物联网体系结构及其信息技术

物联网武奇生第二章物联网体系构造及其信息技术

本章内容：物联网的体系构造支持物联网开展的技术现代网络通讯与物联网无线通讯3G与物联网的开展集成电路：物联网的基石根据功能物联网技术可以分为三类：1〕感知技术：经过多种传感器、RFID、二维码、定位、地理识别系统、多媒体信息等数据采集技术，实现外部世界信息的感知和识别；2〕网络技术：经过广泛的互联功能，实现感知信息高可靠性、高平安性进展传送，包括各种有线和无线传输技术、交换技术、组网技术、网关技术等；3〕运用技术：经过运用中间件提供跨行业、跨运用、跨系统之间的信息协同及共享和互通的功能，包括数据存储、并行计算、数据发掘、平台效力、信息呈现、效力体系架构、软件和算法技术等。在这些技术中，目前存在着三个比较重要的体系，第一个是RFID体系，除了RFID技术外还包括条码和二维码等；第二个是传感网体系：第三个体系是M2M技术，M2M是重在强调广域网络传输的技术。2.1物联网的体系构造在物联网上，经过对一切身边的实践事物安装智能芯片，利用射频自动识别(RFID)技术，让物品能“开口说话〞，告知其它人或物有关的静态、动态信息。RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，RFID标签技术在第三章中引见。再经过光电式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等传感安装，借助有线、无线数据通讯网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而经过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明〞管理。2.1.1物联网的任务原理2.1.2物联网的体系构造物联网应该具备三个特征：一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时地获取物体的信息；二是可传送，经过各种电信网络与互联网的交融，将物体的信息实时准确地传送出去；三是智能处置，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进展分析和处置，对物体实施智能化地控制。1.物联网的体系构造物联网大致被以为有三个层次感知层网络层运用层图2-2物联网的体系构造2.物联网技术体系构造物联网的体系构造可以分为三个层次：〔1〕泛在化末端感知网络〔对应感知层〕：泛在化末端感知网络的主要义务是信息感知。〔2〕交融化网络通讯根底设备〔对应网络层〕：交融化网络通讯根底设备的主要功能是实现物联网的数据传输。目前可以用于物联网的通讯网络主要有互联网、无线通讯网与卫星通讯网、有线电视网。〔3〕普适化运用效力支撑体系〔对应运用层〕：普适化运用效力支撑体系的主要功能是物联网的数据处置与运用。图2-3物联网技术体系构造表示图支持物联网的技术：〔1〕感知技术。可以用于物联网底层感知信息的技术，它包括RFID与RFID读写技术、传感器与传感器网络、机器人智能感知技术、遥测遥感技术以及IC卡与条形码技术等。〔2〕传输技术。可以会聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术，它包括互联网技术、地面无线传输技术以及卫星通讯技术等。〔3〕支撑技术。用于物联网数据处置和利用的技术，它包括云计算与高性能计算技术、智能技术、数据库与数据发掘技术、GIS/GPS技术、通讯技术以及微电子技术等。〔4〕运用技术。用于直接支持物联网运用系统运转的技术，它包括物联网信息共享交互平台技术、物联网数据存储技术以及各种行业物联网运用系统。2.1.3物联网的任务步骤普通来讲，物联网的开展步骤主要如下：(1)对物体属性进展标识，属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需求先由传感器实时探测。(2)需求识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适宜网络传输的数据格式。(3)将物体的信息经过网络传输到信息处置中心(处置中心能够是分布式的，如家里的电脑或者手机，也能够是集中式的，如中国挪动的IDC)，由处置中心完成物体通讯的相关计算。2.2支持物联网开展的技术RFID和传感器具有不同的技术特点，传感器可以监测感应到各种信息，但缺乏对物品的标识才干，而RFID技术恰恰具有强大的标识物品才干。虽然RFID也经常被描画成一种基于标签的，并用于识别目的的传感器，但RFID读写器不能实时感该当前环境的改动，其读写范围遭到读写器与标签之间间隔的影响。因此提高RFID系统的感应才干，扩展RFID系统的覆盖才干是亟待处理的问题。而传感器网络较长的有效间隔将拓展RFID技术的运用范围。传感器、传感器网络和RFID技术都是物联网技术的重要组成部分，它们的相互交融和系统集成将极大地推进物联网的运用。2.2.1RFID技术2.2.2无线传感器网络传感器网络(SensorNetwork)的概念最早由美国军方提出，来源于1978年美国国防部高级研讨方案局(DARPA)开场资助卡耐基梅隆大学进展分布式传感器网络的研讨工程，当时此概念局限于由假设干具有无线通讯才干的传感器节点自组织构成的网络。2021年2月，ITU-T发表了<泛在传感器网络(UbiquitousSensorNetworks)>研讨报告。在报告中，ITU-T指出传感器网络曾经向泛在传感器网络的方向开展，它是由智能传感器节点组成的网络，可以以“任何地点、任何时间、任何人、任何物〞的方式被部署。RFID与WSN可以在两个不同的层面进展交融：物联网架构下RFID与WSN的交融；传感器网络架构下RFID与WSN的交融，该架构下的交融又分为智能基站、智能节点、智能传感标签三种情况。物联网架构下RFID与WSN的交融图2-5智能基站图2-6智能节点图2-7智能传感标签图2-8WSN与其他无线通讯技术的交融2.2.3纳米技术纳米技术是研讨尺寸在0.1～100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用及能够的实践运用中的技术问题的科学，主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米资料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米科学的实际根底，而纳米电子学是纳米科学最重要的内容，纳米电子技术也是纳米技术的中心。2.2.4感知技术1.红外感应技术红外传感器是一种能探测红外线的器件，能把红外辐射量变化转换成电量变化，按其任务原理可分为热电型和光电型红外传感器。(1)热电红外传感器是利用红外辐射的热效应制成的，采用热敏元件，其任务原理是：当红外线照射热敏检测元件时，检测元件的外表温度将发生变化，将其外表所出现的电荷作为电信号，对红外线进展检测。热电型红外线光敏元件的资料较多，其中以陶瓷氧化物及压电晶体用得最多，如。(2)光电红外传感器是利用红外辐射的光电效应制成的，采用光电元件，其呼应时间比热电红外传感器短得多。热释电红外传感器热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化景象被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体外表的自在电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体构造中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体外表就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的情况正比于极化程度。图2-9热释电效应的构成原理热释电红外传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个外表做成电极，当传感器监测范围内温度有的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷△Q，即在两电极之间产生微弱电压。由于它的输出阻抗极高，所以，传感器中有一个场效应管进展阻抗变换。热释电效应所产生的电荷△Q会跟空气中的离子结合而消逝，当环境温度稳定不变时，，传感器无输出。图2-10热释电红外传感器的构造及内部电路菲涅耳透镜它是根据菲涅耳原理制成的，把红外光线分成可见区和盲区。菲涅耳透镜有折射式和反射式两种方式，其作用为：一是聚焦作用，将热释的红外信号折射〔反射〕在PIR上；二是将检测区内分为假设干个明区和暗区，使进入检测区的挪动物体能以温度变化的方式在PIR上产生变化热释红外信号，这样，PIR就能产生变化电信号。图2-11菲涅耳透镜2.全球定位技术GPS的组成：〔1〕空间部分——GPS星座；〔2〕地面控制部分——地面监控系统；〔3〕用户设备部分——GPS信号接纳机。GPS定位原理假设时辰在地面待测点上安顿GPS接纳机，可以测定GPS信号到达接纳机的时间，再加上接纳机所接纳到的卫星星历等其他数据可以确定以下4个方程式：式中，待测点坐标、、和为未知参数；〔=1，2，3，4〕分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4到接纳机之间的间隔〔伪距〕；为GPS信号的传播速度〔即光光速〕。4个方程式中各个参数意义如下：、和为待测点坐标的空间直角坐标；、和〔=1，2，3，4〕分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4在时辰的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得；〔=1，2，3，4〕分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供；是传播延时误差，用双频丈量法校正。由以上4个方程即可解算出待测点的坐标、、和接纳机的钟差。图2-12GPS定位原理GPS的特点〔1〕全球覆盖。由于其24颗卫星均匀分布，构成同时覆盖全球的卫星网，由于卫星距地面越高，可见的地球外表或卫星的覆盖区域就越大，借助地球的自转可使地球上任何地方至少同时看到6~11颗卫星。〔2〕全天候。〔3〕高精度。P码定位精度为程度方向20~40m，垂直方向45m，测速0.2m/s，测时精度0.2。C/A码定位精度为程度方向l00m，垂直方向156m，测速0.3m/s，测时精度340ns。〔4〕多用途。广泛用于陆、海、空、各类军民载体的导航定位、精细丈量和授时效力。3.遥感技术定义：遥感来源于20世纪60年代，其特征是不直接接触被研讨的目的，感测目的的特征信息〔普通是电磁波的反射、辐射和发射辐射〕，经过传输、处置，从中提取人们感兴趣的信息，这个过程叫遥感。遥感技术那么是实现这种过程所采取的各种技术手段的总称，包括摄影、陆地、航空、航天摄影丈量等技术。分类：遥感技术依其波谱性质，可分为电磁波遥感技术、声学遥感技术和物理场遥感技术特点：“三高〞〔即高光谱、高时间分辨率、高空间分辨率〕、“三全〞〔即全天候、全天时、全球〕、“3W〞〔即what，when，where〕、“三结合〞〔即大小卫星结合、航空与航天结合、技术与运用结合〕4.激光扫描器激光扫描器是一种远间隔条码阅读设备手持式激光扫描器属单线扫描，其景深较大，扫描首读率和精度较高，扫描宽度不受设备开口宽度限制；卧式激光扫描器为全角扫描器，操作方便，操作者可双手对物品进展操作，只需条码符号面向扫描器，不论其方向如何，均能实现自动扫描，超级市场大都采用这种设备。优点：非接触扫描；阅读条码密度范围广，并可以阅读不规那么的条码外表或透过玻璃、透明胶纸阅读；不会损坏条码标签；首读识别胜利率高，识别速度相对光笔及CCD更快，而且对印刷质量不好或模糊的条码识别效果好；误码率极低〔约为三百万分之一〕；激光读写器的防震、防摔性能好。缺陷：价钱相对较高。任务原理：手持式激光扫描器经过一个激光二极管发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，反射后的光线穿过阅读窗照射到条码外表，光线经过条形码的条或空的反射后前往到读写器，由一个镜子进展采集、聚焦，经过光电转换器转换成电信号，该信号将经过扫描器或终端上的译码软件进展译码。分类：〔1〕单线扫描：其景深较大，扫描首读率和精度较高，扫描宽度不受设备开口宽度限制，如手持式激光扫描器。〔2〕全角扫描器：操作方便，操作者可双手对物品进展操作，只需条码符号面向扫描器，不论其方向如何，均能实现自动扫描，超级市场大都采用这种设备。如：卧式激光扫描器。〔3〕光栅式扫描优点：非接触扫描；阅读条码密度范围广，并可以阅读不规那么的条码外表或透过玻璃、透明胶纸阅读；不会损坏条码标签；首读识别胜利率高，识别速度相对光笔及CCD更快，而且对印刷质量不好或模糊的条码识别效果好；误码率极低〔约为三百万分之一〕；激光读写器的防震、防摔性能好。缺陷：价钱相对较高。图2-13激光扫描器任务原理任务原理：手持式激光扫描器经过一个激光二极管发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，反射后的光线穿过阅读窗照射到条码外表，光线经过条形码的条或空的反射后前往到读写器，由一个镜子进展采集、聚焦，经过光电转换器转换成电信号，该信号将经过扫描器或终端上的译码软件进展译码。图2-14激光扫描器任务流程2.2.5通讯及计算技术1.挪动通讯的分类〔1〕按设备的运用环境分类：陆地挪动通讯、海上挪动通讯和航空挪动通讯〔2〕按效力对象分类：公用挪动通讯与公用挪动通讯〔3〕按挪动通讯系统分类：蜂窝挪动通讯、公用调度、集群调度、个人无线、公用无线、挪动卫星通讯等类型。2.2.6普适计算技术了解普适计算概念需求留意以下几个问题：〔1〕“无处不在〞与“不可见〞〔2〕普适计算表达出信息空间与物理空间的交融〔3〕普适计算的中心是“以人为本〞〔4〕普适计算的重点在于提供面向用户的、一致的、自顺应的网络效力要实现普适计算的目的，我们必需处理以下几个根本的问题：〔1〕实际建模。〔2〕自然透明的人机交互〔3〕无缝的运用迁移〔4〕上下文感知2.2.7云计算技术云计算主要特点：〔1〕云计算是一种新的计算方式。〔2〕云计算是互联网计算方式的商业实现方式。〔3〕云计算的优点是平安、方便，共享的资源可以按需扩展〔4〕云计算更适宜于中小企业和低端用户。〔5〕云计算表达了软件即效力的理念。图2-15云计算任务方式表示图2.2.8数据库与数据仓库技术1.数据库技术的开展〔1〕面向对象数据库〔2〕分布式数据库〔3〕多媒体数据库〔4〕并行数据库〔5〕演绎数据库〔6〕自动数据库2.数据仓库、数据集市与数据发掘技术数据仓库是一个在企业管理和决策中面向主题的、集成的、相对稳定的、动态更新的数据集合。采用全新的数据组织方式，对大量的原始数据进展采集、转换、加工，并按照主题进展重组，提取有用的信息。数据仓库系统需提供工具层，包括联机分析处置工具、预测分析工具和数据发掘工具。运用数据仓库技术使系统可以面向复杂数据分析、高层决策支持，提供来自不同的运用系统的集成化数据和历史数据，为决策者进展全局范围内的战略决策和长期趋势分析提供有效的支持。数据发掘使数据库技术进入了一个更高级的阶段，它不仅能对过去的数据进展查询和遍历，并且可以找出过去数据之间的潜在联络，从而促进信息的传送2.2.9人工智能技术1．人工智能的根本概念人工智能(artificialintelligence)是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心思学、言语学等多种学科高度开展、严密结合、相互浸透而开展起来的一门交叉学科。2．人工智能技术的研讨与运用当前人工智能技术的研讨与运用主要集中在以下几个方面〔1〕自然言语了解〔2〕数据库的智能检索。〔3〕专家系统〔4〕定理证明〔5〕博弈〔6〕自动程序设计〔7〕组合调度问题〔8〕感知问题2.2.9嵌入式技术1．嵌入式技术与环境智能化嵌入式系统〔EmbeddedSystem〕也称嵌入式计算机系统，它是针对特定的运用，剪裁计算机的软件和硬件，以顺应运用系统对功能、可靠性、本钱、体积、功耗的严厉要求的公用计算机系统。2．嵌入式计算机系统的特点〔1〕微型机运用和微处置器芯片技术的开展为嵌入式系统研讨奠定了根底。〔2〕嵌入式系统的开展顺应了智能控制的需求。〔3〕嵌入式系统的开展促进了顺应特殊要求的微处置器芯片、操作系统、软件编程言语与体系构造研讨的开展。〔4〕嵌入式系统的研讨表达出多学科交叉交融的特点。3．嵌入式系统开展的过程嵌入式系统从20世纪70年代出现以来，开展至今曾经有30多年历史。嵌人式系统大致阅历了四个开展阶段。〔1〕第一阶段是以可编程序控制器系统为中心的研讨阶段。〔2〕第二阶段是以嵌入式中央处置器CPU为根底，以简单操作系统为中心的阶段。〔3〕第三阶段是以嵌人式操作系统为标志的阶段。〔4〕第四阶段是基于网络操作的嵌入式系统开展阶段。2.3现代网络通讯与物联网由大量的部署在监测区域内的微型传感器节点构成的无线传感器网络，经过无线通讯方式智能组网，构成一个自组织网络系统，具有信号采集、实时监测、信息传输、协同处置、信息效力等功能，能感知、采集和处置网络所覆盖区域中感知对象的各种信息，并将处置后的信息传送给用户。2.3.1无线网络与物联网2.3.2无线局域网与协议定义：无线局域网是指以无线电波、激光、红外线等无线媒介来替代有线局域网中的部分或全部传输媒介而构成的网络。协议规范〔1〕802.11协议〔2〕蓝牙规范〔3〕HomeRF工业规范2.3.3IPV6技术物联网带来了技术上的挑战〔1〕物联网由众多节点衔接构成，无论是采用自组织方式，还是采用现有的公众网进展衔接，这些节点之间的通讯必然牵涉到寻址问题〔2〕目前互联网的挪动性缺乏也呵斥了挪动才干的瓶颈〔3〕网络质量保证也是物联网开展过程中必需处理的问题〔4〕物联网节点的平安性和可靠性也需求重新思索基于IPv6技术的物联网技术处理方案〔1〕IPv6地址技术〔2〕IPv6挪动性技术〔3〕IPv6QoS技术〔4〕IPv6平安性与可靠性技术图2-16MIPv4与MIPv6的转发比较2.3.4蓝牙、无线个人区域网与Zigbee蓝牙技术是一种短间隔无线电技术无线个人区域网〔无线个域网〕WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)。就是在个人任务地方把属于个人运用的电子设备〔如便携式计算机，掌上电脑以及蜂窝等〕用无线技术衔接起来，整个网络的范围大约为10m。Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于挪动网络基站。通讯间隔从规范的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee的特点〔1〕低功耗〔2〕本钱低〔3〕时延短〔4〕网络容量大〔5〕可靠〔6〕平安2.4无线通讯3G与物联网的开展了解3G的根本概念时，需求留意以下几个问题。〔1〕第三代挪动通讯技术简称为“3G〞或“三代〞，是指支持高速数据传输的蜂窝挪动通讯技术。3G效力可以同时支持语音通话信号及电子邮件、即时通讯数字信号的高速传输。〔2〕3G与2G的主要区别是：3G可以在全球范围内更好地实现无线遨游，提供网页阅读、会议、电子商务、音乐、视频等多种信息效力。根据我国电信业重组方案，3G牌照的发放方式是：中国挪动获得TD-SCDMA牌照，中国电信获得CDMA2000牌照，中国联通获得WCDMA牌照。2.4.13G促进物联网发扬无线通讯2.4.2物联网信息发送的平台——3G手机

普通3G手机效力业务包括以下几个方面：〔1〕宽带上网〔2〕视频通话〔3〕手机电视〔4〕无线搜索〔5〕手机音乐〔6〕手机购物〔7〕手机网游2.4.3基于RFID和手机终端的挪动电子商务1．3G特征定位运用〔1〕高精度定位〔2〕区域触发定位2．挪动企业运用〔1〕挪动多媒领会议、会议电视效力〔2〕高速挪动企业接入3．挪动行业的运用〔1〕面向公众的业务〔2〕面向行业内部消费管理的运用2.5集成电路：物联网的基石第一组数据是微电子技术对国民经济总产值的奉献。兴隆国家或开展中国家在经济增长方面存在着一条规律，那就是电子工业产值的增长速率是国民经济总产值增长速率的3倍，微电子产业的增长速率又是电子工业增长速率的2倍。第二组数据是集成电路产品与其他门类产品对国民经济奉献率的比较。。根据有关研讨机构的测算，集成电路对国民经济的奉献率远高于其他门类的产品。假设以单位质量钢筋对GDP的奉献为1计算，那么小汽车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路的奉