物联网体系结构及其信息技术.ppt

物联网,武奇生,第二章 物联网体系结构及其信息技术,本章内容： 物联网的体系结构 支持物联网发展的技术 现代网络通信与物联网 无线通信3G与物联网的发展 集成电路：物联网的基石,根据功能物联网技术可以分为三类： 1）感知技术：通过多种传感器、RFID、二维码、定位、地理识别系统、多媒体信息等数据采集技术，实现外部世界信息的感知和识别； 2）网络技术：通过广泛的互联功能，实现感知信息高可靠性、高安全性进行传送，包括各种有线和无线传输技术、交换技术、组网技术、网关技术等； 3）应用技术：通过应用中间件提供跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同及共享和互通的功能，包括数据存储、并行计算、数据挖掘、平台服务、信息呈现、服务体系架构、软件和算法技术等。 在这些技术中，目前存在着三个比较重要的体系，第一个是RFID体系，除了RFID技术外还包括条码和二维码等；第二个是传感网体系：第三个体系是M2M技术，M2M是重在强调广域网络传输的技术。,2.1 物联网的体系结构,在物联网上，通过对所有身边的实际事物安装智能芯片，利用射频自动识别(RFID)技术，让物品能“开口说话”，告知其它人或物有关的静态、动态信息。RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，RFID标签技术在第三章中介绍。再通过光电式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等传感装置，借助有线、无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。,2.1.1 物联网的工作原理,2.1.2 物联网的体系结构,物联网应该具备三个特征： 一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时地获取物体的信息； 二是可传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去； 三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化地控制。,1.物联网的体系结构 物联网大致被认为有三个层次 感知层 网络层 应用层,,,图2-2 物联网的体系结构,2.物联网技术体系结构,物联网的体系结构可以分为三个层次： （1）泛在化末端感知网络（对应感知层）：泛在化末端感知网络的主要任务是信息感知。 （2）融合化网络通信基础设施（对应网络层）：融合化网络通信基础设施的主要功能是实现物联网的数据传输。目前能够用于物联网的通信网络主要有互联网、无线通信网与卫星通信网、有线电视网。 （3）普适化应用服务支撑体系（对应应用层）：普适化应用服务支撑体系的主要功能是物联网的数据处理与应用。,,图2-3物联网技术体系结构示意图,支持物联网的技术： （1）感知技术。能够用于物联网底层感知信息的技术，它包括RFID与RFID读写技术、传感器与传感器网络、机器人智能感知技术、遥测遥感技术以及IC卡与条形码技术等。 （2）传输技术。能够汇聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术，它包括互联网技术、地面无线传输技术以及卫星通信技术等。 （3）支撑技术。用于物联网数据处理和利用的技术，它包括云计算与高性能计算技术、智能技术、数据库与数据挖掘技术、GIS/GPS技术、通信技术以及微电子技术等。 （4）应用技术。用于直接支持物联网应用系统运行的技术，它包括物联网信息共享交互平台技术、物联网数据存储技术以及各种行业物联网应用系统。,2.1.3 物联网的工作步骤,一般来讲，物联网的开展步骤主要如下： (1)对物体属性进行标识，属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测。 (2)需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式。 (3)将物体的信息通过网络传输到信息处理中心(处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的，如中国移动的IDC)，由处理中心完成物体通信的相关计算。,2.2 支持物联网发展的技术,RFID和传感器具有不同的技术特点，传感器可以监测感应到各种信息，但缺乏对物品的标识能力，而RFID技术恰恰具有强大的标识物品能力。尽管RFID也经常被描述成一种基于标签的，并用于识别目标的传感器，但RFID读写器不能实时感应当前环境的改变，其读写范围受到读写器与标签之间距离的影响。因此提高RFID系统的感应能力，扩大RFID系统的覆盖能力是亟待解决的问题。而传感器网络较长的有效距离将拓展RFID技术的应用范围。传感器、传感器网络和RFID技术都是物联网技术的重要组成部分，它们的相互融合和系统集成将极大地推动物联网的应用。,2.2.1 RFID技术,2.2.2 无线传感器网络,传感器网络(Sensor Network)的概念最早由美国军方提出，起源于1978年美国国防部高级研究计划局(DARPA)开始资助卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究项目，当时此概念局限于由若干具有无线通信能力的传感器节点自组织构成的网络。 2008年2月，ITU-T发表了《泛在传感器网络(Ubiquitous Sensor Networks)》研究报告。在报告中，ITU-T指出传感器网络已经向泛在传感器网络的方向发展，它是由智能传感器节点组成的网络，可以以“任何地点、任何时间、任何人、任何物”的形式被部署。,RFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合： 物联网架构下RFID与WSN的融合； 传感器网络架构下RFID与WSN的融合，该架构下的融合又分为智能基站、智能节点、智能传感标签三种情况。,物联网架构下RFID与WSN的融合,,,图2-5 智能基站,图2-6 智能节点,图2-7 智能传感标签,,图2-8 WSN与其他无线通信技术的融合,2.2.3 纳米技术,纳米技术是研究尺寸在0.1～100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用及可能的实际应用中的技术问题的科学，主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米科学的理论基础，而纳米电子学是纳米科学最重要的内容，纳米电子技术也是纳米技术的核心。,2.2.4感知技术,1.红外感应技术 红外传感器是一种能探测红外线的器件，能把红外辐射量变化转换成电量变化，按其工作原理可分为热电型和光电型红外传感器。 (1)热电红外传感器是利用红外辐射的热效应制成的，采用热敏元件，其工作原理是：当红外线照射热敏检测元件时，检测元件的表面温度将发生变化，将其表面所出现的电荷作为电信号，对红外线进行检测。热电型红外线光敏元件的材料较多，其中以陶瓷氧化物及压电晶体用得最多，如 。 (2)光电红外传感器是利用红外辐射的光电效应制成的，采用光电元件，其响应时间比热电红外传感器短得多。,,热释电红外传感器 热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象被称为热释电效应。 通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。,,图2-9 热释电效应的形成原理,热释电红外传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有 的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷△Q，即在两电极之间产生微弱电压 。由于它的输出阻抗极高，所以，传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷△Q会跟空气中的离子结合而消失，当环境温度稳定不变时， ，传感器无输出。,,,,菲涅耳透镜 它是根据菲涅耳原理制成的，把红外光线分成可见区和盲区。 菲涅耳透镜有折射式和反射式两种形式，其作用为：一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样，PIR就能产生变化电信号。,图2-11菲涅耳透镜,2.全球定位技术 GPS的组成： （1）空间部分——GPS星座； （2）地面控制部分——地面监控系统； （3）用户设备部分——GPS信号接收机。 GPS定位原理 假设 时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间 ，再加上接收机所接收到的卫星星历等其他数据可以确定以下4个方程式：,,,,,,,,,,,式中，待测点坐标 、 、 和 为未知参数；（ =1，2，3，4）分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4到接收机之间的距离（伪距）； 为GPS信号的传播速度（即光光速）。4个方程式中各个参数意义如下： 、 和 为待测点坐标的空间直角坐标； 、 和 （ =1，2，3，4）分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4在 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得； （ =1，2，3，4）分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供； 是传播延时误差，用双频测量法校正。由以上4个方程即可解算出待测点的坐标 、 、 和接收机的钟差 。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,图2-12 GPS定位原理,GPS的特点,（1）全球覆盖。 由于其24颗卫星均匀分布，形成同时覆盖全球的卫星网，由于卫星距地面越高，可见的地球表面或卫星的覆盖区域就越大，借助地球的自转可使地球上任何地方至少同时看到6~11颗卫星。 （2）全天候。 （3）高精度。 P码定位精度为水平方向20~40m，垂直方向45m，测速0.2m/s，测时精度0.2。C/A码定位精度为水平方向l00m，垂直方向156m，测速0.3m/s，测时精度340ns。 （4）多用途。 广泛用于陆、海、空、各类军民载体的导航定位、精密测量和授时服务。,3.遥感技术 定义：遥感起源于20世纪60年代，其特征是不直接接触被研究的目标，感测目标的特征信息（一般是电磁波的反射、辐射和发射辐射），经过传输、处理，从中提取人们感兴趣的信息，这个过程叫遥感。遥感技术则是实现这种过程所采取的各种技术手段的总称，包括摄影、陆地、航空、航天摄影测量等技术。 分类：遥感技术依其波谱性质，可分为电磁波遥感技术、声学遥感技术和物理场遥感技术 特点：“三高”（即高光谱、高时间分辨率、高空间分辨率）、“三全”（即全天候、全天时、全球）、“3W”（即what，when，where）、“三结合”（即大小卫星结合、航空与航天结合、技术与应用结合）,4.激光扫描器 激光扫描器是一种远距离条码阅读设备 手持式激光扫描器属单线扫描，其景深较大，扫描首读率和精度较高，扫描宽度不受设备开口宽度限制； 卧式激光扫描器为全角扫描器，操作方便，操作者可双手对物品进行操作，只要条码符号面向扫描器，不管其方向如何，均能实现自动扫描，超级市场大都采用这种设备。 优点 ：非接触扫描 ；阅读条码密度范围广，并可以阅读不规则的条码表面或透过玻璃、透明胶纸阅读；不会损坏条码标签；首读识别成功率高，识别速度相对光笔及CCD更快，而且对印刷质量不好或模糊的条码识别效果好；误码率极低（约为三百万分之一）；激光读写器的防震、防摔性能好。,缺点：价格相对较高。 工作原理 ：手持式激光扫描器通过一个激光二极管发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，反射后的光线穿过阅读窗照射到条码表面，光线经过条形码的条或空的反射后返回到读写器，由一个镜子进行采集、聚焦，通过光电转换器转换成电信号，该信号将通过扫描器或终端上的译码软件进行译码。,分类： （1）单线扫描：其景深较大，扫描首读率和精度较高，扫描宽度不受设备开口宽度限制，如手持式激光扫描器。 （2）全角扫描器：操作方便，操作者可双手对物品进行操作，只要条码符号面向扫描器，不管其方向如何，均能实现自动扫描，超级市场大都采用这种设备。如：卧式激光扫描器。 （3）光栅式扫描 优点：非接触扫描 ；阅读条码密度范围广，并可以阅读不规则的条码表面或透过玻璃、透明胶纸阅读；不会损坏条码标签；首读识别成功率高，识别速度相对光笔及CCD更快，而且对印刷质量不好或模糊的条码识别效果好；误码率极低（约为三百万分之一）；激光读写器的防震、防摔性能好。 缺点：价格相对较高。,,图2-13 激光扫描器工作原理,工作原理 ：手持式激光扫描器通过一个激光二极管发出一束光线，照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上，反射后的光线穿过阅读窗照射到条码表面，光线经过条形码的条或空的反射后返回到读写器，由一个镜子进行采集、聚焦，通过光电转换器转换成电信号，该信号将通过扫描器或终端上的译码软件进行译码。,图2-14 激光扫描器工作流程,2.2.5通信及计算技术,1.移动通信的分类 （1）按设备的使用环境分类 ：陆地移动通信、海上移动通信和航空移动通信 （2）按服务对象分类：公用移动通信与专用移动通信 （3）按移动通信系统分类：蜂窝移动通信、专用调度电话、集群调度电话、个人无线电话、公用无线电话、移动卫星通信等类型 。,2.2.6普适计算技术,理解普适计算概念需要注意以下几个问题 ： （1）“无处不在”与“不可见” （2）普适计算体现出信息空间与物理空间的融合 （3）普适计算的核心是“以人为本” （4）普适计算的重点在于提供面向用户的、统一的、自适应的网络服务 要实现普适计算的目标，我们必须解决以下几个基本的问题： （1）理论建模。 （2）自然透明的人机交互 （3）无缝的应用迁移 （4）上下文感知,2.2.7云计算技术,云计算主要特点： （1）云计算是一种新的计算模式。 （2）云计算是互联网计算模式的商业实现方式。 （3）云计算的优点是安全、方便，共享的资源可以按需扩展 （4）云计算更适合于中小企业和低端用户。 （5）云计算体现了软件即服务的理念。,图2-15 云计算工作模式示意图,2.2.8数据库与数据仓库技术,1.数据库技术的发展 （1）面向对象数据库 （2）分布式数据库 （3）多媒体数据库 （4）并行数据库 （5）演绎数据库 （6）主动数据库,2.数据仓库、数据集市与数据挖掘技术 数据仓库是一个在企业管理和决策中面向主题的、集成的、相对稳定的、动态更新的数据集合。采用全新的数据组织方式，对大量的原始数据进行采集、转换、加工，并按照主题进行重组，提取有用的信息。数据仓库系统需提供工具层，包括联机分析处理工具、预测分析工具和数据挖掘工具。 应用数据仓库技术使系统能够面向复杂数据分析、高层决策支持，提供来自不同的应用系统的集成化数据和历史数据，为决策者进行全局范围内的战略决策和长期趋势分析提供有效的支持。 数据挖掘使数据库技术进入了一个更高级的阶段，它不仅能对过去的数据进行查询和遍历，并且能够找出过去数据之间的潜在联系，从而促进信息的传递,2.2.9人工智能技术,1．人工智能的基本概念 人工智能(artificial intelligence)是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、语言学等多种学科高度发展、紧密结合、互相渗透而发展起来的一门交叉学科。 2．人工智能技术的研究与应用 当前人工智能技术的研究与应用主要集中在以下几个方面 （1）自然语言理解 （2）数据库的智能检索。 （3）专家系统 （4）定理证明 （5）博弈 （6）自动程序设计 （7）组合调度问题 （8）感知问题,2.2.9嵌入式技术,1．嵌入式技术与环境智能化 嵌入式系统（Embedded System）也称嵌入式计算机系统，它是针对特定的应用，剪裁计算机的软件和硬件，以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用计算机系统。 2．嵌入式计算机系统的特点 （1）微型机应用和微处理器芯片技术的发展为嵌入式系统研究奠定了基础。 （2）嵌入式系统的发展适应了智能控制的需求。 （3）嵌入式系统的发展促进了适应特殊要求的微处理器芯片、操作系统、软件编程语言与体系结构研究的发展。 （4）嵌入式系统的研究体现出多学科交叉融合的特点。,3．嵌入式系统发展的过程 嵌入式系统从20世纪70年代出现以来，发展至今已经有30多年历史。嵌人式系统大致经历了四个发展阶段。 （1）第一阶段是以可编程序控制器系统为核心的研究阶段。 （2）第二阶段是以嵌入式中央处理器CPU为基础，以简单操作系统为核心的阶段。 （3）第三阶段是以嵌人式操作系统为标志的阶段。 （4）第四阶段是基于网络操作的嵌入式系统发展阶段。,2.3现代网络通信与物联网,由大量的部署在监测区域内的微型传感器节点构成的无线传感器网络，通过无线通信方式智能组网，形成一个自组织网络系统，具有信号采集、实时监测、信息传输、协同处理、信息服务等功能，能感知、采集和处理网络所覆盖区域中感知对象的各种信息，并将处理后的信息传递给用户。,2.3.1 无线网络与物联网,2.3.2 无线局域网与协议,定义：无线局域网是指以无线电波、激光、红外线等无线媒介来代替有线局域网中的部分或全部传输媒介而构成的网络 。 协议标准 （1） 802.11协议 （2）蓝牙标准 （3）HomeRF工业标准,2.3.3 IPv6技术,物联网带来了技术上的挑战 （1）物联网由众多节点连接构成，无论是采用自组织方式，还是采用现有的公众网进行连接，这些节点之间的通信必然牵涉到寻址问题 （2）目前互联网的移动性不足也造成了移动能力的瓶颈 （3）网络质量保证也是物联网发展过程中必须解决的问题 （4）物联网节点的安全性和可靠性也需要重新考虑,基于IPv6技术的物联网技术解决方案 （1）IPv6地址技术 （2）IPv6移动性技术 （3）IPv6 QoS技术 （4）IPv6安全性与可靠性技术,,图2-16 MIPv4与MIPv6的转发比较,2.3.4 蓝牙、无线个人区域网与Zigbee,蓝牙技术是一种短距离无线电技术 无线个人区域网（无线个域网）WPAN(Wireless Personal Area Network)。就是在个人工作地方把属于个人使用的电子设备（如便携式计算机，掌上电脑以及蜂窝电话等）用无线技术连接起来，整个网络的范围大约为10m。 Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络 。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。,ZigBee的特点 （1）低功耗 （2）成本低 （3）时延短 （4）网络容量大 （5）可靠 （6）安全,2.4 无线通信3G与物联网的发展,理解3G的基本概念时，需要注意以下几个问题。 （1）第三代移动通信技术简称为“3G”或“三代”，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。3G服务能够同时支持语音通话信号及电子邮件、即时通信数字信号的高速传输。 （2）3G与2G的主要区别是：3G能够在全球范围内更好地实现无线漫游，提供网页浏览、电话会议、电子商务、音乐、视频等多种信息服务。 根据我国电信业重组方案，3G牌照的发放方式是：中国移动获得TD-SCDMA牌照，中国电信获得CDMA2000牌照，中国联通获得WCDMA牌照。,2.4.1 3G促进物联网发挥无线通信,2.4.2 物联网信息发送的平台——3G手机,普通3G手机服务业务包括以下几个方面： （1）宽带上网 （2）视频通话 （3）手机电视 （4）无线搜索 （5）手机音乐 （6）手机购物 （7）手机网游,2.4.3 基于RFID和手机终端的移动电子 商务,1．3G特色定位应用 （1）高精度定位 （2）区域触发定位 2．移动企业应用 （1）移动多媒体会议电话、会议电视服务 （2）高速移动企业接入 3．移动行业的应用 （1）面向公众的业务 （2）面向行业内部生产管理的应用,2.5集成电路：物联网的基石,第一组数据是微电子技术对国民经济总产值的贡献 。发达国家或发展中国家在经济增长方面存在着一条规律，那就是电子工业产值的增长速率是国民经济总产值增长速率的3倍，微电子产业的增长速率又是电子工业增长速率的2倍。 第二组数据是集成电路产品与其他门类产品对国民经济贡献率的比较。 。根据有关研究机构的测算，集成电路对国民经济的贡献率远高于其他门类的产品。如果以单位质量钢筋对GDP的贡献为1计算，那么小汽车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路的贡献率则高达2000。,2.5.1 微电子技术和产业发展的重要性,2.5.2集成电路的研究与发展,经过40余年的发展，集成电路已经从最初的小规模芯片，发展到目前的超大规模集成电路和系统芯片，单个电路芯片集成的元件数从当时的十几个发展到目前的几亿个甚至几十、上百亿个。 摩尔定律：集成电路的集成度每18个月就翻一番，特征尺寸每3年缩小1/2。 计算机界对于摩尔定律的两点推论是： 微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降了一半。 用一美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两番。,集成电路的发展阶段 第一阶段：1962年制造出集成了12个晶体管的小规模集成电路(SSI)芯片。 第二阶段：1966年制造出集成度为100～1000个晶体管的中规模集成电路（MSI）芯片。 第三阶段：1967～1973年，制造出集成度为1000～100 000个晶体管的大规模集成电路（LSI）芯片。 第四阶段：1977年研制出在30平方毫米的硅晶片上集成了15万个晶体管的超大规模集成电路（VLSI）芯片。 第五阶段：1993年制造出集成了1000万个晶体管的16MB FLASH与256MB DRAM的特大规模集成电路（ULSI）芯片。 第六阶段：1994年制造出集成了1亿个晶体管的1GB DRAM巨大规模集成电路（GSI）芯片。,2.5.3系统芯片的研究与应用,系统芯片（SoC）也称为片上系统。 SoC就是将一个电子系统的多个部分集成在一个芯片上，能够完成某种完整的电子系统功能。 图2-17左端是一款用多块大规模集成电路和一些分立元件组成的手机电路结构图，图的右端是将手机的多块大规模集成电路和部分元件集成在一起的SoC芯片示意图。,图2-17 SoC芯片与集成电路的关系示意图,2.6本章小结,本章在介绍物联网的体系结构基础上，系统地介绍了支撑物联网发展的信息技术。计算机技术为物联网提供了计算工具，通信技术为物联网提供了通信手段，微电子技术是物联网发展的基石。 微电子芯片设计与制造是物联网产业的基石。小型化、造价低的RFID芯片与读写器，传感器芯片、传感器的无线通信芯片，以及无线传感器网络的结点电路与设备的研制都需要使用SoC技术。物联网的应用为我国微电子产业的发展创造了重大的发展机遇。,