【正文】 知識(shí)補(bǔ)充： 大數(shù)據(jù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng) 37 / 37《物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)》 —— 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論 老子曰：“不出戶知天下，不窺牗見(jiàn)天道。其出彌遠(yuǎn)，其知彌少。是以圣人不行而知，不見(jiàn)而名，不為而成。”物聯(lián)網(wǎng)正是可以實(shí)現(xiàn)這種境界。物聯(lián)網(wǎng)的本事是互聯(lián)網(wǎng)的落地，即進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物物相連。在安全、健康、能源、效率、環(huán)境等等方面依然存在著巨大的隱患問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能大大促進(jìn)當(dāng)前以效率、節(jié)能、環(huán)保、安全、健康為可信的全球信息化發(fā)展，例如智能交通、電子醫(yī)療、智能電網(wǎng)等等技術(shù)應(yīng)用的成熟。物聯(lián)網(wǎng)（IOT,Internet of Things）。也是“傳感網(wǎng)”在國(guó)際上的通稱。通俗地講，物聯(lián)網(wǎng)就是萬(wàn)物都可以上網(wǎng)，物體通過(guò)裝入射頻識(shí)別設(shè)備、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)或其他方式進(jìn)行連接，然后接入到互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，最終形成智能網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)電腦或手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化管理。PS：美國(guó)IBM公司“智慧地球”，日本和韓國(guó)分別提出“UJAPAN”和“UKOREA”戰(zhàn)略。中國(guó)提出“感知中國(guó)”的發(fā)展策略。從技術(shù)的角度講，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該具備3個(gè)特征，一是全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時(shí)隨地獲取物體的信息；二是可靠傳遞，通過(guò)各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的傳遞出去；三是智能處理，利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化控制。這三個(gè)特征也提供了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)劃分的基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)感知層————網(wǎng)絡(luò)層————應(yīng)用層1. 感知層：智能終端和智能小物體（傳感器）。2. 網(wǎng)絡(luò)層：編碼尋址（IPV4,IPV6）和統(tǒng)一管理（針對(duì)多樣格式的數(shù)據(jù)）。3. 應(yīng)用層：應(yīng)用支撐平臺(tái)子層和應(yīng)用服務(wù)子層。“三網(wǎng)結(jié)合”即傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和通信網(wǎng)互相結(jié)合=物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)1. 在感知層：物聯(lián)網(wǎng)終端形態(tài)包括普通物聯(lián)網(wǎng)終端、M2M終端、感知接入網(wǎng)關(guān)、感知子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、終端外設(shè)及卡識(shí)讀物。2. 在網(wǎng)絡(luò)層：主要包括接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)、網(wǎng)管系統(tǒng)和業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)。3. 在應(yīng)用層：要求應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一接口來(lái)實(shí)現(xiàn)與感知層的通信。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)大致可以分為三個(gè)層次：首先是傳感網(wǎng)絡(luò)，以二維碼、RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）、傳感器為主，實(shí)現(xiàn)“物”的識(shí)別；其次是傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)，廣電網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)或者未來(lái)的NGN（下一代網(wǎng)絡(luò)），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與計(jì)算；第三是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，即輸入/輸出控制終端，可基于現(xiàn)有的手機(jī)、PC等終端進(jìn)行。物聯(lián)網(wǎng)與泛在網(wǎng)概念的差異泛在網(wǎng)（Ubiquitous Network）是指基于個(gè)人和社會(huì)的需求，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進(jìn)行的信息獲取、傳遞、存儲(chǔ)、認(rèn)知、決策、使用等服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)具有超強(qiáng)的環(huán)境感知、內(nèi)容感知及其智能性，為個(gè)人和社會(huì)提供凡在的、無(wú)所不含的信息服務(wù)和應(yīng)用。泛在網(wǎng)具有比物聯(lián)網(wǎng)更廣泛的內(nèi)涵。 表1 傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及泛在網(wǎng)三者的比較定義終端基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)象標(biāo)準(zhǔn)化組織傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)傳感器的互聯(lián)和信息收集傳感器物對(duì)物ISO/IEC物聯(lián)網(wǎng)將各種信息傳感設(shè)備如RFID、紅外感應(yīng)器、GPS、激光掃描器等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有物品的智能化識(shí)別與管理傳感器、RFID、二維碼、內(nèi)置移動(dòng)通信的各種模塊一個(gè)或多個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)物對(duì)物、物對(duì)人IEEEETSIEPC Global泛在網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的泛在互聯(lián)、實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、人與人之間按需的信息獲取、傳遞、儲(chǔ)存、認(rèn)知、分析、使用等服務(wù)，強(qiáng)調(diào)人機(jī)自然交互、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合和智能應(yīng)用傳感器、RFID、二維碼、內(nèi)置移動(dòng)通信的各種模塊、手機(jī)、上網(wǎng)卡等所有的網(wǎng)絡(luò)物對(duì)物、物對(duì)人、人對(duì)人ITU3GPPGSMAOMA物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用應(yīng)用場(chǎng)景：城市安全管控、城市環(huán)境管控、城市能源管控（樓宇設(shè)施能源管理和IT設(shè)施能源管理）、家庭數(shù)字生活等。影響物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的因素 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議問(wèn)題：在物聯(lián)網(wǎng)核心層面是基于TCP/IP，但在接入層面，協(xié)議類別繁多，GPRS、短信、傳感器、TDSCDMA、WCDMA、有線等等多種通道。物聯(lián)網(wǎng)需要一個(gè)同意的協(xié)議基礎(chǔ)。 個(gè)人隱私與數(shù)據(jù)安全 網(wǎng)關(guān)形態(tài) 產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜，需要整合 公眾信任 標(biāo)準(zhǔn)化 系統(tǒng)開(kāi)放 研究發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展步驟預(yù)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展情況將會(huì)分為以下幾個(gè)階段：2009~2012：物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模小，主要以M2M的形態(tài)出現(xiàn)2013~2015：M2M開(kāi)始有一定規(guī)模，物聯(lián)網(wǎng)有了一定規(guī)模的企業(yè)應(yīng)用。承載網(wǎng)絡(luò)也需要一定升級(jí)以適應(yīng)大量的M2M及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，市場(chǎng)需求增加。2016往后，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用數(shù)量激增，已廣泛滲透到大中企業(yè)，家庭應(yīng)用。 —— 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN,Wireless Sensor Networks）綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)檢測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，這些信息通過(guò)無(wú)線方式被發(fā)送，并以自組織多跳中繼 中繼：中繼是兩點(diǎn)間的一條傳輸信道，這兩點(diǎn)通常是交換中心。中繼線是承載多條邏輯鏈路的一條物理連接。隨著科技發(fā)展，中繼的概念不僅應(yīng)用于無(wú)線通信中，網(wǎng)絡(luò)通信交換機(jī)的trunk也可以稱之為一種中繼。方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)三元世界的連通。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史1. 簡(jiǎn)單傳感器網(wǎng)絡(luò)：20世紀(jì)70年代，使用具有簡(jiǎn)單信息信號(hào)獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，與傳感控制器連接構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。2. 智能傳感器：將計(jì)算能力嵌入到傳感器中，使得傳感器節(jié)點(diǎn)不僅具有數(shù)據(jù)采集能力，而且具有濾波和信息處理能力。3. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)：20世紀(jì)90年代，將網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信技術(shù)引入到傳感器節(jié)點(diǎn)中，降低了網(wǎng)絡(luò)部署成本，使得傳感器節(jié)點(diǎn)不僅僅是感知單元，而變成了可交換信息、協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)有機(jī)體。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)從器件上來(lái)看，這種節(jié)點(diǎn)集成了傳感單元（由傳感器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無(wú)線通信模塊、收發(fā)器等組成）以及電源等部分，有些節(jié)點(diǎn)還具有定位系統(tǒng)和移動(dòng)系統(tǒng)。 圖21 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)sink在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通過(guò)各種方式大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或附近。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集，處理和分析。一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)（群）、sink節(jié)點(diǎn) Sink節(jié)點(diǎn)：　在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)指匯聚結(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)與外網(wǎng)（eg：gprs， internet等）的連接，可看作網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等。傳感節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信，自己組織成網(wǎng)并通過(guò)多跳的方式連接至Sink（基站節(jié)點(diǎn)），Sink節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)網(wǎng)關(guān)（Gateway）完成和公用Internet網(wǎng)絡(luò)的連接。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)任務(wù)管理器來(lái)管理和控制。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)總的來(lái)說(shuō)：分布式控制、無(wú)中心和多跳 多跳：由發(fā)站到收站的傳輸，需經(jīng)過(guò)多次衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的方式。傳輸主要體現(xiàn)：節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大 節(jié)點(diǎn)密集部署 節(jié)點(diǎn)易于破壞（所處環(huán)境通常惡劣） 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫蔷W(wǎng)絡(luò)形狀，它的結(jié)構(gòu)主要有星型結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、樹(shù)形結(jié)構(gòu)等等。變化劇烈 節(jié)點(diǎn)資源受限（為了降低成本導(dǎo)致的） 節(jié)點(diǎn)不必具有全局ID（不用關(guān)心單個(gè)節(jié)點(diǎn)信息） 以數(shù)據(jù)為中心（節(jié)點(diǎn)可隨機(jī)部署，節(jié)點(diǎn)部署位置信息不是很重要）其典型應(yīng)用有：軍事應(yīng)用、搶險(xiǎn)救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述。該網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)部分組成，如下表所示：表1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 網(wǎng)絡(luò)層 傳輸層 應(yīng)用層傳感器網(wǎng)絡(luò)管理能量管理 拓?fù)涔芾?QOS支持 網(wǎng)絡(luò)管理 網(wǎng)絡(luò)安全 移動(dòng)控制 遠(yuǎn)程管理應(yīng)用支撐技術(shù)時(shí)間同步 節(jié)點(diǎn)定位 分布式協(xié)同應(yīng)用服務(wù)接口分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之物理層協(xié)議傳輸媒體：1. 光通信2. 紅外通信 無(wú)線電：無(wú)線電是指在自由空間（包括空氣和真空）傳播的電磁波，是其中的一個(gè)有限頻帶，上限頻率在300GHz（吉赫茲），下限頻率較不統(tǒng)一通信：使用ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，其中某些部分已經(jīng)用于無(wú)繩電話和無(wú)線局域網(wǎng) 無(wú)線局域網(wǎng)：，以無(wú)線方式構(gòu)成的局域網(wǎng)。利用RF射頻技術(shù)，（WLAN）。兩大難點(diǎn)：一是天線尺寸應(yīng)為左右，尺寸越小價(jià)格約昂貴，使用的頻段越高；二是講笑調(diào)制、濾波、解調(diào)的能耗。四種工作狀態(tài)：發(fā)射、接收、空閑、休眠。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之MAC協(xié)議 MAC協(xié)議 Mac協(xié)議：MAC協(xié)議的主要作用是保證公平性和有效的資源共享。MAC機(jī)制主要分為兩類：1基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議2無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的信道協(xié)議。，即媒體訪問(wèn)控制子層協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，數(shù)據(jù)鏈路層的媒體接入控制協(xié)議（MAC)協(xié)議直接控制無(wú)線通信模塊的工作，建立點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的通信鏈路，與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議要考慮節(jié)點(diǎn)功耗問(wèn)題。傳感器無(wú)線通信模塊四種工作狀態(tài)中，發(fā)送、接收和空閑這三個(gè)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)功耗都很大，其中空閑偵聽(tīng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最主要的無(wú)效功耗來(lái)源。 表1 MAC協(xié)議性能評(píng)價(jià)指標(biāo)傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)公平性 傳輸延遲等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效性 可擴(kuò)展性（針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境） 自適應(yīng)性（針對(duì)可變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）表2 MAC協(xié)議分類根據(jù)信道數(shù)量單信道 雙信道 多信道根據(jù)控制方式集中式控制 分布式控制根據(jù)接入方式競(jìng)爭(zhēng)型 分配型 混合型 出于整體網(wǎng)絡(luò)成本的考慮，近期研究中，單信道MAC協(xié)議為主流。 典型的MAC協(xié)議：SensorMAC(SMAC)、TimeoutMAC(TMAC)、XMAC、PMAC、Datagathering MAC(DMAC)、BerkeleyMAC(BMAC)、ZMAC等等。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之路由 路由：工作在OSI參考模型第三層——網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。路由器根據(jù)收到數(shù)據(jù)包中的網(wǎng)絡(luò)層地址以及路由器內(nèi)部維護(hù)的路由表決定輸出端口以及下一跳地址，并且重寫(xiě)鏈路層數(shù)據(jù)包頭實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。路由器通過(guò)動(dòng)態(tài)維護(hù)路由表來(lái)反映當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⑼ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)上其他路由器交換路由和鏈路信息來(lái)維護(hù)路由表。 協(xié)議無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)使得眾多傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不能有效地應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必須為傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)專用協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的比較和為其設(shè)計(jì)專用協(xié)議所需考慮的方面如下表1和表2 所示。表1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能評(píng)價(jià) 性能 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘮?shù)據(jù)報(bào)文長(zhǎng)度節(jié)點(diǎn)資源限制數(shù)據(jù)流分布以數(shù)據(jù)為中心移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)高長(zhǎng)小不明顯不明顯無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低短大地理位置相關(guān)明顯表2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)能量消耗單個(gè)節(jié)點(diǎn)功耗和功耗的節(jié)點(diǎn)平均分配節(jié)點(diǎn)或鏈路的異構(gòu)性路由協(xié)議應(yīng)充分利用不同能力