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物联网技术与应用(2)电子教案PPT

  1. 时间:2017-04-05
  2. 版本:powerpoint
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  4. 授权:免费下载
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物联网技术与应用(2)电子教案PPT 物联网技术与应用(2)电子教案PPT
简介:这是一个关于物联网技术与应用(2)电子教案PPT主要介绍了物联网概念综述、物联网产业现状和机遇分析、物联网产业发展挑战和思考、股份公司物联网发展策略建议、总结等内容。物联网是新一代信息技术的重要组成部分,也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网技术与应用(2)电子教案PPT是由星星PPT用户ppt上传提供的学校PPT类型素材,上传时间为2017-04-05,本页面网址为http://www.cnd8.com/ppt/2016102777505.html 物联世界 机遇无限
第一讲  物联网技术概述
第二讲  物联网的物品标识技术——RFID
第三讲  物联网的末梢神经——无线传感器网络
第四讲  物联网的运行环境——网络技术
第五讲  物联网的应用层技术——智能计算
第六讲  物联网技术的应用(医疗、农业、交通等)
第七讲  物联网技术在军事上的应用
第八讲  总结,交大作业(点名不到者每次扣10分)
第一讲 物联网技术概述
物联网(The Internet of things)的概念最早是在1999年提出的,其后又多次被重复。其定义是:把任何物品通过射频识别(RFID),红外感应器,全球定位系统,激光扫描器 等信息传感设备,按约定的协议与互联网连接起来,进行信息交换和共享,以实现智能化识别和管理的一种网络。
目  录
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目  录
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第二讲 射频识别技术RFID
射频识别是无线电频率识别的简称,即通过无线电波进行识别。
RFID系统中,识别信息存放在电子数据载体中,电子数据载体称为应答器。
应答器中存放的识别信息由阅读器读出。
阅读器不仅可以读出存放的信息,而且可以对其进行写入,读写过程是通过双方之间的无线通信来实现的。
RFID
应答器(射频卡或标签)
RFID
应答器
(射频卡或
   标签)
RFID
阅读器
(读写器或基站)
RFID
RFID的工作频率
RFID的工作频率可划分为:
1、LF:  低频30-300KHz,常用125KHz;
2、HF:  高频3-30MHz,   工作频率为13.56MHz;
3、UHF:特高频300MHz-3GHz,工作频率:433MHz,
                                                           866 -960MHz,2.45GHz;
4、SHF:超高频3-30GHz,   工作频率:5.8GHz、24GHz;
电感耦合方式RFID的工作原理
RIFD工作方式
电感耦合方式RFID的工作原理
1、阅读器为有源工作,应答器无源工作;
2、L1、C1;L2、C2 均工作在射频源VS的谐振频率;
3、应答器L2的磁场变化产生电压整流后供阅读器使用;
4、应答器向阅读器的数据传输采用内部的二进制数据编码信号控制开关S,使得负载电阻R2被接通或者断开,通过耦合使L1产生变化的电压,经调制、解码即可;
5、阅读器向应答器的数据传输,是通过数字调制的方式实现的,多采用ASK(幅频监控)的方式;
电感耦合方式RFID的工作原理
RIFD工作方式
反向散射耦合RFID工作方式
目标的反向散射耦合RIFD工作方式
反向散射方式RFID的工作原理
声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件是以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。
反向散射方式RFID的工作原理
    声表面波应答器以压电效应和避免弹性相关的
低速传播的声波为依据,加以体积小、重量轻、工
作频率高、相对带宽较高,并且可采用与集成电路
芯片工艺相同的平面加工工艺,制造简单,工艺的
一致性好,灵活性高;
反向散射方式RFID的工作原理
换能器的作用是将电信号转换为声波。它利用压电衬底在电场作用下的膨胀和收缩效应。
指状电极上的电位差形成电场。射频信号一起雅典衬底的振动,从而沿其表面产生声波,经反射返回换能器在转换成射频脉冲的序列的电信号,经偶极子天线回传至阅读器;
RFID
谐波检测法的工作原理:基于反向散射耦合方式,它可用于电子防盗系统
RFID
射频识别的应用系统构架
RFID
应答器的主要性能参数
工作频率
读/写能力
编码调制方式
数据传输速率
信息数据存储容量
工作距离
多应答器识读能力(亦称防碰撞或防冲突能力)
安全性能(密钥、认证)等。
RFID
无源、半无源与有源应答器
无源应答器:不附有电池 ,从阅读器发出射频能量中提取工作所需的电能。采用电感耦合方式的应答器多为无源应答器。
半无源应答器 :内装有电池,起辅助作用,对维持数据的电路供电或对应答器芯片工作所需的电压作辅助支持,用于传输通信的射频能量源自阅读器。
有源应答器:工作电源完全由内部电池供给,同时内部电池能量也部分地转换为应答器与阅读器通信所需的射频能量。
RFID
应答器电路的基本结构
RFID
阅读器的功能
1、以射频方式向应答器传输能量;
2、从应答器中读出数据或向应答器写入数据;
3、完成对读取数据的信息处理并实现应用操作;
4、 若有需要,应能和高层处理交互信息。
RFID
阅读器的电路组成
RFID
天线
天线的目标是取得最大的能量传输效果。
RFID系统所用的天线类型主要有偶极子天线、微带贴片天线、线圈天线等。
在应答器中,天线和应答器芯片封装在一起。
RFID
相关的自动识别技术
自动识别技术:包括条形码、接触式IC卡、生物特征识别、光学字符识别(OCR)以及射频识别(RFID)等。
条形码(Bar Code)技术:最早产生在20世纪20年代,由一组规则排列的条和空、相应的数字组成 。
其它......
RFID
RFID的应用
RFID应用领域广泛,且每种应用的实现,都会形成一个庞大的市场,因此可以说射频识别是一个重要的新的经济增长点。
目前,RFID在票务系统(城市公交车、高速公路收费、门票等)、收费卡、城市交通管理、安检门禁、物流、家政、食品安全追溯、药品、矿井生产安全、防盗、防伪、证件、集装箱识别、动物追踪、运动计时、生产自动化、商业供应链等众多领域获得广泛重视和应用。
RFID
RFID的应用
第二代身份证
RFID
            RFID技术被认为是近30年来10大最具生命力的技术之一,它正朝着无所不在的方向快速发展。
“有了无线识别(RFID)技术,还需要管家吗?”
RFID的ISO IEC标准
标准的作用
确保协同工作的进行,规模经济的实现,工作实施的安全性以及其他许多方面
RFID标准化的主要目的在于通过制定、发布和实施标准,解决编码、通信、空中接口和数据共享等问题,最大程度的促进RFID技术及相关系统的应用
标准采用过早,有可能会制约技术的发展和进步;采用过晚,可能会限制技术的应用范围。
RFID标准涉及的内容
RFID标准涉及的主要内容包括
技术(接口和通信技术,如空中接口、防碰撞方法、中间件技术、通信协议)
一致性(数据结构、编码格式及内存分配 )
电池辅助及与传感器的融合
应用(如不停车收费系统、身份识别、动物识别、物流、追踪、门禁等,应用往往涉及有关行业的规范 )
RFID标准的分类
国际标准:由ISO(国际标准化组织)IEC(国际电工委员会)负责制定;
国家标准:由工业与信息化部与国家标准化管理委员会负责制定;
行业标准:有国际、国家的行业组织制定,例如国际物品编码协会(EAN)与美国统一代码委员会(UCC)制定的用于物体识别的EPC标准;
此外,还有涉及道德、伦理、健康、数据安全、隐私等的规范;
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC(国际标准化组织和国际电工委员会)制定的RFID标准概况
技术标准 :ISO/IEC 10536 、ISO/IEC 14443 、ISO/IEC 18000系列标准 等
数据结构标准 :ISO/IEC 15424 、ISO/IEC 15418 、ISO/IEC 15434 等
性能标准 :ISO/IEC 18046 、ISO/IEC 18047 、ISO/IEC 10373-6 等
应用标准 :ISO/IEC 10374 、ISO/IEC 18185 、ISO/IEC 11784 等
ISO/IEC制定的RFID技术标准
ISO/IEC10536:密耦合CICC非接触式IC卡标准(紧靠)
ISO/IEC14443:近耦合PICC非接触式IC卡标准  <10cm
ISO/IEC15693:疏耦合VICC非接触式IC卡标准约50cm
ISO/IEC18000系列标准(基于物品管理RFID的空中接口参数)
ISO/IEC18000-1:空中接口一般参数
ISO/IEC18000-2:低于135KHz频率一般空中接口参数
ISO/IEC18000-3:13.56MHz频率下的空中接口参数
ISO/IEC18000-4:2.45GHz频率下的空中接口参数
ISO/IEC18000-6:860-930MHz的空中接口参数
ISO/IEC18000-7:433MHz频率下的空中接口参数
ISO/IEC制定的RFID数据内容标准
ISO/IEC15424:数据载体/特征标识符
ISO/IEC15424:EAN、UCC应用标识符及ASC MH10(ANSI标准)数据表示符
ISO/IEC15424:大容量ADC媒体用的传送语法
ISO/IEC15424:物品管理的唯一标识号
ISO/IEC15424:数据协议:应用接口
ISO/IEC15424:数据编码规则与逻辑存储功能协议
ISO/IEC15424:射频标签(应答器)的唯一标识
ISO/IEC制定的RFID性能标准
ISO/IEC18046:RFID设备性能测试方法
ISO/IEC18047:有源和无源的RFID设备一致性测试方法
ISO/IEC10373-6:按ISO/IEC14443标准对非接触式IC卡进行参数的方法
ISO/IEC制定的RFID应用标准
ISO/IEC10374:货运集装箱识别标准
ISO/IEC18185:货运集装箱密封标准
ISO/IEC11784:动物RFID的代码结构
ISO/IEC11785:动物RFID的技术准则
ISO/IEC14223:动物追踪的直接识别数据获取标准
ISO/IEC17363和17364:一系列物流容器(如货盘、货箱、纸盒等)识别的规范
RFID的ISO IEC标准
和RFID技术相关的标准
无线通信管理
频谱分布、功率、电磁兼容等内容
人类健康的有关标准和规范
国际非电离辐射保护委员会(ICNIRP)所提出的标准和规范
数据安全的有关标准和规范
经济合作与发展组织(OECD)
隐私问题 
目前,很多用于物品识别的应答器(电子标签)都能支持KILL命令
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC的RFID标准简介
非接触式IC卡 
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC的RFID标准简介
动物识别标准
ISO /IEC 11784
规定动物识别的代码结构 
ISO/IEC 11785
规定相关的技术准则
ISO/IEC 14223
为读取动物应答器内的特殊数字提供了协议,这些数字被存储在集中所有动物数据的中央数据库内 
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC的RFID标准简介
物品识别标准
ISO/IEC 18000 :空中接口的重要标准 ,无线频段(频率)有6个,即低于135 kHz,13.56 MHz,433 MHz,860~960 MHz,2.45 GHz和5.8 GHz。作用距离从数厘米至十多米不等
ISO/IEC 18001 :给出了应答器的外形要求
ISO/IEC 10374 :微波应答器的集装箱识别标准 ,工作频率范围为850~950 MHz以及2.4~2.5 GHz,应答器的灵敏度以最大电场强度150 mV/m定义,最大可阅读距离为13 m  
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC的RFID标准简介
国际标准ISO/IEC 14443
近耦合非接触式IC卡的国际标准
用于身份证和各种智能卡、存储卡
ISO/IEC 14443标准由四部分组成,即ISO/IEC 14443-1/2/3/4
ISO/IEC 14443-2射频能量
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC的RFID标准简介
ISO/IEC 14443-4传输协议
TYPE A 型 PICC激活过程
RATS
ATS
PPS(协议和参数选择)请求
6 RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC的RFID标准简介
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC 15693
疏耦合射频卡(VICC)的国际标准
物理特性(机械特性,物理尺寸,抗紫外线、X射线和电磁射线能力,弯曲和扭曲性能 )
空中接口与初始化
防碰撞和传输协议
命令扩展
安全特性
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC 15693
空中接口和初始化
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC 15693
空中接口和初始化
副载波:单副载波时,副载波的频率423.75 kHz;在使用双副载波时,频率484.28 kHz
数据速率
位表示和编码 :采用曼彻斯特码编码方式
RFID的ISO IEC标准
SOF
EOF
RFID的ISO IEC标准
传输协议
唯一标识符(UID) :由制造商永久地设定
应用族标识符(AFI) :由VCD锁定的应用类型
数据存储格式标识符(DSFID) :指出了数据在VICC内存中的结构
CRC :初始值为FFH
VICC内存结构 :可寻址块达256个,块大小可至256位,最大内存容量可达64 kb(8 kB)。
块安全状态 :由VICC作为对VCD请求的响应参数返回
RFID的ISO IEC标准
VICC状态
断电(Power-Off)、就绪(Ready)、静默(Quiet)、选择(Selected)4种状态
RFID的ISO IEC标准
防碰撞
RFID的ISO IEC标准
防碰撞
VCD发送目录命令的请求帧,时隙数设置为16。
VICC1在时隙0返回应答,因只有这一个VICC应答,故不存在碰撞,它的UID被VCD接收存储。
VCD发送EOF,指示下一个时隙开始。
在时隙1,VICC2和VICC3进行应答,发生了碰撞。VCD检测到碰撞,并记录该时隙发生了碰撞。
VCD再发送EOF,进入时隙2。
RFID的ISO IEC标准
在时隙2,无VICC应答,VCD未检测到VICC的应答的SOF,因此VCD通过发送EOF,进入时隙3。
在时隙3,VICC4和VICC5应答,产生了碰撞。
VCD决定发送寻址请求(例如读块请求)给VICC1(VICC1的UID已被UCD正确接收)。
所有VICC都检测到对VICC1请求的SOF,它们都处理这个请求,但只有UID匹配的VICC1才返回应答,其他的VICC则退出防碰撞序列。
所有VICC准备接收下一个请求。如果又是一个目录命令的请求,则又从时隙0开始按上面步序执行。
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC 18000-6标准
定义了阅读器和应答器之间的物理接口、协议、命令及防碰撞机制。
标准包含两种通信模式:TYPE A和TEPE B。
TYPE A模式 :
数据编码
帧格式
调制  
RFID的ISO IEC标准
应答器向阅读器的数据传输
数据编码
帧格式
前同步码、标志、参数、数据、CRC
RFID的ISO IEC标准
强制命令及状态转换
INIT ROUND命令
NEXT SLOT命令 :确认已被识别的应答器;指示所有处于循环激活状态的应答器对它们的时隙计数器加1并进入下一个时隙
NEW ROUND命令 :指示在循环准备和循环激活状态的应答器进入循环激活状态,复位它们的时隙计数器为1,进入新的循环;指示在选择状态的应答器变迁到静默状态,在静默和就绪状态的应答器仍维持它的状态
RFID的ISO IEC标准
CLOSE SLOT命令 :
STANDBY ROUND 命令 :确认来自一个应答器的有效应答,并指示该应答器进入选择状态,阅读器可以发送选择标志为1的读写命令等对此应答器进行操作;指示所有处于循环激活状态的应答器进入循环准备状态,等待NEXT SLOT,NEW SLOT或CLOSE SLOT命令的到来,重新进入循环激活状态进入新的循环
RFID的ISO IEC标准
强制命令及状态转换
SELECT(by SUID)命令 :无论应答器原先处于场内哪个状态(不含离场状态),接收到该命令且SUID匹配时进入选择状态,并发回应答帧;SUID不匹配的应答器不发回应答帧,当它处于循环激活状态时变迁到循环准备状态,处于选择状态时变迁到静默状态,处于就绪、静默或循环准备状态时保持状态不变
READ BLOCKS命令 :
GET SYSTEM INFORMATION命令 :获取应答器的有关系统信息
RFID的ISO IEC标准
TYPE A的防碰撞过程
1、启动防碰撞过程 :阅读器发出INIT ROUND命令启动防碰撞过程,在命令中给出循环空间大小
2、参与防碰撞过程的应答器对命令的处理
RFID的ISO IEC标准
3、阅读器发出INIT ROUND命令后出现的三种可能情况
阅读器在一个时隙中没有检测到应答帧时,它发出CLOSE SLOT命令。
阅读器检测到碰撞或错误的CRC时,在确认无应答器仍在传输应答的情况下,发出CLOSE SLOT命令。
阅读器接收到一个应答器无差错的应答帧时,它发送NEXT SLOT命令,命令中包括该应答器的签名,对此已被识别的应答器进行确认,使它进入静默状态以便循环的继续
RFID的ISO IEC标准
4、接收到CLOSE SLOT命令或NEXT SLOT而签名不匹配的参与循环的应答器将自己的时隙计数器加1并和所选择的随机数比较以决定该时隙是否发回应答帧,并根据本次循环时的时隙延迟标志决定发回应答帧的时延
RFID的ISO IEC标准
TYPE A的防碰撞过程
5、阅读器按第(3)步中的三种情况处理,直至该循环结束(达到了循环空间预置值)
6、一个循环结束后,如果在INIT ROUND命令或CLOSE SLOT命令中重复循环标志位置为1,则自动开始一个新的循环。如果重复循环标志位为0,阅读器可以决定用新的INIT ROUND命令或NEW ROUND命令继续进行循环以完成防碰撞过程
7、在一次循环中,阅读器可以通过发送STANDBY ROUND命令来确认签名匹配的应答器的有效应答,并指示该应答器进入选择状态,同时让签名不匹配的应答器进入循环准备状态,以便在后续命令来到时将循环继续。
RFID的ISO IEC标准
TYPE B (与TYPE A相类比)
物理接口
命令和应答的帧格式
数据元素
应答器的存储器
应答器的状态
命令
强制和推荐的命令
防碰撞算法
RFID 的ISO IEC标准
TYPE B
RFID的ISO IEC标准
ISO/IEC 18000-7标准
物理层
使用窄带UHF频段。载波频率为433.92 MHz±20 ppm
采用FSK调制方式,频率偏移为±35 kHz,逻辑0的频率为fc(载波频率)-35 kHz,逻辑1的频率为fc+35 kHz。
数据位采用曼彻斯特编码,数据速率为27.7 kbps
阅读器和应答器之间的通信采用主从方式
数据链路层
RFID的ISO IEC标准
数据链路层
前同步码 :包含20个周期为60 μs的脉冲,高电平30 μs,低电平30 μs
数据字节 :包括8个数据位和一个停止位,采用曼彻斯特编码,位持续时间为36 μs,字节周期(含停止位)为324 μs。
CRC码 :多项式为x16+x12+x5+1
包结束符
RFID的ISO IEC标准
命令格式
RFID的ISO IEC标准
应答格式
对广播命令应答的信息格式
对点到点命令应答的信息格式
第四讲 无线传感器网络
物联网及其发展
几十年来互联网获得了极大的发展,已经成为人类社会和人类生活不可或缺的信息网络系统;
互联网下一个发展方向,除了扩大覆盖、提高速度、加大容量、增加网民(包括地址)无线接入等,向物联网发展也是一个重要的动向;
我们可以通过互联网了解世界(各地发生的事情)在物联网普及以后,我们就可以感知世界上发生的事情;
物联网大体上就是技术界以往所说的传感网;其基本架构应该是互联网网络为主体,加上可以感知客观事物的有线、无线接入的传感器网络;
什么是传感网(物联网)?
物联网,基本上就是我们以前称为传感网的网络。IBM在前年提出,美国总统奥巴马上台以后,为了解决经济危机,接过这一事物,提出“智慧地球”的概念;
温家宝总理2009,8视察江苏无锡时,提出把“智慧中国”的中心建在无锡。江苏省委和省政府非常重视。正在全力贯彻落实。
近日,倾向于把物联网称为传感网。
传感器网、传感网、物联网、互联网、因特网:关联和区别;
什么是传感网(物联网)?
传感器网:把各种传感器连接起来的网络,这种连接可以是无线,也可以是有线;
目前学界对于传感器网、传感网、物联网尚无一个明确的定义;
可以认为,传感网强调以感知为目的,物联网倾向于传感器的连接为特征;但是两者都是以互联网为基础的。
但是对于互联网、因特网则有科学的定义;
INTERNET;因特网
Internet;互联网
什么是物联网?
          传感网是以感知为目的,实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。传感网突出的特征是通过传感器等方式获得物理世界的多种信息,结合互联网、移动通信网络进行信息的传送与交互,采用智能计算技术对信息进行分析与处理,从而提升对物质世界的感知能力,实现智能化的决策和控制。
           物联网应该有更规范的内涵,例如物联网也包括网络控制为目的,而传感网更强调以感知为目的;
什么是物联网?
物联网将各种信息传感设备、控制设备,例如射频识别装置(RFID)、红外感应装置、全球定位系统(GPS)、激光扫描器等与互联网结合起来形成一个不仅仅是人在使用,也可以把各种其它信息(不仅仅是文字、语言、数字、图像)通过互联网进行传递、处理、存储、检测等。以提高人类社会的信息化、自动化水平。物联网的用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府政务、公共安全、平安家居、智能消防、工业检测、病老护理、个人健康等多个领域。
业界普遍认为物联网是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。
什么是物联网?
物联网的要素,首先是要把物体连接到网上;
其次是要把这个物体的信息传到互联网上;
物联网的工作,就是获取信息、传送信息、处理信息、存储信息、显示信息;
美国的研究机构Forrester预测,物联网的产业价值和规模,要比互联网大30倍,将会形成下一个万亿元级别的产业;
传感网与无线通信
传感网中使用的几种通信技术:
1、移动通信:2G、3G、B3G、LTE;
2、无线局域网:
WiFi:无线局域网,802.11,校园网;
WiMAX:无线城域网,802.16,已成为 3G标准
3、超宽带UWB:特征是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。工作频率3.1G-10.6GMHz,低功耗,如射频标签RFID(Radio Frequency Identification 也称电子标签、无线电频率识别)。
传感网与无线通信
4、ZigBee:低功耗、近距离的无线组网通信技术;     802.15.4(s);
5、NFC(近场通信),双向RFID,可实现设备之间的近距离通信(20cm,比兰牙短,但是不需要加密);
6、兰牙(Bluetooth)、红外(IiRD);
传感器的种类基本概念
       传感器是由敏感元件和转换元件组成的
一种检测装置,能感受到被测量的信息,并
按一定规律变换成为电信号或其他所需形式
的信息输出,以满足信息的传输、处理、存
储、显示、记录和控制等要求。传感器是实
现自动检测和自动控制的首要环节,也可以
说是人类五官功能的延伸。
传感器的种类
信息(例如RFID中的各种读卡器)
温度、温限压力
测力、压力、重力;
液位、水位测量、流体、流量
电机保护
光敏
荷重、称重传感器
闸门开度(高度)
传感器的种类
气体、气味、口臭、室内空气、风速
湿度
灰尘
红外
漏电、电导
PH值
传感器的种类
酒精
AQS环境控制
卤素浓度
生物传感器
热学量
位置、安防
光纤光栅
指纹、触摸
传感器的种类
磁阻倾角
视觉、图像
压电、静电、电流、电压
加速度
霍尔位置
微波
物联网的工作模式
物联网的工作模式较多,但是目前主要分为射频识别(射频标签)RFID和ZigBee,因为国际标准化组织目前主要在这两种应用中制定了一系列的标准;
射频识别(射频标签)RFID主要是应用读卡器和应答器之间的信息传输完成工作;
ZigBee则主要是工作于网络系统;
什么是ZigBee?
传感网络通信的几个阶段和模式:
自动控制:电脑+智能器件;
传感网:网络+传感器;
ZigBee:网络+传感器+通信协议,是一种无线个域网(LR-WPAN);
由于无线通信组网技术使用的设备种类繁多,各种设备的技术参数并不相同,所以无线通信组网会经常遇到麻烦。但是由于ZigBee制定了相应的协议,所以化解了这一困难。
什么是ZigBee?
多信道的无线通信装置+微控制器,集成在芯片上封装。具体就是8位微处理器与射频收发模块封装,接上电阻、电容、晶振,加上A/D、D/A、I/O接口和控制电路。也有把这些器件都封装在一起的。
再加上相应的无线通信(协议栈)和开发的应用软件。可见,这实际上是一种智能控制节点,也就是无线传感器的网络节点。
也有人将其称为“无线单片机”。
ZigBee技术诞生刚刚4、5年,ZigBee联盟是2002年成立的其标准ZigBee 1.0是2004年公布的。目前这一技术发展很快。
什么是ZigBee?
技术特点:
工作频率:2.4GHz为主要频段(16格250kbps信道),也可以在915MHz(10个40kbps信道),868MHz(1个20kbps信道);更重要的是,这几个频段都是不需要注册、批准的,称为免许可通信频段;
低速率:几十Kbps;
近距离:几米-几十米,最大可以达到1-3Km,如果需要加大通信和控制距离,可以采用多跳的方式接力;
微功耗:速率低、数据量小,所以信号的收发时间很短,多数时间处于休眠状态,所以极其节能。一般一个节点使用一节电池可以工作0.5-2年甚至更长;
低复杂度:ZigBee的协议栈比WiFi、兰牙简单,对于通信的控制要求也不高,通常采用8位单片机即可。
低价格:一般在几十元甚至更低;
什么是ZigBee?
短延时:ZigBee从休眠状态激活,或者活动设备的信道接入时延一般在15,设备搜索的时延在30ms。所有也适合于工业控制和无线控制技术;
组网灵活:通过网络协调器组成星状、树状、网状等各种类型的网络,非常灵活,同时允许设备的加入、退出,并且改变网络的架构;
采用载波侦听/冲突检测CSMA/CA、握手传输,所以数据的传输可靠;
什么是ZigBee?
大容量:ZigBee可以有三种工作方式,即个域网协调器、路由器、终端设备。一个ZigBee网络最多可以包含256个ZigBee网络节点,包括一个主控设备,其余是从属设备。通过网络协调器,则可以支持64000个ZigBee网络节点,网络协调器还可以相互连接,所以适合大面积的传感器网络;
适于网络的自配置:ZigBee可以采用网络协调器自动建立网络,绝对数北可以随时加入和退出,适于自配置、自组织的网络
什么是ZigBee?
安全模式:提供循环冗余(CRC)的数据包完整性校验,支持鉴权和认证,通过三级安全处理:
    第一级:无安全方式;
    第二级:设备可以使用接入控制列表(ACL)防止非法设备获取数据,本级不加密;
    第三级:在数据传输中采用AES-128的对称密码来保护数据净荷,防止攻击者假冒合法设备;
什么是ZigBee?
由于物联网的发展,可能使ZigBee得到极广泛的应用,如家庭、办公室、公共场所等地方。
ZigBee是得到国际标准化组织承认和规范的无线组网通信技术,也是物联网或者传感网的重要应用。
ZigBee的应用
智能家居:可以把各种家用电器及其遥控器,甚至照明、通信设备、门禁、游戏玩具,都可以组成家庭的智能中心,并且实现联网;
智能交通:在街道、高速公路、建筑物等地布置大量的ZigBee节点设备,可以加强汽车与外界的联系更加紧密,国家智能化;
智能建筑:建筑内的人员管理、温度控制、能源管理(节能)、防火、信息交互等;
医院应用:搜集病人的各种信息和检查的结果,配有ZigBee的担架,可以直接控制电梯的门;
ZigBee的协议架构-802.15协议簇
LR-WPAN:无线个域网,属于低速无线个域网,协议属802.15:
IEEE802.15.1:中速无线个域网,兰牙;
IEEE802.15.3:高速无线个域网,超宽带,(UWB)
IEEE802.15.4:低速无线个域网,LR-WPAN,主要为电源能力受限、吞吐量要求不高、无线应用提供低成本的连接;
ZigBee的协议架构-802.15协议簇
IEEE-802.15.4
共27个信道:2450MHz16g个,915MHz10个,868MHz1个;
支持250kbps、40kbps、20kbps三种速率;
支出星状网络结构和点对点的对等网络结构;
分配16位短地址或16位扩展地址;
支持时隙保证机制,通过预留保证时隙(GTS)提供无竞争媒体访问,或实现CSMA/CA以避免竞争;
确认握手保证传输的可靠性;
低功耗,可以能量检测;
有链路质量指标;
ZigBee的网络拓扑
  ZigBee的簇树网络-多个邻近簇连接成网
ZigBee协议架构
ZigBee协议包括:
IEEE802.15.4:
物理层协议;
媒体访问控制层:MAC;
ZigBee联盟:
网络层(NWK)
应用层(APL)
安全服务规范
ZigBee的协议解析
ZigBee的协议中每一层为其上层提供一套服务,包括数据传输和管理两个内容。两层之间的接口称为“服务访问点(SAP)”;
物理层提供两类服务:物理层数据服务和物理层管理服务;
物理层的具体功能有:无线收发信机的开启和关闭、能量检测(ED)、链路质量指示(LQI)、信道评估(CCA)、通过物理媒体收发数据包。
ZigBee的协议解析
MAC 层提供MAC层数据服务和管理服务;主要功能有:采用CSMA/CA进行信道的访问控制、信标帧的发送、同步服务和提供MAC层可靠传输机制;
网络层提供设备的加入/退出机制、帧安全机制、路由发现机制和维护机制。
ZigBee协调器的网络层还负责新的网络、新的关联设备分配地址。
ZigBee的协议解析
ZigBee应用层包括应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)、应用对象(由设备制造商定义)。
APS子层(应用支持子层)负责维护绑定列表,根据设备的服务和需求对设备进行匹配,并且在绑定的设备之间传送信息。
ZDO负责发现网络中的设备并且明确其提供的服务。
传感网在通信骨干网检测中的应用
基于客户感知的物联网端到端性能测量系统
          本成果可以在用户了解传输信息的同时,利用探针对物联网的终端之间进行自动测量,主要测量网络的流量、性能、传输质量、传输内容等。探针的种类包括用户终端探针、机房探针、服务器探针。如果将探针前面加上各种用途的传感器,即为各种物联网。);
物联网中可满足客户感知性能的 测量系统架构
多线程探测引擎
传感网无线信道的信道分配技术
物联网的网络中,传感器的接入主要采用无线信道,无线信道中信道资源分配始终是传感网中无线接入网的主要内容,主要涉及信道分配策略、多信道机制和信道资源预留策略等研究内容,在这方面,我们的成果包括:
1)多网关传感网的纵向干扰划分技术
2)多网关无线传感网的拓扑分割技术
3)最小化纵向干扰的信道分配策略
4)基于信道切换的传感网资源预留策略
物联网网络的监测、控制和 管理研究
物联网应用和产业有待突破的障碍
应用不足:目前社会的发展,有需求,但是不旺;有市场,但是技术尚未跟上;
核心技术缺位:特别是传感器及其网络,面广、量大、品种繁多、低能耗、长寿命,恶劣的应用环境,极低或者较低成本等;
标准先行:国家已经下达了24国家标准计划和10项行业标准计划的制定,但是仍然不够
产业链稍微形成:例如传感器、系统设计、公共信息平台、开发工具和平台、中间件等,甚至有的政策也是障碍;
第五讲  物联网的运行环境——网络技术
■ 计算机网络的基本概念
■ 互联网的形成与发展
■ 互联网应用的高速发展
■ 互联网接入技术与三网融合
■ 互联网与物联网的区别与联系
一、计算机网络的基本概念
  1. 从人的思维规律来认识计算机网络技术发展的必然性
     (1)1/N阶段
     (2)N=1阶段
     (3)N〉1阶段
     (4)N趋于无穷阶段
2. 计算机网络发展的四个阶段
     (1)20世纪50年代,独立发展的计算机技术与通信
               技术结合
     (2)20世纪60年代美国的ARPANET与分组交换技术
     (3)20世纪70年代中期,网络体系结构与网络协议
               标准化问题
     (4)20世纪90年代开始,互联网、高速通信网、无
               线网络与网络安全技术
3. 计算机网络发展的三条主线
  (1)互联网技术
     (2)无线网络技术
     (3)网络安全技术
  
二、互联网的形成与发展
   1. 互联网发展的背景
       (1)ARPANET的研究与发展
                 分组交换概念的提出
                 ARPANET的研究
       (2)互联网的形成
       (3)互联网的基本服务功能
2. Web技术的研究与应用
       (1)Web技术的产生
                 1989年欧洲原子能研究中心CERN
                 CERN和MIT建立WWW联盟
       (2) Web服务的核心技术
                  超文本传送协议、超文本标记语言、超链接
三、互联网应用的高速发展
   1. 互联网的应用领域
      (1)是生活在现实社会的人创造了网络虚拟社会的繁荣
      (2)互联网技术研究与产业发展为我们提供了一个可以
                尽情施展才华的创新平台
       (3)计算机网络与互联网技术是一个充满着挑战,他将
                 与多个学科与应用领域交叉融合,为人类的创新活
                 动提供了更加广阔的空间。
2. 互联网应用技术发展的三个阶段
      (1)基本的网络服务
                Telnet、E-mail、FTP、BBS、Usenet等
      (2)基于Web的网络服务
                Web、电子商务、电子政务、远程教育、远程医疗
      (3)新的网络服务
                搜索引擎、网络电话、钱柜娱乐老虎机手机版、网络视频、博客、
                播客、即时通信、网络游戏、网络广告、网络出版、
                网络存储、网络计算
3. 互联网应用的两种模式
        (1)客户/服务器模式的基本概念
                  网络资源分布的不均匀性表现在硬件、软件和
                  数据三方面
        (2)对等P2P模式的基本概念
                  从事物发展的“螺旋式上升”规律的角度去认识P2P
                  技术的发展;
                  从信息资源存储格局变化的角度去认识P2P技术的
                  发展;
                  在不同技术发展阶段,人们对网络应用关注的重
                  点不同
四、互联网接入技术与三网融合
   1. 宽带城域网技术的发展
        是以宽带光传输网为开放平台,以TCP/IP协议为基础,
通过各种网络互联设备,实现语音、数据、图像、多媒体视
频、IP电话、IP电视、IP接入和各种增值业务,并与广域计
算机网络、广播电视网、电话交换网互联互通的本地综合业
务网络。
2. 接入网技术发展的背景
     (1)接入网技术分类
               按涉及用户的环境与需求大致分为家庭接入、校园
               接入、机关与企业接入;
               按接入技术可以分为有线接入和无线接入;
     (2)从实现技术的角度,主要有:
               数字用户XDSL接入技术
               光纤同轴电缆混合网
               光纤接入技术
               宽带无线接入技术与802.16标准
3. 计算机网络、广播电视网与电信网的三网融合
     电信网主要是电话交换网,用于模拟的语音信息传输;
     广播电视网用于模拟图像、语音信息的传输;
     计算机网络主要用来传输计算机的数字信号。
五、物联网与互联网区别与联系
   1. 互联网核心交换与端系统的抽象方法
        在各种简化和抽象方法中,将互联网系统分为边缘
部分和核心交换部分是最有效的方法之一。
        互联网边缘部分主要包括大量接入互联网的主机和
用户设备,核心交换部分包括由大量路由器互联的广域
网、城域网和局域网。
2. 从网络端系统接入的角度看互联网与物联网的区别与联系
     (1)从端系统接入的角度看互联网的结构
               有线接入:
               网卡;
               使用ADSL接入设备;
               使用Cable Modem接入设备;
               无线接入:
               无线网卡;
               无线城域网;
               无线自组网。
(2)从端系统接入的角度看物联网的结构
          物联网应用系统运行在互联网核心交换结构的基础
之上;无联网应用系统将根据需要选择无线传感器网络或
RFID应用系统的接入方式。
(3)从网络数据采集与传输内容的角度看互联网与物联网
          的区别与联系
          互联网所提供的服务功能主要是实行人与人之间的信
  息交互和共享,在互联网端结点之间传输的文本文件、语
  音文件、视频文件都是由人输入的;而物联网的端系统采
  用的是传感器、RFID,物联网感知的数据是传感器主动感
  知或者RFID读写器自动读出的。
2.1 网络技术基础
2.1.1 计算机网络概述
     (1)计算机网络定义:
             利用通信设备和线路将地理位置不同、功能独立
     的多个计算机系统相互联系起来,以功能完善的网络
     软件实现资源共享和信息传递。
(3)计算机网络分类:
  从网络节点分布来看,分为局域网、广域网和城域网;
  按交换方式,分为线路交换网络、报文交换网络和分组
  交换网络;
  按网络拓扑结构分为星型结构、环型结构、总线结构、
  分布式结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构等。
(4)计算机网络的组成:
      计算机网络通常由三个部分组成,即通信子网、
  资源子网和通信协议。
      通信子网是计算机网络中负责数据通信的部分;
  资源子网是计算机网络中面向用户的部分;通信协议
  是通信双方必须共同遵守的规则和约定。
(5)计算机网络的体系结构与协议
      在计算机网络技术中,网络的体系结构指的是通
  信系统的整体设计,它的目的是为网络硬件、软件、
  协议、存取控制和拓扑提供标准。
      协议就是对数据格式和计算机之间交换数据时必
  须遵守的规则的正式描述。
(6)网络互联设备
          网络互联是指将不同的网络或相同的网络用互联
    设备连接在一起而形成一个范围更大的网络,也可以
    是为增加网络性能和易于管理而将一个原来很大的网
    络划分为几个子段或网段。
          通常,网络互联中常用的设备有路由器和调制解调器。
2.1.2 网络协议与OSI参考模型
      网络协议是网络上所有设备(网络服务器、计算机及
交换机、路由器、防火墙等)之间通信规则的集合,它
定义了通信时信息必须采用的格式和这些格式的意义。
      一个网络协议由语法、语义和同步三个要素组成。
OSI参考模型分为七层,分别物理层、数据链路层、
    网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
2.1.3 TCP/IP协议
        是为美国ARPA网设计的,目的是使不同厂家生产
的计算机能在共同网络环境下运行。
        TCP是传输控制协议,规定一种可靠的数据信息传
递服务,IP协议又称互联网协议,是支持网间互联的数
据包协议。
IP地址标识着网络中一个系统的位置,每个IP地址
都是由两部分组成:网络号和主机号。
    有效的主机号是A类、B类和C类。
2.1.4 计算机网络的安全性
   ■ 网络安全概念的发展过程
   ■ 解决网络安全的首要任务
       建立组织的部门的网络安全体系的首要任务
■ 网络安全存在的主要问题
  ■ 网络安全管理体系的建立
2.1.5 因特网及其应用
     ■ 因特网的产生与发展
     ■ 因特网在我国的发展进程及现状
         中国公用计算机互联网(ChinaNet)
         中国教育与科研计算机网(CERnet)
         中国科学技术计算机网(CSTnet)
         国家公用经济信息通信网络(ChinaGBnet)
         中国联通公用互联网(Uninet)
         中国网通高速宽带互联网(China Netcom Net,
         CNCnet)
互联网在中国发展历程
    第一阶段:1986.06-1993.3 研究试验阶段
    第二阶段:1994.04-1996    起步阶段
    第三阶段:1997-至今          快速增长阶段
■ 因特网的特点
       开放的网路结构
       统一的网络互联标准
       分散化的管理
       灵活的服务方式
       支持多种交流模式
       丰富的信息资源
       低廉的服务费用
■ Internet常用的协议
       HTTP;
       FTP;
       FILE;
       TELNET;
       MAILTO;
       NEWS;
       WAIS;
       GOPHER
■ 因特网的应用
     万维网;
     Telnet;
      FTP;
      Archie;
      E-mail;
      Gopher;
      WAIS;
      ICR;
      新闻讨论组;
      电子公告牌;
      电子商务
■ 因特网的工作原理
   ■ 因特网接入方式
        拨号上网;
        ISDN上网;
        xDSL接入; 
        Cabel Modeme接入;
        光纤接入方式;
        无线接入方式
■ 因特网的不足
    网络安全;
    知识产权;
    非法抢注域名和国家域名分配垄断;
    信息资源分散化存储和管理;
    非法有害内容的大量传播
2.2 企业网站建设
2.2.1 Intranet概述
      又称企业内部网,是Internet技术在企业内部的应用,
是指覆盖企业范围的网络,是把企业的通信资源、处理
器资源、存储器资源以及企业的信息资源等捆绑在一起
的网络,通过这个网络,企业员工可以很方便地访问这
些资源。
(1)企业Intranet组成
   网络平台;
   网络服务平台;
   开发平台;
   用户平台;
   通信平台;
   网络安全平台
(2)Intranet的特点
     基于TCP/IP组网,方便地和外界连接;
     提供基于Internet的网路服务;
     广泛使用WWW工具;
     为企业或组织所有,可根据企业的安全要求设置防火
     墙、安全代理等;
     物理网路应采用综合布线技术,以减少物理网络故障
2.2.2 企业Intranet建设方案
  ■ 建设需求分析
  ■ 建设的前期工作
  ■ 建设的具体阶段
(1)建设需求分析
   连接方式;
   服务类型;
   信息量分析;
   管理需求分析;
   运行分析
(2)Intranet建设的需求工作
    选择ISP;
    申请域名;
    用户规划;
    组织机构;
    人员培训
(3)具体建设阶段
    快速连入网络;
    试验小网建设;
    信息资源建设;
    应用系统开发;
    全面网络建设
第五讲  物联网的应用层技术——智能计算
物联网产业链DCM三架马车
物联网软件和中间件
从“牛计算”到云计算
1.物联网产业链DCM三架马车
   DCM:物联网产业链全景缩影
   物联网之Devices(设备或资产)
   物联网之Connect(连接与通信)
   物联网之Manage(管理和应用软件)
物联网系统的构成或产业链的划分:
    末端设备或子系统
    通信连接系统
    管理和应用系统
中国移动将物联网概括三层:
    感知层
    网络层
    应用层
物联网要连接和服务的对象是末端设备和各种
资产,这包括静止或移动的资产,各种基于微处理
器做成的应用系统、各种智能卡和RFID卡,安装在
机器上的传感器等。
        Mote称为微尘或智能尘埃,每个Mote含有一个
微型处理器、无线通信芯片、各种传感器、足够的
内存和硬件能力,能够以较低的功耗执行监视与控制
任务。
物联网通信层是连接智能设备和控制系统的桥梁,有两
大类:“地上走的”有线通信和“天上飞的”无线通信。
    有线通信分为相对短距离的现场总线和中长距离的可支
持IP的网络。
    无线通信技术主要分为的短距离接入的无线网状网、
RFID和WIFI/WiMAX等,以及中长距离的GSM和CDMA、卫星通
信技术等两类。
    在物联网应用中,用无线网状网和现场总线网络做最后
一公里接入、用GPRS/CDMA网络和IP网等广域网络做长距离
主干传输的组合方式是一种常用组合。
管理和应用软件是物联网产业链中的关键因素,
是其核心和灵魂。它包含M2M中间件和(嵌入式)
Edgeware、实时数据库、运行环境和集成框架、
通用的基础构件库和行业化的应用套件等。
     通用基础功能包括远程监测、自动报警、控制、
诊断和维护、系统联动、数据挖掘、报表与决策支
持、节能分析、资产跟踪与维护、与
ERP/CRM/OA/MES/SCM系统的总体大集成等。
2.物联网软件和中间件
    软件和中间件是物联网的灵魂
    中间件是物联网软件的核心
    物联网之服务器端软件
    物联网之嵌入式软件
    物联网门户于数据挖掘
    广电系统与机顶盒中间件
(1)软件和中间件是物联网的灵魂
        物联网软件包括服务器端的应用软件和中间件
以及数据挖掘和分析软件,还有传输层和末端的嵌
入式软件。
        思科员工中软件和硬件工程师的比例据说是
5:1,它的核心还是软件,硬件都是OEM来的。
        包括物联网软件在内的软件领域,美国长期引
领潮流,基本上垄断了世界市场,欧盟(世界级厂
商只有SAP)看到软件和中间件重要性,从2005年
资助Hydra项目。
(2)中间件是物联网软件的核心
        除了OS、数据库和直接面向用户的客户端的软
件以外,凡是能批量生产、高度可复用的软件都算
中间件。
        IBM、Oracle、微软等软件巨头都是引领潮流的
中间件生产商,SAP等大型应用软件厂商的产品也
是基于中间件架构的,国内的用友、金蝶等软件厂
商都有中间件部门或分公司。
        我国应该立即考虑成立自己的软件联盟,制定
和开发OSGi和Hydra类似的软件标准和中间件,这
是占领物联网制高点的关键。
(3)物联网之服务器端软件
        基于中央服务器的“大集成”是物联网应用系统
的主要形式,大集成包括原有的消除信息孤岛EAI
信息集成和智能物件及物联网监控子系统集成。
        原先的基于Java技术的IBM Websphere、Oracle
BEA Weblogic,以及基于.NET技术的微软应用服务
器,将利用他们现有的优势推出面向物联网应用的
新的中间件产品,如IBM推出的WebSphere
EveryPlace Device Manager。
         同方ezM2M物联网业务基础中间件平台是同方
面向M2M物联网业务、具有自主产权的旗舰产品。
(4)物联网之嵌入式软件
          嵌入式系统越来越多地以中间件的形式出现,
由专业的第三方软件厂商提供,而不是直接由嵌入
式设备提供商的内部软件部门开发提供。
(5)物联网门户与数据挖掘
          物联网在应用层面主要需要实现三大功能:
          基于数据大集成的“上行”数据采集,实现“物”
的监测;
          “下行”的指令下发,实现“控制”,但以“监测”
为主、“控制”为辅;
         数据大集成以后的数据存储管理和数据挖掘应
用。
数据挖掘是一些能够实现物联网“智能化”、
“智慧化”的分析技术和应用的统称。包括:
      数据挖掘和数据仓库;
      决策支持;
      商业智能;
      报表;
      数据抽取、转换和清洗等;
      OLAP在线数据分析;
      Dashboard;
      平衡积分卡等。
(6)广电系统与机顶盒中间件
        广电运营商因为其机顶盒已入千家万户,有天
然的直接面向普通消费者开展基于家庭网关的增值
物联网智能化服务业务的优势。
3. 从“牛计算”到云计算
  (1)引言
  (2)超级计算,Steven Chen
  (3)“牛计算”改变格局,做超级计算机就像
       组装PC
  (4)云计算的核心是支撑XaaS:从“计算中心”
       到“数据中心”
  (5)社会效益和商业模式
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