物聯網武奇生物聯網武奇生第二章物聯網體系結構及其信息技術

本章內容：物聯網的體系結構支持物聯網發展的技術現代網絡通信與物聯網無線通信3G與物聯網的發展集成電路：物聯網的基石第二章物聯網體系結構及其信息技術

本章內容：根據功能物聯網技術可以分為三類：1）感知技術：通過多種傳感器、RFID、二維碼、定位、地理識別系統、多媒體信息等數據采集技術，實現外部世界信息的感知和識別；2）網絡技術：通過廣泛的互聯功能，實現感知信息高可靠性、高安全性進行傳送，包括各種有線和無線傳輸技術、交換技術、組網技術、網關技術等；3）應用技術：通過應用中間件提供跨行業、跨應用、跨系統之間的信息協同及共享和互通的功能，包括數據存儲、并行計算、數據挖掘、平臺服務、信息呈現、服務體系架構、軟件和算法技術等。在這些技術中，目前存在著三個比較重要的體系，第一個是RFID體系，除了RFID技術外還包括條碼和二維碼等；第二個是傳感網體系：第三個體系是M2M技術，M2M是重在強調廣域網絡傳輸的技術。根據功能物聯網技術可以分為三類：2.1物聯網的體系結構在物聯網上，通過對所有身邊的實際事物安裝智能芯片，利用射頻自動識別(RFID)技術，讓物品能“開口說話”，告知其它人或物有關的靜態、動態信息。RFID標簽中存儲著規范而具有互用性的信息，RFID標簽技術在第三章中介紹。再通過光電式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導纖維傳感器等傳感裝置，借助有線、無線數據通信網絡把它們自動采集到中央信息系統，實現物品(商品)的識別，進而通過開放性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。2.1.1物聯網的工作原理2.1物聯網的體系結構在物聯網上，通過對所有身邊的實際事物2.1.2物聯網的體系結構物聯網應該具備三個特征：一是全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時地獲取物體的信息；二是可傳遞，通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；三是智能處理，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，對物體實施智能化地控制。2.1.2物聯網的體系結構物聯網應該具備三個特征：1.物聯網的體系結構物聯網大致被認為有三個層次感知層網絡層應用層1.物聯網的體系結構圖2-2物聯網的體系結構圖2-2物聯網的體系結構2.物聯網技術體系結構物聯網的體系結構可以分為三個層次：（1）泛在化末端感知網絡（對應感知層）：泛在化末端感知網絡的主要任務是信息感知。（2）融合化網絡通信基礎設施（對應網絡層）：融合化網絡通信基礎設施的主要功能是實現物聯網的數據傳輸。目前能夠用于物聯網的通信網絡主要有互聯網、無線通信網與衛星通信網、有線電視網。（3）普適化應用服務支撐體系（對應應用層）：普適化應用服務支撐體系的主要功能是物聯網的數據處理與應用。

2.物聯網技術體系結構物聯網的體系結構可以分為三個層次：圖2-3物聯網技術體系結構示意圖圖2-3物聯網技術體系結構示意圖支持物聯網的技術：（1）感知技術。能夠用于物聯網底層感知信息的技術，它包括RFID與RFID讀寫技術、傳感器與傳感器網絡、機器人智能感知技術、遙測遙感技術以及IC卡與條形碼技術等。（2）傳輸技術。能夠匯聚感知數據，并實現物聯網數據傳輸的技術，它包括互聯網技術、地面無線傳輸技術以及衛星通信技術等。（3）支撐技術。用于物聯網數據處理和利用的技術，它包括云計算與高性能計算技術、智能技術、數據庫與數據挖掘技術、GIS/GPS技術、通信技術以及微電子技術等。（4）應用技術。用于直接支持物聯網應用系統運行的技術，它包括物聯網信息共享交互平臺技術、物聯網數據存儲技術以及各種行業物聯網應用系統。支持物聯網的技術：2.1.3物聯網的工作步驟一般來講，物聯網的開展步驟主要如下：(1)對物體屬性進行標識，屬性包括靜態和動態的屬性，靜態屬性可以直接存儲在標簽中，動態屬性需要先由傳感器實時探測。(2)需要識別設備完成對物體屬性的讀取，并將信息轉換為適合網絡傳輸的數據格式。(3)將物體的信息通過網絡傳輸到信息處理中心(處理中心可能是分布式的，如家里的電腦或者手機，也可能是集中式的，如中國移動的IDC)，由處理中心完成物體通信的相關計算。2.1.3物聯網的工作步驟一般來講，物聯網的開展步驟主要如2.2支持物聯網發展的技術RFID和傳感器具有不同的技術特點，傳感器可以監測感應到各種信息，但缺乏對物品的標識能力，而RFID技術恰恰具有強大的標識物品能力。盡管RFID也經常被描述成一種基于標簽的，并用于識別目標的傳感器，但RFID讀寫器不能實時感應當前環境的改變，其讀寫范圍受到讀寫器與標簽之間距離的影響。因此提高RFID系統的感應能力，擴大RFID系統的覆蓋能力是亟待解決的問題。而傳感器網絡較長的有效距離將拓展RFID技術的應用范圍。傳感器、傳感器網絡和RFID技術都是物聯網技術的重要組成部分，它們的相互融合和系統集成將極大地推動物聯網的應用。2.2.1RFID技術2.2支持物聯網發展的技術RFID和傳感器具有不同的技術特2.2.2無線傳感器網絡傳感器網絡(SensorNetwork)的概念最早由美國軍方提出，起源于1978年美國國防部高級研究計劃局(DARPA)開始資助卡耐基梅隆大學進行分布式傳感器網絡的研究項目，當時此概念局限于由若干具有無線通信能力的傳感器節點自組織構成的網絡。

2008年2月，ITU-T發表了《泛在傳感器網絡(UbiquitousSensorNetworks)》研究報告。在報告中，ITU-T指出傳感器網絡已經向泛在傳感器網絡的方向發展，它是由智能傳感器節點組成的網絡，可以以“任何地點、任何時間、任何人、任何物”的形式被部署。2.2.2無線傳感器網絡傳感器網絡(SensorNetwRFID與WSN可以在兩個不同的層面進行融合：物聯網架構下RFID與WSN的融合；傳感器網絡架構下RFID與WSN的融合，該架構下的融合又分為智能基站、智能節點、智能傳感標簽三種情況。物聯網架構下RFID與WSN的融合RFID與WSN可以在兩個不同的層面進行融合：物聯網架構下R圖2-5智能基站圖2-5智能基站圖2-6智能節點圖2-6智能節點圖2-7智能傳感標簽圖2-7智能傳感標簽圖2-8WSN與其他無線通信技術的融合圖2-8WSN與其他無線通信技術的融合2.2.3納米技術納米技術是研究尺寸在0.1～100nm的物質組成體系的運動規律和相互作用及可能的實際應用中的技術問題的科學，主要包括納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等。其中，納米物理學和納米化學是納米科學的理論基礎，而納米電子學是納米科學最重要的內容，納米電子技術也是納米技術的核心。2.2.3納米技術納米技術是研究尺寸在0.1～100nm的2.2.4感知技術1.紅外感應技術紅外傳感器是一種能探測紅外線的器件，能把紅外輻射量變化轉換成電量變化，按其工作原理可分為熱電型和光電型紅外傳感器。(1)熱電紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應制成的，采用熱敏元件，其工作原理是：當紅外線照射熱敏檢測元件時，檢測元件的表面溫度將發生變化，將其表面所出現的電荷作為電信號，對紅外線進行檢測。熱電型紅外線光敏元件的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多，如。(2)光電紅外傳感器是利用紅外輻射的光電效應制成的，采用光電元件，其響應時間比熱電紅外傳感器短得多。2.2.4感知技術1.紅外感應技術熱釋電紅外傳感器熱釋電效應：當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現象被稱為熱釋電效應。通常，晶體自發極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發極化電矩不能表現出來。當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發極化發生變化，晶體表面就會產生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。熱釋電紅外傳感器圖2-9熱釋電效應的形成原理圖2-9熱釋電效應的形成原理熱釋電紅外傳感器利用的正是熱釋電效應，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當傳感器監測范圍內溫度有的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上產生電荷△Q，即在兩電極之間產生微弱電壓。由于它的輸出阻抗極高，所以，傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷△Q會跟空氣中的離子結合而消失，當環境溫度穩定不變時，，傳感器無輸出。熱釋電紅外傳感器利用的正是熱釋電效應，是一種溫度敏感傳感器。圖2-10熱釋電紅外傳感器的結構及內部電路圖2-10熱釋電紅外傳感器的結構及內部電路菲涅耳透鏡它是根據菲涅耳原理制成的，把紅外光線分成可見區和盲區。菲涅耳透鏡有折射式和反射式兩種形式，其作用為：一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區內分為若干個明區和暗區，使進入檢測區的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號，這樣，PIR就能產生變化電信號。菲涅耳透鏡圖2-11菲涅耳透鏡圖2-11菲涅耳透鏡2.全球定位技術GPS的組成：（1）空間部分——GPS星座；（2）地面控制部分——地面監控系統；（3）用戶設備部分——GPS信號接收機。GPS定位原理假設時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間，再加上接收機所接收到的衛星星歷等其他數據可以確定以下4個方程式：2.全球定位技術式中，待測點坐標、、和為未知參數；（=1，2，3，4）分別為衛星1、衛星2、衛星3和衛星4到接收機之間的距離（偽距）；為GPS信號的傳播速度（即光光速）。4個方程式中各個參數意義如下：、和為待測點坐標的空間直角坐標；、和（=1，2，3，4）分別為衛星1、衛星2、衛星3和衛星4在時刻的空間直角坐標，可由衛星導航電文求得；（=1，2，3，4）分別為衛星1、衛星2、衛星3和衛星4的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供；是傳播延時誤差，用雙頻測量法校正。由以上4個方程即可解算出待測點的坐標、、和接收機的鐘差。式中，待測點坐標、、和為未知參數；圖2-12GPS定位原理圖2-12GPS定位原理GPS的特點

（1）全球覆蓋。由于其24顆衛星均勻分布，形成同時覆蓋全球的衛星網，由于衛星距地面越高，可見的地球表面或衛星的覆蓋區域就越大，借助地球的自轉可使地球上任何地方至少同時看到6~11顆衛星。（2）全天候。（3）高精度。P碼定位精度為水平方向20~40m，垂直方向45m，測速0.2m/s，測時精度0.2。C/A碼定位精度為水平方向l00m，垂直方向156m，測速0.3m/s，測時精度340ns。（4）多用途。廣泛用于陸、海、空、各類軍民載體的導航定位、精密測量和授時服務。GPS的特點（1）全球覆蓋。3.遙感技術定義：遙感起源于20世紀60年代，其特征是不直接接觸被研究的目標，感測目標的特征信息（一般是電磁波的反射、輻射和發射輻射），經過傳輸、處理，從中提取人們感興趣的信息，這個過程叫遙感。遙感技術則是實現這種過程所采取的各種技術手段的總稱，包括攝影、陸地、航空、航天攝影測量等技術。分類：遙感技術依其波譜性質，可分為電磁波遙感技術、聲學遙感技術和物理場遙感技術

特點：“三高”（即高光譜、高時間分辨率、高空間分辨率）、“三全”（即全天候、全天時、全球）、“3W”（即what，when，where）、“三結合”（即大小衛星結合、航空與航天結合、技術與應用結合）

3.遙感技術4.激光掃描器激光掃描器是一種遠距離條碼閱讀設備手持式激光掃描器屬單線掃描，其景深較大，掃描首讀率和精度較高，掃描寬度不受設備開口寬度限制；臥式激光掃描器為全角掃描器，操作方便，操作者可雙手對物品進行操作，只要條碼符號面向掃描器，不管其方向如何，均能實現自動掃描，超級市場大都采用這種設備。優點：非接觸掃描；閱讀條碼密度范圍廣，并可以閱讀不規則的條碼表面或透過玻璃、透明膠紙閱讀；不會損壞條碼標簽；首讀識別成功率高，識別速度相對光筆及CCD更快，而且對印刷質量不好或模糊的條碼識別效果好；誤碼率極低（約為三百萬分之一）；激光讀寫器的防震、防摔性能好。4.激光掃描器缺點：價格相對較高。工作原理：手持式激光掃描器通過一個激光二極管發出一束光線，照射到一個旋轉的棱鏡或來回擺動的鏡子上，反射后的光線穿過閱讀窗照射到條碼表面，光線經過條形碼的條或空的反射后返回到讀寫器，由一個鏡子進行采集、聚焦，通過光電轉換器轉換成電信號，該信號將通過掃描器或終端上的譯碼軟件進行譯碼。缺點：價格相對較高。分類：（1）單線掃描：其景深較大，掃描首讀率和精度較高，掃描寬度不受設備開口寬度限制，如手持式激光掃描器。（2）全角掃描器：操作方便，操作者可雙手對物品進行操作，只要條碼符號面向掃描器，不管其方向如何，均能實現自動掃描，超級市場大都采用這種設備。如：臥式激光掃描器。（3）光柵式掃描優點：非接觸掃描；閱讀條碼密度范圍廣，并可以閱讀不規則的條碼表面或透過玻璃、透明膠紙閱讀；不會損壞條碼標簽；首讀識別成功率高，識別速度相對光筆及CCD更快，而且對印刷質量不好或模糊的條碼識別效果好；誤碼率極低（約為三百萬分之一）；激光讀寫器的防震、防摔性能好。缺點：價格相對較高。分類：圖2-13激光掃描器工作原理圖2-13激光掃描器工作原理工作原理：手持式激光掃描器通過一個激光二極管發出一束光線，照射到一個旋轉的棱鏡或來回擺動的鏡子上，反射后的光線穿過閱讀窗照射到條碼表面，光線經過條形碼的條或空的反射后返回到讀寫器，由一個鏡子進行采集、聚焦，通過光電轉換器轉換成電信號，該信號將通過掃描器或終端上的譯碼軟件進行譯碼。圖2-14激光掃描器工作流程工作原理：手持式激光掃描器通過一個激光二極管發出一束光線，2.2.5通信及計算技術1.移動通信的分類（1）按設備的使用環境分類：陸地移動通信、海上移動通信和航空移動通信（2）按服務對象分類：公用移動通信與專用移動通信（3）按移動通信系統分類：蜂窩移動通信、專用調度電話、集群調度電話、個人無線電話、公用無線電話、移動衛星通信等類型。2.2.5通信及計算技術1.移動通信的分類2.2.6普適計算技術理解普適計算概念需要注意以下幾個問題：（1）“無處不在”與“不可見”（2）普適計算體現出信息空間與物理空間的融合（3）普適計算的核心是“以人為本”（4）普適計算的重點在于提供面向用戶的、統一的、自適應的網絡服務要實現普適計算的目標，我們必須解決以下幾個基本的問題：（1）理論建模。（2）自然透明的人機交互（3）無縫的應用遷移（4）上下文感知2.2.6普適計算技術理解普適計算概念需要注意以下幾個問題2.2.7云計算技術云計算主要特點：（1）云計算是一種新的計算模式。（2）云計算是互聯網計算模式的商業實現方式。（3）云計算的優點是安全、方便，共享的資源可以按需擴展（4）云計算更適合于中小企業和低端用戶。（5）云計算體現了軟件即服務的理念。2.2.7云計算技術云計算主要特點：圖2-15云計算工作模式示意圖圖2-15云計算工作模式示意圖2.2.8數據庫與數據倉庫技術1.數據庫技術的發展

（1）面向對象數據庫（2）分布式數據庫（3）多媒體數據庫（4）并行數據庫（5）演繹數據庫（6）主動數據庫2.2.8數據庫與數據倉庫技術1.數據庫技術的發展2.數據倉庫、數據集市與數據挖掘技術數據倉庫是一個在企業管理和決策中面向主題的、集成的、相對穩定的、動態更新的數據集合。采用全新的數據組織方式，對大量的原始數據進行采集、轉換、加工，并按照主題進行重組，提取有用的信息。數據倉庫系統需提供工具層，包括聯機分析處理工具、預測分析工具和數據挖掘工具。應用數據倉庫技術使系統能夠面向復雜數據分析、高層決策支持，提供來自不同的應用系統的集成化數據和歷史數據，為決策者進行全局范圍內的戰略決策和長期趨勢分析提供有效的支持。數據挖掘使數據庫技術進入了一個更高級的階段，它不僅能對過去的數據進行查詢和遍歷，并且能夠找出過去數據之間的潛在聯系，從而促進信息的傳遞2.數據倉庫、數據集市與數據挖掘技術2.2.9人工智能技術1．人工智能的基本概念人工智能(artificialintelligence)是計算機科學、控制論、信息論、神經生理學、心理學、語言學等多種學科高度發展、緊密結合、互相滲透而發展起來的一門交叉學科。2．人工智能技術的研究與應用當前人工智能技術的研究與應用主要集中在以下幾個方面（1）自然語言理解（2）數據庫的智能檢索。（3）專家系統（4）定理證明（5）博弈（6）自動程序設計（7）組合調度問題

（8）感知問題2.2.9人工智能技術1．人工智能的基本概念2.2.9嵌入式技術1．嵌入式技術與環境智能化嵌入式系統（EmbeddedSystem）也稱嵌入式計算機系統，它是針對特定的應用，剪裁計算機的軟件和硬件，以適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗的嚴格要求的專用計算機系統。2．嵌入式計算機系統的特點（1）微型機應用和微處理器芯片技術的發展為嵌入式系統研究奠定了基礎。（2）嵌入式系統的發展適應了智能控制的需求。（3）嵌入式系統的發展促進了適應特殊要求的微處理器芯片、操作系統、軟件編程語言與體系結構研究的發展。（4）嵌入式系統的研究體現出多學科交叉融合的特點。2.2.9嵌入式技術1．嵌入式技術與環境智能化3．嵌入式系統發展的過程嵌入式系統從20世紀70年代出現以來，發展至今已經有30多年歷史。嵌人式系統大致經歷了四個發展階段。（1）第一階段是以可編程序控制器系統為核心的研究階段。（2）第二階段是以嵌入式中央處理器CPU為基礎，以簡單操作系統為核心的階段。（3）第三階段是以嵌人式操作系統為標志的階段。（4）第四階段是基于網絡操作的嵌入式系統發展階段。3．嵌入式系統發展的過程2.3現代網絡通信與物聯網由大量的部署在監測區域內的微型傳感器節點構成的無線傳感器網絡，通過無線通信方式智能組網，形成一個自組織網絡系統，具有信號采集、實時監測、信息傳輸、協同處理、信息服務等功能，能感知、采集和處理網絡所覆蓋區域中感知對象的各種信息，并將處理后的信息傳遞給用戶。2.3.1無線網絡與物聯網2.3現代網絡通信與物聯網由大量的部署在監測區域內的微型傳感2.3.2無線局域網與協議定義：無線局域網是指以無線電波、激光、紅外線等無線媒介來代替有線局域網中的部分或全部傳輸媒介而構成的網絡。協議標準（1）802.11協議（2）藍牙標準（3）HomeRF工業標準2.3.2無線局域網與協議定義：無線局域網是指以無線電波、2.3.3IPV6技術物聯網帶來了技術上的挑戰（1）物聯網由眾多節點連接構成，無論是采用自組織方式，還是采用現有的公眾網進行連接，這些節點之間的通信必然牽涉到尋址問題（2）目前互聯網的移動性不足也造成了移動能力的瓶頸（3）網絡質量保證也是物聯網發展過程中必須解決的問題（4）物聯網節點的安全性和可靠性也需要重新考慮2.3.3IPV6技術物聯網帶來了技術上的挑戰基于IPv6技術的物聯網技術解決方案（1）IPv6地址技術（2）IPv6移動性技術（3）IPv6QoS技術（4）IPv6安全性與可靠性技術基于IPv6技術的物聯網技術解決方案圖2-16MIPv4與MIPv6的轉發比較圖2-16MIPv4與MIPv6的轉發比較2.3.4藍牙、無線個人區域網與ZIGBEE藍牙技術是一種短距離無線電技術無線個人區域網（無線個域網）WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)。就是在個人工作地方把屬于個人使用的電子設備（如便攜式計算機，掌上電腦以及蜂窩電話等）用無線技術連接起來，整個網絡的范圍大約為10m。Zigbee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。Zigbee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。

2.3.4藍牙、無線個人區域網與ZIGBEE藍牙技術是一種ZigBee的特點（1）低功耗（2）成本低（3）時延短（4）網絡容量大（5）可靠（6）安全ZigBee的特點2.4無線通信3G與物聯網的發展理解3G的基本概念時，需要注意以下幾個問題。（1）第三代移動通信技術簡稱為“3G”或“三代”，是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術。3G服務能夠同時支持語音通話信號及電子郵件、即時通信數字信號的高速傳輸。（2）3G與2G的主要區別是：3G能夠在全球范圍內更好地實現無線漫游，提供網頁瀏覽、電話會議、電子商務、音樂、視頻等多種信息服務。根據我國電信業重組方案，3G牌照的發放方式是：中國移動獲得TD-SCDMA牌照，中國電信獲得CDMA2000牌照，中國聯通獲得WCDMA牌照。2.4.13G促進物聯網發揮無線通信2.4無線通信3G與物聯網的發展理解3G的基本概念時，需要2.4.2物聯網信息發送的平臺——3G手機

普通3G手機服務業務包括以下幾個方面：（1）寬帶上網（2）視頻通話（3）手機電視（4）無線搜索（5）手機音樂（6）手機購物（7）手機網游2.4.2物聯網信息發送的平臺——3G手機

普通3G手機服2.4.3基于RFID和手機終端的移動電子商務1．3G特色定位應用（1）高精度定位（2）區域觸發定位2．移動企業應用（1）移動多媒體會議電話、會議電視服務（2）高速移動企業接入3．移動行業的應用（1）面向公眾的業務（2）面向行業內部生產管理的應用

2.4.3基于RFID和手機終端的移動電子商2.5集成電路：物聯網的基石第一組數據是微電子技術對國民經濟總產值的貢獻。發達國家或發展中國家在經濟增長方面存在著一條規律，那就是電子工業產值的增長速率是國民經濟總產值增長速率的3倍，微電子產業的增長速率又是電子工業增長速率的2倍。第二組數據是集成電路產品與其他門類產品對國民經濟貢獻率的比較。。根據有關研究機構的測算，集成電路對國民經濟的貢獻率遠高于其他門類的產品。如果以單位質量鋼筋對GDP的貢獻為1計算，那么小汽車為5，彩電為30，計算機為1000，而集成電路的貢獻率則高達2000。2.5.1微電子技術和產業發展的重要性2.5集成電路：物聯網的基石第一組數據是微電子技術對國民經濟2.5.2集成電路的研究與發展經過40余年的發展，集成電路已經從最初的小規模芯片，發展到目前的超大規模集成電路和系統芯片，單個電路芯片集成的元件數從當時的十幾個發展到目前的幾億個甚至幾十、上百億個。摩爾定律：集成電路的集成度每18個月就翻一番，特征尺寸每3年縮小1/2。計算機界對于摩爾定律的兩點推論是：微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降了一半。用一美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩番。2.5.2集成電路的研究與發展經過40余年的發展，集成電路已集成電路的發展階段第一階段：1962年制造出集成了12個晶體管的小規模集成電路(SSI)芯片。第二階段：1966年制造出集成度為100～1000個晶體管的中規模集成電路（MSI）芯片。第三階段：1967～1973年，制造出集成度為1000～100000個晶體管的大規模集成電路（LSI）芯片。第四階段：1977年研制出在30平方毫米的硅晶片上集成了15萬個晶體管的超大規模集成電路（VLSI）芯片。第五階段：1993年制造出集成了1000萬個晶體管的16MBFLASH與256MBDRAM的特大規模集成電路（ULSI）芯片。第六階段：1994年制造出集成了1億個晶體管的1GBDRAM巨大規模集成電路（GSI）芯片。集成電路的發展階段2.5.3系統芯片的研究與應用系統芯片（SoC）也稱為片上系統。SoC就是將一個電子系統的多個部分集成在一個芯片上，能夠完成某種完整的電子系統功能。圖2-17左端是一款用多塊大規模集成電路和一些分立元件組成的手機電路結構圖，圖的右端是將手機的多塊大規模集成電路和部分元件集成在一起的SoC芯片示意圖。2.5.3系統芯片的研究與應用系統芯片（SoC）也稱為片上系圖2-17SoC芯片與集成電路的關系示意圖圖2-17SoC芯片與集成電路的關系示意圖2.6本章小結本章在介紹物聯網的體系結構基礎上，系統地介紹了支撐物聯網發展的信息技術。計算機技術為物聯網提供了計算工具，通信技術為物聯網提供了通信手段，微電子技術是物聯網發展的基石。微電子芯片設計與制造是物聯網產業的基石。小型化、造價低的RFID芯片與讀寫器，傳感器芯片、傳感器的無線通信芯片，以及無線傳感器網絡的結點電路與設備的研制都需要使用SoC技術。物聯網的應用為我國微電子產業的發展創造了重大的發展機遇。2.6本章小結本章在介紹物聯網的體系結構基礎上，系統地介紹了物聯網武奇生物聯網武奇生第二章物聯網體系結構及其信息技術

本章內容：物聯網的體系結構支持物聯網發展的技術現代網絡通信與物聯網無線通信3G與物聯網的發展集成電路：物聯網的基石第二章物聯網體系結構及其信息技術

本章內容：根據功能物聯網技術可以分為三類：1）感知技術：通過多種傳感器、RFID、二維碼、定位、地理識別系統、多媒體信息等數據采集技術，實現外部世界信息的感知和識別；2）網絡技術：通過廣泛的互聯功能，實現感知信息高可靠性、高安全性進行傳送，包括各種有線和無線傳輸技術、交換技術、組網技術、網關技術等；3）應用技術：通過應用中間件提供跨行業、跨應用、跨系統之間的信息協同及共享和互通的功能，包括數據存儲、并行計算、數據挖掘、平臺服務、信息呈現、服務體系架構、軟件和算法技術等。在這些技術中，目前存在著三個比較重要的體系，第一個是RFID體系，除了RFID技術外還包括條碼和二維碼等；第二個是傳感網體系：第三個體系是M2M技術，M2M是重在強調廣域網絡傳輸的技術。根據功能物聯網技術可以分為三類：2.1物聯網的體系結構在物聯網上，通過對所有身邊的實際事物安裝智能芯片，利用射頻自動識別(RFID)技術，讓物品能“開口說話”，告知其它人或物有關的靜態、動態信息。RFID標簽中存儲著規范而具有互用性的信息，RFID標簽技術在第三章中介紹。再通過光電式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導纖維傳感器等傳感裝置，借助有線、無線數據通信網絡把它們自動采集到中央信息系統，實現物品(商品)的識別，進而通過開放性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。2.1.1物聯網的工作原理2.1物聯網的體系結構在物聯網上，通過對所有身邊的實際事物2.1.2物聯網的體系結構物聯網應該具備三個特征：一是全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時地獲取物體的信息；二是可傳遞，通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；三是智能處理，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，對物體實施智能化地控制。2.1.2物聯網的體系結構物聯網應該具備三個特征：1.物聯網的體系結構物聯網大致被認為有三個層次感知層網絡層應用層1.物聯網的體系結構圖2-2物聯網的體系結構圖2-2物聯網的體系結構2.物聯網技術體系結構物聯網的體系結構可以分為三個層次：（1）泛在化末端感知網絡（對應感知層）：泛在化末端感知網絡的主要任務是信息感知。（2）融合化網絡通信基礎設施（對應網絡層）：融合化網絡通信基礎設施的主要功能是實現物聯網的數據傳輸。目前能夠用于物聯網的通信網絡主要有互聯網、無線通信網與衛星通信網、有線電視網。（3）普適化應用服務支撐體系（對應應用層）：普適化應用服務支撐體系的主要功能是物聯網的數據處理與應用。

2.物聯網技術體系結構物聯網的體系結構可以分為三個層次：圖2-3物聯網技術體系結構示意圖圖2-3物聯網技術體系結構示意圖支持物聯網的技術：（1）感知技術。能夠用于物聯網底層感知信息的技術，它包括RFID與RFID讀寫技術、傳感器與傳感器網絡、機器人智能感知技術、遙測遙感技術以及IC卡與條形碼技術等。（2）傳輸技術。能夠匯聚感知數據，并實現物聯網數據傳輸的技術，它包括互聯網技術、地面無線傳輸技術以及衛星通信技術等。（3）支撐技術。用于物聯網數據處理和利用的技術，它包括云計算與高性能計算技術、智能技術、數據庫與數據挖掘技術、GIS/GPS技術、通信技術以及微電子技術等。（4）應用技術。用于直接支持物聯網應用系統運行的技術，它包括物聯網信息共享交互平臺技術、物聯網數據存儲技術以及各種行業物聯網應用系統。支持物聯網的技術：2.1.3物聯網的工作步驟一般來講，物聯網的開展步驟主要如下：(1)對物體屬性進行標識，屬性包括靜態和動態的屬性，靜態屬性可以直接存儲在標簽中，動態屬性需要先由傳感器實時探測。(2)需要識別設備完成對物體屬性的讀取，并將信息轉換為適合網絡傳輸的數據格式。(3)將物體的信息通過網絡傳輸到信息處理中心(處理中心可能是分布式的，如家里的電腦或者手機，也可能是集中式的，如中國移動的IDC)，由處理中心完成物體通信的相關計算。2.1.3物聯網的工作步驟一般來講，物聯網的開展步驟主要如2.2支持物聯網發展的技術RFID和傳感器具有不同的技術特點，傳感器可以監測感應到各種信息，但缺乏對物品的標識能力，而RFID技術恰恰具有強大的標識物品能力。盡管RFID也經常被描述成一種基于標簽的，并用于識別目標的傳感器，但RFID讀寫器不能實時感應當前環境的改變，其讀寫范圍受到讀寫器與標簽之間距離的影響。因此提高RFID系統的感應能力，擴大RFID系統的覆蓋能力是亟待解決的問題。而傳感器網絡較長的有效距離將拓展RFID技術的應用范圍。傳感器、傳感器網絡和RFID技術都是物聯網技術的重要組成部分，它們的相互融合和系統集成將極大地推動物聯網的應用。2.2.1RFID技術2.2支持物聯網發展的技術RFID和傳感器具有不同的技術特2.2.2無線傳感器網絡傳感器網絡(SensorNetwork)的概念最早由美國軍方提出，起源于1978年美國國防部高級研究計劃局(DARPA)開始資助卡耐基梅隆大學進行分布式傳感器網絡的研究項目，當時此概念局限于由若干具有無線通信能力的傳感器節點自組織構成的網絡。

2008年2月，ITU-T發表了《泛在傳感器網絡(UbiquitousSensorNetworks)》研究報告。在報告中，ITU-T指出傳感器網絡已經向泛在傳感器網絡的方向發展，它是由智能傳感器節點組成的網絡，可以以“任何地點、任何時間、任何人、任何物”的形式被部署。2.2.2無線傳感器網絡傳感器網絡(SensorNetwRFID與WSN可以在兩個不同的層面進行融合：物聯網架構下RFID與WSN的融合；傳感器網絡架構下RFID與WSN的融合，該架構下的融合又分為智能基站、智能節點、智能傳感標簽三種情況。物聯網架構下RFID與WSN的融合RFID與WSN可以在兩個不同的層面進行融合：物聯網架構下R圖2-5智能基站圖2-5智能基站圖2-6智能節點圖2-6智能節點圖2-7智能傳感標簽圖2-7智能傳感標簽圖2-8WSN與其他無線通信技術的融合圖2-8WSN與其他無線通信技術的融合2.2.3納米技術納米技術是研究尺寸在0.1～100nm的物質組成體系的運動規律和相互作用及可能的實際應用中的技術問題的科學，主要包括納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等。其中，納米物理學和納米化學是納米科學的理論基礎，而納米電子學是納米科學最重要的內容，納米電子技術也是納米技術的核心。2.2.3納米技術納米技術是研究尺寸在0.1～100nm的2.2.4感知技術1.紅外感應技術紅外傳感器是一種能探測紅外線的器件，能把紅外輻射量變化轉換成電量變化，按其工作原理可分為熱電型和光電型紅外傳感器。(1)熱電紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應制成的，采用熱敏元件，其工作原理是：當紅外線照射熱敏檢測元件時，檢測元件的表面溫度將發生變化，將其表面所出現的電荷作為電信號，對紅外線進行檢測。熱電型紅外線光敏元件的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多，如。(2)光電紅外傳感器是利用紅外輻射的光電效應制成的，采用光電元件，其響應時間比熱電紅外傳感器短得多。2.2.4感知技術1.紅外感應技術熱釋電紅外傳感器熱釋電效應：當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現象被稱為熱釋電效應。通常，晶體自發極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發極化電矩不能表現出來。當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發極化發生變化，晶體表面就會產生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。熱釋電紅外傳感器圖2-9熱釋電效應的形成原理圖2-9熱釋電效應的形成原理熱釋電紅外傳感器利用的正是熱釋電效應，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當傳感器監測范圍內溫度有的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上產生電荷△Q，即在兩電極之間產生微弱電壓。由于它的輸出阻抗極高，所以，傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷△Q會跟空氣中的離子結合而消失，當環境溫度穩定不變時，，傳感器無輸出。熱釋電紅外傳感器利用的正是熱釋電效應，是一種溫度敏感傳感器。圖2-10熱釋電紅外傳感器的結構及內部電路圖2-10熱釋電紅外傳感器的結構及內部電路菲涅耳透鏡它是根據菲涅耳原理制成的，把紅外光線分成可見區和盲區。菲涅耳透鏡有折射式和反射式兩種形式，其作用為：一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區內分為若干個明區和暗區，使進入檢測區的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號，這樣，PIR就能產生變化電信號。菲涅耳透鏡圖2-11菲涅耳透鏡圖2-11菲涅耳透鏡2.全球定位技術GPS的組成：（1）空間部分——GPS星座；（2）地面控制部分——地面監控系統；（3）用戶設備部分——GPS信號接收機。GPS定位原理假設時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間，再加上接收機所接收到的衛星星歷等其他數據可以確定以下4個方程式：2.全球定位技術式中，待測點坐標、、和為未知參數；（=1，2，3，4）分別為衛星1、衛星2、衛星3和衛星4到接收機之間的距離（偽距）；為GPS信號的傳播速度（即光光速）。4個方程式中各個參數意義如下：、和為待測點坐標的空間直角坐標；、和（=1，2，3，4）分別為衛星1、衛星2、衛星3和衛星4在時刻的空間直角坐標，可由衛星導航電文求得；（=1，2，3，4）分別為衛星1、衛星2、衛星3和衛星4的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供；是傳播延時誤差，用雙頻測量法校正。由以上4個方程即可解算出待測點的坐標、、和接收機的鐘差。式中，待測點坐標、、和為未知參數；圖2-12GPS定位原理圖2-12GPS定位原理GPS的特點

（1）全球覆蓋。由于其24顆衛星均勻分布，形成同時覆蓋全球的衛星網，由于衛星距地面越高，可見的地球表面或衛星的覆蓋區域就越大，借助地球的自轉可使地球上任何地方至少同時看到6~11顆衛星。（2）全天候。（3）高精度。P碼定位精度為水平方向20~40m，垂直方向45m，測速0.2m/s，測時精度0.2。C/A碼定位精度為水平方向l00m，垂直方向156m，測速0.3m/s，測時精度340ns。（4）多用途。廣泛用于陸、海、空、各類軍民載體的導航定位、精密測量和授時服務。GPS的特點（1）全球覆蓋。3.遙感技術定義：遙感起源于20世紀60年代，其特征是不直接接觸被研究的目標，感測目標的特征信息（一般是電磁波的反射、輻射和發射輻射），經過傳輸、處理，從中提取人們感興趣的信息，這個過程叫遙感。遙感技術則是實現這種過程所采取的各種技術手段的總稱，包括攝影、陸地、航空、航天攝影測量等技術。分類：遙感技術依其波譜性質，可分為電磁波遙感技術、聲學遙感技術和物理場遙感技術

特點：“三高”（即高光譜、高時間分辨率、高空間分辨率）、“三全”（即全天候、全天時、全球）、“3W”（即what，when，where）、“三結合”（即大小衛星結合、航空與航天結合、技術與應用結合）

3.遙感技術4.激光掃描器激光掃描器是一種遠距離條碼閱讀設備手持式激光掃描器屬單線掃描，其景深較大，掃描首讀率和精度較高，掃描寬度不受設備開口寬度限制；臥式激光掃描器為全角掃描器，操作方便，操作者可雙手對物品進行操作，只要條碼符號面向掃描器，不管其方向如何，均能實現自動掃描，超級市場大都采用這種設備。優點：非接觸掃描；閱讀條碼密度范圍廣，并可以閱讀不規則的條碼表面或透過玻璃、透明膠紙閱讀；不會損壞條碼標簽；首讀識別成功率高，識別速度相對光筆及CCD更快，而且對印刷質量不好或模糊的條碼識別效果好；誤碼率極低（約為三百萬分之一）；激光讀寫器的防震、防摔性能好。4.激光掃描器缺點：價格相對較高。工作原理：手持式激光掃描器通過一個激光二極管發出一束光線，照射到一個旋轉的棱鏡或來回擺動的鏡子上，反射后的光線穿過閱讀窗照射到條碼表面，光線經過條形碼的條或空的反射后返回到讀寫器，由一個鏡子進行采集、聚焦，通過光電轉換器轉換成電信號，該信號將通過掃描器或終端上的譯碼軟件進行譯碼。缺點：價格相對較高。分類：（1）單線掃描：其景深較大，掃描首讀率和精度較高，掃描寬度不受設備開口寬度限制，如手持式激光掃描器。（2）全角掃描器：操作方便，操作者可雙手對物品進行操作，只要條碼符號面向掃描器，不管其方向如何，均能實現自動掃描，超級市場大都采用這種設備。如：臥式激光掃描器。（3）光柵式掃描優點：非接觸掃描；閱讀條碼密度范圍廣，并可以閱讀不規則的條碼表面或透過玻璃、透明膠紙閱讀；不會損壞條碼標簽；首讀識別成功率高，識別速度相對光筆及CCD更快，而且對印刷質量不好或模糊的條碼識別效果好；誤碼率極低（約為三百萬分之一）；激光讀寫器的防震、防摔性能好。缺點：價格相對較高。分類：圖2-13激光掃描器工作原理圖2-13激光掃描器工作原理工作原理：手持式激光掃描器通過一個激光二極管發出一束光線，照射到一個旋轉的棱鏡或來回擺動的鏡子上，反射后的光線穿過閱讀窗照射到條碼表面，光線經過條形碼的條或空的反射后返回到讀寫器，由一個鏡子進行采集、聚焦，通過光電轉換器轉換成電信號，該信號將通過掃描器或終端上的譯碼軟件進行譯碼。圖2-14激光掃描器工作流程工作原理：手持式激光掃描器通過一個激光二極管發出一束光線，2.2.5通信及計算技術1.移動通信的分類（1）按設備的使用環境分類：陸地移動通信、海上移動通信和航空移動通信（2）按服務對象分類：公用移動通信與專用移動通信（3）按移動通信系統分類：蜂窩移動通信、專用調度電話、集群調度電話、個人無線電話、公用無線電話、移動衛星通信等類型。2.2.5通信及計算技術1.移動通信的分類2.2.6普適計算技術理解普適計算概念需要注意以下幾個問題：（1）“無處不在”與“不可見”（2）普適計算體現出信息空間與物理空間的融合（3）普適計算的核心是“以人為本”（4）普適計算的重點在于提供面向用戶的、統一的、自適應的網絡服務要實現普適計算的目標，我們必須解決以下幾個基本的問題：（1）理論建模。（2）自然透明的人機交互（3）無縫的應用遷移（4）上下文感知2.2.6普適計算技術理解普適計算概念需要注意以下幾個問題2.2.7云計算技術云計算主要特點：（1）云計算是一種新的計算模式。（2）云計算是互聯網計算模式的商業實現方式。（3）云計算的優點是安全、方便，共享的資源可以按需擴展（4）云計算更適合于中小企業和低端用戶。（5）云計算體現了軟件即服務的理念。2.2.7云計算技術云計算主要特點：圖2-15云計算工作模式示意圖圖2-15云計算工作模式示意圖2.2.8數據庫與數據倉庫技術1.數據庫技術的發展

（1）面向對象數據庫（2）分布式數據庫（3）多媒體數據庫（4）并行數據庫（5）演繹數據庫（6）主動數據庫2.2.8數據庫與數據倉庫技術1.數據庫技術的發展2.數據倉庫、數據集市與數據挖掘技術數據倉庫是一個在企業管理和決策中面向主題的、集成的、相對穩定的、動態更新的數據集合。采用全新的數據組織方式，對大量的原始數據進行采集、轉換、加工，并按照主題進行重組，提取有用的信息。數據倉庫系統需提供工具層，包括聯機分析處理工具、預測分析工具和數據挖掘工具。應用數據倉庫技術使系統能夠面向復雜數據分析、高層決策支持，提供來自不同的應用系統的集成化數據和歷史數據，為決策者進行全局范圍內的戰略決策和長期趨勢分析提供有效的支持。數據挖掘使數據庫技術進入了一個更高級的階段，它不僅能對過去的數據進行查詢和遍歷，并且能夠找出過去數據之間的潛在聯系，從而促進信息的傳遞2.數據倉庫、數據集市與數據挖掘技術2.2.9人工智能技術1．人工智能的基本概念人工智能(artificialintelligence)是計算機科學、控制論、信息論、神經生理學、心理學、語言學等多種學科高度發展、緊密結合、互相滲透而發展起來的一門交叉學科。2．人工智能技術的研究與應用當前人工智能技術的研究與應用主要集中在以下幾個方面（1）自然語言理解（2）數據庫的智能檢索。（3）專家系統（4）定理證明（5）博弈（6）自動程序設計（7）組合調度問題

（8）感知問題2.2.9人工智能技術1．人工智能的基本概念2.2.9嵌入式技術1．嵌入式技術與環境智能化嵌入式系統（EmbeddedSystem）也稱嵌入式計算機系統，它是針對特定的應用，剪裁計算機的軟件和硬件，以適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗的嚴格要求的專用計算機系統。2．嵌入式計算機系統的特點（1）微型機應用和微處理器芯片技術的發展為嵌入式系統研究奠定了基礎。（2）嵌入式系統的發展適應了智能控制的需求。（3）嵌入式系統的發展促進了適應特殊要求的微處理器芯片、操作系統、軟件編程語言與體系結構研究的發展。（4）嵌入式系統的研究體現出多學科交叉融合的特點。2.2.9嵌入式技術1．嵌入式技術與環境智能化3．嵌入式系統發展的過程嵌入式系統從20世紀70年代出現以來，發展至今已經有30多年歷史。嵌人式系統大致經歷了四個發展階段。（1）第一階段是以可編程序控制器系統為核心的研究階段。（2）第二階段是以嵌入式中央處理器CPU為基礎，以簡單操作系統為核心的階段。（3）第三階段是以嵌人式操作系統為標志的階段。（4）第四階段是基于網絡操作的嵌入式系統發展階段。3．嵌入式系統發展的過程2.3現代網絡通信與物聯網由大量的部署在監測區域內的微型傳感器節點構成的無線傳感器網絡，通過無線通信方式智能組網，形成一個自組織網絡系統，具有信號采集、實時監測、信息傳輸、協同處理、信息服務等功能，能感知、采集和處理網絡所覆蓋區域中感知對象的各種信息，并將處理后的信息傳遞給用戶。2.3.1無線網絡與物聯網2.3現代網絡通信與物聯網由大量的部署在監測區域內的微型傳感2.3.2無線局域網與協議定義：無線局域網是指以無線電波、激光、紅外線等無線媒介來代替有線局域網中的部分或全部傳輸媒介而構成的網絡。協議標準（1）802.11協議（2）藍牙標準（3）HomeRF工業標準2.3.2無線局域網與協議定義：無線局域網是指以無線電波、2.3.3IPV6技術物聯網帶來了技術上的挑戰（1）物聯網由眾多節點連接構成，無論是采用自組織方式，還是采用現有的公眾網進行連接，這些節點之間的通信必然牽涉到尋址問題（2）目前互聯網的移動性不足也造成了移動能力的瓶頸（3）網絡質量保證也是物聯網發展過程中必須解決的問題（4）物聯網節點的安全性和可靠性也需要重新考慮2.3.3IPV6技術物聯網帶來了技術上的挑戰基于IPv6技術的物聯網技術解決方案（1）IPv6地址技術（2）IPv6移動性技術（3）IPv6QoS技術（4）IPv6安全性與可靠性技術基于IPv6技術的物聯網技術解決方案圖2-16MIPv4與MIPv6的轉發比較圖2-16MIPv4與MIPv6的轉發比較2.3.4藍牙、無線個人區域網與ZIGBEE藍牙技術是一種短距離無線電技術無線個人區域網（無線個域網）WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)。就是在個人工作地方把屬于個人使用的電子設備（如便攜式計算機，掌上電腦以及蜂窩電話等）用無線技術連接起來，整個網絡的范圍大約為10m。Zigbee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。Zigbee數傳模塊類似于移動網