物联网体系结构及其信息技术

物联网武奇生第二章物联网体系结构及其信息技术本章内容：物联网的体系结构支持物联网发展的技术现代网络通信与物联网无线通信3G与物联网的发展集成电路：物联网的基石根据功能物联网技术可以分为三类：1）感知技术：通过多种传感器、RFID、二维码、定位、地理识别系统、多媒体信息等数据采集技术，实现外部世界信息的感知和识别；2）网络技术：通过广泛的互联功能，实现感知信息高可靠性、高安全性进行传送，包括各种有线和无线传输技术、交换技术、组网技术、网关技术等；3）应用技术：通过应用中间件提供跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同及共享和互通的功能，包括数据存储、并行计算、数据挖掘、平台服务、信息呈现、服务体系架构、软件和算法技术等。在这些技术中，目前存在着三个比较重要的体系，第一个是RFID体系，除了RFID技术外还包括条码和二维码等；第二个是传感网体系：第三个体系是M2M技术，M2M是重在强调广域网络传输的技术。2.1物联网的体系结构在物联网上，通过对所有身边的实际事物安装智能芯片，利用射频自动识别(RFID)技术，让物品能“开口说话”，告知其它人或物有关的静态、动态信息。RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，RFID标签技术在第三章中介绍。再通过光电式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等传感装置，借助有线、无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。2.1.1物联网的工作原理2.1.2物联网的体系结构物联网应该具备三个特征：一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时地获取物体的信息；二是可传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化地控制。1.物联网的体系结构物联网大致被认为有三个层次感知层网络层应用层智能检索传感器网关智能家居移动通信网络智能交通远程医疗污染监控信息中心网管中心互联网云计算平台智能终端传感器节点RFID标签接入网关RFID感应器应用层网络层感知层物流监控图2-1物联网体系结构普世化支撑服务应用体系信息的处理与应用政府应用类示范系统社会应用类示范系统行业企业应用类示范系统物联网信息共享交互平台云计算平台高性能计算平台应用资源共享服务平台…………共性支撑平台融合化网络通信基础设施信息传输地址管理系统标识管理系统互联网泛在化末端感知网络信息感知无线传感器网络无线传感器节点RFID读写器RFID结点机器人控制系统RFID应用系统智能机器人系统图2-2物联网的体系结构2.物联网技术体系结构物联网的体系结构可以分为三个层次：（1）泛在化末端感知网络（对应感知层）：泛在化末端感知网络的主要任务是信息感知。（2）融合化网络通信基础设施（对应网络层）：融合化网络通信基础设施的主要功能是实现物联网的数据传输。目前能够用于物联网的通信网络主要有互联网、无线通信网与卫星通信网、有线电视网。（3）普适化应用服务支撑体系（对应应用层）：普适化应用服务支撑体系的主要功能是物联网的数据处理与应用。应用技术支撑技术传输技术感知技术物联网信息共享交互平台物联网数据储存平台行业物联网应用系统……云计算与高性能计算平台智能技术数据库与数据挖掘技术GIS/GPS技术通信技术微电子技术互联网地面无线通信系统卫星通信系统……RFID传感器网络机器人智能感知技术遥感遥测IC卡与条形码……图2-3物联网技术体系结构示意图支持物联网的技术：（1）感知技术。能够用于物联网底层感知信息的技术，它包括RFID与RFID读写技术、传感器与传感器网络、机器人智能感知技术、遥测遥感技术以及IC卡与条形码技术等。（2）传输技术。能够汇聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术，它包括互联网技术、地面无线传输技术以及卫星通信技术等。（3）支撑技术。用于物联网数据处理和利用的技术，它包括云计算与高性能计算技术、智能技术、数据库与数据挖掘技术、GIS/GPS技术、通信技术以及微电子技术等。（4）应用技术。用于直接支持物联网应用系统运行的技术，它包括物联网信息共享交互平台技术、物联网数据存储技术以及各种行业物联网应用系统。2.1.3物联网的工作步骤一般来讲，物联网的开展步骤主要如下：(1)对物体属性进行标识，属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测。(2)需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式。(3)将物体的信息通过网络传输到信息处理中心(处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的，如中国移动的IDC)，由处理中心完成物体通信的相关计算。2.2支持物联网发展的技术RFID和传感器具有不同的技术特点，传感器可以监测感应到各种信息，但缺乏对物品的标识能力，而RFID技术恰恰具有强大的标识物品能力。尽管RFID也经常被描述成一种基于标签的，并用于识别目标的传感器，但RFID读写器不能实时感应当前环境的改变，其读写范围受到读写器与标签之间距离的影响。因此提高RFID系统的感应能力，扩大RFID系统的覆盖能力是亟待解决的问题。而传感器网络较长的有效距离将拓展RFID技术的应用范围。传感器、传感器网络和RFID技术都是物联网技术的重要组成部分，它们的相互融合和系统集成将极大地推动物联网的应用。2.2.1RFID技术2.2.2无线传感器网络传感器网络(SensorNetwork)的概念最早由美国军方提出，起源于1978年美国国防部高级研究计划局(DARPA)开始资助卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究项目，当时此概念局限于由若干具有无线通信能力的传感器节点自组织构成的网络。2008年2月，ITU-T发表了《泛在传感器网络(UbiquitousSensorNetworks)》研究报告。在报告中，ITU-T指出传感器网络已经向泛在传感器网络的方向发展，它是由智能传感器节点组成的网络，可以以“任何地点、任何时间、任何人、任何物”的形式被部署。RFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合：物联网架构下RFID与WSN的融合；传感器网络架构下RFID与WSN的融合，该架构下的融合又分为智能基站、智能节点、智能传感标签三种情况。Savant系统数据压缩提取基站读写器广义读写器标签射频物联网架构下RFID与WSN的融合服务器智能基站天线天线天线标签传感器节点图2-5智能基站服务器基站标签智能节点图2-6智能节点服务器基站智能传感标签图2-7智能传感标签带网关的网格路由器基站PDA传感器Internet带网关的网格路由器带网关的网格路由器带网关/网桥的网格路由器带网关/网桥的网格路由器带网关的网格路由器带网关的网格路由器接点有线客户端无线客户端基站Sink节点Wi-Fi网络蜂窝网络WiMAX网络图2-8WSN与其他无线通信技术的融合2.2.3纳米技术纳米技术是研究尺寸在0.1～100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用及可能的实际应用中的技术问题的科学，主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米科学的理论基础，而纳米电子学是纳米科学最重要的内容，纳米电子技术也是纳米技术的核心。2.2.4感知技术1.红外感应技术红外传感器是一种能探测红外线的器件，能把红外辐射量变化转换成电量变化，按其工作原理可分为热电型和光电型红外传感器。(1)热电红外传感器是利用红外辐射的热效应制成的，采用热敏元件，其工作原理是：当红外线照射热敏检测元件时，检测元件的表面温度将发生变化，将其表面所出现的电荷作为电信号，对红外线进行检测。热电型红外线光敏元件的材料较多，其中以陶瓷氧化物及压电晶体用得最多，如。(2)光电红外传感器是利用红外辐射的光电效应制成的，采用光电元件，其响应时间比热电红外传感器短得多。3PbTiO热释电红外传感器热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。悬浮电荷热平衡条件T温度变化造成极化T+T温度变化极化热能图2-9热释电效应的形成原理热释电红外传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷△Q，即在两电极之间产生微弱电压。由于它的输出阻抗极高，所以，传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷△Q会跟空气中的离子结合而消失，当环境温度稳定不变时，，传感器无输出。TV0T图2-10热释电红外传感器的结构及内部电路菲涅耳透镜它是根据菲涅耳原理制成的，把红外光线分成可见区和盲区。菲涅耳透镜有折射式和反射式两种形式，其作用为：一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样，PIR就能产生变化电信号。图2-11菲涅耳透镜2.全球定位技术GPS的组成：（1）空间部分——GPS星座；（2）地面控制部分——地面监控系统；（3）用户设备部分——GPS信号接收机。GPS定位原理假设时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间，再加上接收机所接收到的卫星星历等其他数据可以确定以下4个方程式：tt)4,3,2,1()(])()()[(2/1222ittctczzyyxxriAiuiiiii式中，待测点坐标、、和为未知参数；（=1，2，3，4）分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4到接收机之间的距离（伪距）；为GPS信号的传播速度（即光光速）。4个方程式中各个参数意义如下：、和为待测点坐标的空间直角坐标；、和（=1，2，3，4）分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4在时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得；（=1，2，3，4）分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供；是传播延时误差，用双频测量法校正。由以上4个方程即可解算出待测点的坐标、、和接收机的钟差。yiyiziiAitutxyzutirciyixxyzxyziit111(,,)xyz222(,,)xyz333(,,)xyz444(,,)xyz(,,)xyzXZY卫星1卫星2卫星3卫星4图2-12GPS定位原理GPS的特点（1）全球覆盖。由于其24颗卫星均匀分布，形成同时覆盖全球的卫星网，由于卫星距地面越高，可见的地球表面或卫星的覆盖区域就越大，借助地球的自转可使地球上任何地方至少同时看到6~11颗卫星。（2）全天候。（3）高精度。P码定位精度为水平方向20~40m，垂直方向45m，测速0.2m/s，测时精度0.2。C/A码定位精度为水平方向l00m，垂直方向156m，测速0.3m/s，测时精度340ns。（4）多用途。广泛用于陆、海、空、各类军民载体的导航定位、精密测量和授时服务。3.遥感技术定义：遥感起源于20世纪60年代，其特征是不直接接触被研究的目标，感测目标的特征信息（一般是电磁波的反射、辐射和发射辐射），经过传输、处理，从中提取人们感兴趣的信息，这个过程叫遥感。遥感技术则是实现这种过程所采取的各种技术手段的总称，包括摄影、陆地、航空、航天摄影测量等技术。分类：遥感技术依其波谱性质，可分为电磁波遥感技术、声学遥感技术和物理场遥感技术