物联网工程应用-基于人工智能经典案例 课件 第二章 物联网体系标准与协议架构

物联网工程应用信息科学与工程学院电子与通信系黄如副教授2引言物联网体系标准与协议架构在当今快速发展的技术时代，智能物联网已经成为连接物理世界与数字世界的重要桥梁。随着智能设备和传感器的普及，物联网的应用场景变得越来越广泛，从智能家居到工业自动化，从健康监测到智慧城市，智能物联网正在深刻改变着我们的工作和生活方式。为了实现这些多样化应用，一个统一、高效、可靠的物联网体系标准与协议架构至关重要。本章将重点关注智能物联网的体系标准与协议架构，深入探讨近场无线通信技术标准及协议，包括Bluetooth、高速WPAN、ZigBee、WLAN和高速WMAN，分析它们在智能物联网环境中的角色和适用场景。此外，本章还将详细介绍物联网体系架构的三个关键层级：感知层、网络层和应用层，以及它们如何共同工作以实现智能物联网的互操作性。进一步地，本章将探讨智能物联网的架构和应用，包括物联网智能架构、物联网专家系统和物联网工程应用。这些内容将为读者提供一个全面的视角，了解如何利用智能物联网技术来构建更智能、更互联的系统和服务。32物联网体系标准与协议架构近场无线通信技术概述无线通信技术分类近场无线通信技术传输距离较短，通常在几米到几百米之间。适用于设备间的短距离通信。主要技术：Bluetooth、高速WPAN、ZigBee、WLAN、高速WMAN。远距离无线通信技术传输距离较长，通常覆盖几公里到几十公里。适用于广域网通信，如蜂窝网络、卫星通信等。42Bluetooth标准介绍物联网体系标准与协议架构Bluetooth技术特征工作频段全球通用使用2.4GHzISM频段，全球范围内无需许可，解决了蜂窝移动电话的“国界”障碍。设备可以快速搜索并建立连接，通过控制软件进行数据传输。兼容性和抗干扰能力强独立于操作系统，兼容性好，支持多种操作系统。采用跳频技术，有效避免ISM频带的干扰源，抗干扰能力强。传输距离较短典型传输距离为10米，增大射频功率后可扩展至100米。在有效范围内保证传输速度不受影响。低功耗支持多种低功耗模式，包括激活、呼吸、保持和休眠模式，适用于电池供电设备。52Bluetooth低功耗协议栈物联网体系标准与协议架构蓝牙低功耗协议栈结构物理层（PHY）工作频率：2.4GHz，传输速率：1Mb/s，采用自适应跳频技术（GFSK）减小干扰和信号衰减。链路层（LL）控制设备状态，包括就绪、广播、扫描、发起、连接等状态。广播状态：设备在没有连接的情况下对外传输数据。扫描状态：设备监听广播数据。发起状态：设备对广播发出回应，请求加入网络。连接状态：设备进入连接状态，充当主机或从机。主机控制接口层（HCI）控制层与主机层之间的桥梁，负责通信与交互。逻辑链路控制和适配协议层（L2CAP）提供数据封装和逻辑上的端到端传输。62Bluetooth低功耗协议栈物联网体系标准与协议架构蓝牙低功耗协议栈结构物理层（PHY）工作频率：2.4GHz，传输速率：1Mb/s，采用自适应跳频技术（GFSK）减小干扰和信号衰减。链路层（LL）控制设备状态，包括就绪、广播、扫描、发起、连接等状态。广播状态：设备在没有连接的情况下对外传输数据。扫描状态：设备监听广播数据。发起状态：设备对广播发出回应，请求加入网络。连接状态：设备进入连接状态，充当主机或从机。主机控制接口层（HCI）控制层与主机层之间的桥梁，负责通信与交互。逻辑链路控制和适配协议层（L2CAP）提供数据封装和逻辑上的端到端传输。2高速WPAN标准介绍物联网体系标准与协议架构7高速WPAN特点高速率支持高达55Mb/s的数据传输速率，适用于多媒体应用，如高质量影像和声音传输。短距离最优通信距离小于10米，适合家庭和办公环境。QoS支持提供服务质量（QoS）保障，确保多媒体业务的流畅性。低功耗先进的功率管理功能，延长设备电池寿命。超宽带（UWB）技术简介频带宽使用3.1GHz～10.6GHz频段，带宽可达500MHz～7.5GHz，远大于传统无线通信技术。低功耗采用低占空比脉冲，功耗极低，系统耗电量仅为传统无线通信设备的几百分之一到几十分之一。高传输速率在短距离内可实现几百Mb/s的传输速率。多径分辨率高采用窄脉冲技术，抗多径干扰能力强，适用于复杂环境。2ZigBee标准介绍物联网体系标准与协议架构8ZigBee技术特征工作频段灵活支持2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）、915MHz（美国）频段，均为免执照频段。低速率数据传输速率较低：20kb/s（868MHz）、40kb/s（915MHz）、250kb/s（2.4GHz）。低功耗支持休眠模式，两节5号电池可供电6个月以上，适用于长时间运行的设备。通信范围有限典型通信距离为10～75米，适合家庭和办公室环境。低成本协议简单，硬件成本低，支持8位单片机控制。数据传输可靠采用CSMA/CA防碰撞机制和确认数据传输机制，确保数据可靠传输。网络容量大单个网络支持255个设备，通过协调器可扩展至64000个节点。组网方式灵活支持星形网、簇形网、网状网等多种拓扑结构。自配置设备可自动加入或退出网络，支持自组织和自配置的组网模式。安全模式支持认证与鉴权，提供三个等级的安全处理：无安全模式、安全模式（ACL）、高级加密模式（AES-128）。2WLAN标准介绍物联网体系标准与协议架构9WLAN简介定义无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）是通过无线通信技术在一定局部范围内建立的网络，实现传统有线局域网的功能。发展历史起源于20世纪70年代的ALOHANET，1990年IEEE启动802.11项目，标志着WLAN技术的成熟。主要标准：IEEE802.11a/b/g/n/ac/ax。应用场景家庭、办公、公共场所（如机场、咖啡店）等，提供高速无线网络接入。2高速WMAN协议标准介绍物联网体系标准与协议架构10IEEE802.16简介定义IEEE802.16是无线城域网（WMAN）的标准，提供宽带无线接入服务，覆盖范围几公里到几十公里。发展历程1999年IEEE802.16工作组成立，2002年发布10～66GHz标准，2003年推出2～11GHz的IEEE802.16a标准。2004年发布IEEE802.16d（固定WiMax），2005年发布IEEE802.16e（支持移动性）。协议栈结构物理层：支持TDD和FDD，涉及频率带宽、调制方式、纠错技术等。MAC层：包括特定服务汇聚子层、MAC公共部分子层、安全子层，提供系统接入、带宽分配、连接管理等功能。WiMax技术优势覆盖范围广基站覆盖范围可达50公里，典型覆盖范围为6～10公里，适合城市范围的无线宽带接入。高速率下行速率可达1Gb/s，上行速率可达100Mb/s，满足移动用户的多媒体需求。支持移动性IEEE802.16e标准支持移动环境，适用于移动宽带接入。灵活的网络结构支持点到多点（PMP）和网状网（Mesh）结构，适合不同应用场景。低成本基站建设成本低，适合大规模部署。2物联网体系架构概述物联网体系标准与协议架构11三层架构感知层功能：负责数据的采集和物体的识别。主要技术：传感器、RFID、二维码、GPS等。应用场景：环境监测、智能家居、工业自动化等。网络层功能：负责数据的传输和网络管理。主要技术：互联网、移动通信网、无线局域网（WLAN）、无线城域网（WMAN）等。应用场景：数据传输、远程监控、设备互联等。应用层功能：负责数据的处理和应用服务。主要技术：云计算、大数据、人工智能等。应用场景：智能交通、智慧城市、智能医疗等。2感知层技术物联网体系标准与协议架构12EPC技术定义电子产品编码（ElectronicProductCode，EPC）是全球统一标识系统的扩展，用于对单品进行全球唯一标识。特点全球唯一标识，支持供应链管理和物流跟踪。与条形码技术结合使用，未完全取代条形码。应用场景物流管理、供应链跟踪、零售业等。传感器技术定义传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置。组成敏感元件：直接感受被测量。转换元件：将物理量信号转换为电信号。变换电路：对电信号进行放大和调制。常见传感器温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光传感器、霍尔传感器等。2感知层技术物联网体系标准与协议架构13RFID技术定义射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）通过射频信号自动识别目标对象，并对其信息进行标志、登记、存储和管理。系统组成电子标签：存储唯一识别码，附着在物体上。读写器：读取或写入标签信息。天线：在标签和读写器间传输射频信号。应用场景仓储管理、智能交通、门禁系统等。特性低频高频超高频微波工作频率125～134kHz13.56MHz868～915MHz2.45～5.8GHz市场占有率74%17%6%3%速度慢中等快很快潮湿环境影响无影响无影响影响较大影响较大方向性无无部分有全球适用频率是是部分（欧盟、美国）部分（非欧盟国家）现有ISO标准11784/85，1422318000-3.1/14443EPCC0，C1，C2，G218000-4主要应用范围进出管理、固定设备、天然气、洗衣店图书馆、产品跟踪、货架、运输货架、卡车、拖车跟踪收费站、集装箱2网络层技术物联网体系标准与协议架构14M2M技术定义机器对机器（Machine-to-Machine，M2M）是一种在系统之间、远程设备之间、机器与人之间建立无线连接的技术。系统架构应用层：数据存储、业务分析、用户界面。网络传输层：数据传输。设备终端层：数据采集和设备控制。应用场景远程监控、智能电网、智能交通等。2网络层技术物联网体系标准与协议架构156LoWPAN技术定义IPv6overLowPowerWirelessPersonalAreaNetwork，将IPv6引入低功耗无线个域网。技术优势普及性、适用性、更多地址空间、支持无状态自动地址配置、易接入、易开发。协议栈物理层、MAC层、网络适配层、IPv6层。TD-SCDMA与光纤通信技术TD-SCDMA中国自主知识产权的3G标准，频谱利用率高，适用于物联网承载网。光纤通信技术频带宽、传输损耗低、抗电磁干扰、保密性强、体积小、质量轻。2应用层技术物联网体系标准与协议架构16云计算与雾计算云计算特征：超大规模、弹性服务、资源池化、服务可计费、泛在接入、可靠性。架构：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）。雾计算定义：在用户和云服务层之间增加雾层，利用边缘设备提供计算资源。架构：终端用户层、雾计算层、云计算中心层。服务与管理技术服务技术提供数据挖掘、存储、计算和处理服务，支持各种应用场景。管理技术包括服务质量（QoS）保证、安全管理、计费管理、资源监控等。2智能物联网架构物联网体系标准与协议架构17智能设备及解决方案功能：负责数据的收集、抓取、分拣及搬运。主要设备：传感器、摄像头、智能终端等。应用场景：智能家居、智能工厂、智慧城市等。操作系统层（OS层）功能：连接与控制设备层，进行数据智能分析与处理。技术能力：业务逻辑、统一建模、全链路技术能力、高并发支撑能力。形态：通常以PaaS（平台即服务）形态存在。基础设施功能：提供服务器、存储、AI训练和部署能力等IT基础设施。主要组件：数据中心、云计算资源、网络设备等。2物联网专家系统物联网体系标准与协议架构18专家系统的基本结构知识库存储专家级的知识和经验，用于问题解决。推理机根据知识库中的知识进行推理和判断，生成解决方案。用户界面提供用户与专家系统的交互接口，用户可以通过界面了解系统的推理过程和结果。解释器解释系统的推理过程和结果，增强系统的透明性。专家系统的特点专业性拥有专家级的知识与经验，解决问题的能力越强。启发性运用专门知识与经验进行判断、推理和联想，而非单一的逻辑知识。透明性用户可以通过专家系统了解其知识内容和推理思路。灵活性专业知识与推理机构相互分离，系统可以不断接纳新的知识。2物联网工程应用-建筑人居物联网体系标准与协议架构19智能家居功能通过物联网技术实现家庭设备的智能控制，如智能照明、智能温控、智能安防等。应用场景家庭自动化、远程控制、能源管理等。智能酒店功能通过人脸识别或移动设备实现快速入住和退房，客房内的智能设备根据客人喜好自动调整设置。应用场景智能客房、智能服务机器人、智能能源管理等。智能办公环境功能通过预约系统自动调节会议室的照明、空调和投影设备，提高会议效率。应用场景智能会议室、环境监测、资产管理等。典型应用AIoT的应用智能酒店服务更多以智能终端与智能服务机器人服务住客，配以入住系统，智能导航与智能服务系统优化住客体验家居/酒店室内智能以传感设备感知居住环境，收集用户居住习惯数据，通过AIoT平台与边缘智能算法改善居住环境条件，并与用户习惯自适应和自匹配办公环境能耗管理以智能网关与智能电器为数据入口，利用AIoTPaaS平台实时监测能耗，并通过AI算法实现设备自动启闭，能源自主降耗2物联网工程应用–工业物联网体系标准与协议架构20设备管理功能通过传感器和机器学习技术建立设备故障预测模型，实现预测性维护。应用场景工业设备监控、故障诊断、维护管理等。能源管理功能基于机器学习的历史数据能耗分析，优化能源使用，实现节能环保。应用场景工业能耗监控、能源优化、用能风险预警等。工业视觉功能通过基于深度学习的视觉技术检测工件表面瑕疵、尺寸等参数，判断工件品质。应用场景产品表面瑕疵检测、尺寸检测、质量监控等。安全监控功能通过巡检机器人或监控系统对烟火、高温、特殊气体泄漏等进行实时监控和告警。应用场景工厂安全监控、危险区域监测、异常行为检测等。2物联网工程应用–城市物联网体系标准与协议架构21交通监管功能通过AI摄像头实现车辆信息识别、违规行为检测、驾驶员危险行为预警等。应用场景智能交通管理、电子停车收费、交通流量监控等。基础设施管理功能通过物联网技术实现基础设施网络的自动化运维，减少人工干预。