物联网工程导论-第3章 物联网的技术基础

第三章

物联网的技术基础

北京林业大学信息学院1三个层次

2八层架构

3四大支撑技术

4两个技术范畴

5云计算教学内容北京林业大学信息学院1物联网的三个层次物联网主要包括物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层。北京林业大学信息学院物联网技术体系框架

物联网技术体系主要包括感知层技术、网络层技术和应用层技术以及公共技术。北京林业大学信息学院物联网技术体系框架北京林业大学信息学院感知层

感知层

数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。北京林业大学信息学院网络层

网络层 实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。北京林业大学信息学院应用层应用层

主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。其中应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等行业应用。北京林业大学信息学院公共技术公共技术

不属于物联网技术的某个特定层面，而是与物联网技术架构的三层都有关系，它包括标识与解析、安全技术、网络管理和服务质量(QoS)管理。北京林业大学信息学院2

物联网的八层架构

传感器/执行器层传感网层传感网关层广域网络层IBM八层的物联网参考架构应用网关层服务平台层应用层分析与优化层北京林业大学信息学院3物联网的四大支撑技术

物联网的支撑技术：RFID（射频识别）WSN/ZigBee

技术传感器技术智能服务北京林业大学信息学院RFID的定义：

RFID是射频识别技术(RadioFrequencyIdentification)的缩写，射频识别技术是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。优点：非接触操作，长距离识别(几厘米至几十米)。无机械磨损，寿命长。可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签。读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性。数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理。读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。RFID技术

北京林业大学信息学院RFID系统的组成：电子标签（Tag）天线(Antenna)阅读器(Reader)RFID技术

北京林业大学信息学院RFID的特征：1.数据的读写(ReadWrite)机能2.容易小型化和多样化的形状3.耐环境性4.可重复使用5.穿透性6.数据的记忆容量大7.系统安全8.数据安全RFID技术

北京林业大学信息学院应用系统的两个部分：读写器RFID卡RFID技术

作为计算机终端,用来实现对RFID卡的数据读写和存储,它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。一种无源的应答器,主要是由一块集成电路(IC)芯片及其外接天线组成北京林业大学信息学院基本工作原理

RFID卡进入读写器的射频场后,由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。RFID技术

北京林业大学信息学院RFID同其它识别系统的比较RFID技术

北京林业大学信息学院分类：1）工作频率。低频（30KHZ-300KHZ）、中频(3MHZ-30MHZ)和高频系统（300MHZ-3GHZ）2）RFID卡。可读写卡(RW)、一次写入多次读出卡(WORM)和只读卡（RO）。3）有源和无源：有源RFID标签和无源RFID标签。4）调制方式：主动式(Activetag)和被动式(Passivetag)。RFID技术

应用和发展：物流，零售，制造业，服装业，医疗，。。。。北京林业大学信息学院WSN（wirelesssensornetwork）：无线传感网络。由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词，无线传感网络内的各个要素通过ZigBee进行信息的传输，这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。WSN/ZigBee技术

北京林业大学信息学院ZigBee的两种物理设备类型：全功能设备FFD(FullFunctionDevice)精简功能设备RFD(Reduced

FunctioDevice)。WSN/ZigBee技术

ZigBee是采用数据帧的概念，每个无线帧包括了大量无线包装，包含了大量时间，地址，命令，同步等信息，真正的数据信息只占很少部分。北京林业大学信息学院ZigBee网络示意图

协调器路由器终端结点WSN/ZigBee技术

路由器的功能有（i）允许其他设备加入到网络中（ii）多跳路由（iii）协助用电池供电的终端子设备的通信协调器用于初始化一个ZigBee网络。协调器节点选择一个信道和一个网络标识符（也叫PANID），然后启动一个网络。协调器节点也可以用来在网络中设定安全措施和应用层绑定。终端设备仅在向它们的父节点收或者发送数据时才会激活北京林业大学信息学院自身的技术优势：低功耗。低成本。免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。低速率。近距离。传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3km。短时延。激活只需15ms，节点连接进入网络只需30ms,蓝牙3～10s、WiFi3s。高容量。ZigBee

可采用星状、片状和网状网络结构。高安全。三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码。免执照频段。WSN/ZigBee技术

北京林业大学信息学院典型应用WSN/ZigBee技术

北京林业大学信息学院常见组网技术：现场总线技术

现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。北京林业大学信息学院实时性一般的现场总线具有以下几个特点现场总线技术布线简单开放性可靠性北京林业大学信息学院控制系统的金字塔结构

目前现场总线技术的应用主要集中在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山以及OEM（原始设备制造商）用户等各个行业，同时还有道路无人监控、楼宇自动化、智能家居等新技术领域。北京林业大学信息学院

WiFi，全称WirelessFidelity(无线保真)，指具有完全兼容性的802.11标准IEEE802.11b子集，它使用开放的2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mbps，也可根据信号强弱把传输率调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽。无需直线传播传输范围为室外最大300米，室内有障碍的情况下最大100米，是现在使用的最多的传输协议。

WiFi技术

北京林业大学信息学院

特点：速度快，可靠性高传播距离长方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低WiFi技术

北京林业大学信息学院WiFi无线网络的拓扑结构有两种，即：Ad-Hoc和Infrastructure。WiFi技术

Ad-Hoc拓扑结构Infrastructure拓扑结构AP一般称为网络桥接器或接入点，它是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，因此任何一台装有无线网卡的PC均可透过AP去分享有线局域网络甚至广域网络的资源,其工作原理相当于一个内置无线发射器的HUB或者是路由，而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备。北京林业大学信息学院优点：无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而WiFi的半径则可达300英尺左右约合100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。虽然由WiFi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到11mbps，符合个人和社会信息化的需求。进入该领域的门槛比较低。不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。WiFi技术

北京林业大学信息学院重点应用区域:

1)有线资源成本太高或布线困难的区域；2)酒店、机场、医院、茶楼等人员流动频繁的地方；3)校园、办公室、会议室等人员聚集的地方；4)展览馆、体育馆、新闻中心等信息需求量大的地方。未来展望：

WiFi是目前无线接入的主流标准，在Intel的支持下，WiFi已经有了接班人。它就是全面兼容现有WiFi的WiMAX，对比于WiFi的802.11X标准，WiMAX就是802.16x。与前者相比，WiMAX具有更远的传输距离、更宽的频段选择以及更高的接入速度等等，预计会在未来几年间成为无线网络的一个主流标准，Intel计划将来采用该标准来建设无线广域网络。这相比于现时的无线局域网或城域网，是质的变革。

WiFi技术

北京林业大学信息学院蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。

蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术

北京林业大学信息学院蓝牙技术概述蓝牙技术是一个开放性、短距离无线通信的标准。图

蓝牙标志与蓝牙耳机北京林业大学信息学院蓝牙技术系统参数和技术指标北京林业大学信息学院技术特性：1.能传送语音和数据；2.使用频段、连接性、抗干扰性和稳定性；3.低成本、低功耗和低辐射；4.安全性；5.网络特性。蓝牙技术

北京林业大学信息学院蓝牙模块如下图所示：北京林业大学信息学院文件传输Internet网桥局域网接入三合一电话(threeinonephone)终端耳机应用模型蓝牙技术的应用蓝牙SIG（蓝牙技术联盟）定义以下几种基本的应用模型。北京林业大学信息学院蓝牙产品：主要应用在手机、掌上计算机、耳机、数字照相机、数字摄像机、汽车套件等蓝牙技术的应用蓝牙系统：可以嵌入微波炉、洗衣机、电冰箱、空调机等传统家用电器北京林业大学信息学院GPS：是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。GPS技术

北京林业大学信息学院GPS技术

全球定位系统由GPS空间星座部分、GPS地面监控部分和用户设备部分（GPS接收机）三大部分组成。控制部分:负责监控全球定位系统的工作，包括一个主控站、三个注入站、五个监控站。空间部分:由24颗工作卫星组成，包括21颗工作卫星和3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上。用户部分:主要由各种GPS接收机组成，其作用就是接收、跟踪、变换和测量GPS信号。北京林业大学信息学院定位精度高观测时间短应用广泛全天候多功能操作简便GPS特点北京林业大学信息学院GPS的应用

GPS应用范围广泛，在导航、跟踪、精确测量方面，都有很大的应用。

在定位导航方面，GPS的使用对象主要是汽车、船舶、飞机等运动物体。对于警察、消防及医疗等部门的紧急救援、追踪目标和个人旅游及野外探险的导引等。北京林业大学信息学院GPS的应用下图为车载中的GPS导航仪北京林业大学信息学院前景一

前景二GPS民用信号精度在全球范围内得到改善作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技术的应用，刺激GPS市场的增长。GPS前景提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量北京林业大学信息学院PLC：电力线通信(PowerLineCommunication)技术,是指利用电力线传输数据和话音信号的一种信方式。在中高压输电网(35kV以上)上通过电线载波机利用较低的频率(9~490kHz)传送数据或话音,就是电力线通信技术应用的主要形式之一。在低压(220V)领域,PLC技术首先用于荷控制、远程抄表和家居自动化,其传输速率一般为200b/s或更低,称为低速PLC。近几年国内外开展利用低压电力线传输速率在1Mb/s以上的电力线信技术称之为高速PLC。目前已可传输高达45Mb/s的数据,而且能同时传输数据、语音、视频和电力。PLC技术

北京林业大学信息学院PLC(电力线通信)技术主要形式（之一）在中高压输电网(35kV以上)上通过电线载波机利用较低的频率(9~490kHz)传送数据或话音低速PLC高速PLC在低压(220V)领域,PLC技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化,其传输速率一般为200b/s或更低利用低压电力线传输速率在1Mb/s以上的电力线信技术电力线通信概述

电力线通信(PowerLineCommunication)技术简称PLC,是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。北京林业大学信息学院PLC技术

关键技术：目前国际上高速电力线通信采用的调制技术主要有：扩展频谱类和正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)调制技术。北京林业大学信息学院特点：高压载波路由合理,通道建设投资相对较低传输频带受限,传输容量相对较小可靠性要求高线路噪声大对外界的干扰网络应用要求更高PLC技术

北京林业大学信息学院正向向大容量、高速率方向发展同时转向采用低压配电网进行载波通信,实现家庭用户利用电力线打电话、上网等多种业务PLC的发展展望北京林业大学信息学院PLC的发展展望国外如美国、日本、以色列等国家正在开展低压配电网通信的研究和试验。由美国3COM,Intel,Cisco,日本松下等13家公司联合组建使用电力线作为传送媒介的家庭网络推进团体——“Homeplug

PowerlineAlliance”（家庭插电联盟）,已经提出家庭插座(HomePlug)计划,旨在推动以电力线为传输媒介的数字化家庭(DigitalHome)。北京林业大学信息学院未来的PLC实现与远程网的无缝连接传输能力的宽带化通信业务的综合化网络管理的智能化

PLC的发展展望北京林业大学信息学院

PLC的发展展望目前,还存在以下两个方面的问题有待进一步研究:(1)硬件平台(2)软件平台(3)网络管理问题:北京林业大学信息学院MEMS：是（Micro-Electro-MechanicalSystems）微机电系统的缩写。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。微机电系统技术

北京林业大学信息学院微机电系统技术MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems）是微机电系统的缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统。MEMS是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。北京林业大学信息学院微机电系统技术目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作北京林业大学信息学院1一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域,它们的尺寸更小.2采用以硅为主的材料，电气性能优良3采用与集成电路（IC）类似的生成技术（1）MEMS技术简述MEMS是：北京林业大学信息学院目标是：把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。微传感器信号处理和控制电路微执行器通讯接口电源完整的MEMS北京林业大学信息学院技术发展历程：第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，制作压力传感器,用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。第二轮商业化出现于20世纪90年代，围绕着PC和信息技术的兴起。投影仪和热式喷墨打印头。第三轮商业化出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。微机电系统技术

北京林业大学信息学院（2）MEMS技术的发展历史:目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的'片上实验室'生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。

北京林业大学信息学院MEMS的应用在不断扩大。它的主要应用市场消费电子市场。下图所示为2002-2012年间消费类电子加速度计的应收和出货量预测。北京林业大学信息学院（3）微传感器研究的现状与发展方向从MEMS的起源和MEMS的市场来看，ME-MS未来的发展趋势可以归纳为以下4个方面：微细化集成化多元化产业化。北京林业大学信息学院微传感器微加速度传感器微机械压力传感器微机械陀螺仪微气敏传感器

微流量传感器

微机械温度传感器（3）微传感器研究的现状与发展方向北京林业大学信息学院智能网络空间技术物联网终端技术物联网的标准体系4物联网的两个技术范畴北京林业大学信息学院物联网工作的基本原理：传感设备自动感应物品属性信息，再通过无线数据通信网络采集到中央信息处理系统,实现对物品的“透明”和“智能”管理。

智能空间是“一个嵌入了计算、信息设备和多模态的传感器的工作空间，其目的是使用户能非常方便地在其中访问信息和获得计算机的服务来高效地进行单独工作和与他人的协同工作”。智能空间可以看成是物理世界和信息空间的融合,具备感知/观察、分析/推理、决策/执行三大基本功能。这种融合表现为两个方面:1)物理世界中的物体将与信息空间中的对象互相关联;2)物理世界中物体状态的变化会引发信息空间中相关联的对象状态的改变,反之亦然。智能网络空间技术北京林业大学信息学院3.4.1智能网络空间技术基本要求

(1)基本要求

(2)基本要求

(3)基本要求

(4)用户及其携带的移动设备能方便地与智能空间进行交互,从而为用户的日常活动提供方便能自动捕获和动态监测其中发生的活动,提供信息显示和活动记录能对发生的特定事件做出合理反应并采取相应措施对空间中的各种动态变化具有鲁棒性和适应性。智能空间应具备的基本要求可概括为:北京林业大学信息学院智能空间主要包括如下特点：1)智能空间是一个庞大的系统工程,涉及的领域甚广,要解决的问题繁多,须综合各种技术进行构建;2)是一个嵌入性和移动性都很高的计算环境;3)用普适网络联系物理世界,是物理世界和信息空间的融合;4)可做出实时的、上下文敏感的决策;5)系统具有适应性,能提供便捷性的应用;6)与智能空间相结合的物理范围，形成了所谓的“广域智能空间”。北京林业大学信息学院智能空间中硬件设备分为两大类:(1)用来维持正常运行的系统设备,主要包括:获取现实物理世界中环境参数的设备,如传感器节点、照相机、麦克风等;分析环境参数以捕获信息的处理器;基于推理信息做出相应决策的执行器,如扬声器、放映机、机器人等;能量供应设备,如电池、电网装置等;(2)用来提供日常服务的用户设备,主要包括:传统的输入输出设备,如鼠标、键盘、发光二极管等;方便用户在任何地点与智能空间进行交互的无线移动设备,如寻呼机、个人数字助理(PDA)、手机、掌上电脑等;带有自适应性的智能设备,如智能家具、生物传感器、智能机器人等。智能网络空间技术北京林业大学信息学院智能空间中对硬件设备提出了新的和更高的要求:1)具有很强的硬件通信、信息处理、存储能力;2)要求设备尺寸多样化、重量轻型化、功耗微小化、成本廉价化;3)为设备提供充足的能量,同时要求芯片节能;4)要求用户界面富于表达情感、能与用户方便地交流。北京林业大学信息学院智能空间:

要在智能空间中构建一个安全、保密、可信任的普适网络,应具备如下要求:明显特点用普适网络(pervasivenetworking)连接物理世界。北京林业大学信息学院能自动构建合作区域,产生可适应流动和变化的拓扑结构

要求(1)

要求(2)

要求(3)

要求(4)对网络状况(如网络拥塞、无线传输误差等)和环境的动态变化具有适应性在没有手动配置和管理的情况下,提供自动的资源和位置发现为访问网络资源提供安全、专用、可鉴别的机制北京林业大学信息学院物联网智能空间技术分类：通信介质的选取研究（WIFI,WSN,PLC,232）服务中心/网关/控制器的研究子网适配器/控制器的研究软件中间件/MULTI-AGENT技术智能算法与服务模型数据挖掘技术云计算技术实时数据库技术智能网络空间技术北京林业大学信息学院原理：物联网终端基本由外围感知（传感）接口，中央处理模块和外部通讯接口三个部分组成，通过外围感知接口与传感设备连接，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口，发送到以太网的指定中心处理平台。物联网终端技术

北京林业大学信息学院作用：物联网终端属于传感网络层和传输网络