物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用(2)電子教案PPT

1、第2章物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)2.1概述 2.2感知層 2.3網(wǎng)絡(luò)層 2.4應(yīng)用層 2.5小結(jié)2.1 概述 2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景 物聯(lián)網(wǎng)是近年來的熱點，人人都在提物聯(lián)網(wǎng)，但物聯(lián)網(wǎng)到底是什么？究竟能做什么？本節(jié)將對幾種與普通用戶關(guān)系緊密的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進行介紹。 物聯(lián)網(wǎng)在我們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用豐富多彩 應(yīng)用場景一： 當你早上拿車鑰匙出門上班，在電腦旁待命的感應(yīng)器檢測到之后就會通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)自動發(fā)起一系列事件，比如通過短信或者喇叭自動播報今天的天氣，在電腦上顯示快捷通暢的開車路徑并估算路上所花時間，同時通過短信或者即時聊天工具告知你的同事你將馬上到達等。應(yīng)用場景二： 想象一下，聯(lián)網(wǎng)冰箱可以監(jiān)視冰箱里的食物，在

2、我們?nèi)コ械臅r候，家里的冰箱會告訴我們?nèi)鄙傩┦裁?，也會告訴我們食物什么時候過期。它還可以跟蹤常用的美食網(wǎng)站，為你收集食譜并在你的購物單里添加配料。這種冰箱知道你喜歡吃什么東西，依據(jù)的是你給每頓飯做出的評分。它可以照顧你的身體，因為它知道什么食物對你有好處。應(yīng)用場景三： 用戶開通了家庭安防業(yè)務(wù)，可以通過PC或手機等終端遠程查看家里的各種環(huán)境參數(shù)、安全狀態(tài)和視頻監(jiān)控圖像。當網(wǎng)絡(luò)接入速度較快時，用戶可以看到一個以三維立體圖像顯示的家庭實景圖，并且采用警示燈等方式顯示危險；用戶還可以通過鼠標拖動從不同的視角查看具體情況；在網(wǎng)絡(luò)接入速度較慢時，用戶可以通過一個文本和簡單的圖示觀察家庭安全狀態(tài)和危險信號。

3、 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用1、高速公路不停車收費系統(tǒng)ETC。ETC（Electronic Toll Collection,）是電子收費系統(tǒng)的簡稱，是指利用車輛自動識別技術(shù)，以射頻微波或紅外方式，通過路側(cè)車道控制系統(tǒng)的信號發(fā)射與接收裝置天線（RSU）和車載電子標簽(OBU)進行信息交換，在不需要司機和其他收費人員采取任何操作的情況下，自動完成收取道路通行費的系統(tǒng)。ETC系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工收費相比，實施ETC系統(tǒng)具有非常重要的意義。一是可使每車道的通行效率提高3到4倍，明顯改善收費站區(qū)車輛擁堵的現(xiàn)象，對緩解交通擁堵狀況起到積極現(xiàn)在的作用；二是對減少環(huán)境污染、節(jié)能減排貢獻顯著。據(jù)測算，采用ETC車道可減少排放二氧化碳

4、50%、一氧化碳70%；三是高速公路收費一卡通行，對全國高速公路交通一體化目標的實現(xiàn)具有重大意義。 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用2、基于RFID的手機錢包支付應(yīng)用。水費，電費，煤氣費等等從體系架構(gòu)角度可以將物聯(lián)網(wǎng)支持的業(yè)務(wù)應(yīng)用可分為3類：P13 （1）具備物理世界認知能力的應(yīng)用。（2）在網(wǎng)絡(luò)融合基礎(chǔ)上的泛在化應(yīng)用。（3）基于應(yīng)用目標的綜合信息服務(wù)應(yīng)用。 2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)需求分析 “物聯(lián)網(wǎng)”概念的問世，打破了之前的傳統(tǒng)思維。在“物聯(lián)網(wǎng)”時代，鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)就是物理世界和數(shù)字世界的融合。物聯(lián)網(wǎng)是為了打破地域限制，實現(xiàn)物物之間按需進行的信息獲取、傳遞、存儲、融合、使

5、用等服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備如下3個能力P13 ：全面感知、可靠傳遞、智能處理（1）全面感知：利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息，包括用戶位置、周邊環(huán)境、個體喜好、身體狀況、情緒、環(huán)境溫度、濕度，以及用戶業(yè)務(wù)感受、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等。（2）可靠傳遞：通過各種網(wǎng)絡(luò)融合、業(yè)務(wù)融合、終端融合、運營管理融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去。（3）智能處理：利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體進行實時智能化控制。物聯(lián)網(wǎng)的特性P131、可擴展性：要求網(wǎng)絡(luò)的性能不受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的影響：2、透明性：要求物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不依賴于特定的底層物理網(wǎng)絡(luò)。3、一致性：要求可以

6、跨越不同網(wǎng)絡(luò)的互操作性。4、可伸縮性：要求不會因為物聯(lián)網(wǎng)功能實體的失效導(dǎo)致應(yīng)用性能急劇劣化至少可獲得傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的性能。 2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu) 目前在業(yè)界物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)也大致被公認為有這三個層次P14，底層是用來感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，最上面則是內(nèi)容應(yīng)用層 。1感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官識別物體，采集信息。感知層包括條形碼、二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等，主要作用是識別物體，采集信息，與人體結(jié)構(gòu)中皮膚和五官的作用相似。2 網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞和大腦信息傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心和信息處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層

7、獲取的信息進行傳遞和處理，類似于人體結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)中樞和大腦。 3 應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會分工”與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)廣泛智能化。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)行業(yè)智能化，這類似于人的社會分工，最終構(gòu)成人類社會 。 2.2.1 感知層功能 及關(guān)鍵技術(shù)p16 一、 物聯(lián)網(wǎng)感知層解決的就是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題，包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)短距離傳輸。 P15二、感知層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括：P16。1、傳感器技術(shù)，2、RFID技術(shù)，3、二維碼技術(shù)，4、藍牙，5、紫蜂技術(shù)ZigBee傳感器技術(shù) 計算機類似于人的大腦，而僅有大腦而沒有感知外界信息的“五官”顯然是不夠的，計算機

8、也還需要它們的“五官”傳感器。通過人的五官感知外界的信息非常有限，要借助于電子設(shè)備（也就是傳感器）的幫助。如觸覺溫度范圍及溫度的微小變化：-4060度 ，24-25水溫的感知。什么是傳感器？P16 是一種檢測裝置，能感受到被測的信息，并能將檢測感受到的信息按一定規(guī)律變換成電信號或其它所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、顯示、記錄、控制。也就是物聯(lián)網(wǎng)對事物感知和檢測功能的設(shè)備。 傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它是物聯(lián)網(wǎng)中不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要方法 傳感器功能：傳輸 處理存儲 顯示記錄 控制 傳感器分類依據(jù)：p161、比較常見的是按傳感器的物理量、工作原

9、理、輸出信號的性質(zhì) 這3種方式來分類.2、物聯(lián)網(wǎng)上都是按信息處理功能，可分為智能傳感器：智能傳感器帶有微處理器，本身具有采集、處理、交換信息的能力，具備數(shù)據(jù)精度高、高可靠性與高穩(wěn)定性、高信噪比與高分辨力、強自適應(yīng)性、低價格性能比等特點。一般傳感器：一般傳感器采集的信息需要計算機進行處理。RFID技術(shù)P16 1、RFID是射頻識別（Radio Frequency Identification）的英文縮寫，是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)，它利用射頻信號通過空間電磁耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實現(xiàn)物體識別。既可看做是一種設(shè)備標識技術(shù)，也可看做是一種短距離傳輸技術(shù)。2、 RF

10、ID是一種能夠讓物品“開口說話”的技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)感知層的一個關(guān)鍵技術(shù)。3、在對物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想中，RFID標簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，通過有線或無線的方式把它們自動采集到中央信息系統(tǒng)，實現(xiàn)物品（商品）的識別，進而通過開放式的計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交換和共享，實現(xiàn)對物品的“透明”管理。 RFID系統(tǒng)的組成：P171、電子標簽（Tag） ：用于存儲識別物品的標識信息2、讀寫器（Reader） ：將存儲區(qū)中的標識信息寫入或讀出。3、天線（Antenna）：發(fā)射或接收射頻信號。 RFID技術(shù)的工作原理：P171、電子標簽進入讀寫器產(chǎn)生的磁場后，讀寫器發(fā)出射頻信號 2、憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存

11、儲在芯片中的產(chǎn)品信息（無源標簽或被動標簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（有源標簽或主動標簽） 3、讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。 二維碼技術(shù) P17 二維碼也叫二維條碼或二維條形碼，是用某種特定的幾何形體按一定規(guī)律在平面上分布（黑白相間）的圖形來記錄信息的應(yīng)用技術(shù)技術(shù)原理：P17二維碼在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計算機內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”和“1”比特流的概念，使用若干與二進制相對應(yīng)的幾何形體來表示數(shù)值信息，并通過圖像輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動識讀以實現(xiàn)信息的自動處理。 二維碼的優(yōu)勢：P171、數(shù)據(jù)容量更大2、二維碼能在橫向和縱向兩個方位同時表達信息3、超越了字母數(shù)字的

12、限制4、具有抗損毀能力5、二維碼還可以引入保密措施，其保密性較一維碼要強很多。 二維碼的特點：P18（1）高密度編碼，信息容量大：可容納多達1850個大寫字母或2710個數(shù)字或1108個字節(jié)或500多個漢字，比普通條碼信息容量約高幾十倍。（2）編碼范圍廣：二維碼可以把圖片、聲音、文字、簽字、指紋等可以數(shù)字化的信息進行編碼，并用條碼表示。 （3）容錯能力強，具有糾錯功能：二維碼因穿孔、污損等引起局部損壞時，甚至損壞面積達50%時，仍可以正確得到識讀。 （4）譯碼可靠性高：比普通條碼譯碼錯誤率百萬分之二要低得多，誤碼率不超過千萬分之一。（5）可引入加密措施：保密性、防偽性好。（6）成本低，易制作，

13、持久耐用。（7）條碼符號形狀、尺寸大小比例可變。（8）二維碼可以使用激光或CCD攝像設(shè)備識讀，十分方便。 ZigBee技術(shù) ZigBee（紫蜂技術(shù)）來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，密蜂通過跳ZIGZAG開頭的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)新食物源的位置、距離和方向等信息，是一種簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通。P81-82是一種短距離、低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的無線通信技術(shù)，是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)，它是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。P18 ZigBee采用分組交換和跳頻技術(shù)，并且可使用3個頻段，分別是2.4GHz 的公共通用頻段、歐洲的868MHz頻段和美國的915MH

14、z頻段。P18 ZigBee技術(shù)應(yīng)用：短距離范圍數(shù)據(jù)傳輸率不高的各種電子設(shè)備之間。ZigBee技術(shù)技術(shù)特點：18-19數(shù)據(jù)傳輸速率低：10-250kbit/s低功耗:只有激活與睡眠2種狀態(tài)成本低 網(wǎng)絡(luò)容量大：可以與254臺設(shè)備相連接。支持星形、網(wǎng)狀、簇形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效范圍?。?0-75M 工作頻段靈活可靠性高 ：數(shù)據(jù)發(fā)送時無競爭沖突、節(jié)點間自動動態(tài)組網(wǎng)、自動路由方式傳輸 時延短安全性高：AES加密算法ZIGBEE目前主要市場應(yīng)用P191、PC外設(shè)：鼠標、鍵盤、游戲操控桿，2、消費類電子設(shè)備上的遙控裝置3、家庭內(nèi)智能控制：照明煤氣計量控制及報警4、玩具：電子寵物5、醫(yī)護：監(jiān)視器和傳感器6、工控：監(jiān)

15、視器、傳感器和自動控制設(shè)備ZIGBEE在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用基于zIGBEE的無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備能力強、傳輸速率低、設(shè)備體積小、省電、網(wǎng)絡(luò)自愈能力強特點，廣泛應(yīng)用在家庭自動化、無線位、工業(yè)控制、醫(yī)療控制等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。藍牙P88 藍牙技術(shù)實際上是一種短距離無線通信技術(shù)，能夠有效地簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話等移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬了道路。 P19 藍牙（Bluetooth）是一種無線數(shù)據(jù)與話音通信的開放性全球規(guī)范，和ZigBee一樣，是一種短距離的無線傳輸技術(shù)。其實

16、質(zhì)是為固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的短距離無線接口，將通信技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合起來。是各種設(shè)備在無電線或電纜相互連接的情況下能在短距離范圍內(nèi)實現(xiàn)相互通信或操作的一種技術(shù)。 藍牙的技術(shù)特點：（1）同時可傳輸話音和數(shù)據(jù)（2）可以建立臨時性的對等連接（Ad hoc Connection)（3）開放的接口標準主要技術(shù)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)P90藍牙的應(yīng)用：P19是一種電纜替代技術(shù)1、話音/數(shù)據(jù)接入2、外圍設(shè)備互連3、個人局域網(wǎng)（PAN） P91藍牙核心協(xié)議1、基帶協(xié)議：為兩個或多個藍牙單元之間建立物理射頻連接。同步藍牙設(shè)備的跳頻頻點和時鐘，對所有類型的包提供不同層次的差錯校驗和數(shù)據(jù)加密。2、鏈路管

17、理協(xié)議：管理基帶層內(nèi)主從網(wǎng)絡(luò)的運行，負責(zé)兩個或多個設(shè)備之間的鏈路設(shè)置和控制，包括傳遞驗證和加密，管理鏈路密鑰。3、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議：位于基帶協(xié)議之上，為低層的數(shù)據(jù)服務(wù)，向上層提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務(wù)，具有協(xié)議的復(fù)用能力、分組的分割與重組以及服務(wù)質(zhì)量的傳遞。4、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議：是所有用戶模式的基礎(chǔ)，可以查詢到設(shè)備和服務(wù)類型，從而在藍牙設(shè)備間建立相應(yīng)的連接。 2.3.1 網(wǎng)絡(luò)層功能 網(wǎng)絡(luò)層主要承擔著數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ躊201、實現(xiàn)無障礙高可靠性高安全性數(shù)據(jù)傳輸2、要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行融合擴展,承擔比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更大的數(shù)據(jù)量和現(xiàn)高的服務(wù)質(zhì)量,實現(xiàn)更加廣泛和高效的互聯(lián). 2.3.1 網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)P2

18、0 1、Internet2、移動通信網(wǎng)3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)InternetP20-211、物聯(lián)網(wǎng)也被認為是Internet的進一步延伸。2、是物聯(lián)網(wǎng)主要的傳輸網(wǎng)絡(luò)之一,要適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)量和多終端的要求:IPv4-IPv63、Internet將作為物聯(lián)網(wǎng)主要的傳輸網(wǎng)絡(luò)之一，它將使物聯(lián)網(wǎng)無所不在、無處不在地深入社會每個角落。 移動通信網(wǎng)P211、移動通信網(wǎng)由無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)三部分組成。2、移動通信網(wǎng)為人與人之間通信、人與網(wǎng)絡(luò)之間的通信、物與物之間的通信提供服務(wù)。 3、在移動通信網(wǎng)中，當前比較熱門的接入技術(shù)有：（1）3G：CDMA、cdma2000、WCDMA、TD-SCDMA、LTE（2

19、）Wi-Fi：Wi-Fi:無線保真技術(shù)，幾百米，實現(xiàn)便攜式設(shè)備在局部區(qū)域內(nèi)的高速無線連接或接入局域網(wǎng)。（3）WiMAX全球微波接入互操作性，城域網(wǎng)無線接入技術(shù)，實現(xiàn)遠距離傳輸。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）1、基本功能：P21是將一系列空間分散的傳感器單元通過自組織的無線網(wǎng)絡(luò)進行連接，從而將各自采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸匯總，以實現(xiàn)對空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控，并根據(jù)這些信息進行相應(yīng)的分析和處理。2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），貫穿物聯(lián)網(wǎng)的3個層面，主要側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)傳輸層面。213、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點：P22（1）節(jié)點數(shù)目更為龐大（上千甚至上萬），節(jié)點分布更為密集（2）由于環(huán)境影響

20、和存在能量耗盡問題，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障（3）環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化（4）通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的（5）傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限 2.4.1 應(yīng)用層功能 P22 是把感知和傳輸來的信息進行分析和處理，做出正確的控制和決策，實現(xiàn)智能化的管理、應(yīng)用和服務(wù)。解決的是信息處理和人機界面的問題。 2.4.2 應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)P23-24 1、M2M2、云計算3、人工智能4、數(shù)據(jù)挖掘5、中間件1、M2M是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)普遍的應(yīng)用形式，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的第一步。 實現(xiàn)對機器設(shè)備信息的自動獲取和自動控制。2、M2M將多種不同類型的通信技術(shù)有機地結(jié)合在一起，將數(shù)據(jù)從一臺終端傳送到另一臺終端，也就是機器與機器的對話。3、M2M技術(shù)的目標就是使所有機器設(shè)備都具備聯(lián)網(wǎng)和通信能力，其核心理念就是網(wǎng)絡(luò)一切（Network Everything）。 M2MP23根據(jù)不同場景代表Machine-to-Machine ：機器對機器Man-to-Machine：人對機器Machine-to-Man：機器對人Mobile-to-Machine：移動網(wǎng)絡(luò)對機器Machine-to-Mobile：機器對移動網(wǎng)絡(luò)云計算P23-241、云計算（Cloud Computing）是分布式計