物联网感知层结构研究 毕业论文.doc

本论文只提供格式上的参考,内容上请勿信 学号：2008011276 家里蹲大学 学士学位论文 题 目： 物联网感知层结构研究 学 生：丹丹 指导教师：东哥 讲师 年 级：2008级 专 业：计算机工程与应用 系 别：信息工程系 学 院：计算机科学与信息工程学院 学 士 学 位 论 文 题 目： 物联网感知层结构研究 学 生： 丹丹 指导教师：东哥 讲师 年 级：2008级 专 业：计算机工程与应用 系 别：信息工程系 学 院：计算机科学与信息工程学院 家里蹲大学 2012年5月 摘 要：物联网是现今整个信息化产业的新宠和发展方向，是“智慧地球”实现的技术关键。我国提出了“感知中国”的国家战略计划，将物联网作为新的科技革命以推进社会变革,，使其成为创新型经济的巨大推动力。物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点，其应用范围几乎覆盖了各行各业，在其发展的同时还将带动传感器、微电子、视频识别等一系列产业的同步发展，带来巨大的产业集群生产效益。 物联网分为感知层、网络层和应用层，感知层由各种具有感知能力的设备组成，主要用于感知和采集物理世界中发生的物理事件和数据。感知层至关重要, 是物物相连的基础, 是实现物联网的最底层技术。物联网感知层是物联网络建立的基础，深入的了解物联网感知层的网络层部分为建立低成本、高效、灵敏的物联网络提供一定的一局。因此，这片论文将针对于物联网的感知层结构，以及感知层中网络层的相关探讨研究。将网络看成是双子代数下的线性DEDS系统，研究了双子代数尤其是极大代数理论在计算机网络建模与性能分析中的应用。采用极大代数分析了令牌桶的输入输出特性，得到了( b，ρ) 令牌桶在极大代数下的状态空间方程组与传输矩阵；提出了基于极大代数的网络演算，定义了极大到达曲线与极大服务曲线，利用这两个概念得出了极大代数下有关延迟以及输出流突发性的定理。最后采用基于极大代数的网络演算对非抢占优先级多路复用以及保证速率服务器两个模型进行了分析，得出了两种模型各自在极大代数网络演算下的服务曲线。本文还把基于极大代数的网络分析方法与基于极小代数的分析方法进行了比较，阐明了基于极大代数方法的优点与适用场合。 关键词：物联网；感知层；双子代数；线性DEDS系统 目录 第一章 绪论 1 1.1 物联网感知层结构研究的目的与意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 本章小结 1 第二章 物联网概述 2 2.1物联网的发展 2 2.2物联网的定义 2 2.3物联网的基本特征 3 2.4物联网其他相关概念 4 2.4.1智慧的地球 4 2.4.2感知中国 4 2.4.3MZM系统 4 2.5 物联网的发展历程 4 2.6国内外物联网产业现状及发展趋势 6 2.6.1产业现状 6 2.6.2 发展趋势 7 2.7 本章小结 7 第三章 物联网感知层标准体系架构 8 3.1 技术术语 8 3.2 需求分析 8 3.4 接口 9 3.4.1传感器接口 9 3.4.2数据类型和格式 10 3.5 通信和网络标准 10 3.5.1物理层 10 3.5.2MAC 层 10 3.5.3网络层 10 3.5.4主干网接入层 11 3.6 网络管理 11 3.7 移动支持 11 3.8 协同信息处理 11 3.9 信息服务支持 12 3.9.1信息描述 12 3.9.2信息存储 12 3.9.3信息标识 12 3.9.4目录服务 12 3.10 服务质量 12 3.11 中间件功能 13 3.12 网络安全与隐私 13 3.13 一致性和互用性测试 13 3.14 应用层面 13 3.15 本章小结 15 第四章 离散事件动态系统的理论与应用 15 4.1离散事件动态系统概述 15 4.1.1离散事件动态系统 (DEDS) 的主要特征 16 4.1.2 DEDS 研究中建模和控制问题 16 4.2DEDS 的逻辑层次模型及其理论进展 16 4.2.1基于事件反馈的R-W 监控理论 17 4.2.2 Petri网理论 17 4.2.3 其它逻辑层次的模型 17 4.3时间层次模型及其理论进展 17 4.4 统计性能层次模型及理论发展 18 4.5 DEDS理论的应用及发展趋势 18 4.6离散事件动态系统结构 19 4.7离散事件动态系统的组合 20 4.7.1层次组合方式 20 4.7.2并列组合方式( Juxtaposed connection) 22 4.8 D E D S 理论在若干领域中的应用 23 4.9 本章小结 24 第五章 基于双子代数理论的网络建模与分析 24 5.1 双子代数的定义 25 5.2基于极大代数的令牌桶分析 25 5.2.1 网络模型 25 5.2.2 极大与极小分析方法的比较 26 5.2.3 令牌桶的输出 27 5.3 基于极大代数的网络演算理论 28 5.4理论应用实例 30 4.4.1 非抢占优先节点 30 5.4.2基于极大代数的网络演算在GR 节点性能分析中的应用 31 5.5 本章小结 32 第六章 物联网传感网络安全协议研究 32 6.1 无线传感网络综述及研究现状 32 6.2 安全协议形式化研究综述 34 6.2.1 安全协议设计的困难性 34 6.2.2 形式化方法设计 35 6.2.3 形式化方法分析 36 6.2.4形式化方法验证 37 6.2.5形式化方法定理证明 37 6.3 物联网传感网络建模 37 6.3.1 物联网传感网络特点 38 6.3.2 物联网传感网络建模 38 6.3.3 物联网传感网络建模分析 40 6.3.4 物联网传感网络通信主体的抽象 41 6.4 本章小结 42 总结 42 参考文献 43 Abstrct 45 第一章 绪论 1.1 物联网感知层结构研究的目的与意义 物联网是现今整个信息化产业的新宠和发展方向， 是“智慧地球”实现的技术关键。我国提出了“ 感知中国”的国家战略计划，将物联网作为新的科技革命以推进社会变革,，使其成为创新型经济的巨大推动力。物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点，其应用范围几乎覆盖了各行各业，在其发展的同时还将带动传感器、微电子、视频识别等一系列产业的同步发展，带来巨大的产业集群生产效益。6月22日在上海开幕的2010中国国际物联网大会指出，物联网将成为全球信息通信行业的万亿美元级新兴产业。到2020年之前，全球接入物联网的终端将达到500亿个。物联网的发展将引领新的技术浪潮。 物联网分为感知层、网络层和应用层，感知层由各种具有感知能力的设备组成，主要用于感知和采集物理世界中发生的物理事件和数据。感知层至关重要, 是物物相连的基础, 是实现物联网的最底层技术。物联网感知层是物联网络建立的基础，深入的了解物联网感知层的网络层部分为建立低成本、高效、灵敏的物联网络提供一定的一局。因此，这片论文将针对于物联网的感知层结构，以及感知层中网络层的相关探讨研究。 1.2 国内外研究现状 在当前，物联网发展进程中，技术趋势呈现出融合化、嵌入化、可信化和智能化的特征，管理应用趋势呈现出标准化、服务化、开放化和工程化的特征。在国家重大科技专项、国家自然科学基金和"863"计划的支持下，国内新一代宽带无线通信、高性能计算与大规模并行处理技术、光子和微电子器件与集成系统技术、传感网技术、物联网体系架构及其演进技术等研究与开发取得重大进展，先后建立了传感技术国家重点实验室、传感器网络实验室和传感器产业基地等一批专业研究机构和产业化基地，开展了一批具有示范意义的重大应用项目。 物联网产业正在逐步成为各地战略性新兴产业发展的重要领域。例如：在能源行业，作为智能电网发展的一部分，智能电表将会通过无线、有线或电力线连接近于实时地报告电力消费情况，以便对电网进行更高效的管理；在运输行业，消费性汽车市场上很快就会出现追踪与维护监控设备的服务。在安全与监视领域，将有2060万部设备相互连接，这一数量包括民用与工业设备，年增长率为37%；在医疗领域，到年底将有150万部设备相互连接，增长率为20%至25%。这些设备通常被佩戴在病人身上以长期监控身体健康情况，如建议心脏病病人何时吃药的设备。在未来的一段时间内，我们将深刻的感受到物联网给我们生活带来的巨大改变。 1.3 本章小结 本章针对本课题研究的目的、意义及国内外研究现状做了简单介绍，接下来各章节将针对物联网、感知层、离散事件动态系统、双子代数、传感网络安全做进一步介绍。 第二章 物联网概述 近年来，物联网成为炙手可热的名词，许多人预言物联网将彻底改变人们的生活方 式，带动万亿级的产业发展，成为信息化发展的新的推动力量。但是究竟什么是物联网? 它离我们还有多远？如何实现在使用方便的同时保证数据的授权使用和传输的安全？ 本章节对物联网的发展、定义作了简单的介绍。 2.1物联网的发展 根据ITU的描述，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息、与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。物联网概念的兴起很大程度上得益于国际电信联盟(IT功2005年以物联网为标题的年度互联网报告。然而，ITU的报告对物联网缺乏一个清晰的定义。有专家认为，物联网就是一张传感网，连接着各种不同的传感器、大29读写器和Tag物联网传感网络安全协议形式化研究标签、以及其他嵌入式智能设备，其可不必接入互联网，例如上海浦东机场的传感器网络，以及广州出租车五几M/GPS网络等。 另外一些专家认为互联网是物联网的一部分L101，是互联网的延伸和扩展，Internet 把电脑终端连接在了一起，Internet of things把Internet扩展到了物品身上，使得物品也具有了通信和交流的能力。 从宏观意义说，物联网将会将人们置身于一个无处不在的网络中，人们可以随时随 地的跟周围的人或物品交换信息。 2.2物联网的定义 物联网(Internet Of Things，IOT)，自被提出至今，还没有统一的文字概念，对它的定义都偏重在对功能和特点的描述上，主要有以下几种定义: （1）目前比较常用的表述: 通过RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。这种定义有两层意思:第一，物联网的核心和基础仍然是互联网;第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。 （2）2005年工TU发布了《ITU互联网报告2005:物联网》给出的定义如下： “By embedding short一range mobile transceivers into a wide array of additional gadgets and everyday items，enabling new forms of communication between People and things，and between things themselves. From anytime，anyplace connectivity for anyone，we will now have connectivity for anything.”“物联网包括人与物、物与物之间的连接，即在任何时间，任何地点，任何物品间都可以进行通信”。即随时随地实现人与人(通过PC和非PC)，人与物，物与物之间的交互。 （3）基于RFID技术应用的定义如下： 物联网是基于互联网和RF工D技术发展的网络，是在计算机互联网的基础上利用RFID技术，无线通信等技术构成一个覆盖世界万物的网络，实现自动识别，信息互联与实时共享。 （4）基于传感网应用的定义如下： 传感器、数据处理单元和通信单元等节点通过自组织的方式构成的无线网络。 （5）1999年美国麻省理工学院(MIT)提出物联网的概念，是指把所有物品通过射频识别(RFID)等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络。 （6）2009年通过对物联网的跟踪研究，中国移动提出的物联网定义是：对物体具有全面感知能力，对信息具有可靠传送和智能处理能力的连接物体与物体的信息网络。全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的特征。 物联网所涉及的关键技术，比如分布式计算、无线射频技术、传感器、嵌入式智能、无线传输及实时一数据交换和互联网都是目前较为成熟的技术，并在相关领域已得到广泛的应用。物联网的新颖之处在于利用这些技术的交叉与融合，建立一个“物”与“物”相连的网络，从而完成远程实时数据交换与控制，方便人们生产生活。 因此，物联网是互联网(包含移动互联网)的拓展与深化。物联网不是重新建设一套平行于互联网的系统，而是充分利用互联网所提供的信息高速公路，完成自身所具备的实时数据读取、信息交换、远程控制等特色功能。同时，物联网除了交互以外更重要的是通过基于这些交互信息之后提供的智能决策。 2.3物联网的基本特征 物联网的基本功能在于人与人、人与物、物与物之间在任何时间和任何地点都能够通过任何的网络获取任何的服务，物体也赋予了智能化。基本应用大体分为三类:信息识别及位置监控、(环境、物品属性)动态监测类、智能控制类。 物联网的一个突出特点就是将跨行业的物品信息，通过统一的接日标准和标识标准，集中存储、处理，实现跨行业信息资源共享，更广范围的协调处理，让世界变得更有“感知力”，更加“智慧”。 物联网采取集中计算处理和分布式计算处理两种信息处理模式同时采用，极大增强了边缘网络的快速反应能力，物体可嵌入智能芯片，让物品“更智能”，反应速度更快，边缘网络的处理能力更强。 物联网自身具备三个特征： （1）全面感知:即利用RFID，传感器等随时随地获取物体的信息； （2）可靠传递：通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去； （3）智能处理：利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。 2.4物联网其他相关概念 2.4.1智慧的地球 “智慧的地球”理念由IBM公司提出，是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中。是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”。并通过超级计算机和云计算将“物联网”整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而达到“智慧”状态。 2.4.2感知中国 2009年8月7日，温家宝总理在视察中科院无锡高新微纳传感网工程技术 研发中心时中心负责人向总理提出了发展传感网的建议，温家宝提出，至少三件事情可以尽快去做:一是把传感系统和3G中的TD技术结合起来;二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展;三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。感知中国概念由此提出。 2.4.3MZM系统 MZM指应用通信技术实现机器与机器、机器与人之间数据通信和交流的一系列技术及其组合的总称，也是所有增强机器设备通信和网络能力的技术的总称。MZM作为实现机器与机器之间的无线通信手段.为制造业的信息北提供了一科，新的解决思路。MZM业务是目前物联网业务中发展最快的部分，是现阶段物联网普遍的应用形式。 2.5 物联网的发展历程 1995年，《未来之路》一书中已提及物联网的基本思路。 1999年.MIT Auto一ID Center提出物联网(The Internet of things)的概念。 2003年SUN公司发表文章Toward a Global“Internet of Things”介绍了物联网的基本工作流程并提出解决方案。 2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上，国际电信联盟(ITU)发布《ITU互联网报告2005:物联网》，正式提出了物联网概念。 2009年1月23日，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”，其中物联网不可或缺，而奥巴马总统在就职演讲后对“钾慧地球”构想积极回应，表示物联网技术是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式。 2009年8月9日，温家宝总理在无锡视察的时候视察了中科院相应的技术研发中心，对于“物联网”应用提出了三点要求，提出“感知中国”概念。 2009年9月11日，“传感器网络标准工作组成立大会暨‘感知中国’高峰论坛”在北京举行，会上成立了传感器网络标准工作组，为我国将来开展传感网标准制订工作，参与国际标准化、把握信息化浪潮奠定了基础。 2009年9月14日，在中国通信业发展高层论坛上，中国移动总裁王建宙表示物联网商机无限，移动将以开放姿态，与各方竭诚合作。 2009年9月21日，工信部在相关会议上，首次明确提出要进一步研究建设物联网、传感网，加快传感中心建设，推进信息技术在工业领域的厂‘泛应用，提高资源利用率、经济运行效益和投入产出效率等。 2009年10月11日，工业和信息化部部长李毅中部长在科技日报上发表题为《我国工业和信息化发展的现状与展望》的署名文章，首次公开提及传感网络，并将其上升到战略性新兴产业的高度，指出信息技术的广泛渗透和高度应用将催生出一批新增长点。 2009年11月3日，温家宝总理在人民大会堂向首都科技界发表了题为“让科技引领中国可持续发展”的讲一话，首度提出发展包括新能源、新材料、生命科学、生命医药、信息网络、海洋工程、地质勘探等七大战略新兴产业的目标，并将“物联网”并入信息网络发展的重要内容，并强调信息网络产业是世界经济复苏的重要驱动力。 从技术发展角度看，传感器网络(Sensor Network)的概念最早由美国军方提出，起源于1978年美国国防部高级研究计划局(DARPA)开始资助卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究项目，当时此概念局限于由若干具有无线通信能力的传感器节点自组织构成的网络。随着近年来互联网技术和多种接入网络以及智能计算技术的飞速发展，2008年2月，ITU—T发表了《泛在传感器网络(Ubiquitous Sensor Networks)》研究报告。在报告中，ITU—T指出传感器网络已经向泛在传感器网络的方向发展，它是由智能传感器节点组成的网络，可以以“任何地点、任何时间、任何人、任何物”的形式被部署。该技术可以在广泛的领域中推动新的应用和服务，从安全保卫和环境监控到推动个人生产力和增强国家竞争力。 移动计算和网络国际会议在1999年就将传感网视为21世纪人类又一个发展机遇；2005年，国际电信联盟(ITU)发布了((ITU互联网报告2005：物联网》，从此“物联网”的概念日渐深入人心。加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等国纷纷加强对传感网研究的投入，“智慧地球”、“U一Japan”、“U一Korea”等项目陆续提出。 我国在此领域布局较早，中科院10年前就启动了传感网研究，传感网标准体系已形成初步框架，目前我国与德国、美国等国一起，成为国际标准制定的主要国家之一。中国电信的M2M平台从07年就开始搭建，建立在其基础上的系统应用横跨物流、交通、节能、环保、消防、车辆跟踪等多个行业。 2.6国内外物联网产业现状及发展趋势 据统计，物联网现阶段的主要形式M2M在2009年全球运营商的业务收入约为15亿美元。而从全球市场的数据分析，预计到2010年M2M市场规模将达到2234亿美元。美国市场研究公司Forrester预测，到2020年，世界上"物物互连"的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比1，仅仅是在智能电网和机场防入侵系统方面的市场就有上千亿美元。因此"物联网"被称为是下一个万亿美元级的信息技术产业。 2.6.1产业现状 目前国际物联网产业的发展现状主要体现在以下几个方面： （1）各国齐头并进，相继推出区域战略规划 当前，世界各国的物联网基本都处于技术研究与试验阶段：美、日、韩、欧盟等都正投入巨资深入研究探索物联网，并启动了以物联网为基础的"智慧地球"、"U-Japan"、"U-Korea"、"物联网行动计划"等国家性区域战略规划。 2009年1月，在美国总统奥巴马与美国工商领袖的"圆桌会议"上，IBM公司CEO提出"智慧地球"的概念，即把传感器放到电网、铁路、桥梁和公路等物体中，能量极其强大的计算机群，能够对整个网络内部人员和物体实施管理和控制。这样，人类可以更加精确地利用动态实施的方式管理生产活动和生活方式，达到"智慧"状态。 2009年5月7、8日，欧洲各国的官员、企业领袖和科学家在布鲁塞尔就物联网进行专题讨论，并作为振兴欧洲经济的思路。欧盟委员会信息社会与媒体中心主任鲁道夫•施特曼迈尔说："物联网及其技术是我们的未来"。2009年6月欧盟发布了新时期下物联网的行动计划。 日本和韩国分别提出了"U-Japan"，"U-Korea"的计划和构想。"U"来自拉丁文"Ubiquitous"意为"无所不在"。日本将物联网列为国家重点战略之一；韩国出台了《基于IP的传感器网基础设施构建基本规划》，将物联网确定为新增长动力。 （2）基础性关键技术RFID，成为市场最为关注技术 2008年全球RFID市场规模已从2007年的49.3亿美元上升到52.9亿美元，这个数字覆盖了RFID市场的方方面面，包括标签、阅读器、其他基础设施、软件和服务等。RFID卡和卡相关基础设施将占市场的57.3%，达30.3亿美元。来自金融、安防行业的应用将推动RFID卡类市场的增长。2010年以来，由于经济形势的好转和物联网产业发展等利好因素推动，全球RFID市场也持续升温，并呈现持续上升趋势，预计2012年，市场规模将达到200多亿美元。与此同时，RFID的应用领域越来越多，人们对RFID产业发展的期待也越来越高。目前RFID技术正处于迅速成熟的时期，许多国家都将RFID作为一项重要产业予以积极推动。 （3）各组织纷纷研究制定相关技术标准，竞争日益激烈 ISO/IEC（国际标准化组织及国际电工委员会）在传感器网络、ITU-T（国际电信联盟远程通信标准化组）在泛在网络、ETSI（欧洲电信标准化协会）在物联网、IEEE（美国电气和电子工程师协会）在近距离无线、IETF（互联网工程任务组）在IPv6（下一版本的互联网协议）的应用、3GPP（第三代合作伙伴计划）在M2M（机器与机器）等方面纷纷启动了相关标准研究工作，竞争日益激烈。 2.6.2 发展趋势 在当前物联网发展进程中，技术趋势呈现出融合化、嵌入化、可信化和智能化的特征，管理应用趋势呈现出标准化、服务化、开放化和工程化的特征。 （1）应用大规模普及，即将成为下一个万亿级产业 物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点，其应用范围几乎覆盖了各行各业，在其发展的同时还将带动传感器、微电子、视频识别等一系列产业的同步发展，带来巨大的产业集群生产效益。6月22日在上海开幕的2010中国国际物联网大会指出，物联网将成为全球信息通信行业的万亿美元级新兴产业。到2020年之前，全球接入物联网的终端将达到500亿个。 亚里士多德曾说过"给我一个支点我可以撬起地球"，而今随着技术的发展，这句豪言完全可以与时俱进地改为"给我一个物联网我可以感知地球"。 （2）欧美市场将引领全球RFID产业发展 2010年以来，随着经济形势的好转和物联网产业发展等利好因素推动，全球RFID市场也持续升温，并呈现持续上升趋势，预计2012年，市场规模将达到212亿美元。其中，欧美市场领先全球，是当前主要的区域市场。 从垂直市场发展来看：飞利浦、西门子等半导体厂商基本垄断了RFID芯片市场；IBM、HP、微软等国际巨头抢占了RFID中间件、系统集成研究的有利位置；Alien、Intermec、Symbol等公司则提供RFID标签、读写器等产品及设备。 从技术标准制定来看：目前，国际上基本形成了RFID五大标准组织，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。 从具体应用推广来看：欧美地区技术应用较成熟。美国的RFID应用已经从军事应用为主，向交通、车辆管理、身份识别和仓储管理等领域延伸；欧洲地区德国、英国、法国和荷兰等RFID产业发展领先国家在交通、身份识别、物资跟踪等领域也有了比较广泛的应用。 2.7 本章小结 本章介绍了物联网的定义、物联网的特征、物联网的发展过程以及物联网的国内外发展趋势等相关内容，使读者对物联网新兴名词有了进一步了解，对于物联网知识各国科学家在不断探索中，本章知识根据现有可查询资料做的一个该要总结。 第三章 物联网感知层标准体系架构 物联网技术体系架构分为感知层、网络层、应用层3个层次。感知层由各种具有感知能力的设备组成，主要用于感知和采集物理世界中发生的物理事件和数据；网络层包括各种通信网与物联网形成的承载网络，可以将感知层感知和采集的数据信息通过现有通信网络（如2G/3G/4G 网络、互联网等）上传给应用层，完成感知层和应用层之间的信息通信；应用层包括业务支撑平台和应用，可以实现物品信息的汇总、协同、共享、互通、分析、决策等功能。作为物联网应用的最前端，感知层的信息感知和采集效果对于物联网功能的有效实现有着决定性的作用，而标准体系架构的研究和实现是完善物联网感知层功能的基础，因此，感知层标准体系架构的研究是必要且紧迫的。物联网感知层不但包含网络、通信、信息处理、传感器、安全、服务技术、标识、定位、同步等传统技术，还涉及到协同处理等新技术，覆盖范围较宽。国际国内相关标准化组织已开始进行物联网感知层的标准架构研究， 但各自的定义不统一，针对性也不同。本章通过对物联网感知层共性需求和特定应用的提炼，提出了一种物联网感知层的标准体系。 物联网感知层标准体系如图3.1 所示， 分为两个层面：基础平台标准和应用层面。 基础平台标准是根据物联网感知层的共同特征和技术需求提炼出来的，包含技术术语、接口、通信与网络、协同信息处理、信息服务支持、网络安全与隐私、一致性和互用性测试等模块。应用层面中的典型应用可以通过对基础平台标准的剪裁进行定制。下面对物联网感知层标准体系的各模块分别进行说明。 3.1 技术术语 为了方便各国以及各组织在物联网感知层研究方面的交流，促进研究发展，需要对物联网感知层中的专用名词和关键技术给予明确定义，形成业界统一的技术术语。 3.2 需求分析 需求分析是对各种感知层应用、服务的特征和功能需求进行提炼，需要从以下3 个方面入手。 · 对感知层应用模型和应用场景进行分析。 · 通过物理层、MAC 层、网络层、应用层等对感知层的服务特征和功能需求进行分析。 · 对感知层的发展前景和相关的标准化项目进行分析。 公共安全 环境保护 医疗看护 工业控制 军事 能源分布 农业 智能运输 智能家居 太空探索 水资源管理 其他 应用层面 基础平台标准 技术术语 需求分析 参考框架 接口 传感器接口 数据类型和结构 通信标准 物理层 链路层 网络层 主干网接入层 网络管理 协同信息处理 性能公告 协同策略规划 通信需求规划 移动支持 信息服务支持 信息描述 信息存储 信息标识 目录服务 服务质量 网络安全与隐私 安全技术 安全管理 安全评估 隐私策略 中间件功能 一致性和互用性测试 一致性测试 互用性测试 性能测试 图3.1 3.4 接口 3.4.1传感器接口 传感器之间存在多种不同传感器接口，这对感知层的兼容性十分不利，因此需要对市场上已有和正在研究的各种传感器接口信息进行调研和搜集，制定统一的传感器接口标准。现在比较常用的传感器模拟和数字接口包括：4~20 mA、0~5 V、SPI、RS-232 等。 3.4.2数据类型和格式 传感器种类和应用场景的不同会导致传感器数据类型和格式的多样化，现在比较常用的数据类型包括音频数据、视频数据、图像数据、文本数据等，编码和压缩后的数据格式包括MPEG、JPEG、ASN.1、XML 等。通过对不同的数据类型和格式进行划分，制定明确的接口定义可以避免在不同传感器和应用场景中出现数据不匹配的情况，提高感知层的应用效率。 3.5 通信和网络标准 感知层的网络协议需要具备自组织、自配置、鲁棒性强、可升级等特点，一些已经应用的通信标准分别包含了以上特点。根据对已有标准的补充和剪裁，将感知层基础平台的通信和网络标准分为4 层：物理层、MAC 层、网络层和主干网接入层。 3.5.1物理层 物理层定义了感知层设备间在物理连接上进行原始数据传输的方法。根据感知层的不同应用需求，物理层包含的技术手段略有差别，一般包含发送频率、调制方法、短距离通信策略、长距离通信策略、低速率传输、高速率传输等手段。感知层设备可以通过有线或无线互连。现有的很多有线和无线通信标准已经比较成熟， 包括RS-232、RS-422、RS-423、RS-485、PLC、HFC、CAN、Ethernet 等有线标准和IEEE 802.15.3、IEEE 802.15.4、蓝牙、CDMA、WLAN 等无线标准。针对感知层特点的通信和网络技术不断涌现，需要把这些技术都考虑进来，根据感知层各种应用的共性需求，制定出最合适的物理层标准，实现感知层设备之间、网关之间、企业网之间的互连。 3.5.2MAC 层 MAC 层保证了感知层设备间的逻辑连接， 通过寻址和信道接入控制实现设备之间的通信。为了弥补物理层数据传输的不可靠性，MAC 层还提供了流量控制、差错检测、差错控制等服务，实现了设备之间数据的可靠传输。与其他网络实体相比，物联网感知层受到能量、通信、存储、计算能力等的限制， 因此MAC 层标准必须实现较高的能效性和较少的数据交互。 现有的一些MAC 层协议并没有考虑到这些限制， 所以并不能有效应用于物联网感知层中， 可以通过对现有MAC 层协议(如CSMA/CA、动态TDMA、S-MAC 等)的扩展性、设备休眠策略、信道接入控制技术、流量和差错控制技术、多路复用技术的研究制定适用于物联网感知层的MAC 层标准。 3.5.3网络层 网络层位于物理层和MAC 层之上，实现了流量控制、差错检测、中继和路由选择等功能。与有线传输相比，无线传输在能量、通信、存储、计算能力等方面的限制对网络层标准提出了更大的挑战，需要结合以下技术才能有效解决这些问题：网络信息的自配置、网络地址和物理地址之间的地址解析、点到点的数据单元传输协议、端到端的数据单元传输协议、感知层设备和网关的时间同步和自定位、不同协议网络的协同工作、路由策略。 3.5.4主干网接入层 无论是网络间的通信，还是与人的交互，物联网感知层都需要接入通信主干网实现其应用。感知层与主干网的接入可以分为有线(如Ethernet 等)和无线(如GSM、3G、4G 等)两种接入方式。主干网接入层协议通过对网关的发送接收和应用程序接口进行定义，实现与主干网的互连，对物联网感知层各种应用的实现起到了决定性的作用。 3.6 网络管理 与现有网络相比， 物联网感知层包含了新的功能单元，而现有的网络管理协议并没有对些功能单元提供支持，可以从以下几个方面着手制定适合物联网感知层的管理协议：在现有网络管理协议(如SNMP、ZigBee 等)的基础上进行拓展，研究新的网络管理协议、拓扑管理协议、不同管理协议协的同工作。 3.7 移动支持 物联网感知层的移动性可以分为4 类： 网关移动、设备移动、用户移动、环境移动。每种移动方式都需要提供相应的支持。感知层内部设备与网关距离较远时， 需要通过多跳实现通信，能耗很大。通过网关移动可以增加网关的覆盖面积，缩短网关与设备之间的距离，有效降低网络的通信能耗。感知层内的设备移动可以通过设备本身的特性实现，也可以通过把设备固定在可移动的物体上实现，无论是通过何种方式实现，都可以降低网络的通信能耗，增加设备的覆盖面积，减少设备的布设数量，从而降低整个网络的布设成本。设备移动可以分为网络内移动和网络间移动。IP 网络中，网内移动的设备可以根据新位置更改内网IP。实现新的对应关系；网间移动的设备需要同时更改网关IP和内网IP，建立与新网络内部设备的通信。 用户移动可以分为两种情况：用户作为终端的移动和用户作为设备的移动。用户作为终端的移动会导致与用户进行通信的网关发生变化， 需要动态切换技术的支持；用户作为设备的移动与设备移动情况类似。环境移动是指感知层周围的环境在某些情况下会发生变化，如天气、空气密度等，感知层的传输、处理等参数也需要随之动态调整。 3.8 协同信息处理 在能量、通信、存储、计算能力受限的物联网感知层中， 协同信息处理对于有效实现网络应用起到了关键作用，可以通过3 个方面建模：性能公告实体(CDE)、协同策略规划实体(CSPE)、通信需求定义实体(CRSE)。性能公告实体在物联网感知层中通过广播公告感知层设备自身的性能；协同策略规划实体通过均衡资源消耗和应用效果寻求最优的协同处理方案；通信需求定义实体作为信息交换的接口，通过对网络参数、网络协议的定义实现物联网感知层中的信息共享。 3.9 信息服务支持 信息服务支持包含信息描述、信息存储、信息标识、目录服务。 3.9.1信息描述 对感知层中传输的信息进行明确定义和描述是感知层协同工作的基本要求，可以利用现有的一些语言和符号(如ASN.1 等)描述信息。 3.9.2信息存储 由于感知层设备本地存储能力不足， 限制了很多应用，自适应数据分解的方法可以有效解决这个问题。感知层根据特定应用的需求，动态地通过信号降采样、数据压缩、减少冗余信息等数据分解方法降低数据存储量，在数据量和数据精度之间进行折衷。 3.9.3信息标识 感知层的信息标识包含传感器设备标识、设备类型标识、信息标识、信息类型标识、应用类型标识等，可以通过已有的一些标准(如OID、URI 等)对这些信息进行标识。 3.9.4目录服务 在感知层数据库中， 每个感知层设备对应一个目录，通过对目录的查找可以更迅速快捷地找到感知层设备的相应信息。感知层目录服务标准的制定可以参考ISO/IEC9594 标准中的目录服务标准。 3.10 服务质量 物联网感知层的配置管理是否合理，功能实现是否有效，是否满足了应用需求，判断的依据是服务质量的衡量。制定合适的服务质量衡量方法对感知层的功能评估十分 重要。应 用场景不同，使用的服务质量衡量方法也不同。根据应用服务模式，可以把感知层分为3 类：时间驱动型、事件驱动型和查询驱动型。时间驱动型应用是指感知层以某一确定时间为周期完成相应的信息感知和信息提供任务，如一些环境监测物联网应用提供较为典型的时间驱动型服务；事件驱动型应用是指感知层以物理世界某一特定事件发生为触发点，完成相应的信息感知和信息提供任务， 是安防物联网应用需要提供的关键服务类型之一；查询驱动型应用是指感知层以来自用户的查询为触发点，依据用户查询需求完成后续的信息感知和信息提供任务，是基于感知层的分布式数据库系统所提供的核心服务之一。 对于以上3 种应用服务模式，可以从