物聯(lián)網(wǎng)的能效管理和智能控制技術課件

1、物聯(lián)網(wǎng)技術導論第七章 物聯(lián)網(wǎng)的能效管理和智能控制技術第七章 物聯(lián)網(wǎng)的能效管理和智能控制技術 7.17.2物聯(lián)網(wǎng)能效管理技術 物聯(lián)網(wǎng)智能控制和調度技術 物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫 7.37.1 物聯(lián)網(wǎng)能效管理技術 7.1.17.1.2物聯(lián)網(wǎng)低能耗管理技術 物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)中的節(jié)能技術 物聯(lián)網(wǎng)中的新型能源供給方式 7.1.3使用物聯(lián)網(wǎng)技術進行能效管理是由ZigBee的特點決定的：(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且簡化功能器件采用了休眠模式，不工作時都可以進入睡眠模式。(2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求(3)低速率、短延時。Zigbee的最大通信速

2、率達到250 kbs(工作在24 GHz時)，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。(4)近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到13 km。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。(5)高可靠性和高安全性。Zigbee還提供了3級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準的對稱密碼。(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療頻段。7.1.1物聯(lián)網(wǎng)低能耗管理技術 根據(jù)網(wǎng)絡類型的不同，物聯(lián)網(wǎng)的低能耗設計技術可以分為有線網(wǎng)絡的低功耗設計和無線網(wǎng)絡的低功耗設計。在實際網(wǎng)絡設計過程中，主要是從設備的選型上

3、，對物聯(lián)網(wǎng)的功耗進行改善。 1從物聯(lián)網(wǎng)的軟件方面考慮，我們可以采用虛擬化技術來有效地整合網(wǎng)絡資源，并實現(xiàn)資源共享。因此，對服務器、存儲設備等物聯(lián)網(wǎng)設備進行虛擬化，可以有效降低這些物理設備的使用，從而大大降低網(wǎng)絡中不必要的電路能量損耗。例如，利用VMware虛擬技術可提升單個服務器的平均利用率，進而減少對設備數(shù)量及設備占地面積的要求，將人力、建筑面積、制冷設備等方面的開支降到最低，達到節(jié)能的目的。27.1.1物聯(lián)網(wǎng)低能耗管理技術 7.1 物聯(lián)網(wǎng)能效管理技術 7.1.17.1.2物聯(lián)網(wǎng)低能耗管理技術 物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)中的節(jié)能技術 物聯(lián)網(wǎng)中的新型能源供給方式 7.1.37.1.2物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)

4、中的節(jié)能技術 在物聯(lián)網(wǎng)中，降低硬件設備本身的能耗是節(jié)能的主要手段。對于物聯(lián)網(wǎng)硬件設備而言，主要是考慮降低電路內部的冗余能量消耗。其具體實施手段包括選擇適當?shù)木w管大小，選擇低功耗的器件、采用多閾值電壓、采用動態(tài)電壓縮放技術和冗余部件關閉技術等。17.1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)設備的功耗組成7.1.2物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)中的節(jié)能技術 物聯(lián)網(wǎng)設備中的硬件功耗主要包括以下三個部分： （1）動態(tài)功耗，用Pd來表示； （2）靜態(tài)功耗，用Ps來表示； （3）短路功耗，用Psc來表示。短路功耗一般都很小，是可以忽略的。 P=Pd+Ps+Psc=Pd+Ps=CNV2f+VIleak27.1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)設備的功耗組成

5、7.1.2物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)中的節(jié)能技術 處理器的功耗是任何一個嵌入式設備在設計過程中都必須重點考慮的，對于由傳感器節(jié)點、射頻標簽讀寫器、移動通信裝置等嵌入式設備組成的物聯(lián)網(wǎng)，其處理器模塊的功耗至關重要。37.1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)設備中處理器模塊的低功耗設計7.1.2物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)中的節(jié)能技術 按照工作模式劃分，目前嵌入式設備的處理器主要包括工作模式、空閑模式、監(jiān)聽模式和睡眠模式等幾種，它們的功耗情況如圖7.1。為了降低處理器模塊的能耗，我們總是希望物聯(lián)網(wǎng)設備能夠盡可能進入睡眠模式，以節(jié)約能量。 47.1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)設備中處理器模塊的低功耗設計7.1.2物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)中的節(jié)能技術 5

6、7.1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)設備中處理器模塊的低功耗設計圖7.1 不同狀態(tài)下的處理器功耗示意圖7.1.2物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)中的節(jié)能技術 我們可以通過兩種方式來降低物聯(lián)網(wǎng)處理器設備的功耗，即降低處理器的工作電壓以及降低處理器的時鐘頻率。這里最為典型的就是動態(tài)電壓調節(jié)技術（Dynamic Voltage Scaling，DVS）。 67.1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)設備中處理器模塊的低功耗設計7.1.2物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)中的節(jié)能技術 77.1.2.2 物聯(lián)網(wǎng)設備中處理器模塊的低功耗設計圖7.2 動態(tài)電壓調度策略DVS的工作原理：當計算負載較低時，通過降低微處理器的工作電壓和頻率從而降低其處理能力，可以節(jié)約微處理器

7、的功耗。物聯(lián)網(wǎng)設備中的嵌入式軟件低功耗設計在軟件設計層面，一般從編譯器、操作系統(tǒng)和應用程序三個方面展開DPM（Dynamic Power Management,動態(tài)功率管理）技術。工作原理:當物聯(lián)網(wǎng)感知設備周圍沒有感興趣的事件發(fā)生時，對相關度較小的模塊置空閑狀態(tài)，根據(jù)管理功耗管理策略關閉這部分模塊或強制進入休眠模式。根據(jù)任務隊列中的資源需求情況，管理策略動態(tài)調整資源分配順序，適當適時喚醒相關模塊，根據(jù)需求動態(tài)調整運算部件的功耗模式等。7.1 物聯(lián)網(wǎng)能效管理技術 7.1.17.1.2物聯(lián)網(wǎng)低能耗管理技術 物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)中的節(jié)能技術 物聯(lián)網(wǎng)中的新型能源供給方式 7.1.37.1.3物聯(lián)網(wǎng)中的新

8、型能源供給方式 太陽能供電技術是利用光生伏特效應（簡稱光伏效應，也可以稱為光生電動勢效應），將太陽光的輻射能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N供電技術。在物聯(lián)網(wǎng)中，其主要應用是太陽能電池。17.1.3.1 太陽能供電技術7.1.3物聯(lián)網(wǎng)中的新型能源供給方式 物聯(lián)網(wǎng)設備可以使用的太陽能電池主要包括：硅太陽能電池、無機鹽多元化合物電池、納米晶太陽能電池等。由于諸如傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、射頻標簽讀寫器、移動通信裝置等物聯(lián)網(wǎng)設備的能耗往往十分巨大，因此，在這些設備上使用太陽能電池時，通常還需要配置相應的蓄電池，將太陽能電池中的能量存儲在蓄電池中，用蓄電池對這些物聯(lián)網(wǎng)設備進行持續(xù)供電。一個典型的利用太陽能方式供電的物聯(lián)網(wǎng)設

9、備結構如圖7.5。27.1.3.1 太陽能供電技術7.1.2物聯(lián)網(wǎng)硬件設備開發(fā)中的節(jié)能技術 37.1.3.1 太陽能供電技術圖7.5 利用太陽能供電的物聯(lián)網(wǎng)設備7.1.3物聯(lián)網(wǎng)中的新型能源供給方式 溫差供能技術是將熱能轉化為電能的技術，溫差供能技術也可應用在外界溫差非常微小的情況下，在全球氣候變暖的下，某些區(qū)域在特定時段具有較大的溫差變化，而且單位時間溫差梯度較大。因此，我們完全可以利用這些特性，為物聯(lián)網(wǎng)設備實現(xiàn)溫差供能。這里重點介紹最為典型的一種溫差供能技術半導體溫差供電技術。17.1.3.2 溫差供電技術7.1.3物聯(lián)網(wǎng)中的新型能源供給方式 半導體溫差供電器主要由半導體溫差發(fā)電模塊和控制器

10、兩部分組成。半導體溫差發(fā)電模塊將熱能轉化為電能，并通過充電電路將電能儲存在蓄電池中，利用蓄電池對外部模塊供電。7.1.3.2 溫差供電技術27.1.3物聯(lián)網(wǎng)中的新型能源供給方式 聲能供電技術主要分為壓電式聲能發(fā)電技術和電磁式聲能發(fā)電技術兩種，前者采用壓電材料作為換能元件，后者應用電磁感應方法來實現(xiàn)聲能向電能的轉換。7.1.3.3 聲能供電技術17.1.3物聯(lián)網(wǎng)中的新型能源供給方式 此外，科學家發(fā)現(xiàn)人造鈮酸鋰具有在高頻高溫下將聲能轉化成電能的特殊功能，當聲波遇到這類材料構成的屏障時，聲能會轉化為電能。英國的學者就是根據(jù)這一原理設計制造了鼓膜式聲波接收器，將接收器與能夠增大聲能、集聚能量的共鳴器連

11、接，以增強聲的聚集能力。當來自共鳴器的聲能作用于聲能轉換器時，將產(chǎn)生電能。有研究發(fā)現(xiàn)，當噴氣飛機的噪聲達到160分貝時，其發(fā)電功率可達10千瓦；在一些鋼鐵廠的車間中，可利用煉鋼車間里巨大的噪音為設備進行供能。同樣，生活中的噪聲源是非常豐富的，如果能夠使得物聯(lián)網(wǎng)設備將這些噪聲充分利用，變廢為寶，將使生活更加美好14。27.1.3.3 聲能供電技術第七章 物聯(lián)網(wǎng)的能效管理和智能控制技術 7.17.2物聯(lián)網(wǎng)能效管理技術 物聯(lián)網(wǎng)智能控制和調度技術 物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫 7.37.2 物聯(lián)網(wǎng)智能控制和調度技術 7.2.17.2.2多類型媒體信息處理技術 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能人機交互技術 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下

12、的智能控制技術與系統(tǒng) 7.2.37.2.1多類型媒體信息處理技術 物聯(lián)網(wǎng)中的媒體信息處理技術將發(fā)揮重要作用，具體表現(xiàn)在：1 降低了物聯(lián)網(wǎng)的整體能量消耗2 提高了信息采集的準確性3 提高了數(shù)據(jù)采集的效率17.2.1多類型媒體信息處理技術 物聯(lián)網(wǎng)內的數(shù)據(jù)傳輸一般采取網(wǎng)內協(xié)作的方式來實現(xiàn)，以各種成熟的接入技術為基礎，自MAC層以上，通過多模式接入、自組織的路由尋址方式、傳輸控制、擁塞避免等技術實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備間的協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸。在傳輸數(shù)據(jù)的同時對數(shù)據(jù)進行處理，使得傳輸與融合并行執(zhí)行。數(shù)據(jù)在由采集終端到用戶終端的傳輸過程中，完成了復雜的信息處理流程，而具體的信息處理方法則會根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)下的不同應用需求進行設

13、計和實現(xiàn)。27.2.1多類型媒體信息處理技術 物聯(lián)網(wǎng)內協(xié)作模式下的信息處理以網(wǎng)內設備的協(xié)作互助為基本方式，解決物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸問題，通過協(xié)作模式補償物聯(lián)網(wǎng)設備能力和能量受限的問題。目前，對于信息處理技術的研究從技術手段上來看可分為兩個陣營，即空間策略的信息處理和時間策略的信息處理。37.2.1多類型媒體信息處理技術 1 基于空間策略的信息處理技術在復雜多變的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，如何選擇適合信息處理的最佳傳輸路徑，數(shù)據(jù)流相遇時是否應該進行融合處理，不同的拓撲結構中如何選擇最優(yōu)處理點等問題，是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的空間策略所需要解決的主要問題。 47.2.1多類型媒體信息處理技術 2. 基于時間策略的信息處理

14、技術數(shù)據(jù)處理的時機決定了物聯(lián)網(wǎng)中的中下游節(jié)點傳來數(shù)據(jù)的最優(yōu)時機，以及對本地數(shù)據(jù)、轉發(fā)數(shù)據(jù)、合并數(shù)據(jù)的發(fā)送需要等待時間的長短等。關于處理時機的選擇，有很多種方案。研究人員提出最多的是周期性處理時機控制方法，即物聯(lián)網(wǎng)設備等待一個規(guī)定的固定長度的時間，對已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，然后向下一跳發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)包。包括：周期性簡單數(shù)據(jù)處理時機模型、周期性逐跳數(shù)據(jù)處理時機模型及周期性逐跳調整數(shù)據(jù)處理時機模型。57.2.1多類型媒體信息處理技術 1） 周期性簡單數(shù)據(jù)處理時機模型一段時間后處理。2） 周期性逐跳數(shù)據(jù)處理時機模型所有子設備收到后處理，一個周期。3） 周期性逐跳調整數(shù)據(jù)處理時機模型根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設

15、備在網(wǎng)絡中的位置確定數(shù)據(jù)處理的時機。與前兩種模型相比，該模型在保證數(shù)據(jù)準確性及時延的情況下，可以使所有設備采集的數(shù)據(jù)在沿著指定的路徑回傳時，最大程度地完成處理任務，有效節(jié)省傳感器網(wǎng)絡的能量。 67.2 物聯(lián)網(wǎng)智能控制和調度技術 7.2.17.2.2多類型媒體信息處理技術 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能人機交互技術 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能控制技術與系統(tǒng) 7.2.37.2.2物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能人機交互技術 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的人機交互是通過網(wǎng)絡將人和物連接起來以及研究它們相互影響的技術。人機界面是人和物之間通信和對話的接口，是人機交互的重要組成部分。計算機技術的發(fā)展，推動了人機接口技術和人機界面的發(fā)展。人機界面經(jīng)歷了手

16、工操作、命令行界面和圖形用戶界面三個階段。圖形用戶界面是當前廣泛注重的人機界面，它的發(fā)展和應用是計算機技術重大成就之一。人機交互不僅影響到最終用戶，還將影響到計算機的推廣應用，甚至影響到人們的工作和生活。實現(xiàn)人機高效合作將是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下人機交互的主要目的。從目前的研究現(xiàn)狀來看，多通道用戶界面、計算機支持的協(xié)同工作、三維人機交互等是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下高效自然的人機交互的主要關鍵技術。17.2.2物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能人機交互技術 1 多通道人機界面技術多通道人機界面技術是基于視線跟蹤、語音識別、手勢輸入、感覺反饋等技術的一種新的交互技術，具體包括了以下內容：1） 多通道整合2） 多通道界面描述方法3）

17、 多通道用戶界面的評估27.2.2物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能人機交互技術 2 計算機支持的協(xié)同工作技術雖然目前通過計算機網(wǎng)絡可以把成千上萬的用戶連在一起，共享部分信息，但數(shù)據(jù)存取、信息處理、編程等方面工作仍各自獨立。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的產(chǎn)生與發(fā)展以及計算機網(wǎng)絡、多媒體技術及虛擬現(xiàn)實技術的不斷成熟，計算機支持下的協(xié)同工作技術在人機交互中正發(fā)揮著越來越大的作用。37.2.2物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能人機交互技術 1） 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的協(xié)同工作技術必須具有以下的功能和特性（1）協(xié)同工作技術一般需要依托于分布式的計算機系統(tǒng)；（2）物聯(lián)網(wǎng)絡具有較高的實時性，并能夠以多媒體等方式進行通信與交互；（3）物聯(lián)網(wǎng)絡具有并發(fā)處理和控制

18、功能，可實現(xiàn)共享媒體的互斥互訪；（4）應具有良好的人機界面。47.2.2物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能人機交互技術 2） 協(xié)作的多用戶界面許多傳統(tǒng)的計算機系統(tǒng)可以支持多用戶同時交互，如多用戶數(shù)據(jù)庫、多用戶分時操作系統(tǒng)，以及多用戶信息系統(tǒng)等。但這些系統(tǒng)往往通過禁止協(xié)作以支持多用戶間的交互，系統(tǒng)向用戶說明只有他自己在使用系統(tǒng)，而將其他用戶隱藏起來。然而，物聯(lián)網(wǎng)是一個物物相連、人物相連的泛在普適網(wǎng)絡，因此，在協(xié)作系統(tǒng)中，其多用戶界面必須允許用戶知道其他用戶的活動。 57.2.2物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能人機交互技術 3 三維人機交互技術三維人機交互技術與傳統(tǒng)的圖形交互技術不同。它采用三維立體輸入，X，Y，Z軸平移和繞X

19、，Y，Z軸旋轉。目前流行的用于桌面型圖形界面的交互設備，如鼠標、觸摸屏等只有沿平面X，Y軸平移。三維交互使得物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下人機交互的復雜性大大提高。早期的三維交互環(huán)境大多采用傳統(tǒng)界面，這主要是由于傳統(tǒng)界面比三維用戶界面要容易實現(xiàn)得多。隨著三維交互圖形學和虛擬現(xiàn)實技術研究的深入，三維人機交互技術日益得到重視。人們在三維交互設備、三維交互方式、三維交互環(huán)境的軟件結構等方面，進行了很多有益的研究。67.2 物聯(lián)網(wǎng)智能控制和調度技術 7.2.17.2.2多類型媒體信息處理技術 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能人機交互技術 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能控制技術與系統(tǒng) 7.2.37.2.3物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能控制技術與系統(tǒng) 目前，物

20、聯(lián)網(wǎng)下的智能控制技術是與具體的相關領域相結合進行研究的，如專家系統(tǒng)、機器學習、模式識別、理解自然語言、機器人學、智能決策、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的智能控制系統(tǒng)主要包括組織層、協(xié)調層和執(zhí)行層等三個智能層次。智能控制既是當今國內外自動化學科中一個十分活躍和具有挑戰(zhàn)性的領域，又是一門新興的交叉學科，它與人工智能、自動控制、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡理論、進化論、模式識別、信息論、仿生學和認識心理學等有著密切的聯(lián)系。目前，物聯(lián)網(wǎng)中的智能控制系統(tǒng)主要包括自適應控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、自學習控制和專家控制系統(tǒng)等。17.2.3物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能控制技術與系統(tǒng) 1 自適應控

21、制系統(tǒng)所謂“自適應”是指在新的環(huán)境或新的運行條件下，適當?shù)馗淖冊到y(tǒng)的結構或參數(shù)，以保持系統(tǒng)的良好運行特征。于是，我們可以將自適應控制系統(tǒng)定義為：一種特殊形式的非線性控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在運行中能自動地獲取改善系統(tǒng)品質的有關信息并能修正控制系統(tǒng)的結構或參數(shù)，使得系統(tǒng)達到所要求的狀態(tài)。27.2.3物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能控制技術與系統(tǒng) 2 模糊控制系統(tǒng)模糊控制是采用模糊語言控制律把基于專家知識的控制策略轉換為自動控制的具體策略的控制，其基本思想是把人類專家對特定的被控對象或過程的控制策略總結成一系列的“IF（條件）THEN（作用）”形式表示的控制規(guī)律，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控對象或過程，如圖

22、7.6所示。37.2.3物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能控制技術與系統(tǒng) 4圖7.6 模糊控制的一般結構7.2.3物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能控制技術與系統(tǒng) 3 神經(jīng)網(wǎng)絡神經(jīng)網(wǎng)絡是以對信息的分布式存貯和并行處理為基礎，它具有自組織、自學習功能，在很多方面更接近人對信息的處理方法，它具有模擬人的形象思維的能力，反映了人腦功的若干基本特性，但它并不是人腦的逼真描述，而只是它的某種抽象、簡化和模擬。57.2.3物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能控制技術與系統(tǒng) 4 自學習控制系統(tǒng)自學習控制系統(tǒng)是指通過在線實時學習，自動獲取知識，并能將所學的知識用來不斷改善系統(tǒng)性能的智能控制系統(tǒng)，它具有較高的類似人類的自學習能力。自學習控制系統(tǒng)能夠很好地利用歷

23、史經(jīng)驗，很好地適應于模型不精確的非線性的動態(tài)行為的控制。67.2.3物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能控制技術與系統(tǒng) 5 專家控制系統(tǒng)專家控制系統(tǒng)是指相當于專家處理知識和解決問題能力的計算機智能軟件系統(tǒng)。通常，專家系統(tǒng)由知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機、解釋器及知識獲取五個部分組成。專家系統(tǒng)是一個具有大量專門知識與經(jīng)驗的程序系統(tǒng)，它應用人工智能技術，根據(jù)某個領域一個或多個人類專家提供的知識和經(jīng)驗進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以解決那些需要專家決定的復雜問題。 7第七章 物聯(lián)網(wǎng)的能效管理和智能控制技術 7.17.2物聯(lián)網(wǎng)能效管理技術 物聯(lián)網(wǎng)智能控制和調度技術 物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫 7.3本節(jié)略講7.3 物

24、聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫 7.3.17.3.2數(shù)據(jù)管理的基本概念 數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 7.3.3物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理技術 7.3.4物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫優(yōu)化技術 7.3.57.3.1數(shù)據(jù)管理的基本概念 數(shù)據(jù)管理就是利用計算機硬件和軟件技術對各種形式的數(shù)據(jù)進行收集、存儲、加工和應用的過程。作為當前計算機應用領域中重要的技術和研究課題，數(shù)據(jù)管理的目的是為了充分有效的發(fā)揮數(shù)據(jù)的作用，準確高效地處理數(shù)據(jù)。 17.3 物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫 7.3.17.3.2數(shù)據(jù)管理的基本概念 數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 7.3.3物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理技術 7.3.4物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫優(yōu)化技術 7.3.

25、57.3.2數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 1數(shù)據(jù)庫的發(fā)展過程數(shù)據(jù)庫技術是應數(shù)據(jù)管理任務的需要而產(chǎn)生的，在計算機硬件和軟件不斷發(fā)展的基礎上，數(shù)據(jù)庫管理技術不斷更新和完善，主要經(jīng)歷了以下三個階段16：1）人工管理階段（20世紀50年代中期以前）2） 文件系統(tǒng)階段（20世紀50年代到60年代中期）3） 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段（20世紀60年代后期以來）17.3.2數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 2數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型是一種抽象模型，是現(xiàn)實世界在數(shù)據(jù)庫中的模擬和抽象，也是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和基礎。由于計算機只能存儲和處理數(shù)據(jù)而不能直接存儲和處理現(xiàn)實世界中的客觀事物，我們也就無法直接用計算機來管理一個商場的員工、設備、商品等。所以必須

26、先把商場的員工、設備、商品等客觀事物的某些特征抽象成計算機能夠存儲和處理的數(shù)據(jù)，這樣才可以用計算機對其進行管理。數(shù)據(jù)模型就是我們用來抽象表示客觀事物數(shù)據(jù)特征的數(shù)據(jù)格式。 27.3.2數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 數(shù)據(jù)模型通常包括下面三個基本要素：1）數(shù)據(jù)結構數(shù)據(jù)結構是計算機數(shù)據(jù)組織方式和數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的框架描述。2）數(shù)據(jù)操作數(shù)據(jù)操作就是指能夠對存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行查詢，修改，刪除，添加等數(shù)據(jù)操作方式。 3）數(shù)據(jù)的完整性約束完整性約束是指對數(shù)據(jù)的一組完整性規(guī)則的集合。比如在一個大學的數(shù)據(jù)庫中我們規(guī)定學生的姓名不能為空， 選修某門課合格所得學分不能為負數(shù)。37.3.2數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 3結構化查詢語

27、言結構化查詢語言（SQL，Structured Query Language）不僅指令簡單，而且功能齊全，現(xiàn)在主流的數(shù)據(jù)庫大多數(shù)都支持SQL語言。一般而言，SQL語言可以分成三類：47.3.2數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 1）數(shù)據(jù)定義指令（DDL，Data Definition Language）：主要包括Create、Drop、Alter指令。（1）Create指令用來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)表和索引等。下面是一條創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫的語句：Create Database Path Path：數(shù)據(jù)庫文件目錄的路徑。Database Name：數(shù)據(jù)庫的名稱。（2）Drop指令用來刪除數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)表和索引等，下面是一條刪

28、除數(shù)據(jù)庫的語句：Drop Database （3）Alter指令用來修改數(shù)據(jù)表，下面是一條在數(shù)據(jù)表增加一個字段來記錄出生日期的語句：Alter Table Add Student_Birthday Datetime；57.3.2數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 2）數(shù)據(jù)處理指令（DML，Data Manipulation Language）：主要包括Select、Insert、Update、Delete指令。（1）Select指令用來查詢數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，下面是一條查詢數(shù)據(jù)表Student中所有數(shù)據(jù)的語句。 Select * From Student；（2）Insert指令用來向數(shù)據(jù)表中添加數(shù)據(jù)，下面是一條

29、向表Student中增加數(shù)據(jù)的語句。Insert Into Student(Name,Sex,Student_Birthday) Values(Rose, Girl, 1984.9.15)；67.3.2數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 （3）Update指令用來更新表格中的數(shù)據(jù)，下面是一條更新數(shù)據(jù)表的語句。 Update Student Set Student_Birthday=1984.11.12” Where Name=Rose；（4）Delete指令用來刪除數(shù)據(jù)表內的數(shù)據(jù)，下面是一條刪除數(shù)據(jù)表Student中數(shù)據(jù)的語句。 Delete From Student Where Name=Rose；77.

30、3.2數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 3）數(shù)據(jù)控制指令（DCL，Data Control Language）：主要包括Grant、Rollback等指令。（1）Grant語句用于向用戶、角色和組授予使用數(shù)據(jù)庫對象以及運行某些存儲過程和函數(shù)的權限。（2）Rollback語句用于操作異常后的回復。87.3 物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫 7.3.17.3.2數(shù)據(jù)管理的基本概念 數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 7.3.3物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理技術 7.3.4物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫優(yōu)化技術 7.3.57.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 目前主流的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括微軟公司的ACCESS數(shù)據(jù)庫和SQL SERVER數(shù)據(jù)庫、甲骨文的OR

31、ACLE數(shù)據(jù)庫和IBM的DB2數(shù)據(jù)庫等。17.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 1 ACCESS 數(shù)據(jù)庫ACCESS是由微軟發(fā)布的關聯(lián)式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，從1992年11月發(fā)布第一個ACCESS版本ACCESS 1.0，到現(xiàn)在最新的ACCESS 2007。ACCESS數(shù)據(jù)庫在很多地方都得到了廣泛使用。例如小型公司，和專業(yè)的開發(fā)人員會專門利用ACCESS來制作處理數(shù)據(jù)的桌面系統(tǒng)。還可以和ASP技術相結合來開發(fā)簡單的WEB應用程序。27.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 ACCESS數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點如下：1） 界面友好，使用方便作為一個可視化工具，ACCESS繼承了WINDOWS的風格，用戶可以直接使用鼠標進行基本的操

32、作。系統(tǒng)還包括了查詢生成器，表生成器，報表設計器等工具，使得操作簡單，易于上手。2） 面向對象作為一個面向對象的開發(fā)工具，ACCESS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的各種功能都封裝在各類對象中。通過對象的方法和屬性來完成數(shù)據(jù)庫的操作和管理，這就極大簡化用戶的開發(fā)工作。37.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 3） 開放數(shù)據(jù)庫互連ACCESS數(shù)據(jù)庫支持開放數(shù)據(jù)庫互連（ODBC，Open Database Connectivity），利用對象的聯(lián)接和嵌入，動態(tài)數(shù)據(jù)交換等特性可以在一個數(shù)據(jù)表中嵌入聲音、表格、文檔等。還可以與網(wǎng)絡上的動態(tài)數(shù)據(jù)相聯(lián)接，將程序應用于網(wǎng)絡。雖然ACCESS有很多優(yōu)點，但是作為一個小型數(shù)據(jù)庫，就必然有其

33、局限性。當數(shù)據(jù)庫過大，記錄數(shù)過多，網(wǎng)站訪問頻繁時，ACCESS數(shù)據(jù)庫的性能就會急劇下降。一般而言，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一般規(guī)模都比較龐大，擁有海量的數(shù)據(jù)，如果用ACCESS數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，肯定會對存儲的效率和處理的高效性造成影響。所以一般的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中將很少采用ACCESS數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)。47.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 2. SQL SERVER數(shù)據(jù)庫SQL SERVER是一個關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。1988年Microsoft聯(lián)合 Sybase 和Ashton-Tate一起推出了第一個版本。但是在WINDOWS NT推出之后，Microsoft成為這個項目的主導者，專注于開發(fā)SQL SERVER的WI

34、NDOWS NT版本，而Sybase則專注于開發(fā)SQL SERVER的UNIX版本。57.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 SQL SERVER數(shù)據(jù)庫的主要特點如下：1） 客戶/服務器體系結構可以多臺計算機共同工作，客戶機是請求服務的計算機，而服務器則是處理數(shù)據(jù)庫的計算機。2） 數(shù)據(jù)倉庫當同一個數(shù)據(jù)同時用于完成多個任務時，將會大大影響數(shù)據(jù)庫的功能，我們可以將數(shù)據(jù)拷貝到單獨的數(shù)據(jù)庫中，稱為數(shù)據(jù)倉庫。數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)按照一定的方式組織，從而使得信息容易存取并且有使用價值。67.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 3） 支持WEB技術用戶可以通過一個普通的瀏覽器來查詢存儲在SQL SERVER中的信息，也可以用數(shù)據(jù)庫

35、中的數(shù)據(jù)來動態(tài)的創(chuàng)建網(wǎng)頁。4） 多種編程接口工具 SQL SERVER提供了豐富的應用程序接口來訪問服務器的數(shù)據(jù)，主要包括：OLE DB、ODBC API、Transact-SQL等。SQL數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)倉庫技術和WEB訪問技術可以非常好的應用在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)當中，我們可以將海量的數(shù)據(jù)方便快捷的存儲在數(shù)據(jù)倉庫之中，并且非常高效的進行調用，這對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)性能的提升是有著很大幫助的。77.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 3 ORACLE數(shù)據(jù)庫ORACLE在英語中是“神諭”的意思，也是殷墟出土的甲骨文（oracle bone inscriptions）的英文翻譯的第一個單詞。作為數(shù)據(jù)庫行業(yè)的旗幟，ORACEL數(shù)

36、據(jù)庫現(xiàn)在牢牢占據(jù)著市場第一的份額。ORACLE數(shù)據(jù)庫是第一個支持SQL語言的關系數(shù)據(jù)庫，作為一種大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，一般都應用于商業(yè)，政府部門。它的功能很強大，能夠處理大批量的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡應用方面也用的比較多，使用ORACLE數(shù)據(jù)庫的也基本上都是高端工作站以及作為服務器的小型服務器。87.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 ORACLE數(shù)據(jù)庫的主要優(yōu)點如下：1） 可移植性ORACLE數(shù)據(jù)庫可運行于很寬范圍的硬件與操作系統(tǒng)平臺之上，可以在DOS、UNIX、WINDOWS等多種操作系統(tǒng)下工作，可以安裝在70種以上不同的大、中、小型機上。2） 數(shù)據(jù)安全性高ORACLE的安全認證獲得了最高認證級別的ISO標準認證，

37、可靠性還是相當高的。ORACLE數(shù)據(jù)庫的高安全性對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言是十分必要的。因為如何保障物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)的安全性，保證系統(tǒng)不被入侵，數(shù)據(jù)不被泄露，是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫需要解決的重點問題。97.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 3） 開放性ORACLE數(shù)據(jù)庫采用開放的策略目標，它使得客戶可以選擇一種最適合其需要的解決方案?？蛻艨梢栽贠RACLE數(shù)據(jù)庫中使用第三方的應用程序，而沒有任何的限制，這對開發(fā)商來說是很大的支持。4） 支持多用戶，大事務量的事務處理ORACLE作為一個多用戶系統(tǒng)，能自動從在線環(huán)境或批處理的系統(tǒng)故障中恢復運行。在處理大事務量的時候，ORACLE數(shù)據(jù)系統(tǒng)更穩(wěn)定，更精確。雖然ORACLE數(shù)

38、據(jù)庫系統(tǒng)功能強大，但是價格也比較昂貴。如果在實際中要考慮到節(jié)約成本，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一般還是會采用SQL SERVER數(shù)據(jù)庫。97.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 4 DB2數(shù)據(jù)庫基于SQL的DB2關系數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品是IBM公司的主要數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。DB2主要應用于大型應用系統(tǒng)，具有較好的可伸縮性，可支持從大型機到單用戶環(huán)境，應用于OS/2,WINDOWS等平臺下。107.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 DB2數(shù)據(jù)庫的主要優(yōu)點如下：1） 數(shù)據(jù)分級技術使用數(shù)據(jù)分級技術能使本地數(shù)據(jù)庫服務器、客戶機/服務器用戶和基于本地的應用程序很方便的下載大型機數(shù)據(jù)，并使得數(shù)據(jù)庫本地化及遠程連接透明化。2） 很好的網(wǎng)絡支持能力每個DB2子

39、系統(tǒng)可以連接十幾萬個分布式用戶，并可同時激活上千個活動線程，對于大型分布式應用系統(tǒng)來說尤其有用。3） 完備的查詢優(yōu)化器DB2擁有一個非常完備的查詢優(yōu)化器，其外部連接改善了查詢技能，并支持多任務并行查詢。117.3.3主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 與其他主流數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)比起來，DB2有其優(yōu)勢也有自己的不足。DB2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的高可用性對于普通用戶來說可能過于復雜，另外DB2在關閉機制上也有一定的不足，這與DB2的設計框架相關。127.3 物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)庫 7.3.17.3.2數(shù)據(jù)管理的基本概念 數(shù)據(jù)庫技術的基本概念 主流數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品介紹 7.3.3物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理技術 7.3.4物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫優(yōu)化技術

40、 7.3.57.3.4物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理技術 物聯(lián)網(wǎng)作為一種將物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊，這就意味著需要數(shù)據(jù)庫來存儲海量的存儲。下面我們就以物聯(lián)網(wǎng)中三種主流的網(wǎng)絡來介紹一下物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)管理技術。 17.3.4物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理技術 1 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理技術無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的作用是將傳感器網(wǎng)絡中的采集信息進行有效的存儲并建立良好的查詢處理機制，減輕傳感器網(wǎng)絡用戶的負擔，使得用戶只需要提出自己的查詢需求而不要關心傳感器網(wǎng)絡具體的物理細節(jié)17。無線傳感器網(wǎng)絡中兩種最主要的數(shù)據(jù)管理技術是：查詢處理技術，數(shù)據(jù)存儲技術。 27.3.4物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理技術 1）查詢處理技術查詢處理方法可以分成兩類：一類是集中式查詢處理方法，另一個類是分布式查詢處理方法。37.3.4物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理技術 2）數(shù)據(jù)存儲技術根據(jù)數(shù)據(jù)存儲節(jié)點在傳感器網(wǎng)絡中所處的位置，可以把數(shù)據(jù)存儲方法分為三類：外部存儲、本地存儲和以數(shù)據(jù)為中心的存儲。47.3.4物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理技術 外部存儲：如果節(jié)點都使用外部存儲方式，則所有的感知數(shù)據(jù)均發(fā)送到連接至傳感器網(wǎng)絡的外部計算機上。這樣會使得靠近外部計算機