物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及其信息技術(shù)

1、物聯(lián)網(wǎng),武奇生,第二章 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及其信息技術(shù),本章內(nèi)容：物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信與物聯(lián)網(wǎng)無線通信3G與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展集成電路：物聯(lián)網(wǎng)的基石,根據(jù)功能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以分為三類：1）感知技術(shù)：通過多種傳感器、RFID、二維碼、定位、地理識別系統(tǒng)、多媒體信息等數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實現(xiàn)外部世界信息的感知和識別；2）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：通過廣泛的互聯(lián)功能，實現(xiàn)感知信息高可靠性、高安全性進行傳送，包括各種有線和無線傳輸技術(shù)

2、、交換技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)關(guān)技術(shù)等；3）應(yīng)用技術(shù)：通過應(yīng)用中間件提供跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同及共享和互通的功能，包括數(shù)據(jù)存儲、并行計算、數(shù)據(jù)挖掘、平臺服務(wù)、信息呈現(xiàn)、服務(wù)體系架構(gòu)、軟件和算法技術(shù)等。在這些技術(shù)中，目前存在著三個比較重要的體系，第一個是RFID體系，除了RFID技術(shù)外還包括條碼和二維碼等；第二個是傳感網(wǎng)體系：第三個體系是M2M技術(shù)，M2M是重在強調(diào)廣域網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募夹g(shù)。,2.1 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),在物聯(lián)網(wǎng)上，通

3、過對所有身邊的實際事物安裝智能芯片，利用射頻自動識別(RFID)技術(shù)，讓物品能“開口說話”，告知其它人或物有關(guān)的靜態(tài)、動態(tài)信息。RFID標(biāo)簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，RFID標(biāo)簽技術(shù)在第三章中介紹。再通過光電式傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導(dǎo)纖維傳感器等傳感裝置，借助有線、無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)把它們自動采集到中央信息系統(tǒng)，實現(xiàn)物品(商品)的識別，進而通過開放性的計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息交換和共享，實現(xiàn)對物

4、品的“透明”管理。,2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)的工作原理,2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備三個特征：一是全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時地獲取物體的信息；二是可傳遞，通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準(zhǔn)確地傳遞出去；三是智能處理，利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術(shù)，對海量數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化地控制。,1.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)大致被認(rèn)為有三個層次感知層網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用層,

5、,,圖2-2 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu),2.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu),物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)可以分為三個層次：（1）泛在化末端感知網(wǎng)絡(luò)（對應(yīng)感知層）：泛在化末端感知網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是信息感知。 （2）融合化網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施（對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層）：融合化網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施的主要功能是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。目前能夠用于物聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要有互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)與衛(wèi)星通信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)。 （3）普適化應(yīng)用服務(wù)支撐體系（對應(yīng)應(yīng)用層）：普適化應(yīng)用服務(wù)支撐體系的主要功能是物聯(lián)

6、網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。,,圖2-3物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)示意圖,支持物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)：（1）感知技術(shù)。能夠用于物聯(lián)網(wǎng)底層感知信息的技術(shù)，它包括RFID與RFID讀寫技術(shù)、傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)、機器人智能感知技術(shù)、遙測遙感技術(shù)以及IC卡與條形碼技術(shù)等。（2）傳輸技術(shù)。能夠匯聚感知數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，它包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、地面無線傳輸技術(shù)以及衛(wèi)星通信技術(shù)等。（3）支撐技術(shù)。用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理和利用的技術(shù)，它包括云計算與高性能計算技術(shù)、智

7、能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、GIS/GPS技術(shù)、通信技術(shù)以及微電子技術(shù)等。（4）應(yīng)用技術(shù)。用于直接支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)運行的技術(shù)，它包括物聯(lián)網(wǎng)信息共享交互平臺技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲技術(shù)以及各種行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。,2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)的工作步驟,一般來講，物聯(lián)網(wǎng)的開展步驟主要如下：(1)對物體屬性進行標(biāo)識，屬性包括靜態(tài)和動態(tài)的屬性，靜態(tài)屬性可以直接存儲在標(biāo)簽中，動態(tài)屬性需要先由傳感器實時探測。(2)需要識別設(shè)備完成對物體屬性的讀取，并

8、將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。(3)將物體的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?處理中心可能是分布式的，如家里的電腦或者手機，也可能是集中式的，如中國移動的IDC)，由處理中心完成物體通信的相關(guān)計算。,2.2 支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù),RFID和傳感器具有不同的技術(shù)特點，傳感器可以監(jiān)測感應(yīng)到各種信息，但缺乏對物品的標(biāo)識能力，而RFID技術(shù)恰恰具有強大的標(biāo)識物品能力。盡管RFID也經(jīng)常被描述成一種基于標(biāo)簽的，并用于識別目標(biāo)的傳感器，但RF

9、ID讀寫器不能實時感應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的改變，其讀寫范圍受到讀寫器與標(biāo)簽之間距離的影響。因此提高RFID系統(tǒng)的感應(yīng)能力，擴大RFID系統(tǒng)的覆蓋能力是亟待解決的問題。而傳感器網(wǎng)絡(luò)較長的有效距離將拓展RFID技術(shù)的應(yīng)用范圍。傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)都是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，它們的相互融合和系統(tǒng)集成將極大地推動物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。,2.2.1 RFID技術(shù),2.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò),傳感器網(wǎng)絡(luò)(Sensor Network)的概念最早由美國

10、軍方提出，起源于1978年美國國防部高級研究計劃局(DARPA)開始資助卡耐基梅隆大學(xué)進行分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究項目，當(dāng)時此概念局限于由若干具有無線通信能力的傳感器節(jié)點自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。 2008年2月，ITU-T發(fā)表了《泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)(Ubiquitous Sensor Networks)》研究報告。在報告中，ITU-T指出傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)向泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，它是由智能傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，可以以“任何地點、任何時間、任何人、任

11、何物”的形式被部署。,RFID與WSN可以在兩個不同的層面進行融合：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下RFID與WSN的融合；傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下RFID與WSN的融合，該架構(gòu)下的融合又分為智能基站、智能節(jié)點、智能傳感標(biāo)簽三種情況。,物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下RFID與WSN的融合,,,圖2-5 智能基站,圖2-6 智能節(jié)點,圖2-7 智能傳感標(biāo)簽,,圖2-8 WSN與其他無線通信技術(shù)的融合,2.2.3 納米技術(shù),納米技術(shù)是研究尺寸在0.1～100nm的物質(zhì)組成體系的運

12、動規(guī)律和相互作用及可能的實際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)，主要包括納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等。其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米科學(xué)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米科學(xué)最重要的內(nèi)容，納米電子技術(shù)也是納米技術(shù)的核心。,2.2.4感知技術(shù),1.紅外感應(yīng)技術(shù)紅外傳感器是一種能探測紅外線的器件，能把紅外輻射量變化轉(zhuǎn)換成電量變化，按其工作原理可分為熱電型和光電型紅外傳感器。 (1)熱電紅外傳感器

13、是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，采用熱敏元件，其工作原理是：當(dāng)紅外線照射熱敏檢測元件時，檢測元件的表面溫度將發(fā)生變化，將其表面所出現(xiàn)的電荷作為電信號，對紅外線進行檢測。熱電型紅外線光敏元件的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多，如 。(2)光電紅外傳感器是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，采用光電元件，其響應(yīng)時間比熱電紅外傳感器短得多。,,熱釋電紅外傳感器 熱釋電效應(yīng)：當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而

14、符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當(dāng)溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。,,圖2-9 熱釋電效應(yīng)的形成原理,熱釋電紅外傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成

15、電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有 的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上產(chǎn)生電荷△Q，即在兩電極之間產(chǎn)生微弱電壓 。由于它的輸出阻抗極高，所以，傳感器中有一個場效應(yīng)管進行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷△Q會跟空氣中的離子結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時， ，傳感器無輸出。,,,,圖2-10 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路,菲涅耳透鏡它是根據(jù)菲涅耳原理制成的，把紅外光線分成可見區(qū)和盲區(qū)。菲涅耳透鏡有折射

16、式和反射式兩種形式，其作用為：一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入檢測區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號，這樣，PIR就能產(chǎn)生變化電信號。,圖2-11菲涅耳透鏡,2.全球定位技術(shù)GPS的組成：（1）空間部分——GPS星座；（2）地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)；（3）用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機。GPS定位原理假設(shè) 時刻在地面待測點上

17、安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間 ，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下4個方程式：,,,,,,,,,,,式中，待測點坐標(biāo) 、 、 和 為未知參數(shù)；（ =1，2，3，4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3和衛(wèi)星4到接收機之間的距離（偽距）； 為GPS信號的傳播速度（即光光速）。4個方程式中各個參數(shù)意義如下： 、 和 為待測點坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)； 、 和 （

18、 =1，2，3，4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3和衛(wèi)星4在 時刻的空間直角坐標(biāo)，可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得； （ =1，2，3，4）分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3和衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供； 是傳播延時誤差，用雙頻測量法校正。由以上4個方程即可解算出待測點的坐標(biāo) 、 、 和接收機的鐘差 。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖2-12 GPS定位原理,GPS的特點,（1）全球覆

19、蓋。 由于其24顆衛(wèi)星均勻分布，形成同時覆蓋全球的衛(wèi)星網(wǎng)，由于衛(wèi)星距地面越高，可見的地球表面或衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域就越大，借助地球的自轉(zhuǎn)可使地球上任何地方至少同時看到6~11顆衛(wèi)星。 （2）全天候。 （3）高精度。 P碼定位精度為水平方向20~40m，垂直方向45m，測速0.2m/s，測時精度0.2。C/A碼定位精度為水平方向l00m，垂直方向156m，測速0.3m/s，測時精度340ns。（4）多用途。 廣泛用于陸、海、空、各類

20、軍民載體的導(dǎo)航定位、精密測量和授時服務(wù)。,3.遙感技術(shù)定義：遙感起源于20世紀(jì)60年代，其特征是不直接接觸被研究的目標(biāo)，感測目標(biāo)的特征信息（一般是電磁波的反射、輻射和發(fā)射輻射），經(jīng)過傳輸、處理，從中提取人們感興趣的信息，這個過程叫遙感。遙感技術(shù)則是實現(xiàn)這種過程所采取的各種技術(shù)手段的總稱，包括攝影、陸地、航空、航天攝影測量等技術(shù)。分類：遙感技術(shù)依其波譜性質(zhì)，可分為電磁波遙感技術(shù)、聲學(xué)遙感技術(shù)和物理場遙感技術(shù) 特點：“三高”（即高光譜

21、、高時間分辨率、高空間分辨率）、“三全”（即全天候、全天時、全球）、“3W”（即what，when，where）、“三結(jié)合”（即大小衛(wèi)星結(jié)合、航空與航天結(jié)合、技術(shù)與應(yīng)用結(jié)合）,4.激光掃描器激光掃描器是一種遠距離條碼閱讀設(shè)備 手持式激光掃描器屬單線掃描，其景深較大，掃描首讀率和精度較高，掃描寬度不受設(shè)備開口寬度限制；臥式激光掃描器為全角掃描器，操作方便，操作者可雙手對物品進行操作，只要條碼符號面向掃描器，不管其方向如何，均能實現(xiàn)自

22、動掃描，超級市場大都采用這種設(shè)備。優(yōu)點 ：非接觸掃描 ；閱讀條碼密度范圍廣，并可以閱讀不規(guī)則的條碼表面或透過玻璃、透明膠紙閱讀；不會損壞條碼標(biāo)簽；首讀識別成功率高，識別速度相對光筆及CCD更快，而且對印刷質(zhì)量不好或模糊的條碼識別效果好；誤碼率極低（約為三百萬分之一）；激光讀寫器的防震、防摔性能好。,缺點：價格相對較高。工作原理 ：手持式激光掃描器通過一個激光二極管發(fā)出一束光線，照射到一個旋轉(zhuǎn)的棱鏡或來回擺動的鏡子上，反射后的光線穿過

23、閱讀窗照射到條碼表面，光線經(jīng)過條形碼的條或空的反射后返回到讀寫器，由一個鏡子進行采集、聚焦，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，該信號將通過掃描器或終端上的譯碼軟件進行譯碼。,分類：（1）單線掃描：其景深較大，掃描首讀率和精度較高，掃描寬度不受設(shè)備開口寬度限制，如手持式激光掃描器。（2）全角掃描器：操作方便，操作者可雙手對物品進行操作，只要條碼符號面向掃描器，不管其方向如何，均能實現(xiàn)自動掃描，超級市場大都采用這種設(shè)備。如：臥式激光掃描器。

24、（3）光柵式掃描 優(yōu)點：非接觸掃描 ；閱讀條碼密度范圍廣，并可以閱讀不規(guī)則的條碼表面或透過玻璃、透明膠紙閱讀；不會損壞條碼標(biāo)簽；首讀識別成功率高，識別速度相對光筆及CCD更快，而且對印刷質(zhì)量不好或模糊的條碼識別效果好；誤碼率極低（約為三百萬分之一）；激光讀寫器的防震、防摔性能好。缺點：價格相對較高。,,圖2-13 激光掃描器工作原理,工作原理 ：手持式激光掃描器通過一個激光二極管發(fā)出一束光線，照射到一個旋轉(zhuǎn)的棱鏡或來回擺動的鏡子上，

25、反射后的光線穿過閱讀窗照射到條碼表面，光線經(jīng)過條形碼的條或空的反射后返回到讀寫器，由一個鏡子進行采集、聚焦，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，該信號將通過掃描器或終端上的譯碼軟件進行譯碼。,圖2-14 激光掃描器工作流程,2.2.5通信及計算技術(shù),1.移動通信的分類（1）按設(shè)備的使用環(huán)境分類 ：陸地移動通信、海上移動通信和航空移動通信 （2）按服務(wù)對象分類：公用移動通信與專用移動通信 （3）按移動通信系統(tǒng)分類：蜂窩移動通信、專用調(diào)度電話

26、、集群調(diào)度電話、個人無線電話、公用無線電話、移動衛(wèi)星通信等類型 。,2.2.6普適計算技術(shù),理解普適計算概念需要注意以下幾個問題 ：（1）“無處不在”與“不可見” （2）普適計算體現(xiàn)出信息空間與物理空間的融合 （3）普適計算的核心是“以人為本” （4）普適計算的重點在于提供面向用戶的、統(tǒng)一的、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù) 要實現(xiàn)普適計算的目標(biāo)，我們必須解決以下幾個基本的問題：（1）理論建模。 （2）自然透明的人機交互 （3）無縫的應(yīng)

27、用遷移 （4）上下文感知,2.2.7云計算技術(shù),云計算主要特點：（1）云計算是一種新的計算模式。 （2）云計算是互聯(lián)網(wǎng)計算模式的商業(yè)實現(xiàn)方式。 （3）云計算的優(yōu)點是安全、方便，共享的資源可以按需擴展 （4）云計算更適合于中小企業(yè)和低端用戶。（5）云計算體現(xiàn)了軟件即服務(wù)的理念。,圖2-15 云計算工作模式示意圖,2.2.8數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)倉庫技術(shù),1.數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展 （1）面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫 （2）分布式數(shù)據(jù)庫 （3）多媒體數(shù)

28、據(jù)庫 （4）并行數(shù)據(jù)庫 （5）演繹數(shù)據(jù)庫 （6）主動數(shù)據(jù)庫,2.數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)集市與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)數(shù)據(jù)倉庫是一個在企業(yè)管理和決策中面向主題的、集成的、相對穩(wěn)定的、動態(tài)更新的數(shù)據(jù)集合。采用全新的數(shù)據(jù)組織方式，對大量的原始數(shù)據(jù)進行采集、轉(zhuǎn)換、加工，并按照主題進行重組，提取有用的信息。數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)需提供工具層，包括聯(lián)機分析處理工具、預(yù)測分析工具和數(shù)據(jù)挖掘工具。應(yīng)用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)使系統(tǒng)能夠面向復(fù)雜數(shù)據(jù)分析、高層決策支持，提供來自不同的應(yīng)用

29、系統(tǒng)的集成化數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，為決策者進行全局范圍內(nèi)的戰(zhàn)略決策和長期趨勢分析提供有效的支持。數(shù)據(jù)挖掘使數(shù)據(jù)庫技術(shù)進入了一個更高級的階段，它不僅能對過去的數(shù)據(jù)進行查詢和遍歷，并且能夠找出過去數(shù)據(jù)之間的潛在聯(lián)系，從而促進信息的傳遞,2.2.9人工智能技術(shù),1．人工智能的基本概念人工智能(artificial intelligence)是計算機科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、語言學(xué)等多種學(xué)科高度發(fā)展、緊密結(jié)合、互相滲透而發(fā)展起來的

30、一門交叉學(xué)科。2．人工智能技術(shù)的研究與應(yīng)用當(dāng)前人工智能技術(shù)的研究與應(yīng)用主要集中在以下幾個方面（1）自然語言理解（2）數(shù)據(jù)庫的智能檢索。 （3）專家系統(tǒng)（4）定理證明 （5）博弈 （6）自動程序設(shè)計 （7）組合調(diào)度問題 （8）感知問題,2.2.9嵌入式技術(shù),1．嵌入式技術(shù)與環(huán)境智能化嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）也稱嵌入式計算機系統(tǒng)，它是針對特定的應(yīng)用，剪裁計算機的軟件和硬件，以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠

31、性、成本、體積、功耗的嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。2．嵌入式計算機系統(tǒng)的特點（1）微型機應(yīng)用和微處理器芯片技術(shù)的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)。 （2）嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展適應(yīng)了智能控制的需求。 （3）嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展促進了適應(yīng)特殊要求的微處理器芯片、操作系統(tǒng)、軟件編程語言與體系結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展。 （4）嵌入式系統(tǒng)的研究體現(xiàn)出多學(xué)科交叉融合的特點。,3．嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的過程嵌入式系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，發(fā)展至今已經(jīng)有30多年

32、歷史。嵌人式系統(tǒng)大致經(jīng)歷了四個發(fā)展階段。（1）第一階段是以可編程序控制器系統(tǒng)為核心的研究階段。 （2）第二階段是以嵌入式中央處理器CPU為基礎(chǔ)，以簡單操作系統(tǒng)為核心的階段。 （3）第三階段是以嵌人式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的階段。 （4）第四階段是基于網(wǎng)絡(luò)操作的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展階段。,2.3現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信與物聯(lián)網(wǎng),由大量的部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線通信方式智能組網(wǎng)，形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有信號采集、實時

33、監(jiān)測、信息傳輸、協(xié)同處理、信息服務(wù)等功能，能感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)所覆蓋區(qū)域中感知對象的各種信息，并將處理后的信息傳遞給用戶。,2.3.1 無線網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng),2.3.2 無線局域網(wǎng)與協(xié)議,定義：無線局域網(wǎng)是指以無線電波、激光、紅外線等無線媒介來代替有線局域網(wǎng)中的部分或全部傳輸媒介而構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò) 。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（1） 802.11協(xié)議 （2）藍牙標(biāo)準(zhǔn) （3）HomeRF工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),2.3.3 IPv6技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)帶來了技術(shù)上的挑戰(zhàn) （1）

34、物聯(lián)網(wǎng)由眾多節(jié)點連接構(gòu)成，無論是采用自組織方式，還是采用現(xiàn)有的公眾網(wǎng)進行連接，這些節(jié)點之間的通信必然牽涉到尋址問題 （2）目前互聯(lián)網(wǎng)的移動性不足也造成了移動能力的瓶頸 （3）網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保證也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中必須解決的問題 （4）物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的安全性和可靠性也需要重新考慮,基于IPv6技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案 （1）IPv6地址技術(shù) （2）IPv6移動性技術(shù) （3）IPv6 QoS技術(shù) （4）IPv6安全性與可靠性技術(shù),,圖2

35、-16 MIPv4與MIPv6的轉(zhuǎn)發(fā)比較,2.3.4 藍牙、無線個人區(qū)域網(wǎng)與Zigbee,藍牙技術(shù)是一種短距離無線電技術(shù) 無線個人區(qū)域網(wǎng)（無線個域網(wǎng)）WPAN(Wireless Personal Area Network)。就是在個人工作地方把屬于個人使用的電子設(shè)備（如便攜式計算機，掌上電腦以及蜂窩電話等）用無線技術(shù)連接起來，整個網(wǎng)絡(luò)的范圍大約為10m。Zigbee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò) 。Zig

36、bee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。,ZigBee的特點（1）低功耗 （2）成本低 （3）時延短 （4）網(wǎng)絡(luò)容量大 （5）可靠 （6）安全,2.4 無線通信3G與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,理解3G的基本概念時，需要注意以下幾個問題。（1）第三代移動通信技術(shù)簡稱為“3G”或“三代”，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通信技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時支持語音通話信號及電子郵件、即時通信數(shù)字信

37、號的高速傳輸。（2）3G與2G的主要區(qū)別是：3G能夠在全球范圍內(nèi)更好地實現(xiàn)無線漫游，提供網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)、音樂、視頻等多種信息服務(wù)。 根據(jù)我國電信業(yè)重組方案，3G牌照的發(fā)放方式是：中國移動獲得TD-SCDMA牌照，中國電信獲得CDMA2000牌照，中國聯(lián)通獲得WCDMA牌照。,2.4.1 3G促進物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮無線通信,2.4.2 物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)送的平臺——3G手機,普通3G手機服務(wù)業(yè)務(wù)包括以下幾個方面：（1）寬帶上網(wǎng) （

38、2）視頻通話 （3）手機電視 （4）無線搜索 （5）手機音樂 （6）手機購物 （7）手機網(wǎng)游,2.4.3 基于RFID和手機終端的移動電子 商務(wù),1．3G特色定位應(yīng)用（1）高精度定位 （2）區(qū)域觸發(fā)定位 2．移動企業(yè)應(yīng)用（1）移動多媒體會議電話、會議電視服務(wù) （2）高速移動企業(yè)接入 3．移動行業(yè)的應(yīng)用（1）面向公眾的業(yè)務(wù) （2）面向行業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)管理的應(yīng)用,2.5集成電路：物聯(lián)網(wǎng)的基石,第一組數(shù)據(jù)是微

39、電子技術(shù)對國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的貢獻 。發(fā)達國家或發(fā)展中國家在經(jīng)濟增長方面存在著一條規(guī)律，那就是電子工業(yè)產(chǎn)值的增長速率是國民經(jīng)濟總產(chǎn)值增長速率的3倍，微電子產(chǎn)業(yè)的增長速率又是電子工業(yè)增長速率的2倍。第二組數(shù)據(jù)是集成電路產(chǎn)品與其他門類產(chǎn)品對國民經(jīng)濟貢獻率的比較。 。根據(jù)有關(guān)研究機構(gòu)的測算，集成電路對國民經(jīng)濟的貢獻率遠高于其他門類的產(chǎn)品。如果以單位質(zhì)量鋼筋對GDP的貢獻為1計算，那么小汽車為5，彩電為30，計算機為1000，而集成電路的貢獻率則

40、高達2000。,2.5.1 微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性,2.5.2集成電路的研究與發(fā)展,經(jīng)過40余年的發(fā)展，集成電路已經(jīng)從最初的小規(guī)模芯片，發(fā)展到目前的超大規(guī)模集成電路和系統(tǒng)芯片，單個電路芯片集成的元件數(shù)從當(dāng)時的十幾個發(fā)展到目前的幾億個甚至幾十、上百億個。摩爾定律：集成電路的集成度每18個月就翻一番，特征尺寸每3年縮小1/2。計算機界對于摩爾定律的兩點推論是：微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降了一半。用一美元所能買

41、到的計算機性能，每隔18個月翻兩番。,集成電路的發(fā)展階段第一階段：1962年制造出集成了12個晶體管的小規(guī)模集成電路(SSI)芯片。第二階段：1966年制造出集成度為100～1000個晶體管的中規(guī)模集成電路（MSI）芯片。第三階段：1967～1973年，制造出集成度為1000～100 000個晶體管的大規(guī)模集成電路（LSI）芯片。第四階段：1977年研制出在30平方毫米的硅晶片上集成了15萬個晶體管的超大規(guī)模集成電路（VLSI）

42、芯片。第五階段：1993年制造出集成了1000萬個晶體管的16MB FLASH與256MB DRAM的特大規(guī)模集成電路（ULSI）芯片。第六階段：1994年制造出集成了1億個晶體管的1GB DRAM巨大規(guī)模集成電路（GSI）芯片。,2.5.3系統(tǒng)芯片的研究與應(yīng)用,系統(tǒng)芯片（SoC）也稱為片上系統(tǒng)。 SoC就是將一個電子系統(tǒng)的多個部分集成在一個芯片上，能夠完成某種完整的電子系統(tǒng)功能。 圖2-17左端是一款用多塊大規(guī)模集成電路和一些分

43、立元件組成的手機電路結(jié)構(gòu)圖，圖的右端是將手機的多塊大規(guī)模集成電路和部分元件集成在一起的SoC芯片示意圖。,圖2-17 SoC芯片與集成電路的關(guān)系示意圖,2.6本章小結(jié),本章在介紹物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地介紹了支撐物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的信息技術(shù)。計算機技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)提供了計算工具，通信技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)提供了通信手段，微電子技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石。微電子芯片設(shè)計與制造是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的基石。小型化、造價低的RFID芯片與讀寫器，傳感器芯片、傳感器的無線