第7章 物联网支撑技术解剖
物联网层次结构PPT课件
物联网层次结构模型
• 物联网可分为感知层、网络层、应用层
农业
应用层
工业监测 公共安全
城市管理
智能家电
智能交通
GSM CDMA
CDMA2000 WCDMA TDSCDMA
LTE LTE-Advanced
网络层 2G网络
3G网络
4G网络
感知层 传感器
RFID
5 汽车
汽车
WSN
WSN
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物联网感知层
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物联网的层次结构
物联网工作过程与人的智能处理问题过程比较
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物联网的层次结构
• 设计一个复杂的、庞大的系统必然要采用 “化整为零，分而治之”的“分层结构” 思想。
• 物联网是一个形式多样、涉及社会生活各 个领域的复杂系统。从实现技术角度看， 物联网的特点是：网络的异构性，规模的 差异性，接入的多样性。
物联网的层次结构
• 如果将人对问题智慧处理的能力形式与物 联网工作过程做一个比较，不难看出两者 也有惊人的相似之处。
• 人的感官用来获取信息，人的神经用来传 输信息，人的大脑用来处理信息，使人具 有智慧处理各种问题的能力。
• 物联网处理问题同样也要经过三个过程： 全面感知、可靠传输、智能应用（处理）
• 感知层位于物联网层次结构中的最底层，主要用于采集物理世界中发生的物理事 件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据等。
• 感知层的作用相当于人的眼、耳、鼻、喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物 体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体、采集信息。
• 数据采集技术有多种，主要包括传感器、RFID、多媒体信息采集、实时定位等。
物联网体系结构(共74张PPT)
1.2 物联网定义
• 物联网中的“物〞的涵义要满足以下条件才能够被纳 入“物联网〞的范围：
一个Zigbee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备 节点组成。
WIFI无线网络
• Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备〔如PDA、 〕 等终端以无线方式互相连接的技术。
•WIFI突出优势：
•其一，无线电波的覆盖范围广 •其二，传输速度非常快
•其三，厂商进入该领域的门槛比较低
WIFI无线网络
1.1 物联网概念
• 物联网的概念是由麻省理工学院Auto-ID研究中心于 1999年提出的。当时基于互联网、RFID技术、EPC 标准，在计算机互联网的根底上，利用射频识别技 术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物 品信息实时共享的实物互联网。
1.2 物联网定义
目前较为公认的物联网的定义是： 通过射频识别〔RFID〕装置、红外感应器、 全球定位系统GPS、激
2.3 物联网感知层关键技术
1. RFID技术 2. 条形码
3. 传感器技术 4. 无线传感器网络技术 5. 产品电子代码EPC
RFID技术
• RFID(Radio Frequency Identification)， 即射频识别，俗称电 子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，可识
具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象； • 2〕阅读器(Reader)或读写器：读取(有时还可以写入
物联网技术的基本原理和架构
物联网技术的基本原理和架构随着科技的不断发展，物联网技术已经成为了一个备受瞩目的领域。
物联网（Internet of Things，简称IoT）是指通过互联网将各种物理设备连接起来，实现设备之间的信息交流和数据共享。
它的基本原理和架构是实现物联网技术的关键。
一、物联网技术的基本原理物联网技术的基本原理是通过传感器、通信技术和云计算等技术手段，将各种物理设备连接到互联网上，实现设备之间的信息交流和数据共享。
首先，传感器是物联网技术的基础。
传感器可以感知周围的环境和物体的状态，并将感知到的信息转化为数字信号。
传感器的种类繁多，包括温度传感器、湿度传感器、光线传感器等。
通过传感器，物理设备可以感知到周围环境的变化，并将这些信息传输到云端。
其次，通信技术是物联网技术的关键。
物联网中的设备需要通过通信技术与互联网进行连接。
目前常用的通信技术包括无线局域网（Wi-Fi）、蓝牙、ZigBee等。
通过这些通信技术，设备可以与云端进行数据交换和远程控制。
最后，云计算是物联网技术的支撑。
云计算通过将数据存储在云端服务器上，实现对数据的集中管理和分析处理。
云计算提供了强大的计算和存储能力，使得物联网设备可以实现大规模数据的处理和分析。
同时，云计算还提供了灵活的服务模式，使得物联网设备可以根据实际需求进行资源调配。
二、物联网技术的架构物联网技术的架构包括感知层、传输层、应用层和支撑层。
感知层是物联网技术的基础，它包括传感器和物理设备。
传感器通过感知周围的环境和物体状态，将感知到的信息转化为数字信号。
物理设备通过传感器获取到的信息，进行数据处理和传输。
传输层是物联网技术的核心，它负责将感知层获取到的信息传输到云端。
传输层包括无线通信技术和有线通信技术。
无线通信技术包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等，它们可以实现设备之间的无线连接。
有线通信技术包括以太网、光纤等，它们可以实现设备之间的有线连接。
应用层是物联网技术的应用场景，它包括智能家居、智能交通、智能医疗等。
物联网技术架构概述.pptx
以及中间件技术
感知层顾名思义就是感知系统的一个层面，这里的 感知主要就是指系统信息的采集。感知层包括就是把所有
物品通过一维/二维条码、射频识别（RFID）、传感器、 红外感应器、全球定位系统等信息传感装置自动采集到与 物品相关的信息，并传送到上位端，完成传输到互联网前 的准备工作。比如在供应链管理、工业控制、智能交通、
网应用。
感知层作为物联网架构的基础层面， 主要是达到信息采集并将采集到的数据上 传的目的，感知层的主要包括：自动识别 技术产品和传感器（条码、RFID、传感器、 等），无线传输技术（WLAN、Bluetooth、 ZigBee、UWB），自组织组网技术和中间 件技术。
2、自动识别 自动识别技术系统是指将物品有关代码采用
行业用户基于行业信息及流程的保密性、安全性等 考虑，将在物联网的产业价值链中扮演着完全不同 的角色。大规模产业化必须打破原有的电信产业价 值链形式及思维模式，实现商业模式创新
物联网标准与行业内标准仍旧存在标准化空白，这 些因素的存在也阻碍了物联网的快速规模产业化
核心：“自治组网、协同感知”
物联网作为一个系统网络，与其他网络一样， 也有其内部特有的架构。你知道物联网的架构分 为几层么？
一般的，人们按照结构将条码分为一维条码和二维 条码。一维条码是通常我们所说的传统条码，按照应用 又可将其分为商品条码和物流条码。其中，商品条码包 括EAN条码和UPC条码等，物流条码包括128条码、ITF 条码、39条码、库德巴条码等。二维条码根据构成原理、 结构形状的差异，一般可分为两大类型：一类是行排式 或层排式二维条码（2D Stacked or Tiered Barcode），如PDF417、Code49、Code16K等；另 一类是棋盘式或矩阵式二维条码（2D Checkerboard or Dot Matrix Barcode），如汉信码、QR Code、 Data Matrix、Code One、Maxi Code等。关于条码 的简单分类如图4-3所示
物联网体系结构PPT幻灯片课件
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经过近几年的快速发展，各国不同的单位和机构 均初步建立了各自的物联网技术方案。例如，欧盟于 2009年9月发布的《欧盟物联网战略研究路线图》白 皮书中列出了13类物联网关键技术，它包括物联网体 系结构技术、标识技术、通信技术、网络技术、发现 与搜索引擎技术、软件和算法技术、硬件技术、数据 和信号处理技术、关系网络管理技术、电源和能量储 存技术、安全与隐患技术、标准化与相关技术等。物 联网的关键技术如图2.5所示。
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2.2 物联网的体系结构 2.2.1 物联网的组成
物联网作为一种形式多样的聚合性复杂系统， 涉及了信息技术自上而下的每一个层面，其体 系架构一般可分为感知层、网络层、应用层三 个层面。其中公共技术不属于物联网技术的某 个特定层面，而是与物联网技术架构的三层都 有关系，它包括标识与解析、安全技术、网络 管理和服务质量QoS（Quality of Service， QoS）管理等内容。物联网体系结构图如图2.1 所示。
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2.4.2中国物联网产业的基本架构
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思考与练习题 一、简答题 1、简述物联网的功能特征与基本功能。 2、简述物联网感知层的组成与作用。 3、物联网在传输网络层存在各种网络形式，通常使
用的网络形式有哪几种？ 4、简述应用层相关技术?
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感知层示意图 8
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2.2.3 物联网网络层 第二层是网络层。网络是物联网最重要的基础设施之一。
网络层在物联网模型中连接感知层和应用层，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。 网络层，即异构融合的泛在通信网络，它包括了现有的互联 网、通信网、广电网以及各种接入网和专用网，通信网络对 采集到的物体信息进行传输和处理。
物联网支撑技术
物联网支撑技术在当今科技飞速发展的时代，物联网正以惊人的速度融入我们的生活，从智能家居到工业自动化，从智能交通到医疗健康，物联网的应用无处不在。
而支撑这一庞大网络运行的背后，是一系列关键技术的协同作用。
首先，传感器技术是物联网的“触角”。
它就像是物联网的感官器官，能够感知和收集各种物理世界的信息，比如温度、湿度、压力、光照、声音等等。
传感器的种类繁多，从简单的热敏电阻到复杂的图像传感器，它们的精度和性能不断提升，使得物联网能够获取更加准确和丰富的数据。
无论是在环境监测中捕捉细微的气候变化，还是在工业生产中检测设备的运行状态，传感器都发挥着至关重要的作用。
通信技术则是物联网的“神经网络”，负责将传感器收集到的数据传输到云端或其他终端进行处理和分析。
其中，无线网络技术如 WiFi、蓝牙、Zigbee 等在近距离通信中广泛应用，满足了家庭和办公场景中设备互联的需求。
而对于大范围的物联网部署，如城市级的智能交通系统或农业监测网络，移动通信技术如 4G、5G 以及未来的 6G 则提供了强大的支持，确保数据能够快速、稳定地传输。
云计算和大数据技术是物联网的“大脑”。
大量的物联网设备产生的海量数据需要强大的计算和存储能力来处理和分析。
云计算平台提供了弹性的资源分配和高效的计算服务，使得企业和开发者无需自行构建昂贵的服务器基础设施。
大数据技术则能够从海量的数据中挖掘出有价值的信息，为决策提供依据。
通过对物联网数据的分析，我们可以优化生产流程、提高能源利用效率、改善交通拥堵状况等。
此外，物联网还依赖于安全技术来保障数据的保密性、完整性和可用性。
随着物联网设备的普及，网络攻击的风险也日益增加。
因此，加密技术、身份认证技术、访问控制技术等安全手段必不可少，以防止数据泄露和恶意攻击，保护用户的隐私和权益。
边缘计算技术在物联网中也逐渐崭露头角。
它将计算能力推向更靠近数据源的边缘设备，减少了数据传输的延迟和带宽消耗。
例如，在工业自动化中，边缘计算可以实时处理生产线上的传感器数据，实现快速的故障检测和响应，而无需将数据全部传输到云端。
物联网讲座07WSN支撑技术
在所有位置点 中取最小值、所有 中取最大值，则交集矩形取作： 三个锚点共同形成交叉矩形，矩形质心即为所求节点的估计位置。
4.2.3 无需测距的定位技术
无需测距的定位技术不需要直接测量距离和角度信息。
2、基本术语
(1) 锚点：指通过其它方式预先获得位置坐标的节点，有时也称作信标节点。网络中相应的其余节点称为非锚点。 (2) 测距：指两个相互通信的节点通过测量方式来估计出彼此之间的距离或角度。 (3) 连接度：包括节点连接度和网络连接度两种含义。 节点连接度是指节点可探测发现的邻居节点个数。网络连接度是所有节点的邻居数目的平均值，它反映了传感器配置的密集程度。 (4) 邻居节点：传感器节点通信半径范围以内的所有其它节点，称为该节点的邻居节点。
3、定位性能的评价指标
衡量定位性能有多个指标，除了一般性的位置精度指标以外，对于资源受到限制的传感器网络，还有覆盖范围、刷新速度和功耗等其它指标。 位置精度是定位系统最重要的指标，精度越高，则技术要求越严，成本也越高。定位精度指提供的位置信息的精确程度，它分为相对精度和绝对精度。 绝对精度指以长度为单位度量的精度。 相对精度通常以节点之间距离的百分比来定义。
将第前n-1个等式减去最后等式：
பைடு நூலகம்
用矩阵和向量表达为形式Ax=b，其中：
根据最小均方估计（Minimum Mean Square Error, MMSE）的方法原理，可以求得解为： ，当矩阵求逆不能计算时，这种方法不适用，否则可成功得到位置估计 。从上述过程可以看出，这种定位方法本质上就是最小二乘估计。
4.2 定位技术
4.2.1 传感器网络节点定位问题
1、定位的含义
在传感器网络的很多应用问题中，没有节点位置信息的监测数据往往是没有意义的。无线传感器网络定位问题的含义是指自组织的网络通过特定方法提供节点的位置信息。 这种自组织网络定位分为节点自身定位和目标定位。节点自身定位是确定网络节点的坐标位置的过程。目标定位是确定网络覆盖区域内一个事件或者一个目标的坐标位置。 节点自身定位是网络自身属性的确定过程，可以通过人工标定或者各种节点自定位算法完成。目标定位是以位置已知的网络节点作为参考，确定事件或者目标在网络覆盖范围内所在的位置。
物联网体系结构与技术分析
物联网体系结构与技术分析物联网（Internet of Things，IoT）指的是基于互联网的智能化事物互联，是由智能化硬件、软件、通信网络、数据存储与处理中心等构成的一个复杂的系统。
物联网的体系结构物联网的体系结构包括感知层、网络传输层、数据处理层和应用层。
感知层感知层是指通过各种传感器和感知节点将物理世界的信息采集并进行初步处理，转化为数字信号，传输到网络传输层。
感知层的主要组成部分包括传感器、控制器、执行器、嵌入式芯片、数据采集设备等。
网络传输层网络传输层是指将感知层采集的数据通过无线传输或有线传输技术传输到云端，实现数据的实时传输和通信。
网络传输层的主要组成包括局域网、无线传感网、移动通信网、互联网等。
数据处理层数据处理层是指对传入的数据进行分析、计算、存储和处理，提供各种技术支持和服务，便于用户进行数据分析和决策。
数据处理层的主要组成部分包括云计算平台、数据存储系统、大数据分析软件和人工智能算法等。
应用层应用层是指用户通过互联网对数据进行访问和使用的界面，完成对物联网的各项功能的使用和管理。
应用层的主要组成包括各种智能终端、软件应用程序和管理系统等。
物联网的技术分析物联网核心技术主要包括感知技术、通信技术、云计算和大数据分析技术、人工智能技术等。
感知技术感知技术是物联网的基础技术，主要是通过传感器和控制器实现对物理信号、声音、光线、温度、湿度等各种变化的采集。
传感器技术的发展已经发展成强大的商业市场，大量的厂商在骨感传感器、图像传感器、红外传感器等方面进行大量的开发工作。
通信技术通信技术是物联网的沟通桥梁，在实际的应用过程中，无线传感网络和蓝牙等技术，长距离通信技术有WiFi、LTE和NarrowBand-Internet of Things (NB-IoT)等技术。
这些技术可以满足不同场景下的链接与通信需求，方便数据的交换和共享。
随着5G技术的逐渐成熟，其将成为物联网通信技术的重要发展方向。
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第7章 物联网应用支撑技术
⑵ 数据管理技术
云计算系统对大量数据集中进行处理和分析并向用户提供 高效的服务。因此，数据管理技术必须能够高效地管理大 数据集。对海量的数据存储，读取后进行大量的分析，数 据的读操作频率远大于数据的更新频率，云中的数据管理 是一种读优化的数据管理。
⑶ 编程模型
为了使用户能更轻松地享受云计算带来的服务，让用户能 利用该编程模型编写简单的程序来实现特定的目的，云计 算上的编程模型必须十分简单，必须保证后台复杂的并行 执行和任务调度向用户和编程人员透明。
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第7章 物联网应用支撑技术
7.1.3云计算与物联网
1．云计算与物联网的关系
品之间形成了差异，技术在不断进步，但差异却并没有因此减少。计 算机用户出于历史原因和降低风险的考虑，必然也无法避免多厂商产 品并存的局面。于是，如何屏蔽不同厂商产品之间的差异，如何减少 应用软件开发与工作的复杂性，就成为技术不断进步之后，人们不得 不面对的现实问题。
⑴一个应用系统可能跨越多种平台，如UNIX、Windows，如何屏蔽这些 平台之间的差异？
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第7章 物联网应用支撑技术
2．云计算的关键技术 云计算是一种新型的超级计算方式，以数据为中 心，是一种数据密集型的超级计算，在数据存储、 数据管理、编程模式等多方面具有自身独特的技 术。
⑴ 数据存储技术
为保证高可用、高可靠和经济性，云计算采用分 布式存储的方式来存储数据，采用冗余存储的方 式来保证存储数据的可靠性，即为同一份数据存 储多个副本。
• 一是单中心，多终端。 • 二是多中心，大量终端。 • 三是信息、应用分层处理，海量终端。
• 云计算和物联网都是新兴事物，不过现在已经有了很多的 应用。但是两者结合的案例目前还是比较少的。
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第7章 物联网应用支撑技术
7.2中间件 7.2.1中间件概述 • 随着计算机技术的发展，IT厂商出于商业和技术利益的考虑，各自产
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图1-2 RFID系统的组成
第7章 物联网应用支撑技术
2．云计算与物联网的结合方式 • 云计算与物联网各自具备很多优势，如果把云计算与物联
网结合起来，我们可以看出，云计算其实就相当于一个人 的大脑，而物联网就是其眼睛、鼻子、耳朵和四肢等。云 计算与物联网的结合方式可以分为以下几种。
第7章 物联网应用支撑技术
7.1云计算 7.1.1云计算的概念与特点 1．云计算的概念 • 云计算(Cloud Computing)，是一种新兴的共享基础架构的方法，可以
将巨大的系统池连接在一起以提供各种IT服务。企业与个人用户无需 再投入昂贵的硬件购置成本，只需要通过互联网来购买租赁计算力， 把你的计算机当做接入口，一切都交给互联网。 • 狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、 易扩展的方式获得所需的资源（硬件、平台、软件）。提供资源的网 络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的， 并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。 • 从服务方式角度来划分的话，云计算可分为三种：为公众提供，为某个特定组织提供相应服务的“私有云”；以及 将以上两种服务方式进行结合的“混合云”。
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第7章 物联网应用支撑技术
7.1.2云计算服务模式与关键技术 1．云计算服务模式
云计算主要分为三种服务模式。这三种服务模式是SaaS、PaaS和IaaS。对 普通用户而言，他们主要面对的是SaaS这种服务模式，而且几乎所有的云 计算服务最终的呈现形式都是SaaS。 ⑴ SaaS SaaS是Software as a Service(软件即服务)的简称，它是一种通过Internet提 供软件的模式，用户无需购买软件，而是向提供商租用基于Web的软件， 来管理企业经营活动。
⑵如何处理复杂多变的网络环境，如何在脆弱的网络环境上实现可靠的 数据传送？
⑶一笔交易可能会涉及多个数据库，如何保证数据的一致性和完整性？
• 云计算是物联网发展的基石，并且从以下两个方面促进物 联网的实现。
• 首先，云计算是实现物联网的核心，运用云计算模式使物 联网中以兆计算的பைடு நூலகம்类物品的实时动态管理和智能分析变 得可能。
• 其次，云计算促进物联网和互联网的智能融合，从而构建 智慧地球。物联网和互联网的融合，需要更高层次的整合， 需要“更透彻的感知，更安全的互联互通，更深入的智能 化”。这同样也需要依靠高效的、动态的、可以大规模扩 展的技术资源处理能力，而这正是云计算模式所擅长的。
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第7章 物联网应用支撑技术
2．云计算的特点 ⑴ 超大规模。 ⑵ 虚拟化。 ⑶ 高可靠性。 ⑷ 通用性。 ⑸ 高可扩展性。 ⑹ 按需服务。 ⑺ 极其廉价。
云计算
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第7章 物联网应用支撑技术
3．云计算的基本原理
• 云计算的基本原理是，通过使计算分布在大量的分布式计 算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心 的运行将更与互联网相似。这使得企业能够将资源切换到 需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。这是一 种革命性的举措，它意味着计算能力也可以作为一种商品 进行流通，就像煤气、水、电一样，取用方便，费用低廉。 最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的。
⑵ PaaS PaaS(Platform as a Service．平台即服务)。所谓PaaS实际上是指将软件研 发的平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户。
⑶IaaS IaaS(Infrastructure as a Service，基础设施即服务)。消费者通过Internet可 以从完善的计算机基础设施获得服务。基于Internet的服务（如存储和数 据库）是IaaS的一部分。