物联网应用技术概论（第2版）课件 第5章 物联网应用层关键技术

第5章物联网应用层关键技术物联网应用技术概论5.1本章的学习目标1云计算技术2大数据技术3人工智能技术4中间件技术目录CONTENTS5物联网应用系统PART015.2云计算技术云计算的起源5.2云计算技术

早在20世纪60年代人工智能之父——约翰·麦卡锡就提出了把计算能力作为一种像水和电一样的公共事业提供给用户的理念，这成为云计算思想的起源。2006年8月9日，Google首席执行官埃里克·施密特在搜索引擎大会(SESSanJose2006)首次提出云计算(CloudComputing)的概念。云计算的起源5.2云计算技术

我们每天都要用电，但不是每家都自备发电机，而是由电厂集中提供。这样的模式极大地节约了资源，方便了我们的生活。鉴于此，我们能不能像使用电一样使用计算机资源？这些想法最终导致了云计算的产生。云计算的模式就是电厂集中供电的模式，它的最终目标是将计算、服务和应用作为一种公共设施提供给公众，使人们能够像使用水、电一样使用计算机资源。。

云计算的起源5.2云计算技术

云计算的概念5.2云计算技术

云计算是一种基于互联网的计算方式。通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给计算机和其它设备。云计算依赖资源的共享以达成规模经济，类似基础设施（如电力网）。云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算机资源共享池（资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务），这些资源能够被快速提供，只需要投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。该定义是目前较为公认的云计算定义。美国国家标准与技术研究院云计算的概念5.2云计算技术云计算之所以称为“云”，是因为它在某些方面具有现实中云的特征：云一般都较大；云的规模可以动态伸缩，它的边界是模糊的；云在空中飘忽不定，无法也无需确定它的具体位置，但它确实存在于某处。之所以称为“云”，还有一个很重要的原因是因为绘制计算机网络架构图时往往用一朵云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。

云计算的分类5.2云计算技术云计算的特征5.2云计算技术根据云计算的定义，可以总结出云计算的五大关键特征：（1）按需自助服务。（2）与位置无关的资源池。（3）无处不在的网络接入。（4）快速弹性。（5）按使用付费。

云计算与物联网5.2云计算技术云计算是利用互联网的分布性等特点来进行计算和存储，是一种网络应用模式；而物联网是通过射频识别等信息传感设备把所有物品与互联网连接起来实现智能化识别和管理，是对互联网的极大拓展。两者存在着较大的区别。对于物联网来说，传感设备时时刻刻都在产生着大量的数据，这些海量数据必须要进行大量而快速地运算和处理。云计算带来的高效率的运算模式正好可以为其提供良好的应用基础。没有云计算的发展，物联网也就不能顺利实现，而物联网的发展又推动了云计算技术的进步，两者又缺一不可。云计算的技术优势主要体现在以下几个方面：数据信息的存储方面数据信息的管理方面强大的网络接入能力

云计算与物联网5.2云计算技术云计算与物联网各自具备很多优势，如果把云计算与物联网结合起来，我们可以看出，云计算其实就相当于一个人的大脑，而物联网就是其眼睛、鼻子、耳朵和四肢等。

云计算与物联网当前，很多云计算服务提供商和物联网厂商都将云计算与物联网平台进行了有机的技术融合，推出了各自的物联网云平台产品，如：谷歌云物联网平台、阿里云物联网平台、华为云物联网平台、涂鸦物联网云平台、NLECloud新大陆物联网云平台、OneNET中国移动物联网云平台等。这些物联网云平台都提供了海量设备连接上云、设备和云端双向消息通信、批量设备管理、远程控制和监控等能力，可以帮助物联网行业用户快速完成设备联网及行业应用集成。5.2云计算技术

华为云物联网平台IoTDA5.2云计算技术华为基于在通信行业的技术积累和商业实践，打造了敏捷高效的华为云物联网平台IoTDA（IoTDeviceAccess），提供海量设备连接上云、设备和云端双向消息通信、批量设备管理、远程控制和监控、OTA升级、设备联动规则等能力，并可将设备数据灵活流转到华为云其他服务，帮助物联网行业用户快速完成设备联网及行业应用集成。

华为云物联网平台IoTDA5.2云计算技术案例：华为云物联网平台在智慧农业中的应用适宜的温度、湿度、光照是农作物生长的必要条件，而传统农业通常很难对这些环境条件进行量化，更不要说通过分析这些数据，提炼出对农作物更好的培育方法。为解决上述问题，通过传感器将环境条件转化为数据，并通过网络将数据上传至华为云平台，同时采用算法实现当光照不足、湿度较高时，则启动机械装置，补光、开启风扇马达，改善培育条件。也可以通过控制华为云平台，远程控制机械，达到想要的效果。PART025.3大数据技术5.3大数据技术大数据的概念

关于大数据很难有一个非常定量的定义。5.3大数据技术

大数据的概念总体上来说，大数据是指无法在可容忍的时间内用传统IT技术和软硬件工具对其进行感知、获取、管理、处理和服务的数据集合。这里传统的IT技术和软硬件工具是指单机计算模式和传统的数据分析算法。因此实现大数据的分析通常需要从两个方面来着手：采用集群的方法来获取强大的数据分析能力研究面向大数据的新的数据分析算法

大数据的特性5.3大数据技术

大数据的来源近年来互联网、云计算、移动互联网、物联网及社交网络等新型信息技术的发展，使得数据产生的来源非常丰富：企业内部及企业外延互联网及移动互联网物联网5.3大数据技术

大数据的处理流程5.3大数据技术

大数据的处理流程

由于大数据处理的数据来源类型丰富，大数据处理的第一步是对数据进行抽取和集成，从中提取出关系和实体，经过关联和聚合等操作，按照统一定义的格式对数据进行存储。

数据分析是大数据处理流程的核心步骤，通过数据抽取和集成环节，我们已经从异构的数据源中获得了用于大数据处理的原始数据，用户可以根据自己的需求对这些数据进行分析处理，比如数据挖掘、机器学习、数据统计等，数据分析可以用于决策支持、商业智能、推荐系统、预测系统等。

大数据处理流程中用户最关心的是数据处理的结果，正确的数据处理结果只有通过合适的展示方式才能被终端用户正确理解，因此数据处理结果的展示非常重要，可视化和人机交互是数据解释的主要技术。5.3大数据技术

大数据的典型应用大数据在高能物理中的应用商品推荐系统大型强子对撞机5.3大数据技术

大数据的典型应用搜索引擎系统百度迁徙5.3大数据技术

大数据的典型应用智能安防系统医疗健康大数据5.3大数据技术

大数据技术在物联网中的应用大数据与物联网技术的关系大数据与物联网是两种截然不同的技术。大数据侧重于对海量数据的存储、处理与分析，从海量数据中发现价值，服务于生产和生活；而物联网的发展目标是实现物物相连，应用创新是物联网发展的核心。物联网是大数据最为重要的来源，大数据技术则为物联网的数据分析提供了强大的技术支撑。在当前的大数据应用中，物联网产业所应用到的大数据处理内容主要有：大数据技术在物联网数据采集中的应用大数据技术在物联网数据存储中的应用大数据技术在物联网数据分析中的应用5.3大数据技术

大数据技术在物联网中的应用华为云IoT一站式物联网数据分析服务IoTA华为云IoT一站式物联网数据分析服务IoTA是华为云推出的以资产模型为驱动的一站式物联网数据分析服务。基于物联网资产模型，整合大数据分析领域的最佳实践，实现物联网数据集成、清洗、存储、分析、可视化，为开发者打造一站式数据开发体验，并与华为云物联网相关云服务（比如设备接入）无缝对接，降低开发门槛，缩短开发周期，快速实现物联网数据价值变现。针对物联网数据具备的显著时序特征，华为云数据分析服务还在数据存储及数据分析上做了大量的优化。华为云物联网数据分析服务IoTA主要提供了以下功能：资产模型实时分析时序分析5.3大数据技术大数据技术在物联网中的应用华为云IoT一站式物联网数据分析服务IoTA5.3大数据技术

大数据技术在物联网中的应用案例：使用华为云IoTA实现电子工厂SMT产线分析电子工厂SMT产线一般有6类设备，分别是：镭雕机、印刷机、SPI（锡膏检测仪）、贴片机、回流炉和AOI（光学检测仪）等。可以通过华为云物联网设备接入服务（IoTDA）联接SMT产线上的各设备，获取各设备属性数据和设备消息，通过华为云物联网数据分析服务IoTA的资产建模和计算分析能力，实时计算生成产线和设备OEE（设备综合效率）相关数据，实时监控设备的关键属性，分析判断设备数据是否异常并产生事件告警信息，查看设备OEE相关指标和设备关键属性的历史数据，并可通过3D形式进行直观展示。5.3大数据技术PART035.4人工智能技术5.4人工智能技术

人工智能的概念人工智能的起源1956年，达特莫斯（Dartmouth）论坛，AI（ArtificialIntelligence）被首次提出。5.4人工智能技术

人工智能的概念计算机学家们对人工智能的各种定义5.4人工智能技术

人工智能的概念人工智能的定义小结人工智能就是运用知识来解决问题，研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统，从而实现机器智能，使计算机也具有人类听、说、读、写、思考、学习、适应环境变化、解决各种实际问题的能力。人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器。5.4人工智能技术

人工智能的概念人工智能的发展对比：深蓝的代码是研究人员编程的，知识和经验也是研究人员传授的AlphaGo的代码是自我更新的，知识和经验是自我训练出来的1997年，IBM的超级计算机深蓝曾在国际象棋领域完胜人类代表卡斯帕罗夫2017年，Google的AlphaGo在围棋领域完胜人类代表柯洁5.4人工智能技术

人工智能的研究目标人工智能的研究目标可以划分为近期目标和远期目标两个阶段。（1）近期目标：中心任务是研究如何使计算机去做那些只有靠人的智力才能完成的工作，部分地或某种程度地实现机器智能，并运用智能技术解决各种实际问题，从而使现有的计算机更灵活好用和更聪明有用。（2）远期目标：要制造智能机器，使计算机具有看、听、说、写等感知和交互能力，具有联想、学习、推理、理解等高级思维能力，还要有分析问题、解决问题和发明创造的能力，从而大大扩展和延伸人的智能，实现人类社会的全面智能化。5.4人工智能技术

人工智能的研究内容人工智能的研究内容可以归纳为：搜索与求解、学习与发现、知识与推理、发明与创造、感知与交流、记忆与联想、系统与建设、应用与工程等八个方面。从研究对象来说，人工智能涉及三个相对独立的域，即：（1）研究会读和说的计算机程序，也就是通常所说的“自然语言处理”领域；（2）研制灵敏的机器，通过设计出具有视觉和听觉程序化的机器人，在活动时能识别不断改变的环境；（3）开发用符号识别来模拟人类专家行为的程序，即专家系统。5.4人工智能技术

人工智能的应用领域

专业系统机器学习模式识别人工神经网络智能决策支持系统自动定理证明自然语言理解及自动程序设计5.4人工智能技术机器学习机器学习的概念传统情况下如果我们想让计算机工作，就得给它一串指令，然后让它按照这个指令一步一步执行下去。有因有果，非常明确。但这样的方式在机器学习中却行不通。机器学习根本不接受你输入的指令，相反，它接受你输入的数据。也就是说，机器学习是一种让计算机利用数据而不是指令来进行各种工作的方法。机器学习方法是计算机利用已有的数据（经验），得出某种模型（规律），并利用此模型预测未来的一种方法。5.4人工智能技术

机器学习人类在成长、生活过程中积累了很多的历史与经验。人类定期地对这些经验进行“归纳”，获得了生活的“规律”。当人类遇到未知的问题或者需要对未来进行“推测”的时候，人类使用这些“规律”，对未知问题与未来进行“推测”，从而指导自己的生活和工作。机器学习中的“训练”与“预测”过程可以对应到人类的“归纳”和“推测”过程。5.4人工智能技术

机器学习机器学习的算法分类在机器学习领域，人们首先会考虑算法的学习方式。将机器学习算法按照学习方式分类可以让人们在建模和算法选择的时候考虑能根据输入数据来选择最合适的算法来获得最好的结果。机器学习的算法按照学习方式主要可以分为：监督式学习无监督式学习半监督式学习强化学习强化学习模式监督学习训练模型的过程5.4人工智能技术

人工智能在物联网中的应用人工智能与物联网技术的结合物联网的终极目标是实现万物智联，目前的物联网仅仅实现了物物联网，赋予物联网一个“大脑”，才能够实现真正的万物智联，发挥物联网更大的价值，而人工智能技术刚好可以满足这一需求人工智能技术与物联网在实际应用中的落地融合就产生了AIoT5.4人工智能技术

人工智能在物联网中的应用AIoT典型的应用案例自动驾驶智能家居智慧城市工业机器人5.4人工智能技术

华为云AI开发平台ModelArtsModelArts是面向开发者的一站式AI开发平台，为机器学习与深度学习提供海量数据预处理及半自动化标注、大规模分布式Training、自动化模型生成，及端-边-云模型按需部署能力，帮助用户快速创建或部署模型，管理全周期AI工作流。ModelArts支持所有主流的AI算法框架，能够基于机器学习算法及强化学习的模型进行训练，同时可以自动调优。ModelArts提供了包括数据处理、算法开发、模型训练、模型管理、模型部署等在内的全流程AI模型开发技术能力，还可以支持大规模分布式训练。5.4人工智能技术

华为云AI开发平台ModelArts案例：使用ModelArts实现商超商品识别在华为云ModelArts平台订阅并部署模型来完成商超商品图片识别的任务。PART045.5中间件技术5.5中间件技术

中间件的概念中间件是介于各种分布式应用程序和系统软件（包括操作系统和底层通信协议等）之间的一个软件层。它作为一种独立的系统软件或服务程序，介于上层应用和下层硬件系统之间，发挥服务支撑和数据传递的作用。通过中间件，应用程序可以工作于多平台或操作系统环境，即实现常规意义的跨平台。在使用中间件时，往往是一组中间件集成在一起，构成一个平台（包括开发平台和运行平台），但在这组中间件中必须要有一个通信中间件，即中间件=平台+通信。应用应用硬件操作系统中间件（分布系统服务）接口和协议接口和协议5.5中间件技术

物联网中间件的概念随着物联网技术在生活和行业中的大规模应用，物与物之间的相互通讯与协同工作也变得密切起来。许多应用程序需要在异构的平台上运行，在这种分布式异构环境中，通常存在多种硬件系统平台，在这些硬件平台上，又存在各种各样的系统软件。如何把这些硬件和软件系统集成起来，并在网络上互通互联，是非常现实和困难的问题。因此，在物联网世界中就需要一个中间件来消除千千万万不能互通的产品之间的沟通障碍，实现跨系统的交流。这个中间件，就称为物联网中间件。5.5中间件技术

物联网中间件的特点独立于架构面向数据流的优化面向业务流的优化支持标准化协议5.5中间件技术

物联网中间件的作用屏蔽异构性确保交互性数据预处理5.5中间件技术

物联网中间件的应用物联网中间件的典型应用通过物联网中间件平台可以快速对接各种通信协议，以实现不同厂家、不同设备、不同软件之间的数据交互和统一管理，实现“万物互联”，真正地将物联网延伸至各类智能节点。物联网中间件用途广泛，涉及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、智能楼宇、智能消防、智能制造、环境监测、个人健康、智慧农业和食品溯源等众多领域。5.5中间件技术

物联网中间件的应用常见的物联网中间件框架平台物联网中典型的中间件有RFID中间件，传感网网关、传感网节点、传感网安全中间件，还有其他嵌入式中间件、M2M中间件等。目前常见的物联网中间件平台框架有：霍尼韦尔的Niagara平台，GE推出的Predix平台，华为的OneAir解决方案以及海尔的COSMOPlat等。5.5中间件技术

物联网中间件的应用霍尼韦尔的NiagaraFrameworkNiagaraFramework是霍尼韦尔旗下的全资子公司Tridium开发的一种灵活的可扩展的开放式物联网中间件框架平台。Niagara作为一个通用性中间件框架，其本身基于Java的专有技术，可以跨任意平台，集成各节点上不同系统平台上的构件。Niagara创造了一个通用的环境，支持BACnet、Modbus、LonWorks、OPCUA、MQTT等通信协议，几乎可以连接任何嵌入式设备，并将它们的数据和属性转换成标准的软件组件，简化开发的过程。5.5中间件技术

物联网中间件的应用NiagaraFramework中间件技术开发案例使用NiagaraFramework中间件技术打造一个统一的、具有丰富功能的开放式智慧园区管理平台。简化开发的过程、降低产品或系统的开发成本、缩短系统的开发时间或工程的建设周期。提供一个通用的环境，几乎可以连接任何能够想象到的嵌入式设备或系统。5.5中间件技术

物联网中间件的应用华为的OneAir为满足工业物联网的发展需要，华为发布了创新的OneAir行业专网解决方案，一张网络就可以承载多种业务，提供不同的网络接入类型。华为OneAir解决方案能够实现一网多业务，利用一张无线网同时承载了语音调度、视频监控、数据传输、实时位置、工业物联。5.5中间件技术

物联网中间件的应用华为的OneAir针对不同的业务和频谱，OneAir有三种技术可供选择：授权频谱的LTE技术，免授权频谱(2.4GHz和5GHz)的LTE技术免授权频谱(<1GHz)的eW-IoT技术PART055.6物联网应用系统5.6物联网应用系统物联网应用系统概述物联网应用层一个非常重要的组成部分就是物联网应用系统，它通过功能完善的软件系统将数据整合在一起应用于各种具体场景和行业，形成了多样化、规模化和行业化的特点。目前，物联网应用系统涉及的行业众多，但本质上可以划分为四种类型：（1）监控型，比如物流监控、环境监控等；（2）控制型，比如智能交通、智能家居等；（3）扫描型，比如手机钱包、高速公路不停车收费等；（4）查询型，比如远程抄表、智能检索等。5.6物联网应用系统

物联网应用系统概述物联网应用系统的主要功能就是为用户提供终端远程管理、运行监控、告警管理、协议适配、业务数据传输、行业应用接入等综合服务功能，为物联网各种应用提供强大、稳定的运行支撑环境。5.6物联网应用系统

物联网应用系统的设计开发设计开发人员接到物联网应用系统开发任务时，一般要依次完成以下步骤：（1）系统需求分析（2）系统设计（3）系统软、硬件开发（4）系统软硬件集成测试（5）系统发布与护5.6物联网应用系统

物联网应用系统的设计开发物联网应用系统存在信息多源、异构、环境复杂多变等特点，因此在进行系统设计开发过程中，除了遵循常规的软件设计与开发原则外，还需要遵循以下一些原则：（1）多样性原则；（2）时空性原则；（3）互联性原则；（4）安全性原则；（5）扩展性原则；（6）可靠性原则。5.6物联网应用系统

物联网应用系统开发技术栈如果从软件开发的角度来看，物联网应用系统开发使用的技术栈主要包括：1）前端、后端开发负责物联网平台和业务应用的开发。物联网应用系统的开发涉及前端和后端的多种技术，前端技术包括移动应用开发、Web开发和用户界面设计等，后端技术包括服务器端开发、API设计和数据管理等。（1）移动端开发：包括AndroidApp，iOSApp，H5小程序，华为鸿蒙系统App开发等。（2）Web端开发：可以使用C++、C#、Java或Python等编程语言来开发Web端应用。（3）物联网平台开发：从开发的角度来看，物联网平台的开发技术栈主要是后端开发。（4）业务应用开发：所谓业务应用，简单来说就是通过调用物联网平台提供的API，实现设备管理、数据上报、命令下发等业务场景。5.6物联网应用系统物联网应用系统开发技术栈2）嵌入式软件开发主要是设备端的开发，这部分根据使用的不同硬件模块，又可以分为很多不同的子领域。设备端的开发可以从通信方式这个角度来进行分类：（1）不需要网关的设备：这一类设备，利用2G／3G／4G/5G基站来进行数据的传输，产品的形态主