物联网的构成与要素课件

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第2章物联网的技术基础 第2章目录2.1物联网的构成与要素2.2物联网中的计算机与网络接入2.3产品电子代码（EPC）与RFID 2.1物联网的构成与要素2.1.1物联网系统组成2.1.2物联网的结构2.1.3物联网建模与要素 2.1物联网的构成与要素2.1.1物联网系统组成实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别、信息的互联与共享和智能控制。在物联网的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。 物联网从技术特征来看与互联网之间的关系有几点特征：（1）软、硬技术结合的应用网。从目前技术观点看，物联网与互联网的关系是由可接入互联网的传感器组成的软硬结合的应用网。（2）互联网与传感器是基础物联网不是一个全新的网络，是网络技术发展的互联网的应用和扩展，是互联网应用的一部分。（3）互联网的服务互联网好比是人类信息交换的动脉，物联网就是毛细血管，两者互联互通，物联网是互联网服务的有益补充。 （4）未来网络技术物联网、泛在网络、未来的互联网，他们的名字虽然不同，但表达的都是同一个愿景，那就是人类可以随时、随地、使用任何网络、联系任何人或物，达到信息自由交换的目的。物联网需要对物体具有全面感知能力，对信息具有可靠传送和智能处理能力，从而形成一个连接物体与物体的信息网络，即全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的基本特征。 2.1.2物联网的结构1、物联网及其服务体系分类：（1）按应用对象分：专用物联网和公众物联网公众物联网：为满足大众生活和信息的需求提供的物联网服务。专用物联网：满足企业、团体或个人特色的应用需求，有针对地提供专业性的物联网业务应用。专用物联网可以利用公众网络(如Internet)、专用网络（局域网、企业网络或移动通信互联网的公用网络）中的专用资源等进行信息传送。 表表2-1表2-1物联网分类方式举例 2.1.2物联网的结构多跳接入是利用WSN技术，将具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式，各节点能根据环境的变化，自主地完成网络自适应组织和信息的传递。由于节点间距离较短，一般采用多跳方式进行通信。传感器网络最终将信息通过接入网关传递到承载网络。典型的无线传感器设备有ZigBee、UWB等。多跳接入方式适用于终端设备分别集中、终端与网络间传递数据量较小的应用。通过采用多跳接入方式可以降低末梢节点、接入层和承载网络的建设投资和应用成本，以及方便建设实施工作和提升接入网络的健壮性，如图所示。 2.1.2物联网的结构根据物联网自身特征，其应该提供以下几类服务：连网类服务：物品标识、通信和定位。信息类服务：信息采集、存储和查询。操作类服务：远程配置、监测、远程操作和控制。安全类服务：用户管理、访问控制、事件报警、入侵检测和攻击防御。管理类服务：故障诊断、性能优化、系统升级和计费管理服务。根据不同领域物联网的应用需求，以上服务类型可以进行相应地扩展或裁剪。物联网的服务类型是设计和验证物联网体系结构和物联网系统的主要依据。因此，也可以根据物联网的不同应用来构建不同的体系结构。 2.物联网的节点和互连类型为了构建物联网的体系结构，首先需要划分物联网中网络节点的类型。物联网节点可以分成无源CPS节点、有源CPS节点、互联网CPS节点，其特征从以下方面进行描述：电源、移动性、感知性、存储能力、计算能力、连网能力和连接能力。 2.物联网的节点和互连类型无源CPS节点：具有电子标签的物体，这是物联网中数量最多的节点。有源CPS节点：具备感知、连网和控制能力的嵌入式系统，这是物联网的核心节点。互联网CPS节点：具备连网、控制能力的计算系统，这是物联网的信息中心和控制中心。 2.物联网的节点和互连类型根据以上物联网节点的分类，可以进一步研究可能存在的连接类型。例如，物联网节点之间存在无源节点与有源节点、有源节点与有源节点及有源节点与互联网节点之间的连接，这些类型的连接结构构成了物联网互联的体系结构。由于物联网的异构性，通用物联网体系结构由三部分构成：无源节点与有源节点互联结构、有源节点与有源节点互联结构、有源节点与互联网节点互联结构。 2.物联网的节点和互连类型无源节点与有源节点互联结构如图所示。 2.物联网的节点和互连类型有源节点与有源节点互联结构如图所示。 2.物联网的节点和互连类型有源节点与互联网节点互联结构如图所示。 2.物联网的节点和互连类型在以上定义的物联网体系结构中，物联网物理层协议提供在物理信道上采集和传递信息的功能，具有一定的安全性和可靠性控制能力；物联网数据链路层协议提供对物理信道访问控制、复用，在链路层安全、可靠、高效传递数据的功能，具有较为完整的可靠性、安全性控制能力，可以提供服务质量的保证；应用层协议提供信息采集、传递、查询功能，具有较为完整的用户管理、联网配置、安全管理、可靠性控制能力。 物联网的设计应该遵循一定的原则，而设计体系结构是设计物联网必不可少的环节，其原则具体包括：（1）多样性原则，物联网体系结构必须根据物联网节点类型的不同，分成多种类型的体系结构；（2）时空性原则，物联网体系结构必须能够满足物联网的时间、空间和能源方面的需求；（3）互联性原则，物联网体系结构必须能够平滑地与互联网连接；（4）安全性原则，物联网体系结构必须能够防御大范围内的网络攻击；（5）坚固性原则，物联网体系结构必须具备坚固性和可靠性。3.设计的基本原则 基于这5条基本原则，构建物联网可以分成标识物品、建立物品联网系统、建立物联网应用平台和建立物联网应用系统几个环节。（1）构建物联网系统的第一步是标识物品，也就是标识世界上所有的物品，需要利用电子标签和传感器技术。世界上所有的物品可以简单分成人造物品和自然物品，贴上电子标签或配置传感装置，都可以改造成为CPS节点。标识物品的另外一项技术就是世界统一的物品编码技术。目前还没有针对物联网的全球物品编码技术。3.设计的基本原则 (2）建立物品联网系统在完成物品标识之后，就可以建立、验证和采集被标识物品的物联网节点，即有源CPS节点。需要设计和实现有源CPS节点与无源CPS节点、有源CPS节点与有源CPS节点之间的无线通信机制，以及基于信息编解码技术的物品识别机制；必须设计和实现通信信道复用机制，使得在一条信道上可以同时完成多个无源或者有源CPS节点的通信，例如同时识别100多个具有RFID标签的物品；设计和实现通信信道上的可靠传输机制和实时传输机制，满足物联网对可靠性和实时性的要求。前两部分可以构成物联网系统中的联网系统。3.设计的基本原则 3.设计的基本原则有源CPS节点实现系统 （3）建立物联网应用平台物联网应用系统建立在物联网应用平台之上。在建立有源CPS节点的联网系统之后，就需要设计和实现有源CPS节点的网络配置、用户管理、节点控制、信息采集、信息传输和信息查询等功能，建立一个基本的物联网应用平台，即面向某个具体应用领域的物联网中间件。3.设计的基本原则 （4）建立物联网应用系统在建立物联网应用中间件之后，就可以进一步设计和实现物联网应用系统，包括基本应用系统和特定应用系统。基本应用系统包括物品命名管理系统、物品身份真伪验证系统、物联网系统管理等，特定应用系统包括仓储管理系统、楼宇监控系统、环境监测系统等。3.设计的基本原则 3.设计的基本原则物联网应用系统逻辑结构 物联网应用系统需要区分应用系统的物联网端和互联网端。应用系统物联网端部署在有源CPS节点上，可以作为应用系统的客户端（客户机/服务器），也可作为应用系统的对等端应用模式（P2P，Peer-to-Peer，对等），但是必须要求功能简捷可靠；应用系统互联网端部署在互联网CPS节点上，可以作为应用系统的服务器端（客户机/服务器），也可以作为应用系统的P2P应用模式，但都需要提供较为强大的存储和后端处理能力，满足物联网应用需求。3.设计的基本原则 3.设计的基本原则物联网应用系统部署结构 网络科学理论的发展、基本方法和建模要研究的问题和各要素之间的关系见下表：2.1.3物联网建模与要素1.物联网的物理模型序号要素结构动力学1特征提取节点和连线重要性及在网络中的作用：如何修改网络以改变节点的作用利用资源交换实现的网络功能；为使用网络具有特定行为所需的网络属性2费用节点和连线集合属性确定后计算该集合的费用网络资源交换中损耗及隐含的费用：在给定约束条件下，实现功能，使网络费用为最小值3有效性预测节点和连线及给定资源的效率在可行的设计空间中兼顾费用和效率网络建模要素 序号要素结构动力学4演化在网络演化中，可以保留的属性；为保持演化需要生成的新结构修改网络组件的属性，以改进网络的路线；增加、修改和删除节点和连线的属性，利用特定规则及约束模型、预测网路演化路线；设计和改进局部行为，以产生预期的演化路线；故障和攻击对网络演化的影响5恢复性用于防止随机故障、蓄意计划攻击、过载与联锁故障现象的结构属性在损害、过载与联锁故障时，网络行为的变化优化行为规范，以便产生较好的行为6测量性用于复杂性度量的结构测试范围网络标度变化对于网络行为影响；网络标度变化时，适当规则和约束可产生预期的行为1.物联网的物理模型 物联网现阶段是建立在Cyber模型基础之上的，该模型具体化就是互联网，互联网是由规模巨大的节点和链接关系，以及错综复杂的边而构成的网络结构（复杂的网络）。目前有代表性的复杂网络主要是无尺度网络和小世界网络，以及一些新型的复杂网络。无尺度度网络：在网络中的大部分节点只和很少节点连接，而有极少的节点与非常多的节点连接。这种关键的节点（称为“枢纽”或“集散节点”）的存在使得无尺度网络对意外故障有强大的承受能力，但面对协同性攻击时则显得脆弱。现实中的许多网络都带有无尺度的特性，例如因特网、金融系统网络、社会人际网络等等。2.1.3物联网建模与要素1.物联网的物理模型 无尺度网络的例子1.物联网的物理模型 （2）Barabasi-Albert模型1999年，Barabasi和Albert在《科学》杂志发表了《随机网络中出现的标度》，发现了在真实网路中的幂律分布，提出了无尺度网络概念和众多真实网络所共有的两种演化机理——增长和择优连接。无尺度网络的大多数节点仅有少量连线，而少数节点拥有大量连线。如一个网页更可能关注那些已经受欢迎的文档，并与它们保持超链接，因高链接的文档很容易被发现，因而也很著名。1.物联网的物理模型 在物联网中，最常用的是有关运动的参量。而物体是不断运动的，而且运动是有规律的。研究物理运动的理论是最基本的描述物理运动的方法。2、运动参量与基本的理论 理论与概念理论方法概念经典力学牛顿运动定律、拉格朗日力学、哈密顿力学、运动学、静力学、动力学、声学、流体力学、连续介质力学、混沌理论时间、空间、转动、位移、速度、加速度、质量、力矩、动量、角动量、能量等电磁学电学、磁学、电动力学、光学电荷、电流、电导、电场、磁场、电磁场、电磁感应等热力学与统计力学热机、分子运动论温度、热量、内能、压强、相、相变等相对论狭义相对论、广义相对论、爱因斯坦方程时空、引力场、引力波、洛伦兹变换、相对性原理、等效原理等量子力学矩阵力学、波动力学、量子场论、相对论量子力学波函数、哈密顿量、波粒二象性、不确定原理、量子、量子化、能级等 控制论是自动控制、通信技术、计算机技术、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种学科技术相互渗透形成的一门横断性学科。控制论研究表明，无论自动机器，还是神经系统、生命系统，以至经济系统、社会系统，不考虑各自的质太特点，都可以看作是一个自动控制系统。反馈对系统的控制和稳定起着决定性作用。控制论研究如何利用控制器，通过信息交换和反馈作用，使系统能自动按照人们预定的程序运行，最终达到最优目标。2、运动参量与基本的理论 自动控制定义：自动控制就是在没有人直接操作的情况下，通过控制装置操纵受控对象（一个装置或一个生产过程），使之自动地按照给定的规律运行，使被控变量能按照给定的规律变化。能够实现自动控制任务的系统就可称为自动控制系统。组成： 举例分析：液位控制系统 自动控制的基本内容 赛博数字物理系统（CPS）是将物理空间转换到数学空间，并通过计算分析和解说其对应的构成，来预测和控制物理空间可能发生的各种可能。赛博一词的本义是指以计算机技术、现代通信网络技术，甚至包括虚拟现实技术等信息技术的综合运用为基础，以知识和信息为内容的新型空间。CPS是对物联网的网络特点的一种专业称呼。3、物联网中的赛博数字物理系统 （1）信息硬件与软件不论是集成电路技术、互联网技术，还是高性能计算机体系结构和存储技术，2020年前后都会遇到延续当前技术难以逾越的障碍。（摩尔定律将可能会暗淡）如功耗和成本问题会突出。（2）人、机、物超并行编程信息应用的硬件平台都会是并行系统，但并行编程应用较少。（3）设备的时间同步现代控制理论无法预测下一时间将要发生什么事情，计算大多也是异步的。（4）海量处理与利用（5）安全与隐私4.物联网的技术及注意问题 人机分工：人做直觉的、无意识的事，计算机做有意识的、确定的、机械的操作；人确定目标和动机，做决策和判断，计算机的作用是处理琐碎细节，执行预定流程。人工心理理论是人工智能的高级阶段，支持开发有情感、意识和智能的设备。5.CPS-人、机、物关系