物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建

《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》課件

第8章物聯(lián)網(wǎng)

規(guī)劃設(shè)計與建設(shè)電子工業(yè)出版社劉化君劉傳清編著《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)》教材配套課件8/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第1頁

8.1物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計基礎(chǔ)8.1.1物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計標準8.1.2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計步驟8.2物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建8.2.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃8.2.2物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計8.2.3物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成8.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計示例8.3.1智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用示例8.3.2工業(yè)智能控制系統(tǒng)應(yīng)用示例8.4傳感網(wǎng)廣域互聯(lián)8.4.1傳感網(wǎng)廣域互聯(lián)方式8.4.2基于IPv6互聯(lián)接入第8章物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第2頁8.1物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計基礎(chǔ)

由物聯(lián)網(wǎng)英文名InternetofThings可知，物聯(lián)網(wǎng)就是物物互聯(lián)信息網(wǎng)絡(luò)。這么表述有兩層含義：一是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵承載網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)網(wǎng)；二是物聯(lián)網(wǎng)客戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，并能進行數(shù)據(jù)交換和通信。這里“物”要滿足以下條件才能夠被納入“物聯(lián)網(wǎng)”范圍：①有對應(yīng)信息接收器和發(fā)送器；②要有數(shù)據(jù)傳輸通路；③有一定存放功效；④有CPU；⑤有操作系統(tǒng)；⑥有專門應(yīng)用程序；⑦遵照物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議；⑧在網(wǎng)絡(luò)中有可被識別惟一編號。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第3頁8.1.1物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計標準1.實用性和先進性標準2.安全性標準3.標準化、開放性和可擴展性標準4.可靠性與可用性標準/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第4頁8.1.2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計步驟1.用戶需求調(diào)查與分析2.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初步設(shè)計3．物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)詳細設(shè)計4．物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)詳細設(shè)計5．系統(tǒng)測試和試運行/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第5頁8.2物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

當前看來，能夠把物聯(lián)網(wǎng)看作是以電子標簽、傳感器等感知設(shè)施和EPC碼為基礎(chǔ)，建立在計算機互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上物物相聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，傳感網(wǎng)是其最復(fù)雜一個組成部分。一個應(yīng)用系統(tǒng)可能有幾個到幾萬、上百萬不等感知節(jié)點，應(yīng)用環(huán)境除了室內(nèi)外，還包含在不一樣溫度、濕度、電磁干擾下戶外環(huán)境，所以，末梢感知節(jié)點采集控制設(shè)備、接入層技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵和難點。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第6頁8.2.1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)劃

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展將引發(fā)新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命，是信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域未來競爭制高點和產(chǎn)業(yè)升級關(guān)鍵驅(qū)動力。伴隨信息采集與智能計算技術(shù)快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)廣泛應(yīng)用，大規(guī)模發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)時機日趨成熟，我國早在十多年前就開始了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域研究，技術(shù)和標準與國際基本同時?，F(xiàn)階段，其應(yīng)用主要為傳感網(wǎng)，可在以下各領(lǐng)域構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第7頁1.經(jīng)濟領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要是以提升生產(chǎn)效率、改進管理和節(jié)能減排為目標應(yīng)用系統(tǒng)，包含智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流和智能電網(wǎng)等。

（1）智能工業(yè)1）工業(yè)智能控制系統(tǒng)。2）智能裝備產(chǎn)品。（2）智能農(nóng)業(yè)1）數(shù)字大棚物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)推廣平臺。2）農(nóng)業(yè)服務(wù)、管理和遠程監(jiān)測平臺。（3）智能物流1）危險品運輸車輛智能調(diào)度及監(jiān)控系統(tǒng)。2）集裝箱智能物流調(diào)度系統(tǒng)及平臺。3）食品及藥品追溯系統(tǒng)。（4）智能電網(wǎng)1）電網(wǎng)電力設(shè)施智能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及平臺2）智能化遠程抄表系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第8頁2.公共管理領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)公共管理領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)主要是以提升公共管理水平為目標應(yīng)用系統(tǒng)，這可圍繞市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理、重大突發(fā)事件響應(yīng)、重點區(qū)域環(huán)境監(jiān)測等，建設(shè)城市智能交通、智能公共安全、智能環(huán)境保護和智能災(zāi)害防控等物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。（1）城市智能交通1）交通流量與違規(guī)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及平臺。2）智能停車系統(tǒng)。（2）智能公共安全1）城市公共安全平臺2）主要基礎(chǔ)設(shè)施安全防護平臺。（3）智能環(huán)境保護1）水環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及預(yù)警平臺。2）生態(tài)城市大氣環(huán)境智能監(jiān)測平臺。3）重點排污企業(yè)智能化遠程監(jiān)控平臺.（4）智能災(zāi)害防控1）水文智能監(jiān)測及洪災(zāi)預(yù)警平臺。2）氣象災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)。3）地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與防控系統(tǒng)。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第9頁3.公眾服務(wù)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)公眾服務(wù)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)主要以提升人民生活水平為目標構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，能夠物聯(lián)網(wǎng)與TD—SCDMA等3G網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用為突破口，建設(shè)譬如智能醫(yī)護、智能家居等應(yīng)用系統(tǒng)。（1）智能醫(yī)護1）個人健康實時服務(wù)平臺。經(jīng)過建設(shè)個人實時健康監(jiān)測和服務(wù)平臺，提升對老年市民、離退休干部等實時醫(yī)療醫(yī)護服務(wù)水平。2）智能重癥監(jiān)護病房平臺。經(jīng)過建設(shè)重癥監(jiān)護病房智能系統(tǒng)，對病人生理參數(shù)進行實時監(jiān)測和分析，能夠降低醫(yī)療費用，提升衛(wèi)生資源使用效益。（2）智能家居1）智能小區(qū)：在住宅小區(qū)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)聯(lián)入城市公共安全平臺小區(qū)安防系統(tǒng)以及基于通信網(wǎng)絡(luò)家庭環(huán)境監(jiān)控、智能安防系統(tǒng)、電子支付等智能控制平臺，可實現(xiàn)小區(qū)、家居智能化。2）基于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能建筑：在政府機關(guān)、科研院校和商業(yè)區(qū)寫字樓鋪設(shè)物聯(lián)網(wǎng)，實時搜集水、電等資源使用信息，依據(jù)人員活動情況自動調(diào)整空調(diào)、電燈和水源等，到達節(jié)能減排目標。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第10頁8.2.2物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

對于近距離無線通信，IEEE802.15委員會制訂了3種不一樣無線個人局域網(wǎng)(WPAN)標準。其中，IEEE802.15.3標準是高速率WPAN標準，適合于多媒體應(yīng)用，有較高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）確保；IEEE802.15.1標準即藍牙技術(shù)，含有中等速率，適合于蜂窩電話和PDA等通信，其QoS機制適合于話音業(yè)務(wù)。IEEE802.15.4標準和ZigBee技術(shù)完全融合，專為低速率、低功耗無線互聯(lián)應(yīng)用而設(shè)計，對數(shù)據(jù)速率和QoS要求不高。當前，對于小范圍內(nèi)物品、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，ZigBee技術(shù)以其復(fù)雜度低、功耗低、數(shù)據(jù)速率低及成本低等特點在傳感網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中引發(fā)了越來越多關(guān)注；尤其在控制系統(tǒng)中，ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為傳感網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第11頁基于ZigBee技術(shù)傳感網(wǎng)在消費性電子設(shè)備中嵌入ZigBee芯片后，可實現(xiàn)信息家用電器設(shè)備無線互聯(lián)。譬如，利用ZigBee技術(shù)可較輕易地實現(xiàn)相機或者攝像機自拍、窗戶遠距離開關(guān)控制、室內(nèi)照明系統(tǒng)遙控，以及窗簾自動調(diào)整等。尤其是當在手機或者PDA中嵌入ZigBee芯片后，能夠用來控制電視開關(guān)、調(diào)整空調(diào)溫度及開啟微波爐等。基于ZigBee技術(shù)個人身份卡能夠代替家居和辦公室門禁卡，統(tǒng)計全部進出大門個人信息，若附加個人電子指紋技術(shù)后，可實現(xiàn)愈加安全門禁系統(tǒng)。嵌入ZigBee芯片信用卡能夠較方便地實現(xiàn)無線提款和移動購物，商品詳細信息也能經(jīng)過ZigBee向用戶廣播。把ZigBee技術(shù)與傳感器結(jié)合起來，就可形成傳感網(wǎng)。普通，傳感網(wǎng)由感知節(jié)點、匯聚（Sink）節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點三種節(jié)點組成。感知節(jié)點、匯聚節(jié)點完成數(shù)據(jù)采集和多跳中繼傳輸。網(wǎng)關(guān)節(jié)點含有雙重功效，一是充當網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負責網(wǎng)絡(luò)自動建立和維護、數(shù)據(jù)匯聚；二是作為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心接口，實現(xiàn)接入互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)，與監(jiān)控中心交換傳遞數(shù)據(jù)?；赯igBee技術(shù)傳感網(wǎng)由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)接入控制層和物理層組成。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第12頁2.傳感網(wǎng)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計圖

8-1傳感網(wǎng)系統(tǒng)組成示意圖（1）基于ZigBee技術(shù)傳感網(wǎng)組成對于基于ZigBee技術(shù)傳感網(wǎng)，不一樣詳細應(yīng)用，傳感網(wǎng)節(jié)點組成有所不一樣。通常，就一項詳細應(yīng)用而言，感知節(jié)點、感知對象和觀察者是傳感網(wǎng)3個基本要素。一個傳感網(wǎng)系統(tǒng)組成示意圖如圖8-1所表示。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第13頁（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計1）感知節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)?；赯igBee技術(shù)感知節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如8-2所表示。由該圖能夠看出，感知節(jié)點主要由傳感器模塊和無線發(fā)送/接收模塊組成。在實際應(yīng)用中，譬如對溫度和濕度測量模擬信號需要經(jīng)過一個多路選擇通道控制，依次送入微處理器后由微處理器進行校正編碼，然后傳送到基于ZigBee技術(shù)收發(fā)端。圖8-2感知節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第14頁2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)。圖8-3網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第15頁（3）軟件設(shè)計ZigBee網(wǎng)絡(luò)屬于無線自組網(wǎng)絡(luò)，有全功效節(jié)點(FFD)和半功效節(jié)點(RFD)兩種設(shè)備類型。RFD普通作為終端感知節(jié)點，F(xiàn)FD能夠作為協(xié)調(diào)器或路由匯聚節(jié)點。所以，軟件設(shè)計包含RFD程序和FFD程序兩部分，且均包含初始化程序、發(fā)射程序和接收程序、協(xié)議棧配置、組網(wǎng)方式配置程序以及各處理層設(shè)置程序。初始化程序主要是對CC2430、USAR串口、協(xié)議棧、LCD等進行初始化；發(fā)射程序?qū)⑺杉瘮?shù)據(jù)經(jīng)過CC2430調(diào)制并經(jīng)過DMA直接送至射頻輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)接收并進行顯示、遠傳及返回信息處理；PHY、MAC、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層程序設(shè)置數(shù)據(jù)底層、上層處理和傳輸方式。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第16頁8.2.3物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成

系統(tǒng)意思是“體系、制度、體制、秩序、規(guī)律和方法”。集成意思是“成為整體、組合、綜合及一體化”，它表示了將單個元件組裝成一臺或一個結(jié)構(gòu)過程。比如將大量晶體管組裝成一個“集成”電路。集成也表示有某種規(guī)則相互作用形式而聯(lián)結(jié)部件組合體，即有組織整體。比如，將軟件多個功效模塊組合成“一體化”系統(tǒng)，使整體系統(tǒng)從一個程序到另一個程序能共享命令和數(shù)據(jù)流。集成以有機結(jié)合、協(xié)調(diào)工作、提升效率、創(chuàng)造效益為目標，將各個部分組合成含有全新功效、高效和統(tǒng)一有機整體。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第17頁1.

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成目標物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成主要目標就是用硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)各部分連接起來，不但實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)物理連接，還要求能實現(xiàn)用戶對應(yīng)應(yīng)用需求，也就是應(yīng)用方案。所以，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成不但包括到技術(shù)，也包括到企業(yè)管理、工程技術(shù)等方面內(nèi)容。當前，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成技術(shù)可劃分為兩個域：一個是接口域，即路由網(wǎng)關(guān)，另一個是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)域。服務(wù)域作用主要是為路由網(wǎng)關(guān)提供一個統(tǒng)一訪問物聯(lián)網(wǎng)界面，簡化二者集成難度，更主要是，經(jīng)過服務(wù)界面能有效控制和提升物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量，確保二者集成后可用性。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第18頁2.物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成技術(shù)包含兩個方面：一是應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)；二是多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中間件平臺技術(shù)。應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)主要是面向詳細應(yīng)用，進行功效集成、網(wǎng)絡(luò)集成、軟硬件操作界面集成，以優(yōu)化應(yīng)用處理方案。多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件平臺技術(shù)主要是針對物聯(lián)網(wǎng)不一樣應(yīng)用需求和共性底層平臺軟件特點，研究、設(shè)計系列中間件產(chǎn)品及標準，以滿足物聯(lián)網(wǎng)在混合組網(wǎng)、異構(gòu)環(huán)境下高效運行，形成完整物聯(lián)網(wǎng)軟件系統(tǒng)架構(gòu)。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第19頁3.物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成主要內(nèi)容（1）物聯(lián)網(wǎng)軟硬件產(chǎn)品、技術(shù)集成物聯(lián)網(wǎng)軟硬件集成不但是各種網(wǎng)絡(luò)軟硬件產(chǎn)品組合，更是一個產(chǎn)品與技術(shù)融合。不論是傳感器還是感知節(jié)點元器件，不論是控制器還是自動化軟件，本身都需要進行單元集成，能上融合，而執(zhí)行機構(gòu)、傳感單元和控制系統(tǒng)之間更高層次集成，則需要先進適用、開放穩(wěn)定工業(yè)通信段來實現(xiàn)。（2）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)集成從應(yīng)用角度看，物聯(lián)網(wǎng)是一個與實際環(huán)境交互網(wǎng)絡(luò)，能夠經(jīng)過安裝在微小感知節(jié)點上各種傳感器、標簽等從真實環(huán)境中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過自組織無線傳感網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到計算能力更強通用計算機互聯(lián)網(wǎng)上進行處理。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)集成就是指在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)用平臺上，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)商或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成商為用戶開發(fā)或用戶自行開發(fā)通用或?qū)Ｓ脩?yīng)用系統(tǒng)。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第20頁4.物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成步驟/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第21頁8.3物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計示例

物聯(lián)網(wǎng)是面向應(yīng)用、貼近客觀物理世界網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它產(chǎn)生、發(fā)展與應(yīng)用親密相關(guān)聯(lián)。就傳感網(wǎng)而言，經(jīng)過不一樣領(lǐng)域研究人員多年來努力，已經(jīng)在軍事領(lǐng)域、精細農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控、環(huán)境保護監(jiān)測、建筑領(lǐng)域、醫(yī)療監(jiān)護、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流管理、自由空間探索、智能家居等領(lǐng)域得到了充分必定和初步應(yīng)用。傳感網(wǎng)、RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)當前應(yīng)用研究熱點，二者相結(jié)合組成物聯(lián)網(wǎng)能夠較低成本應(yīng)用于物流和供給鏈管理、生產(chǎn)制造和裝配，以及安防等領(lǐng)域。在此僅以兩個詳細應(yīng)用案例簡單介紹物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與組建。/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第22頁8.3.1智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用示例/10/2物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建第23頁8.3.2工業(yè)智能控制