物联网重点

物联网重点

物联网概述

IBM组织 彭明盛 提出智慧地球 温家宝 无锡 感知中国

一般定义:

物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体,让所有能够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

核心技术

感知识别层

包括RFID 无线传感器等信息自动生成设备，也包括各种智能电子产品用来人工生成信息

信息生成方式多样化

网络构建层

把感知识别层数据接入互联网,供上层服务使用。

网络构建层在物联网四层模型中连接感知识别层和管理服务层,具有强大的纽带作用,高效、稳定、及时、安全地传输上下层的数据。

管理服务层

管理服务层解决数据如何存储(数据库与海量存储技术)、 如何检索(搜索引擎)、如何使用(数据挖掘与机器学习)、 如何不被滥用(数据安全与隐私保护)等问题。

综合应用层

应用

特征

普通对象设备化

自治终端互联化

普适服务智能化

主要特点

感知识别普世化

异构设备互联化

联网终端规模化

管理调控智能化

应用服务链条化

经济发展跨越化

十大应用

1）智能家居2）智能医疗3）智能环保4）智能交通5）智能城市6）智能司法7）智能物流8）智能校园9）智能农业10）智能电网或者列出十二五中的的十项。

RFID与自动识别技术

定义：自动识别技术就是应用一定的识别装置,通过被识别物品和识别装置之间的接近活动,自动地获取被识别物品的相关信息,并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。

典型：

生物计量识别＝》指纹识别 虹膜识别 ｜ 语音识别 光符号识别 条形码技术 IC技术

条形码技术－

条形码或条码(Barcode)是将宽度不等的多个黑条(或黑块) 和空白,按照一定的编码规则排列,用以表达一组信息的 图形标识符

一维条形码特点:

可直接显示内容为英文、 数字、简单符号;

贮存数据不多,主要依靠 计算机中的关联数据库;

保密性能不高;

损污后可读性差。

二维条形码特点:

可直接显示英文、中文、数 字、符号、图型;

贮存数据量大,可存放1K字 符,可用扫描仪直接读取内

容,无需另接数据库;

保密性高(可加密),

安全级别最高时,损污50% 仍可读取完整信息。

ic技术

特点:存储容量大、安全保密性好、CPU卡可对数据进行 加解密

射频识别技术 RFID 重要

定义：射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)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识别目的。

例子 门禁 物料管理 产品管理 自动识别馆藏

优势与特点（重要）

快速扫描

体积小型化、形状多样化

抗污染能力和耐久性

可重复使用

穿透性和无屏障阅读

数据的记忆容量大

安全性

基本组成 读写器 （电子）标签 天线（重要）

电子标签(Tag)又称为射频标签、应答器或射频卡。电子标签附着在待识别的物品上,每个电子标签具有唯一的 电子编码,是射频识别系统真正的数据载体。

电子标签由标签专用芯片和标签天线组成。

电子标签的发展趋势

体积更小;成本更低;作用距离更远;

无源可读写性能更加完善;适合高速移动物体的识别;

多标签同时读写功能;电磁场下自我保护功能更完善;

智能性更强;加密特性更完善;

带有其他附属功能的标签;具有杀死功能的标签;

新的生产工艺;带有传感器功能。

读写器(Reader)是RFID系统最重要也是最复杂的一个组件,是读取和写入电子标签内存信息的设备。

读写器的主要功能

与RFID标签通信

与计算机通信

能够实现在有效读写区域内对多个RFID标签同时读写的能

力

能够对固定或移动RFID标签 进行识别与读写

能够校验读写过程中错误信息

能够识别有源RFID标签与电池相关的电量信息

读写器由射频模块、控制处理模块和天线三部分组成

阅读器需要注意的问题

标签身份识别与标签数据传输加密/解密问题

标签数据传输错误问题

多标签读取过程中的“碰撞”问题

有源标签电源状态管理问题

标签与天线位置对读写效果的影响

天线是用来发射或接收无线电波的装置和部件。是一种能 够有效地向空间某特定方向辐射电磁波或能够有效地接收 空间某特定方向来的电磁波的装置

低频系统:

30kHz-300kHz,常见工作频率125kHz和134.2kHz,用于短距离、数据量低的RFID系统

高频系统:3MHz-30MHz,其中13.56MHz使用广泛,标签内存比较大

微波系统:频率>300MHz,如433MHz、860/960MHz,应用于多个 电子标签同时进行操作、较长的读写距离、高速读写速度的场合

读写器和电子标签之间射频信号的传输主要有两种方式,

一种是电感耦合方式,一种是电磁反向散射方式

条形码技术与RFID的主要区别（重要）

最大区别：条形码是“可视技术”，扫描仪在人的指导下工作，只能接收它视野范围内的条形码；射频识别不要求看见目标，射频标签只要在接受器的作用范围内就可以被读取。

条形码缺点：如果标签被划破，污染或是脱落，扫描仪就无法辨认目标。条形码只能识别生产者和产品，并不能辨认具体的商品，贴在所有同一种产品包装上的条形码都一样，无法辨认哪些产品先过期；更重要的是目前全世界每年生产超过五亿种商品，而全球通用的商品条形码，由十二位排列出来的条形码号码已经快要用光了。而rfid没有此类缺点

有无写入信息或更新内存的能力。条形码的内存不能更改。射频标签不像条形码，它特有的辨识器不能被复制。

标签的作用不仅仅局限于视野之内，因为信息是由无线电波传输，而条形码必须在视野之内。由于条形码成本较低，有完善的标准体系，已在全球散播，所以已经被普遍接受，从总体来看，射频技术只被局限在有限的市场份额之内。

RFID比条形码贵很多

条码与RFID之功能比较（非常重要）

功能 条形码 RFID射频技术

读取数量 ｜一次一个｜ 一次多个

读取方式 直视标签，读取时需要光线｜ 不需特定方向与光线

读取距离 约50公分 1-10公尺（依频率与功率而定）

数据容量 储存数据的容量小 储存数据的容量大

读写能力 条码数据不可更新 电子数据可以反复被覆写（R/W）

读取方便性 读取时须清楚可读 标签隐藏于包装内同样可读

数据正确性 人工读取，增加疏失机会 可自动读取数据以达追踪与保全

抗污性 条形码污染，则无法读取信息 表面污损不影响数据读取

不正当复制 方便容易 非常困难

高速读取 读取数据将限制移动速度 能高速读取资料

成本 低 高

传感器技术

传感器(sensor)是由敏感元件和转换元件组成的一种检测装置, 能感受到被测量,并能将检测和感受到的信息,按一定规律变换成为电信号(电压、电流、频率或相位)输出,以满足感知 信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。（典型代表为无线传感器）

Ad hoc网络的特点: （点对点模式）

自组织与独立组网

无中心

多跳路由

动态拓扑

无线传输的局限与节点能量的限制性

网络生存时间的限制

应用：智能尘埃(Smart Dust)

无线传感器网络特点（系统架构特点 重要）

网络规模大小与具体应用相关

自组织网络

拓扑结构动态变化

以数据为中心

无线传感节点的组成:电池、传感器、微处理器、无线通信芯片;（重要）

制约因素：功耗的制约 价格的制约 体积的制约

供能装置 太阳能 电池

定位系统

典型系统：GPS 蜂窝基站（单基站定位－》coo定位 多基站定位 ToA／TDoA定位 其它 AoA定位 RSS定位 新兴：A－GPS 无线AP定位 ）

卫星定位:GPS

蜂窝基站定位

无线室内环境定位

新兴定位系统:A-GPS,网络定位

GPS主要构成

宇宙空间部分

地面监控部分

用户设备部分

GPS定位流程)

测的接收机与三个GPS卫星之间的距离，然后通过三点定位方式确定接收机位置

定位依据的是空间几何三点定位原理:“交会法” 定位（基本原理）

已知一颗卫星的位置和接收器到它的距离,就可以确定接收器在

一个球面上。

已知两颗卫星的位置和接收器到它们的距离,就可以确定接收器

在一个环上。

如果知道三颗卫星的位置和接收器到它们的距离,通常可以确定接收器一定位于两点之一。若排除一点接收器的位置就确定了

定位主要过程是: （基本原理）

首先,根据卫星广播的星历,计算出第i颗卫星的准 确位置xi,yi,zi;

其次,根据测量的码伪距或相位的伪距,计算出用 户与第i颗卫星之间的相对距离;

最后,根据导航方法计算出用户的三维位置x,y,z。

主要优缺点

优点

精度高

全球覆盖,可用于险恶环境

缺点

启动时间长

室内信号差

需要GPS接收机

蜂窝基站定位(紧急电话定位)

单基站定位 COO定位(Cell of Origin)

- 将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置

- 精度直接取决于基站覆盖的范围

- 基站分布疏松地区,一个基站覆盖范围半径可达数公里,误差巨大

优点:简单、快速,适用紧急情况

对比

基站

精度低

定位快

成本低

耗电少

限制少

GPS

精度高

定位慢

成本高

耗电高

限制多

定位技术的关键:

有一个或多个已知坐标的参考点

得到待定物体与已知参考点的空间关系

定位技术的两个步骤:测量物理量→根据物理量确定目标位置

常见定位技术:

基于距离的定位(ToA)-基于到达时间

基于距离差的定位(TDoA)-基于到达时间差

基于信号特征的定位(RSS)

ToA/TDoA定位法

TOA(Time of Arrival,到达时间)

TDOA(Time Difference of Arrival,到达时间差) 需要三个基站才能定位

稀疏地区可能只能收到两个基站的信号,不适用

• AoA定位法

• AOA(Angle of Arrival,到达角度)

• 是一种两基站定位方法,基于信号的入射角度进行定位

• 为了测量电磁波的入射角度,接收机必须配备方向性强的天线阵列

无线室内环境定位（wifi定位）

室内环境的复杂性
• 多径效应
原因:障碍物反射电磁波,反射波和原始波在接收端混叠
室内障碍物众多,多径效应明显

• 对电磁波的阻碍作用
长波信号(GPS)传播能力强,穿透能力弱
室内应选用短波信号来进行定位

无线AP定位
利用可见Wi-Fi接入点来定位
每一个无线AP都有一个全球唯一的MAC地址,并且一般来说无线AP在一段时间内是不会移动的
设备在开启Wi-Fi的情况下,即可扫描并收集周围的AP信号,获取到AP广播出来的MAC地址
设备将这些能够标示AP的数据发送到位置服务器,服务器检索出每一个AP的地理位置,并结合每个信号的强弱程度,计算出设备的地理位置并返回到用户设备
位置服务商要不断更新、补充自己的数据库

RSS定位技术

使用信号强度进行定位

利用已有的无线网络(蓝牙、Wi-Fi、ZigBee) • 红外线、超声波、蓝牙、RFID、超宽带……

定位技术的关键:

有一个或多个已知坐标的参考点

得到待定物体与已知参考点的空间关系

定位技术的两个步骤:测量物理量→根据物理量确定目标位置

基于距离的定位 见图

－ 基于距离差的定位 这一部分 详见ppt

互联网

为何需要分层 网络规模庞大 互联网功能细化

协议：定义层与层之间信息交互的规则 语法 以及接受后作出的反应

5层：：

应用层 为互联网提供上层接口 提高扩展性 ftp email telnet 报文

传输层 将应用层产生的报文包装，进入下一层传送 tcp udp 数据段

网络层 将数据发送终端传输层产生的数据段，成功的传送到接收终端 ip 数据包

链路层 两个直连网络设备直接到痛心 设备驱动程序和接口卡 帧

物理层 将链路层产生的数据帧按比特的顺序，从一个网络原件沿着传输介质发送到另一个与其直接相连的网络原件 网络设备 比特

了解下 103-105页内容

传输层

传输层是网络终端经过网络进行通信时的第一个端到端的 层次。

传输层为应用层程序或协议建立起虚拟的端到端传输通路

传输层协议：udp协议

UDP协议:用户数据包协议(User Datagram Protocol),为传输层提 供简单的不可靠的信息传输服务

协议特点

数据通讯不需要建立连接→较小的启动延迟

数据通讯不需要维护连接状态→少量的资源消耗

轻量级的通讯开销→较短的数据包格式

应用场合

网络电话,网络视频等数据包延迟造成的危害通常大于数据包丢失 的危害的应用

传输层：tcp协议

TCP协议:传输控制协议(Transmission Control Protocol),为上层应用提供可靠的、基于字节流的传输服务

由于TCP协议所基于的网络层协议(IP协议)不提供可靠传输保障,

传输的可靠性完全是由TCP所包含的各种机制实现的。

可靠性传输实现机制

数据分割

数据编号

接收反馈

协议特点

面向连接的传输:需通信双方维护连接的状态。

可靠性传输:确保传输不出现丢失和乱序。

流控制:匹配发送端和接收端的速率。

拥塞控制:避免网络过于拥挤,考虑了不同通信方之间的

公平性

三次握手

第一次握手:

由请求者发起,客户端发起的第一次握手报文称为SYN报文,其中包含发起者第一个真正数据报文的起始编号。

第二次握手:

服务器收到SYN报文后发送给客户端的确认信息,称为SYNACK

报文,完成第二次握手后,服务器分配网络资源和带宽。

第三次握手:

由客户端发送,包含客户端想从服务器获取的数据资源,服务器

收请求后,TCP连接成功建立。

网络层：路由器

无线宽带网络

1.无线网络组成元素

1. 无线网络用户

2. 基站 将用户与公共基础网络相连的设备

3. 无线连接

4. 自组网 －无须基站  地址指派 路由选择等功能由用户自身完成

无线连接的特点

信号强度衰减

无线信号能量随着传输距离增长而减弱。

非视线传输

若发送者与接收者之间的路径部分被阻挡,则称其为非视线传输。

无线信号可能会被阻挡物吸收或迅速衰减。

信号干扰

相同无线频段的信号会相互干扰,例如2.4GHz。

外部环境的电磁噪声,例如微波炉、汽车、高压电线。

多径传播

无线信号由于阻挡物的反射和折射,到达接收端的时间可能略微不同

无线宽带网络和有线宽带网络的主要区别在于数据链路层和物理层

无线连接中存在的问题

隐藏终端问题－由于距离太远而导致一个节点无法检测到介质竞争对手的存在

暴露终端问题－ 由于侦听到其他节点的发送而误以为介质忙导致不能发送

无线局域网:无线局域网是以无线电波或红外线等无线传输媒体为通 信介质的局部区域计算机网络。无线局域网与有线计算 机局域网络的主要区别在于其传输媒体以及与之有关的 媒体访问控制(MAC)协议

无线局域网最重要的规范由IEEE 802.11工作组开发。

不同802.11协议的差异主要体现在使用频段,调制模式 和信道差分等物理层技术上

尽管物理层使用技术差异很大,一系列IEEE802.11协议的上层架 构和链路访问协议是相同的。如MAC层都使用带冲突预防的载 波监听多路访问(CSMA/CA)技术,数据链路层数据帧结构相 同以及都支持基站和自组织两种组网模式

802.11架构

基本服务组(Basic Service Set,BSS)是802.11架构中最重要的组成部分。

基站模式

无线用户(笔记本电脑、PDA、台式机等):通过与接入点相关联获 取上层网络数据。

接入点(基站):通过有线网络设备(交换机/路由器)连入上层公共 网络。“无线路由器”是接入点和路由器功能的结合体。

自组织模式

无线用户:每个无线网络用户既是数据交互的终端也是数据传输过程 中的路由。

信道:

802.11b/g:将85MHz的频宽分为11个不同频段的信道。

接入点管理者会为每个接入点指定信道。

不相互干扰的信道中间须隔4个或4个以上其他信道

用户与接入点关联(基站模式):

接入点广播的“识别帧”(包含了接入点的MAC地址和服务集表示符)

用户根据收到的“识别帧”选择与其中一个接入点建立关联

识别帧扫描方式:

被动扫描,接入点周期性广播“识别帧”。

主动扫描,首先无线用户主动广播“探测帧”,然后收到“探测帧” 的接入点以“回应帧”响应,最后用户根据“回应帧”选择接入点。

802.11介质访问控制

三大功能 可靠数据传递 访问控制 安全

CSMA/CA

载波侦听

－ 冲突避免 随机后退算法 优先级确认协议

无线城域网使用802.16协议

架构

架构与802.11基站模式类似

基站以点对多点连接为用户 提供服务。这段被称为“最后一英

里”(Last Mile)。

基站之间或与上层网络以点对点连接(光纤、电缆、微波)相连。 称为“回程”(Backhaul)。

频段

10~66GHz(适合视线传输,作为 回程连接载波)

2~11GHz(适合非视线传输,用 于最后一英里传输)

802.11协议的上层 mac层都是用冲突预防的载波监听多路访问技术

下面的都是介质访问控制协议内容

CSMA :用在发送数据之前先监听信道，如果信道被占用则不发送数据

CA:要求建立数据链路层，确认／重传机制以避免冲突

CD：检测冲突

CSMA/CA 即使侦听到信道唯恐，也为了避免冲突而等待一小段随机时间后，再发送数据帧。

CSMA/CD 当用户监听到信道为空时，立即发送数据，并且在发送数据的同时监听信道，如果此时它检测到了和其它用户的数据传输信号发生了冲突，则立即停止传输并随即等待一小段时间后重新传输。

802.11 使用csma／ca 原因：冲突侦测需要全双工的信道 存在无线信号衰减特性和隐藏终端问题

隐藏终端问题见书138 与图

无线低速网络

802.15.4 zigbee协议 目标是实现低功耗、低复杂度、低速率、自组织的短距离无线通信网络

工作频率:2.4GHz、868MHz(欧洲)、915MHz(美国)

速率:250Kbps、20Kbps、40Kbps

特点:

– 低功耗

– 低成本

– 时延短

– 网络容量大 – 可靠、安全

降低功耗

无线收发器件(radio transceiver)工作时通常处于三种状态(发送,侦听,空闲状态),发送和侦听状态为工作状态,空闲状态也会浪费能量。

低功率侦听协议

采样侦听

链路层调度

采样侦听

无线收发模块在没有数据的时候关闭

定时采样获取信道的信息

移动通信网络

发展历程

第一阶段:早期专用移动通信阶段

1928年,美国普度(Purdue University)大学的学生发明了超外差无 线电接收机,随后被美国底特律警察局利用并建立了世界上第一个 移动通信系统(车载无线电系统)。

第二阶段:从专用移动通信网向公用移动通信网过渡 阶段

1946年,贝尔系统在圣路易斯建立起了第一个可用于汽车的电话系 统。

西德、法国和英国分别于1950年、1956年和1959年完成了公用移动 电话系统的研制。

第三阶段:移动通信系统改进与完善的阶段

20世纪60年代,美国开始使用中小容量的改进移动电话系统IMTS。 实现了自动选频与自动接续

第四阶段:移动通信蓬勃发展阶段

1978,贝尔实验室研制成功先进移动电话系统AMPS,建成了公用移

动通信网,大大提高了系统容量。83年正式在芝加哥投入商用。

其它国家相继开发出公用蜂窝移动通信网,蜂窝移动通信网进 入实际应用阶段

第五阶段:移动通信技术进入成熟和快速发展阶段

20世纪90年代至今第一代模拟语音通信,2G,3G ,4G

代际区别

第一代移动通信:模拟语音

第二代移动通信:数字语音（GSM CDMA ）

支持传统语音通信、文字和多媒体短信

支持一些无线应用协议

GSM是一种蜂窝网络系统,蜂窝单元按照半径可以分为:

宏蜂窝:覆盖面积最广,基站通常在较高的位置,例如山峰

微蜂窝:基站高度普遍低于平均建筑高度,适用于市区内

微微蜂窝:室内,影响范围在几十米以内

伞蜂窝:填补蜂窝间的信号空白区域

GSM后台网络系统包括以下模块系统:

基站系统,包括基站和相关控制器

网络和交换系统,也称为核心网,负责衔接各个部分

GPRS核心网,可用于基于报文的互联网连接,为可选部分

身份识别模块,也称为SIM卡,主要用于保存手机用户数据

CDMA在蜂窝移动通信网络中的应用容量在理论上可以达到AMPS

容量的20倍。CDMA可以同时区分并分离多个同时传输的信号。

CDMA有以下特点:

抗干扰性好

抗多径衰落

保密安全性高

容量质量之间可以权衡取舍

同频率可在多个小区内重复使用

第三代移动通信:数字语音与数据 速度更快 可提供移动宽带多媒体业务

我国采用的三种3G标准分别是:

TD-SCDMA

W-CDMA

CDMA2000

3G技术的特点

3G支持高速语音与数据信号的混传,可以同时支持高速、实时数

据业务,以及基本的语音业务

3G支持高速接入业务,室内数据传输速率可以达到2Mbps,在慢 步步行时可以达到384kbps,在高速移动环境中可以达到144kbps

3G能够在全球范围内更好地实现无线漫游,提供网页浏览、电话 会议、电子商务、音乐、视频等多种信息服务

3G也要考虑与已有2G系统的兼容性

4G能够以100Mbps的速度传输高质量的视频图像数据,通话只

是4G手机一个基本的功能

4G终端可以实现一台便携式计算机、便携式电视机很多重要的

功能

4G移动通信系统具备全球漫游、接口开放、终端多样化,能与 2G、3G系统兼容

大数据与海量储存

大数据的4v特征

体量Volume

多样性Variety

价值密度Value

速度Velocity

“大量化(Volume)、多样化(Variety)、快速化(Velocity)、价值密度低(Value)”就是 “大数据”的显著特征,或者说,只有具备这些特点的数据,才是大数据

（网络储存体系结构）1直接附加存储 特点：在存储设备和主机总线适配器之间不存在其它网络设备 优点：管理容易 成本较低 结构也相对简单 缺点：1.文件服务器成为整个系统存储系统的瓶颈 2. 读写能力成为数据传输乃至整个系统的瓶颈 3. DAS设备通常是孤立的，而这种孤立造成了对存储资源利用率低 资源共享能力缺失的问题

直接附加存储(Direct-Attached Storage, DAS)

将存储系统通过缆线直接与服务器或工作站相连

一般包括多个硬盘驱动器,与主机总线适配器通过电缆或光纤

在存储设备和主机总线适配器之间不存在其他网络设备

实现了计算机内存储到存储子系统的跨越

（网络储存体系结构）2网络附加存储(Network Attached Storage, NAS)

文件级的计算机数据存储架构

计算机连接到一个仅为其它设备提供基于文件级数据存储服务的网络

NAS与DAS的区别 DAS是一种对已有服务器的简单扩展,并没有真正实现网络互联。NAS则是将网络作为存储实体,更容易实现文件级别的共享。NAS性能上比 DAS有所增强

（网络储存体系结构）3存储区域网络 (Storage Area Network, SAN)

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

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。

储存架构应用分类

SAN: 提供可用性、可管理性和扩展性

目标应用:• 数据库/ERP/OLTP • 灾难恢复• 数据仓储

NAS: 易于安装和管理,低价位,

目标应用:• 文件服务器集中/更换 • PDM/CAD• 文件共享

DAS: 只适用于小型商务