物聯(lián)網(wǎng)層次結構

1、第第 I 章章 物聯(lián)網(wǎng)基礎物聯(lián)網(wǎng)基礎 物聯(lián)網(wǎng)層次結構以及與互聯(lián)網(wǎng)的關系學習任務學習任務物聯(lián)網(wǎng)層次結構物聯(lián)網(wǎng)層次結構物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關系物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關系122物聯(lián)網(wǎng)的層次結構物聯(lián)網(wǎng)的層次結構 在研究物聯(lián)網(wǎng)的層次結構之前，我們先來了解一下我們對客觀物理世界的感知和處理過程： 依據(jù)感知器官來感知信息； 由神經(jīng)系統(tǒng)傳遞給大腦； 大腦綜合感知的信息和存儲的知識來做出判斷，以選擇最佳方案。3物聯(lián)網(wǎng)的層次結構物聯(lián)網(wǎng)的層次結構 如果將人對問題智慧處理的能力形式與物聯(lián)網(wǎng)工作過程做一個比較，不難看出兩者也有驚人的相似之處。 人的感官用來獲取信息，人的神經(jīng)用來傳輸信息，人的大腦用來處理信息，使人具有智慧處理各種

2、問題的能力。 物聯(lián)網(wǎng)處理問題同樣也要經(jīng)過三個過程：全面感知、可靠傳輸、智能應用（處理）4物聯(lián)網(wǎng)的層次結構物聯(lián)網(wǎng)的層次結構物聯(lián)網(wǎng)工作過程與人的智能物聯(lián)網(wǎng)工作過程與人的智能處理問題過程處理問題過程比較比較5物聯(lián)網(wǎng)的層次結構物聯(lián)網(wǎng)的層次結構 設計一個復雜的、龐大的系統(tǒng)必然要采用“化整為零，分而治之”的“分層結構”思想。 物聯(lián)網(wǎng)是一個形式多樣、涉及社會生活各個領域的復雜系統(tǒng)。從實現(xiàn)技術角度看，物聯(lián)網(wǎng)的特點是：網(wǎng)絡的異構性，規(guī)模的差異性，接入的多樣性。6物聯(lián)網(wǎng)的層次結構物聯(lián)網(wǎng)的層次結構 物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的規(guī)劃、設計和實現(xiàn)涉及多種技術，屬于交叉學科的范疇。 盡管物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結構復雜，不同物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的功能、

3、規(guī)模差異很大，但是它們之間必然存在著很多內(nèi)在的共性特征。 根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的技術架構，結合互聯(lián)網(wǎng)的分層模型，也可以對物聯(lián)網(wǎng)進行分層。7物聯(lián)網(wǎng)層次結構模型物聯(lián)網(wǎng)層次結構模型 物聯(lián)網(wǎng)可分為感知層、網(wǎng)絡層、應用層58物聯(lián)網(wǎng)感知層物聯(lián)網(wǎng)感知層 感知層位于物聯(lián)網(wǎng)層次結構中的最底層，主要用于采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數(shù)據(jù)等。 感知層的作用相當于人的眼、耳、鼻、喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源，其主要功能是識別物體、采集信息。 數(shù)據(jù)采集技術有多種，主要包括傳感器、RFID、多媒體信息采集、實時定位等。9物聯(lián)網(wǎng)感知層物聯(lián)網(wǎng)感知層 感知層實現(xiàn)對物理世界智

4、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體連接到網(wǎng)絡層和應用層，是實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)全面感知的基礎。 感知層中的關鍵技術包括傳感器技術、RFID技術和傳感器網(wǎng)絡等。10感知層感知層-傳感器傳感器 在物聯(lián)網(wǎng)中傳感器主要負責接收物品“講話”的內(nèi)容。 傳感器技術是從自然信源獲取信息并對獲取的信息進行處理、變換、識別的一門多學科交叉的現(xiàn)代科學與工程技術，它涉及傳感器、信息處理和識別的規(guī)劃設計、開發(fā)、制造、測試、應用及評價改進活動等內(nèi)容。11感知層感知層-傳感器傳感器 傳感器(Transducer/Sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息或自動控制執(zhí)行工作，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換為電信號或

5、其他所需形式的信息輸出，是物聯(lián)網(wǎng)采集信息的終端工具。 傳感器可以看成物聯(lián)網(wǎng)的“眼睛”、“鼻子”、“耳朵”和“指尖”，通過傳感器可實現(xiàn)自動檢測和自動控制。12感知層感知層-RFID技術技術 是物聯(lián)網(wǎng)中“讓物品開口說話”的關鍵技術，物聯(lián)網(wǎng)中RFID標簽上存著規(guī)范而具有互通性的信息，通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡把他們自動采集到中央信息系統(tǒng)中實現(xiàn)物品的識別。13感知層感知層-RFID技術技術 RFID是一種非接觸式的自動識別技術，它利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。 優(yōu)點：精度高、適應環(huán)境能力強、抗干擾能力強、操作快捷等。 從本質(zhì)上看，RFID是一種特殊的傳感器技術。14感

6、知層感知層-傳感器網(wǎng)絡傳感器網(wǎng)絡 傳感器網(wǎng)絡是由眾多傳感器節(jié)點組成、通過無線通信方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡。傳感器網(wǎng)絡將大量獨立的傳感器連接起來，實現(xiàn)采集信息的傳輸。15感知層感知層-發(fā)展方向發(fā)展方向 感知層主要由遍布各種建筑、樓宇、街道、公路橋梁、車輛、地表和管網(wǎng)中的各類傳感器、二維條形碼、RFID標簽和RFID識讀器、攝像頭、GPS、M2M（Machine to Machine）設備以及各種嵌入式終端等組成的傳感器網(wǎng)絡。是物聯(lián)網(wǎng)的基礎。 感知層的發(fā)展方向是具備更敏感、更全面的感知能力，解決傳感器設備低功耗、小型化和低成本的問題。16物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層處于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡結構模型中的第

7、二層，使用感知層并向上為應用層服務。 網(wǎng)絡層由各種私有網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。17物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層 感知層的信息經(jīng)由網(wǎng)關轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡能夠識別的信息后就傳到了網(wǎng)絡層，網(wǎng)絡層再進行信息的傳遞與處理。 網(wǎng)絡層包括2G通信網(wǎng)絡、3G通信網(wǎng)絡、Wi-Fi、互聯(lián)網(wǎng)等，信息可以經(jīng)由任何一種網(wǎng)絡或幾種網(wǎng)絡組合的形式進行傳輸。18物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層 網(wǎng)絡層還包括物聯(lián)網(wǎng)的管理中心及物聯(lián)網(wǎng)的信息中心。以提升對信息的傳輸和運營能力。物聯(lián)網(wǎng)管理中心負責物品的統(tǒng)一標識編碼管理、認證、鑒權、計費等；物聯(lián)網(wǎng)信息中心則

8、負責物品信息的存儲和統(tǒng)一分析計算處理。19網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層-關鍵技術關鍵技術 網(wǎng)絡層關鍵技術包括高/低速近/遠距離無線通信技術、低功耗路由、自組織通信、無線接入M2M通信增強、IP承載技術、網(wǎng)絡傳送技術、異構網(wǎng)絡融合接入技術以及認知無線電技術。20網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層-發(fā)展方向發(fā)展方向 網(wǎng)絡層的發(fā)展方向為多網(wǎng)絡融合以及它與感知層和應用層的更好結合。 理想中的物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡層可以把感知層感知到的信息無障礙、高可靠性、高安全性地傳輸。21物聯(lián)網(wǎng)應用層物聯(lián)網(wǎng)應用層 應用層位于物聯(lián)網(wǎng)的最上層，其使用網(wǎng)絡層為用戶提供智能應用。 應用層是物聯(lián)網(wǎng)的核心和靈魂，是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口，它包括物聯(lián)網(wǎng)

9、應用基礎設施、中間件、運行環(huán)境和集成框架、通用的基礎構件庫和行業(yè)化的應用套件等，它與行業(yè)需求相結合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用。22物聯(lián)網(wǎng)應用層物聯(lián)網(wǎng)應用層 應用層在物聯(lián)網(wǎng)的感知層和網(wǎng)絡層的支撐下，將物聯(lián)網(wǎng)技術與各類行業(yè)的應用相結合，實現(xiàn)無所不在的智能化應用。 典型應用有：智能交通、綠色農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、動物標識、遠程醫(yī)療、智能家居、環(huán)境檢測、公共安全、食品溯源、城市管理、智能物流等。 這些應用涉及的內(nèi)容可以是跨行業(yè)的，也可以是某行業(yè)內(nèi)部的；用戶可能是普通公眾，也可能是政府機構、企業(yè)組織等。23應用層應用層-關鍵技術關鍵技術 應用層的關鍵技術包括云計算、數(shù)據(jù)挖掘和SOA等。云計算和數(shù)據(jù)挖掘是海量信息智

10、能處理的基礎；SOA技術有助于實現(xiàn)快速可重用的系統(tǒng)開發(fā)和部署，可提高物聯(lián)網(wǎng)架構的擴展性，提升應用開發(fā)效率，充分整合和復用信息資源。24應用層應用層-關鍵技術關鍵技術 云計算是采用基于虛擬化、彈性規(guī)模擴展、分布式存儲、分布式計算和多租戶等技術，基于互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的一種虛擬化計算服務。 云計算提供了一個巨大的資源池，而不同的應用具有不同的需求，云計算可以根據(jù)需求對應用的資源進行動態(tài)伸縮，從而顯著提高資源的利用率。25應用層應用層-關鍵技術關鍵技術 數(shù)據(jù)挖掘一般是指從大量的數(shù)據(jù)中通過算法搜索隱藏于其中信息的過程。 數(shù)據(jù)挖掘通常與計算機科學有關，并通過統(tǒng)計、在線分析處理、情報檢索、機器學習、專家系統(tǒng)（依靠

11、過去的經(jīng)驗法則）和模式識別等諸多方法來實現(xiàn)上述目標。26應用層應用層-關鍵技術關鍵技術 SOA（Service-Oriented Architecture）面向服務的體系結構是一個組件模型，它將應用程序的不同功能單元（也叫服務）通過這些服務之間定義好的接口和契約聯(lián)系起來。可從企業(yè)外部訪問隨時可用可重用的服務27標準化的服務接口支持各種消息模式精確定義的服務契約物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關系28 傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)結構-國際標準化組織制定的開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI)。 自下而上分別為 物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 網(wǎng)絡層 傳輸層 會話層 表示層 應用層物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關系物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關系 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)有著顯著的區(qū)別，

12、同時也存在著密切的聯(lián)系。和傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)相比，物聯(lián)網(wǎng)有其鮮明的特征。 物聯(lián)網(wǎng)是各種感知技術的廣泛應用。 物聯(lián)網(wǎng)是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)上的泛在網(wǎng)絡。 物聯(lián)網(wǎng)不僅僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實施智能控制29 物聯(lián)網(wǎng)上部署了海量的多種類型傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同。傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實時性，按一定的頻率周期性地采集環(huán)境信息，不斷更新數(shù)據(jù)。30物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關系物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關系 物聯(lián)網(wǎng)技術的重要基礎和核心仍舊是互聯(lián)網(wǎng)，通過各種有線和無線網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去。物聯(lián)網(wǎng)上的傳感器定時采集的信息需要

13、通過網(wǎng)絡傳輸，由于其數(shù)量極其龐大，形成了海量信息，在傳輸過程中，為了保障數(shù)據(jù)的正確性和及時性，必須適應各種異構網(wǎng)絡和協(xié)議。31物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關系物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關系 物聯(lián)網(wǎng)不僅僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實施智能控制。 物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結合，利用云計算、模式識別等各種智能技術，擴充其應用領域，從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數(shù)據(jù)，以適應不同用戶的不同需求，發(fā)現(xiàn)新的應用領域和應用模式。32物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關系物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關系 物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)之上的一種高級網(wǎng)絡形態(tài)，它們之間最明顯的不同點是：物聯(lián)網(wǎng)的連接主體從人向“物”延伸，網(wǎng)絡社會形態(tài)從虛擬向現(xiàn)實拓展，信息采集與處理從人工為主向智能化為主轉(zhuǎn)化。33物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關系物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)關系物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)通信模型物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)通信模型 物聯(lián)網(wǎng)的通信模型借鑒了“Flat IP”的技術，將傳統(tǒng)的網(wǎng)絡結構進行了扁平化的處理，從而形成了三層的網(wǎng)絡結構。34物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)通信模型物聯(lián)網(wǎng)與互