物联网技术与应用体系架构.ppt
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1、,物联网体系架构,2.1.1 物联网应用前景,物联网是近年来的热点,人人都在提物联网,但物联网到底是什么?究竟能做什么?本节将对几种与普通用户关系紧密的物联网应用进行介绍。应用场景一:当你早上拿车钥匙出门上班,在电脑旁待命的感应器检测到之后就会通过互联网络自动发起一系列事件,比如通过短信或者喇叭自动播报今天的天气,在电脑上显示快捷通畅的开车路径并估算路上所花时间,同时通过短信或者即时聊天工具告知你的同事你将马上到达等。应用场景二:联网冰箱也将是最常见的物联网物品之一。想象一下,联网冰箱可以监视冰箱里的食物,在我们去超市的时候,家里的冰箱会告诉我们缺少些什么,也会告诉我们食物什么时候过期。它还可
2、以跟踪常用的美食网站,为收集食谱并在你的购物单里添加配料。这种冰箱知道你喜欢吃什么东西,依据的是你给每顿饭做出的评分。它可以照顾你的身体,因为它知道什么食物对你有好处。,2.1.1 物联网应用前景,右图形象地表示了物联网在我们日常生活中的应用。图中只是物联网应用的很小一部分,实际的物联网应用更加丰富多彩,还有待于人们不断地开发实现。目前已经有不少物联网范畴的应用,譬已经投入试点运营的高速公路不停车收费系统(ETC),基于 RFID 的手机钱包付费应用等。等各类感知节点遍布中国之后,即使坐在家中,你也能感知黄果树瀑布流速和水量的大小;通过物联网,能了解到你中意的楼盘的噪声情况、甲醛是否超标,等等
3、,生活方式会有很多意想不到的改变。不仅是大家的日常生活,物联网的应用遍及智能交通、公共安全等多个领域,必将拥有巨大市场。,2.1.2 物联网需求分析,物联网的本质就是物理世界和数字世界的融合。物联网是为了打破地域限制,实现物物之间按需进行的信息获取、传递、存储、融合、使用等服务的网络。因此,物联网应该具备如下 3 个能力。(1)全面感知:利用 RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息,包括用户位置、周边环境、个体喜好、身体状况、情绪、环境温度、湿度,以及用户业务感受、网络状态等。(2)可靠传递:通过各种网络融合、业务融合、终端融合、运营管理融合,将物体的信息实时准确地传递出去。(3)智
4、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,对物体进行实时智能化控制。,2.1.3 物联网体系架构,物联网的特征在于感知、互联和智能的叠加。因此,物联网由三个部分组成:感知部分,即以二维码、RFID、传感器为主,实现对“物”的识别;传输网络,即通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现数据的传输;智能处理,即利用云计算、数据挖掘、中间件等技术实现对物品的自动控制与智能管理等。目前在业界物联网体系架构也大致被公认为有这三个层次,底层是用来感知数据的感知层,第二层是数据传输的网络层,最上面则是内容应用层,如下图所示。所以,下面将分别从三个层次进行介绍。,2.1.
5、3 物联网体系架构,2.1.3 物联网体系架构,在物联网体系架构中,可以这样理解:感知层相当于人体的皮肤和五官;网络层相当于人体的神经中枢和大脑;应用层相当于人的社会分工。感知层是物联网的皮肤和五官识别物体,采集信息。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等,作用是识别物体,采集信息。网络层是物联网的神经中枢和大脑信息传递和处理。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心和信息处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理。应用层是物联网的“社会分工”与行业需求结合,实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合,与行业需求结合,实现行业智能化,这类
6、似于人的社会分工,最终构成人类社会。,2.2 感知层,物联网与传统网络的主要区别在于,物联网扩大了传统网络的通信范围,即物联网不仅仅局限于人与人之间的通信,还扩展到人与物、物与物之间的通信。在物联网具体实现过程中,如何完成对物的感知这一关键环节?物联网感知层解决的就是人类世界和物理世界的数据获取问题,包括各类物理量、标识、音频、视频数据。感知层处于三层架构的最底层,是物联网发展和应用的基础,具有物联网全面感知的核心能力。作为物联网的最基本一层,感知层具有十分重要的作用。感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分,即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据,通过蓝牙、红外、ZigBe
7、e、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术进行协同工作或者传递数据到网关设备。也可以只有数据的短距离传输这一部分,特别是在仅传递物品的识别码的情况下。,2.2 感知层,感知层关键技术:传感器技术 物品标识技术:RFID技术 二维码技术短距离无线传输技术:Zigbee 蓝牙(Bluetooth),2.2 感知层-传感器技术,传感器是一种检测装置,能感受到被测的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。物联网系统中,对各种参量进行信息采集和简单加工处理的设备,被称为物联
8、网传感器。传感器可以独立存在,也可以与其他设备以一体方式呈现,但无论哪种方式,它都是物联网中的感知和输入部分。在未来的物联网中,传感器及其组成的传感器网络将在数据采集前端发挥重要的作用。按是否具有信息处理功能来分,传感器可分为一般传感器和智能传感器。一般传感器采集的信息需要计算机进行处理;智能传感器带有微处理器,本身具有采集、处理、交换信息的能力,具备数据精度高、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高分辨力、强自适应性、高性价比等特点。,2.2 感知层-RFID技术,RFID 是射频识别(Radio Frequency Identification)的英文缩写,是 20 世纪 90 年代开始兴起的一
9、种自动识别技术,它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通所传递的信息实现物体识别。RFID 系统主要由三部分组成:电子标签(Tag)、读写器(Reader)和天线(Antenna)。其中,电子标签芯片具有数据存储区,用于存储待识别物品的标识信息;读写器是将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中(写入功能),或在读写器的阅读范围内以无接触的方式将电子标签内保存的信息读取出来(读出功能);天线用于发射和接收射频信号,往往内置在电子标签和读写器中。RFID 技术的工作原理是:电子标签进入读写器产生的磁场后,读写器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产
10、品信息(无源标签或被动标签),或者主动发送某一频率的信号(有源标签或主动标签);读写器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。广泛的应用领域:物流和供应链管理、门禁安防系统、道路自动收费、航空行李处理、文档追踪/图书馆管理、电子支付、生产制造和装配、物品监视、汽车监控、动物身份标识等,2.2 感知层-二维码技术,二维码(2-dimensional bar code)也叫二维条码或二维条形码,是用某种特定的几何形体按一定规律在平面上分布(黑白相间)的图形来记录信息的应用技术。从技术原理来看,二维码在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”和“1”比特流的概念,使用若干与二进
11、制相对应的几何形体来表示数值信息,并通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息的自动处理。,2.2 感知层,二维码的特点归纳如下:(1)高密度编码,信息容量大:可容纳多达 1850 个大写字母或节或 500 多个汉字,比普通条码信息容量约高几十倍。(2)编码范围广:二维码可以把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码,并用条码表示。(3)容错能力强,具有纠错功能:二维码因穿孔、污损等引起局部损坏时,甚至损坏面积达 50%时,仍可以正确得到识读。(4)译码可靠性高:比普通条码译码错误率百万分之二要低得多,误码率不超过千万分之一。(5)可引入加密措施:保密性、防伪性好。(6)成
12、本低,易制作,持久耐用。(7)条码符号形状、尺寸大小比例可变。(8)二维码可以使用激光或 CCD 摄像设备识读,十分方便。与 RFID 相比,二维码最大的优势在于成本较低,一条二维码的成本仅为几分钱,而 RFID标签因其芯片成本较高,制造工艺复杂,价格较高。,2.2 感知层-Zigbee,ZigBee 是一种短距离、低功耗的无线传输技术,是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术,它是 IEEE 802.15.4 协议的代名词。ZigBee 的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,即蜜蜂靠飞翔和“嗡嗡”(Zig)地抖动翅膀与同伴传递新发现的食物源的位置、距离和方向等信息,也就是说蜜蜂依靠这
13、样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee 采用分组交换和跳频技术,并且可使用 3 个频段,分别是 2.4GHz 的公共通用频段、欧洲的 868MHz 频段和美国的 915MHz 频段。ZigBee 主要应用在短距离范围并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。与蓝牙相比,ZigBee 更简单、速率更慢、功率及费用也更低。同时,由于 ZigBee 技术的低速率和通信范围较小的特点,也决定了 ZigBee 技术只适合于承载数据流量较小的业务。其目标市场主要有 PC 外设(鼠标、键盘、游戏操控杆)、消费类电子设备(电视机、CD、VCD、DVD 等设备上的遥控装置)、家庭内智能控制(照明、煤气计量控
14、制及报警等)、玩具(电子宠物)、医护(监视器和传感器)、工控(监视器、传感器和自动控制设备)等非常广阔的领域。,2.2 感知层,ZigBee 技术主要包括以下特点。(1)数据传输速率低。只有 10250kbit/s,专注于低传输应用。(2)低功耗。ZigBee 设备只有激活和睡眠两种状态,而且 ZigBee 网络中通信循环次数非常少,工作周期很短,所以一般来说两节普通 5 号干电池可使用 6 个月以上。(3)成本低。因为 ZigBee 数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本。(4)网络容量大。ZigBee 支持星形、簇形和网状网络结构,每个 ZigBee 网络最多可支持 255 个设备,
15、也就是说每个 ZigBee 设备可以与另外 254 台设备相连接。(5)有效范围小。有效传输距离 1075m,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。(6)工作频段灵活。使用的频段分别为 2.4GHz、868MHz(欧洲)及 915MHz(美国),均为免执照频段。(7)可靠性高。采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免 了发送数据时的竞争和冲突;节点模块之 间具有自动动态组网的功能,信息在整 个ZigBee 网络中通过自动路由的方式进行传输,从而保证了信息传输的可靠性。(8)时延短。ZigBee 针对时延敏感的应用做
16、了优化,通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。(9)安全性高。ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴定功能,采用 AES-128 加密算法,同时根据具体应用可以灵活确定其安全属性。,2.2 感知层-蓝牙,蓝牙(Bluetooth)是一种无线数据与话音通信的开放性全球规范,和 ZigBee 一样,也是一种短距离的无线传输技术。其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的短距离无线接口,将通信技术与计算机技术进一步结合起来,是各种设备在无电线或电缆相互连接的情况下,能在短距离范围内实现相互通信或操作的一种技术。蓝牙采用高速跳频(Frequency Hopping)和时分多址(Time
17、 Division Multiple Access,TDMA)等先进技术,支持点对点及点对多点通信。其传输频段为全球公共通用的 2.4GHz 频段,能提供1Mbit/s 的传输速率和 10m 的传输距离,并采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙除具有和 ZigBee 一样,可以全球范围适用、功耗低、成本低、抗干扰能力强等特点外,还有许多它自己的特点。(1)同时可传输话音和数据。蓝牙采用电路交换和分组交换技术,支持异步数据信道、三路话音信道以及异步数据与同步话音同时传输的信道。(2)可以建立临时性的对等连接(Ad hoc Connection)。(3)开放的接口标准。为了推广蓝牙技术的使用,蓝
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