物联网实验箱智能家居101

物联网教程改版记录表版本改版日期经手人修改记录0.0.02015.03.04胡文龙建立文档第一章物联网概述1.1物联网的诞生人类自诞生之日起，就在不断地认识世界和改造世界，而工具的使用是其发展水平的显著标志。随着社会生产力的发展，人类不断通过提升科学技术的水平来拓展自己的视野，这集中表现为创造出越来越多的工具，并有效地利用这些工具为人类社会服务。随着近几十年来信息技术，特别是网络技术的飞速发展，人类获取、保存、处理及传播信息的能力获得了迅猛的提升，从此我们目光变远了、耳朵变灵了，触觉更灵敏了，地球也变小了。人类的生理功能获得了大幅度延伸，我们开始更从容地去面对自然。以计算机为代表的计算世界（CyberWorld）在物理世界（PhysicalWorld）和人类社会（HumanSociety）当中扮演着重要角色，它们已经被合称为三元世界（TernaryUniverse）。第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）诞生时，计算机是一个庞然大物，是极少数人才能享用的奢侈品。随着CMOS半导体电路技术按摩尔定律的速度发展，计算机系统正在朝着功能不断增强，可靠性、集成度、能源效率、信息密度不断提高，用户界面更加友好的方向演进。一方面出现了具有超强计算能力和存储能力的超级计算机，另一方面也开始出现体积小、成本低、便于人机交互的各种便捷计算设备，信息技术开始进入社会生产和日常生活，开始为传统产业提供更方便快捷的强大支撑。借助计算机这一有力工具，人类对客观物理世界的认知和利用大概经历以下几个阶段：数字化阶段，随着传感器的规模化应用，物理世界的信息通过采样、量化、编码，可以变成在计算机中表示、存储和处理的数据，传感器拉近了人们和物理世界的距离；信息化阶段，随着处理和存储能力的增强，人们所积累的原始数据及加工数据逐步增多、种类更加丰富、数据更加实时，信息开始逐步脱离客观的物理世界，并成为人们生产和生活中的重要资料，计算世界开始独立于物理世界而形成；网络化阶段，随着大量信息日复一日被创造出来，信息也开始成为人们交互的不可或缺的物质资料，甚至开始成为重要的商品，网络化不但为人们相互交换信息、实现信息共享提供了便利，更通过大量分布式的信息采集和处理，进一步扩展了信息获取的途径，网络化让更多人加入到信息的交互中，与信息相关的产品和服务也越来越多；泛在化阶段，随着信息和网络不断发展成人类社会生活中必不可少的物质基础，人们随时随地都需要和大量数字化信息打交道，网络化达到无时无处不在的程度，人们再也无法回避信息化的生活方式，人类社会也将迈入知识信息的泛在化阶段，而海量的信息也为计算世界的智能化提供了可能，智能化让人类社会和物理世界融为一体。无线传感器网络和物联网在网络化和智能化的背景下应运而生！无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）简称传感网，它在人类与自然界之间架起了一座桥梁，是人类借助信息化工具认知物理世界的新式武器。传感网综合了信息感知、信息处理、信息传输等功能的分布式自组织的计算系统，传感网节点自组织地以多跳的方式完成互联与协同传输处理，并通过网关节点与互联网、移动通信网等公网联接，从而实现远程信息的获取和计算。传感网的出现，使信息获取的能力得到大幅度提高，多传感器协同感知和传感数据的信息融合则帮助人们克服了传统传感器感知区域小等缺陷，可视为人类感官的延伸，因而被称为“神经末梢”。2009年8月7日，温总理在江苏无锡谈到太湖水质监测时，首次提出了“感知中国”的概念，从此“物联网”开始为普通百姓所熟知。“物联网”通过物与物之间的智能互联，将人们认识自然界的水平提升到一个崭新的阶段。传统的互联网和移动通信网均是以信息为中心，仍然是信息网络；而物联网是直接以人的需求为中心的网络，通过各种“神经末梢”与物理世界相联，从而达到了无时无处不在的感知，是一种更为体贴、更为友好的网络。物联网并不仅仅是一项技术，也是人类自身认识世界的需要，它不但拥有RFID（射频标签）、传感器以及传感网等载体的感知触角，而且拥有互联网、移动通信网等传输中枢，还拥有海量信息存储与处理的云计算及智能信息处理等系统支撑，通过综合使用各种信息技术手段，完成对物理世界真正意义上的智能感知，从而最大限度地丰富和提高了人类通过技术手段对于自然界的认知能力、分析综合判断能力和决策支持能力。物联网是人类认识世界理想化的新境界。这与IBM公司在2009年初提出的“智慧的地球（SmartPlanet）”以及Nokia所提出的“情境感知计算（Context-awareComputing）”等概念有着异曲同工之妙。虽然是从不同的角度出发提出的，但殊途同归，都是将简单的信息处理提升到人类社会与物理世界的融合上，而不再是纯粹的以具体技术升级为背景。“物联网”的提出给我们一个重要的信号，技术水平的提升最终是为人类自身服务，其最高境界是让人不再察觉到信息技术手段的介入过程，信息技术“潜移默化”地融入人们的生活中，在丝毫不被察觉的情况下完成使命，从而真正意义上实现了人类对自然界丰富信息的随心所欲的感知，从最大程度上消除了人与自然的距离，达到人与自然的和谐共生。1.2物联网的内涵物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“TheInternetofthings”(IoT)。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。关于物联网的定义，在学术界和产业界都没有统一的定义。目前关于物联网的定义也是五花八门，总体来说，主要包括狭义和广义两种。狭义的物联网是指依托射频识别（RFID）技术的物流网络，随着技术和应用的发展，特别是随着传感器网络的出现，很多学者认为物联网就是无线传感器网络，或者是传感器网络和RFID的合称。但随着物联网在国内外被更多行业所关注，其内涵也获得了更大范围的扩展。广义的物联网是指在物理世界的客观实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联、互通、互操作。物联网依托多种信息获取技术，包括传感器、传感器网络、RFID、条形码、多媒体采集技术等。虽然物联网的定义还存在很多争议，但其三个重要层次-“感知(交互)、网络（传输）、应用（处理）”已经获得了广泛共识。《物联网白皮书（2011）》认为：物联网是通信网和互联网的扩展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互连，进行计算，处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝连接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学对策的目的。物联网的概念还在发展之中，具有越来越丰富的内涵，需要用动态、发展的眼光来看待。物联网充分利用了不断创新和发展的计算机技术、网络技术、软件技术、传感技术、通信技术等多种信息技术，广泛开发和利用人类世界与物理世界的各种信息资源，促进人与人、人与物、物与物之间的信息交流，深化全社会的知识共享程度，以信息和知识含量更高的处理方式提高经济社会的发展质量，推动无所不包、无所不在、无所不能的信息化社会的形成。1.3物联网的架构物联网网络架构由感知（交互）层、网络（传输）层、应用（处理）层组成。如图1-1所示，各层次通过相互协同与配合，协同完成真正意义上的“物物相连”，并提供泛在化的物联网服务。图1-1物联网网络架构示意下面结合普遍认知，简单说明物联网三个层次的主要内容。感知层，也称感知交互层，主要实现智能感知和交互功能，包括信息采集、捕获、物体识别，并对信息进行初步的融合等功能。其关键技术包括传感器、控制器、RFID、自组织网络、短距离无线通信、低功耗路由、数据融合等，它是物联网的智能前端，也是神经末梢；网络层，也称网络传输层，主要实现信息的接入、传输和交换，包括接入层和核心层。网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用网络，或者同时依托公众网和专用网，如接入层依托公众网、核心层依托专用网，或者接入层依托专用网、核心层依托公众网。通过网络层的信息交换与传输，可以使物联网实现更大范围的覆盖和信息共享；应用层，也称应用处理层，主要实现信息的处理与决策，通过中间件实现网络层与物联网应用服务间的接口和功能调用，包括对业务的分析整合、共享、智能处理、管理等，具体体现为一系列业务支撑平台、管理平台、信息处理平台、智能计算平台、中间件平台等。应用层则主要包含各类应用服务，如监控服务、智能电网、工业监控、绿色农业、智能家居、环境监控、公共安全等。物联网应用层既包括局部区域的独立应用，又包括广域范围的统一应用。部分以局部区域的独立应用为主，如楼宇内的控制系统、特定区域的环境监测系统。部分则是广域范围的统一应用，如手机支付、全球性的RFID物流和供应链系统等。5/101深联致远（北京）科技有限公司（WirelessSensorNetwork,WSN）是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络，由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算元件对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。这一技术具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值。传感器网络的节点间距离很短，一般采用多跳（multi-hop）的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到计算机网络，使用户可以远程访问，如图2-1为无线传感器网络示意图。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。图2-1无线传感器网络示意图6/101深联致远（北京）科技有限公司)大规模为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。1)自组织在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。2)