物联网导论-物联网体系结构概述

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,桂小林,#,桂小林,1,1,物联网技术概论,（课程第,2,章）,桂小林2,AR2,物,物联,网,网的模,型,型,最少学,时,时：3学时,知识点,：,：,功能模,型,型,层次模,型,型,拓扑结,构,构,学习目,标,标：,熟悉物,联,联网的,功,功能模,型,型,熟悉物,联,联网的,层,层次模,型,型,理解功,能,能模型,与,与层次,模,模型之,间,间的关,系,系,连接物,联,联网常,用,用网络,拓,拓扑结,构,构,桂小林3,第二章,物,物联,网,网体系,结,结构,桂小林4,本章内,容,容,2.1,物,物联,网,网体系,结,结构概,述,述,2.2,物,物联,网,网体系,结,结构的,基,基本组,成,成,2.3,物,物联,网,网关键,技,技术,2.4,已,已有,物,物联网,相,相关应,用,用架构,桂小林5,2.1,物,物联,网,网体系,结,结构概,述,述,认识任,何,何事物,都,都要有,一,一个从,整,整体到,局,局部的,过,过程，,尤,尤其对,于,于结构,复,复杂、,功,功能多,样,样的系,统,统。首,先,先需要,对,对它的,整,整体结,构,构有所,了,了解，,然,然后才,能,能进一,步,步的去,讨,讨论其,中,中的细,节,节。,体系架,构,构是指导,具,具体系,统,统设计,的,的首要,前,前提。,物,物联网,应,应用广,泛,泛，系,统,统规划,和,和设计,极,极易因,角,角度的,不,不同而,产,产生不,同,同的结,果,果，因,此,此急需,建,建立一,个,个具有,框,框架支,撑,撑作用,的,的体系,架,架构。,另,另外，,随,随着应,用,用需求,的,的不断,发,发展，,各,各种新,技,技术将,逐,逐渐纳,入,入物联,网,网体系,中,中，体,系,系架构,的,的设计,也,也将决,定,定物联,网,网的技,术,术细节,、,、应用,模,模式和,发,发展趋,势,势。,桂小林6,如图2-1所示，,在,在物联,网,网中，,任,任何人,和,和物之,间,间都可,以,以在任,何,何时间,、,、任何,地,地点实,现,现与任,何,何网络,的,的无缝,融,融合，,它,它实现,了,了物理,世,世界的,情,情景（context）感知、,处,处理和,控,控制这,一,一闭环,过,过程真,正,正意义,上,上形成,了,了人-物、人-人、物-物间信,息,息连接,的,的新一,代,代智能,互,互联网,络,络。,桂小林7,物联网,的,的最终,目,目的是,建,建立一,个,个满足,人,人们生,产,产、生,活,活以及,对,对资源,、,、信息,更,更高需,求,求的综,合,合平台,，,，管理,跨,跨组织,、,、跨管,理,理域的,各,各种资,源,源和异,构,构设备,，,，为上,层,层应用,提,提供全,面,面的资,源,源共享,接,接口，,实,实现分,布,布式资,源,源的有,效,效集成,，,，提供,各,各种数,据,据的智,能,能计算,、,、信息,的,的及时,共,共享，,决,决策的,辅,辅助分,析,析等。,物联网,是,是在传,感,感网、,互,互联网,的,的基础,上,上发展,起,起来的,桂小林8,物联网,可,可以抽,象,象划分,成,成广泛,分,分布的,感,感知设,备,备、物,联,联网中,间,间件、,上,上层应,用,用三个,层,层次，,如,如图2-2所示,中间件,（,（Middleware）是位,于,于感知,设,设备和,应,应用之,间,间的通,用,用服务,，,，这些,服,服务具,有,有标准,的,的程序,接,接口和,协,协议，,即,即中间,件,件=平台+通信。,桂小林9,2.2,物,物联,网,网体系,结,结构的,基,基本组,成,成,由物联,网,网特点,可,可知，,物,物联网,具,具有很,强,强的异,构,构性，,为,为实现,异,异构设,备,备之间,的,的互联,、,、互通,与,与互操,作,作，物,联,联网需,要,要以一,个,个开放,的,的、分,层,层的、,可,可扩展,的,的网络,体,体系结,构,构为框,架,架。,目前，,国,国内外,的,的研究,人,人员在,描,描述物,联,联网的,体,体系结,构,构时，,差,差异很,大,大。如,：,：,ITU,-,-T在Y.2002的自下,而,而上分,为,为底层,泛,泛在感,知,知网络,、,、异构,网,网络接,入,入层、,骨,骨干传,输,输网、,网,网络中,间,间件、,泛,泛在网,络,络应用,平,平台5层结构,。,。,通用四,层,层物联,网,网体系,结,结构，,包,包含感,知,知控制,层,层、数,据,据传输,层,层、数,据,据管理,与,与组织,层,层、应,用,用决策,层,层。,桂小林10,5层结构,桂小林11,通用四,层,层结构,桂小林12,通用四,层,层结构,感知控,制,制层：它是物,联,联网发,展,展和应,用,用的基,础,础，包,括,括RFID读写器,、,、智能,传,传感节,点,点和接,入,入网关,等,等组成,。,。各种,传,传感节,点,点通过,感,感知目,标,标环境,的,的相关,信,信息，,并,并自行,组,组网传,递,递到网,关,关接入,点,点，网,关,关将收,集,集到的,数,数据通,过,过互联,网,网络提,交,交到后,台,台处理,。,。,数据传,输,输层：主要负,责,责通过,各,各种接,入,入设备,实,实现互,联,联网、,移,移动通,信,信网等,不,不同类,型,型的网,络,络融合,。,。此外,，,，还提,供,供路由,、,、格式,转,转换、,地,地址转,换,换等功,能,能。,数据的,动,动态组,织,织与管,理,理层：实现感,知,知数据,的,的语义,理,理解、,推,推理、,决,决策以,及,及提供,数,数据的,查,查询、,存,存储、,分,分析、,挖,挖掘等,。,。云计,算,算为感,知,知数据,的,的存储,、,、分析,提,提供了,很,很好的,平,平台，,是,是信息,处,处理的,重,重要组,成,成部分,，,，也是,应,应用层,各,各种应,用,用的基,础,础。,应用决,策,策层：物联,网,网应用,层,层利用,经,经过分,析,析处理,的,的感知,数,数据，,为,为用户,提,提供多,种,种不同,类,类型的,服,服务。,物,物联网,的,的应用,可,可分为,监,监控型,（,（物流,监,监控、,污,污染监,控,控），,控,控制型,（,（智能,交,交通、,智,智能家,居,居），,扫,扫描型,（,（手机,钱,钱包、,高,高速公,路,路不停,车,车收费,）,）等。,桂小林13,感知控,制,制层,感知是,指,指对客,观,观事物,的,的信息,直,直接获,取,取并进,行,行认知,和,和理解,的,的过程,。,。,人们对,于,于信息,获,获取的,需,需求促,使,使其不,断,断研发,新,新的技,术,术来获,取,取感知,信,信息，,如,如传感器,、,、RFID、定位,技,技术等。,桂小林14,数据传,输,输层,物联网,的,的数据,传,传输层,主,主要进,行,行信息,的,的传送,，,，它是,物,物理感,知,知世界,的,的延伸,，,，更好,地,地实现物与物之间的,通,通信、物与人之间的,通,通信以,及,及人与人之间的,通,通信。,物联网,数,数的据,传,传输层,主,主要包,括,括接入网,和,和核心,网,网两层结,构,构,学生调,研,研,桂小林15,数据管,理,理层,数据管,理,理层则,是,是利用,云,云计算,平,平台实,现,现海量,感,感知数,据,据的动,态,态组织,与,与管理,，,，云计,算,算技术,的,的运用,，,，使数,以,以亿计,的,的各类,物,物品的,实,实时动,态,态管理,变,变得可,能,能。,随着物,联,联网应,用,用的发,展,展、终,端,端数量,的,的增长,，,，通过,借,借助云,计,计算处,理,理海量,信,信息，,进,进行辅,助,助决策,，,，提升,物,物联网,信,信息处,理,理能力,。,。,(1)智能计,算,算,(2)海量数,据,据存储,、,、检索,。,桂小林16,应用决,策,策层,物联网,技,技术综,合,合了传,感,感器技,术,术、嵌,入,入式计,算,算技术,、,、互联,网,网络及,无,无线通,信,信技术,、,、分布,式,式信息,处,处理技,术,术等多,种,种领域,技,技术,具,具有十,分,分广阔,的,的应用,前,前景，,在,在智能,家,家居、,工,工农业,控,控制、,城,城市管,理,理、远,程,程医疗,、,、环境,监,监测、,抢,抢险救,灾,灾、防,恐,恐反恐,、,、危险,区,区域远,程,程控制,等,等众多,领,领域有,着,着广泛,的,的应用,价,价值。,桂小林17,智能处,理,理层：智能,处,处理层,是,是整个,系,系统的,核,核心，,它,它的主,要,要功能,是,是数据,存,存储和,多,多源数,据,据的协,同,同分析,。,。通过,在,在服务,器,器上部,署,署智能,分,分析处,理,理程序,，,，针对,单,单一探,测,测器所,采,采集的,数,数据，,调,调用相,应,应的功,能,能模块,进,进行分,析,析，对,同,同一区,域,域的其,它,它探测,器,器所采,集,集的信,息,息进行,综,综合分,析,析，实,现,现异常,事,事件的,智,智能判,断,断。,应用决,策,策层：应用决,策,策层的,主,主要是,系,系统的,应,应用展,示,示和管,理,理。用,户,户可以,通,通过智,能,能手机,、,、平板,电,电脑等,远,远程监,控,控终端,监,监控和,管,管理系,统,统，及,时,时对监,测,测到的,各,各种事,件,件进行,决,决策处,理,理。,桂小林18,图2-11手机钱,包,包,桂小林19,三层,桂小林20,桂小林21,2.3,物,物联,网,网关键,技,技术,物联网,是,是继互,联,联网后,又,又一次,技,技术的,革,革新，,代,代表着,未,未来计,算,算机与,通,通信的,发,发展方,向,向。这,次,次革新,也,也取决,于,于一些,重,重要领,域,域的动,态,态技术,创,创新，,从,从RFID、EPC,、,、传感,技,技术到,认,认知网,络,络、云,计,计算等,。,。,物联网,发,发展的,关,关键技,术,术如图2-12所示,，,，其中,负,负责物,体,体标识,的,的RFID技,术,术、感,知,知物体,动,动态信,息,息的传,感,感器技,术,术、实,现,现信息,传,传递的,通,通信技,术,术和网,络,络融合,技,技术、,信,信息处,理,理的智,能,能技术,我,我们称,之,之为物,联,联网的,四,四大关,键,键技术,。,。,桂小林22,2.3,.,.1,感,感知标,识,识技术,感知和,标,标识是,物,物联网,实,实现“,物,物物相,联,联，人,物,物互动,”,”的基,础,础，各,种,种类型,的,的传感,器,器在弥,合,合物理,和,和虚拟,世,世界差,距,距方面,发,发挥了,关,关键作,用,用，数,据,据的产,生,生、获,取,取、传,输,输、处,理,理、应,用,用是物,联,联网的,重,重要组,成,成部分,，,，其中,数,数据的,获,获取是,物,物联网,智,智能信,息,息化的,重,重要环,节,节之一,，,，没有,它,它，物,联,联网也,就,就成了,无,无水之,源,源、无,本,本之木,。,。,桂小林23,桂小林24,2.3,.,.2,网,网络与,通,通信技,术,术,物联网,本,本质上,是,是泛在,网,网络，,需,需要融,合,合现有,的,的各种,通,通信网,络,络，并,引,引入新,的,的通信,网,网络。,要实现,泛,泛在的,物,物联网,，,，异构,网,网络的,融,融合是,一,一个重,要,要的技,术,术问题,。,。,三网融,合,合技术,：,：,“三网,融,融合”,又,又叫“,三,三网合,一,一”（,即,即FDDX），意,指,指电信,网,网、有,线,线电视,网,网和计,算,算机通,信,信网的,相,相互渗,透,透、互,相,相兼容,、,、并逐,步,步整合,成,成为全,世,世界统,一,一的信,息,息通信,网,网络。,桂小林25,三网融,合,合,桂小林26,2.3,.,.3,云,云计算,技,技术,物联网,聚,聚集海,量,量数据,海量数,据,据需要,有,有效组,织,织、管,理,理、存,储,储,高效数,据,据处理,时,时物联,网,网的核,心,心,需要运,用,用的云,计,计算技,术,术处理,海,海量数,据,据,虚拟化,Map,-,-reduce,。,。,。,桂小林27,云计算-低成本,的,的海量,信,信息处,理,理技术,云计算,资,资源池,存储能,力,力,统一监,控,控管理,计算能,力,力,SaaS(Software as aSevice)软件即,服,服务,物联网,应,应用不,再,再是单,纯,纯的卖,硬,硬件或,软,软件，,而,而是针,对,对长尾,市,市场中,各,各行各,业,业的需,求,求，通,过,过能力,开,开放与,组,组合，,形,形成个,性,性化、,差,差异化,的,的优质,服,服务。,云计算(Cloudcomputing),利用大,规,规模低,成,成本运,算,算单元,通,通过网,络,络相连,而,而组成,的,的运算,系,系统，,为,为物联,网,网海量,的,的信息,处,处理提,供,供低成,本,本计算,能,能力。,27,桂小林28,云计算,-,-从,单,单户到,多,多租户,桂小林29,云计算,讲,讲解SaaS,桂小林30,2.3,.,.4安全技,术,术,由于物,联,联网终,端,端感知,网,网络的,私,私有特,性,性，因,此,此安全,也,也是一,个,个必须,面,面对的,问,问题。,物,物联网,中,中的传,感,感节点,通,通常需,要,要部署,在,在无人,值,值守、,不,不可控,制,制的环,境,境中，,除,除了受,到,到一般,无,无线网,络,络所面,临,临的,信息泄,露,露、信,息,息篡改,、,、重放,攻,攻击、,拒,拒绝服,务,务等多,种,种威胁,外,外，还,面,面临传,感,感节点,容,容易被,攻,攻击者,获,获取，,通,通过物,理,理手段,获,获取存,储,储在节,点,点中的,所,所有信,息,息，从,而,而侵入,网,网络、,控,控制网,络,络的威,胁,胁。,涉及到,安,安全的,主,主要有,程,程序内,容,容、运,行,行使用,、,、信息,传,传输等,方,方面。,位置是,物,物联网,的,的核心,服,服务。,位,位置隐,私,私成为,物,物联网,推,推广应,用,用的核,心,心技术,。,。,桂小林31,因此，,物,物联网,需,需要云,计,计算支,撑,撑，必,须,须解决,人,人们关,注,注的隐私安,全,全问题。,用户,数据,应用,桂小林32,2.4,已,已有,物,物联网,相,相关应,用,用架构,目前，,具,具有代,表,表性的,物,物联网,架,架构主,要,要可以,分,分为三,类,类：,(1)基于传,感,感器技,术,术的无,线,线传感,网,网体系,结,结构；,(2)基于互,联,联网和,射,射频识,别,别技术,的,的EPC、UID系统；,(3)学术界,和,和企业,提,提出的M2M、CPS系统框,架,架。,下面我,们,们就分,别,别介绍,这,这些相,关,关应用,框,框架。,桂小林33,WSN,桂小林34,EPC,/,/UID系统,桂小林35,EPC,/,/UID系统,EPC,(,(ElectronicProductCode ),电,电子,产,产品编,码,码的概,念,念最早,由,由美国,麻,麻省理,工,工大学,(,(MIT)的Sarma和Brock教,授,授在1999,年,年提出,的,的，其,核,核心思,想,想是为,每,每一个,产,产品提,供,供唯一,的,的电子,标,标识符,，,，通过,射,射频识,别,别技术,实,实现数,据,据的自,动,动标识,和,和采集,。,。,2003年，,国,国际物,品,品编码,协,协会(EAN,),)和美,国,国统一,代,代码协,会,会(UCC),联,联合成,立,立了EPCglobal,，,，以推,动,动EPC技术,在,在商业,上,上的应,用,用。,桂小林36,EPC,编,编码体,系,系有EPC-64，EPC,-,-96,和,和EPC-256,三,三种。,使,使用较,多,多的是EPC,-,-64,编,编码体,系,系，而,新,新一代,的,的EPC标签,将,将采用EPC,-,-96,编,编码体,系,系，,其具体,结,结构如,表,表2-19所,示,示。,体系,标头,厂商识别代码,对象分类代码,序列号,EPC-96,8,28,24,36,桂小林37,桂小林38,桂小林39,M2M,系,系统,M2M,的,的定义,可,可以分,为,为广义,和,和狭义,两,两种。,广义上,包,包括Machine,-,-to,-,-Machine、Man,-,-to,-,-Machine以,及,及Machine-to-Man,。,。它是,指,指是人,与,与各种,远,远程设,备,备之间,的,的无线,数,数据通,信,信。,狭义上,的,的M2M是Machine,-,-to,-,-Machine的,简,简称，,指,指一方,或,或双方,是,是机器,且,且机器,通,通过程,序,序控制,，,，能自,动,动完成,整,整个通,信,信过程,的,的通信,形,形式,桂小林40,M2M,系,系统从,右,右至左,可,可以划,分,分为M2M设,备,备域、M2M,网,网络域,、,、M2M应用,域,域。,桂小林41,2.5,物,物联,网,网的反,馈,馈与控,制,制,“某日,小,小张正,在,在公司,上,上班，,突,突然手,机,机收到,震,震动了,铃,铃声提,示,示原来是,家,家中无,人,人时门,被,被打开,，,，门磁,侦,侦测到,有,有人闯,入,入，则,将,将闯入,报,报警通,过,过无线,网,网关发,送,送给主,人,人小张,的,的手机,，,，手机,收,收到信,息,息发出,震,震动铃,声,声提示,，,，小张,确,确认后,发,发出控,制,制指令,，,，电磁,门,门锁自,动,动落锁,并,并触发,无,无线声,光,光报警,器,器发出,报,报警。,”,”,这一场,景,景成果,实,实现了,物,物联网,的,的感、,联,联、智,、,、控四,种,种属性,。,。这四,种,种属性,形,形成了,一,一个完,整,整的反,馈,馈控制,系,系统。,桂小林42,2.5物联网,的,的反馈,与,与控制,2.5,.,.1自动控,制,制的基,本,本原理,与,与方式,自动控,制,制的概,念,念及应,用,用,反馈控,制,制系统,的,的基本,组,组成,自动控,制,制系统,的,的基本,控,控制方,式,式,桂小林43,自动控,制,制是指,在,在没有,人,人直接,参,参与的,情,情况下,，,，利用,外,外加的,设,设备或,装,装置（,称,称控制,装,装置或,控,控制器,）,），使,机,机器、,设,设备或,生,生产过,程,程（统,称,称被控,对,对象）,的,的某个,工,工作状,态,态或参,数,数（即,被,被控量,）,）自动,地,地按照,预,预定的,程,程序运,行,行。,自动控,制,制的概,念,念及应,用,用,2.5物联网,的,的反馈,与,与控制,自动控,制,制的基,本,本原理,与,与方式,桂小林44,反馈控,制,制定义,反馈把取出,输,输出量,送,送回到,输,输入端,，,，并与,输,输入信,号,号相比,较,较产生,偏,偏差信,号,号的过,程,程，称,为,为反馈,。,。分为,负,负反馈,和,和正反,馈,馈。,反馈控,制,制就是采,用,用负反,馈,馈并利,用,用偏差,进,进行控,制,制的过,程,程，而,且,且，由,于,于引入,了,了被控,量,量的反,馈,馈信息,，,，整个,控,控制过,程,程成为,闭,闭合过,程,程，因,此,此反馈,控,控制也,称,称闭环,控,控制。,桂小林45,反馈控,制,制原理,桂小林46,反馈控,制,制系统,组,组成,测量元,件,件：检测,被,被控制,的,的物理,量,量，并,将,将其转,换,换为电,量,量。,给定元,件,件：给出,与,与期望,的,的被控,量,量相对,应,应的系,统,统输入,量,量。,比较元,件,件：把测,量,量元件,检,检测的,被,被控量,实,实际值,与,与给定,元,元件给,出,出的参,据,据量进,行,行比较,，,，求出,它,它们之,间,间的偏,差,差。,放大元,件,件：将比,较,较元件,给,给出的,偏,偏差信,号,号进行,放,放大，,用,用来推,动,动执行,元,元件去,控,控制被,控,控对象,。,。,执行元,件,件：直接,推,推动被,控,控对象,，,，使其,被,被控量,发,发生变,化,化。,校正元,件,件：也叫补偿元,件,件，用串,联,联或反,馈,馈的方,式,式连接,在,在系统,中,中，以,改,改善系,统,统性能,。,。,桂小林47,自动控,制,制系统,的,的基本,控,控制方,式,式反馈控,制,制方式,方式：,按,按偏差,进,进行控,制,制。,特点：,减,减小或,消,消除这,个,个偏差,作用：,具,具有抑,制,制任何,内,内、外,扰,扰动对,被,被控量,产,产,生影响,的,的能力,，,，有较,高,高的控,制,制精度,。,。,问题：,系,系统使,用,用的元,件,件多、,结,结构复,杂,杂，设,计,计,麻烦。,桂小林48,自动控,制,制系统,的,的基本,控,控制方,式,式开环控,制,制方式,方式：,是,是指控,制,制装置,与,与被控,对,对象之,间,间只有,顺,顺向作,用而没,有,有反向,联,联系的,控,控制过,程,程。,特点：,是,是系统,的,的输出,量,量不会,对,对系统,的,的控制,作,作用发,生影响,。,。设计,简,简单。,作用：,可,可以按,给,给定量,控,控制，,也,也可以,按,按扰动,控,控制。,缺点：,按,按扰动,控,控制方,式,式只适,合,合扰动,可,可测的,场,场合，,且一个,补,补偿能,力,力单一,。,。,桂小林49,自动控,制,制系统,的,的基本,控,控制方,式,式复合控,制,制方式,方式：,把,把两者,结,结合起,来,来，对,主,主要扰,动,动采用,适,适当补,偿,偿的装,置,置实现,按,按扰动,控,控制，,同,同时再,组,组成反,馈,馈控制,系,系统实,现,现按偏,差,差控制,，,，以消,除,除其余,扰,扰动产,生,生的偏,差,差。,特点：,系,系统的,主,主要扰,动,动已被,补,补偿，,反,反馈控,制,制系统,就,就比较,容,容易被,设,设计，,控,控制效,果,果也会,更,更好。,桂小林50,2.5物联网,的,的反馈,与,与控制,2.5,.,.2物联网,系,系统的,控,控制论,解,解析,2.5,.,.3物联网,的,的控制,特,特性,2.5,.,.4控制理,论,论在物,联,联网中,的,的应用,前,前景,桂小林51,物联网,系,系统的,控,控制论,解,解析,物联网,中,中的“,感,感、智,、,、控”,分,分别构,成,成了物,联,联网控,制,制系统,的,的测量,、,、比较,、,、执行,等,等三大,部,部件，,这,这三大,部,部件又,在,在“联,”,”这种,网,网络平,台,台上得,以,以相互,作,作用，,形,形成了,“,“控制,系,系统”,，,，最终,实,实现了,“,“控”,的,的目的,。,。,联,桂小林52,物联网,的,的控制,特,特性,鲁棒性,保安性,可信性,时延性,桂小林53,控制理,论,论在物,联,联网中,的,的应用,前,前景,物联网,的,的控制,系,系统一,定,定是一,个,个计算,机,机参与,的,的离散,控,控制系,统,统，将,离,离散控,制,制理论,的,的分析,方,方法引,入,入物联,网,网系统,的,的分析,、,、研究,和,和设计,过,过程中,，,，能够,使,使这一,过,过程更,加,加科学,、,、合理,，,，对系,统,统的各,种,种性能,将,将有一,个,个更准,确,确的判,断,断，同,时,时也便,于,于进行,仿,仿真分,析,析。,桂小林54,54,THANKS！,Q？A？,GUIXIAOLIN,