物联网技术与应用-体系架构

1、、物联网架构、朱淑真、2.1.1物联网的应用前景、物联网是近年来的热点，谁都提取出物联网，而物联网是什么？ 到底能做什么？ 本节介绍几个与普通用户密切相关的物联网应用程序。 应用场景1 :早上拿着车钥匙上班，在电脑旁边等待的传感器被检测出后，通过互联网自动发生一系列的事件。 例如，通过邮件和扬声器自动广播今天的天气，在电脑上显示快速顺畅的汽车路线，来估计路上所花的时间。 同时，用邮件或即时聊天通知同事你马上就到。 应用场面2 :网络冰箱也是最常见的物品之一。 请想象一下。 网冰箱可以监视冰箱里的食物，去超市的时候，会告诉我家冰箱缺少什么，食物什么时候过期。 另外，还可以跟踪常用的美食网站，收集

2、食谱，向购物清单中追加原料。 我知道这个冰箱你喜欢吃什么，以每次对食物的评价为基础。 我可以照顾身体。 因为我知道什么好。 2.1.1物联网的应用前景，右图以物联网在我们日常生活中的应用为形象。 图中只是物联网应用程序的一部分，实际的物联网应用程序更加丰富多彩，人们期待着一个接一个地开发实现。 目前，已经有很多物网络的应用。 例如已经投入飞行员运营的高速公路不间断收费系统(ETC )、基于RFID的手机钱包的收费化等。 各种感知节点传到中国后，通过一个即使坐在家里也能感知黄果树瀑布的流速和水量大小的物品网络，你喜欢的大楼的噪音状况、甲醛是否超过了标准等，生活方式有很多意想不到的变化不仅是大家的

3、日常生活，物联网的应用也波及智能交通、公共安全等多个领域，一定有着巨大的市场。 2.1.2物联网需求分析，物联网的本质是物理世界和数字世界的融合。 物联网是打破地域限制，实现物之间根据需要的信息的取得、传递、积蓄、融合、使用等服务的网络。 因此，物联网应该有以下三种能力。 (1)全面感知：利用RFID、传感器、二维码等，随时随地获取物体信息，包括用户位置、周围环境、个人喜好、身体状况、情绪、环境温度、湿度、用户工作感觉、网络状态等。 (2)可靠的传递：通过各种网络融合、业务融合、终端融合、运营管理融合，实时准确地传递物体信息。 (3)智能处理：利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，分析和处理

4、大量数据和信息，对物体进行实时智能控制。 2.1.3物联网架构，物联网的特点是感知、互联和智能的叠加。 因此，物体网络通过由二维码、RFID、以传感器为中心实现“物体”识别的感觉部分这三个部分构成的传输网络，即通过现有的因特网、广域网、通信网络等来实现数据的传输利用云计算、数据挖掘、中间件等技术，实现物品的自动控制和智能管理等。 目前，业界的物质网络架构也有这三个层次。 下层是用于感知数据的感知层，下层是用于数据传输的网络层，顶层是内容应用层，如下图所示。 因此，以下分别从三个层次进行说明。 在2.1.3物联网架构、2.1.3物联网架构、物联网架构中，感知层可理解为相当于人体皮肤和五感的网络层

5、相当于人体的神经中枢和脑的应用层相当于人的社会分工。 知觉层通过物质网络的皮肤和五感来识别物体，并收集信息。 感知层由二维码标签和读取器、RFID标签和读取器、相机、GPS等构成，起到识别物体、收集信息的作用。 网络层是物质网络的神经中枢和大脑的信息传递和处理。网络层包括通信和互联网融合的网络、网络管理中心和信息处理中心等. 网络层传递和处理感知层取得的信息。 应用层将物联网的“社会分工”和行业需求结合起来，实现广泛的智能化。 应用层是物质网络与行业专业技术的深入融合，结合行业需要，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。 2.2感知层、物网络和传统网络的主要区别在于物网络扩大

6、了传统网络的通信范围。 也就是说，物联网不仅扩展到人与人之间的通信，还扩展到人与物、物与物之间的通信。 在物联网的具体实现过程中，如何完成对物的感觉这一重要部分？ 物联网感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题，包括各种物理量、标志、音频、视频数据。 感知层位于三层结构的最下层，是物联网的发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。 作为物网络的最基本层，感知层具有非常重要的作用。 感测层通常包括两部分，数据收集和数据短距离传输。 即，首先，用传感器、摄像机等设备收集外部的物理世界的数据，通过蓝牙、红外线、ZigBee、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术合作，或将数据传输给网关设

7、备。 仅传输数据的短距离的部分，特别是仅传输物品的识别码的情况下也是可能的。 2.2感测层、感测层的关键技术：传感器技术物品识别技术： RFID技术二维码技术短距离无线传输技术： ZigBeebluetooth(bluetooth )，2.2感测层-传感器技术，传感器是一个传感器，能够感测到测量的信息， 能够以一定规则将感测到的信息转换为电信号或其他必要形式的信息并输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 这是实现自动检测和自动控制的主要环节。 在物联网系统中，进行各种参数信息采集和简单加工处理的设备被称为物联网传感器。 传感器可以独立存在，也可以与其他设备一体地表现，但无

8、论什么方法，都是物体网络的感觉和输入部分。 在未来的物体网络中，传感器及其构成的传感器网络在数据收集的前端起着重要的作用。 根据是否具有信息处理功能，传感器可分为一般传感器和智能传感器。 一般传感器收集的信息，计算机需要处理，智能传感器有微处理器，其本身有收集、处理、交换信息的能力，数据精度高，可靠性高，稳定性高，信噪比和分辨率高，适应性高，可2.2感测层-RFID技术，RFID是射频识别的缩写，是始于1990年代的自动识别技术，利用射频信号，通过空间电磁耦合，通过非接触信息的传输和传输的信息来实现物体识别。 RFID系统主要由电子标签、读写器和天线三部分组成。 所述电子标签芯片具有存储识别对

9、象的物品的识别信息的数据存储区域的读写器，将确定的格式的识别对象物的识别信息写入电子标签的存储区域(写入功能)，或者以非接触方式读取在读写器的读取范围内保存在电子标签内的信息(读出功能) 天线用于射频信号的发送和接收，并且通常内置在电子标签和读写器中。 在RFID技术的结构中，当电子标签进入读写器产生的磁场时，读写器发送的射频信号以通过感应电流得到的能量发送芯片中积蓄的产品信息(无源标签或无源标签)，或积极发送某频率的信号(有源标签或有源标签)广泛的应用领域：物流和供应链管理、出入防盗系统、道路自动收费、航空行李处理、文件跟踪/图书馆管理、电子支付、生产制造和组装、物品监视、汽车监视、动物身份

10、标志等，2.2感知层-二维码技术、二维码(2- dimensional barc 最被称为二维码或二维条形码，是以一定规则在平面上分布某几个特定物体(黑白相间)的图形来记录信息的应用技术。 根据技术原理，二维码在代码制作上巧妙地利用构成计算机内部的逻辑基础的“0”和“1”的位流的概念，使用与几个二进制对应的几个体来表示数值信息，通过图像输入装置和光扫描装置自动地读取，来实现信息的自动处理。 2.2感知层、二维码的特征是：(1)高密度码，信息容量大：可容纳1850字以上的大写字母和节、500字以上的汉字，比普通条形码的信息容量高数十倍左右。 (2)码范围宽：二维码可以将图像、声音、文字、签名、指

11、纹等能够数字化的信息进行编码，用码表示。 (3)耐故障性强，具有纠错功能：二维码穿孔、污损等局部破损时，甚至破损面积达到50%时，也能正确读取。 (4)解码的可靠性高：比普通条形码的解码错误率百万分之二低得多，错误率不超过千万分之一。 (5)可以引入加密措施：机密性、防伪性好。 (6)低成本、容易制作、耐用。 (7)码符号的形状、大小的比例可变。 (8)二维码可以用激光和CCD摄像装置辨认，很方便。 与RFID相比，二维码的最大优点是成本低，一条二维码的成本只有几美分，而RFID标签的芯片成本高，所以制造过程复杂，价格高。 2.2感知层ZigBee、ZigBee是短距离、低功耗的无线传输技术，

12、是介于无线标签技术和蓝牙之间的技术，是IEEE802.15.4协议的代名词。 ZigBee的名字来源于蜜蜂使用的依赖生存和发展的通信方式，蜜蜂通过飞翔和“嗡嗡”振动翅膀，和伙伴传递新发现的食物源的位置、距离和方向等信息，即蜜蜂以这种方式构成了集团中的通信网络。 ZigBee采用分组交换和跳频技术，可以使用2.4GHz的公共频带、欧洲868MHz频带和美国915MHz频带三个频带。 ZigBee主要在近距离范围内，在数据传输速度不高的各种电子设备之间使用。 ZigBee比蓝牙简单，速度慢，电力和费用也低。 同时，由于ZigBee技术具有低速率和小通信范围的特点，还决定了ZigBee技术仅适用于数

13、据通信量小的业务。 其目标市场主要有PC外围设备(鼠标、键盘、游戏操纵杆)、消费类电子设备(电视、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置)、家庭智能控制(照明、气体测量控制和警报等)、玩具(电子宠物)、医疗(监视器和传感器)、劳动控制(2.2感知层、ZigBee技术主要包括以下特征： (1)数据传输速率低。 仅10250kbit/s就集中在低传输应用程序上。 (2)低功耗。 ZigBee设备只有激活和睡眠两种状态，在ZigBee网络中，通信周期的次数非常少，动作周期短，因此一般使用2节普通的5号干电池可以使用6个月以上。 (3)低成本。 ZigBee由于数据传输速率低、协议简单，大大降低了成本

14、。 (4)网络容量大。 ZigBee支持星型、群集型和网格型网络结构，每个ZigBee网络最多可以支持255台设备。 也就是说，每个ZigBee设备可以连接到其他254台设备。 (5)有效范围小。 有效传输距离1075m基本上可根据实际发射功率的大小和各种应用模式而复盖普通家庭和办公室环境。 (6)工作带宽灵活。所使用的频带分别为2.4GHz、868MHz (欧洲)和915MHz (美国)，均为免许可带宽。 (7)可靠性高。 采用冲突避免机制，同时为要求固定带宽的通信业务预留专用时隙，并在数据传输时的竞争和避免冲突的节点模块之间自动建立动态网络，信息在整个ZigBee网络上自动路由和转发，接收

15、信息传输(8)时间很短。 ZigBee已优化为时延敏感的应用程序，且从通信时延和休眠状态激活的时延非常短。 (9)安全性高。 ZigBee提供数据完整性检查和认证功能，并采用AES-128加密算法，允许基于特定应用灵活地确定安全属性。 2.2感测层蓝牙、蓝牙(Bluetooth )是开放的无线数据和语音通信的全局标准，与ZigBee同样，也是短距离的无线传输技术。 其本质内容是在固定设备和移动设备之间的通信环境中建立共同的短距离无线接口，进一步结合通信技术和计算机技术，在各种设备用无线或电缆相互连接的情况下，能够在短距离范围内实现相互通信和操作的技术。 蓝牙采用了诸如高速跳频和时分多址(TDM

16、A )之类的先进技术，支持点到点多点通信。并且可以实现多点通信，也可以实现多点通信。 其传输带宽是世界通用的2.4GHz带宽，提供1Mbit/s的传输速度和10m的传输距离，并且采用时分双工传输方案可以实现全双工传输。 蓝牙与ZigBee一样，除了可以在世界上应用、具有功耗低、成本低、抗干扰性强等特征外，还具有很多特征。 (1)可以同时传输声音和数据。 蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道、异步数据和同步声音同时传输的信道。 (2)可以建立临时对等连接(ad-hoc连接)。 (3)开放的接口标准。 为了推进蓝牙技术的使用，蓝牙技术联盟(蓝牙SIG )公布了蓝牙的所有技

17、术标准，世界上所有部门和个人都可以进行蓝牙产品的开发，最终实现了蓝牙SIG的蓝牙2.3网络层、物质网络层是在现有网络的基础上构建的，它主要承担数据传输的功能，尤其是三网融合后，与目前主流的移动通信网、国际互联网、企业内部网、各种专业网等网络一样。 在物联网中，要求网络层能以无屏障、高可靠性、高安全性传送感知层感知到的数据，解决了感知层得到的数据在一定范围内，特别是远距离传送的问题。 同时，物联网层负担比现有网络更大的数据量和更高的服务质量要求，因此现有网络不能满足物联网的需要。 也就是说，物联网必须融合和扩展现有网络，利用新技术实现更广泛、更有效的互连功能。 由于广域通信网络缺乏初始物联网的发展，初始物联网的应用在展开范围、应用领域等多方面都有限制，终端之间以及终端与后台软件之间的合作很困难。 随着物体网络的发展，有必要建立端到端的全球网络。 2.3网络层是建立在物质网络层或现有网络(如互联网或移动通信网)上的，因此，当前网络层除了具有相对成熟的例如远距离有线、无线通信技术和网络技术外，为了实现“物理连接”的需要综合使用Wi-Fi等通信技术，实现有线与无线的耦合、宽带与窄带的耦合、感知网与通信网的耦合。 同时，网络层的感知数据管理和处理技术是实现以数据为中心的物理网络的核心技术。感知数据管理和处理技术包括基于物