物联网体系结构.ppt

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第2章物联网体系物联网体系结结构构2.1物联网体系结构统一标准体系结构建立的重要性有效集成新的设备、软件和服务到现有的物联网中。

建立不同网络融合的桥梁。

使未来物联网的设计和应用更加高效。

可与其他组织和应用领域的关系者共享系统数据。

可使用共享数据提供更多的目标应用。

1、面向服务的体系架构（service-orientedarchitecture，SOA）是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。

是一种粗粒度、松耦合服务架构。

松耦合系统的好处有两点，一点是它的灵活性，另一点是，当组成整个应用程序的每个服务的内部结构和实现逐渐地发生改变时，它能够继续存在。

服务请求者不需要知道服务提供者实现的技术细节，例如程序语言、底层平台等等。

我们最熟悉的HTTP协议就是一个非常典型的SOA架构设计。

1）客户端，通常是通过浏览器，向服务器端以文本的方式发送一个请求，索取一个Web页面；2）服务器端接收到这个请求之后，根据请求的内容进行处理并且返回一个符合HTML语法的文本；3）客户端接收到服务器端的响应文本后调用本地的程序，通常还是浏览器，把返回的HTML文本的内容展现出来。

物联网使用SOA的优势可以使物联网上的各项服务之间通过简单、精确定义的接口进行通信，可以不涉及底层编程接口和通信模型，使用户在不触及复杂的物联网本身的情况下，就能够真正实现随时、随地的与任何人、任何物进行有效的感知、互联与协调控制。

IOT体系架构设计的要点模块化可重复使用，对不同的环境都适用。

可扩展性不仅可以适用当前的环境，而且能够少量修改后为将来使用。

互操作性支持相互异构的信息能够相互访问。

IOT的体系架构将包含以下内容：

从各种物联网的应用中总结出的元件、组件、模块和功能的共性与区别。

构建出的分层结构、接口、数据类型、连接关系等。

在物联网领域中需要统一的和已经存在的标准。

物联网的共性要求和经营理念。

不同应用的共同点。

现在通用物联网架构和未来通用的物联网架构。

根据开发者的兴趣提供设计、分析与裁剪物联网设计的扩展。

物联网物联网感知层感知层网网络络连连接接统统一一IP协协议议关关注注IPv6IT和和应应用用统统一一架架构构关关注注云云计计算算RFID读写读写M2M终端终端传感器网传感器网摄像监控摄像监控定位授时定位授时物联网物联网网络层网络层接入网络接入网络核心网络核心网络业务支撑业务支撑平台平台物联网物联网应用层应用层行业应用行业应用平台平台行业应用行业应用系统系统物联网是一个以应用为导向，分工日渐清晰的产业，物联网是一个以应用为导向，分工日渐清晰的产业，IPv6和云计算是核心基础架构发展方向和云计算是核心基础架构发展方向智能家居智能家居智能城管智能城管智能交通智能交通智能电力智能电力智能医疗智能医疗行业应用导向，完整解决方案交付行业应用导向，完整解决方案交付产业链产业链各环节各环节定位，定位，通用产通用产品提供品提供物联网的体系结构2.2感知层物联网在传统网络的基础上，从原有网络用户终端向“下”延伸和扩展，扩大通信的对象范围，即通信不仅仅局限于人与人之间的通信，还扩展到人与现实世界的各种物体之间的通信。

感知层是IOT的基础，解决的就是人类世界和物理世界的数据获取问题。

主要通过各类信息采集、执行设备和识别设备，采用多种网络通信技术、信息处理技术、物化安全可信技术、中间件及网关技术等。

实现物理空间与信息空间的感知互动。

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。

感知层由具有感知、识别、控制和执行等能力的多种设备组成，一般包括数据采集、数据短距离传输与数据编码两部分此处的短距离传输技术，尤指像蓝牙、ZigBee这类传输距离小于100m，速率低于1Mbit/s的中低速无线短距离传输技术。

数据编码关键技术为RFID、条形码等。

2.2.1、感知现实物理世界感知层通过RFID、WSNs、GPS、M2M、二维码等采集到人们所需要的现实物理世界的信息，通过处理后获得人们所需要的信息与知识。

如实时的监测城区干、支路道路的车速、车流量等信息，判断各条道路的交通畅通、拥堵情况等。

1、传感器与环境感知传感器（Transducer/Sensor）是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用量的器件和装置。

传感器就是把非电量转换成电量的装置。

如可以将物理量、化学量、生物量等转换成电量。

传感器的基本构造传感器是由敏感元件、转换元件和测量电路（信号转换电路）组成，如图1-1所示。

敏感元件（sensingelement）：

直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，它是传感器的核心。

转换元件（transductionelement）：

将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量电信号的元件。

测量电路（measuringcircuit）：

将转换元件输出的电信号进行进一步转换和处理的部分，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。

ZigBee节点的构成11、数据处理模块、数据处理模块对于数据处理模块的设计，主要考虑如下五个方对于数据处理模块的设计，主要考虑如下五个方面的问题：

面的问题：

（1）

（1）节能设计节能设计

（2）

（2）处理速度的选择处理速度的选择（3）（3）低成本低成本（4）（4）小体积小体积（5）（5）安全性安全性22、存储单元、存储单元随机存储器（随机存储器（RAMRAM），只读存储器（），只读存储器（ROMROM）。

）。

电可擦除可编程只读存储器（电可擦除可编程只读存储器（EEPROMEEPROM）、闪存）、闪存（FLASHFLASH）等。

）等。

33、传感器模块、传感器模块44、电源模块、电源模块55、无线通信模块、无线通信模块无线通信模块由无线射频电路和天线组成，目前采用的无线通信模块由无线射频电路和天线组成，目前采用的传输介质主要包括无线电、空气、红外、激光和超声波等，传输介质主要包括无线电、空气、红外、激光和超声波等，它是传感器节点中最主要的耗能模块，是传感器节点的设计它是传感器节点中最主要的耗能模块，是传感器节点的设计重点。

重点。

传感器网络应用的无线通信技术通常包括传感器网络应用的无线通信技术通常包括IEEE802.11bIEEE802.11b、IEEE802.15.4（ZigBee）IEEE802.15.4（ZigBee）、BluetoothBluetooth、RFIDRFID等，还有很多芯等，还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在ISMISM免费频段。

免费频段。

传感器网络的常用无线通信技术传感器网络的常用无线通信技术无线技术频率距离/m功耗传输速率/kbpsBluetooth2.4GHz10低10000802.11b2.4GHz100高11000RFID50kHz5.8GHz5200ZigBee2.4GHz1075低250目前市场上支持目前市场上支持ZigBeeZigBee协议的芯片制造商有协议的芯片制造商有ChipconChipcon公司和公司和FreescaleFreescale半导体公司。

半导体公司。

ChipconChipcon公司的公司的CC2420CC2420芯片应用较多，该公司还提供芯片应用较多，该公司还提供ZigBeeZigBee协议的完协议的完整开发套件。

整开发套件。

FreescaleFreescale半导体公司提供半导体公司提供ZigBeeZigBee的的2.4GHz2.4GHz无线传输芯片包括无线传输芯片包括MC13191MC13191、MC13192MC13192、MC13193MC13193，该公司也提供配套的开发套件。

，该公司也提供配套的开发套件。

电源能量有限电源能量有限大部分环境下更换电池难大部分环境下更换电池难关键之一关键之一如何节省电源、最大化网络的使用寿命？

如何节省电源、最大化网络的使用寿命？

低功耗设计问题是第一项关键技术！

低功耗设计问题是第一项关键技术！

WSNsWSNs节点目前存在以下几种约束节点目前存在以下几种约束通信能力有限通信能力有限节点通信覆盖范围只有几十到几百米节点通信覆盖范围只有几十到几百米关键之二关键之二如何在有限的通信能力条件下如何在有限的通信能力条件下,完成探测数据完成探测数据的传输？

的传输？

计算与存储能力有限计算与存储能力有限节点体积小，处理器和存储器性能有限，节点体积小，处理器和存储器性能有限，不允许进行复杂算法的运算。

不允许进行复杂算法的运算。

关键之三关键之三协同的完成复杂的计算。

协同的完成复杂的计算。

自组织的动态网络自组织的动态网络传感器网络没有基站传感器网络没有基站节点失效、新节点加入，导致网络节点失效、新节点加入，导致网络拓扑结构的动态性，需要自动愈合。

拓扑结构的动态性，需要自动愈合。

关键之四关键之四高效多跳自组织的网络路由也是高效多跳自组织的网络路由也是ZigBeeZigBee有待解有待解决的关键技术！

决的关键技术！

传感器网络是以数据为中心的网络传感器网络是以数据为中心的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件硬件硬件硬件关键之五关键之五如何建立以数据为中心的传感器网络？

如何建立以数据为中心的传感器网络？

数据融合协议也成了数据融合协议也成了ZigBee技术有待解决的关键技术有待解决的关键技术之一！

技术之一！

网络攻击无处不在网络攻击无处不在传感器节点的物理操纵传感器节点的物理操纵传感信息的窃听传感信息的窃听拒绝服务攻击拒绝服务攻击私有信息的泄露私有信息的泄露关键之六关键之六安全性是传感网络设计的重要问题。

安全性是传感网络设计的重要问题。

与其他的无线通信相比，WSNs具有以下几种特征。

（1）能量有效性

（2）时延要求（3）公平性（4）灵活性与可扩展性由于WSNs的特殊性，因此在设计WSNs时要考虑以下几个特性。

（1）面向应用

（2）大规模（3）自组织（4）以数据为中心（5）网内处理2、射频标签与识别条形码、二维码、RFID等。

RFID：

阅读器+标签。

利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现的无需接触信息传递，已达到识别目标的技术。

标签：

有源标签，无源标签，半无源标签。

标签：

只读型、读写型、一次可写型。

电感耦合方式电感耦合方式RFID的工作原理的工作原理RIFD工作方式工作方式电感耦合电感耦合阅读器阅读器应答器应答器电感耦合方式的电路结构电感耦合方式的电路结构信息信息RFID技术的工作原理：

电子标签进入读写器产生的磁场后，读写器发出射频信号。

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。

电感耦合方式电感耦合方式RFID的工作原理的工作原理RIFD工作方式工作方式负载调制负载调制负载调制的原理示意图负载调制的原理示意图电感耦合方式电感耦合方式RFID的工作原理的工作原理1、阅读器为有源工作，应答器无源工作；、阅读器为有源工作，应答器无源工作；2、L1、C1；L2、C2均工作在射频源均工作在射频源VS的谐振频率；的谐振频率；3、应答器、应答器L2的磁场变化产生电压整流后供阅读器使用；的磁场变化产生电压整流后供阅读器使用；4、应答器向阅读器的数据传输采用内部的二进制数据编、应答器向阅读器的数据传输采用内部的二进制数据编码信号控制开关码信号控制开关S，使得负载电阻，使得负载电阻R2被接通或者断开，被接通或者断开，通过耦合使通过耦合使L1产生变化的电压，经调制、解码即可；产生变化的电压，经调制、解码即可；5、阅读器向应答器的数据传输，是通过数字调制的方式、阅读器向应答器的数据传输，是通过数字调