物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)踐(項(xiàng)目式)熊茂華 項(xiàng)目1

項(xiàng)目一物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)1.1任務(wù)一：背景知識1.2任務(wù)二：物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)1.3任務(wù)三：物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)詳析

1.1任務(wù)一：背景知識

圖1.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示意圖物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofThings)的概念是在1999年提出的，又名傳感網(wǎng)，它的定義很簡單：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理。國際電信聯(lián)盟2005年的一份報(bào)告曾描繪“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的圖景(如圖1.1所示)：當(dāng)司機(jī)出現(xiàn)操作失誤時(shí)，汽車會自動報(bào)警；公文包會提醒主人忘帶了什么東西；衣服會“告訴”洗衣機(jī)對顏色和水溫的要求等。圖1.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示意圖物聯(lián)網(wǎng)有如下基本特點(diǎn)：

(1)全面感知。

(2)可靠的傳送。

(3)智能控制。1.1.1國外物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.美國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

1995年，比爾?蓋茨在其《未來之路》一書中已提及物聯(lián)網(wǎng)概念。2005年11月17日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會(WSIS)上，國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，報(bào)告指出，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網(wǎng)主動進(jìn)行交換。射頻識別(RFID)技術(shù)、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

2.歐盟物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

2009年，歐盟委員會向歐盟議會、理事會、歐洲經(jīng)濟(jì)和社會委員會及地區(qū)委員會遞交了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動計(jì)劃》，以確保歐洲在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的過程中起主導(dǎo)作用。行動計(jì)劃共包括14項(xiàng)內(nèi)容：管理，隱私及數(shù)據(jù)保護(hù)，“芯片沉默”的權(quán)利，潛在危險(xiǎn)，關(guān)鍵資源，標(biāo)準(zhǔn)化，研究，公私合作，創(chuàng)新，管理機(jī)制，國際對話，環(huán)境問題，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和進(jìn)展監(jiān)督等。該行動方案，描繪了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的前景，并提出要加強(qiáng)歐盟政府對物聯(lián)網(wǎng)的管理，其行動方案提出的政策建議主要包括：

(1)加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)管理；

(2)完善隱私和個(gè)人數(shù)據(jù)保護(hù)；

(3)提高物聯(lián)網(wǎng)的可信度、接受度和安全性。

3.日本物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代中期以來，日本政府相繼制定了e-Japan、u-Japan、i-Japan等多項(xiàng)國家信息技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，從大規(guī)模開展信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)入手，穩(wěn)步推進(jìn)，不斷拓展和深化信息技術(shù)的應(yīng)用，以此帶動本國社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。其中，日本的u-Japan、i-Japan戰(zhàn)略與當(dāng)前提出的物聯(lián)網(wǎng)概念有許多共同之處。1.1.2國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀

1.國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展概況

中國科學(xué)院早在1999年就啟動了傳感網(wǎng)研究，組建了2000多人的團(tuán)隊(duì)，先后投入數(shù)億元，目前已擁有從材料、技術(shù)、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)的完整產(chǎn)業(yè)鏈?？傮w而言，在物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)全新產(chǎn)業(yè)中，我國的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化水平已經(jīng)處于世界前列，掌握物聯(lián)網(wǎng)世界話語權(quán)。當(dāng)前，政府主導(dǎo)、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合共同推動發(fā)展的良好態(tài)勢正在中國形成。

2.國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究現(xiàn)狀

2009年10月，在第四屆民營科技企業(yè)博覽會上，西安優(yōu)勢微電子公司宣布：中國第一顆物聯(lián)網(wǎng)的芯——“唐芯一號”芯片研制成功，并且已經(jīng)攻克了物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)?！疤菩疽惶枴毙酒且活w超低功耗射頻可編程片上系統(tǒng)(PSOC)，可以滿足各種條件下無線傳感網(wǎng)、無線個(gè)域網(wǎng)、有源RFID等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的特殊需要，為我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1.1.3物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、農(nóng)業(yè)管理、老人護(hù)理、個(gè)人健康等多個(gè)領(lǐng)域。在國家大力推動工業(yè)化與信息化兩化融合的大背景下，物聯(lián)網(wǎng)將是工業(yè)乃至更多行業(yè)信息化過程中一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的突破口。一旦物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及，無數(shù)的物品需要加裝更加小巧智能的傳感器，用于動物、植物、機(jī)器等物品的傳感器與電子標(biāo)簽及配套的接口裝置數(shù)量將大大超過目前的手機(jī)數(shù)量。圖1.2未來物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景

1.2任務(wù)二：物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

1.2.1物聯(lián)網(wǎng)的自主體系結(jié)構(gòu)

為了適應(yīng)異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)無線通信環(huán)境需要，GuyPujolle

在《Anautonomic-orientedarchitecturefortheInternetofThings》(IEEEJohnVincentAtanasoff2006InternationalSymposiumonModernComputing)中，提出了一種采用自主通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)自主體系結(jié)構(gòu)，如圖1.3所示。圖1.3物聯(lián)網(wǎng)的一種自主體系結(jié)構(gòu)在圖1.3所示的自主體系結(jié)構(gòu)中，其自主特征主要是由STP/SP協(xié)議棧和智能層取代了傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧，如圖1.4所示，其中STP表示智能傳輸協(xié)議(SmartTransportProtocol)，SP表示智能協(xié)議(SmartProtocol)。物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的智能層主要用于協(xié)商交互節(jié)點(diǎn)之間STP/SP的選擇，優(yōu)化無線鏈路之上的通信和數(shù)據(jù)傳輸，以滿足異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)需求。圖1.4STP/SP協(xié)議棧的自主體系結(jié)構(gòu)1.2.2物聯(lián)網(wǎng)的EPC體系結(jié)構(gòu)

1.EPC編碼體系

2.射頻識別系統(tǒng)

3.EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

圖1.5EPC物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)示意圖1.2.3物聯(lián)網(wǎng)的UID技術(shù)體系

在電子標(biāo)簽方面，日本早在20世紀(jì)80年代中期就提出了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)(TRON)，其中的T-Engine是該體系的核心。1.2.4構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的原則

物聯(lián)網(wǎng)有別于互聯(lián)網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)的主要目的是構(gòu)建一個(gè)全球性的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)則主要是從應(yīng)用出發(fā)，利用互聯(lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳送，是互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)應(yīng)用的延伸，是自動化控制、遙控遙測及信息應(yīng)用技術(shù)的綜合展現(xiàn)。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)概念與近程通信、信息采集、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、用戶終端設(shè)備結(jié)合之后，其價(jià)值才能逐步得到展現(xiàn)。因此，設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該遵循以下六條原則：

(1)多樣性原則。

(2)時(shí)空性原則。

(3)互聯(lián)性原則。

(4)擴(kuò)展性原則。

(5)安全性原則。

(6)健壯性原則。1.2.5實(shí)用的層次性物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)是通過各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)(傳感網(wǎng)、射頻識別系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等)、條碼與二維碼、全球定位系統(tǒng)，按約定的通信協(xié)議，將物與物、人與物、人與人連接起來，通過各種接入網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種信息網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)定義的核心是，物聯(lián)網(wǎng)的主要特征是每一個(gè)物件都可以尋址，每一個(gè)物件都可以控制，每一個(gè)物件都可以通信。圖1.6物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)示意圖

1.3任務(wù)三：物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)詳析

1.3.1感知層

物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別在于，物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)大了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通信范圍，即物聯(lián)網(wǎng)不僅僅局限于人與人之間的通信，還擴(kuò)展到人與物、物與物之間的通信。

1.感知層的功能

物聯(lián)網(wǎng)在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，從原有網(wǎng)絡(luò)用戶終端向“下”延伸和擴(kuò)展，擴(kuò)大通信的對象范圍，即通信不僅僅局限于人與人之間的通信，還擴(kuò)展到人與現(xiàn)實(shí)世界的各種物體之間的通信。

2.感知層的關(guān)鍵技術(shù)

1)傳感器技術(shù)

傳感器的分類方法多種多樣，比較常用的有按傳感器的物理量、工作原理和輸出信號三種方式來分類。

一般傳感器采集的信息需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；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(qiáng)自適應(yīng)性、低價(jià)格性能比等特點(diǎn)。

(1)新型傳感器。

(2)智能化傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)技術(shù)。

2)?RFID技術(shù)

RFID是射頻識別(RadioFrequencyIdentification)的英文縮寫，是20世紀(jì)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(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實(shí)現(xiàn)物體識別。RFID既可以看成是一種設(shè)備標(biāo)識技術(shù)，也可以歸類為短距離傳輸技術(shù)，在本書中更傾向于前者。

RFID與人們常見的條形碼相比，比較明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

(1)閱讀器可同時(shí)識讀多個(gè)RFID標(biāo)簽；

(2)閱讀時(shí)不需要光線、不受非金屬覆蓋的影響，而且在嚴(yán)酷、骯臟條件下仍然可以讀?。?/p>

(3)存儲容量大，可以反復(fù)讀、寫；

(4)信息可以在高速運(yùn)動中讀取。

3)二維碼技術(shù)

二維碼(2-dimensionalbarcode)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層實(shí)現(xiàn)過程中最基本和關(guān)鍵的技術(shù)之一。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)。從技術(shù)原理來看，二維碼在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)信息的自動處理。二維碼具有條碼技術(shù)的一些共性：每種碼制有其特定的字符集，每個(gè)字符占有一定的寬度，具有一定的校驗(yàn)功能等。二維碼的特點(diǎn)歸納如下。

(1)高密度編碼，信息容量大：二維碼可容納多達(dá)1850個(gè)大寫字母或2710個(gè)數(shù)字或1108個(gè)字節(jié)或500多個(gè)漢字，比普通條碼信息容量高約幾十倍。

(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(jìn)行編碼，并用條碼表示。

(3)容錯能力強(qiáng)，具有糾錯功能：二維碼因穿孔、污損等引起局部損壞時(shí)，甚至損壞面積達(dá)50%時(shí)，仍可以正確得到識讀。

(4)譯碼可靠性高：二維碼比普通條碼譯碼錯誤率2×10-7要低得多，誤碼率不超過1×10-8。

(5)可引入加密措施：二維碼保密性、防偽性好。

(6)二維碼成本低，易制作，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。

4)?ZigBee

ZigBee是一種短距離、低功耗的無線傳輸技術(shù)，是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)，它是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。ZigBee采用分組交換和跳頻技術(shù)，并且可使用3個(gè)頻段，分別是2.4GHz的公共通用頻段、歐洲的868MHz頻段和美國的915MHz頻段。ZigBee主要應(yīng)用在短距離范圍并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。與藍(lán)牙相比，ZigBee更簡單，速率更慢，功率及費(fèi)用也更低。同時(shí)，由于ZigBee

技術(shù)的低速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了ZigBee技術(shù)只適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。

ZigBee技術(shù)主要包括以下特點(diǎn)：

(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。

(2)低功耗。

(3)成本低。

(4)網(wǎng)絡(luò)容量大。

(5)有效范圍小。

(6)工作頻段靈活。

(7)可靠性高。

(8)時(shí)延短。

(9)安全性高。

5)藍(lán)牙

藍(lán)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，也是一種短距離的無線傳輸技術(shù)。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(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(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(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(shí)現(xiàn)相互通信或操作的一種技術(shù)。藍(lán)牙除具有和ZigBee一樣，可以全球范圍適用、功耗低、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)外，還有許多它自己的特點(diǎn)。

(1)同時(shí)可傳輸語音和數(shù)據(jù)。

(2)可以建立臨時(shí)性的對等連接(AdhocConnection)。

(3)開放的接口標(biāo)準(zhǔn)。1.3.2網(wǎng)絡(luò)層

1.網(wǎng)絡(luò)層功能

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立起來的，它與目前主流的移動通信網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、各類專網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)一樣，主要承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，特別是當(dāng)三網(wǎng)融合后，有線電視網(wǎng)也能承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2.網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)

1)?Internet

Internet，中文譯為因特網(wǎng)，廣義的因特網(wǎng)叫互聯(lián)網(wǎng)，是以相互交流信息資源為目的，基于一些共同的協(xié)議，并通過許多路由器和公共互聯(lián)網(wǎng)連接而成的，它是一個(gè)信息資源和資源共享的集合。Internet采用了目前最流行的客戶機(jī)/服務(wù)器工作模式，凡是使用TCP/IP協(xié)議，并能與Internet中任意主機(jī)進(jìn)行通信的計(jì)算機(jī)，無論是何種類型、采用何種操作系統(tǒng)，均可看成是Internet的一部分，可見Internet覆蓋范圍之廣。物聯(lián)網(wǎng)也被認(rèn)為是Internet的進(jìn)一步延伸。

2)移動通信網(wǎng)

移動通信就是移動體之間的通信，或移動體與固定體之間的通信。通過有線或無線介質(zhì)將這些物體連接起來進(jìn)行話音等服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)就是移動通信網(wǎng)。

3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的基本功能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(jìn)行連接，從而將各自采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸匯總，以實(shí)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(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。如果說Internet構(gòu)成了邏輯上的虛擬數(shù)字世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的數(shù)字世界與客觀上的物理世界融合在一起，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是：

(1)節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大(上千甚至上萬)，節(jié)點(diǎn)分布更為密集；

(2)由于環(huán)境影響和存在能量耗盡問題，節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障；

(3)環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；

(4)通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動的；

(5)傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都十分有限。1.3.3應(yīng)用層

1.應(yīng)用層功能

應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的驅(qū)動力和目的。應(yīng)用層的主要功能是把感知和傳輸來的信息進(jìn)行分析和處理，做出正確的控制和決策，實(shí)現(xiàn)智能化的管理、應(yīng)用和服務(wù)。這一層解決的是信息處理和人機(jī)界面的問題。

2.應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)

1)?M2M

M2M是Machine-to-Machine(機(jī)器對機(jī)器)的縮寫，根據(jù)不同應(yīng)用場景，往往也被解釋為Man-to-Machine(人對機(jī)器)、Machine-to-Man(機(jī)器對人)、Mobile-to-Machine(移動網(wǎng)絡(luò)對機(jī)器)、Machine-to-Mobile(機(jī)器對移動網(wǎng)絡(luò))。由于Machine一般特指人造的機(jī)器設(shè)備，而物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofThings)中的Things則是指更抽象的物體，范圍也更廣。

2)云計(jì)算

云計(jì)算(CloudComputing)是分布式計(jì)算(DistributedComputing)、并行計(jì)算(ParallelComputing)和網(wǎng)格計(jì)算(GridComputing)的發(fā)展，或者說是這些計(jì)算機(jī)科學(xué)概念的商業(yè)實(shí)現(xiàn)