物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成與要素課件

第2章 物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)第2章 目錄2.1 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成與要素2.2 物聯(lián)網(wǎng)中的計算機與網(wǎng)絡(luò)接入2.3產(chǎn)品電子代碼（EPC）與RFID2.1 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成與要素

2.1.1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)2.1.3物聯(lián)網(wǎng)建模與要素2.1 物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成與要素

2.1.1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成實質(zhì)是利用射頻自動識別(RFID)技術(shù)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品(商品)的自動識別、信息的互聯(lián)與共享和智能控制。在物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想中，RFID標(biāo)簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)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，進而通過開放性的計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交換和共享，實現(xiàn)對物品的“透明”管理。物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)特征來看與互聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系有幾點特征：（1）軟、硬技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用網(wǎng)。從目前技術(shù)觀點看，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系是由可接入互聯(lián)網(wǎng)的傳感器組成的軟硬結(jié)合的應(yīng)用網(wǎng)。（2）互聯(lián)網(wǎng)與傳感器是基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)不是一個全新的網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和擴展，是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一部分。（3）互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)好比是人類信息交換的動脈，物聯(lián)網(wǎng)就是毛細血管，兩者互聯(lián)互通，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的有益補充。（4）未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)絡(luò)、未來的互聯(lián)網(wǎng)，他們的名字雖然不同，但表達的都是同一個愿景，那就是人類可以隨時、隨地、使用任何網(wǎng)絡(luò)、聯(lián)系任何人或物，達到信息自由交換的目的。物聯(lián)網(wǎng)需要對物體具有全面感知能力，對信息具有可靠傳送和智能處理能力，從而形成一個連接物體與物體的信息網(wǎng)絡(luò)，即全面感知、可靠傳送、智能處理是物聯(lián)網(wǎng)的基本特征。2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

1、物聯(lián)網(wǎng)及其服務(wù)體系分類：（1）按應(yīng)用對象分：專用物聯(lián)網(wǎng)和公眾物聯(lián)網(wǎng)公眾物聯(lián)網(wǎng)：為滿足大眾生活和信息的需求提供的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。專用物聯(lián)網(wǎng)：滿足企業(yè)、團體或個人特色的應(yīng)用需求，有針對地提供專業(yè)性的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。專用物聯(lián)網(wǎng)可以利用公眾網(wǎng)絡(luò)(如Internet)、專用網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)或移動通信互聯(lián)網(wǎng)的公用網(wǎng)絡(luò)）中的專用資源等進行信息傳送。表表2-1表2-1物聯(lián)網(wǎng)分類方式舉例2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)多跳接入是利用WSN技術(shù)，將具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式，各節(jié)點能根據(jù)環(huán)境的變化，自主地完成網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組織和信息的傳遞。由于節(jié)點間距離較短，一般采用多跳方式進行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)最終將信息通過接入網(wǎng)關(guān)傳遞到承載網(wǎng)絡(luò)。典型的無線傳感器設(shè)備有ZigBee、UWB等。多跳接入方式適用于終端設(shè)備分別集中、終端與網(wǎng)絡(luò)間傳遞數(shù)據(jù)量較小的應(yīng)用。通過采用多跳接入方式可以降低末梢節(jié)點、接入層和承載網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)投資和應(yīng)用成本，以及方便建設(shè)實施工作和提升接入網(wǎng)絡(luò)的健壯性，如圖所示。

2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)自身特征，其應(yīng)該提供以下幾類服務(wù)：連網(wǎng)類服務(wù)：物品標(biāo)識、通信和定位。信息類服務(wù)：信息采集、存儲和查詢。操作類服務(wù)：遠程配置、監(jiān)測、遠程操作和控制。安全類服務(wù)：用戶管理、訪問控制、事件報警、入侵檢測和攻擊防御。管理類服務(wù)：故障診斷、性能優(yōu)化、系統(tǒng)升級和計費管理服務(wù)。

根據(jù)不同領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，以上服務(wù)類型可以進行相應(yīng)地擴展或裁剪。物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型是設(shè)計和驗證物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要依據(jù)。因此，也可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的不同應(yīng)用來構(gòu)建不同的體系結(jié)構(gòu)。2.物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和和互連類型為了構(gòu)建物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)結(jié)構(gòu)，首先需需要劃分物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)節(jié)點的類型。。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點點可以分成無源CPS節(jié)節(jié)點、有源CPS節(jié)點、、互聯(lián)網(wǎng)CPS節(jié)點，其特征從以以下方面進行行描述：電源源、移動性、、感知性、存存儲能力、計計算能力、連連網(wǎng)能力和連連接能力。2.物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和和互連類型無源CPS節(jié)節(jié)點：具有電子標(biāo)簽簽的物體，這這是物聯(lián)網(wǎng)中中數(shù)量最多的的節(jié)點。有源CPS節(jié)節(jié)點：具備感知、連連網(wǎng)和控制能能力的嵌入式式系統(tǒng)，這是是物聯(lián)網(wǎng)的核核心節(jié)點。互聯(lián)網(wǎng)CPS節(jié)點：具備連網(wǎng)、控控制能力的計計算系統(tǒng)，這這是物聯(lián)網(wǎng)的的信息中心和和控制中心。。2.物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和和互連類型根據(jù)以上物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的分分類，可以進進一步研究可可能存在的連連接類型。例例如，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)節(jié)點之間存存在無源節(jié)點點與有源節(jié)點點、有源節(jié)點點與有源節(jié)點點及有源節(jié)點點與互聯(lián)網(wǎng)節(jié)節(jié)點之間的連連接，這些類類型的連接結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成了物物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的的體系結(jié)構(gòu)。。由于物聯(lián)網(wǎng)的的異構(gòu)性，通通用物聯(lián)網(wǎng)體體系結(jié)構(gòu)由三三部分構(gòu)成：：無源節(jié)點與有有源節(jié)點互聯(lián)聯(lián)結(jié)構(gòu)、有源源節(jié)點與有源源節(jié)點互聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)、有源節(jié)節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)節(jié)點互聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。2.物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和和互連類型無源節(jié)點與有有源節(jié)點互聯(lián)聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖所所示。2.物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和和互連類型有源節(jié)點與有有源節(jié)點互聯(lián)聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖所所示。2.物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和和互連類型有源節(jié)點與互互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點互互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖圖所示。2.物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點和和互連類型在以上定義的的物聯(lián)網(wǎng)體系系結(jié)構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)物理層層協(xié)議提供在物理信信道上采集和和傳遞信息的的功能，具有有一定的安全全性和可靠性性控制能力；；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈鏈路層協(xié)議提供對物理信信道訪問控制制、復(fù)用，在在鏈路層安全全、可靠、高效傳遞遞數(shù)據(jù)的功能能，具有較為為完整的可靠靠性、安全性性控制能力，，可以提供服服務(wù)質(zhì)量的保保證；應(yīng)用層協(xié)議提供信息采集集、傳遞、查查詢功能，具具有較為完整整的用戶管理理、聯(lián)網(wǎng)配置置、安全管理理、可靠性控控制能力。物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計計應(yīng)該遵循一一定的原則，，而設(shè)計體系系結(jié)構(gòu)是設(shè)計計物聯(lián)網(wǎng)必不不可少的環(huán)節(jié)節(jié)，其原則具具體包括：（1）多樣性性原則，物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)必須根據(jù)物物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點類類型的不同，，分成多種類類型的體系結(jié)結(jié)構(gòu)；（2）時空性性原則，物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)必須能夠滿滿足物聯(lián)網(wǎng)的的時間、空間間和能源方面面的需求；（3）互聯(lián)性性原則，物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)必須能夠平平滑地與互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)連接；（4）安全性性原則，物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)必須能夠防防御大范圍內(nèi)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)攻擊擊；（5）堅固性性原則，物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)必須具備堅堅固性和可靠靠性。3.設(shè)計計的基本原則則基于這5條基基本原則，構(gòu)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)可可以分成標(biāo)識物品、建建立物品聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)系統(tǒng)、建立立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用用平臺和建立立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用用系統(tǒng)幾個環(huán)節(jié)。（1）構(gòu)建物物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的的第一步是標(biāo)識物品，也就是標(biāo)識識世界上所有有的物品，需需要利用電子標(biāo)簽和傳傳感器技術(shù)。世界上所有有的物品可以以簡單分成人人造物品和自自然物品，貼貼上電子標(biāo)簽簽或配置傳感感裝置，都可可以改造成為為CPS節(jié)點點。標(biāo)識物品品的另外一項項技術(shù)就是世世界統(tǒng)一的物品編碼技術(shù)術(shù)。目前還沒有有針對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的全球物品品編碼技術(shù)。。3.設(shè)計計的基本原則則(2）建立物品品聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在完成物品標(biāo)標(biāo)識之后，就就可以建立、、驗證和采集集被標(biāo)識物品品的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)節(jié)點，即有源源CPS節(jié)點點。需要設(shè)計和實實現(xiàn)有源CPS節(jié)點與無無源CPS節(jié)節(jié)點、有源CPS節(jié)點與與有源CPS節(jié)點之間的的無線通信機機制，以及基基于信息編解解碼技術(shù)的物物品識別機制制；必須設(shè)計和實實現(xiàn)通信信道道復(fù)用機制，，使得在一條條信道上可以以同時完成多多個無源或者者有源CPS節(jié)點的通信信，例如同時時識別100多個具有RFID標(biāo)簽簽的物品；設(shè)計和實現(xiàn)通通信信道上的的可靠傳輸機機制和實時傳傳輸機制，滿滿足物聯(lián)網(wǎng)對對可靠性和實實時性的要求求。前兩部分可以以構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)系統(tǒng)中的聯(lián)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。3.設(shè)計計的基本原則則3.設(shè)計計的基本原則則有源CPS節(jié)節(jié)點實現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)（3）建立物物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平平臺物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系系統(tǒng)建立在物物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平平臺之上。在在建立有源CPS節(jié)點的的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之之后，就需要要設(shè)計和實現(xiàn)現(xiàn)有源CPS節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)配置、用用戶管理、節(jié)節(jié)點控制、信信息采集、信信息傳輸和信信息查詢等功能，建立立一個基本的的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用用平臺，即面面向某個具體體應(yīng)用領(lǐng)域的的物聯(lián)網(wǎng)中間件件。3.設(shè)計計的基本原則則（4）建立物物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系系統(tǒng)在建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)應(yīng)用中間件件之后，就可可以進一步設(shè)設(shè)計和實現(xiàn)物物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系系統(tǒng)，包括基基本應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)和特定應(yīng)用用系統(tǒng)?；緫?yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)包括物品命名名管理系統(tǒng)、、物品身份真真?zhèn)悟炞C系統(tǒng)統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)系系統(tǒng)管理等，，特定應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)包括倉儲管理理系統(tǒng)、樓宇宇監(jiān)控系統(tǒng)、、環(huán)境監(jiān)測系系統(tǒng)等。3.設(shè)計計的基本原則則3.設(shè)計計的基本原則則物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系系統(tǒng)需要區(qū)分分應(yīng)用系統(tǒng)的物物聯(lián)網(wǎng)端和互互聯(lián)網(wǎng)端。應(yīng)用系統(tǒng)物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)端部署在有源CPS節(jié)點上上，可以作為為應(yīng)用系統(tǒng)的的客戶端（客客戶機/服務(wù)務(wù)器），也可可作為應(yīng)用系系統(tǒng)的對等端端應(yīng)用模式（（P2P，Peer-to-Peer，對等）），但是必須須要求功能簡簡捷可靠；應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)端部署在互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)CPS節(jié)點點上，可以作作為應(yīng)用系統(tǒng)統(tǒng)的服務(wù)器端端（客戶機/服務(wù)器），，也可以作為為應(yīng)用系統(tǒng)的的P2P應(yīng)用用模式，但都都需要提供較較為強大的存存儲和后端處處理能力，滿滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)應(yīng)用需求。3.設(shè)計計的基本原則則3.設(shè)計計的基本原則則物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)理論論的發(fā)展、基基本方法和建建模要研究的的問題和各要要素之間的關(guān)關(guān)系見下表：：物物聯(lián)網(wǎng)建模模與要素1.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的物理模型型網(wǎng)絡(luò)建模要素素1.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的物理模型型物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段段是建立在Cyber模型基礎(chǔ)之上的，，該模型具體體化就是互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)是由規(guī)模巨巨大的節(jié)點和和鏈接關(guān)系，，以及錯綜復(fù)復(fù)雜的邊而構(gòu)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)結(jié)構(gòu)（復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)）。目前有代代表性的復(fù)雜雜網(wǎng)絡(luò)主要是是無尺度網(wǎng)絡(luò)和和小世界網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，以及一些新新型的復(fù)雜網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。無尺度度網(wǎng)絡(luò)絡(luò)：在網(wǎng)絡(luò)中的大大部分節(jié)點只只和很少節(jié)點點連接，而有有極少的節(jié)點點與非常多的的節(jié)點連接。這種關(guān)鍵的的節(jié)點（稱為為“樞紐”或或“集散節(jié)點點”）的存在在使得無尺度度網(wǎng)絡(luò)對意外外故障有強大大的承受能力力，但面對協(xié)協(xié)同性攻擊時時則顯得脆弱弱。現(xiàn)實中的的許多網(wǎng)絡(luò)都都帶有無尺度度的特性，例例如因特網(wǎng)、金融融系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、、社會人際網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等等。物物聯(lián)網(wǎng)建模模與要素1.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的物理模型型無尺度網(wǎng)絡(luò)的的例子1.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的物理模型型（2）Barabasi-Albert模型型1999年，，Barabasi和Albert在《科學(xué)》》雜志發(fā)表了了《隨機網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中出現(xiàn)的標(biāo)標(biāo)度》，發(fā)現(xiàn)了在真實實網(wǎng)路中的冪冪律分布，提提出了無尺度度網(wǎng)絡(luò)概念和和眾多真實網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)所共有的的兩種演化機機理——增長和擇優(yōu)連連接。無尺度網(wǎng)絡(luò)的的大多數(shù)節(jié)點點僅有少量連連線，而少數(shù)數(shù)節(jié)點擁有大大量連線。如如一個網(wǎng)頁更更可能關(guān)注那那些已經(jīng)受歡歡迎的文檔，，并與它們保保持超鏈接，，因高鏈接的的文檔很容易易被發(fā)現(xiàn)，因因而也很著名名。1.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的物理模型型在物聯(lián)網(wǎng)中，，最常用的是是有關(guān)運動的的參量。而物物體是不斷運運動的，而且且運動是有規(guī)規(guī)律的。研究究物理運動的的理論是最基基本的描述物物理運動的方方法。2、運動參量量與基本的理理論理論與概念控制論是自動控制、、通信技術(shù)、、計算機技術(shù)術(shù)、數(shù)理邏輯輯、神經(jīng)生理理學(xué)、統(tǒng)計力力學(xué)、行為科科學(xué)等多種學(xué)學(xué)科技術(shù)相互互滲透形成的的一門橫斷性性學(xué)科?？刂浦普撗芯勘砻髅?，無論自動動機器，還是是神經(jīng)系統(tǒng)、、生命系統(tǒng)，，以至經(jīng)濟系系統(tǒng)、社會系系統(tǒng)，不考慮慮各自的質(zhì)太太特點，都可可以看作是一一個自動控制系統(tǒng)統(tǒng)。反饋對系統(tǒng)統(tǒng)的控制和穩(wěn)穩(wěn)定起著決定定性作用?？乜刂普撗芯咳缛绾卫每刂浦破?，通過信信息交換和反反饋作用，使使系統(tǒng)能自動動按照人們預(yù)預(yù)定的程序運運行，最終達達到最優(yōu)目標(biāo)標(biāo)。2、運動參量量與基本的理理論自動控制定義：自動控制就就是在沒有人人直接操作的的情況下，通通過控制裝置置操縱受控對對象（一個裝裝置或一個生生產(chǎn)過程），，使之自動地地按照給定的的規(guī)律運行，，使被控變量量能按照給定定的規(guī)律變化化。能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)自動控制任任務(wù)的系統(tǒng)就就可稱為自動控制系統(tǒng)統(tǒng)。組成：舉例分析：液位控制系系統(tǒng)自動控制的基基本內(nèi)容賽博數(shù)字物理理系統(tǒng)（CPS）是將物理空間間轉(zhuǎn)換到數(shù)學(xué)學(xué)空間，并通通過計算分析析和解說其對對應(yīng)的構(gòu)成，，來預(yù)測和控控制物理空間間可能發(fā)生的的各種可能