第2、3講物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

第2章物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu) 2 1物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)概述2 2感知層2 3網(wǎng)絡(luò)層2 4應(yīng)用層2 5物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù) 由于物聯(lián)網(wǎng)尚處在起步階段 還沒有一個廣泛認同的體系結(jié)構(gòu) 在公開發(fā)表物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的同時 很多研究人員也提出了若干物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 例如物品萬維網(wǎng) WebofThings WoT 的體系結(jié)構(gòu) 它定義了一種面向應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng) 這是一個以用戶為中心的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 試圖把互聯(lián)網(wǎng)中成功的 面向信息獲取的萬維網(wǎng)結(jié)構(gòu)移植到物聯(lián)網(wǎng)上 用于物聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)布 檢索和獲取 當前 較具代表性的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)有歐美支持的EPCGlobal物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和日本的UbiquitousID UID 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等 我國也積極參與了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究 正在積極制訂符合社會發(fā)展實際情況的物聯(lián)網(wǎng)標準和架構(gòu) 2 1物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)概述 2 1物聯(lián)網(wǎng)的EPC體系結(jié)構(gòu)隨著全球經(jīng)濟一體化和信息網(wǎng)絡(luò)化進程的加快 為滿足對單個物品的標識和高效識別 美國麻省理工學院的自動識別實驗室 Auto ID 在美國統(tǒng)一代碼協(xié)會 UCC 的支持下 提出要在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上 利用RFID 無線通信技術(shù) 構(gòu)造一個覆蓋世界萬物的系統(tǒng) 同時還提出了電子產(chǎn)品代碼 ElectronicProductCode EPC 的概念 即每個對象都將賦予一個唯一的EPC 采用射頻識別技術(shù)的信息系統(tǒng)管理 數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)儲存由EPC網(wǎng)絡(luò)來處理 隨后 國際物品編碼協(xié)會 EAN 和美國統(tǒng)一代碼協(xié)會 UCC 于2003年9月聯(lián)合成立了非營利性組織EPCGlobal 將EPC納入了全球統(tǒng)一標識系統(tǒng) 實現(xiàn)了全球統(tǒng)一標識系統(tǒng)中的GTIN編碼體系與EPC概念的完美結(jié)合 EPCGlobal對于物聯(lián)網(wǎng)的描述是 一個物聯(lián)網(wǎng)主要由EPC編碼體系 射頻識別系統(tǒng)及EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)三部分組成 1 EPC編碼體系物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的是全球物品的信息實時共享 顯然 首先要做的是實現(xiàn)全球物品的統(tǒng)一編碼 即對在地球上任何地方生產(chǎn)出來的任何一件物品 都要給它打上電子標簽 這種電子標簽帶有一個電子產(chǎn)品代碼 并且全球唯一 電子標簽代表了該物品的基本識別信息 例如 表示 A公司于B時間在C地點生產(chǎn)的D類產(chǎn)品的第E件 目前 歐美支持的EPC編碼和日本支持的UID編碼是兩種常見的電子產(chǎn)品編碼體系 2 射頻識別系統(tǒng)射頻識別系統(tǒng)包括EPC標簽和讀寫器 EPC標簽是編號 每件商品唯一的號碼 即牌照 的載體 當EPC標簽貼在物品上或內(nèi)嵌在物品中時 該物品與EPC標簽中的產(chǎn)品電子代碼就建立起了一對一的映射關(guān)系 EPC標簽從本質(zhì)上來說是一個電子標簽 通過RFID讀寫器可以對EPC標簽的內(nèi)存信息進行讀取 這個內(nèi)存信息通常就是產(chǎn)品電子代碼 產(chǎn)品電子代碼經(jīng)讀寫器報送給物聯(lián)網(wǎng)中間件 經(jīng)處理后存儲在分布式數(shù)據(jù)庫中 用戶查詢物品信息時只要在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的地址欄中輸入物品名稱 生產(chǎn)商 供貨商等數(shù)據(jù) 就可以實時獲悉物品在供應(yīng)鏈中的狀況 目前 與此相關(guān)的標準已制定 包括電子標簽的封裝標準 電子標簽和讀寫器間的數(shù)據(jù)交互標準等 3 EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括EPC中間件 EPC信息發(fā)現(xiàn)服務(wù)和EPC信息服務(wù)三部分 EPC中間件通常指一個通用平臺和接口 是連接RFID讀寫器和信息系統(tǒng)的紐帶 它主要用于實現(xiàn)RFID讀寫器和后端應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息交互 捕獲實時信息和事件 或?qū)⑿畔⑾蛏蟼魉徒o后端應(yīng)用數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)以及ERP系統(tǒng)等 或?qū)⑿畔⑾蛳聜魉徒oRFID讀寫器 EPC信息發(fā)現(xiàn)服務(wù) DiscoveryService 包括對象名解析服務(wù) ObjectNameService ONS 以及配套服務(wù) 它基于電子產(chǎn)品代碼 獲取EPC數(shù)據(jù)訪問通道信息 目前 根ONS系統(tǒng)和配套的發(fā)現(xiàn)服務(wù)系統(tǒng)由EPCGlobal委托VeriSign公司進行運行維護 其接口標準正在形成之中 EPC信息服務(wù) EPCInformationService EPCIS 即EPC系統(tǒng)的軟件支持系統(tǒng) 用以實現(xiàn)最終用戶在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下交互EPC信息 關(guān)于EPCIS的接口和標準也正在制定中 可見 一個EPC物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)主要由EPC編碼 EPC標簽及RFID讀寫器 中間件系統(tǒng) ONS服務(wù)器和EPCIS服務(wù)器等部分構(gòu)成 如圖2 3所示 圖2 3EPC物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)示意圖 由圖2 3可以看到一個企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的基本架構(gòu) 該應(yīng)用系統(tǒng)由三大部分組成 即RFID識別系統(tǒng) 中間件系統(tǒng)和計算機互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) RFID識別系統(tǒng)包含EPC標簽和RFID讀寫器 兩者通過RFID空中接口通信 EPC標簽貼于每件物品上 中間件系統(tǒng)含有EPCIS PML PhysicalMarkupLanguage 物體標記語言 ONS及其緩存系統(tǒng) 其后端應(yīng)用數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)還包含ERP系統(tǒng)等 這些都與計算機互聯(lián)網(wǎng)相連 可及時有效地跟蹤 查詢 修改或增減數(shù)據(jù) RFID讀寫器從含有一個EPC或一系列EPC的標簽上讀取物品的電子代碼 然后將讀取的物品電子代碼送到中間件系統(tǒng)中進行處理 如果讀取的數(shù)據(jù)量較大而中間件系統(tǒng)處理不及時 可應(yīng)用ONS來儲存部分讀取數(shù)據(jù) 中間件系統(tǒng)以該EPC數(shù)據(jù)為信息源 在本地ONS服務(wù)器獲取包含該產(chǎn)品信息的EPC信息服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址 當本地ONS不能查閱到EPC編碼所對應(yīng)的EPC信息服務(wù)器地址時 可向遠程ONS發(fā)送解析請求 獲取物品的對象名稱 繼而通過EPC信息服務(wù)的各種接口獲得物品信息的各種相關(guān)服務(wù) 整個EPC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)借助計算機互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 利用在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展產(chǎn)生的通信協(xié)議和描述語言而運行 2 1 3物聯(lián)網(wǎng)的UID技術(shù)體系鑒于日本在電子標簽方面的發(fā)展 早在20世紀80年代中期就提出了實時嵌入式系統(tǒng) TRON 其中的T Engine是其體系的核心 在T Engine論壇領(lǐng)導(dǎo)下 UID中心設(shè)立于東京大學 于2003年3月成立 并得到日本政府以及大企業(yè)的支持 目前包括微軟 索尼 三菱 日立 日電 東芝 夏普 富士通 NTT DoCoMo KDDI J Phone 伊藤忠 大日本印刷 凸版印刷 理光等諸多企業(yè) 組建UID中心的目的是為了建立和普及自動識別 物品 所需的基礎(chǔ)性技術(shù) 實現(xiàn) 計算無處不在 的理想環(huán)境 UID是一個開放性的技術(shù)體系 由泛在識別碼 uCode 泛在通信器 UG 信息系統(tǒng)服務(wù)器和uCode解析服務(wù)器等部分構(gòu)成 UID使用uCode作為現(xiàn)實世界物品和場所的標識 它從uCode電子標簽中讀取uCode獲得這些設(shè)施的狀態(tài) 并控制它們 類似于PDA終端 UID可廣泛應(yīng)用于多種產(chǎn)業(yè)或行業(yè) 現(xiàn)實世界用uCode標識的物品 場所等各種實體與虛擬世界中存儲在信息服務(wù)器中的各種相關(guān)信息聯(lián)系起來 實現(xiàn)物物互聯(lián) 2 1 4構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的原則物聯(lián)網(wǎng)概念的問世 打破了傳統(tǒng)的思維模式 在提出物聯(lián)網(wǎng)概念之前 一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開 一方面是機場 公路 建筑物 而另一方面是數(shù)據(jù)中心 個人計算機 寬帶等 在物聯(lián)網(wǎng)時代 將把鋼筋混凝土 電纜與芯片 寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施 在這種意義上的基礎(chǔ)設(shè)施就像是一塊新的地球工地 世界在它上面運轉(zhuǎn) 包括經(jīng)濟管理 生產(chǎn)運行 社會管理以及個人生活等 研究物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 首先需要明確架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基本原則 以便在已有物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上 形成參考標準 物聯(lián)網(wǎng)有別于互聯(lián)網(wǎng) 互聯(lián)網(wǎng)的主要目的是構(gòu)建一個全球性的計算機通信網(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 其價值才能逐步得到展現(xiàn) 因此 設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該遵循以下幾條原則 1 多樣性原則 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型 節(jié)點的不同 分別設(shè)計多種類型的體系結(jié)構(gòu) 不能也沒有必要建立起唯一的標準體系結(jié)構(gòu) 2 時空性原則 物聯(lián)網(wǎng)尚在發(fā)展之中 其體系結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足在時間 空間和能源方面的需求 3 互聯(lián)性原則 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)需要平滑地與互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)互通 試圖另行設(shè)計一套互聯(lián)通信協(xié)議及其描述語言 是不現(xiàn)實的 4 擴展性原則 對于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的架構(gòu) 應(yīng)該具有一定的擴展性 以便最大限度地利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施 保護已投資利益 5 安全性原則 物物互聯(lián)之后 物聯(lián)網(wǎng)的安全性將比計算機互聯(lián)網(wǎng)的安全性更為重要 因此物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠防御大范圍的網(wǎng)絡(luò)攻擊 6 健壯性原則 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具備相當好的健壯性和可靠性 2 1 5實用的層次性物聯(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)進行信息交換 以實現(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) 這個定義的核心是 物聯(lián)網(wǎng)的主要特征是每一個物件都可以尋址 每一個物件都可以控制 每一個物件都可以通信 根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型和節(jié)點等情況 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)劃分有兩種情況 其一是由感知層 接入層 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的四層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 其二是由感知層 網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成的三層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 根據(jù)對物聯(lián)網(wǎng)的研究 技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的實踐觀察 目前業(yè)界將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)劃分為三個層次 感知層 網(wǎng)絡(luò)層 應(yīng)用層 并依此概括地描繪物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu) 如圖2 4所示 感知層解決的是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題 感知層可進一步劃分為兩個子層 首先是通過傳感器 數(shù)碼相機等設(shè)備采集外部物理世界的數(shù)據(jù) 然后通過RFID 條碼 工業(yè)現(xiàn)場總線 藍牙 紅外等短距離傳輸技術(shù)傳遞數(shù)據(jù) 特別是在僅傳遞物品的唯一識別碼的情況下 也可以只有數(shù)據(jù)的短距離傳輸這一層 實際上 這兩個子層有時很難明確區(qū)分開 感知層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括檢測技術(shù) 短距離有線和無線通信技術(shù)等 網(wǎng)絡(luò)層解決的是感知層所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi) 通常是長距離 傳輸?shù)膯栴} 這些數(shù)據(jù)可以通過移動通信網(wǎng) 國際互聯(lián)網(wǎng) 企業(yè)內(nèi)部網(wǎng) 各類專網(wǎng) 小型局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸 特別是當三網(wǎng)融合后 有線電視網(wǎng)也能承擔物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的功能 有利于物聯(lián)網(wǎng)的加快推進 網(wǎng)絡(luò)層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括長距離有線和無線通信技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等 應(yīng)用層解決的是信息處理和人機界面的問題 網(wǎng)絡(luò)層傳輸而來的數(shù)據(jù)在這一層里進入各類信息系統(tǒng)進行處理 并通過各種設(shè)備與人進行交互 這一層也可按形態(tài)直觀地劃分為兩個子層 一個是應(yīng)用程序?qū)?進行數(shù)據(jù)處理 它涵蓋了國民經(jīng)濟和社會的每一領(lǐng)域 包括電力 醫(yī)療 銀行 交通 環(huán)保 物流 工業(yè) 農(nóng)業(yè) 城市管理 家居生活等 包括支付 監(jiān)控 安保 定位 盤點 預(yù)測等 可用于政府 企業(yè) 社會組織 家庭 個人等 這正是物聯(lián)網(wǎng)作為深度信息化產(chǎn)物的重要體現(xiàn) 另一個是終端設(shè)備層 提供人機界面 物聯(lián)網(wǎng)雖然是 物物相連的網(wǎng) 但最終是要以人為本的 最終還是需要人的操作與控制 不過這里的人機界面已遠遠超出現(xiàn)時人與計算機交互的概念 而是泛指與應(yīng)用程序相連的各種設(shè)備與人的反饋 在各層之間 信息不是單向傳遞的 可有交互 控制等 所傳遞的信息多種多樣 這其中關(guān)鍵是物品的信息 包括在特定應(yīng)用系統(tǒng)范圍內(nèi)能唯一標識物品的識別碼和物品的靜態(tài)與動態(tài)信息 此外 軟件和集成電路技術(shù)都是各層所需的關(guān)鍵技術(shù) 2 2感知層 2 2 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 延伸和擴展 擴大通信的對象范圍 即通信不僅僅局限于人與人之間的通信 還擴展到人與現(xiàn)實世界的各種物體之間的通信 這里的 物 并不是自然物品 而是要滿足一定的條件才能夠被納入物聯(lián)網(wǎng)的范圍 例如有相應(yīng)的信息接收器和發(fā)送器 數(shù)據(jù)傳輸通路 數(shù)據(jù)處理芯片 操作系統(tǒng) 存儲空間等 遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議 在物聯(lián)網(wǎng)中有可被識別的標識 可以看到現(xiàn)實世界的物品未必能滿足這些要求 這就需要特定的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的幫助 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具體來說就是嵌入式系統(tǒng) 傳感器 RFID等 物聯(lián)網(wǎng)感知層解決的就是人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題 即各類物理量 標識 音頻 視頻數(shù)據(jù) 感知層處于三層架構(gòu)的最底層 是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ) 具有物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力 作為物聯(lián)網(wǎng)的最基本一層 感知層具有十分重要的作用 2 2 2感知層的關(guān)鍵技術(shù)感知層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括檢測技術(shù) 中低速無線或有線短距離傳輸技術(shù)等 感知層綜合了傳感器技術(shù) 嵌入式計算技術(shù) 智能組網(wǎng)技術(shù) 無線通信技術(shù) 分布式信息處理技術(shù)等 能夠通過各類集成化的微型傳感器的協(xié)作實時監(jiān)測 感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息 感知層通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理 并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知到的信息傳送到接入層的基站節(jié)點和接入網(wǎng)關(guān) 最終到達用戶終端 從而真正實現(xiàn) 無處不在 的物聯(lián)網(wǎng)的理念 1 傳感器技術(shù)人是通過視覺 嗅覺 聽覺及觸覺等感覺來感知外界信息的 感知的信息輸入大腦進行分析判斷和處理 大腦再指揮人做出相應(yīng)的動作 這是人類認識世界和改造世界具有的最基本的能力 但是通過人的五官感知外界的信息非常有限 例如 人無法利用觸覺來感知超過幾十甚至上千度的溫度 而且也不可能辨別溫度的微小變化 這就需要電子設(shè)備的幫助 同樣 利用電子儀器特別像計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動時 計算機類似于人的大腦 但僅有大腦而沒有感知外界信息的 五官 顯然是不夠的 計算機還需要它們的 五官 傳感器 傳感器是一種檢測裝置 能感受到被測的信息 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 它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié) 在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中 對各種參量進行信息采集和簡單加工處理的設(shè)備 被稱為物聯(lián)網(wǎng)傳感器 傳感器可以獨立存在 也可以與其他設(shè)備以一體方式呈現(xiàn) 但無論哪種方式 它都是物聯(lián)網(wǎng)中的感知和輸入部分 在未來的物聯(lián)網(wǎng)中 傳感器及其組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)將在數(shù)據(jù)采集前端發(fā)揮重要的作用 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 此外 按照是否具有信息處理功能來分類的意義越來越重要 特別是在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代 按照這種分類方式 傳感器可分為一般傳感器和智能傳感器 一般傳感器采集的信息需要計算機進行處理 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 具備高數(shù)據(jù)精度 高可靠性與高穩(wěn)定性 高信噪比與高分辨力 強自適應(yīng)性 低價格性能比等特點 1 新型傳感器傳感器是節(jié)點感知物質(zhì)世界的 感覺器官 用來感知信息采集點的環(huán)境參數(shù) 傳感器可以感知熱 力 光 電 聲 位移等信號 為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的處理 傳輸 分析和反饋提供最原始的數(shù)據(jù)信息 隨著電子技術(shù)的不斷進步 傳統(tǒng)的傳感器正逐步實現(xiàn)微型化 智能化 信息化 網(wǎng)絡(luò)化 同時 也正經(jīng)歷著一個從傳統(tǒng)傳感器 DumbSensor 到智能傳感器 SmartSensor 再到嵌入式Web傳感器 EmbeddedWebSensor 不斷豐富發(fā)展的過程 應(yīng)用新理論 新技術(shù) 采用新工藝 新結(jié)構(gòu) 新材料 研發(fā)各類新型傳感器 提升傳感器的功能與性能 降低成本 是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ) 目前 市場上已經(jīng)有大量門類齊全且技術(shù)成熟的傳感器產(chǎn)品可供選擇使用 2 智能化傳感網(wǎng)節(jié)點技術(shù)所謂智能化傳感網(wǎng)節(jié)點 是指一個微型化的嵌入式系統(tǒng) 在感知物質(zhì)世界及其變化的過程中 需要檢測的對象很多 例如溫度 壓力 濕度 應(yīng)變等 因此需要微型化 低功耗的傳感網(wǎng)節(jié)點來構(gòu)成傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)層支持平臺 所以需要針對低功耗傳感網(wǎng)節(jié)點設(shè)備的低成本 低功耗 小型化 高可靠性等要求 研制低速 中高速傳感網(wǎng)節(jié)點核心芯片 以及集射頻 基帶 協(xié)議 處理于一體 具備通信 處理 組網(wǎng)和感知能力的低功耗片上系統(tǒng) 針對物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用 研制系列節(jié)點產(chǎn)品 這不但需要采用MEMS加工技術(shù) 設(shè)計符合物聯(lián)網(wǎng)要求的微型傳感器 使之可識別 配接多種敏感元件 并適用于主被動各種檢測方法 而且傳感網(wǎng)節(jié)點還應(yīng)具有強抗干擾能力 以適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的需求 如何利用傳感網(wǎng)節(jié)點具有的局域信號處理功能 在傳感網(wǎng)節(jié)點附近局部完成一定的信號處理 使原來由中央處理器實現(xiàn)的串行處理 集中決策的系統(tǒng) 成為一種并行的分布式信息處理系統(tǒng) 這還需要開發(fā)基于專用操作系統(tǒng)的節(jié)點級系統(tǒng)軟件 2 RFID技術(shù)RFID是射頻識別 RadioFrequencyIdentification 的英文縮寫 是20世紀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現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實現(xiàn)物體識別 RFID既可以看成是一種設(shè)備標識技術(shù) 也可以歸類為短距離傳輸技術(shù) RFID是一種能夠讓物品 開口說話 的技術(shù) 也是物聯(lián)網(wǎng)感知層的一個關(guān)鍵技術(shù) 在對物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想中 RFID標簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息 通過有線或無線的方式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 進而通過開放式的計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交換和共享 實現(xiàn)對物品的 透明 管理 RFID系統(tǒng)主要由三部分組成 電子標簽 Tag 讀寫器 Reader 和天線 Antenna 其中 電子標簽芯片具有數(shù)據(jù)存儲區(qū) 用于存儲待識別物品的標識信息 讀寫器是將約定格式的待識別物品的標識信息寫入電子標簽的存儲區(qū)中 寫入功能 或在讀寫器的閱讀范圍內(nèi)以無接觸的方式將電子標簽內(nèi)保存的信息讀取出來 讀出功能 天線用于發(fā)射和接收射頻信號 往往內(nèi)置在電子標簽和讀寫器中 RFID技術(shù)的工作原理是 電子標簽進入讀寫器產(chǎn)生的磁場后 讀寫器發(fā)出的射頻信號憑借感應(yīng)電流所獲得的能量將存儲在芯片中的產(chǎn)品信息 無源標簽或被動標簽 發(fā)送出 或者主動發(fā)送某一頻率的信號 有源標簽或主動標簽 讀寫器讀取信息并解碼后 送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理 由于RFID具有無需接觸 自動化程度高 耐用可靠 識別速度快 適應(yīng)各種工作環(huán)境 可實現(xiàn)高速和多標簽同時識別等優(yōu)勢 因此應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 如物流和供應(yīng)鏈管理 門禁安防系統(tǒng) 道路自動收費 航空行李處理 文檔追蹤 圖書館管理 電子支付 生產(chǎn)制造和裝配 物品監(jiān)視 汽車監(jiān)控 動物身份標識等 以簡單RFID系統(tǒng)為基礎(chǔ) 結(jié)合已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 數(shù)據(jù)庫技術(shù) 中間件技術(shù)等 構(gòu)筑一個由大量聯(lián)網(wǎng)的讀寫器和無數(shù)移動的標簽組成的 比Internet更為龐大的物聯(lián)網(wǎng) 已成為RFID技術(shù)發(fā)展的趨勢 RFID主要采用ISO和IEC制定的技術(shù)標準 目前可供射頻卡使用的射頻技術(shù)標準有ISO IEC10536 ISO IEC14443 ISO IEC15693和ISO IEC18000 應(yīng)用最多的是ISO IEC14443和ISO IEC15693 這兩個標準都由物理特性 射頻功率和信號接口 初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分組成 RFID與人們常見的條形碼相比 比較明顯的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面 1 讀寫器可同時識讀多個RFID標簽 2 讀寫時不需要光線 不受非金屬覆蓋的影響 即使在嚴酷 骯臟的條件下仍然可以讀取 3 存儲容量大 可以反復(fù)讀 寫 4 可以在高速運動中讀取 當然 目前RFID還存在許多技術(shù)難點 主要集中在 RFID反碰撞 防沖突問題 RFID天線研究 工作頻率的選擇 安全與隱私等方面 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)成計算機內(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)備自動識讀以實現(xiàn)信息的自動處理 與一維條形碼相比 二維碼有著明顯的優(yōu)勢 歸納起來主要有以下幾個方面 數(shù)據(jù)容量更大 二維碼能夠在橫向和縱向兩個方位同時表達信息 因此能在很小的面積內(nèi)表達大量的信息 超越了字母數(shù)字的限制 條形碼相對尺寸小 具有抗損毀能力 此外 二維碼還可以引入保密措施 其保密性較一維碼要強很多 二維碼可分為堆疊式 行排式二維碼和矩陣式二維碼 其中 堆疊式 行排式二維碼形態(tài)上是由多行短截的一維碼堆疊而成 矩陣式二維碼以矩陣的形式組成 在矩陣相應(yīng)元素位置上用 點 表示二進制 1 用 空 表示二進制 0 并由 點 和 空 的排列組成代碼 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 每個字符占有一定的寬度 具有一定的校驗功能等 二維碼的特點歸納如下 1 高密度編碼 信息容量大 二維碼可容納多達1850個大寫字母或2710個數(shù)字或1108個字節(jié)或500多個漢字 比普通條碼信息容量高幾十倍 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)字化的信息進行編碼 并用條碼表示 3 容錯能力強 具有糾錯功能 二維碼因穿孔 污損等引起局部損壞時 甚至損壞面積達50 時 仍可以正確得到識讀 4 譯碼可靠性高 二維碼比普通條碼百萬分之二的譯碼錯誤率要低得多 誤碼率不超過千萬分之一 5 可引入加密措施 二維碼保密性 防偽性好 6 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 與RFID相比 二維碼最大的優(yōu)勢在于成本較低 一條二維碼的成本僅為幾分錢 而RFID標簽因其芯片成本較高 制造工藝復(fù)雜 價格較高 RFID與二維碼功能比較見表2 1 表2 1RFID與二維碼功能比較 4 ZigBee技術(shù)ZigBee是一種短距離 低功耗的無線傳輸技術(shù) 是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(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) 并且可使用三個頻段 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 與藍牙相比 ZigBee更簡單 速率更慢 功率及費用也更低 同時 由于ZigBee技術(shù)的低速率和通信范圍較小的特點 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 1 數(shù)據(jù)傳輸速率低 只有10kb s 250kb s 專注于低傳輸應(yīng)用 2 低功耗 ZigBee設(shè)備只有激活和睡眠兩種狀態(tài) 而且ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通信循環(huán)次數(shù)非常少 工作周期很短 所以一般來說兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月以上 3 成本低 因為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低 協(xié)議簡單 所以大大降低了成本 4 網(wǎng)絡(luò)容量大 ZigBee支持星形 簇形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備 也就是說 每個ZigBee設(shè)備可以與另外254臺設(shè)備相連接 5 有效范圍小 ZigBee的有效傳輸距離為10m 75m 具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定 基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境 6 工作頻段靈活 使用的頻段分別為2 4GHz 868MHz 歐洲 及915MHz 美國 均為免執(zhí)照頻段 7 可靠性高 ZigBee采用了碰撞避免機制 同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙 避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突 節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)功能 信息在整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由的方式進行傳輸 從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?8 時延短 ZigBee針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短 9 安全性高 ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒定功能 采用AES 128加密算法 同時根據(jù)具體應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性 由于ZigBee技術(shù)具有成本低 組網(wǎng)靈活等特點 可以嵌入各種設(shè)備 在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮了重要作用 其應(yīng)用領(lǐng)域主要有PC外設(shè) 鼠標 鍵盤 游戲操控桿 消費類電子設(shè)備 電視機 CD VCD DVD等設(shè)備上的遙控裝置 家庭內(nèi)智能控制 照明 煤氣計量控制及報警等 玩具 電子寵物 醫(yī)護 監(jiān)視器和傳感器 工控 監(jiān)視器 傳感器和自動控制設(shè)備 等 5 藍牙藍牙 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)與計算機技術(shù)進一步結(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)實現(xiàn)相互通信或操作的一種技術(shù) 藍牙采用高速跳頻 FrequencyHopping 和時分多址 TimeDivisionMultipleAccess TDMA 等先進技術(shù) 支持點對點及點對多點通信 其傳輸頻段為全球公共通用的2 4GHz頻段 能提供1Mb s的傳輸速率和10m的傳輸距離 并采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸 藍牙除具有和ZigBee一樣 可以全球范圍適用 功耗低 成本低 抗干擾能力強等特點外 還有許多它自己的特點 1 同時可傳輸話音和數(shù)據(jù) 藍牙采用電路交換和分組交換技術(shù) 支持異步數(shù)據(jù)信道 三路話音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步話音同時傳輸?shù)男诺?2 可以建立臨時性的對等連接 Ad HocConnection 3 開放的接口標準 為了推廣藍牙技術(shù)的使用 藍牙技術(shù)聯(lián)盟 BluetoothSIG 將藍牙的技術(shù)標準全部公開 全世界范圍內(nèi)的任何單位和個人都可以進行藍牙產(chǎn)品的開發(fā) 只要最終通過BluetoothSIG的藍牙產(chǎn)品兼容性測試 就可以推向市場 藍牙作為一種電纜替代技術(shù) 主要有以下三類應(yīng)用 話音 數(shù)據(jù)接入 外圍設(shè)備互連和個人局域網(wǎng) PAN 在物聯(lián)網(wǎng)的感知層 主要是用于數(shù)據(jù)接入 藍牙技術(shù)有效地簡化了移動通信終端設(shè)備之間的通信 也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)之間的通信 從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速 高效 為無線通信拓寬了道路 2 3網(wǎng)絡(luò)層 2 3 1網(wǎng)絡(luò)層的功能物聯(lián)網(wǎng)的網(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 主要承擔著數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?特別是當三網(wǎng)融合后 有線電視網(wǎng)也能承擔數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?在物聯(lián)網(wǎng)中 要求網(wǎng)絡(luò)層能夠把感知層感知到的數(shù)據(jù)無障礙 高可靠性 高安全性地進行傳送 它解決的是感知層所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi) 尤其是遠距離的傳輸問題 同時 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層將承擔比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更大的數(shù)據(jù)量和面臨更高的服務(wù)質(zhì)量要求 所以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)尚不能滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求 這就意味著物聯(lián)網(wǎng)需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行融合和擴展 利用新技術(shù)以實現(xiàn)更加廣泛和高效的互聯(lián)功能 由于廣域通信網(wǎng)絡(luò)在早期物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的缺位 早期的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用往往在部署范圍 應(yīng)用領(lǐng)域等諸多方面有所局限 終端之間以及終端與后臺軟件之間都難以開展協(xié)同 隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展 建立端到端的全局網(wǎng)絡(luò)將成為必須 2 3 2網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)由于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層是建立在Internet和移動通信網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的 除具有目前已經(jīng)比較成熟的如遠距離有線 無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)外 為實現(xiàn) 物物相連 的需求 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層將綜合使用IPv6 2G 3G Wi Fi等通信技術(shù) 實現(xiàn)有線與無線的結(jié)合 寬帶與窄帶的結(jié)合 感知網(wǎng)與通信網(wǎng)的結(jié)合 同時 網(wǎng)絡(luò)層中的感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù) 感知數(shù)據(jù)管理與處理技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲 查詢 分析 挖掘 理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的技術(shù) 下面將對物聯(lián)網(wǎng)依托的Internet 移動通信網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三種主要網(wǎng)絡(luò)形態(tài)以及涉及的IPv6 Wi Fi等關(guān)鍵技術(shù)進行簡單介紹 1 InternetInternet 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 它是一個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 服務(wù)器工作模式 凡是使用TCP IP協(xié)議 并能與Internet中任意主機進行通信的計算機 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)也被認為是Internet的進一步延伸 Internet將作為物聯(lián)網(wǎng)主要的傳輸網(wǎng)絡(luò)之一 然而為了讓Internet適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)量和多終端的要求 業(yè)界正在發(fā)展一系列新技術(shù) 其中 由于Internet中用IP地址對節(jié)點進行標識 而目前的IPv4受制于資源空間耗竭 已經(jīng)無法提供更多的IP地址 所以IPv6以其近乎無限的地址空間將在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重大作用 引入IPv6技術(shù) 使網(wǎng)絡(luò)不僅可以為人類服務(wù) 還將服務(wù)于眾多硬件設(shè)備 如家用電器 傳感器 遠程照相機 汽車等 它將使物聯(lián)網(wǎng)無所不在 無處不在地深入社會的每個角落 2 移動通信網(wǎng)絡(luò)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行話音等服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)就是移動通信網(wǎng)絡(luò) 移動通信網(wǎng)絡(luò)由無線接入網(wǎng) 核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)三部分組成 無線接入網(wǎng)主要為移動終端提供接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)主要為各種業(yè)務(wù)提供交換和傳輸服務(wù) 從通信技術(shù)層面看 移動通信網(wǎng)絡(luò)的基本技術(shù)可分為傳輸技術(shù)和交換技術(shù)兩大類 在物聯(lián)網(wǎng)中 終端需要以有線或無線方式連接起來 發(fā)送或者接收各類數(shù)據(jù) 同時 考慮到終端連接的方便性 信息基礎(chǔ)設(shè)施的可用性 不是所有地方都有方便的固定接入能力 以及某些應(yīng)用場景本身需要監(jiān)控的目標就是在移動狀態(tài)下 因此 移動通信網(wǎng)絡(luò)以其覆蓋廣 建設(shè)成本低 部署方便 終端具備移動性等特點將成為物聯(lián)網(wǎng)重要的接入手段和傳輸載體 為人與人之間 人與網(wǎng)絡(luò)之間 物與物之間的通信提供服務(wù) 在移動通信網(wǎng)絡(luò)中 當前比較熱門的接入技術(shù)有3G Wi Fi和WiMAX 在移動通信網(wǎng)絡(luò)中 3G是指第三代支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù) 3G網(wǎng)絡(luò)則綜合了蜂窩 無繩 集群 移動數(shù)據(jù) 衛(wèi)星等各種移動通信系統(tǒng)的功能 與固定電信網(wǎng)的業(yè)務(wù)兼容 能同時提供話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 3G的目標是實現(xiàn)所有地區(qū) 城區(qū)與野外 的無縫覆蓋 從而使用戶在任何地方均可以使用系統(tǒng)所提供的各種服務(wù) 3G包括三種主要國際標準 即CDMA2000 WCDMA和TD SCDMA 其中TD SCDMA是由中國第一個提出的 以我國知識產(chǎn)權(quán)為主的 被國際上廣泛接受和認可的無線通信國際標準 Wi Fi全稱WirelessFidelity 無線保真技術(shù) 傳輸距離有幾百米 可實現(xiàn)各種便攜設(shè)備 手機 筆記本電腦 PDA等 在局部區(qū)域內(nèi)的高速無線連接或接入局域網(wǎng) Wi Fi是由接入點 AccessPoint AP 和無線網(wǎng)卡組成的無線網(wǎng)絡(luò) 主流的Wi Fi技術(shù)無線標準有IEEE802 11b及IEEE802 11g兩種 可分別提供11Mb s和54Mb s兩種傳輸速率 WiMAX全稱為WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess 全球微波接入互操作性 是一種城域網(wǎng) MAN 無線接入技術(shù) 它是針對微波和毫米波頻段提出的一種空中接口標準 其信號傳輸半徑可以達到50km 基本上能覆蓋到城郊 正是由于這種遠距離傳輸特性 WiMAX不僅能解決無線接入問題 還能作為有線網(wǎng)絡(luò)接入 有線電視 DSL 的無線擴展 方便地實現(xiàn)邊遠地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)連接 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)進行連接 從而將各自采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸匯總 以實現(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)這些信息進行相應(yīng)的分析和處理 很多文獻將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)歸為感知層技術(shù) 實際上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)貫穿物聯(lián)網(wǎng)的三個層面 是結(jié)合了計算機 通信 傳感器三項技術(shù)的一門新興技術(shù) 具有較大范圍 低成本 高密度 靈活布設(shè) 實時采集 全天候工作的優(yōu)勢 且對物聯(lián)網(wǎng)其他產(chǎn)業(yè)具有顯著帶動作用 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 無線傳感器網(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) 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比較 它具有如下特點 1 節(jié)點數(shù)目更為龐大 上千甚至上萬 節(jié)點分布更為密集 2 由于環(huán)境影響和存在能量耗盡問題 節(jié)點更容易出現(xiàn)故障 3 環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變化 4 通常情況下 大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的 5 傳感器節(jié)點具有的能量 處理能力 存儲能力和通信能力等都十分有限 因此 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標是能源的高效利用 主要涉及節(jié)能 定位 時間同步等關(guān)鍵技術(shù) 這也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一 2 4應(yīng)用層 2 4 1應(yīng)用層的功能應(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行分析和處理 做出正確的控制和決策 實現(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界面的問題 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可分為監(jiān)控型 物流監(jiān)控 污染監(jiān)控 查詢型 智能檢索 遠程抄表 控制性 智能交通 智能家居 路燈控制 和掃描型 手機錢包 高速公路不停車收費 等 目前 軟件開發(fā) 智能控制技術(shù)發(fā)展迅速 應(yīng)用層技術(shù)會為用戶提供豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 同時 各種行業(yè)和家庭應(yīng)用的開發(fā)會推動物聯(lián)網(wǎng)的普及 也會給整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈帶來利潤 2 4 2應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層能夠為用戶提供豐富多彩的業(yè)務(wù)體驗 然而 如何合理 高效地處理從網(wǎng)絡(luò)層傳來的海量數(shù)據(jù) 并從中提取有效信息 是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層要解決的一個關(guān)鍵問題 下面將對應(yīng)用層的M2M 用于處理海量數(shù)據(jù)的云計算等關(guān)鍵技術(shù)進行簡單介紹 1 M2MM2M是Machine to Machine 機器對機器 的縮寫 根據(jù)不同應(yīng)用場景 往往也被解釋為Man to Machine 人對機器 Machine to Man 機器對人 Mobile to Machine 移動網(wǎng)絡(luò)對機器 Machine to Mobile 機器對移動網(wǎng)絡(luò) Machine一般特指人造的機器設(shè)備 而物聯(lián)網(wǎng) InternetofThings 中的Things則是指更抽象的物體 范圍更廣 例如 樹木和動物屬于Things 可以被感知 被標記 屬于物聯(lián)網(wǎng)的研究范疇 但它們不是Machine 不是人為事物 冰箱則屬于Machine 同時也是一種Things 所以 M2M可以看做是物聯(lián)網(wǎng)的子集或應(yīng)用 M2M是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)普遍的應(yīng)用形式 是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的第一步 M2M業(yè)務(wù)現(xiàn)階段通過結(jié)合通信技術(shù) 自動控制技術(shù)和軟件智能處理技術(shù) 實現(xiàn)對機器設(shè)備信息的自動獲取和自動控制 這個階段通信的對象主要是機器設(shè)備 尚未擴展到任何物品 在通信過程中 也以使用離散的終端節(jié)點為主 并且 M2M的平臺也不等于物聯(lián)網(wǎng)運營的平臺 它只解決了物與物的通信 解決不了物聯(lián)網(wǎng)智能化的應(yīng)用 所以 隨著軟件的發(fā)展 特別是應(yīng)用軟件和中間件軟件的發(fā)展 M2M平臺可以逐漸過渡到物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用平臺上 M2M將多種不同類型的通信技術(shù)有機地結(jié)合在一起 將數(shù)據(jù)從一臺終端傳送到另一臺終端 也就是機器與機器的對話 M2M技術(shù)綜合了數(shù)據(jù)采集 GPS 遠程監(jiān)控 電信 工業(yè)控制等技術(shù) 可以在安全監(jiān)測 自動抄表 機械服務(wù) 維修業(yè)務(wù) 自動售貨機 公共交通系統(tǒng) 車隊管理 工業(yè)流程自動化 電動機械 城市信息化等環(huán)境中運行并提供廣泛的應(yīng)用和解決方案 M2M技術(shù)的目標就是使所有機器設(shè)備都具備聯(lián)網(wǎng)和通信能力 其核心理念就是網(wǎng)絡(luò)一切 NetworkEverything 隨著科學技術(shù)的發(fā)展 越來越多的設(shè)備具有了通信和聯(lián)網(wǎng)能力 網(wǎng)絡(luò)一切逐步變?yōu)楝F(xiàn)實 M2M技術(shù)具有非常重要的意義 有著廣闊的市場和應(yīng)用 會推動社會生產(chǎn)方式和生活方式的新一輪變革 2 云計算云計算 CloudComputing 是分布式計算 DistributedComputing 并行計算 ParallelComputing 和網(wǎng)格計算 GridComputing 的發(fā)展 或者說是這些計算機科學概念的商業(yè)實現(xiàn) 云計算通過共享基礎(chǔ)資源 硬件 平臺 軟件 的方法 將巨大的系統(tǒng)池連接在一起以提供各種IT服務(wù) 這樣企業(yè)與個人用戶無需再投入昂貴的硬件購置成本 只需要通過互聯(lián)網(wǎng)來租賃計算力等資源 用戶可以在多種場合 利用各類終端 通過互聯(lián)網(wǎng)接入云計算平臺來共享資源 云計算涵蓋的業(yè)務(wù)范圍一般有狹義和廣義之分 狹義云計算指IT基礎(chǔ)設(shè)施的交付和使用模式 通過網(wǎng)絡(luò)以按需 易擴展的方式獲得所需的資源 硬件 平臺 軟件 提供資源的網(wǎng)絡(luò)被稱為 云 云 中的資源在使用者看來是可以無限擴展的 并且可以隨時獲取 按需使用 隨時擴展 按使用付費 這種特性經(jīng)常被稱為像水電一樣使用的IT基礎(chǔ)設(shè)施 廣義云計算指服務(wù)的交付和使用模式 通過網(wǎng)絡(luò)以按需 易擴展的方式獲得所需的服務(wù) 這種服務(wù)可以是與IT和軟件 互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的 也可以使用任意其他的服務(wù) 云計算具有強大的處理能力 存儲能力 帶寬和極高的性價比 可以有效用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和業(yè)務(wù) 也是應(yīng)用層能提供眾多服務(wù)的基礎(chǔ) 它可以為各種不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供統(tǒng)一的服務(wù)交付平臺 可以為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供海量的計算和存儲資源 還可以提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲格式和數(shù)據(jù)處理方法 利用云計算可大大簡化應(yīng)用的交付過程 降低交付成本 并能提高處理效率 同時 物聯(lián)網(wǎng)也將成為云計算最大的用戶 促使云計算取得更大的商業(yè)成功 3 人工智能人工智能 ArtificialIntelligence 是探索 研究使各種機器模擬人的某些思維過程和智能行為 如學習 推理 思考 規(guī)劃等 使人類的智能得以物化與延伸的一門學科 目前對人工智能的定義大多可劃分為四類 即機器 像人一樣思考 像人一樣行動 理性地思考 和 理性地行動 人工智能企圖了解智能的實質(zhì) 并生產(chǎn)出一種新的能以與人類智能相似的方式作出反應(yīng)的智能機器 該領(lǐng)域的研究包括機器人 語言識別 圖像識別 自然語言處理和專家系統(tǒng)等 目前主要的方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 進化計算和粒度計算三種 在物聯(lián)網(wǎng)中 人工智能技術(shù)主要負責分析物品所承載的信息內(nèi)容 從而實現(xiàn)計算機自動處理 人工智能技術(shù)的優(yōu)點在于 大大改善操作者作業(yè)環(huán)境 減輕工作強度 提高作業(yè)質(zhì)量和工作效率 一些危險場合或重點施工應(yīng)用得到解決 環(huán)保 節(jié)能 提高機器的自動化程度及智能化水平 提高設(shè)備的可靠性 降低維護成本 實現(xiàn)故障診斷的智能化等 4 數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)挖掘 DataMining 是從大量的 不完全的 有噪