3.1物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層次

3.2物聯(lián)網(wǎng)的八層架構(gòu)

3.3物聯(lián)網(wǎng)的四大支撐技術(shù)3.4兩個(gè)技術(shù)范疇

3.5云計(jì)算

物聯(lián)網(wǎng)包括物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層，如圖3.1所示。相應(yīng)地，其技術(shù)體系包括感知層技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)、應(yīng)用層技術(shù)以及公共技術(shù)，如圖3.2所示。3.1物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層次圖3.1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖圖3.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系框架圖在IBM2010年大中華區(qū)研發(fā)中心開放日活動(dòng)中，希望對(duì)在物聯(lián)網(wǎng)世界里會(huì)用到的一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行深入的探討和展望。3.2物聯(lián)網(wǎng)的八層架構(gòu)1．傳感器/執(zhí)行器層

2.傳感網(wǎng)層

3.傳感網(wǎng)關(guān)層

4.廣域網(wǎng)絡(luò)層

5.應(yīng)用網(wǎng)關(guān)層

6.服務(wù)平臺(tái)層

7.應(yīng)用層

8.分析與優(yōu)化層

圖3.3物聯(lián)網(wǎng)框架模型3.3.1RFID技術(shù)

無線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)作為本世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一，已得到全球業(yè)界的高度重視；中國擁有產(chǎn)品門類最為齊全的裝備制造業(yè)，又是全球IT產(chǎn)品最重要的生產(chǎn)加工基地和消費(fèi)市場(chǎng)。3.3物聯(lián)網(wǎng)的四大支撐技術(shù)

1.?RFID介紹

射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification，RFID)技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起并逐漸走向成熟的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)的空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))來實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。圖3.4RFID系統(tǒng)

2.?RFID的特征

3.?RFID的工作原理

通常情況下，RFID的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID卡兩部分組成，如圖3.5所示。圖3.5RFID工作原理

RFID應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是，RFID卡進(jìn)入讀寫器的射頻場(chǎng)后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢測(cè)得到數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理；所需回復(fù)的信息從存儲(chǔ)器中獲取，然后經(jīng)邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過天線發(fā)回給讀寫器，如圖3.6所示。圖3.6RFID卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——天線與芯片目前，RFID已得到了廣泛的應(yīng)用，且有國際標(biāo)準(zhǔn)ISO10536、ISO14443、ISO15693、ISO18000等。這些標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了通信數(shù)據(jù)幀協(xié)議外，還著重對(duì)工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關(guān)的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行了規(guī)范。RFID同其他識(shí)別系統(tǒng)的比較如表3.1所示。表3.1

RFID同其他識(shí)別系統(tǒng)的比較

4.?RFID技術(shù)的分類

5.?RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

代碼結(jié)構(gòu)為64位，如表3.2所示。

6.?RFID系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)

表3.2

ISO11784和ISO11785標(biāo)準(zhǔn)代碼結(jié)構(gòu)3.3.2WSN/ZigBee技術(shù)

1.什么是ZigBee

圖3.7所示為ZigBee聯(lián)盟的主要成員。圖3.7ZigBee聯(lián)盟主要成員

2.?WSN/ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)描述

簡單地說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。

圖3.8展示了一個(gè)示例網(wǎng)絡(luò)，它具有ZigBee協(xié)調(diào)器(菱形)、路由器(矩形)和終端節(jié)點(diǎn)(圓形)。圖3.8ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖與移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立的，因而，它必須具有簡單、使用方便、工作可靠、價(jià)格低的特點(diǎn)。

圖3.9所示為ZigBee模塊。圖3.9ZigBee模塊

3.?ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.?ZigBee的應(yīng)用領(lǐng)域

ZigBee的典型應(yīng)用如圖3.10所示。圖3.10ZigBee的典型應(yīng)用3.3.3常見組網(wǎng)技術(shù)

1.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

1)現(xiàn)場(chǎng)總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期在國際上發(fā)展起來的一種嶄新的工業(yè)控制技術(shù)。

圖3.11所示為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)接線方式和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)接線方式的比較。圖3.11傳統(tǒng)控制系統(tǒng)接線方式和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)接線方式的比較(a)傳統(tǒng)的接線方式(b)現(xiàn)場(chǎng)總線接線方式

2)現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)際上是采用串行數(shù)據(jù)傳輸和連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的并行信號(hào)傳輸和連接方式的方法。

3)現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域

控制系統(tǒng)分為不同的層次，圖3.12簡明地表示出控制系統(tǒng)的金字塔結(jié)構(gòu)。圖3.12控制系統(tǒng)的金字塔結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的系統(tǒng)層次，現(xiàn)場(chǎng)總線有著不同的應(yīng)用范圍。圖3.13列舉了幾種主要現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用范圍。圖3.13現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用范圍

2.?WiFi技術(shù)

1)?WiFi概述

WiFi全稱WirelessFidelity，又稱802.11b標(biāo)準(zhǔn)，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是傳輸速度較高，可以達(dá)到11?Mb/s。

2)?WiFi無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WiFi無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有兩種：Ad-Hoc和Infrastructure。

Ad-Hoc是一種對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各計(jì)算機(jī)只需接上相應(yīng)的無線網(wǎng)卡，或者具有WiFi模塊的手機(jī)等便攜終端，即可實(shí)現(xiàn)相互連接和資源共享，無需中間作用的“AccessPoint”(AP，接入點(diǎn))。此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3.14所示。圖3.14Ad-Hoc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Infrastructure是一種整合有線與無線局域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用模式，通過此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同樣可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的共享，此應(yīng)用需通過AP。

此種網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.15所示。圖3.15Infrastructure拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3)?WiFi優(yōu)點(diǎn)

WiFi技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術(shù)。

4)?WiFi的應(yīng)用

在通信行業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中，寬帶接入是各運(yùn)營商競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

3.藍(lán)牙技術(shù)

1)藍(lán)牙技術(shù)概述

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信(一般為10?m內(nèi))的無線電技術(shù)，能在包括移動(dòng)電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。

圖3.16所示為藍(lán)牙標(biāo)志與藍(lán)牙耳機(jī)。圖3.16藍(lán)牙標(biāo)志與藍(lán)牙耳機(jī)

2)藍(lán)牙技術(shù)的系統(tǒng)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品采用低能耗無線電通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)和視頻的傳輸。

藍(lán)牙的系統(tǒng)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)見表3.3。表3.3藍(lán)牙的系統(tǒng)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)

3)藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)

藍(lán)牙技術(shù)提供了低成本、近距離的無線通信，構(gòu)成固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境中的個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，使得近距離內(nèi)的各種設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無縫資源共享。圖3.17所示為藍(lán)牙模塊。圖3.17藍(lán)牙模塊

4)藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用

藍(lán)牙SIG(藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟)定義了幾種基本的應(yīng)用模型，主要包括文件傳輸、Internet網(wǎng)橋、局域網(wǎng)接入、三合一電話和終端耳機(jī)等。

4.GPS技術(shù)

1)?GPS概述

GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位系統(tǒng))的簡稱，而其中文簡稱為“球位系”。

2)?GPS的組成

全球定位系統(tǒng)由GPS空間衛(wèi)星部分、GPS地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分(GPS接收機(jī))三大部分組成，如圖3.18所示。圖3.18全球定位系統(tǒng)示意圖

3)?GPS的特點(diǎn)

全球定位系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

(1)定位精度高。

(2)觀測(cè)時(shí)間短。

(3)應(yīng)用廣泛。

4)?GPS的應(yīng)用

GPS在導(dǎo)航、跟蹤、精確測(cè)量方面都有很廣泛的應(yīng)用。

圖3.19所示即為GPS導(dǎo)航裝置。圖3.19GPS導(dǎo)航裝置

5)?GPS的前景

由于GPS技術(shù)所具有的全天候、高精度和自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，因此作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)力，它已經(jīng)融入了國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。

5.?PLC技術(shù)

1)?PLC概述

電力線通信(PowerLineCommunication)技術(shù)簡稱PLC，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和語音信號(hào)的一種通信方式。

圖3.20為典型的PLC系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。圖3.20典型的PLC系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

2)?PLC的關(guān)鍵技術(shù)

目前國際上高速電力線通信采用的調(diào)制技術(shù)主要有擴(kuò)展頻譜類和OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復(fù)用)調(diào)制技術(shù)。

3)?PLC的特點(diǎn)

電力線路作為通信媒介帶來的噪聲干擾遠(yuǎn)比電信線路大得多，如圖3.21所示。圖3.21水平排列電力線通道的雜音波形

4)?PLC的發(fā)展展望

傳統(tǒng)的PLC主要利用高壓輸電線路作為高頻信號(hào)的傳輸通道，僅僅局限于傳輸話音、遠(yuǎn)動(dòng)控制信號(hào)等，應(yīng)用范圍窄，傳輸速率較低，不能滿足寬帶化發(fā)展的要求。3.3.4微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)

MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫。

1.?MEMS技術(shù)簡述

2.?MEMS技術(shù)的發(fā)展歷史

圖3.22所示為2002～2012年消費(fèi)類電子加速度計(jì)的應(yīng)收和出貨量預(yù)測(cè)。圖3.222002～2012年消費(fèi)類電子加速度計(jì)的應(yīng)收和出貨量預(yù)測(cè)

3.微傳感器研究的現(xiàn)狀與發(fā)展方向

1)微機(jī)械壓力傳感器

2)微加速度傳感器

3)微機(jī)械陀螺儀

4)微流量傳感器

微流量傳感器，不僅外形尺寸小，能達(dá)到很低的測(cè)量量級(jí)，而且死區(qū)容量小，響應(yīng)時(shí)間短，適合于微流體的精密測(cè)量和控制，如圖3.23所示。圖3.23微流量傳感器

5)微氣敏傳感器

氣敏傳感器的工作原理是聲表面波器件的波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。

圖3.24所示即為微氣敏傳感器。

6)微機(jī)械溫度傳感器圖3.24微氣敏傳感器3.4.1智能網(wǎng)絡(luò)空間技術(shù)

當(dāng)你拿起柚子，它會(huì)告訴你含糖量及合理的攝入量；當(dāng)你準(zhǔn)備出門，電腦包會(huì)提醒你忘帶了什么東西；當(dāng)你坐進(jìn)駕駛室，汽車會(huì)警示你酒精過度并拒絕行駛；當(dāng)你在回家的路上，冰箱會(huì)告訴你儲(chǔ)存了什么食物，并推薦相應(yīng)的菜譜。家里冰箱空了，或者是儲(chǔ)存食物快過保質(zhì)期，冰箱會(huì)自動(dòng)提示你趕緊去購買。3.4兩個(gè)技術(shù)范疇智能空間的目的是建立一個(gè)以人為中心的充滿計(jì)算和通信能力的空間，讓計(jì)算機(jī)參與到從未涉及計(jì)算行為的活動(dòng)中，使用戶能像與他人一樣與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生交互，從而使用戶能隨時(shí)隨地、透明地獲得人性化的服務(wù)，如圖3.25所示。圖3.25智能空間3.4.2物聯(lián)網(wǎng)終端技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)終端是物聯(lián)網(wǎng)中連接傳感網(wǎng)絡(luò)層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備。

1.物聯(lián)網(wǎng)終端的基本原理及作用

物聯(lián)網(wǎng)終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.26所示。圖3.26物聯(lián)網(wǎng)終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.物聯(lián)網(wǎng)終端的分類

1)按照行業(yè)應(yīng)用分類

(1)工業(yè)設(shè)備檢測(cè)終端。

(2)設(shè)施農(nóng)業(yè)檢測(cè)終端。

(3)物流RFID識(shí)別終端。

2)按照使用場(chǎng)合分類

(1)固定終端。

(2)移動(dòng)終端。

(3)手持終端：

3)按照傳輸方式分類

(1)以太網(wǎng)終端。

(2)?WiFi終端。

(3)?2G終端。

(4)?3G終端。

4)按照使用擴(kuò)展性分類

(1)單一功能終端。

(2)通用智能終端。

5)按照傳輸通路分類

(1)數(shù)據(jù)透?jìng)鹘K端。

(2)非數(shù)據(jù)透?jìng)鹘K端。

3.物聯(lián)網(wǎng)終端的廣泛應(yīng)用

1)終端推廣的最大障礙——終端的標(biāo)準(zhǔn)化

(1)硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化。

(2)數(shù)據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。

2)終端的廣泛應(yīng)用分析

4.物聯(lián)網(wǎng)終端實(shí)例

1)家用機(jī)器人

本文所介紹的家用機(jī)器人，在結(jié)構(gòu)上采用舵機(jī)加連桿的傳動(dòng)方式，機(jī)器人一共有4個(gè)自由度，整體結(jié)構(gòu)如圖3.27所示。圖3.27貓貓機(jī)器人外形設(shè)計(jì)圖

2)物聯(lián)網(wǎng)控制子網(wǎng)關(guān)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展及人們居住理念的變化與提升，人們?cè)絹碓阶非笊罴?xì)節(jié)的簡單化和智能化，希望在日常家電設(shè)備中能植入智能化程序，享受“一鍵OK”式的簡單生活操作。物聯(lián)網(wǎng)控制子網(wǎng)關(guān)研究的主要目的是實(shí)現(xiàn)“紅外遙控信號(hào)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)發(fā)器”對(duì)遙控器的指令進(jìn)行學(xué)習(xí)、存儲(chǔ)以及還原轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)遙控設(shè)備的集中控制。物聯(lián)網(wǎng)控制子網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)物圖如圖3.28所示，采用的是以STC單片機(jī)為核心的元件組成硬件平臺(tái)，擴(kuò)展紅外收、發(fā)電路和串口通信電路，然后設(shè)計(jì)好keilc51單片機(jī)程序，最后將軟件下載到硬件平臺(tái)上。物聯(lián)網(wǎng)控制子網(wǎng)關(guān)主要完成白色家電設(shè)備不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享，以及同中央控制器之間的數(shù)據(jù)交換功能。物聯(lián)網(wǎng)控制子網(wǎng)關(guān)工作方式如圖3.29所示。圖3.28物聯(lián)網(wǎng)控制子網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)物圖圖3.29物聯(lián)網(wǎng)控制子網(wǎng)關(guān)工作方式

3)物聯(lián)網(wǎng)智能藥盒

伴隨獨(dú)生子女政策的進(jìn)一步推進(jìn)和社會(huì)老齡化進(jìn)程的加速，我國家庭構(gòu)成形成“四位老人、一對(duì)年輕夫婦加一個(gè)未成年小孩”的結(jié)構(gòu)模式，傳統(tǒng)的家庭養(yǎng)老方式難以為繼。

圖3.30就是遠(yuǎn)程醫(yī)療和物聯(lián)網(wǎng)智能藥盒的模型。圖3.30物聯(lián)網(wǎng)智能藥盒的遠(yuǎn)程醫(yī)療架構(gòu)圖物聯(lián)網(wǎng)智能藥盒以老人為服務(wù)對(duì)象，外觀設(shè)計(jì)上要考慮老人的認(rèn)知特點(diǎn)與喜好。

圖3.31是一個(gè)老人藥盒的外觀圖，它具有一鍵呼救功能和自動(dòng)吐藥結(jié)構(gòu)，并可完成良好的語音交互，提供溫濕度和時(shí)間播報(bào)。圖3.31物聯(lián)網(wǎng)智能藥盒外形設(shè)計(jì)圖3.4.3物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)體系

作為新生事物的物聯(lián)網(wǎng)其實(shí)并不新，早在20世紀(jì)就已孕育產(chǎn)生，但是發(fā)展較為緩慢，時(shí)斷時(shí)續(xù)。

各個(gè)部分根據(jù)需要，可以制定技術(shù)要求類標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法類標(biāo)準(zhǔn)，如表3.4所示。表3.4物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系框架從物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)術(shù)研究角度分析，標(biāo)準(zhǔn)體系的建立應(yīng)遵照全面成套、層次恰當(dāng)、劃分明確的原則。物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系可以根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系的框架進(jìn)行劃分，即分為網(wǎng)絡(luò)傳輸層標(biāo)準(zhǔn)、感知控制層標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用服務(wù)層標(biāo)準(zhǔn)及共性支撐標(biāo)準(zhǔn)，如表3.5所示。表3.5物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)層標(biāo)準(zhǔn)涉及的領(lǐng)域廣闊，門類眾多，并且應(yīng)用子集涉及行業(yè)復(fù)雜，服務(wù)支撐子層和業(yè)務(wù)中間件子層在國際上尚處于標(biāo)準(zhǔn)化研究階段，還未制定出具體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如表3.6所示。表3.6應(yīng)用服務(wù)層標(biāo)準(zhǔn)分類物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸層標(biāo)準(zhǔn)包括物物通信無線接入標(biāo)準(zhǔn)、電信網(wǎng)增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境感知標(biāo)準(zhǔn)和異構(gòu)網(wǎng)融合標(biāo)準(zhǔn)等，如表3.7