第8章物联网规划设计与构建27

物联网技术第8章物联网规划设计与构建《物联网技术》课件第8章物联网规划设计与建设2019年8月2日电子工业出版社刘化君刘传清编著《物联网技术》教材配套课件8物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日8.1物联网设计基础8.1.1物联网规划设计的原则8.1.2物联网规划设计的步骤8.2物联网的构建8.2.1物联网应用系统规划8.2.2物联网应用系统设计8.2.3物联网系统集成8.3物联网应用系统设计示例8.3.1智能家居物联网系统应用示例8.3.2工业智能控制系统应用示例8.4传感网的广域互联8.4.1传感网广域互联的方式8.4.2基于IPv6的互联接入第8章物联网规划设计与构建物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日8.1物联网设计基础由物联网的英文名InternetofThings可知，物联网就是物物互联的信息网络。这样表述有两层含义：一是物联网的核心承载网络是互联网；二是物联网的客户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，并能进行数据交换和通信。这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：①有相应信息的接收器和发送器；②要有数据传输通路；③有一定的存储功能；④有CPU；⑤有操作系统；⑥有专门的应用程序；⑦遵循物联网的通信协议；⑧在网络中有可被识别的惟一编号。物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日8.1.1物联网规划设计的原则1.实用性和先进性原则2.安全性原则3.标准化、开放性和可扩展性原则4.可靠性与可用性原则物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日8.1.2物联网规划设计的步骤1.用户需求调查与分析2.网络系统初步设计3．物联网系统详细设计4．物联网系统详细设计5．系统测试和试运行物联网技术第8章物联网规划设计与构建8.2物联网的构建2019年8月2日目前看来，可以把物联网看作是以电子标签、传感器等感知设施和EPC码为基础，建立在计算机互联网基础上的物物相联网络，传感网是其最复杂的一个组成部分。一个应用系统可能有几个到几万、上百万不等的感知节点，应用环境除了室内外，还包括在不同温度、湿度、电磁干扰下的户外环境，因此，末梢感知节点采集控制设备、接入层技术是物联网的关键和难点。物联网技术第8章物联网规划设计与构建8.2.1物联网应用系统规划2019年8月2日物联网技术和产业的发展将引发新一轮信息技术革命和产业革命，是信息产业领域未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力。随着信息采集与智能计算技术的迅速发展和互联网与移动通信网的广泛应用，大规模发展物联网及相关产业的时机日趋成熟，我国早在十多年前就开始了物联网相关领域的研究，技术和标准与国际基本同步。现阶段，其应用主要为传感网，可在以下各领域构建物联网系统。物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日1.经济领域的物联网系统经济领域物联网系统主要是以提高生产效率、改善管理和节能减排为目的应用系统，包括智能工业、智能农业、智能物流和智能电网等。（1）智能工业1）工业智能控制系统。2）智能装备产品。（2）智能农业1）数字大棚物联网系统推广平台。2）农业服务、管理和远程监测平台。（3）智能物流1）危险品运输车辆智能调度及监控系统。2）集装箱智能物流调度系统及平台。3）食品及药品追溯系统。（4）智能电网1）电网电力设施智能监测网络及平台2）智能化远程抄表系统及网络。物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日2.公共管理领域的物联网系统公共管理领域物联网主要是以提高公共管理水平为目的应用系统，这可围绕市政基础设施建设管理、重大突发事件响应、重点区域环境监测等，建设城市智能交通、智能公共安全、智能环保和智能灾害防控等物联网系统。（1）城市智能交通1）交通流量与违规监测网络及平台。2）智能停车系统。（2）智能公共安全1）城市公共安全平台2）重要基础设施安全防护平台。（3）智能环保1）水环境监测物联网系统及预警平台。2）生态城市大气环境智能监测平台。3）重点排污企业智能化远程监控平台.（4）智能灾害防控1）水文智能监测及洪灾预警平台。2）气象灾害监测和预警系统。3）地质灾害监测预警与防控系统。物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日3.公众服务领域的物联网系统公众服务领域物联网主要以提高人民生活水平为目的构建应用系统，可以物联网与TD—SCDMA等3G网络融合应用为突破口，建设譬如智能医护、智能家居等应用系统。（1）智能医护1）个人健康实时服务平台。通过建设个人实时健康监测和服务平台，提升对老年市民、离退休干部等实时医疗医护服务水平。2）智能重症监护病房平台。通过建设重症监护病房智能系统，对病人生理参数进行实时监测和分析，能够降低医疗费用，提高卫生资源的使用效益。（2）智能家居1）智能小区：在住宅小区引入物联网技术，建设联入城市公共安全平台的小区安防系统以及基于通信网络的家庭环境监控、智能安防系统、电子支付等智能控制平台，可实现小区、家居智能化。2）基于物联网的节能建筑：在政府机关、科研院校和商业区写字楼铺设物联网，实时收集水、电等资源使用信息，根据人员活动情况自动调节空调、电灯和水源等，达到节能减排的目的。物联网技术第8章物联网规划设计与构建8.2.2物联网应用系统设计2019年8月2日对于近距离无线通信，IEEE802.15委员会制订了3种不同的无线个人局域网(WPAN)标准。其中，IEEE802.15.3标准是高速率的WPAN标准，适合于多媒体应用，有较高的网络服务质量（QoS）保证；IEEE802.15.1标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于蜂窝电话和PDA等的通信，其QoS机制适合于话音业务。IEEE802.15.4标准和ZigBee技术完全融合，专为低速率、低功耗的无线互联应用而设计，对数据速率和QoS的要求不高。目前，对于小范围内的物品、设备联网，ZigBee技术以其复杂度低、功耗低、数据速率低及成本低等特点在传感网应用系统中引起了越来越多的关注；尤其在控制系统中，ZigBee自组网技术已经成为传感网的核心技术。物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日1.基于ZigBee技术的传感网2.在消费性电子设备中嵌入ZigBee芯片后，可实现信息家用电器设备的无线互联。譬如，利用ZigBee技术可较容易地实现相机或者摄像机的自拍、窗户远距离开关控制、室内照明系统的遥控，以及窗帘的自动调整等。尤其是当在手机或者PDA中嵌入ZigBee芯片后，可以用来控制电视开关、调节空调温度及开启微波炉等。基于ZigBee技术的个人身份卡能够代替家居和办公室的门禁卡，记录所有进出大门的个人信息，若附加个人电子指纹技术后，可实现更加安全的门禁系统。嵌入ZigBee芯片的信用卡可以较方便地实现无线提款和移动购物，商品的详细信息也能通过ZigBee向用户广播。把ZigBee技术与传感器结合起来，就可形成传感网。一般，传感网由感知节点、汇聚（Sink）节点、网关节点三种节点构成。感知节点、汇聚节点完成数据采集和多跳中继传输。网关节点具有双重功能，一是充当网络协调器，负责网络的自动建立和维护、数据汇聚；二是作为监测网络与监控中心的接口，实现接入互联网、局域网，与监控中心交换传递数据。基于ZigBee技术的传感网由应用层、网络层、介质接入控制层和物理层组成。物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日2.传感网软硬件系统设计监测区域感知节点监控中心GPRS网络互联网网关DABC汇聚节点图8-1传感网系统组成示意图（1）基于ZigBee技术的传感网的组成对于基于ZigBee技术的传感网，不同的具体应用，传感网节点的组成有所不同。通常，就一项具体应用而言，感知节点、感知对象和观察者是传感网的3个基本要素。一个传感网系统组成示意图如图8-1所示。物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日（2）网络节点的硬件设计1）感知节点硬件结构。基于ZigBee技术的感知节点硬件结构框图如8-2所示。由该图可以看出，感知节点主要由传感器模块和无线发送/接收模块组成。在实际应用中，譬如对温度和湿度测量的模拟信号需要经过一个多路选择通道控制，依次送入微处理器后由微处理器进行校正编码，然后传送到基于ZigBee技术的收发端。无线发送接收模块传感器多通道路由选择ZigBee射频芯片传感器传感器模块图8-2感知节点硬件结构框图物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日2）网关节点硬件结构。GPRS网络光传感节点GPRS模块ZigBee射频芯片温度传感节点路由节点远程计算机图8-3网关节点硬件结构框图物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日（3）软件设计ZigBee网络属于无线自组网络，有全功能节点(FFD)和半功能节点(RFD)两种设备类型。RFD一般作为终端感知节点，FFD可以作为协调器或路由汇聚节点。因此，软件设计包括RFD程序和FFD程序两部分，且均包括初始化程序、发射程序和接收程序、协议栈配置、组网方式配置程序以及各处理层设置程序。初始化程序主要是对CC2430、USAR串口、协议栈、LCD等进行初始化；发射程序将所采集的数据通过CC2430调制并通过DMA直接送至射频输出；接收程序完成数据的接收并进行显示、远传及返回信息处理；PHY、MAC、应用层、网络层程序设置数据的底层、上层的处理和传输方式。物联网技术第8章物联网规划设计与构建8.2.3物联网系统集成2019年8月2日系统的意思是“体系、制度、体制、秩序、规律和方法”。集成的意思是“成为整体、组合、综合及一体化”，它表示了将单个元件组装成一台或一种结构的过程。例如将大量的晶体管组装成一个“集成”电路。集成也表示有某种规则的相互作用形式而联结的部件组合体，即有组织的整体。例如，将软件的多个功能模块组合成“一体化”系统，使整体系统从一个程序到另一个程序能共享命令和数据流。集成以有机结合、协调工作、提高效率、创造效益为目的，将各个部分组合成具有全新功能、高效和统一的有机整体。物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日1.物联网系统集成的目的物联网系统集成的主要目的就是用硬件设备和软件系统将网络各部分连接起来，不仅实现网络的物理连接，还要求能实现用户的相应应用需求，也就是应用方案。因此，物联网系统集成不仅涉及到技术，也涉及到企业管理、工程技术等方面的内容。目前，物联网系统集成技术可划分为两个域：一个是接口域，即路由网关，另一个是物联网的服务域。服务域的作用主要是为路由网关提供一个统一访问物联网的界面，简化两者的集成难度，更重要的是，通过服务界面能有效控制和提高物联网的服务质量，保证两者集成后的可用性。物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日2.物联网系统集成技术物联网系统集成技术包括两个方面：一是应用优化技术；二是多物联网应用系统的中间件平台技术。应用优化技术主要是面向具体应用，进行功能集成、网络集成、软硬件操作界面集成，以优化应用解决方案。多物联网应用的中间件平台技术主要是针对物联网不同应用需求和共性底层平台软件的特点，研究、设计系列中间件产品及标准，以满足物联网在混合组网、异构环境下的高效运行，形成完整的物联网软件系统架构。物联网技术第8章物联网规划设计与构建2019年8月2日3.物联网系统集成的主要内容（1）物联网软硬件产品、技术集成物联网软硬件集成不仅是各种网络软硬件产品的组合，更是一种产品与技术的融合。无论是传感器还是感知节点的元器件，无论是控制器还是自动化软件，本身都需要进行单元的集成，能上的融合，而执行机构、传感单元和控制系统之间的更高层次的集成，则需要先进适用、开放稳定的工业通信段来实现。（2）物联网应用服务集成从应用角度看，物联网是一种与实际环境交互的网络，能够通过安装在微小感知节点上的各种传感器、标签等从真实环境中获取相关数据，然后通过自组织的无线传感网将数据传送到计算能力更强的通用计算机互联网上进行处理。物联网应用服务集成就是指在物联网基础应用平台上，应用系统开发商