物聯網應用系統技術

主講人：劉永磊liuyonglei@.c2章物聯網體系結構2.1物聯網技術架構2.2物聯網、傳感網、泛在網的關系2.3物聯網的關鍵技術2.4物聯網標準第2章物聯網體系結構物聯網作為新興的信息網絡技術，目前尚處在起步階段。目前，還沒有一個廣泛認同的物聯網體系結構。但是，物聯網體系的雛形已經形成，物聯網基本體系具有典型的層級特性。2.1物聯網技術架構2.1物聯網技術架構1.物聯網五層架構模型

（1）信息感知層信息感知層的作用相當于人的眼、耳、鼻、喉和皮膚等神經末梢，它是物聯網獲取物體信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息。該層的主要任務是將現實世界的各種物體的信息通過各種手段，實時并自動地轉化為虛擬世界可處理的數字化信息或者數據。信息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信息感知層涉及的主要技術，其中又包括芯片研發、通信協議研究、RFID材料、智能節點供電等細分領域。（2）物聯接入層物聯接入層的主要任務是將信息感知層采集到的信息，通過各種網絡技術進行匯總，將大范圍內的信息整合到一起，以供處理。該層重點強調各類接入方式，涉及的典型技術如：Ad-hoc（多跳移動無線網絡）、傳感器網絡，Wi-Fi、3G/4G、Mesh網絡、有線或者衛星等方式。2.1物聯網技術架構1.物聯網五層架構模型（3）網絡傳輸層網絡傳輸層的基本功能是利用互聯網、移動通信網、傳感器網絡及其融合技術等,將感知到的信息無障礙、高可靠性、高安全性地進行傳輸。為實現“物物相連”的需求，物聯網網絡傳輸層將綜合使用IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技術，實現有線與無線的結合、寬帶與窄帶的結合、感知網與通信網的結合。同時，網絡傳輸層中的感知數據管理與處理技術是實現以數據為中心的物聯網的核心技術。感知數據管理與處理技術包括物聯網數據的存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數據決策和行為的技術。云計算平臺作為海量感知數據的存儲、分析平臺，將是物聯網網絡傳輸層的重要組成部分，也是技術支撐層和應用接口層的基礎。在產業鏈中，通訊網絡運營商將在物聯網網絡層占據重要的地位。而正在高速發展的云計算平臺將是物聯網發展的又一助力。2.1物聯網技術架構1.物聯網五層架構模型

（4）技術支撐層該層主要任務是開展物聯網基礎信息運營與管理，是網絡基礎設施與架構的主體。目前運營層主要由中國電信、中移動、廣電網等基礎運營商組成，從而形成中國物聯網的主體架構。技術支撐層用于支撐跨行業、跨應用、跨系統之間的信息協同、共享、互通的功能。技術支撐層對下層網絡傳輸層的網絡資源進行認知，進而達到自適應傳輸的目的。對上層的應用接口層提供統一的接口與虛擬化支撐,虛擬化包括計算虛擬化和存儲虛擬化等內容。而技術支撐層本層則要完成信息的表達與處理,最終達到語義互操作和信息共享的目的。

（5）應用接口層物聯網的行業特性主要體現在其應用領域內，目前綠色農業、工業監控、公共安全、城市管理、遠程醫療、智能家居、智能交通和環境監測等各個行業均有物聯網應用的嘗試，某些行業已經積累了一些成功的案例。應用接口層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。應用層主要完成服務發現和服務呈現的工作。2.2物聯網、傳感網和泛在網的關系傳感網傳感器網是包含互聯的傳感器節點的網絡，這些節點通過有線或無線通信交換傳感數據。2.2物聯網、傳感網和泛在網的關系泛在網2.2物聯網、傳感網和泛在網的關系三者關系2.3物聯網的關鍵技術信息感知層關鍵技術節點感知技術是實現物聯網的基礎。它包括用于對物質世界進行感知識別的電子標簽、新型傳感器、智能化傳感網節點技術等。

1.電子標簽RFID技術與互聯網、通信等技術相結合，可實現全球范圍內物品跟蹤與信息共享，是物聯網關鍵技術之一。RFID技術發展的方向和研究的重點是：

（1）芯片設計與制造技術的發展趨勢是芯片功耗更低，作用距離更遠，讀寫速度與可靠性更高，成本不斷降低。

（2）芯片技術將與應用系統整體解決方案緊密結合。

（3）RFID讀寫器設計與制造將向多功能、多接口、多制式、并向模塊化、小型化、便攜式、嵌入式方向發展。同時，多讀寫器協調與組網技術將成為未來發展方向之一。

（4）海量RFID信息處理、傳輸和安全對RFID的系統集成和應用技術提出了新的挑戰。RFID系統集成軟件將向嵌入式、智能化、可重組方向發展，通過構建RFID公共服務體系，將使RFID信息資源的組織、管理和利用更為深入和廣泛。

2.3物聯網的關鍵技術2.新型傳感器傳感技術同計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的三大支柱。傳感器用來感知物理世界信息采集點的環境參數。傳感器可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號，為物聯網系統的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的數據信息。隨著電子技術的不斷進步提高，傳統的傳感器正逐步實現微型化、智能化、信息化、網絡化。同時，也正經歷著一個從傳統傳感器（dumbsensor）向智能傳感器（smartsensor）和嵌入式Web傳感器(embeddedwebsensor)不斷豐富發展的過程。運用新理論、新技術，采用新工藝、新結構、新材料，研發各類新型傳感器，提升傳感器功能與性能，降低成本是實現物聯網的基礎。

2.3物聯網的關鍵技術3.智能化傳感網節點技術所謂智能化傳感網節點是指一個微型化的嵌入式系統。未來研究的關鍵技術有：（1）針對傳感網節點設備的低成本、低功耗、小型化、高可靠性等要求，研制低速、中高速傳感網節點核心芯片，以及集射頻、基帶、協議、處理于一體，具備通信、處理、組網和感知能力的低功耗片上系統。（2）針對物聯網行業應用，研制系列節點產品。這需要采用MEMS加工技術，設計符合物聯網要求的微型傳感器，使之可識別、配接多種敏感元件，并適用于主被動各種檢測方法。（3）研制具有強抗干擾能力的傳感網節點，以適應惡劣工作環境的需求。（4）利用傳感網節點具有的局域信號處理功能，在傳感網節點附近局部完成一定的信號處理，使原來由中央處理器實現的串行處理、集中決策的系統，成為一種并行的分布式信息處理系統。（5）微機電系統。微機電系統是物聯網的關鍵技術之一，它是集微型傳感器、執行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統。近年來，MEMS技術飛速發展，MEMS具有微型化、智能化、多功能、高集成度和適合大批量生產等特點，為傳感器節點的智能化、小型化、功率的不斷降低等創造了成熟的條件。2.3物聯網的關鍵技術4.GPS技術GPS（GlobalPositioningSystem，GPS）又稱為全球定位系統，是具有海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。GPS是由空間星座、地面控制和用戶設備等三部分構成的。GPS測量技術能夠快速、高效、準確地提供點、線、面要素的精確三維坐標以及其他相關信息，具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，廣泛應用于軍事、民用交通導航、大地測量、攝影測量、野外考察探險、土地利用調查、精確農業以及日常生活等不同領域。GPS作為移動感知技術，是物聯網延伸到移動物體采集移動物體信息的重要技術，更是物流智能化、可視化以及智能交通的重要技術。2.3物聯網的關鍵技術物聯接入層關鍵技術該層的主要功能是通過現有的移動通信網(如GSM網、TD2SCDMA網)、無線接入網(如WiMAX)、無線局域網(WiFi)、衛星網等基礎設施，將來自信息感知層的信息傳送到互聯網中。1.傳感網技術

（1）傳感網體系結構及底層協議。傳感網絡體系結構不同于傳統的計算機網絡和通信網絡，傳感網體系結構可以由分層的網絡通信協議、傳感網管理以及支撐技術三個部分組成。

（2）智能交互及協同感知。物聯網中的智能交互主要體現在情景感知關鍵技術上，能夠解釋感知的物理信號和生物化學信號，對外界不同事件做出決策以及調整自身的監控行為，因此已成為物聯網應用系統中不可或缺的一部分。同時，情景感知能讓物聯網中的一些數據以低能耗方式在本地資源受限的傳感器節點上處理，從而讓整個網絡的能耗和通信帶寬最小化。協同感知技術也是物聯網的研究熱點。

2.3物聯網的關鍵技術1.傳感網技術

（3）對傳感網自身的檢測與自組織。物聯網的信息來源于傳感器和由傳感器組成的傳感網，為保證傳感網絡自身的完整性、可用性和效率等性能，需要對傳感網的運行狀態進行監測。（4）節點管理。由于終端感知網絡的節點眾多，因此必須引入節點管理對多個節點進行操作。其中包括以使終端感知網絡壽命最大化為目標的能量管理、以確保覆蓋性及連通性為目標的拓撲管理、以保證網絡服務質量為目標的QoS管理及移動控制，以實現異地管理為目標的遠程管理技術以及存儲配置參數的數據庫管理等。（5）傳感網安全由于物聯網終端感知網絡的私有特性，因此安全也是一個必須面對的問題。物聯網中的傳感節點通常需要部署在無人值守、不可控制的環境中，除了受到一般無線網絡所面臨的信息泄露、信息篡改、重放攻擊、拒絕服務等多種威脅外，還面臨傳感節點容易被攻擊者獲取，通過物理手段獲取存儲在節點中的所有信息，從而侵入網絡、控制網絡的威脅。2.3物聯網的關鍵技術1.傳感網技術

（6）組網技術集合有線和無線方式，實現物體無縫和透明接入。包括傳感器網絡組網方式、RFID組網方式、DTN組網方式、移動通信或衛星等其他簡單組網方式等。

（7）信息處理及信息融合由于物聯網具有明顯的“智能性”的要求和特征，而智能信息處理是保障這一特性的共性關鍵技術，因此智能信息處理的相關關鍵技術和研究基礎對于物聯網的發展具有重要的作用。信息融合是智能信息處理的重要階段和方式，信息融合是一個多級的、多方面的、將來自傳感網中多個數據源（或多個傳感器）的數據進行處理的過程。它能夠獲得比單一傳感器更高的準確率，更有效和更易理解的推論。同時，它又是一個包含將來自不同節點數據進行聯合處理的方法和工具的架構。因此，在信息感知層、物聯接入層、網絡傳輸層和應用接口層均需要采用此技術手段。2.3物聯網的關鍵技術網絡傳輸層關鍵技術該層的主要功能是以IPv6和IPv4為核心建立的互聯網平臺，將網絡內的信息資源整合成一個可以互聯互通的大型智能網絡，為上層服務管理和大規模行業應用建立起一個高效、可靠、可信的基礎設施平臺。

1.IPv6協議棧

為了實現物聯網的普適性，終端感知網絡需要具有多樣性。若將物聯網建立在數據分組交換技術基礎之上，則將采用數據分組網即IP網作為核心承載網。其中，IPv6作為下一代IP網絡協議，具有豐富的地址資源，能夠支持動態路由機制，可以滿足物聯網對網絡通信在地址、網絡自組織以及擴展性方面的要求。但是，由于IPv6協議棧過于龐大復雜，不能直接應用到傳感器設備中，需要對IPv6協議棧和路由機制作相應的精簡，才能滿足低功耗、低存儲容量和低傳送速率的要求。

2.網絡接入物聯網以終端感知網絡為觸角，以運行在大型服務器上的程序為大腦，實現對客觀世界的有效感知以及有效控制。其中連接終端感知網絡與服務器的橋梁便是各類網絡接入技術，包括GSM、TD2SCDMA等蜂窩網絡，WLAN、WPAN等專用無線網絡，Internet等各種網絡。物聯網的網絡接入是通過網關來完成的。2.3物聯網的關鍵技術技術支撐層關鍵技術該層的主要功能是通過具有超級計算能力的中心計算機群，對網絡內的海量信息進行實時的管理和控制，并為上層應用提供一個良好的用戶接口。

1.數據融合與智能技術由于物聯網應用是由大量傳感網節點構成的，在信息感知的過程中，采用各個節點單獨傳輸數據到匯聚節點的方法是不可行的，需要采用數據融合。所謂數據融合是指將多種數據或信息進行處理，組合出高效、符合用戶要求的信息的過程。因為網絡中存有大量冗余數據，不僅會浪費通信帶寬和能量資源，而且會降低數據的采集效率和及時性。數據融合技術需要人工智能理論的支撐，包括智能信息獲取的形式化方法、海量數據處理理論和方法、網絡環境下數據系統開發與利用方法，以及機器學習等基礎理論。同時，還包括智能信號處理技術，如信息特征識別和數據融合、物理信號處理與識別等。

2.海量數據智能分析與控制海量數據智能分析與控制是指依托先進的軟件工程技術，對物聯網的各種數據進行海量存儲與快速處理，并將處理結果實時反饋給網絡中的各種“控制”部件。智能技術就是為了有效地達到某種預期目的，對數據進行知識分析所采用的各種方法和手段。當傳感網節點具有移動能力時，網絡拓撲結構如何保持實時更新；當環境惡劣時，如何保障通信安全；如何進一步降低能耗等等。2.3物聯網的關鍵技術3.云計算云計算是物聯網關鍵技術之一。云計算最基本的概念是透過網絡將龐大的計算處理程序自動分拆成無數個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大系統經搜尋、計算分析之后將處理結果回傳給用戶。通過云計算技術，網絡服務提供者可以在數秒之內，形成處理數以千萬計甚至億計的數據，達到與超級計算機同樣強大效能的網絡服務。云計算有以下幾種方式支撐物聯網的應用發展：

（1）單中心、多終端應用模式。

（2）多中心、多終端應用模式。

（3）信息與應用分層處理，海量終端應用模式。

4.企業資源計劃（ERP）企業資源計劃（EnterpriseResourcePlanning，簡稱ERP）是指建立在信息技術基礎上，以系統化的管理思想，為企業決策層及員工提供決策運行手段的管理平臺。ERP技術屬于物聯網的技術支撐層技術。2.3物聯網的關鍵技術5.軟件服務與算法實現不同軟件的統一與互操作。包括語義互操作性和語義傳感Web、人機交互、自管理技術來克服增加的復雜度和節能、分布式自適應軟件、開放性中間件、能量有效的微操作系統、虛擬化軟件、數據挖掘等數學模型和算法等。

6.支撐與應用物聯網以終端感知網絡為觸角,深入物理世界的每一個角落,獲得客觀世界的各種測量數據。同時物聯網戰略最終是為人服務的,它將獲得的各種物理量進行綜合、分析,并根據自身智能合理優化人類的生產生活活動。物聯網的支撐設備包括高性能計算平臺、海量存儲以及管理系統及數據庫等。通過這些設施,能夠支撐物聯網海量信息的處理、存儲、管理等工作。物聯網的應用需要智能化信息處理技術的支撐,主要需要針對大量的數據通過深層次的數據挖掘,并結合特定行業的知識和前期科學成果