物聯網技術與應用(2)電子教案PPT

1、第2章物聯網體系架構2.1概述 2.2感知層 2.3網絡層 2.4應用層 2.5小結2.1 概述 2.1.1 物聯網應用場景 物聯網是近年來的熱點，人人都在提物聯網，但物聯網到底是什么？究竟能做什么？本節(jié)將對幾種與普通用戶關系緊密的物聯網應用進行介紹。 物聯網在我們日常生活中的應用豐富多彩 應用場景一： 當你早上拿車鑰匙出門上班，在電腦旁待命的感應器檢測到之后就會通過互聯網絡自動發(fā)起一系列事件，比如通過短信或者喇叭自動播報今天的天氣，在電腦上顯示快捷通暢的開車路徑并估算路上所花時間，同時通過短信或者即時聊天工具告知你的同事你將馬上到達等。應用場景二： 想象一下，聯網冰箱可以監(jiān)視冰箱里的食物，在

2、我們去超市的時候，家里的冰箱會告訴我們缺少些什么，也會告訴我們食物什么時候過期。它還可以跟蹤常用的美食網站，為你收集食譜并在你的購物單里添加配料。這種冰箱知道你喜歡吃什么東西，依據的是你給每頓飯做出的評分。它可以照顧你的身體，因為它知道什么食物對你有好處。應用場景三： 用戶開通了家庭安防業(yè)務，可以通過PC或手機等終端遠程查看家里的各種環(huán)境參數、安全狀態(tài)和視頻監(jiān)控圖像。當網絡接入速度較快時，用戶可以看到一個以三維立體圖像顯示的家庭實景圖，并且采用警示燈等方式顯示危險；用戶還可以通過鼠標拖動從不同的視角查看具體情況；在網絡接入速度較慢時，用戶可以通過一個文本和簡單的圖示觀察家庭安全狀態(tài)和危險信號。

3、 物聯網應用1、高速公路不停車收費系統ETC。ETC（Electronic Toll Collection,）是電子收費系統的簡稱，是指利用車輛自動識別技術，以射頻微波或紅外方式，通過路側車道控制系統的信號發(fā)射與接收裝置天線（RSU）和車載電子標簽(OBU)進行信息交換，在不需要司機和其他收費人員采取任何操作的情況下，自動完成收取道路通行費的系統。ETC系統與傳統人工收費相比，實施ETC系統具有非常重要的意義。一是可使每車道的通行效率提高3到4倍，明顯改善收費站區(qū)車輛擁堵的現象，對緩解交通擁堵狀況起到積極現在的作用；二是對減少環(huán)境污染、節(jié)能減排貢獻顯著。據測算，采用ETC車道可減少排放二氧化碳

4、50%、一氧化碳70%；三是高速公路收費一卡通行，對全國高速公路交通一體化目標的實現具有重大意義。 物聯網應用2、基于RFID的手機錢包支付應用。水費，電費，煤氣費等等從體系架構角度可以將物聯網支持的業(yè)務應用可分為3類：P13 （1）具備物理世界認知能力的應用。（2）在網絡融合基礎上的泛在化應用。（3）基于應用目標的綜合信息服務應用。 2.1.2 物聯網需求分析 “物聯網”概念的問世，打破了之前的傳統思維。在“物聯網”時代，鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統一的基礎設施。物聯網的本質就是物理世界和數字世界的融合。物聯網是為了打破地域限制，實現物物之間按需進行的信息獲取、傳遞、存儲、融合、使

5、用等服務的網絡。物聯網應該具備如下3個能力P13 ：全面感知、可靠傳遞、智能處理（1）全面感知：利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息，包括用戶位置、周邊環(huán)境、個體喜好、身體狀況、情緒、環(huán)境溫度、濕度，以及用戶業(yè)務感受、網絡狀態(tài)等。（2）可靠傳遞：通過各種網絡融合、業(yè)務融合、終端融合、運營管理融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去。（3）智能處理：利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術，對海量數據和信息進行分析和處理，對物體進行實時智能化控制。物聯網的特性P131、可擴展性：要求網絡的性能不受網絡規(guī)模的影響：2、透明性：要求物聯網應用不依賴于特定的底層物理網絡。3、一致性：要求可以

6、跨越不同網絡的互操作性。4、可伸縮性：要求不會因為物聯網功能實體的失效導致應用性能急劇劣化至少可獲得傳統網絡的性能。 2.1.2 物聯網體系架構 目前在業(yè)界物聯網體系架構也大致被公認為有這三個層次P14，底層是用來感知數據的感知層，第二層是數據傳輸的網絡層，最上面則是內容應用層 。1感知層是物聯網的皮膚和五官識別物體，采集信息。感知層包括條形碼、二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等，主要作用是識別物體，采集信息，與人體結構中皮膚和五官的作用相似。2 網絡層是物聯網的神經中樞和大腦信息傳遞和處理。網絡層包括通信與互聯網的融合網絡、網絡管理中心和信息處理中心等。網絡層將感知層

7、獲取的信息進行傳遞和處理，類似于人體結構中的神經中樞和大腦。 3 應用層是物聯網的“社會分工”與行業(yè)需求結合，實現廣泛智能化。應用層是物聯網與行業(yè)專業(yè)技術的深度融合，與行業(yè)需求結合，實現行業(yè)智能化，這類似于人的社會分工，最終構成人類社會 。 2.2.1 感知層功能 及關鍵技術p16 一、 物聯網感知層解決的就是人類世界和物理世界的數據獲取問題，包括數據采集和數據短距離傳輸。 P15二、感知層所需要的關鍵技術包括：P16。1、傳感器技術，2、RFID技術，3、二維碼技術，4、藍牙，5、紫蜂技術ZigBee傳感器技術 計算機類似于人的大腦，而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

8、也還需要它們的“五官”傳感器。通過人的五官感知外界的信息非常有限，要借助于電子設備（也就是傳感器）的幫助。如觸覺溫度范圍及溫度的微小變化：-4060度 ，24-25水溫的感知。什么是傳感器？P16 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)律變換成電信號或其它所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、顯示、記錄、控制。也就是物聯網對事物感知和檢測功能的設備。 傳感器是攝取信息的關鍵器件，它是物聯網中不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術改造傳統產業(yè)的重要方法 傳感器功能：傳輸 處理存儲 顯示記錄 控制 傳感器分類依據：p161、比較常見的是按傳感器的物理量、工作原

9、理、輸出信號的性質 這3種方式來分類.2、物聯網上都是按信息處理功能，可分為智能傳感器：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，具備數據精度高、高可靠性與高穩(wěn)定性、高信噪比與高分辨力、強自適應性、低價格性能比等特點。一般傳感器：一般傳感器采集的信息需要計算機進行處理。RFID技術P16 1、RFID是射頻識別（Radio Frequency Identification）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，它利用射頻信號通過空間電磁耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實現物體識別。既可看做是一種設備標識技術，也可看做是一種短距離傳輸技術。2、 RF

10、ID是一種能夠讓物品“開口說話”的技術，也是物聯網感知層的一個關鍵技術。3、在對物聯網的構想中，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，實現物品（商品）的識別，進而通過開放式的計算機網絡實現信息交換和共享，實現對物品的“透明”管理。 RFID系統的組成：P171、電子標簽（Tag） ：用于存儲識別物品的標識信息2、讀寫器（Reader） ：將存儲區(qū)中的標識信息寫入或讀出。3、天線（Antenna）：發(fā)射或接收射頻信號。 RFID技術的工作原理：P171、電子標簽進入讀寫器產生的磁場后，讀寫器發(fā)出射頻信號 2、憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存

11、儲在芯片中的產品信息（無源標簽或被動標簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（有源標簽或主動標簽） 3、讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。 二維碼技術 P17 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用技術技術原理：P17二維碼在代碼編制上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的“0”和“1”比特流的概念，使用若干與二進制相對應的幾何形體來表示數值信息，并通過圖像輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息的自動處理。 二維碼的優(yōu)勢：P171、數據容量更大2、二維碼能在橫向和縱向兩個方位同時表達信息3、超越了字母數字的

12、限制4、具有抗損毀能力5、二維碼還可以引入保密措施，其保密性較一維碼要強很多。 二維碼的特點：P18（1）高密度編碼，信息容量大：可容納多達1850個大寫字母或2710個數字或1108個字節(jié)或500多個漢字，比普通條碼信息容量約高幾十倍。（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：比普通條碼譯碼錯誤率百萬分之二要低得多，誤碼率不超過千萬分之一。（5）可引入加密措施：保密性、防偽性好。（6）成本低，易制作，

13、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攝像設備識讀，十分方便。 ZigBee技術 ZigBee（紫蜂技術）來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，密蜂通過跳ZIGZAG開頭的舞蹈來通知發(fā)現新食物源的位置、距離和方向等信息，是一種簡捷的方式實現“無線”的溝通。P81-82是一種短距離、低功耗、低成本、低復雜度、低速率的無線通信技術，是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術，它是IEEE 802.15.4協議的代名詞。P18 ZigBee采用分組交換和跳頻技術，并且可使用3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915MH

14、z頻段。P18 ZigBee技術應用：短距離范圍數據傳輸率不高的各種電子設備之間。ZigBee技術技術特點：18-19數據傳輸速率低：10-250kbit/s低功耗:只有激活與睡眠2種狀態(tài)成本低 網絡容量大：可以與254臺設備相連接。支持星形、網狀、簇形網絡結構有效范圍?。?0-75M 工作頻段靈活可靠性高 ：數據發(fā)送時無競爭沖突、節(jié)點間自動動態(tài)組網、自動路由方式傳輸 時延短安全性高：AES加密算法ZIGBEE目前主要市場應用P191、PC外設：鼠標、鍵盤、游戲操控桿，2、消費類電子設備上的遙控裝置3、家庭內智能控制：照明煤氣計量控制及報警4、玩具：電子寵物5、醫(yī)護：監(jiān)視器和傳感器6、工控：監(jiān)

15、視器、傳感器和自動控制設備ZIGBEE在物聯網中的應用基于zIGBEE的無線傳感網絡具有設備能力強、傳輸速率低、設備體積小、省電、網絡自愈能力強特點，廣泛應用在家庭自動化、無線位、工業(yè)控制、醫(yī)療控制等物聯網領域。藍牙P88 藍牙技術實際上是一種短距離無線通信技術，能夠有效地簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話等移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化以上這些設備與互聯網之間的通信，從而使這些現代通信設備與互聯網之間的數據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬了道路。 P19 藍牙（Bluetooth）是一種無線數據與話音通信的開放性全球規(guī)范，和ZigBee一樣，是一種短距離的無線傳輸技術。其實

16、質是為固定設備或移動設備之間的通信環(huán)境建立通用的短距離無線接口，將通信技術與計算機技術結合起來。是各種設備在無電線或電纜相互連接的情況下能在短距離范圍內實現相互通信或操作的一種技術。 藍牙的技術特點：（1）同時可傳輸話音和數據（2）可以建立臨時性的對等連接（Ad hoc Connection)（3）開放的接口標準主要技術參數和系統參數P90藍牙的應用：P19是一種電纜替代技術1、話音/數據接入2、外圍設備互連3、個人局域網（PAN） P91藍牙核心協議1、基帶協議：為兩個或多個藍牙單元之間建立物理射頻連接。同步藍牙設備的跳頻頻點和時鐘，對所有類型的包提供不同層次的差錯校驗和數據加密。2、鏈路管

17、理協議：管理基帶層內主從網絡的運行，負責兩個或多個設備之間的鏈路設置和控制，包括傳遞驗證和加密，管理鏈路密鑰。3、邏輯鏈路控制和適配協議：位于基帶協議之上，為低層的數據服務，向上層提供面向連接和無連接的數據服務，具有協議的復用能力、分組的分割與重組以及服務質量的傳遞。4、服務發(fā)現協議：是所有用戶模式的基礎，可以查詢到設備和服務類型，從而在藍牙設備間建立相應的連接。 2.3.1 網絡層功能 網絡層主要承擔著數據傳輸的功能P201、實現無障礙高可靠性高安全性數據傳輸2、要對現有網絡進行融合擴展,承擔比現有網絡更大的數據量和現高的服務質量,實現更加廣泛和高效的互聯. 2.3.1 網絡層的關鍵技術P2

18、0 1、Internet2、移動通信網3、無線傳感器網絡InternetP20-211、物聯網也被認為是Internet的進一步延伸。2、是物聯網主要的傳輸網絡之一,要適應物聯網大數據量和多終端的要求:IPv4-IPv63、Internet將作為物聯網主要的傳輸網絡之一，它將使物聯網無所不在、無處不在地深入社會每個角落。 移動通信網P211、移動通信網由無線接入網、核心網和骨干網三部分組成。2、移動通信網為人與人之間通信、人與網絡之間的通信、物與物之間的通信提供服務。 3、在移動通信網中，當前比較熱門的接入技術有：（1）3G：CDMA、cdma2000、WCDMA、TD-SCDMA、LTE（2

19、）Wi-Fi：Wi-Fi:無線保真技術，幾百米，實現便攜式設備在局部區(qū)域內的高速無線連接或接入局域網。（3）WiMAX全球微波接入互操作性，城域網無線接入技術，實現遠距離傳輸。 無線傳感器網絡（WSN）1、基本功能：P21是將一系列空間分散的傳感器單元通過自組織的無線網絡進行連接，從而將各自采集的數據通過無線網絡進行傳輸匯總，以實現對空間分散范圍內的物理或環(huán)境狀況的協作監(jiān)控，并根據這些信息進行相應的分析和處理。2、無線傳感器網絡（WSN），貫穿物聯網的3個層面，主要側重于網絡傳輸層面。213、無線傳感器網絡的特點：P22（1）節(jié)點數目更為龐大（上千甚至上萬），節(jié)點分布更為密集（2）由于環(huán)境影響

20、和存在能量耗盡問題，節(jié)點更容易出現故障（3）環(huán)境干擾和節(jié)點故障易造成網絡拓撲結構的變化（4）通常情況下，大多數傳感器節(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 2.4.1 應用層功能 P22 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，實現智能化的管理、應用和服務。解決的是信息處理和人機界面的問題。 2.4.2 應用層關鍵技術P23-24 1、M2M2、云計算3、人工智能4、數據挖掘5、中間件1、M2M是現階段物聯網普遍的應用形式，是實現物聯網的第一步。 實現對機器設備信息的自動獲取和自動控制。2、M2M將多種不同類型的通信技術有機地結合在一起，將數據從一臺終端傳送到另一臺終端，也就是機器與機器的對話。3、M2M技術的目標就是使所有機器設備都具備聯網和通信能力，其核心理念就是網絡一切（Network Everything）。 M2MP23根據不同場景代表Machine-to-Machine ：機器對機器Man-to-Machine：人對機器Machine-to-Man：機器對人Mobile-to-Machine：移動網絡對機器Machine-to-Mobile：機器對移動網絡云計算P23-241、云計算（Cloud Computing）是分布式計