《物聯網技術》課件

第8章物聯網

規(guī)劃設計與建設電子工業(yè)出版社劉化君劉傳清編著《物聯網技術》教材配套課件8/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第1頁

8.1物聯網設計基礎8.1.1物聯網規(guī)劃設計標準8.1.2物聯網規(guī)劃設計步驟8.2物聯網構建8.2.1物聯網應用系統(tǒng)規(guī)劃8.2.2物聯網應用系統(tǒng)設計8.2.3物聯網系統(tǒng)集成8.3物聯網應用系統(tǒng)設計示例8.3.1智能家居物聯網系統(tǒng)應用示例8.3.2工業(yè)智能控制系統(tǒng)應用示例8.4傳感網廣域互聯8.4.1傳感網廣域互聯方式8.4.2基于IPv6互聯接入第8章物聯網規(guī)劃設計與構建/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第2頁8.1物聯網設計基礎

由物聯網英文名InternetofThings可知，物聯網就是物物互聯信息網絡。這么表述有兩層含義：一是物聯網關鍵承載網絡是互聯網；二是物聯網客戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，并能進行數據交換和通信。這里“物”要滿足以下條件才能夠被納入“物聯網”范圍：①有對應信息接收器和發(fā)送器；②要有數據傳輸通路；③有一定存放功效；④有CPU；⑤有操作系統(tǒng)；⑥有專門應用程序；⑦遵照物聯網通信協(xié)議；⑧在網絡中有可被識別惟一編號。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第3頁8.1.1物聯網規(guī)劃設計標準1.實用性和先進性標準2.安全性標準3.標準化、開放性和可擴展性標準4.可靠性與可用性標準/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第4頁8.1.2物聯網規(guī)劃設計步驟1.用戶需求調查與分析2.網絡系統(tǒng)初步設計3．物聯網系統(tǒng)詳細設計4．物聯網系統(tǒng)詳細設計5．系統(tǒng)測試和試運行/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第5頁8.2物聯網構建

當前看來，能夠把物聯網看作是以電子標簽、傳感器等感知設施和EPC碼為基礎，建立在計算機互聯網基礎上物物相聯網絡，傳感網是其最復雜一個組成部分。一個應用系統(tǒng)可能有幾個到幾萬、上百萬不等感知節(jié)點，應用環(huán)境除了室內外，還包含在不一樣溫度、濕度、電磁干擾下戶外環(huán)境，所以，末梢感知節(jié)點采集控制設備、接入層技術是物聯網關鍵和難點。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第6頁8.2.1物聯網應用系統(tǒng)規(guī)劃

物聯網技術和產業(yè)發(fā)展將引發(fā)新一輪信息技術革命和產業(yè)革命，是信息產業(yè)領域未來競爭制高點和產業(yè)升級關鍵驅動力。伴隨信息采集與智能計算技術快速發(fā)展和互聯網與移動通信網廣泛應用，大規(guī)模發(fā)展物聯網及相關產業(yè)時機日趨成熟，我國早在十多年前就開始了物聯網相關領域研究，技術和標準與國際基本同時?，F階段，其應用主要為傳感網，可在以下各領域構建物聯網系統(tǒng)。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第7頁1.經濟領域物聯網系統(tǒng)經濟領域物聯網系統(tǒng)主要是以提升生產效率、改進管理和節(jié)能減排為目標應用系統(tǒng)，包含智能工業(yè)、智能農業(yè)、智能物流和智能電網等。

（1）智能工業(yè)1）工業(yè)智能控制系統(tǒng)。2）智能裝備產品。（2）智能農業(yè)1）數字大棚物聯網系統(tǒng)推廣平臺。2）農業(yè)服務、管理和遠程監(jiān)測平臺。（3）智能物流1）危險品運輸車輛智能調度及監(jiān)控系統(tǒng)。2）集裝箱智能物流調度系統(tǒng)及平臺。3）食品及藥品追溯系統(tǒng)。（4）智能電網1）電網電力設施智能監(jiān)測網絡及平臺2）智能化遠程抄表系統(tǒng)及網絡。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第8頁2.公共管理領域物聯網系統(tǒng)公共管理領域物聯網主要是以提升公共管理水平為目標應用系統(tǒng)，這可圍繞市政基礎設施建設管理、重大突發(fā)事件響應、重點區(qū)域環(huán)境監(jiān)測等，建設城市智能交通、智能公共安全、智能環(huán)境保護和智能災害防控等物聯網系統(tǒng)。（1）城市智能交通1）交通流量與違規(guī)監(jiān)測網絡及平臺。2）智能停車系統(tǒng)。（2）智能公共安全1）城市公共安全平臺2）主要基礎設施安全防護平臺。（3）智能環(huán)境保護1）水環(huán)境監(jiān)測物聯網系統(tǒng)及預警平臺。2）生態(tài)城市大氣環(huán)境智能監(jiān)測平臺。3）重點排污企業(yè)智能化遠程監(jiān)控平臺.（4）智能災害防控1）水文智能監(jiān)測及洪災預警平臺。2）氣象災害監(jiān)測和預警系統(tǒng)。3）地質災害監(jiān)測預警與防控系統(tǒng)。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第9頁3.公眾服務領域物聯網系統(tǒng)公眾服務領域物聯網主要以提升人民生活水平為目標構建應用系統(tǒng)，能夠物聯網與TD—SCDMA等3G網絡融合應用為突破口，建設譬如智能醫(yī)護、智能家居等應用系統(tǒng)。（1）智能醫(yī)護1）個人健康實時服務平臺。經過建設個人實時健康監(jiān)測和服務平臺，提升對老年市民、離退休干部等實時醫(yī)療醫(yī)護服務水平。2）智能重癥監(jiān)護病房平臺。經過建設重癥監(jiān)護病房智能系統(tǒng)，對病人生理參數進行實時監(jiān)測和分析，能夠降低醫(yī)療費用，提升衛(wèi)生資源使用效益。（2）智能家居1）智能小區(qū)：在住宅小區(qū)引入物聯網技術，建設聯入城市公共安全平臺小區(qū)安防系統(tǒng)以及基于通信網絡家庭環(huán)境監(jiān)控、智能安防系統(tǒng)、電子支付等智能控制平臺，可實現小區(qū)、家居智能化。2）基于物聯網節(jié)能建筑：在政府機關、科研院校和商業(yè)區(qū)寫字樓鋪設物聯網，實時搜集水、電等資源使用信息，依據人員活動情況自動調整空調、電燈和水源等，到達節(jié)能減排目標。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第10頁8.2.2物聯網應用系統(tǒng)設計

對于近距離無線通信，IEEE802.15委員會制訂了3種不一樣無線個人局域網(WPAN)標準。其中，IEEE802.15.3標準是高速率WPAN標準，適合于多媒體應用，有較高網絡服務質量（QoS）確保；IEEE802.15.1標準即藍牙技術，含有中等速率，適合于蜂窩電話和PDA等通信，其QoS機制適合于話音業(yè)務。IEEE802.15.4標準和ZigBee技術完全融合，專為低速率、低功耗無線互聯應用而設計，對數據速率和QoS要求不高。當前，對于小范圍內物品、設備聯網，ZigBee技術以其復雜度低、功耗低、數據速率低及成本低等特點在傳感網應用系統(tǒng)中引發(fā)了越來越多關注；尤其在控制系統(tǒng)中，ZigBee自組網技術已經成為傳感網關鍵技術。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第11頁基于ZigBee技術傳感網在消費性電子設備中嵌入ZigBee芯片后，可實現信息家用電器設備無線互聯。譬如，利用ZigBee技術可較輕易地實現相機或者攝像機自拍、窗戶遠距離開關控制、室內照明系統(tǒng)遙控，以及窗簾自動調整等。尤其是當在手機或者PDA中嵌入ZigBee芯片后，能夠用來控制電視開關、調整空調溫度及開啟微波爐等。基于ZigBee技術個人身份卡能夠代替家居和辦公室門禁卡，統(tǒng)計全部進出大門個人信息，若附加個人電子指紋技術后，可實現愈加安全門禁系統(tǒng)。嵌入ZigBee芯片信用卡能夠較方便地實現無線提款和移動購物，商品詳細信息也能經過ZigBee向用戶廣播。把ZigBee技術與傳感器結合起來，就可形成傳感網。普通，傳感網由感知節(jié)點、匯聚（Sink）節(jié)點、網關節(jié)點三種節(jié)點組成。感知節(jié)點、匯聚節(jié)點完成數據采集和多跳中繼傳輸。網關節(jié)點含有雙重功效，一是充當網絡協(xié)調器，負責網絡自動建立和維護、數據匯聚；二是作為監(jiān)測網絡與監(jiān)控中心接口，實現接入互聯網、局域網，與監(jiān)控中心交換傳遞數據?；赯igBee技術傳感網由應用層、網絡層、介質接入控制層和物理層組成。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第12頁2.傳感網軟硬件系統(tǒng)設計圖

8-1傳感網系統(tǒng)組成示意圖（1）基于ZigBee技術傳感網組成對于基于ZigBee技術傳感網，不一樣詳細應用，傳感網節(jié)點組成有所不一樣。通常，就一項詳細應用而言，感知節(jié)點、感知對象和觀察者是傳感網3個基本要素。一個傳感網系統(tǒng)組成示意圖如圖8-1所表示。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第13頁（2）網絡節(jié)點硬件設計1）感知節(jié)點硬件結構?；赯igBee技術感知節(jié)點硬件結構框圖如8-2所表示。由該圖能夠看出，感知節(jié)點主要由傳感器模塊和無線發(fā)送/接收模塊組成。在實際應用中，譬如對溫度和濕度測量模擬信號需要經過一個多路選擇通道控制，依次送入微處理器后由微處理器進行校正編碼，然后傳送到基于ZigBee技術收發(fā)端。圖8-2感知節(jié)點硬件結構框圖/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第14頁2）網關節(jié)點硬件結構。圖8-3網關節(jié)點硬件結構框圖/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第15頁（3）軟件設計ZigBee網絡屬于無線自組網絡，有全功效節(jié)點(FFD)和半功效節(jié)點(RFD)兩種設備類型。RFD普通作為終端感知節(jié)點，FFD能夠作為協(xié)調器或路由匯聚節(jié)點。所以，軟件設計包含RFD程序和FFD程序兩部分，且均包含初始化程序、發(fā)射程序和接收程序、協(xié)議棧配置、組網方式配置程序以及各處理層設置程序。初始化程序主要是對CC2430、USAR串口、協(xié)議棧、LCD等進行初始化；發(fā)射程序將所采集數據經過CC2430調制并經過DMA直接送至射頻輸出；接收程序完成數據接收并進行顯示、遠傳及返回信息處理；PHY、MAC、應用層、網絡層程序設置數據底層、上層處理和傳輸方式。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第16頁8.2.3物聯網系統(tǒng)集成

系統(tǒng)意思是“體系、制度、體制、秩序、規(guī)律和方法”。集成意思是“成為整體、組合、綜合及一體化”，它表示了將單個元件組裝成一臺或一個結構過程。比如將大量晶體管組裝成一個“集成”電路。集成也表示有某種規(guī)則相互作用形式而聯結部件組合體，即有組織整體。比如，將軟件多個功效模塊組合成“一體化”系統(tǒng)，使整體系統(tǒng)從一個程序到另一個程序能共享命令和數據流。集成以有機結合、協(xié)調工作、提升效率、創(chuàng)造效益為目標，將各個部分組合成含有全新功效、高效和統(tǒng)一有機整體。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第17頁1.

物聯網系統(tǒng)集成目標物聯網系統(tǒng)集成主要目標就是用硬件設備和軟件系統(tǒng)將網絡各部分連接起來，不但實現網絡物理連接，還要求能實現用戶對應應用需求，也就是應用方案。所以，物聯網系統(tǒng)集成不但包括到技術，也包括到企業(yè)管理、工程技術等方面內容。當前，物聯網系統(tǒng)集成技術可劃分為兩個域：一個是接口域，即路由網關，另一個是物聯網服務域。服務域作用主要是為路由網關提供一個統(tǒng)一訪問物聯網界面，簡化二者集成難度，更主要是，經過服務界面能有效控制和提升物聯網服務質量，確保二者集成后可用性。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第18頁2.物聯網系統(tǒng)集成技術物聯網系統(tǒng)集成技術包含兩個方面：一是應用優(yōu)化技術；二是多物聯網應用系統(tǒng)中間件平臺技術。應用優(yōu)化技術主要是面向詳細應用，進行功效集成、網絡集成、軟硬件操作界面集成，以優(yōu)化應用處理方案。多物聯網應用中間件平臺技術主要是針對物聯網不一樣應用需求和共性底層平臺軟件特點，研究、設計系列中間件產品及標準，以滿足物聯網在混合組網、異構環(huán)境下高效運行，形成完整物聯網軟件系統(tǒng)架構。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第19頁3.物聯網系統(tǒng)集成主要內容（1）物聯網軟硬件產品、技術集成物聯網軟硬件集成不但是各種網絡軟硬件產品組合，更是一個產品與技術融合。不論是傳感器還是感知節(jié)點元器件，不論是控制器還是自動化軟件，本身都需要進行單元集成，能上融合，而執(zhí)行機構、傳感單元和控制系統(tǒng)之間更高層次集成，則需要先進適用、開放穩(wěn)定工業(yè)通信段來實現。（2）物聯網應用服務集成從應用角度看，物聯網是一個與實際環(huán)境交互網絡，能夠經過安裝在微小感知節(jié)點上各種傳感器、標簽等從真實環(huán)境中獲取相關數據，然后經過自組織無線傳感網將數據傳送到計算能力更強通用計算機互聯網上進行處理。物聯網應用服務集成就是指在物聯網基礎應用平臺上，應用系統(tǒng)開發(fā)商或網絡系統(tǒng)集成商為用戶開發(fā)或用戶自行開發(fā)通用或專用應用系統(tǒng)。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第20頁4.物聯網系統(tǒng)集成步驟/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第21頁8.3物聯網應用系統(tǒng)設計示例

物聯網是面向應用、貼近客觀物理世界網絡系統(tǒng)，它產生、發(fā)展與應用親密相關聯。就傳感網而言，經過不一樣領域研究人員多年來努力，已經在軍事領域、精細農業(yè)、安全監(jiān)控、環(huán)境保護監(jiān)測、建筑領域、醫(yī)療監(jiān)護、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流管理、自由空間探索、智能家居等領域得到了充分必定和初步應用。傳感網、RFID技術是物聯網當前應用研究熱點，二者相結合組成物聯網能夠較低成本應用于物流和供給鏈管理、生產制造和裝配，以及安防等領域。在此僅以兩個詳細應用案例簡單介紹物聯網應用系統(tǒng)設計與組建。/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第22頁8.3.1智能家居物聯網系統(tǒng)應用示例/10/2物聯網規(guī)劃設計與構建第23頁8.3.2工業(yè)智能控制