物聯(lián)網(wǎng)導論-2-物聯(lián)網(wǎng)體系結構_第1頁
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1、桂小林 11物聯(lián)網(wǎng)技術概論(課程第2章)桂小林2AR2物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的模型型最少學時時:3學時知識點:功能模型型層次模型型拓撲結構構學習目標標:熟悉物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的功功能模型型熟悉物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的層層次模型型理解功能能模型與與層次模模型之間間的關系系連接物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)常用用網(wǎng)絡拓拓撲結構構桂小林3第二章物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)體系結結構桂小林4本章內容容2.1物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)體系結結構概述述2.2物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)體系結結構的基基本組成成2.3物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關鍵技技術2.4已已有物物聯(lián)網(wǎng)相相關應用用架構桂小林52.1物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)體系結結構概述述認識任何何事物都都要有一一個從整整體到局局部的過過程,尤尤其對于于結構復復雜、功功能多樣樣的系統(tǒng)統(tǒng)。首先先

2、需要對對它的整整體結構構有所了了解,然然后才能能進一步步的去討討論其中中的細節(jié)節(jié)。體系架構構是指導具具體系統(tǒng)統(tǒng)設計的的首要前前提。物物聯(lián)網(wǎng)應應用廣泛泛,系統(tǒng)統(tǒng)規(guī)劃和和設計極極易因角角度的不不同而產(chǎn)產(chǎn)生不同同的結果果,因此此急需建建立一個個具有框框架支撐撐作用的的體系架架構。另另外,隨隨著應用用需求的的不斷發(fā)發(fā)展,各各種新技技術將逐逐漸納入入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)體系中中,體系系架構的的設計也也將決定定物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的技術術細節(jié)、應用模模式和發(fā)發(fā)展趨勢勢。桂小林6如圖2-1所示,在在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)中,任任何人和和物之間間都可以以在任何何時間、任何地地點實現(xiàn)現(xiàn)與任何何網(wǎng)絡的的無縫融融合,它它實現(xiàn)了了物理世世界的情情景(co

3、ntext)感知、處處理和控控制這一一閉環(huán)過過程真正正意義上上形成了了人-物、人-人、物-物間信息息連接的的新一代代智能互互聯(lián)網(wǎng)絡絡。桂小林7物聯(lián)網(wǎng)的的最終目目的是建建立一個個滿足人人們生產(chǎn)產(chǎn)、生活活以及對對資源、信息更更高需求求的綜合合平臺,管理跨跨組織、跨管理理域的各各種資源源和異構構設備,為上層層應用提提供全面面的資源源共享接接口,實實現(xiàn)分布布式資源源的有效效集成,提供各各種數(shù)據(jù)據(jù)的智能能計算、信息的的及時共共享,決決策的輔輔助分析析等。物聯(lián)網(wǎng)是是在傳感感網(wǎng)、互互聯(lián)網(wǎng)的的基礎上上發(fā)展起起來的桂小林8物聯(lián)網(wǎng)可可以抽象象劃分成成廣泛分分布的感感知設備備、物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)中間間件、上上層應用用三個層層

4、次,如如圖2-2所示中間件(Middleware)是位于于感知設設備和應應用之間間的通用用服務,這些服服務具有有標準的的程序接接口和協(xié)協(xié)議,即即中間件件=平臺+通信。桂小林92.2物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)體系結結構的基基本組成成由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)特點可可知,物物聯(lián)網(wǎng)具具有很強強的異構構性,為為實現(xiàn)異異構設備備之間的的互聯(lián)、互通與與互操作作,物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)需要要以一個個開放的的、分層層的、可可擴展的的網(wǎng)絡體體系結構構為框架架。目前,國國內外的的研究人人員在描描述物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的體體系結構構時,差差異很大大。如:ITU-T在Y.2002的自下而而上分為為底層泛泛在感知知網(wǎng)絡、異構網(wǎng)網(wǎng)絡接入入層、骨骨干傳輸輸網(wǎng)、網(wǎng)網(wǎng)絡中間間件、泛泛

5、在網(wǎng)絡絡應用平平臺5層結構。通用四層層物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)體系結結構,包包含感知知控制層層、數(shù)據(jù)據(jù)傳輸層層、數(shù)據(jù)據(jù)管理與與組織層層、應用用決策層層。桂小林105層結構桂小林11通用四層層結構桂小林12通用四層層結構感知控制制層:它是物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)發(fā)展展和應用用的基礎礎,包括括RFID讀寫器、智能傳傳感節(jié)點點和接入入網(wǎng)關等等組成。各種傳傳感節(jié)點點通過感感知目標標環(huán)境的的相關信信息,并并自行組組網(wǎng)傳遞遞到網(wǎng)關關接入點點,網(wǎng)關關將收集集到的數(shù)數(shù)據(jù)通過過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡提交交到后臺臺處理。數(shù)據(jù)傳輸輸層:主要負責責通過各各種接入入設備實實現(xiàn)互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)、移移動通信信網(wǎng)等不不同類型型的網(wǎng)絡絡融合。此外,還提供供路由、格式轉轉換、地地

6、址轉換換等功能能。數(shù)據(jù)的動動態(tài)組織織與管理理層:實現(xiàn)感知知數(shù)據(jù)的的語義理理解、推推理、決決策以及及提供數(shù)數(shù)據(jù)的查查詢、存存儲、分分析、挖挖掘等。云計算算為感知知數(shù)據(jù)的的存儲、分析提提供了很很好的平平臺,是是信息處處理的重重要組成成部分,也是應應用層各各種應用用的基礎礎。應用決策策層:物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)應用層層利用經(jīng)經(jīng)過分析析處理的的感知數(shù)數(shù)據(jù),為為用戶提提供多種種不同類類型的服服務。物物聯(lián)網(wǎng)的的應用可可分為監(jiān)監(jiān)控型(物流監(jiān)監(jiān)控、污污染監(jiān)控控),控控制型(智能交交通、智智能家居居),掃掃描型(手機錢錢包、高高速公路路不停車車收費)等。桂小林13感知控制制層感知是指指對客觀觀事物的的信息直直接獲取取并進行行

7、認知和和理解的的過程。人們對于于信息獲獲取的需需求促使使其不斷斷研發(fā)新新的技術術來獲取取感知信信息,如如傳感器、RFID、定位技技術等。桂小林14數(shù)據(jù)傳輸輸層物聯(lián)網(wǎng)的的數(shù)據(jù)傳傳輸層主主要進行行信息的的傳送,它是物物理感知知世界的的延伸,更好地地實現(xiàn)物與物之間的通通信、物與人之間的通通信以及及人與人之間的通通信。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)數(shù)的據(jù)傳傳輸層主主要包括括接入網(wǎng)和和核心網(wǎng)網(wǎng)兩層結構構學生調研研桂小林15數(shù)據(jù)管理理層數(shù)據(jù)管理理層則是是利用云云計算平平臺實現(xiàn)現(xiàn)海量感感知數(shù)據(jù)據(jù)的動態(tài)態(tài)組織與與管理,云計算算技術的的運用,使數(shù)以以億計的的各類物物品的實實時動態(tài)態(tài)管理變變得可能能。隨著物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)應用用的發(fā)展展、終端端

8、數(shù)量的的增長,通過借借助云計計算處理理海量信信息,進進行輔助助決策,提升物物聯(lián)網(wǎng)信信息處理理能力。(1)智能計算算(2)海量數(shù)據(jù)據(jù)存儲、檢索。桂小林16應用決策策層物聯(lián)網(wǎng)技技術綜合合了傳感感器技術術、嵌入入式計算算技術、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡及無無線通信信技術、分布式式信息處處理技術術等多種種領域技技術,具具有十分分廣闊的的應用前前景,在在智能家家居、工工農業(yè)控控制、城城市管理理、遠程程醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)監(jiān)測、搶搶險救災災、防恐恐反恐、危險區(qū)區(qū)域遠程程控制等等眾多領領域有著著廣泛的的應用價價值。桂小林17智能處理理層:智能處處理層是是整個系系統(tǒng)的核核心,它它的主要要功能是是數(shù)據(jù)存存儲和多多源數(shù)據(jù)據(jù)的協(xié)同同分析。

9、通過在在服務器器上部署署智能分分析處理理程序,針對單單一探測測器所采采集的數(shù)數(shù)據(jù),調調用相應應的功能能模塊進進行分析析,對同同一區(qū)域域的其它它探測器器所采集集的信息息進行綜綜合分析析,實現(xiàn)現(xiàn)異常事事件的智智能判斷斷。應用決策策層:應用決策策層的主主要是系系統(tǒng)的應應用展示示和管理理。用戶戶可以通通過智能能手機、平板電電腦等遠遠程監(jiān)控控終端監(jiān)監(jiān)控和管管理系統(tǒng)統(tǒng),及時時對監(jiān)測測到的各各種事件件進行決決策處理理。桂小林18圖2-11手機錢包包桂小林19三層桂小林20桂小林212.3物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關鍵技技術物聯(lián)網(wǎng)是是繼互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)后又又一次技技術的革革新,代代表著未未來計算算機與通通信的發(fā)發(fā)展方向向。這次次革新

10、也也取決于于一些重重要領域域的動態(tài)態(tài)技術創(chuàng)創(chuàng)新,從從RFID、EPC、傳感技技術到認認知網(wǎng)絡絡、云計計算等。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)發(fā)展的關關鍵技術術如圖2-12所示,其中負負責物體體標識的的RFID技術術、感知知物體動動態(tài)信息息的傳感感器技術術、實現(xiàn)現(xiàn)信息傳傳遞的通通信技術術和網(wǎng)絡絡融合技技術、信信息處理理的智能能技術我我們稱之之為物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的四四大關鍵鍵技術。桂小林222.3.1感感知標識識技術感知和標標識是物物聯(lián)網(wǎng)實實現(xiàn)“物物物相聯(lián)聯(lián),人物物互動”的基礎礎,各種種類型的的傳感器器在彌合合物理和和虛擬世世界差距距方面發(fā)發(fā)揮了關關鍵作用用,數(shù)據(jù)據(jù)的產(chǎn)生生、獲取取、傳輸輸、處理理、應用用是物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的重重要組成成

11、部分,其中數(shù)數(shù)據(jù)的獲獲取是物物聯(lián)網(wǎng)智智能信息息化的重重要環(huán)節(jié)節(jié)之一,沒有它它,物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)也就就成了無無水之源源、無本本之木。桂小林23桂小林242.3.2網(wǎng)網(wǎng)絡與通通信技術術物聯(lián)網(wǎng)本本質上是是泛在網(wǎng)網(wǎng)絡,需需要融合合現(xiàn)有的的各種通通信網(wǎng)絡絡,并引引入新的的通信網(wǎng)網(wǎng)絡。要實現(xiàn)泛泛在的物物聯(lián)網(wǎng),異構網(wǎng)網(wǎng)絡的融融合是一一個重要要的技術術問題。三網(wǎng)融合合技術:“三網(wǎng)融融合”又又叫“三三網(wǎng)合一一”(即即FDDX),意指指電信網(wǎng)網(wǎng)、有線線電視網(wǎng)網(wǎng)和計算算機通信信網(wǎng)的相相互滲透透、互相相兼容、并逐步步整合成成為全世世界統(tǒng)一一的信息息通信網(wǎng)網(wǎng)絡。桂小林25三網(wǎng)融合合桂小林262.3.3云云計算技技術物聯(lián)網(wǎng)聚聚集

12、海量量數(shù)據(jù)海量數(shù)據(jù)據(jù)需要有有效組織織、管理理、存儲儲高效數(shù)據(jù)據(jù)處理時時物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的核心心需要運用用的云計計算技術術處理海海量數(shù)據(jù)據(jù)虛擬化Map-reduce。桂小林27云計算-低成本的的海量信信息處理理技術云計算資資源池存儲能力力統(tǒng)一監(jiān)控控管理計算能力力SaaS(Software as aSevice)軟件即服服務物聯(lián)網(wǎng)應應用不再再是單純純的賣硬硬件或軟軟件,而而是針對對長尾市市場中各各行各業(yè)業(yè)的需求求,通過過能力開開放與組組合,形形成個性性化、差差異化的的優(yōu)質服服務。云計算(Cloudcomputing)利用大規(guī)規(guī)模低成成本運算算單元通通過網(wǎng)絡絡相連而而組成的的運算系系統(tǒng),為為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)海量的的

13、信息處處理提供供低成本本計算能能力。27桂小林28云計算-從單單戶到多多租戶桂小林29云計算講講解SaaS桂小林302.3.4安全技術術由于物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)終端端感知網(wǎng)網(wǎng)絡的私私有特性性,因此此安全也也是一個個必須面面對的問問題。物物聯(lián)網(wǎng)中中的傳感感節(jié)點通通常需要要部署在在無人值值守、不不可控制制的環(huán)境境中,除除了受到到一般無無線網(wǎng)絡絡所面臨臨的信息泄露露、信息息篡改、重放攻攻擊、拒拒絕服務務等多種種威脅外外,還面面臨傳感感節(jié)點容容易被攻攻擊者獲獲取,通通過物理理手段獲獲取存儲儲在節(jié)點點中的所所有信息息,從而而侵入網(wǎng)網(wǎng)絡、控控制網(wǎng)絡絡的威脅脅。涉及到安安全的主主要有程程序內容容、運行行使用、信息傳傳輸

14、等方方面。位置是物物聯(lián)網(wǎng)的的核心服服務。位位置隱私私成為物物聯(lián)網(wǎng)推推廣應用用的核心心技術。桂小林31因此,物物聯(lián)網(wǎng)需需要云計計算支撐撐,必須須解決人人們關注注的隱私安全全問題。用戶數(shù)據(jù)應用桂小林322.4已已有物物聯(lián)網(wǎng)相相關應用用架構目前,具具有代表表性的物物聯(lián)網(wǎng)架架構主要要可以分分為三類類:(1)基于傳感感器技術術的無線線傳感網(wǎng)網(wǎng)體系結結構;(2)基于互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)和射射頻識別別技術的的EPC、UID系統(tǒng);(3)學術界和和企業(yè)提提出的M2M、CPS系統(tǒng)框架架。下面我們們就分別別介紹這這些相關關應用框框架。桂小林33WSN桂小林34EPC/UID系統(tǒng)桂小林35EPC/UID系統(tǒng)EPC(Electro

15、nicProductCode )電電子產(chǎn)產(chǎn)品編碼碼的概念念最早由由美國麻麻省理工工大學(MIT)的Sarma和Brock教授授在1999年年提出的的,其核核心思想想是為每每一個產(chǎn)產(chǎn)品提供供唯一的的電子標標識符,通過射射頻識別別技術實實現(xiàn)數(shù)據(jù)據(jù)的自動動標識和和采集。2003年,國國際物品品編碼協(xié)協(xié)會(EAN)和美國國統(tǒng)一代代碼協(xié)會會(UCC)聯(lián)聯(lián)合成立立了EPCglobal,以推動動EPC技術在在商業(yè)上上的應用用。桂小林36EPC編編碼體系系有EPC-64,EPC-96和和EPC-256三三種。使使用較多多的是EPC-64編編碼體系系,而新新一代的的EPC標簽將將采用EPC-96編編碼體系系,其

16、具體結結構如表表2-19所示示。體系標頭廠商識別代碼對象分類代碼 序列號EPC-968282436桂小林37桂小林38桂小林39M2M系系統(tǒng)M2M的的定義可可以分為為廣義和和狹義兩兩種。廣義上包包括Machine-to-Machine、Man-to-Machine以及及Machine-to-Man。它是指指是人與與各種遠遠程設備備之間的的無線數(shù)數(shù)據(jù)通信信。狹義上的的M2M是Machine-to-Machine的簡簡稱,指指一方或或雙方是是機器且且機器通通過程序序控制,能自動動完成整整個通信信過程的的通信形形式桂小林40M2M系系統(tǒng)從右右至左可可以劃分分為M2M設備備域、M2M網(wǎng)網(wǎng)絡域、M2M應

17、用域域。桂小林412.5物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的反饋饋與控制制“某日小小張正在在公司上上班,突突然手機機收到震震動了鈴鈴聲提示示原來是家家中無人人時門被被打開,門磁偵偵測到有有人闖入入,則將將闖入報報警通過過無線網(wǎng)網(wǎng)關發(fā)送送給主人人小張的的手機,手機收收到信息息發(fā)出震震動鈴聲聲提示,小張確確認后發(fā)發(fā)出控制制指令,電磁門門鎖自動動落鎖并并觸發(fā)無無線聲光光報警器器發(fā)出報報警。”這一場景景成果實實現(xiàn)了物物聯(lián)網(wǎng)的的感、聯(lián)聯(lián)、智、控四種種屬性。這四種種屬性形形成了一一個完整整的反饋饋控制系系統(tǒng)。桂小林422.5物聯(lián)網(wǎng)的的反饋與與控制2.5.1自動控制制的基本本原理與與方式自動控制制的概念念及應用用反饋控制制系統(tǒng)的的

18、基本組組成自動控制制系統(tǒng)的的基本控控制方式式桂小林43自動控制制是指在在沒有人人直接參參與的情情況下,利用外外加的設設備或裝裝置(稱稱控制裝裝置或控控制器),使機機器、設設備或生生產(chǎn)過程程(統(tǒng)稱稱被控對對象)的的某個工工作狀態(tài)態(tài)或參數(shù)數(shù)(即被被控量)自動地地按照預預定的程程序運行行。自動控制制的概念念及應用用2.5物聯(lián)網(wǎng)的的反饋與與控制自動控制制的基本本原理與與方式桂小林44反饋控制制定義反饋把取出輸輸出量送送回到輸輸入端,并與輸輸入信號號相比較較產(chǎn)生偏偏差信號號的過程程,稱為為反饋。分為負負反饋和和正反饋饋。反饋控制制就是采用用負反饋饋并利用用偏差進進行控制制的過程程,而且且,由于于引入了了

19、被控量量的反饋饋信息,整個控控制過程程成為閉閉合過程程,因此此反饋控控制也稱稱閉環(huán)控控制。桂小林45反饋控制制原理桂小林46反饋控制制系統(tǒng)組組成測量元件件:檢測被被控制的的物理量量,并將將其轉換換為電量量。給定元件件:給出與與期望的的被控量量相對應應的系統(tǒng)統(tǒng)輸入量量。比較元件件:把測量量元件檢檢測的被被控量實實際值與與給定元元件給出出的參據(jù)據(jù)量進行行比較,求出它它們之間間的偏差差。放大元件件:將比較較元件給給出的偏偏差信號號進行放放大,用用來推動動執(zhí)行元元件去控控制被控控對象。執(zhí)行元件件:直接推推動被控控對象,使其被被控量發(fā)發(fā)生變化化。校正元件件:也叫補償元件件,用串聯(lián)聯(lián)或反饋饋的方式式連接在在系統(tǒng)中中,以改改善系統(tǒng)統(tǒng)性能。桂小林47自動控制制系統(tǒng)的的基本控控制方式式反饋控制制方式方式:按按偏差進進行控制制。特點:減減小或消消除這個個偏差作用:具具有抑制制任何內內、外擾擾動對被被控量產(chǎn)產(chǎn)生影響的的能力,有較高高的控制制精度。問題:系系統(tǒng)使用用的元件件多、結結構復雜雜,設計計麻煩。桂小林48自動控制制系統(tǒng)的的基本控控制方式式開環(huán)控制制方式 方式:是是指控制制裝置與與被控對對象之間間只有順順向作用而沒有有反向聯(lián)聯(lián)系的控控制過程程。特點:是是系統(tǒng)的的輸出量量不會對對系統(tǒng)的的控

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