物联网的形态结构32

物联网体系架构02物联网的形态结构物联网的形态结构物联网的形态结构开环式物联网结构闭环式物联网结构融合式物联网结构开环式物联网的形态结构物联网体系架构开环式物联网的形态结构开环式物联网形态结构感知物理世界传感器物理世界状态信息事件流物理世界信息处理信息流信息服务/发布智能信息处理/云计算信息空间消息信息流信息服务用户影响物理世界感知传感单元组传感设备的感知信息包括物理环境的信息和物理环境对系统的反馈信息对传感器采集信息智能处理对处理信息进行发布，为人们提供相关的信息服务，或人们根据这些信息去影响物理世界的行为。由于物理环境、感知目标存在混杂性以及其状态、行为存在不确定性等，使感知的信息设备存在一定的误差，需要通过智能信息处理来消除这种不确定性及其带来的误差。开放式物联网结构对通信的实时性要求不高，一般来说通信实时性只要达到秒级就能满足应用要求。开环式物联网的形态结构典型开环式物联网形态结构：操作指导控制系统闭环式物联网的形态结构物联网体系架构闭环式物联网的形态结构闭环式物联网形态结构感知物理世界传感器物理世界状态信息事件流物理世界信息处理信息流改变物理世界智能信息处理/云计算信息空间消息[ROOT]物理世界感知控制命令执行器赋予控制含义生成事件/信息改变传感单元组执行单元组控制单元组传感设备的感知信息包括物理环境的信息和物理环境对系统的反馈信息控制单元根据这些信息结合控制与决策算法生成控制命令执行单元根据控制命令改变物理实体状态或系统的物理环境(如：无人驾驶汽车)。闭环式物联网结构主要功能都由计算机系统自动完成，不需要人的直接参与，且实时性要求很高，一般要求达到毫秒级，甚至微秒级。对此闭环式物联网结构要求具有精度时间同步、确定性调度功能，甚至要求很高的环境适应性。闭环式物联网的形态结构典型闭环式物联网形态结构：现场总线控制系统Internet/Intranet（内联网）现场级控制器现场总线现场级控制器测控对象测控对象现场级控制器现场级控制器测控对象测控对象现场总线工业无线经营管理级生产调试级现场控制级总线循环时间1000ms总线循环时间100ms总线循环时间10ms现场总线感知执行感知感知感知执行执行执行现场总线等控制网络的出现使控制系统的体系结构发生了根本性改变，形成了在功能上管理集中、控制分散，在结构上横向分散、纵向分级的体系结构。把基本控制功能下放到现场具有智能的芯片或功能块中，不同的现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路，使控制功能彻底分散，直接面对生产过程，把同时具有控制、测量与通信功能的功能块及功能块应用进程作为网络节点，采用开放的控制网络协议进行互连，形成现场层控制网络。现场设备具有高度的智能化与功能自治性，将基本过程控制、报警和计算等功能分布在现场完成，使系统结构高度分散，提高了系统的可靠性。同时，现场设备易于增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等，易于实现现场管理和控制的统一。融合式物联网的形态结构物联网体系架构融合式物联网的形态结构融合式物联网形态结构智能信息处理/云计算物理世界信息处理控制单元组赋予控制含义生成事件/信息信息网络信息空间消息信息流物理世界状态信息执行单元组控制命令执行器传感单元组感知物理世界传感器用户影响感知改变物理世界的改变物理世界事件流信息流物联网系统既涉及规模庞大的智能电网，又包含智能家居、体征监测等小型系统。对众多单一物联网应用的深度互联和跨域协作就构成了融合式物联网结构，它是一个多层嵌套的“网中网”。融合式物联网的形态结构典型融合式物联网形态结构：智能电网信息交互构架中央发电站升压变压器分布式变电站接收站分布式变电站分布式变电站居民数据终端微汽轮机电池光电流汽轮机电动机废热发电燃料电池工厂商业调速轮电动机商业调试计算机信息网络用户一个完整的智能电网作为电能输送和消耗的核心载体，包括发电、输电、变电、配电、用电以及电网调度六大环节，是最典型的融合式物联网结构。融合式物联网的形态结构CPS体系结构原型智能信息处理/云计算物理世界信息处理控制单元组赋予控制含义生成事件/信息信息空间消息物理世界状态信息执行单元组控制命令执行器传感单元组感知物理世界传感器用户影响感知改变物理世界的改变物理世界事件流信息流信息网络物理世界包括物理实体(诸如医疗器械、车辆、飞机、发电站)和实体所处的物理环境。传感器作为测量物理环境的手段，直接与物理环境或现象相关。传感器将相关的信息传输到信息世界。执行器根据来自信息世界的命令，改变物理实体设备状态基于事件驱动的控制单元接受来自传感单元的事件和信息世界的信息，根据控制规则进行处理。数据服务器：为事件的产生提供分布式的记录方式，事件可以通过传输网络自动转换为数据服务器的记录，以便于以后检索。传输网络：包括传感设备、控制设备、执行设备、服务器，以及它们之间的无线或有线通信设备。物联网体系架构03物联网的技术体系物联网技术涉及感知、控制、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入式系统、微机电等多个技术领域物联网的技术体系物联网技术体系构架环境监测智能电力智能交通工业监控物联网应用信息管理服务管理用户管理终端管理认证授权计费管理应用支持子层应用层低速和中高速短距离传输自组织网协同信息处理传感网中间件传感网传感器二维条码RFID多媒体信息执行器数据采集与控制感知层异构网融合资源和存储管理专用网络远程控制网络移动通信网、互联网和其他专网网络层下一代承载网M2M无线接入移动通信网互联网网络层与感知层互通嵌入式技术软件与算法新材料电源和储能微电机支撑技术标识解析安全技术网络管理数据融合数据存储与挖掘公共技术云计算物联网体系架构04物联网的知识体系物联网的知识体系信息获取信息传输信息处理信息应用科技界普遍认为，信息技术由四大部分组成，即信息获取、信息传输、信息处理与信息应用或信息利用，这四部分实际上组成了如图的一个完整信息链。检测技术的重点是在信息的获得，通信技术的重点是在信息的传输，计算机技术的重点是在信息的处理，自动化技术的重点则在信息的应用。而物联网技术包含信息技术的所有组成部分。物联网知识体系物联网的知识体系物联网知识体系执行器控制计算机器或物理环境传感器信息应用信息获取信息传输信息传输信息世界信息处理物理世界控制计算执行器机器或物理环境传感器知识领域：控制与智能知识单元：控制理论稳定性与鲁棒性可靠性与容错自适应、自学习人工智能最优、智能控制人机控制等知识领域：执行与驱动知识单元：机电汽液驱动自动化仪表光机电一体化各种遥控器电力电子等知识领域：模型与仿真知识单元：系统辨识参数估计各类系统建模技术CAD仿真技术电机原理与传动机械原理与结构机器人原理等知识领域：计算与处理知识单元：信号、图像处理并行、分布处理软件工程自适应、自学习计算、搜索、推理模式识别等知识领域：通信与网络知识单元：通信技术计算机网络多媒体遥控技术等知识领域：传感与监测知识单元：理化生等传感器监测与诊断遥测、遥感抗干扰技术测量信号处理机器人感知等信息传输信息传输从网络化测控系统的角度看物联网系统的组成元素，但实际上它深刻地反映了物联网与信息技术学科各知识领域之间的关系与联系物联网的知识体系知识领域：系统与工程知识单元：多变量系统、非线性系统、分布参数系统、离散事件系统、大系统、复杂系统、运动控制系统、过程自动化系统、管理信息系统、系统工程、运筹学、最优化、智能系统、机器人系统、多智能体等等控制与智能计算与处理通信与网络执行与驱动模型与仿真传感与检测知识领域：数理与机电基础知识单元：数学、力学、物理、化学、现代生物学、生命科学、脑科学、思维科学、系统科学、管理科学、电工电子基础、机械基础、计算机原理、计算机语言、微机原理等等系统知识层测控知识层基础知识层物联网知识结构构架物联网体系架构05物联网的产业体系物联网相关产业是指实现物联网功能所必需的相关产业集合，从产业结构上主要包括服务业和制造业两大范畴物联网的产业体系物联网的产业体系示意图云计算服务存储服务数据中心系统集成应用基础设施基础组件服务软件服务基础软件中间件智能信息处理物联网应用基础设计服务业物联网软件开发与应用集成服务业M2M信息通信服务行业专网信息通信服务其他信息通信服务物联网网络服务业行业服务公共服务支持性服务物联网应用服务业物联网服务业网络通信设备计算机相关设备传感器产业RFID产业智能仪器仪表产业集成电路嵌入式系统微纳器件新材料微能源其他支撑产业物联网设备与终端制造业物联网感知制造产业物联网基础支持产业物联网制造业物联网的产业体系物联网的产业体系示意图物联网制造业感知端设备制造业传感器产业RFID产业智能仪器仪表产业物联网服务业物联网产业物联网网络服务业物联网应用基础设施服务业物联网软件开发与应用集成服务业物联网应用服务业机器对机器通信服务行业专网通信服务其他网络通信服务云计算服务存储服务基础软件服务中间件服务应用软件服务智能信息处理服务系统集成服务行业服务公共服务支持性服务物联网的产业体系物联网的产业分类一是因物联网应用对已有产业的提升，主要体现在产品的升级换代二是因物联网应用对已有产业的横向市场拓展，主要体现在领域延伸和量的扩张三是由于物联网应用创造和衍生出的独特市场和服务物联网核心产业物联网支撑产业物联网关联产业从整体上划分从关键程度划分物联网产业绝大部分属于信息产业，但也涉及其他产业，如智能电表等。物联网产业的发展不是对已有信息产业的重新统计划分，而是通过应用带动形成新市场、新业态。物联网的产业体系物联网产业的发展趋势未来，全球物联网产业总的发展趋势是规模化、协同化和智能化。同时以物联网应用带动物联网产业将是全球各国的主要发展方向。01随着世界各国对物联网技术、标准和应用的不断推进，物联网在各行业领域中的规模将逐步扩大，尤其是一些政府推动的国家性项目将吸引大批有实力的企业进入物联网领域，大大推动物联网应用进程，为扩大物联网产业规模产生巨大作用规模化发展02随着产业和标准的不断完善，物联网将朝着协同化方向发展，形成不同物体间、企业间、行业乃至不同地区或国家间物联网信息的互联互通互操作，应用模式从闭环走向融合，最终形成可服务于不同行业和领域的全球化物联网应用体系。协同化发展03物联网将从目前简单的物体识别和信息采集，走向真正意义上的物联网，实时感知、网络交互和应用平台可控可用，实现信息在真实世界和虚拟空间之间的智能化流动。智能化发展物联网的产业体系物联网产业情况总结物联网仍处于起步阶段，物联网产业支撑力度不足，行业需求需要引导，距离成熟应用还需要多年的培育和扶持，发展还需要各国政府通过政策加以引导和扶持。因此，未来几年各国将结合本国优势、优先发展重点行业应用以带动物联网产业。我国确定的重点发展物联网应用的行业领域包括电力、交通、物流等战略性基础设施，以及能够大幅度促进经济发展的重点领域。物联网体系架构06物联网的资源体系物联网的资源体系物联网发展中的关键资源标识资源频谱资源物联网发展中的关键资源主要包括标识资源和频谱资源。标识资源：目前，物联网物体标识方面标准众多，很不统一。条码标识方面有PDF417，QR码等，智能物体标识方面有IEEE1451.2以及IEEE1451.4。手机标识方面手机电子序列编码等……实现各种物体标识最大程度的兼容，建立统一的物体标识体系逐渐成为一种发展趋势，欧美、日韩等都在展开积极研究。频谱资源：物联网的发展离不开无线通信技术，因此频谱资源作为无线通信的关键资源，同样是物联网发展的重要基础资源。对频谱检测技术的研究、对提高空闲频谱频率利用率的方法研究、物联网频谱资源管理方式等方面将是物联网频谱资源研究的关键所在。物联网体系架构07物联网的参考体系架构发展趋势未来的物联网参考体系架构会是什么样子呢？编者认为物联网参考体系架构IP化是一种必然的趋势。为什么智能物件要采用IP协议呢?因为IP技术能够解决物联网面对的可发展性、大规模性、应用多样性、互通性、低功耗、低成本等诸多挑战。下面从这几个方面进行说明物联网参考体系架构IP化趋势的必然性。物联网的参考体系架构发展趋势IP对物联网的重