第2章物聯網架構技術

第2章物聯網架構技術學習任務物聯網結構未來的物聯網架構技術

案例:上海嘉定物聯網工程示范項目123本章主要涉及：學習任務物聯網結構未來的物聯網架構技術案例:上海嘉定物聯2.1物聯網結構從物聯網的功能上來說，應該具備四個特征：一是全面感知能力，可以利用RFID、傳感器、二維條形碼等獲取被控/被測物體的信息;二是數據信息的可靠傳遞，可以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;2.1物聯網結構從物聯網的功能上來說，應該具備四個特征：2.1物聯網結構三是可以智能處理，利用現代控制技術提供的智能計算方法，對大量數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。四是可以根據各個行業、各種業務的具體特點形成各種單獨的業務應用，或者整個行業及系統的建成應用解決方案。2.1物聯網結構三是可以智能處理，利用現代控制技術提供的智2.1物聯網結構2.1物聯網結構2.1物聯網結構

而按照更為科學及嚴謹的表述，物聯網結構應分成:①感知識別層②網絡構建層③管理服務層④綜合應用層2.1物聯網結構而按照更為科學及嚴謹的表述，物聯網2.1.1感知識別層感知層是物聯網發展和應用的基礎，RFID技術、傳感和控制技術、短距離無線通信技術是感知層的主要技術。例如張貼安裝在設備上的RFID標簽和用來識別RFID信息的掃描儀、感應器都屬于物聯網的感知層。現在的高速公路不停車收費系統、超市倉儲管理系統等都是基于這一類結構的物聯網。2.1.1感知識別層感知層是物聯網發展和應用的基礎，RFI2.1.1感知識別層感知層由傳感器節點接入網關組成，智能節點感知信息（溫度、濕度、圖像等），并自行組網傳遞到上層網關接入點，由網關將收集到的感應信息通過網絡層提交到后臺處理。當后臺對數據處理完畢，發送執行命令到相應的執行機構完成對被控/被測對象的控制參數調整或發出某種提示信號以實現對其的一個遠程監控。2.1.1感知識別層感知層由傳感器節點接入網關組成，智能節2.1.1感知識別層由傳感器組成的感知結構

2.1.1感知識別層由傳感器組成的感知結構2.1.2網絡構建層網絡是物聯網最重要的基礎設施之一。網絡構建層在物聯網四層模型中連接感知識別層和管理服務層，具有強大的紐帶作用，高效、穩定、及時、安全地傳輸上下層的數據。物聯網在網絡構建層存在各種網絡形式，通常使用的網絡形式有如下幾種：2.1.2網絡構建層網絡是物聯網最重要的基礎設施之一。2.1.2網絡構建層①互聯網：互聯網/電信網是物聯網的核心網絡、平臺和技術支持。IPv6的使用掃清了可接入網絡的終端設備在數量上的限制。②無線寬帶網：WiFi/WiMAX等無線寬帶技術的覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯網提供高速可靠廉價且不受接入設備位置限制的互聯手段。2.1.2網絡構建層①互聯網：2.1.2網絡構建層③無線低速網：ZigBee/藍牙/紅外等低速網絡協議能夠適應物聯網中能力較低的節點的低速率、低通信半徑、低計算能力和低能量來源等特征。④移動通信網：移動通信網絡將成為“全面、隨時、隨地”傳輸信息的有效平臺。高速、實時、高覆蓋率、多元化處理多媒體數據，為“物品觸網”創造條件。2.1.2網絡構建層③無線低速網：2.1.2網絡構建層網絡構建層

2.1.2網絡構建層網絡構建層2.1.3管理服務層管理服務層位于感知識別和網絡構建層之上，綜合應用層之下，人們通常把物聯網應用冠以“智能”的名稱，如智能電網、智能交通、智能物流等，其中的智慧就來自這一層。當感知識別層生成的大量信息經過網絡層傳輸匯聚到管理服務層，管理服務層解決數據如何存儲（數據庫與海量存儲技術）、如何檢索（搜索引擎）、如何使用（數據挖掘與機器學習）、如何不被濫用（數據安全與隱私保護）等問題。2.1.3管理服務層管理服務層位于感知識別和網絡構建層之上2.1.3管理服務層1.數據庫

物聯網數據特點是海量性，多態性，關聯性及語義性。適應這種需求，在物聯網中主要使用的是關系數據庫和新興數據庫系統。①關系數據庫系統作為一項有著近半個世紀歷史的數據處理技術，仍可在物聯網中使用，為物聯網的運行提供支撐。②新興數據庫系統（NoSQL數據庫）針對非關系型、分布式的數據存儲，并不要求數據庫具有確定的表模式，通過避免連接操作提升數據庫性能。2.1.3管理服務層1.數據庫2.1.3管理服務層2.海量信息存儲

海量信息存儲早期采用大型服務器存儲，基本都是以服務器為中心的處理模式，使用直連存儲（DAS，DirectAttachedStorage），存儲設備（包括磁盤陣列，磁帶庫，光盤庫等）作為服務器的外設使用。2.1.3管理服務層2.海量信息存儲2.1.3管理服務層隨著網絡技術的發展，服務器之間交換數據或向磁盤庫等存儲設備備份時，都是通過局域網進行，這是主要應用網絡附加存儲（NAS，NetworkAttachedStorage）技術來實現網絡存儲，但這將占用大量的網絡開銷，嚴重影響網絡的整體性能。2.1.3管理服務層隨著網絡技術的發展，服務器之間交換數據2.1.3管理服務層為了能夠共享打容量，高速度存儲設備，并且不占用局域網資源的海量信息傳輸和備份，就需要專用存儲區域網絡（SAN,StorageAreaNetwork）來實現。2.1.3管理服務層2.1.3管理服務層3.數據中心

數據中心不僅包括計算機系統和配套設備（如通信/存儲設備），還包括冗余的數據通信連接/環境控制設備/監控設備及安全裝置，是一大型的系統工程。通過高度的安全性和可靠性提供及時持續的數據服務，為物聯網應用提供良好的支持。典型的數據中心如Google/Hadoop數據中心。2.1.3管理服務層3.數據中心2.1.3管理服務層4.搜索引擎

Web搜索引擎是一個能夠在合理響應時間內，根據用戶的查詢關鍵詞，返回一個包含相關信息的結果列表（hitslist）服務的綜合體。傳統的Web搜索引擎是基于查詢關鍵詞的，對于相同的關鍵詞，會得到相同的查詢結果。而物聯網時代的搜索引擎必須是從智能物體角度思考搜索引擎與物體之間的關系，主動識別物體并提取有用信息。從用戶角度上的多模態信息利用，使查詢結果更精確，更智能，更定制化。2.1.3管理服務層4.搜索引擎2.1.3管理服務層5.數據挖掘技術

物聯網需要對海量的數據進行更透徹的感知要求對海量數據多維度整合與分析，更深入的智能化需要普適性的數據搜索和服務，需要從大量數據中獲取潛在有用的且可被人理解的模式，基本類型有關聯分析，聚類分析，演化分析等。這些需求都使用了數據挖掘技術。2.1.3管理服務層5.數據挖掘技術2.1.3管理服務層例如用于精準農業可以實時監測環境數據，挖掘影響產量的重要因素，獲得產量最大化配置方式。而用于市場營銷則可以通過數據庫行銷和貨籃分析等方式獲取顧客購物取向和興趣。2.1.3管理服務層2.1.4綜合應用層傳統互聯網經歷了以數據為中心到以人為中心的轉化，典型應用包括文件傳輸、電子郵件、萬維網、電子商務、視頻點播、在線游戲和社交網絡等；而物聯網應用以“物”或者物理世界為中心，涵蓋物品追蹤、環境感知、智能物流、智能交通、智能電網等等。物聯網應用目前正處于快速增長期，具有多樣化、規模化、行業化等特點。2.1.4綜合應用層傳統互聯網經歷了以數據為中心到以人為中2.1.4綜合應用層①智能物流：現代物流系統希望利用信息生成設備，如RFID設備、感應器或全球定位系統等種種裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡，并能夠在這個物聯化的物流網絡中實現智能化的物流管理。②智能交通：通過在基礎設施和交通工具當中廣泛應用信息、通訊技術來提高交通運輸系統的安全性、可管理性、運輸效能同時降低能源消耗和對地球環境的負面影響。

2.1.4綜合應用層①智能物流：2.1.4綜合應用層③綠色建筑：物聯網技術為綠色建筑帶來了新的力量。通過建立以節能為目標的建筑設備監控網絡，將各種設備和系統融合在一起，形成以智能處理為中心的物聯網應用系統，有效的為建筑節能減排提供有力的支撐。④智能電網：以先進的通信技術、傳感器技術、信息技術為基礎，以電網設備間的信息交互為手段，以實現電網運行的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全為目的的先進的現代化電力系統。2.1.4綜合應用層③綠色建筑：2.1.4綜合應用層⑤環境監測：通過對人類和環境有影響的各種物質的含量、排放量、以及各種環境狀態參數的檢測，跟蹤環境質量的變化，確定環境質量水平，為環境管理、污染治理、防災減災等工作提供基礎信息、方法指引和質量保證。2.1.4綜合應用層⑤環境監測：2.2未來的物聯網架構技術

通過專業人員對物聯網體系結構的長期討論，目前可以明確以下幾點：首先，未來的物聯網需要一個開放的架構來最大限度的滿足各種不同系統和分布式資源之間的互操作性需求。這些系統和資源既可能是來自于信息和服務的提供者，也可能來自于信息和服務的使用者或者客戶。2.2未來的物聯網架構技術通過專業人員2.2未來的物聯網架構技術其次，未來的物聯網的架構還需要有良好的、明確定義的、呈現為粒度形式的層次劃分。物聯網的架構技術應該促進用戶豐富的選擇權，而不應該將用戶鎖定到必須使用某一家或者某幾家大的、處于壟斷地位的解決方案服務提供商所發布的各種應用上。2.2未來的物聯網架構技術其次，未來的物聯網的架構還需要2.2未來的物聯網架構技術同時，物聯網的架構技術需要設計為可以抵御物理網絡中各種中斷以及干擾的形式，盡可能將這些情況所帶來的影響降低到最小程度。而且，未來的物聯網架構還需要考慮到這樣一個事實：即，以后網絡中的很多節點和網絡設備將是移動的。2.2未來的物聯網架構技術同時，物聯網的架構技術需要設計2.2未來的物聯網架構技術最后，從對于未來物聯網的架構技術來說，要理解下列幾件事情：第一，對于身處未來物聯網中的各種節點，他們中的大多數將需要有能力與其他節點一起動態的、自主的組建各式各樣的本地或者遠程對等網絡。

2.2未來的物聯網架構技術最后，從對于未來物聯網的架構技2.2未來的物聯網架構技術第二，可以預料到，未來的物聯網中產生的數據將是海量的。物聯網的架構技術一定要同時支持移動的“智能”與、自主的信息過濾、自主模式識別、自主機器學習以及自主判斷決策能力，要讓這些能力能夠達到各種物聯網子網絡的邊緣地帶，而無需考慮數據是在附近產生的還是遠程生成的。2.2未來的物聯網架構技術第二，可以預料到，未來的物聯網2.2未來的物聯網架構技術第三，在未來物聯網架構的設計過程中，我們要一方面使得基于事件的處理、路由、存儲、檢索以及引用能力成為可能，另一方面還要允許這些能力可以在離線的、非連接情況（比如，那些網絡連接是時斷時續的，或者根本沒有網絡覆蓋的地方）下進行操作。

2.2未來的物聯網架構技術第三，在未來物聯網架構的設計過2.3案例:上海嘉定物聯網工程示范項目按照上海嘉定物聯網工程示范項目規劃，到2013年年底，基本建成研發、產業、應用三個層次的載體，即以上海物聯網中心為核心技術研發平臺，以上海物聯網中心產業化基地作為產業發展支撐，以上海“智慧城市”嘉定示范區引領物聯網廣泛應用。從而，使嘉定區成為國內最具競爭力、具有國際影響力的物聯網技術和產業創新發源地。

2.3案例:上海嘉定物聯網工程示范項目按照上海嘉定物聯網工2.3案例:上海嘉定物聯網工程示范項目1、智慧社區（建設時間：2011-2013）

2、智能家居（建設時間：2011-2013）

3、智能環境監測（建設時間：2011）4、智能樓宇（建設時間：2011-2013）

5、智能電網（建設時間：2011-2013）

2.3案例:上海嘉定物聯網工程示范項目1、智慧社區（建設時2.3案例:上海嘉定物聯網工程示范項目6、智能交通（建設時間：2011-2013）

7、智能監控（建設時間：2011）

8、特種車輛監控（建設時間：2011）

9、精準農業

（建設時間：2011）

10、重點污染源監（建設時間：2011-2012）

2.3案例:上海嘉定物聯網工程示范項目6、智能交通（建設時ThankYou!ThankYou!第2章物聯網架構技術

第2章物聯網架構技術學習任務物聯網結構未來的物聯網架構技術

案例:上海嘉定物聯網工程示范項目123本章主要涉及：學習任務物聯網結構未來的物聯網架構技術案例:上海嘉定物聯2.1物聯網結構從物聯網的功能上來說，應該具備四個特征：一是全面感知能力，可以利用RFID、傳感器、二維條形碼等獲取被控/被測物體的信息;二是數據信息的可靠傳遞，可以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;2.1物聯網結構從物聯網的功能上來說，應該具備四個特征：2.1物聯網結構三是可以智能處理，利用現代控制技術提供的智能計算方法，對大量數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。四是可以根據各個行業、各種業務的具體特點形成各種單獨的業務應用，或者整個行業及系統的建成應用解決方案。2.1物聯網結構三是可以智能處理，利用現代控制技術提供的智2.1物聯網結構2.1物聯網結構2.1物聯網結構

而按照更為科學及嚴謹的表述，物聯網結構應分成:①感知識別層②網絡構建層③管理服務層④綜合應用層2.1物聯網結構而按照更為科學及嚴謹的表述，物聯網2.1.1感知識別層感知層是物聯網發展和應用的基礎，RFID技術、傳感和控制技術、短距離無線通信技術是感知層的主要技術。例如張貼安裝在設備上的RFID標簽和用來識別RFID信息的掃描儀、感應器都屬于物聯網的感知層。現在的高速公路不停車收費系統、超市倉儲管理系統等都是基于這一類結構的物聯網。2.1.1感知識別層感知層是物聯網發展和應用的基礎，RFI2.1.1感知識別層感知層由傳感器節點接入網關組成，智能節點感知信息（溫度、濕度、圖像等），并自行組網傳遞到上層網關接入點，由網關將收集到的感應信息通過網絡層提交到后臺處理。當后臺對數據處理完畢，發送執行命令到相應的執行機構完成對被控/被測對象的控制參數調整或發出某種提示信號以實現對其的一個遠程監控。2.1.1感知識別層感知層由傳感器節點接入網關組成，智能節2.1.1感知識別層由傳感器組成的感知結構

2.1.1感知識別層由傳感器組成的感知結構2.1.2網絡構建層網絡是物聯網最重要的基礎設施之一。網絡構建層在物聯網四層模型中連接感知識別層和管理服務層，具有強大的紐帶作用，高效、穩定、及時、安全地傳輸上下層的數據。物聯網在網絡構建層存在各種網絡形式，通常使用的網絡形式有如下幾種：2.1.2網絡構建層網絡是物聯網最重要的基礎設施之一。2.1.2網絡構建層①互聯網：互聯網/電信網是物聯網的核心網絡、平臺和技術支持。IPv6的使用掃清了可接入網絡的終端設備在數量上的限制。②無線寬帶網：WiFi/WiMAX等無線寬帶技術的覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯網提供高速可靠廉價且不受接入設備位置限制的互聯手段。2.1.2網絡構建層①互聯網：2.1.2網絡構建層③無線低速網：ZigBee/藍牙/紅外等低速網絡協議能夠適應物聯網中能力較低的節點的低速率、低通信半徑、低計算能力和低能量來源等特征。④移動通信網：移動通信網絡將成為“全面、隨時、隨地”傳輸信息的有效平臺。高速、實時、高覆蓋率、多元化處理多媒體數據，為“物品觸網”創造條件。2.1.2網絡構建層③無線低速網：2.1.2網絡構建層網絡構建層

2.1.2網絡構建層網絡構建層2.1.3管理服務層管理服務層位于感知識別和網絡構建層之上，綜合應用層之下，人們通常把物聯網應用冠以“智能”的名稱，如智能電網、智能交通、智能物流等，其中的智慧就來自這一層。當感知識別層生成的大量信息經過網絡層傳輸匯聚到管理服務層，管理服務層解決數據如何存儲（數據庫與海量存儲技術）、如何檢索（搜索引擎）、如何使用（數據挖掘與機器學習）、如何不被濫用（數據安全與隱私保護）等問題。2.1.3管理服務層管理服務層位于感知識別和網絡構建層之上2.1.3管理服務層1.數據庫

物聯網數據特點是海量性，多態性，關聯性及語義性。適應這種需求，在物聯網中主要使用的是關系數據庫和新興數據庫系統。①關系數據庫系統作為一項有著近半個世紀歷史的數據處理技術，仍可在物聯網中使用，為物聯網的運行提供支撐。②新興數據庫系統（NoSQL數據庫）針對非關系型、分布式的數據存儲，并不要求數據庫具有確定的表模式，通過避免連接操作提升數據庫性能。2.1.3管理服務層1.數據庫2.1.3管理服務層2.海量信息存儲

海量信息存儲早期采用大型服務器存儲，基本都是以服務器為中心的處理模式，使用直連存儲（DAS，DirectAttachedStorage），存儲設備（包括磁盤陣列，磁帶庫，光盤庫等）作為服務器的外設使用。2.1.3管理服務層2.海量信息存儲2.1.3管理服務層隨著網絡技術的發展，服務器之間交換數據或向磁盤庫等存儲設備備份時，都是通過局域網進行，這是主要應用網絡附加存儲（NAS，NetworkAttachedStorage）技術來實現網絡存儲，但這將占用大量的網絡開銷，嚴重影響網絡的整體性能。2.1.3管理服務層隨著網絡技術的發展，服務器之間交換數據2.1.3管理服務層為了能夠共享打容量，高速度存儲設備，并且不占用局域網資源的海量信息傳輸和備份，就需要專用存儲區域網絡（SAN,StorageAreaNetwork）來實現。2.1.3管理服務層2.1.3管理服務層3.數據中心

數據中心不僅包括計算機系統和配套設備（如通信/存儲設備），還包括冗余的數據通信連接/環境控制設備/監控設備及安全裝置，是一大型的系統工程。通過高度的安全性和可靠性提供及時持續的數據服務，為物聯網應用提供良好的支持。典型的數據中心如Google/Hadoop數據中心。2.1.3管理服務層3.數據中心2.1.3管理服務層4.搜索引擎

Web搜索引擎是一個能夠在合理響應時間內，根據用戶的查詢關鍵詞，返回一個包含相關信息的結果列表（hitslist）服務的綜合體。傳統的Web搜索引擎是基于查詢關鍵詞的，對于相同的關鍵詞，會得到相同的查詢結果。而物聯網時代的搜索引擎必須是從智能物體角度思考搜索引擎與物體之間的關系，主動識別物體并提取有用信息。從用戶角度上的多模態信息利用，使查詢結果更精確，更智能，更定制化。2.1.3管理服務層4.搜索引擎2.1.3管理服務層5.數據挖掘技術

物聯網需要對海量的數據進行更透徹的感知要求對海量數據多維度整合與分析，更深入的智能化需要普適性的數據搜索和服務，需要從大量數據中獲取潛在有用的且可被人理解的模式，基本類型有關聯分析，聚類分析，演化分析等。這些需求都使用了數據挖掘技術。2.1.3管理服務層5.數據挖掘技術2.1.3管理服務層例如用于精準農業可以實時監測環境數據，挖掘影響產量的重要因素，獲得產量最大化配置方式。而用于市場營銷則可以通過數據庫行銷和貨籃分析等方式獲取顧客購物取向和興趣。2.1.3管理服務層2.1.4綜合應用層傳統互聯網經歷了以數據為中心到以人為中心的轉化，典型應用包括文件傳輸、電子郵件、萬維網、電子商務、視頻點播、在線游戲和社交網絡等；而物聯網應用以“物”或者物理世界為中心，涵蓋物品追蹤、環境感知、智能物流、智能交通、智能電網等等。物聯網應用目前正處于快速增長期，具有多樣化、規模化、行業化等特點。2.1.4綜合應用層傳統互聯網經歷了以數據為中心到以人為中2.1.4綜合應用層①智能物流：現代物流系統希望利用信息生成設備，如RFID設備、感應器或全球定位系統等種種裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡，并能夠在這個物聯化的物流網絡中實現智能化的物流管理。②智能交通：通過在基礎設施和交通工具當中廣泛應用信息、通訊技術來提高交通運輸系統的安全性、可管理性、運輸效能同時降低能源消耗和對地球環境的負面影響。

2.1.4綜合應用層①智能物流：2.1.4綜合應用層③綠色建筑：物聯網技術為綠色建筑帶來了新的力量。通過建立以節能為目標的建筑設備監控網絡，將各種設備和系統融合在一起，形成以智能處理為中心的物聯網應用系統，有效的為建筑節能減排提供有力的支撐。④智能電網：以先進的通信技術、傳感器技術、信息技術為基礎，以電網設備間的信息交互為手段，以實現電網運行的可靠、安全、經濟、高效、環境友好和使用安全為目的的先進的現代化電力系統。2.1.4綜合應用層③綠色建筑：2.1.4綜合應用層⑤環境監測：通過對人類和環境有影響的各種物質的含量、排放量、以及各種環境狀態參數的檢測，跟蹤環境質量的變化，確定環境質量水平，為環境管理、污染治理、防災減災等工作提供基礎信息、方法指引和質量保證。2.1.4綜合應用層⑤環境監測：2.2未來的物聯網架構技術

通過專業人員對物聯網體系結構的長期討論，目前可以明確以下幾點：首先，未來的物聯網需要一個開放的架構來最大限度的滿足各種不同系統和分布式資源之間的互操作性需求。這些系統和資源既可能是來自于信息和服務的提供者，也可能來自于信息和服務的使用者或者客戶。2.2未來的物聯網架構技術通過專業人員2.2未來的物聯網架構技術其次，未來的物聯網的架構還需要有良好的、明確定義的、呈現為粒度形式的層次劃分。物聯網的架構技術應該促進用戶豐富的選擇權，而不應該將用戶鎖定到必須使用某一家或者某幾家大的、處于壟斷地位的解決方案服務提供商所發布的各種應用上。2.2未來的物聯網架構技術其次，未來的物聯網的架構還需要2.2未來的物聯網架構技術同時，物聯網的架構技術需要設計為可以抵御物理網絡中各種中斷以及干擾的形式，盡可能將這些情況所帶來的影響降低到最小程度。而且，未來的物聯網架構還需要考慮到這樣一個事實：即，以后網絡中的很多節點和網絡設備將是移動的。2.2未來的物聯網架構技術同時，物聯網的