物联网概论复习

物联网概论复习

?一、物联网的概念

1、什么叫物联网

–物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化三个重要特征。

1.1物联网的起源与发展

2005.11.17：《ITU互联网报告2005：物联网》

?2008 ：EPoSS《物联网2020》

?2009：IBM “智慧地球”

?2009.8.7：温家宝无锡视察时提出“感知中国”的战略构想

1.2核心技术

物联网分为四层

（1）感知层：用于生成信息，是联系物理世界和信息世界的纽带。（RFID、传感器、智能设备、GPS等）

（2）网络构建层：用于把下层（感知识别层设备）接入互联网，供上层服务使用。（无线广域网、无线局域网、无线城域网、无线个域网等）（3）管理服务层：通过将大规模数据高效、可靠地组织起来，为上层行业应用提供智能的支撑平台。具体包括存储数据、有效地组织和查询数据等功能。（信息安全、数据挖掘、智能决策、搜索引擎、数据中心等技术）（4）应用层：实现各行业的具体应用，包括智能物流、智能电网、绿色建筑、智能交通和环境监测等。

?二、物联网感知层

感知层是物联网的技术，是联系物理世界和信息世界的纽带。

?感知设备具体包括：各种传感器、RFID芯片、GPS终端设备、智能家用电器、智能设备等。

2.1 自动识别技术

（1）光符号识别技术

?（2）语音识别技术

?（3）生物计量识别技术（虹膜识别、指纹识别）

?（4）IC卡技术：外形和磁卡极为相似，但存储方式和介质完全不同。IC卡具有存储容量大、安群保密性好、CPU卡具有数据处理能力等特点。

（5）条形码技术：

?条形码可以标出物品的生产国、制造商、产品名称、生产日期、图案分类等信息。

?一维条形码是迄今为止使用最为广泛的一种自动识别技术。

?二维条形码最早出现在20世纪70年代，是从传统条形码基础上发展起来的一种编码技术。具有信息容量大、成本低、准确性高、编码方式灵活、保密性强等特点。

（6）射频识别技术

RFID（Radio Frequency Identification）利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别的目的。

2.3 RFID技术分析

1、RFID的组成

?RFID系统由五个组件构成：

–传送器–接收器–微处理器–天线–标签。

?其中传送器、接收器和微处理器通常被封装在一起又称为阅读器。

?工业界通常将RFID系统分为阅读器、天线和标签三大组件。

（1）阅读器：主动向标签询问标识信息，有时又被称为询问器。

（2）天线：天线与阅读器相连，用于在标签和阅读器见传递射频信号。阅读器可以连接一个或多个天线，但每次使用只能激活一个天线。

（3）标签

?电子标签可分为被动式标签、主动式标签和半主动式标签。

–被动式标签内部因为没有电源设备，因此被称为无源标签，这种标签通过接收由阅读器发出的电磁波进行驱动，向阅读器发送数据。

通信距离近，第一代只有1m，第二代3-5m。

–主动式标签因为内部携带电源被称为有源标签。主动式标签通信距离远，可达上百米。

–半主动式标签兼有被动式标签和主动式标签的所有特点，内部携带电池。

2、RFID的工作原理

?RFID来源于雷达技术，其工作原理和雷达极为相似

①阅读器通过天线发出电子信号

②标签收到信号后发射内部存储的标识信息

③阅读器再通过天线接收并识别标签发回的信息

④最后阅读器将识别结果发送给主机。

?电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的无接触的空间耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。

2.4 无线传感网

1、无线传感网节点

（1）加州大学洛杉矶分校（UCLA）开发了LWIM节点，该节点将多种传感器、控制和通信芯片集成在一个设备上。

（2）加州大学伯克利分校发起的“智慧尘埃（Smart Dust）”项目，开发了Mica节点。

?“智慧尘埃（Smart Dust）”项目旨在开发微型化的传感器节点。该校后来发布的Mica节点标志着无线传感网络的研究进入了低功耗、微体积的先进计算机时代。

?大鸭岛（Great Duck Island）实验是第一个以伯克利低功耗智能节点为基础，实际工作在野外环境的无线传感器网络，是无线传感器网络发展过程中里程碑式的应用。

（3）无线传感网在设计时应考虑以下几个方面：低成本与微型化、低功率、灵活性与扩展性、鲁棒性。

2.5 定位系统

1、GPS（Global Positioning System）卫星定位系统

?是目前世界上最常用的卫星定位系统。该系统包括宇宙空间部分、地面监控部分和用户设备部分。通过三点定位原来来实现定位。

2、蜂窝基站定位

3、室内精确定位：

（1）室内定位的一个难点是室内的众多障碍物容易造成多径效应，从而对定位产生干扰。

（2）可以利用RFID标签来对物体进行定位。

4、WIFI基站定位：是一种新兴技术，定位速度快。

2.6 智能信息设备

1、智能手机

?第一，手机上丰富的传感器，人们可以借此采集到大量的感知数据，包括环境数据、位置信息等。（加速度传感器、陀螺仪、磁力传感器、距离传感器、光线传感器等）

?第二，借助WIFI和3G等技术，智能手机使得用户可以随时随地接入网络，实现更全面的互联互通。

?第三、通过手机，物联网时代的各种信息可以快速地反馈给用户，方便用户做更好地决策。（基于位置的服务、社交网络服务、移动支付等。）

2、其他智能设备

?车载设备、数字标牌、医疗设备等等。

?三、物联网网络构建层

3.1 无线网络简介基本组成元素

（1）无线网络用户：指各类具备无线通信能力，可将无线通信信号转化为有效信息的终端设备。如有wifi模块的台式机、笔记本等，有3G、4G通信模块的手机等

（2）无线连接

（3）基站：事实上可以是一个无线网络节点甚至是用户，其职责是将一些无线用户连接到公网中。

3.2 无线网络类别

（1）无线广域网：连接信息可以覆盖整个城市甚至国家。当前主要的关于网包括2G、2.5G、3G和4G。

（2）无线城域网：覆盖整个城市区域

（3）无线局域网：局部区域中使用。IEEE802.11协议时一系列针对无线局域网制定的规范。大部分

（4）无线个域网：在更小范围内（约10米）以自组织的方式在用户之间建立用户相互通信的无线连接。两个重要技术是蓝牙传输技术和红外传输技术。

3.3 无线宽带网络

?按照传统的宽带网络的定义，带宽超过1.54Mbps的网络可称为宽带网络。

?WiFi和WiMAX的带宽都达到了10~100Mbps，因此都属于无线宽带网络。

?无线宽带协议大多数都是基于基站和上层网络进行数据交互的。

3.4 无线低速网络

?实际生活中，有些需求不需要用宽带网络。红外、蓝牙、ZigBee、体域网802.15.6都属于低速网络协议。

–红外通信主要用于遥控、汽车防盗、游戏等领域；

–蓝牙技术是由瑞士爱立信公司发明的短距无线通信技术。目前蓝牙技术已是智能手机和平板计算机标准配置的功能。

–ZigBee又称802.15.4标准，是一个短距无线通信网络标准，为个人或者家庭范围内不同设备间的低速互联提供统一标准。ZigBee具有低功耗、成本低、

时延短、网络容量大、可靠和安全等的特点。是无线传感网中最著名的无线通信协议。

? 3.5 移动通信网络

?四、物联网管理服务层

4.1 大数据与海量存储

1、从网络化存储到数据中心

（1）三种存储方式：网络化存储是存储大规模数据的一种方式，能够提供高可靠性和经济性。网络存储体系结构主要分为直接附加存储DAS、网络附加存储NAS和存储区域网络SAN。

?DAS是指将存储系统通过缆线直接与服务器或工作站相连。管理容易、成本结构低、管理简单。但由于DAS设备通常孤立的，因此会造成对存储资源利用率低，资源共享能力缺失的问题。

?NAS是一种文件级的计算机数据存储架构。NAS与DAS存在本质上的区别，DAS没有实现真正网络上的互联，NAS则将网络视为存储实体，更容易实现文件级别的共享。

?SAN是一种通过网络方式连接存储设备和应用服务器的存储架构。由服务器、存储设备和SAN连接设备组成。可实现存储共享。

（2）三种存储方式的比较：

?DAS：管理容易，结构简单；集中式体系结构，不能满足大规模数据访问的需求；存储资源利用率低，资源共享能力差，造成“信息孤岛”。

?NAS：网络的存储实体，容易实现文件级别共享；性能严重依赖于网络流量，用户数过多，读写过频繁时性能受限。

?SAN：存储管理简化，存储容量利用率提高；无直接文件级别的访问能力，但可在SAN基础上建立文件系统。

2、数据中心

?据维基百科定义，数据中心是一整套复杂的设施。它不仅仅包括计算机系统和其它与之配套的设备（例如通信和存储系统），还包含冗余的数据通信连接、环境控制设备、监控设备以及各种安全装置。

4.2 物联网中的数据库系统

1、物联网数据的特点：海量性、多态性、关联性和语义性。

（1）海量性：指物联网中的数据量非常大。

（2）多态性：指存在各种各样类型的数据，比如生态系统中的温

湿度、光照、二氧化碳数据；多媒体中的音频、视频数据等等。

（3）关联性和语义性：物联网中的数据不是独立的，描述同一实体的数据在时间上具有关联性；描述不同实体的数据在空间上具有关联性；描述实体的不同维度之间也有关联性。不同关联性组合会产生丰富的语义。

2、多态性会带来数据处理的复杂性：

（1）不同网络的数据具有不同的格式：比如不同网络中，温度的表达就有摄氏度和华氏度之分。

（2）不同的设备导致数据具有不同的精度：比如有些设备分辨率高，即精度高，有些设备分辨率低即精度低，这样就有不同的测量精度值。

（3）不同的测量时间、测量条件导致数据具有不同的值，物联网中数据的一个显著特征就是其动态性，数据会随时变化。

3、物联网中的数据存储

（1）存储模式：

分布式存储：传感器所产生的数据可以直接存储在传感器内部

集中式存储：传感器所产生的数据发送回网络的网关。

（2）分布式存储

–好处：可以减少不必要的数据传输。

–缺点：

?传感器存储容量有限，存在存储容量不够的问题；

?节点若故障，则内存中的所有数据会丢失；

?每次查询时会带来大量的通信开销；

?是查询“热点”的节点电量会很快用完，从而导致网络不能正常工作

（3）集中式存储

–好处：

?所有收回来的数据能够被永久保存，不会存在历史数据丢失的问题；

?网关可通过操作本地数据库直接处理查询请求。

–缺点：

?存在由传输问题带来的数据的不完整性问题；

?由于是通过网络多跳方式传送数据，因此每传送一次数据，就会造成链路上传感器节点的电量损耗。

4、海量存储

–单个物体持续地产生数据；

–网络中拥有数以百万计的物体，都在产生数据。

5、数据查询

–传感器网络中的数据查询分为快照查询和连续查询两种类型。

?快照查询的特点是查询不固定、数据不确定；

?连续查询的特点是查询固定、数据不确定。

6、数据融合

–即怎样从无数的数据流中筛选出感兴趣的数据。

?五、物联网应用层

5.1 智能交通

–具体应用：交通监测与管理；电子收费系统；智能停车管理；辅助驾驶；智能行驶等。

5.2 智能物流

–略

5.3 智能建筑

–略