联网作为新兴的信息网络技术，目前尚处在起步阶段。目前，还没有一个广泛认同的物联网体系结构。但是，物联网体系的雏形已经形成，物联网基本体系具有典型的层级特性。2.1物联网技术架构2.1物联网技术架构1.物联网五层架构模型

（1）信息感知层信息感知层的作用相当于人的眼、耳、鼻、喉和皮肤等神经末梢，它是物联网获取物体信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。该层的主要任务是将现实世界的各种物体的信息通过各种手段，实时并自动地转化为虚拟世界可处理的数字化信息或者数据。信息感知层是物联网发展和应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术是信息感知层涉及的主要技术，其中又包括芯片研发、通信协议研究、RFID材料、智能节点供电等细分领域。（2）物联接入层物联接入层的主要任务是将信息感知层采集到的信息，通过各种网络技术进行汇总，将大范围内的信息整合到一起，以供处理。该层重点强调各类接入方式，涉及的典型技术如：Ad-hoc（多跳移动无线网络）、传感器网络，Wi-Fi、3G/4G、Mesh网络、有线或者卫星等方式。2.1物联网技术架构1.物联网五层架构模型（3）网络传输层网络传输层的基本功能是利用互联网、移动通信网、传感器网络及其融合技术等,将感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传输。为实现“物物相连”的需求，物联网网络传输层将综合使用IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。同时，网络传输层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括物联网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的技术。云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，将是物联网网络传输层的重要组成部分，也是技术支撑层和应用接口层的基础。在产业链中，通讯网络运营商将在物联网网络层占据重要的地位。而正在高速发展的云计算平台将是物联网发展的又一助力。2.1物联网技术架构1.物联网五层架构模型

（4）技术支撑层该层主要任务是开展物联网基础信息运营与管理，是网络基础设施与架构的主体。目前运营层主要由中国电信、中移动、广电网等基础运营商组成，从而形成中国物联网的主体架构。技术支撑层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。技术支撑层对下层网络传输层的网络资源进行认知，进而达到自适应传输的目的。对上层的应用接口层提供统一的接口与虚拟化支撑,虚拟化包括计算虚拟化和存储虚拟化等内容。而技术支撑层本层则要完成信息的表达与处理,最终达到语义互操作和信息共享的目的。

（5）应用接口层物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，目前绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试，某些行业已经积累了一些成功的案例。应用接口层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。应用层主要完成服务发现和服务呈现的工作。2.2物联网、传感网和泛在网的关系传感网传感器网是包含互联的传感器节点的网络，这些节点通过有线或无线通信交换传感数据。2.2物联网、传感网和泛在网的关系泛在网2.2物联网、传感网和泛在网的关系三者关系2.3物联网的关键技术信息感知层关键技术节点感知技术是实现物联网的基础。它包括用于对物质世界进行感知识别的电子标签、新型传感器、智能化传感网节点技术等。

1.电子标签RFID技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享，是物联网关键技术之一。RFID技术发展的方向和研究的重点是：

（1）芯片设计与制造技术的发展趋势是芯片功耗更低，作用距离更远，读写速度与可靠性更高，成本不断降低。

（2）芯片技术将与应用系统整体解决方案紧密结合。

（3）RFID读写器设计与制造将向多功能、多接口、多制式、并向模块化、小型化、便携式、嵌入式方向发展。同时，多读写器协调与组网技术将成为未来发展方向之一。

（4）海量RFID信息处理、传输和安全对RFID的系统集成和应用技术提出了新的挑战。RFID系统集成软件将向嵌入式、智能化、可重组方向发展，通过构建RFID公共服务体系，将使RFID信息资源的组织、管理和利用更为深入和广泛。

2.3物联网的关键技术2.新型传感器传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。传感器用来感知物理世界信息采集点的环境参数。传感器可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为物联网系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的数据信息。随着电子技术的不断进步提高，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化。同时，也正经历着一个从传统传感器（dumbsensor）向智能传感器（smartsensor）和嵌入式Web传感器(embeddedwebsensor)不断丰富发展的过程。运用新理论、新技术，采用新工艺、新结构、新材料，研发各类新型传感器，提升传感器功能与性能，降低成本是实现物联网的基础。

2.3物联网的关键技术3.智能化传感网节点技术所谓智能化传感网节点是指一个微型化的嵌入式系统。未来研究的关键技术有：（1）针对传感网节点设备的低成本、低功耗、小型化、高可靠性等要求，研制低速、中高速传感网节点核心芯片，以及集射频、基带、协议、处理于一体，具备通信、处理、组网和感知能力的低功耗片上系统。（2）针对物联网行业应用，研制系列节点产品。这需要采用MEMS加工技术，设计符合物联网要求的微型传感器，使之可识别、配接多种敏感元件，并适用于主被动各种检测方法。（3）研制具有强抗干扰能力的传感网节点，以适应恶劣工作环境的需求。（4）利用传感网节点具有的局域信号处理功能，在传感网节点附近局部完成一定的信号处理，使原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统，成为一种并行的分布式信息处理系统。（5）微机电系统。微机电系统是物联网的关键技术之一，它是集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。近年来，MEMS技术飞速发展，MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适合大批量生产等特点，为传感器节点的智能化、小型化、功率的不断降低等创造了成熟的条件。2.3物联网的关键技术4.GPS技术GPS（GlobalPositioningSystem，GPS）又称为全球定位系统，是具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS是由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成的。GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活等不同领域。GPS作为移动感知技术，是物联网延伸到移动物体采集移动物体信息的重要技术，更是物流智能化、可视化以及智能交通的重要技术。2.3物联网的关键技术物联接入层关键技术该层的主要功能是通过现有的移动通信网(如GSM网、TD2SCDMA网)、无线接入网(如WiMAX)、无线局域网(WiFi)、卫星网等基础设施，将来自信息感知层的信息传送到互联网中。1.传感网技术

（1）传感网体系结构及底层协议。传感网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络，传感网体系结构可以由分层的网络通信协议、传感网管理以及支撑技术三个部分组成。

（2）智能交互及协同感知。物联网中的智能交互主要体现在情景感知关键技术上，能够解释感知的物理信号和生物化学信号，对外界不同事件做出决策以及调整自身的监控行为，因此已成为物联网应用系统中不可或缺的一部分。同时，情景感知能让物联网中的一些数据以低能耗方式在本地资源受限的传感器节点上处理，从而让整个网络的能耗和通信带宽最小化。协同感知技术也是物联网的研究热点。

2.3物联网的关键技术1.传感网技术

（3）对传感网自身的检测与自组织。物联网的信息来源于传感器和由传感器组成的传感网，为保证传感网络自身的完整性、可用性和效率等性能，需要对传感网的运行状态进行监测。（4）节点管理。由于终端感知网络的节点众多，因此必须引入节点管理对多个节点进行操作。其中包括以使终端感知网络寿命最大化为目标的能量管理、以确保覆盖性及连通性为目标的拓扑管理、以保证网络服务质量为目标的QoS管理及移动控制，以实现异地管理为目标的远程管理技术以及存储配置参数的数据库管理等。（5）传感网安全由于物联网终端感知网络的私有特性，因此安全也是一个必须面对的问题。物联网中的传感节点通常需要部署在无人值守、不可控制的环境中，除了受到一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、重放攻击、拒绝服务等多种威胁外，还面临传感节点容易被攻击者获取，通过物理手段获取存储在节点中的所有信息，从而侵入网络、控制网络的威胁。2.3物联网的关键技术1.传感网技术

（6）组网技术集合有线和无线方式，实现物体无缝和透明接入。包括传感器网络组网方式、RFID组网方式、DTN组网方式、移动通信或卫星等其他简单组网方式等。

（7）信息处理及信息融合由于物联网具有明显的“智能性”的要求和特征，而智能信息处理是保障这一特性的共性关键技术，因此智能信息处理的相关关键技术和研究基础对于物联网的发展具有重要的作用。信息融合是智能信息处理的重要阶段和方式，信息融合是一个多级的、多方面的、将来自传感网中多个数据源（或多个传感器）的数据进行处理的过程。它能够获得比单一传感器更高的准确率，更有效和更易理解的推论。同时，它又是一个包含将来自不同节点数据进行联合处理的方法和工具的架构。因此，在信息感知层、物联接入层、网络传输层和应用接口层均需要采用此技术手段。2.3物联网的关键技术网络传输层关键技术该层的主要功能是以IPv6和IPv4为核心建立的互联网平台，将网络内的信息资源整合成一个可以互联互通的大型智能网络，为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠、可信的基础设施平台。

1.IPv6协议栈

为了实现物联网的普适性，终端感知网络需要具有多样性。若将物联网建立在数据分组交换技术基础之上，则将采用数据分组网即IP网作为核心承载网。其中，IPv6作为下一代IP网络协议，具有丰富的地址资源，能够支持动态路由机制，可以满足物联网对网络通信在地址、网络自组织以及扩展性方面的要求。但是，由于IPv6协议栈过于庞大复杂，不能直接应用到传感器设备中，需要对IPv6协议栈和路由机制作相应的精简，才能满足低功耗、低存储容量和低传送速率的要求。

2.网络接入物联网以终端感知网络为触角，以运行在大型服务器上的程序为大脑，实现对客观世界的有效感知以及有效控制。其中连接终端感知网络与服务器的桥梁便是各类网络接入技术，包括GSM、TD2SCDMA等蜂窝网络，WLAN、WPAN等专用无线网络，Internet等各种网络。物联网的网络接入是通过网关来完成的。2.3物联网的关键技术技术支撑层关键技术该层的主要功能是通过具有超级计算能力的中心计算机群，对网络内的海量信息进行实时的管理和控制，并为上层应用提供一个良好的用户接口。

1.数据融合与智能技术由于物联网应用是由大量传感网节点构成的，在信息感知的过程中，采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法是不可行的，需要采用数据融合。所谓数据融合是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效、符合用户要求的信息的过程。因为网络中存有大量冗余数据，不仅会浪费通信带宽和能量资源，而且会降低数据的采集效率和及时性。数据融合技术需要人工智能理论的支撑，包括智能信息获取的形式化方法、海量数据处理理论和方法、网络环境下数据系统开发与利用方法，以及机器学习等基础理论。同时，还包括智能信号处理技术，如信息特征识别和数据融合、物理信号处理与识别等。

2.海量数据智能分析与控制海量数据智能分析与控制是指依托先进的软件工程技术，对物联网的各种数据进行海量存储与快速处理，并将处理结果实时反馈给网络中的各种“控制”部件。智能技术就是为了有效地达到某种预期目的，对数据进行知识分析所采用的各种方法和手段。当传感网节点具有移动能力时，网络拓扑结构如何保持实时更新；当环境恶劣时，如何保障通信安全；如何进一步降低能耗等等。2.3物联网的关键技术3.云计算云计算是物联网关键技术之一。云计算最基本的概念是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。通过云计算技术，网络服务提供者可以在数秒之内，形成处理数以千万计甚至亿计的数据，达到与超级计算机同样强大效能的网络服务。云计算有以下几种方式支撑物联网的应用发展：

（1）单中心、多终端应用模式。

（2）多中心、多终端应用模式。

（3）信息与应用分层处理，海量终端应用模式。

4.企业资源计划（ERP）企业资源计划（EnterpriseResourcePlanning，简称ERP）是指建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。ERP技术属于物联网的技术支撑层技术。2.3物联网的关键技术5.软件服务与算法实现不同软件的统一与互操作。包括语义互操作性和语义传感Web、人机交互、自管理技术来克服增加的复杂度和节能、分布式自适应软件、开放性中间件、能量有效的微操作系统、虚拟化软件、数据挖掘等数学模型和算法等。

6.支撑与应用物联网以终端感知网络为触角,深入物理世界的每一个角落,获得客观世界的各种测量数据。同时物联网战略最终是为人服务的,它将获得的各种物理量进行综合、分析,并根据自身智能合理优化人类的生产生活活动。物联网的支撑设备包括高性能计算平台、海量存储以及管理系统及数据库等。通过这些设施,能够支撑物联网海量信息的处理、存储、管理等工作。物联网的应用需要智能化信息处理技术的支撑,主要需要针对大量的数据通过深层次的数据挖掘,并结合特定行业的知识和前期科学成果