02-物联网工程导论-第二章

nullnull物联网的体系结构第二章本章要点本章要点1、理解物联网的【三维体系结构】 2、了解物联网基础实施类技术 3、了解自主结构物联网的4个平面 4、了解EPC体系结构null目 录2.1 三维体系结构 2.2 自主体系结构 2.3 EPC体系结构2.1 .1物联网的三维体系结构概念2.1 .1物联网的三维体系结构概念 物联网主要解决物品到物品(T2T)、人到物品(H2T)、人到人(H2H) 之间的互连.T2T、H2T、H2T 这3 个层面的互连是物联网不可缺少的，单纯物品与物品之间的互连并不构成一个物联网，单纯在局部范围之内连接某些物品也不构成物联网，物联网一定是由物品可以自然连接的因特网 其一，物联网一定属于未来因特网，物联网一定是未来网络社会的基础设施，即物联网一定可以自然扩展到全球的系统； 其二，物联网中物品的连接一定是“自然连接”，也就是保留了物品在物理世界中时间和空间特性的连接。2.1 .1物联网的三维体系结构概念2.1 .1物联网的三维体系结构概念物联网体系结构与传统网络体系结构不同, 不能简单采用分层网络体系结构描述。物联网系统本身是由三个维度构成的一个系统, 这三个维度是信息物品、自主网络、智能应用。 自主网络表示这类网络具有自配置、自愈合、自优化、自保护能力[ 7] 智能应用表示这类应用具有智能控制和处理能力 信息物品表示这些物品是可以标识或感知其自身信息。 三个物联网的功能维度是传统网络系统不具备的维度(包括自主网络的维度) , 却是连接物品的网络必须具有的维度, 否则, 物联网就无法满足应用的需求。2.1 .1物联网的三维体系结构概念2.1 .1物联网的三维体系结构概念智能应用 信息物品维度 自主网络 物联网基础设施2.1 .1物联网的三维体系结构概念2.1 .1物联网的三维体系结构概念 信息物品、自主网络与智能应用三个功能部件的重叠部分就是具有全部物联网特征的物联网系统, 可以称为物联网基础设施。现实世界中没有物联网系统, 物联网系统仅仅是一组连接物品的网络系统总称, 例如智能交通系统、智能电网、智慧城市 可以统称为物联网系统。这里的物联网基础设施表示服务于具体物联网系统的支撑系统, 可以提供包括不同应用领域的物品标识、物品空间位置识别、物品数据特征验证和隐私保护等服务, 这个部分组成了公共物联网的核心。2.1 .1物联网的三维体系结构概念2.1 .1物联网的三维体系结构概念 物联网是由物品连接构成的网络, 无法采用传统网络体系结构的单一的分层结构进行描述。物联网首先需要包括物品的功能维度, 这是传统网络不具备的维度。 连接到物联网的物品可以称为信息物品, 这些物品具备的基本功能包括: 具有电子标识、可以传递信息; 构成物联网的网络需要连接多种物品, 这类网络至少具有自配置和自保护的功能, 属于一类自主网络; 物联网的应用都是与物品相关的应用, 这些应用至少具备自动采集、传递和处理数据,自动进行例行的控制, 属于一类智能应用。2.1 .1物联网的三维体系结构概念2.1 .1物联网的三维体系结构概念 自主网络属于现在网络的高级形态, 一旦不进行自配置、自愈合、自优化和自保护的处理, 则就简化成为一般的网络, 可以采用网络分层模型描述; 智能应用如果完全通过人机交互界面进行处理, 则智能应用也就可以简化成为一般的网络应用; 如果物联网不再直接连接物品, 而是通过人机交互界面输入物品的信息, 则也就不再需要标识物品和自动传递物品信息。这样, 物联网也就可以简化成为一般的网络系统, 可以采用现代网络分层体系结构进行描述。所以, 现在的互联网体系结构可以看作三个维度的物联网体系结构的特例2.1 .1物联网的三维体系结构概念2.1 .1物联网的三维体系结构概念 运用物联网的三维体系结构模型可以分析和评价一个物联网的特征, 可以判断一个网络系统是否属于物联网系统。例如一个网络系统仅仅连接和感知了物品, 但是, 并不具有智能应用, 这就不属于一个完整的物联网。所以, 传感器网络就不属于一个完整的物联网, 它仅仅具有信息物品和自主网络的特征。2.1.2三类功能部件之间的关系2.1.2三类功能部件之间的关系物联网的三个功能维度就是物联网系统的三类组成部件, 这些组成部件通过具体的物联网系统相互关联, 例如通过智能交通系统或者智能电网可以关联这三类组成部件, 这样, 整个物联网的体系结构实际上构成了一个立体的结构，三类物联网组成部件采用三个立柱表示, 三个立柱的每个水平层面代表了一个具体的物联网系统, 三个立柱重叠的公共部分就是贯通各个具体物联网系统的物联 网基础设施。 表示了智能交通系统的层面和智能电网的层面, 这两个系统都是具体的物联网系统,各自具有信息物品、自主网络与智能应用三个维度的组成部件。例如智能交通系统的信息物品功能部 件包括机动车、非机动车和行人的标识以及这些物品的信息采集; 自主网络功能部件包括机动车、非机动车和行人的自主接入网络、自主优化网络; 智能应用功能部件包括车辆、行人智能导航, 交通信号灯的自动控制。这些功能组成部件是智能交通系统中特 有的, 不同于智能电网中同类型的功能部件。2.1.2三类功能部件之间的关系2.1.2三类功能部件之间的关系2.1.2三类功能部件之间的关系2.1.2三类功能部件之间的关系物联网体系结构中三类功能部件之间都存在相 互的关系, 这三类功能部件之间的相互关系不同于 互联网分层体系结构定义的功能部件之间的相互关 系, 这三类功能部件之间以及不再是一个分层的服 务调用和服务提供的关系。2.1.2三类功能部件之间的关系2.1.2三类功能部件之间的关系信息物品需要依赖自主网络提供的接入网络服务, 使得信息物品成为物联网系统可以识别、可以访问的物品; 智能网络需要依赖于自主网络提供的数据传递、远地服务访问功能, 实现网络环境下的数据传递和服务调用; 自主网络需要依赖信息物品的标识, 自动选择相关的网络接入 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 和配置协议, 提供接入信息物品的服务; 自主网络需要依赖智能应用的需求, 确定相应的服务质量以及可能的定制服务; 智能应用需要依赖于信息物品的数据语义, 进行相关的处理和决策, 确定对于信息物品的操作; 信息物品依赖于智能应用的需求, 确定提供信息的类型以及可以执行的相关操作。2.1.2三类功能部件之间的关系2.1.2三类功能部件之间的关系物品可标识、应用智能化、网络自主化2.1.3物联网基础设施类技术2.1.3物联网基础设施类技术物联网基础设施类技术, 它属于物联网的核心技术, 是各类具体物联网系统的支撑系统, 可以构成物联网的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 技术架构。物联网的基础设施类技术属于三维物联网体系结构中核心部分的支撑技术, 它是集成自主网络、信息物品和智能应用功能部件的关键技术, 是真正可以构成物联网技术平台, 推动物联网 产业化的技术体系。 公共物联网系统, 例如智能交通系统、智能电网等, 必须依赖于物联网基础设施类技术。2.1.3物联网基础设施类技术2.1.3物联网基础设施类技术( 1) 物品的统一标识和标准网络接入技术, 包括全球统一的、面向各个应用领域的、物品统一标识技术以及标准的网络接入技术, 信息物品是这类技术的主要载体, 标准的网络接入技术需要依赖于自主网络。 ( 2) 物理化网络系统技术, 包括支持现实世界空间坐标系的网 络接入和网络互连技术, 支持现实世界统一时间体系的网络操作技术等, 自主网络是这类技术的主要载体。 ( 3) 自主网络技术, 包括网络系统的自配置、自愈合、自优化和自保护的技术, 自主网络是这类技术的主要载体。2.1.3物联网基础设施类技术2.1.3物联网基础设施类技术( 4) 网络化物理系统技术, 包括联网嵌入式软件的实时处理技术、可靠处理技术, 这类技术的载体是智能应用, 属于智能应用的物理装置端技术 ( 5) 网络数据融合和决策技术, 包括网络环境下多种数据的融合, 多类数据的实时挖掘和实时决策技术, 这类技术的载体是智能应用, 属于智能应用的网络侧技术 物联网基础设施类技术真正是值得国家和地方政府值得高度关注的物联网核心技术, 在研究这类核心技术基础上, 可以进一步研究和开发具有国家基础设施特征的智能交通、智能电网和智慧城市等典型的物联网系统, 这样, 可以真正通过物联网的研究和开发, 带动经济发展和社会进步。 2.1 .4物联网技术架构2.1 .4物联网技术架构按照物联网三维概念模型，物联网由信息物品、自主网络和智能应用3 个部分构成。这3 个部分有其各自技术架构。这三类技术构成了物联网技术架构。 即物联网技术架构由信息物品技术、自主网络技术和智能应用技术构成。 2.1 .4物联网技术架构2.1 .4物联网技术架构信息物品技术主要指物品的标识、传感和控制技术，也就是指现有的数字化技术。信息网络技术属于物理世界与网络世界融合的接口技术。目前国际上研究的网络化物理系统(CPS)[4] 就是属于信息物品技术。如果把人也看作是一个物品，则信息物品技术也包括了佩戴式计算装置技术。 欧洲物联网研究者一般把射频标识(RFID) 技术、近距离通信(NFC)、无线传感器和执行器网络(WSAN) 作为构成连接现实世界与数字世界的基本技术[5]，北美研究网络化物理系 统(CPS) 的研究者通常把嵌入式系统作为现实世界与网络系统关联的基本技术2.1 .4物联网技术架构2.1 .4物联网技术架构自主网络技术：自主网络就是具备自管理能力的网络系统，自管理能力具体表现为自配置、自愈合、自优化、自保护能力。从物联网未来应用需求看，需要扩展现有自主网络的定义，使得自主网络具备自控制能力。物联网中的自主网络技术包括自主管理技术和自主控制技术。自主网络管理类技术包括：网络自配置技术、网络自愈合技术、网络自优化技术、网络自保护技术，自主网络控制类技术包括：基于空间语义的控制技术、基于时间语义的控制技术。2.1 .4物联网技术架构2.1 .4物联网技术架构智能应用技术：涉及到传统的人工智能方面的理论和算法，并且融入了现代网络环境下的智能控制理论和方法，这类技术的研究和开发，有可能突破桎梏人工智能发展的理论障碍，使得人类进入智能化时代。 智能应用技术，其中包括智能数据融合和智能决策控制技术。智能数据融合技术包括基于策略的数据融合、基于位置的数据融合、基于时间的数据融合、基于语义的数据融合；智能决策控制技术包括基于智能算法的决策、基于策略的决策、基于知识的决策，这些决策技术需要数据挖掘技术、知识生成、知识更新、知识检索等技术的支撑。2.1 .4物联网技术架构2.1 .4物联网技术架构物联网的应用可以分成：交通与后勤类应用、医疗类应用、智能环境类应用、个人与社会类应用，以及未来类应用。这里未来类应用是指在目前尚不具备部署条件的应用，包括机器人出租车、智慧城市等；交通与后勤类应用包括物流和仓储管理，轨道交通、公路和航空的辅助驾驶系统，面向公共交通工具、基于个人标识自动缴费的移动购票系统，环境监测系统，以及电子导航地图；医疗类应用包括医疗对象的跟踪、身份标识和验证、身体症状感知，以及数据采集系统；智能环境类应用包括舒适的家庭/办公环境的智能控制，工厂的智能控制，博物馆和体育馆的智能控制应用；个人与社会类应用包括人与人之间实时交互网络、物品轨迹或人的行踪的历史查询、遗失物品查找，以及防盗等应用。2.1 物联网的三维体系结构2.1 物联网的三维体系结构要点： 1、运用“物联网三维模型”可以评价一个网络系统是否属于物联网系统 2、三个功能维度就是物联网系统的三类组成部件 3、不存在通用的物联网系统，物联网必定与应用领域相关2.2 自主体系结构2.2 自主体系结构全局决策管 理 平 面控制算法数据平面(STP/SP)2.3 EPC体系结构2.3 EPC体系结构EPC目标： 为每一个物品建立全球的、开放的标示标准。EPC物联网系统结构 EPC（Electronic Product Code）技术是由美国麻省理工学院的自动识别研究中心（Auto-ID Center）开发的，目的是对单个产品标识和高效识别，EPC系统是集编码技术、射频识别技术（RFID）和网络技术为一体的新兴技术，被誉为全球物品编码的未来。 EPC系统由EPC编码、EPC标签、EPC读写器、Savant M(神经网络软件)、对象名解析服务(Object Na ming Service:ONS)、实体标记语言（Physical Markup Language:PML）以及众多数据库组成。2.3 EPC体系结构2.3 EPC体系结构EPC系统构成：2.3.1EPC产品电子编码2.3.1EPC产品电子编码目前广泛应用的一维条码只能识别一类产品，而无法识别单品，没有做到真正的“一物一码”。条码是可视传播技术，必须将条码对准扫描仪才能读取。传统一维条码是索引代码， 须实时地与数据库联系，从数据库中寻找完整的描述数据。二维条码是将信息数字化后,通过一系列特殊的算法将其转化成一种便于计算机识别的特殊图形符号,这些存储有大量信息的图形被印刷或打印在标签上,成为二维条码标签，二维条码只在一定程度上解决了信息标识容量问题。典型的一维、二维条码及EPC标签如图2所示。条码只能适用于流通领域，不能透明地跟踪和贯穿供应链过程。2.3.1EPC产品电子编码2.3.1EPC产品电子编码EPC的目标是为每一个物理实体提供唯一标识，目前全球有两大EPC标准阵营：欧美的Auto -ID Ce nter与日本的Ubiquitous ID Center（UID）。Auto-ID Center标准中的PC 编码是由一个头字段和另外三个数据字段（EPC管理者、对象 类、序列号）组成，见下表。目前，Auto-ID给出的EPC码位数64位、96 位、256位。2.3.2射频识别系统2.3.2射频识别系统EPC标签 从无线电收发系统的角度看，电子标签本身就是一个无线收发系统。射频识别系统的电子标签按EPC规则编码，并遵循EPC标签与PC读写器的通信协议。当EPC标签贴在物品上或内嵌在物品中时，即将该物品与EPC标签中的产品电子编码建立起了一一对应关系。 EPC标签基本组成包括：EPC标签芯片、EPC标签天线、EPC标签的封装基板。其中，EPC标签芯片是标签的核心单元，产品电子码是存储在EPC标签芯片中的唯一信息。EPC标签天线是EPC标签的外部藕合单元。EPC标签天线与读写器天线构成EPC标签和读写器空中藕合的基础。EPC标签的封装基板是EPC标签物理外观的基础，也是EPC标签芯片和天线的附着基础。2.3.2射频识别系统2.3.2射频识别系统EPC读写器 读写器的基本组成模块 读写器可分为两大部分：射频信号处理模块和基带信号处 理模块。射频信号处理模块的主要作用是将读写器欲发往标签 的命令调制到载频信号上形成已调发射信号，经发射天线发送 出去。发送出去的已调发射信号经过空间传送到电子标签上， 电子标签对发射过来的射频信号反应，形成反射回波信号返回 读写器天线。信号处理模块将射频标签返回的回波信号进行处 理，解调出电子标签回送数据，即标签的EPC编码。 2.3.2射频识别系统2.3.2射频识别系统EPC标签读写器的功能： （1）初始化EPC标签内存的信息。即向EPC标签写入EPC代码。未经初始化的EPC标签内存的信息可以认为是全O。在际中，EPC标签的初始化可能分成几次完成。例如:在标签芯片生产的后期测试中，即将标签定货的厂家根据其在EPC Glboal机构中的注册情况而将其的“域名管理”代码注入标签芯片之中；在各生产厂家，根据注册的产品型号可将“对象分类”信息写入EPC标签之中，在各型号产品的出厂检验时将产品的序列号写入贴附在产品上的EPC标签中。 2.3.2射频识别系统2.3.2射频识别系统EPC标签读写器的功能： （2）读取EPC标签内存的信息。EPC标签读写器读取各单件物品上贴附的EPC标签中的EPC代码信息，实现EPC物联网对单件物品标识信息的采集，从而可实现对物流信息查询服务的精确控制与管理。 2.3.2射频识别系统2.3.2射频识别系统EPC标签读写器的功能： （3）使EPC标签功能失效。当商品售出之后，商品的所有权 转移到了消费者手中，消费者有权要求其所购商品不再保持作 为商品流向跟踪下去的权力。通过读写器向其发出“销毁EPC标 签”命令，使得EPC标签功能失效。功能失效的EPC标签将不再能被读写器读出其内存的EPC代码。 2.3.2射频识别系统2.3.2射频识别系统读写器关键技术： （1）避免解读器冲突。当有多个读写器靠近EPC标签时，一个解读器的覆盖范围可能与另一个读写器的覆盖范围重叠，从而使它们发出的信号互相干扰，造成读写器冲突。Auto-ID中心利用时分多址（TDMA）机制来避免冲突。但是这意味着处于两个读写器重叠区域的EPC标签都将被读取两次，因此，必须使用一套删除冗余信息的系统。 2.3.2射频识别系统2.3.2射频识别系统读写器关键技术： （2）避免标签冲突。应用中有可能在阅读区域中同时出 现多个电子标签的情况，读写器遇到的另一个问题是同一时刻 超过一个芯片向读写器返回信号，造成标签冲突。Auto-ID中心 采用下述方法来解决这个问题：读写器只要求第一位数符合它 所要求的数字的标签回应读写器。例如，读写器提出要求：“产 品电子码以0开头的标签回应读写器。”如果超过一个标签回 应，则读写器继续要求：“产品电子码以00开头的标签回应读写 器。”这样操作直到仅有一个标签回应为止。2.3.2射频识别系统2.3.2射频识别系统读写器关键技术： （3）读取距离。读写器读取信息的距离取决于EPC系统工作频率、读写器的能量，以及EPC标签的观点方式。通常高频率的标签有更大的读取距离，但是它需要读写器输出的电磁波能量更大。2.3.2EPC网络系统2.3.2EPC网络系统2.3.2EPC网络系统2.3.2EPC网络系统ＥＰＣ的信息网络系统是在全球互联网的基础上，通过对象名称解析服务ＯＮＳ和信息发布服务ＥＰＣＩＳ实现信息管理和交换功能，进而实现全球实物信息的互连。物联网名称解析服务ＯＮＳ类似于互联网域名系统ＤＮＳ，物品的信息传递给互联网后，通过互联网Ｉｎｔｅｒｎｅｔ向名称解析服务ＯＮＳ发出一条查询指令，名称解析服务再根据规则查得存储物品信息的ＩＰ地址。物联网信息发布服务ＥＰＣＩＳ中存储着物品的详细信息，其收到查询要求后，可将该物品的详细信息以网页形式进行发布。物联网信息发布服务ＥＰＣＩＳ的目的在于共享物品的详细信息，这些物品的详细信息既包括标签和读写器所获取的物品相关信息，也包括一些商业上的必需附加数据。2.3.2EPC网络系统-中间件2.3.2EPC网络系统-中间件Savant是一种分布式网络软件，是处于读写器和Internet之间的中间件，负责管理和传送EPC相关数据。读写器把电子标签上的信息读取出来，送到Savant，Savant系统完成EPC标签信息数据校对，若有误读信息，Savant系统利用算法校正错误；若有读写器冲突造成的冗余信息，Savant分析已读取的信息并且删掉这些冗余的EPC信息；Savant系统智能地将PC数据存储，以便其他企业管理的应用程序有权访问这些信息。数据经过Savant处理后传送到Internet。2.3.2EPC网络系统-ONS2.3.2EPC网络系统-ONS在物联网中追踪物品，除了将EPC码存储在标签中外，还需要一些将EPC码与相应商品信息（如产地、生产日期、保质期等）进行匹配。这个功能由一个自动的网络服务系统——对象名解析服务(ONS)来实现。 Savant系统获得EPC码之后，利用ONS对象名解析服务找到这个产品信息所存储的位置。ONS给Savant系统指明了存储这个产品的有关信息的服务器，因此就能够在Savant系统中找到这个文件，并且将这个文件中的关于这个产品的信息传递过来，从而应用于供应链的管理。null