物联网导论-2-物联网体系结构

桂小林11物联网技术概论（课程第2章）桂小林2AR2物联网的模型最少学时：3学时知识点：功能模型层次模型拓扑结构学习目标：熟悉物联网的功能模型熟悉物联网的层次模型理解功能模型与层次模型之间的关系连接物联网常用网络拓扑结构桂小林3第二章物联网体系结构桂小林4本章内容2.1物联网体系结构概述2.2物联网体系结构的基本组成2.3物联网关键技术2.4已有物联网相关应用架构桂小林52.1物联网体系结构概述认识任何事物都要有一个从整体到局部的过程，尤其对于结构复杂、功能多样的系统。首先需要对它的整体结构有所了解，然后才能进一步的去讨论其中的细节。体系架构是指导具体系统设计的首要前提。物联网应用广泛，系统规划和设计极易因角度的不同而产生不同的结果，因此急需建立一个具有框架支撑作用的体系架构。另外，随着应用需求的不断发展，各种新技术将逐渐纳入物联网体系中，体系架构的设计也将决定物联网的技术细节、应用模式和发展趋势。桂小林6如图2-1所示，在物联网中，任何人和物之间都可以在任何时间、任何地点实现与任何网络的无缝融合，它实现了物理世界的情景（context）感知、处理和控制这一闭环过程真正意义上形成了人-物、人-人、物-物间信息连接的新一代智能互联网络。桂小林7物联网的最终目的是建立一个满足人们生产、生活以及对资源、信息更高需求的综合平台，管理跨组织、跨管理域的各种资源和异构设备，为上层应用提供全面的资源共享接口，实现分布式资源的有效集成，提供各种数据的智能计算、信息的及时共享，决策的辅助分析等。物联网是在传感网、互联网的基础上发展起来的桂小林8物联网可以抽象划分成广泛分布的感知设备、物联网中间件、上层应用三个层次，如图2-2所示中间件（Middleware）是位于感知设备和应用之间的通用服务，这些服务具有标准的程序接口和协议，即中间件=平台+通信。桂小林92.2物联网体系结构的基本组成由物联网特点可知，物联网具有很强的异构性，为实现异构设备之间的互联、互通与互操作，物联网需要以一个开放的、分层的、可扩展的网络体系结构为框架。目前，国内外的研究人员在描述物联网的体系结构时，差异很大。如：ITU-T在Y.2002的自下而上分为底层泛在感知网络、异构网络接入层、骨干传输网、网络中间件、泛在网络应用平台5层结构。通用四层物联网体系结构，包含感知控制层、数据传输层、数据管理与组织层、应用决策层。桂小林105层结构桂小林11通用四层结构桂小林12通用四层结构感知控制层：它是物联网发展和应用的基础，包括RFID读写器、智能传感节点和接入网关等组成。各种传感节点通过感知目标环境的相关信息，并自行组网传递到网关接入点，网关将收集到的数据通过互联网络提交到后台处理。数据传输层：主要负责通过各种接入设备实现互联网、移动通信网等不同类型的网络融合。此外，还提供路由、格式转换、地址转换等功能。数据的动态组织与管理层：实现感知数据的语义理解、推理、决策以及提供数据的查询、存储、分析、挖掘等。云计算为感知数据的存储、分析提供了很好的平台，是信息处理的重要组成部分，也是应用层各种应用的基础。应用决策层：物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供多种不同类型的服务。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控），控制型（智能交通、智能家居），扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。桂小林13感知控制层感知是指对客观事物的信息直接获取并进行认知和理解的过程。人们对于信息获取的需求促使其不断研发新的技术来获取感知信息，如传感器、RFID、定位技术等。桂小林14数据传输层物联网的数据传输层主要进行信息的传送，它是物理感知世界的延伸，更好地实现物与物之间的通信、物与人之间的通信以及人与人之间的通信。物联网数的据传输层主要包括接入网和核心网两层结构学生调研桂小林15数据管理层数据管理层则是利用云计算平台实现海量感知数据的动态组织与管理，云计算技术的运用，使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。随着物联网应用的发展、终端数量的增长，通过借助云计算处理海量信息，进行辅助决策，提升物联网信息处理能力。(1)智能计算(2)海量数据存储、检索。。。桂小林16应用决策层物联网技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、互联网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术,具有十分广阔的应用前景，在智能家居、工农业控制、城市管理、远程医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等众多领域有着广泛的应用价值。桂小林17•智能处理层：智能处理层是整个系统的核心，它的主要功能是数据存储和多源数据的协同分析。通过在服务器上部署智能分析处理程序，针对单一探测器所采集的数据，调用相应的功能模块进行分析，对同一区域的其它探测器所采集的信息进行综合分析，实现异常事件的智能判断。•应用决策层：应用决策层的主要是系统的应用展示和管理。用户可以通过智能手机、平板电脑等远程监控终端监控和管理系统，及时对监测到的各种事件进行决策处理。桂小林18图2-11手机钱包桂小林19三层2G网络公共安全绿色农业工业监控城市管理远程医疗智能家居智能交通环境监测物联网感知层物联网应用层物联网网络层3G网络RFID读写器RFID标签M2M终端传感器摄像头传感器网络传感器网络行业专家系统物联网管理中心（编码、认证、鉴权、计费）4G网络云计算平台传感器网关传感器网关物联网信息中心（算法库、样本库、信息库）桂小林20桂小林212.3物联网关键技术物联网是继互联网后又一次技术的革新，代表着未来计算机与通信的发展方向。这次革新也取决于一些重要领域的动态技术创新，从RFID、EPC、传感技术到认知网络、云计算等。物联网发展的关键技术如图2-12所示，其中负责物体标识的RFID技术、感知物体动态信息的传感器技术、实现信息传递的通信技术和网络融合技术、信息处理的智能技术我们称之为物联网的四大关键技术。桂小林222.3.1感知标识技术感知和标识是物联网实现“物物相联，人物互动”的基础，各种类型的传感器在弥合物理和虚拟世界差距方面发挥了关键作用，数据的产生、获取、传输、处理、应用是物联网的重要组成部分，其中数据的获取是物联网智能信息化的重要环节之一，没有它，物联网也就成了无水之源、无本之木。桂小林23桂小林242.3.2网络与通信技术物联网本质上是泛在网络，需要融合现有的各种通信网络，并引入新的通信网络。要实现泛在的物联网，异构网络的融合是一个重要的技术问题。三网融合技术：“三网融合”又叫“三网合一”（即FDDX），意指电信网、有线电视网和计算机通信网的相互渗透、互相兼容、并逐步整合成为全世界统一的信息通信网络。桂小林25三网融合桂小林262.3.3云计算技术物联网聚集海量数据海量数据需要有效组织、管理、存储高效数据处理时物联网的核心需要运用的云计算技术处理海量数据虚拟化Map-reduce。。。。桂小林27云计算--低成本的海量信息处理技术云计算资源池存储能力统一监控管理计算能力SaaS(SoftwareasaSevice)软件即服务物联网应用不再是单纯的卖硬件或软件，而是针对长尾市场中各行各业的需求，通过能力开放与组合，形成个性化、差异化的优质服务。云计算(Cloudcomputing)利用大规模低成本运算单元通过网络相连而组成的运算系统，为物联网海量的信息处理提供低成本计算能力。27桂小林28云计算--从单户到多租户桂小林29云计算讲解[SaaS]桂小林302.3.4安全技术由于物联网终端感知网络的私有特性，因此安全也是一个必须面对的问题。物联网中的传感节点通常需要部署在无人值守、不可控制的环境中，除了受到一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、重放攻击、拒绝服务等多种威胁外，还面临传感节点容易被攻击者获取，通过物理手段获取存储在节点中的所有信息，从而侵入网络、控制网络的威胁。涉及到安全的主要有程序内容、运行使用、信息传输等方面。位置是物联网的核心服务。位置隐私成为物联网推广应用的核心技术。桂小林31因此，物联网需要云计算支撑，必须解决人们关注的隐私安全问题。用户数据应用桂小林322.4已有物联网相关应用架构目前，具有代表性的物联网架构主要可以分为三类：(1)基于传感器技术的无线传感网体系结构；(2)基于互联网和射频识别技术的EPC、UID系统；(3)学术界和企业提出的M2M、CPS系统框架。下面我们就分别介绍这些相关应用框架。桂小林33WSN桂小林34EPC/UID系统桂小林35EPC/UID系统EPC(ElectronicProductCode)电子产品编码的概念最早由美国麻省理工大学(MIT)的Sarma和Brock教授在1999年提出的，其核心思想是为每一个产品提供唯一的电子标识符，通过射频识别技术实现数据的自动标识和采集。2003年，国际物品编码协会(EAN)和美国统一代码协会(UCC)联合成立了EPC—global，以推动EPC技术在商业上的应用。桂小林36EPC编码体系有EPC-64，EPC-96和EPC-256三种。使用较多的是EPC-64编码体系，而新一代的EPC标签将采用EPC-96编码体系，其具体结构如表2-19所示。体系标头厂商识别代码对象分类代码序列号EPC-968282436桂小林37系统构成名称注释EPC编码体系射频识别系统信息网格系统EPC代码EPC标签读写器EPC中间件对象名称解析服务（ObjectNamingService：ONS）EPC信息服务（EPICS）原来标识目标的特定代码贴在物品之上或者内嵌在物品中识别EPC标签EPC系统的软件支持系统桂小林38桂小林39M2M系统M2M的定义可以分为广义和狭义两种。广义上包括Machine-to-Machine、Man-to-Machine以及Machine-to-Man。它是指是人与各种远程设备之间的无线数据通信。狭义上的M2M是Machine-to-Machine的简称，指一方或双方是机器且机器通过程序控制，能自动完成整个通信过程的通信形式桂小林40M2M系统从右至左可以划分为M2M设备域、M2M网络域、M2M应用域。桂小林412.5物联网的反馈与控制“某日小张正在公司上班，突然手机收到震动了铃声提示……原来是家中无人时门被打开，门磁侦测到有人闯入，则将闯入报警通过无线网关发送给主人小张的手机，手机收到信息发出震动铃声提示，小张确认后发出控制指令，电磁门锁自动落锁并触发无线声光报警器发出报警。”这一场景成果实现了物联网的感、联、智、控四种属性。这四种属性形成了一个完整的反馈控制系统。桂小林422.5物联网的反馈与控制2.5.1自动控制的基本原理与方式自动控制的概念及应用反馈控制系统的基本组成自动控制系统的基本控制方式桂小林43自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的程序运行。自动控制的概念及应用2.5物联网的反馈与控制自动控制的基本原理与方式桂小林44反馈控制定义反馈——把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。分为负反馈和正反馈。反馈控制——就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。桂小林45反馈控制原理桂小林46反馈控制系统组成测量元件：检测被控制的物理量，并将其转换为电量。给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。校正元件：也叫补偿元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。桂小林47自动控制系统的基本控制方式——反馈控制方式方式：按偏差进行控制。特点：减小或消除这个偏差作用：具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响