第2章物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)教程》

學(xué)習(xí)任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)未來的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)

案例:上海嘉定物聯(lián)網(wǎng)工程示范項(xiàng)目123本章主要涉及：當(dāng)前第1頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)從物聯(lián)網(wǎng)的功能上來說，應(yīng)該具備四個(gè)特征：一是全面感知能力，可以利用RFID、傳感器、二維條形碼等獲取被控/被測(cè)物體的信息;二是數(shù)據(jù)信息的可靠傳遞，可以通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去;當(dāng)前第2頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)三是可以智能處理，利用現(xiàn)代控制技術(shù)提供的智能計(jì)算方法，對(duì)大量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化的控制。四是可以根據(jù)各個(gè)行業(yè)、各種業(yè)務(wù)的具體特點(diǎn)形成各種單獨(dú)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，或者整個(gè)行業(yè)及系統(tǒng)的建成應(yīng)用解決方案。當(dāng)前第3頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)當(dāng)前第4頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

而按照更為科學(xué)及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋硎?，物?lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)分成:①感知識(shí)別層②網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層③管理服務(wù)層④綜合應(yīng)用層當(dāng)前第5頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.1感知識(shí)別層感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，RFID技術(shù)、傳感和控制技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)是感知層的主要技術(shù)。例如張貼安裝在設(shè)備上的RFID標(biāo)簽和用來識(shí)別RFID信息的掃描儀、感應(yīng)器都屬于物聯(lián)網(wǎng)的感知層?，F(xiàn)在的高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)、超市倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)等都是基于這一類結(jié)構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)前第6頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.1感知識(shí)別層感知層由傳感器節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)關(guān)組成，智能節(jié)點(diǎn)感知信息（溫度、濕度、圖像等），并自行組網(wǎng)傳遞到上層網(wǎng)關(guān)接入點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)將收集到的感應(yīng)信息通過網(wǎng)絡(luò)層提交到后臺(tái)處理。當(dāng)后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)處理完畢，發(fā)送執(zhí)行命令到相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)被控/被測(cè)對(duì)象的控制參數(shù)調(diào)整或發(fā)出某種提示信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)前第7頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.1感知識(shí)別層由傳感器組成的感知結(jié)構(gòu)

當(dāng)前第8頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層在物聯(lián)網(wǎng)四層模型中連接感知識(shí)別層和管理服務(wù)層，具有強(qiáng)大的紐帶作用，高效、穩(wěn)定、及時(shí)、安全地傳輸上下層的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層存在各種網(wǎng)絡(luò)形式，通常使用的網(wǎng)絡(luò)形式有如下幾種：當(dāng)前第9頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層①互聯(lián)網(wǎng)：互聯(lián)網(wǎng)/電信網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)和技術(shù)支持。IPv6的使用掃清了可接入網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備在數(shù)量上的限制。②無線寬帶網(wǎng)：WiFi/WiMAX等無線寬帶技術(shù)的覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯(lián)網(wǎng)提供高速可靠廉價(jià)且不受接入設(shè)備位置限制的互聯(lián)手段。當(dāng)前第10頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層③無線低速網(wǎng)：ZigBee/藍(lán)牙/紅外等低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中能力較低的節(jié)點(diǎn)的低速率、低通信半徑、低計(jì)算能力和低能量來源等特征。④移動(dòng)通信網(wǎng)：移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將成為“全面、隨時(shí)、隨地”傳輸信息的有效平臺(tái)。高速、實(shí)時(shí)、高覆蓋率、多元化處理多媒體數(shù)據(jù)，為“物品觸網(wǎng)”創(chuàng)造條件。當(dāng)前第11頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.2網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層

當(dāng)前第12頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.3管理服務(wù)層管理服務(wù)層位于感知識(shí)別和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層之上，綜合應(yīng)用層之下，人們通常把物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用冠以“智能”的名稱，如智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流等，其中的智慧就來自這一層。當(dāng)感知識(shí)別層生成的大量信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層傳輸匯聚到管理服務(wù)層，管理服務(wù)層解決數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)（數(shù)據(jù)庫(kù)與海量存儲(chǔ)技術(shù)）、如何檢索（搜索引擎）、如何使用（數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)）、如何不被濫用（數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)）等問題。當(dāng)前第13頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.3管理服務(wù)層1.數(shù)據(jù)庫(kù)

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)是海量性，多態(tài)性，關(guān)聯(lián)性及語(yǔ)義性。適應(yīng)這種需求，在物聯(lián)網(wǎng)中主要使用的是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和新興數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。①關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)作為一項(xiàng)有著近半個(gè)世紀(jì)歷史的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，仍可在物聯(lián)網(wǎng)中使用，為物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行提供支撐。②新興數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)）針對(duì)非關(guān)系型、分布式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并不要求數(shù)據(jù)庫(kù)具有確定的表模式，通過避免連接操作提升數(shù)據(jù)庫(kù)性能。當(dāng)前第14頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.3管理服務(wù)層2.海量信息存儲(chǔ)

海量信息存儲(chǔ)早期采用大型服務(wù)器存儲(chǔ)，基本都是以服務(wù)器為中心的處理模式，使用直連存儲(chǔ)（DAS，DirectAttachedStorage），存儲(chǔ)設(shè)備（包括磁盤陣列，磁帶庫(kù)，光盤庫(kù)等）作為服務(wù)器的外設(shè)使用。當(dāng)前第15頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.3管理服務(wù)層隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，服務(wù)器之間交換數(shù)據(jù)或向磁盤庫(kù)等存儲(chǔ)設(shè)備備份時(shí)，都是通過局域網(wǎng)進(jìn)行，這是主要應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)附加存儲(chǔ)（NAS，NetworkAttachedStorage）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，但這將占用大量的網(wǎng)絡(luò)開銷，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。當(dāng)前第16頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.3管理服務(wù)層為了能夠共享打容量，高速度存儲(chǔ)設(shè)備，并且不占用局域網(wǎng)資源的海量信息傳輸和備份，就需要專用存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN,StorageAreaNetwork）來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前第17頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.3管理服務(wù)層3.數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心不僅包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和配套設(shè)備（如通信/存儲(chǔ)設(shè)備），還包括冗余的數(shù)據(jù)通信連接/環(huán)境控制設(shè)備/監(jiān)控設(shè)備及安全裝置，是一大型的系統(tǒng)工程。通過高度的安全性和可靠性提供及時(shí)持續(xù)的數(shù)據(jù)服務(wù)，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供良好的支持。典型的數(shù)據(jù)中心如Google/Hadoop數(shù)據(jù)中心。當(dāng)前第18頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.3管理服務(wù)層4.搜索引擎

Web搜索引擎是一個(gè)能夠在合理響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，根據(jù)用戶的查詢關(guān)鍵詞，返回一個(gè)包含相關(guān)信息的結(jié)果列表（hitslist）服務(wù)的綜合體。傳統(tǒng)的Web搜索引擎是基于查詢關(guān)鍵詞的，對(duì)于相同的關(guān)鍵詞，會(huì)得到相同的查詢結(jié)果。而物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的搜索引擎必須是從智能物體角度思考搜索引擎與物體之間的關(guān)系，主動(dòng)識(shí)別物體并提取有用信息。從用戶角度上的多模態(tài)信息利用，使查詢結(jié)果更精確，更智能，更定制化。當(dāng)前第19頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.3管理服務(wù)層5.數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)需要對(duì)海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行更透徹的感知要求對(duì)海量數(shù)據(jù)多維度整合與分析，更深入的智能化需要普適性的數(shù)據(jù)搜索和服務(wù)，需要從大量數(shù)據(jù)中獲取潛在有用的且可被人理解的模式，基本類型有關(guān)聯(lián)分析，聚類分析，演化分析等。這些需求都使用了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。當(dāng)前第20頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.3管理服務(wù)層例如用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，挖掘影響產(chǎn)量的重要因素，獲得產(chǎn)量最大化配置方式。而用于市場(chǎng)營(yíng)銷則可以通過數(shù)據(jù)庫(kù)行銷和貨籃分析等方式獲取顧客購(gòu)物取向和興趣。當(dāng)前第21頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.4綜合應(yīng)用層傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)歷了以數(shù)據(jù)為中心到以人為中心的轉(zhuǎn)化，典型應(yīng)用包括文件傳輸、電子郵件、萬(wàn)維網(wǎng)、電子商務(wù)、視頻點(diǎn)播、在線游戲和社交網(wǎng)絡(luò)等；而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以“物”或者物理世界為中心，涵蓋物品追蹤、環(huán)境感知、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)等等。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用目前正處于快速增長(zhǎng)期，具有多樣化、規(guī)?；?、行業(yè)化等特點(diǎn)。當(dāng)前第22頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.4綜合應(yīng)用層①智能物流：現(xiàn)代物流系統(tǒng)希望利用信息生成設(shè)備，如RFID設(shè)備、感應(yīng)器或全球定位系統(tǒng)等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，并能夠在這個(gè)物聯(lián)化的物流網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)智能化的物流管理。②智能交通：通過在基礎(chǔ)設(shè)施和交通工具當(dāng)中廣泛應(yīng)用信息、通訊技術(shù)來提高交通運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性、可管理性、運(yùn)輸效能同時(shí)降低能源消耗和對(duì)地球環(huán)境的負(fù)面影響。

當(dāng)前第23頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.4綜合應(yīng)用層③綠色建筑：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為綠色建筑帶來了新的力量。通過建立以節(jié)能為目標(biāo)的建筑設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，將各種設(shè)備和系統(tǒng)融合在一起，形成以智能處理為中心的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，有效的為建筑節(jié)能減排提供有力的支撐。④智能電網(wǎng)：以先進(jìn)的通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以電網(wǎng)設(shè)備間的信息交互為手段，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全為目的的先進(jìn)的現(xiàn)代化電力系統(tǒng)。當(dāng)前第24頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.1.4綜合應(yīng)用層⑤環(huán)境監(jiān)測(cè)：通過對(duì)人類和環(huán)境有影響的各種物質(zhì)的含量、排放量、以及各種環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)，跟蹤環(huán)境質(zhì)量的變化，確定環(huán)境質(zhì)量水平，為環(huán)境管理、污染治理、防災(zāi)減災(zāi)等工作提供基礎(chǔ)信息、方法指引和質(zhì)量保證。當(dāng)前第25頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)

通過專業(yè)人員對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期討論，目前可以明確以下幾點(diǎn)：首先，未來的物聯(lián)網(wǎng)需要一個(gè)開放的架構(gòu)來最大限度的滿足各種不同系統(tǒng)和分布式資源之間的互操作性需求。這些系統(tǒng)和資源既可能是來自于信息和服務(wù)的提供者，也可能來自于信息和服務(wù)的使用者或者客戶。當(dāng)前第26頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)其次，未來的物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)還需要有良好的、明確定義的、呈現(xiàn)為粒度形式的層次劃分。物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)技術(shù)應(yīng)該促進(jìn)用戶豐富的選擇權(quán)，而不應(yīng)該將用戶鎖定到必須使用某一家或者某幾家大的、處于壟斷地位的解決方案服務(wù)提供商所發(fā)布的各種應(yīng)用上。當(dāng)前第27頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)技術(shù)需要設(shè)計(jì)為可以抵御物理網(wǎng)絡(luò)中各種中斷以及干擾的形式，盡可能將這些情況所帶來的影響降低到最小程度。而且，未來的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)還需要考慮到這樣一個(gè)事實(shí)：即，以后網(wǎng)絡(luò)中的很多節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將是移動(dòng)的。當(dāng)前第28頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)最后，從對(duì)于未來物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)技術(shù)來說，要理解下列幾件事情：第一，對(duì)于身處未來物聯(lián)網(wǎng)中的各種節(jié)點(diǎn)，他們中的大多數(shù)將需要有能力與其他節(jié)點(diǎn)一起動(dòng)態(tài)的、自主的組建各式各樣的本地或者遠(yuǎn)程對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)前第29頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)第二，可以預(yù)料到，未來的物聯(lián)網(wǎng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將是海量的。物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)技術(shù)一定要同時(shí)支持移動(dòng)的“智能”與、自主的信息過濾、自主模式識(shí)別、自主機(jī)器學(xué)習(xí)以及自主判斷決策能力，要讓這些能力能夠達(dá)到各種物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)絡(luò)的邊緣地帶，而無需考慮數(shù)據(jù)是在附近產(chǎn)生的還是遠(yuǎn)程生成的。當(dāng)前第30頁(yè)\共有32頁(yè)\編于星期六\13點(diǎn)2.2未來的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)第三，在未來物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，我們要一方面使得基于事件的處理、路由、存儲(chǔ)、檢索以及引用能力成為可能，另一方面還要允許這些能力可以在離線的、非連接情況（比如，那些網(wǎng)絡(luò)連接是時(shí)斷時(shí)