1、现代计算机网络技术,第13章 物联网技术,本章阐述了物联网的概念，定义以及物联网在世界上的应用情况，重点介绍了物联网中的技术架构，核心技术以及物联网在应用过程中可能遇到的问题，最后展望了物联网以后的发展。,学习目标,物联网的概念 及分类,理解,掌握,掌握,了解,物联网的技术构架和核心技术,物联网中所涉及到的硬件,物联网在世界上的应用和发展情况,物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。如图所示。,13.1 物联网简介,13.1.1 物联网的概念物联网是一个动
2、态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一道，构成未来互联网。在物联网的概念中的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围： 要有数据传输通路； 要有一定的存储功能； 要有CPU； 要有操作系统； 要有专门的应用程序； 遵循物联网的通信协议； 在世界网络中有可被识别的唯一编号。,物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这
3、有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网的基础上进行延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。,13.1.2 物联网分类,按照物联网的应用差别，我们可以大致把物联网分成4大类：私有物联网（Private IoT）： 一般面向单一机构内部提供服务； 公有物联网（Public IoT）：基于互联网（Internet）向公众或大型用户群体提供服务； 社区物联网（Community IoT）：向一个关联的“社区”或机构群体（如一个城市政府下属的各委办局：如公安局、交通局、环保局、城管局等）提供服务； 混合物联网（Hybrid IoT）：是
4、上述的两种或以上的物联网的组合，但后台有统一运维实体。,13.1.3 物联网的技术架构,物联网有三个基本特点，如图所示：,各层的主要组成部分和作用如下图所示,13.2 物联网关键技术介绍,1.RFID技术简介RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签。电子标签属于智能卡的一类， RFID技术在物联网中起重要的“使能”（Enable)作用；RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可在各种恶劣的环境下工作。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作
5、快捷方便。RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条型码、磁卡及IC卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。在国外，射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。,RFID的组成 RFID系统主要是由电子标签、天线、读写器、中间件和主机组成，其构成如图:,2.RFID的工作原理 RFID技术的基本工作原理并不复杂：如图,13.2.2二维码技术,1.二维码技术简介二维码 （2-dimensional bar cod
6、e） 是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化等特点。目前全球一、二维码超过250 种，其中常见的有20 余种。而目前国内二维码产品大多源自于国外的技术，如美国PDF417码、日本的QR码、韩国DM码，应用最
7、为广泛的码字为QR(Data Matrix)码和DM(Quick Response code)码。我国自行研发的是GM和CM。,2.二维码的技术指标 二维码主要有二个技术指标信息存储容量和信息纠错功能。,13.2.3 传感器技术,1.传感器简介传感技术同计算机技术和通信技术被称为信息技术的三大支柱。传感技术主要琢磨关于从自然信源获守信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代信息与工程技术。传感技术的核心即传感器，它是负责完成物联网中物与物或人与物之间信息交互的必要组成部分。,2.传感器节点的构成 一般而言，传感器节点由四部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块，如
8、下图,3.传感器的特性（1）传感器静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。,（2）传感器动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任
9、意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。,4.无线传感器网络的体系结构,传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。无线传感器网络拥有和传统无线网络不同的体系结构如无线传感器节点结构，网络结构以及网络协议体系结构。从而真正实现“无处不在的计算”理念。
10、,无线传感器网络体系结构,无线传感器网络协议体系结构,13.2.4 M2M技术,1.M2M技术简介M2M是指将数据从一台终端传送到另一台终端，就是机器与机器的对话。M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，更重要的是，它是机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信。也就是说，即使人们没有实时发出信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。可以说，智能化、交互式成为了M2M有别于其它应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”。,2.M2M的关键技术 M2M涉及到5个重要的技术部分：机器、M2M硬件、通信网络、中间件
11、、应用。,13.2.5 ZigBee技术,1.ZigBee技术简介蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前Zigbee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为Zigbee。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数
12、据传输的应用。简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。,2.ZigBee的主要结构ZigBee的结构主要由三大块组成： （1）包括各类传感器、控制器等数据采集控制设备，及构成这些设备互联的底层传感网络组成的设备感知层。感知层中的智能终端、智能传感器、射频识别，以及传感网络，组成了物联网的底层基础。 （2）将底层传感器数据传输到互联网上的网络层。网络层运用各种接入技术：如以太网、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至卫星通讯等，最终接入互联网。云技术强大的存储、查询、
13、计算能力，也都归属在这一层。 （3）根据客户自身需求，利用感知数据或状态为用户提供有效的特定服务的应用层。应用层是对感知数据的一种特定形式的呈现。,13.3 IPV6在物联网中的应用,13.3.1 IPV6和物联网的关系IPv6的基本概念已在6章3节中加以介绍。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题，主要有端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。对于物联网而言，无论是远程通信，还是近距离通信，为了满足IP地址需求量的空前提升，都必须尽快过渡到IPv6.物联网的远程通信需求，将推动现有移动或者固定网络向IP
14、v6的商用化演进。物联网应用，主要以公众无线网络为载体，大多使用2G、3G网络来实现远程通信，同时也有部分应用采用了固定光纤接入方式。固定光纤接入具有传输速率高、传输信息量大、可靠稳定、保密性好等特点，需要根据不同的应用场景选择不同的接入方式。现有的2G、3G网络，分组域核心网设备GGSN/PDSN均需要尽快升级支持给终端分配IPv6地址，同时分组域核心网设备与骨干承载网络之间需要尽快实现IPv6组网和路由。对于固定接入方式而言，接入路由器和骨干及城域承载网络也需要尽快完成向IPv6的升级，以满足快速业务接入的要求。,13.3.2 如何让IPv6准确适配物联网,作为下一代网络协议，IPv6凭借
15、着丰富的地址资源以及支持动态路由机制等优势，能够满足物联网对通信网络在地址、网络自组织以及扩展性等诸多方面的要求。然而，在物联网中应用IPv6，并不能简单地“拿来就用”，而是需要进行一次适配。IPv6不能够直接应用到传感器设备中，而是需要对IPv6协议栈和路由机制进行相应的精简，以满足对网络低功耗、低存储容量和低传送速率的要求。由于IPv6协议栈过于庞大复杂，并不匹配物联网中互联对象，尤其是智能小物体的特点，因此虽然IPv6可为每一个传感器分配一个独立的IP地址，但传感器网需要和外网之间进行一次转换，起到IP地址压缩和简化翻译的功能。,13.4 物联网的发展及应用,物联网在实际应用上的开展需要
16、各行各业的参与，并且需要国家政府的主导以及相关法规政策上的扶助，物联网的开展具有规模性、广泛参与性、管理性、技术性、物的属性等等特征，其中，技术上的问题是物联网最为关键的问题； 物联网技术是一项综合性的技术，是一项系统，目前国内还没有哪家公司可以全面负责物联网的整个系统规划和建设，理论上的研究已经在各行各业展开，而实际应用还仅局限于行业内部。关于物联网的规划和设计以及研发关键在于RFID、传感器、嵌入式软件以及传输数据计算等领域的研究。,13.4.1 物联网的发展趋势,物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟等都在投入巨资深入研究探
17、索物联网。我国也正在高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。,13.4.2 物联网在中国的发展介绍,物联网在中国迅速崛起得益于我国在物联网方面的几大优势。 第一，我国早在1999年就启动了物联网核心传感网技术研究，研发水平处于世界前列； 第二，在世界传感网领域，我国是标准主导国之一，专利拥有量高； 第三，我国是目前能够实现物联网完整产业链的国家之一； 第四，我国无线通信网络和宽带覆盖率高，为物联网的发展提供了坚实的基础设施支持； 第五，我国已经成为世界第二大经济体，有较为雄厚的经济实力支持物联网发展。,1
18、3.4.3物联网的应用,根据其实质用途可以归结为三种基本应用模式： （1）对象的智能标签。通过二维码，RFID等技术标识特定的对象，用于区分对象个体，例如在生活中我们使用的各种智能卡，条码标签的基本用途就是用来获得对象的识别信息；此外通过智能标签还可以用于获得对象物品所包含的扩展信息，例如智能卡上的金额余额，二维码中所包含的网址和名称等。 （2）环境监控和对象跟踪。利用多种类型的传感器和分布广泛的传感器网络，可以实现对某个对象的实时状态的获取和特定对象行为的监控，如使用分布在市区的各个噪音探头监测噪声污染，通过二氧化碳传感器监控大气中二氧化碳的浓度，通过GPS标签跟踪车辆位置，通过交通路口的摄
19、像头捕捉实时交通流程等。 （3）对象的智能控制。物联网基于云计算平台和智能网络，可以依据传感器网络用获取的数据进行决策，改变对象的行为进行控制和反馈。例如根据光线的强弱调整路灯的亮度，根据车辆的流量自动调整红绿灯间隔等。,习题13,1. 你如何理解物联网？ 2. 什么是智能芯片？门卡、公交卡属于智能芯片吗？ 3. 物联网中典型的感知技术有哪些，它们有什么特点？ 4. RFID系统中如何确定所选频率适合实际应用？ 5. 什么是RFID中间件以及RFID中间件的作用？ 6. 简述RFID各频段的主要应用现状? 7. 目前，常见的二维码有哪些？ 8. 如何区分二维码的技术的好坏？ 9. 简述传感器节点的构成，以及各组成部分的作用？ 10. 简述M2M涉及到5个重要的技术部分的特点。 11. 简述ZigBee的结构三大组成部分的特点。,
