物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

目錄

1.

物聯(lián)網(wǎng)的定義

2.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系

3.

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

目錄

1.

物聯(lián)網(wǎng)的定義

2.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系

3.

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用1.1物聯(lián)網(wǎng)概念物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱為“TheInternetofThings”，簡稱IOT。由該名稱可見，物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，物聯(lián)網(wǎng)就是通過Internet將眾多信息傳感設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)連接起來并在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)對物品身份進(jìn)行識別的分布式系統(tǒng)。

1.1物聯(lián)網(wǎng)概念物聯(lián)網(wǎng)的概念是由麻省理工學(xué)院Auto-ID研究中心于1999年提出的。當(dāng)時基于互聯(lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)、EPC標(biāo)準(zhǔn)，在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識別技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，構(gòu)造了一個實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時共享的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)。1.2物聯(lián)網(wǎng)定義目前較為公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)GPS、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)每個而不是每種物品能夠被唯一標(biāo)識后，利用識別、通信和計算等技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建的連接各種物品的網(wǎng)絡(luò)，就是人們常說的物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)中的“物”的涵義要滿足以下條件才能夠被納入“物聯(lián)網(wǎng)”的范圍：

①要有相應(yīng)信息的接收器；

②要有數(shù)據(jù)傳輸通路；

③要有一定的存儲功能；

④要有CPU；1.2物聯(lián)網(wǎng)定義

⑤要有操作系統(tǒng)；

⑥要有專門的應(yīng)用程序；

⑦要有數(shù)據(jù)發(fā)送器；

⑧遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議；

⑨在世界網(wǎng)絡(luò)中有可被識別的唯一編號。1.2物聯(lián)網(wǎng)定義

1.3

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與形成

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展跟互聯(lián)網(wǎng)是分不開的，主要兩個層面的意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展；第二，物聯(lián)網(wǎng)是比互聯(lián)網(wǎng)更為龐大的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)連接延伸到了任何的物品和物品之間，這些物品可以通過各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接在一起，進(jìn)行更為復(fù)雜的信息交換和通信。一般認(rèn)為,物聯(lián)網(wǎng)具有以下的三大特征:1）

全面感知利用RFID

、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取和采集物體的信息。2）可靠傳遞通過無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時準(zhǔn)確地傳遞給用戶。1.4

物聯(lián)網(wǎng)的三大特征

3）智能處理利用云計算、數(shù)據(jù)挖掘以及模糊識別等人工智能技術(shù)，對海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對物體實(shí)施智能化的控制。物聯(lián)網(wǎng)概念模型

1.4

物聯(lián)網(wǎng)的三大特征

目錄

1.

物聯(lián)網(wǎng)的定義

2.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系

3.

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

2.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論物聯(lián)網(wǎng)是典型的交叉學(xué)科，它所涉及的核心技術(shù)包括IPv6技術(shù)、云計算技術(shù)、傳感技術(shù)、RFID智能識別技術(shù)、無線通信技術(shù)等。因此，從技術(shù)角度講，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)主要涉及的專業(yè)有：計算機(jī)科學(xué)與工程、電子與電氣工程、電子信息與通訊、自動控制、遙感與遙測、精密儀器、電子商務(wù)等等。歐盟于2009年9月發(fā)布的《歐盟物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略研究路線圖》白皮書中列出13類關(guān)鍵技術(shù)，包括：標(biāo)識技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)和信號處理技術(shù)、軟件和算法、發(fā)現(xiàn)與搜索引擎技術(shù)、電源和能量儲存技術(shù)等。

2.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論2.2物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)2.2物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)感知層實(shí)現(xiàn)對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制，并通過通信模塊將物理實(shí)體連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，包括延伸網(wǎng)、接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)層可依托公眾電信網(wǎng)和互璇網(wǎng)．也可以依托行業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層類似于人類社會的“分工”，包括應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施／中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施／中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供信息處理、計算等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力及資源調(diào)用接口，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領(lǐng)域的各種應(yīng)用。2.2物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)2.3

物聯(lián)網(wǎng)感知層關(guān)鍵技術(shù)1.RFID技術(shù)2.

條形碼3.傳感器技術(shù)4.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)5.產(chǎn)品電子代碼EPC2.3.1

RFID技術(shù)

RFID(RadioFrequencyIdentification)，即射頻識別，俗稱電子標(biāo)簽。RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。通過射頻信號自動識別對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)完成信息的自動采集工作，RFID是物聯(lián)網(wǎng)最關(guān)鍵的一個技術(shù)，它為物體貼上電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)高效靈活的管理。RFID基本上是由3部分組成:

1）標(biāo)簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象；2）閱讀器(Reader)或讀寫器：讀取(有時還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備,可設(shè)計為手持式或固定式;

3）天線(Antenna)：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。2.3.1

RFID技術(shù)RFID標(biāo)簽打印機(jī)2.3.1

RFID技術(shù)感應(yīng)式讀寫器2.3.1

RFID技術(shù)RFID工作原理

標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(PassiveTag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(ActiveTag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽)；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。2.3.1

RFID技術(shù)條形碼是一種信息的圖形化表示方法，可以把信息制作成條形碼，然后用相應(yīng)的掃描設(shè)備把其中的信息輸入到計算機(jī)中。條形碼掃描器一維條形碼2.3.2

條形碼條形碼分為一維條碼和二維條碼，一維條形碼將寬度不等的多個黑條和空白，按一定的編碼規(guī)則排列，用以表達(dá)一組信息的圖形標(biāo)識符。二維條形碼是在二維空間水平和豎直方向存儲信息的條形碼。它的優(yōu)點(diǎn)是信息容量大，譯碼可靠性高，糾錯能力強(qiáng)，制作成本低，保密與防偽性能好。2.3.2

條形碼傳感器是指能感知預(yù)定的被測指標(biāo)并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件和裝置，通常有敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。2.3.3

傳感器技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)是在傳感器基礎(chǔ)上增加了協(xié)同、計算、通信功能構(gòu)成了具有感知能力、計算能力和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)。智能化是傳感器的重要特點(diǎn)，嵌入式智能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)傳感器智能化的重要手段。2.3.3

傳感器技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,wirelesssensornetwork)它是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng),以其低成本、微型化、低功耗和靈活的組網(wǎng)方式、鋪設(shè)方式以及適合移動目標(biāo)等特點(diǎn)受到廣泛重視,是關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全的重要技術(shù)。2.3.4

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)EPC系統(tǒng)（物聯(lián)網(wǎng)）是在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)和射頻技術(shù)RFID的基礎(chǔ)上，利用全球統(tǒng)一標(biāo)識系統(tǒng)編碼技術(shù)給每一個實(shí)體對象一個唯一的代碼，構(gòu)造了一個實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時共享的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)“Internetofthings”。2.3.5

產(chǎn)品電子代碼EPCEPC系統(tǒng)主要由如下六方面組成：（1）EPC編碼標(biāo)準(zhǔn)

（2）EPC標(biāo)簽

（3）識讀器

（4）Savant(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件)（5）對象名解析服務(wù)(ObjectNamingService：ONS)（6）實(shí)體標(biāo)記語言（PhysicalMarkupLanguagePML）2.3.5

產(chǎn)品電子代碼EPC1.ZigBee2.WIFI無線網(wǎng)絡(luò)3.藍(lán)牙技術(shù)4.GPS技術(shù)2.4

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。2.4.1

ZigBeeZigBee設(shè)備類型2.4.1

ZigBee1.ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）2.ZigBee路由器（Router）3.ZigBee終端設(shè)備（End-device）一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個路由器和多個終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。

2.4.2

WIFI無線網(wǎng)絡(luò)

Wi-Fi是一種可以將個人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。WIFI突出優(yōu)勢：

其一，無線電波的覆蓋范圍廣其二，傳輸速度非?？炱淙?，廠商進(jìn)入該領(lǐng)域的門檻比較低

2.4.2

WIFI無線網(wǎng)絡(luò)

Wi-Fi是一個無線網(wǎng)路通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟(Wi-FiAlliance)所持有。目的是改善基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。802.11是IEEE(電子工程師協(xié)會)最初制定的一個無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無線接入，業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取。藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。藍(lán)牙技術(shù)優(yōu)勢：穩(wěn)定、全球可用、設(shè)備范圍廣、易于使用、通用規(guī)格。2.4.3

藍(lán)牙技術(shù)GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系統(tǒng)）是利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)。全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)、歐洲“伽利略”系統(tǒng)、中國“北斗”系統(tǒng)。2.4.4

GPS技術(shù)30-100美元（模塊）成本相對較高覆蓋廣、質(zhì)量好大范圍語音和數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用無線通信約20美元高功耗、協(xié)議開銷大、需要接入點(diǎn)使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、高速率、組網(wǎng)靈活（前向、后向兼容）Web/Email/Video等相關(guān)應(yīng)用WiFi（802.11b)50美分左右缺少安全性規(guī)范和完善的標(biāo)準(zhǔn)可靠、電源和成本優(yōu)勢、組網(wǎng)方便家庭、樓宇自動化以及監(jiān)控類應(yīng)用ZigBee5-50美分無處理能力，單向成本低、無功耗物流、軍事、防偽等多種行業(yè)無源RFID低于5美元以移動電話為中心，每網(wǎng)最多8個節(jié)點(diǎn)應(yīng)用較多、成本較低且方便使用替代有線：遙感勘測、移動電子商務(wù)、數(shù)字電子設(shè)備、工業(yè)控制、智能化建筑、家庭和辦公自動化、電子商務(wù)、無線公文包、軍事藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)成本缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)主要應(yīng)用主要技術(shù)無線傳輸技術(shù)*zigbee實(shí)際的售價在100元以上1.云計算技術(shù)2.軟件和算法3.信息和隱私安全技術(shù)4.標(biāo)識和解析技術(shù)2.5

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層關(guān)鍵技術(shù)云計算具有彈性收縮、快速部署、資源抽象和按用量收費(fèi)的特性，按照云計算的服務(wù)類型可以將云分為三層：基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)、平臺即服務(wù)、軟件即服務(wù)。2.5.1

云計算技術(shù)2.5.1

云計算技術(shù)云計算涉及的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)位于最底層，該層提供的是最基本的計算和存儲能力，在這其中自動化和虛擬化是核心技術(shù)。平臺即服務(wù)位于三層服務(wù)的中間，該層涉及兩個關(guān)鍵技術(shù)：基于云的軟件開發(fā)、測試及運(yùn)行技術(shù)和大規(guī)模分布式應(yīng)用運(yùn)行環(huán)境。軟件即服務(wù)位于最頂層，該層涉及的關(guān)鍵技術(shù)：Web2.0中的Mashup、應(yīng)用多租戶技術(shù)、應(yīng)用虛擬化等技術(shù)。2.5.1

云計算技術(shù)軟件和算法在物聯(lián)網(wǎng)的信息處理和應(yīng)用集成中發(fā)揮重要作用，是物聯(lián)網(wǎng)智慧性的集中體現(xiàn)。這其中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括面向服務(wù)的體系架構(gòu)(SOA)和中間件技術(shù)，重點(diǎn)包括各種物聯(lián)網(wǎng)計算系統(tǒng)的感知信息處理、交互與優(yōu)化軟件與算法、物聯(lián)網(wǎng)計算系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與軟件平臺研發(fā)等。2.5.2

軟件和算法

面向服務(wù)的體系架構(gòu)(Service—orientedArchitecture，SOA)是一種松耦合的軟件組件技術(shù)，它將應(yīng)用程序的不同功能模塊化，并通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口和調(diào)用方式聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)快速可重用的系統(tǒng)開發(fā)和部署。中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源。2.5.2

軟件和算法安全和隱私技術(shù)包括安全體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、“智能物體”的廣泛部署對社會生活帶來的安全威脅、隱私保護(hù)技術(shù)、安全管理機(jī)制和保證措施等。為實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)廣泛部署的"智能物體"的管理，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能和適用性分析，開發(fā)適合的管理協(xié)議。2.5.3

信息和隱私安全技術(shù)是對物理實(shí)體、通信實(shí)體和應(yīng)用實(shí)體賦予的或其本身固有的一個或一組屬性，并能實(shí)現(xiàn)正確解析的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)示主要包括物體標(biāo)示和通信標(biāo)示，物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識和解析技術(shù)涉及不同的標(biāo)識體系、不同體系的互操作、全球解析或區(qū)域解析、標(biāo)識管理等。2.5.4

標(biāo)識和解析技術(shù)

目錄

1.

物聯(lián)網(wǎng)的定義

2.

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系

3.

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用3.1

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域物流管理醫(yī)療管理

交通管理

食品安全

動物識別

圖書管理

煤礦安全

資產(chǎn)管理

票證管理

汽車管理

金融支付

RFID防偽

航空管理

軍事管理環(huán)境保護(hù)

政府工作

公共安全

智能家居

智能消防

工業(yè)監(jiān)測

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)智能交通

老人護(hù)理

個人健康

人員安全目前，國外對物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)、應(yīng)用主要集中在美、歐、日、韓等少數(shù)國家，其最初的研發(fā)方向主要是條形碼、RFID等技術(shù)在商業(yè)零售、物流領(lǐng)域應(yīng)用，而隨著RFID、傳感器技術(shù)、近程通信以及計算技術(shù)等的發(fā)展，近年來其研發(fā)、應(yīng)用開始拓展到環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療、智能基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域。3.1

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域目前，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要有智能交通中的