第7章 物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算技術(shù)

第七章物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算技術(shù)7.1云計(jì)算7.2嵌入式系統(tǒng)7.3移動(dòng)計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)7.4Web技術(shù)7.5物聯(lián)網(wǎng)中間件7.1云計(jì)算云計(jì)算本質(zhì)上是一種新的提供資源按需租用的服務(wù)模式，是一種新型的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（InternetDataCenter，IDC）業(yè)務(wù)。它與傳統(tǒng)IDC業(yè)務(wù)有相似之處，（1）業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)模式相似（2）目標(biāo)客戶相似（3）業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)需要的基礎(chǔ)條件相似二者的差別在于：（1）租用資源范圍不同。（2）服務(wù)能力不同。（3）資源透明性不同。云計(jì)算業(yè)務(wù)具有5項(xiàng)特征：（1）基礎(chǔ)資源租用。（2）按需彈性使用。（3）透明資源訪問。（4）自助業(yè)務(wù)部署。（5）開放公眾服務(wù)。7.1.2云計(jì)算的服務(wù)模型云計(jì)算的“端”—“管”—“云”模型及服務(wù)類型構(gòu)成云計(jì)算的服務(wù)模型包括“端”、“管”、“云”三個(gè)層面。“端”指的是用戶接入“云”的終端設(shè)備；“管”指的是信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通道；“云”指的是提供ICT資源或信息服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施中心、平臺(tái)和應(yīng)用服務(wù)器等，提供的服務(wù)類型包括基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)和應(yīng)用等。按照服務(wù)的不同層次，可以將“云”分為三種形式：基礎(chǔ)設(shè)施云平臺(tái)云應(yīng)用云這三種“云”分別對(duì)應(yīng)于：①基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）。用戶將部署處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)及其他基本的計(jì)算資源，并按自己的意志運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等軟件。②平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）。用戶采用提供商支持的編程語言和工具編寫好應(yīng)用程序，然后放到云計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行。③軟件即服務(wù)（SaaS）。提供商在云計(jì)算設(shè)施上運(yùn)行程序，用戶通過各種客戶端設(shè)備的瘦客戶界面（如網(wǎng)頁(yè)瀏覽器、基于網(wǎng)頁(yè)的電子郵件）使用這些應(yīng)用程序。基礎(chǔ)設(shè)施云：云計(jì)算的基礎(chǔ)架構(gòu)一般設(shè)在擁有大規(guī)模計(jì)算和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中心。平臺(tái)云：平臺(tái)屏蔽了部署、發(fā)布等應(yīng)用開發(fā)細(xì)節(jié)，可以讓開發(fā)者不再關(guān)心后臺(tái)大規(guī)模服務(wù)器的工作，并且提供了一些支持應(yīng)用開發(fā)的高層接口以及開發(fā)工具，給開發(fā)者提供一個(gè)透明安全、功能強(qiáng)大的運(yùn)行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境。應(yīng)用云直接面向最終軟件用戶，常以SaaS形式出現(xiàn)。軟件系統(tǒng)各個(gè)模塊可以由用戶自己定制、配置、組裝和測(cè)試，最終得到滿足客戶需要的軟件系統(tǒng)，從而降低軟件系統(tǒng)使用、維護(hù)、運(yùn)行和支持成本。云計(jì)算對(duì)應(yīng)關(guān)系開放的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)使用戶可以指定需要的虛擬服務(wù)器配置信息，用戶只需根據(jù)實(shí)際使用的計(jì)算、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)流量來付費(fèi)。下面介紹幾個(gè)有代表性的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)開源項(xiàng)目。（1）EUCALYPTUS（2）Nimbus（3）Tashi（4）Enomalism融合云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算為眾多用戶提供了一種新的高效率計(jì)算模式，兼有互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的便利、廉價(jià)和大型機(jī)的能力。它的目的是將資源集中于互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心，由這種云中心提供應(yīng)用層、平臺(tái)層和基礎(chǔ)設(shè)施層的集中服務(wù)，以解決傳統(tǒng)IT系統(tǒng)的零散性帶來的低效率問題。

物聯(lián)網(wǎng)的目的是實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)，從而融合物理信息的感知、傳輸、處理、控制，提供高效智能的應(yīng)用服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)對(duì)物理世界（包括自然界和人造物）的精準(zhǔn)感知，感知信息的實(shí)時(shí)或及時(shí)傳輸、針對(duì)物理世界限制的處理與決策以及對(duì)物理世界的控制。云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算深度結(jié)合的典型例子。物聯(lián)網(wǎng)對(duì)云計(jì)算體現(xiàn)了如下要求：對(duì)計(jì)算資源有大規(guī)模、海量需求資源負(fù)載變化大以服務(wù)方式提供計(jì)算能力針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)的云計(jì)算特征，考慮引入云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)。基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)主要包括如下幾個(gè)部分：云基礎(chǔ)設(shè)施云平臺(tái)云應(yīng)用云管理嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）是嵌入式計(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)單地說，嵌入式系統(tǒng)就是嵌入到目標(biāo)體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入性、專用性與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的3個(gè)基本要素。具體地講，嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1）嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的2）嵌入式系統(tǒng)須滿足環(huán)境的要求3）嵌入式系統(tǒng)必須滿足對(duì)象系統(tǒng)的控制要求4）嵌入式系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)與各行業(yè)應(yīng)用與一體的集成系統(tǒng)5）嵌入式系統(tǒng)具有較長(zhǎng)的生命周期6）嵌入式系統(tǒng)的軟件固化在非易失性存儲(chǔ)器中7）嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求8）嵌入式系統(tǒng)需專用開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展1）以單片機(jī)為核心的低級(jí)嵌入式系統(tǒng)2）以嵌入式微處理器為基礎(chǔ)的初級(jí)嵌入式系統(tǒng)3）以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的中級(jí)嵌入式系統(tǒng)4）以Internet為標(biāo)志的高級(jí)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)作為一類特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般包括以下3個(gè)方面：硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。（1）硬件設(shè)備

硬件設(shè)備包括嵌入式處理器和外圍設(shè)備。其中嵌入式處理器（CPU）是嵌入式系統(tǒng)的核心部分，它與通用處理器最大的不同點(diǎn)在于，嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群所專門設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它將通用處理器中許多由板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)趨于小型化，同時(shí)還具有很高的效率和可靠性。

外圍設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)中用于完成存儲(chǔ)、通信、調(diào)試、顯示等輔助功能的其他部件。目前常用的嵌入式外圍設(shè)備按功能可以分為存儲(chǔ)設(shè)備、通信設(shè)備和顯示設(shè)備三類。（2）嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)具有通用操作系統(tǒng)的一般功能，如向上提供對(duì)用戶的接口（如圖形界面、庫(kù)函數(shù)API等），向下提供與硬件設(shè)備交互的接口（如硬件驅(qū)動(dòng)程序等），

管理復(fù)雜的系統(tǒng)資源，同時(shí)，它還在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、硬件依賴性、軟件固化性以及應(yīng)用專用性等方面，具有更加鮮明的特點(diǎn)。（3）應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺(tái)，用來達(dá)到完成預(yù)期目標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件。嵌入式操作系統(tǒng)1）VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國(guó)WindRiver公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。VxWorks的特點(diǎn)為具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，高效的任務(wù)管理，靈活的任務(wù)間通訊，微秒級(jí)的中斷處理，支持POSIX1003．1b實(shí)時(shí)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)，以及支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。目前主要應(yīng)用于航空航天、國(guó)防科技以及電信等領(lǐng)域的高端應(yīng)用領(lǐng)域。它的主要缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，一般不通供源代碼，只提供二進(jìn)制代碼。一般的嵌入式應(yīng)用通常不會(huì)采用這個(gè)操作系統(tǒng)。2）WindowsCEWindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢(shì)。Windows程序員就可以利用他們?cè)赪in32API和MFC方面的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)快速地轉(zhuǎn)移到WindowsCE上來。3）嵌入式LinuxLinux是一種免費(fèi)、開源的操作系統(tǒng)，因此其支持軟件多，可用資源豐富，廣泛應(yīng)用于服務(wù)器和PC機(jī)器上。針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，出現(xiàn)了多種Linux的變形，這些可以應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的Linux操作系統(tǒng)被統(tǒng)稱為“嵌入式Linux操作系統(tǒng)”。4）μC/OS一Ⅱ

μC/OS一Ⅱ是著名的源代碼公開的實(shí)時(shí)內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的，可用于8位，16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。5）T-KernelT-Engine論壇推出的嵌入式操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，2003年微軟公司也加入該陣營(yíng)，現(xiàn)在有超過500家公司加入該論壇。嵌入式處理器嵌入式處理器主要有4類：嵌入式微處理器（EmbeddedMicrocomputerUnit,EMPU）嵌入式微處理器是由PC中的CPU演變而來的，與通用PC的處理器不同的是，在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，只保留了和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。嵌入式微控制器（EmbeddedMicrocontrollerUnit,EMCU）嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)，其內(nèi)部集成了ROM/EPROM/Flash、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O接口、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A等各種必要功能和外設(shè)。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP）DSP處理器是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。片上系統(tǒng)（SystemonChip,SoC）嵌入式片上系統(tǒng)SoC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是目前嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門話題之一。SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。SOC具有極高的綜合性，在一個(gè)硅片內(nèi)部運(yùn)用VHDL等硬件描述語言即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的感知層是嵌入式系統(tǒng)的用武之地?，F(xiàn)代物流系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)也起到重要的作用。無數(shù)的貨物都會(huì)被貼上RFID標(biāo)簽，貼有這些標(biāo)簽的貨物每到一個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)點(diǎn)中轉(zhuǎn)的時(shí)候，就會(huì)被自動(dòng)識(shí)別，并被登記入庫(kù)，這樣就極大地提高了貨物入庫(kù)和清點(diǎn)的效率。移動(dòng)計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)計(jì)算是指通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴(kuò)展的方式獲得所需的基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、軟件(或應(yīng)用)等的一種IT資源或(信息)服務(wù)的交付與使用模式。1、環(huán)境監(jiān)測(cè)。2、智能安防。3、智能交通。4、物流管理。5、樓宇節(jié)能管理。6、智能電網(wǎng)。7、智能醫(yī)療。移動(dòng)計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用Web技術(shù)Web是分布在全世界、基于HTTP通信協(xié)議、存儲(chǔ)在Web服務(wù)器中的所有互相鏈接的超文本集。Web服務(wù)器端存放用HTML組織的各種信息，客戶機(jī)端通過瀏覽器軟件查找這些信息資源。Web服務(wù)器又稱WWW服務(wù)器、網(wǎng)站服務(wù)器、站點(diǎn)服務(wù)器，從本質(zhì)上來說Web服務(wù)器實(shí)際上就是一個(gè)軟件系統(tǒng)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以充當(dāng)多個(gè)Web服務(wù)器，多臺(tái)計(jì)算機(jī)也可以形成集群，只提供一個(gè)Web服務(wù)。Web服務(wù)器與Web頁(yè)面的關(guān)系瀏覽器的工作機(jī)理瀏覽器工作機(jī)理信息資源放在Web服務(wù)器之后，需要將它的地址告訴給用戶，以便讓用戶來訪問，這就是統(tǒng)一資源定位符URL（UniformResourceLocators）的功能，俗稱為網(wǎng)址。URL字串分成三個(gè)部分：協(xié)議名稱、主機(jī)名和文件名（包含路徑）。協(xié)議名稱通常為