1、11物联网工程与实践第一章：第一章：物联网工程简介物联网工程简介22前言1.物联网是指将各种实时信息获取设备或设备集合体，如传感网、射频标签阅读装置、条码与二维码设备、仪表、全球定位系统和其它基于物一物通信模式的短距无线自组织网络，通过各种接入网与互联网、广电网或电信网结合起来所形成的一个巨大的实时信息收集、传输、控制及信息服务网络。2.物联网应用涉及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。3.物联网工程的任务是建立高效、稳定的物联网实时信息系统。4.物联网实时信息系统主要包括六个部分：节点、网关、传输网络、数据服务中心、信息服务接入
2、网及信息服务客户端。由于信息服务接入网和客户端同传统的互联网信息服务接入网及客户端相似，这两部分内容将不是本书讨论的重点。5.本章将从物联网的起源、物联网服务、物联网实时信息系统简介和物联网工程的主要任务几个方面来对物联网工程进行简单介绍。后续几章内容将对物联网实时信息系统的几个主要组成部分进行详细的论述。31.1 物联网的起源1.物联网概念最早来自“微软之父”Bill Gates在1995年出版的图书The Road Ahead（未来之路）。2.1998年Auto-ID提出物联网（Internet of Things，IOT）的概念。3.我国科学院的一些研究所在1999年就启动了传感网的研究
3、，并已取得了一些科研成果，且建立了一些试用的传感网。在我国，一些专家也将传感网称为物联网，但本书认为传感网只是物联网的一个重要组成部分，将传感网等同于物联网有些不妥。4.2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（World Summit on the Information Society，WSIS）上，国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）发布了ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things报告，并正式提出了“物联网”的概念。41.1.1 物联网的历史1.早在1991
4、年的英国剑桥大学有一个计算机实验室，实验室咖啡壶 事件。2.1995年，Bill Gates在他的The Road Ahead（未来之路）书中描述了一些物联网应用场景。3.Kevin Ashton提出的物联网是针对物流管理系统的。4.2005年11月17日举行的信息社会世界峰会上，发布了ITU Internet reports 2005-The Internet of Things报告。5.2009年8月7日至9日，当时国务院总理温家宝在江苏考察太湖污染治理时，在和中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心的技术人员交流后提到：尽快建立我国的传感信息中心，或者叫“感知我国”中心。6.2012年2
5、月14日，工信部正式公布了物联网“十二五”发展规划。51.1.2 物联网发展现状 1美国物联网软硬件关键技术2欧盟物联网技术研发和应用政策3.日本泛在网发展战略4韩国U-Korea战略5.我国物联网发展现状61.1.3 物联网发展趋势1.根据美国权威的咨询公司Forrester预计，到2020年物联网世界服务规模将是互联网业务的30倍，将形成万亿元人民币的市场规模。其中，仅在智能电网和机场防入侵系统应用方面将有一千亿元人民币的市场。2.在一份中关村发布物联网产业报告中指出，未来10年，我国的物联网产业将经历应用创新、技术创新和服务创新的3个阶段，最终形成家庭应用、企业应用和公共管理服务三个较为
6、稳定的市场，到2020年的市场规模将超过5万亿元人民币。71.2 物联网服务1.物联网实时信息系统可提供的服务包括实时监测、定位跟踪、报警联动、自动化处理、反向控制、远程维护、统计决策和信息安全等。81.2.1 实时监测1.一方面，实时监测是指利用软件对系统运行的过程进行同步的监控，比如杀毒软件实时对计算机内存进行监控并对调用的系统文件进行适当的操作。2.另一方面，物联网应用领域的实时监测是指实时收集被监控对象的数据，并对数据进行智能化处理及显示，用户可以通过监控界面或数据来实时了解被监控对象的当前状态。91.2.2 定位跟踪 1.物体的定位跟踪可以通过RFID射频技术和全球定位系统（Glob
7、al Positioning System，GPS）技术来实现。2.通过RFID实时信息系统，可以监控目标行踪。101.2.3 报警联动1.报警联动是指报警事件发生时，产生与报警相关联的各种设备运行动作（如报警图像拍摄存储、照明设备的开或关、空调设备的打开或关闭、供水系统的打开或关闭等）。2.例如，高温报警时，打开备用空调；湿度太低时打开加湿机，有人非法进入房间时打开视频监视设备及打开房间里的灯光等。111.2.4 自动化处理1.在某种意义上，物联网就是自动化和信息化结合的产物。2.例如，机器与机器通信（Machine to Machine，M2M）是自动化的一项重要技术，M2M也被人认为是物
8、联网的前身。3.机器和机器通信主要集中在设备之间，涉及大量的自动化应用。121.2.5 反向控制 1.所谓反向控制，是指当物联网实时信息系统收到有关所监控设备的相关信息后，根据信息的具体内容，系统本身或者管理人员在异地通过网络对所监控设备实施控制措施，比如关闭或打开设备等。2.对于智能家居系统，天气热了，回家前，你可以通过手机或电脑检查一下家里的室温，然后，在任何地方通过移动电话或电脑开启家里的空调，回到家时，家里就会有一个舒适的环境 131.2.6 远程维护 1.远程维护（Remote Maintenance，RM）一般是指从事信息技术服务的工程师、管理人员或系统本身通过网络连接到目标设备进
9、行设备的安装、配置、维护、监控和管理，服务工程师没有必要亲临现场就可以解决问题。2.从远程维护工作的性质来看，其主要是用来解决软件系统问题。141.2.7 统计决策 1.基于海量数据的智能决策是物联网“智慧”的来源。2.例如，通过使用传感器监测农作物生长的土壤性质和环境条件，实时数据通过网络传输到数据服务中心，通过数据挖掘的方法，可以知道环境温度、湿度和土壤参数和其他因素影响作物产量的规律，可调整各种作物生长环境参数来最大限度地提高作物产量。151.2.8 信息安全 1.任何信息系统都存在安全问题，作为实时信息系统，物联网不可避免也存在与传统互联网相关的安全问题。2.同其它信息系统的安全类似，
10、物联网存在内部安全和外部安全两个方面的问题。3.物联网的信息安全服务要解决物联网的一般安全问题和物联网信息的隐私问题，为用户提供安全可靠的实时信息服务。161.3 物联网实时信息系统简介 1.当前，物联网是一个规模大小及应用种类各不相同的实时信息系统。2.物联网实时信息系统通过传感器、RFID、GPS及仪表等收集所监控对象的实时状态信息，并将感兴趣信息及时传输到数据服务中心。3.对数据中心的各种数据进行智能化处理后可形成各种物联网信息服务。4.人们可以在没有意识到物联网存在的情况下，通过适当的智能终端设备（比如智能手机等）接入到网络并享受物联网所提供的各种实时信息服务。171.3.1 物联网实
11、时信息系统应用现状1.目前，物联网实时信息系统多为孤立的信息系统，不同部门、单位或行业根据具体的需求，建立了规模不同的各自独立的物联网实时信息系统。2.当前，常见的物联网应用实时信息系统包括医药跟踪信息系统、制造业物流实时信息系统、物资仓储监控实时信息系统；3.智能物流实时信息系统、工业生产监控实时信息系统、农业生产环境实时监控系统、智能电网实时监控系统、智能家居实时监控系统、智慧城市实时信息服务系统、智能交通系统和智能校园信息服务系统 181.3.2 物联网实时信息系统的组成 1.物联网工程的任务是建立高效、稳定的物联网实时信息系统。2.如图1-1 所示，物联网实时信息系统一般包含六个部分：
12、节点、网关、传输网络、数据服务中心、物联网服务接入网络和物联网服务客户端。3.由于物联网服务接入网络和物联网服务客户端和现有的互联网接入网络及互联网服务极其相似，本书的重点将放在物联网实时信息系统的节点、网关、传输网络和数据服务中心四个部分。19图1-1 物联网实时信息系统组成 201.3.3 物联网实时信息系统的分类1.根据当前的物联网发展现状，物联网实时信息系统可以分为单机的物联网实时信息系统、小区域物联网实时信息系统和大区域物联网实时信息系统。211.4 物联网工程的主要任务 1.物联网工程的主要任务是设计、实现并管理一个物联网实时信息系统。2.具体任务包括：网关收集来自物联网节点的实时
13、数据，网关对实时数据进行初步处理并将数据发送到数据服务中心，数据服务中心存储数据，数据服务中心在数据智能化处理的基础上提供用户可以接收或使用的物联网服务，比如实时监测、定位跟踪、警报处理、反向控制和远程维护等。221.4.1 物联网实时信息系统设计1.物联网实时信息系统设计主要包括节点设计、网关设计、传输网络设计和数据服务中心设计四个方面的内容。231.4.2 物联网实时信息系统实现 1.物联网实时信息系统的实现包括六个方面的内容，2.分别是物联网节点的选取安装及配置、网关的选取安装及配置、传输网络设备的选取安装及配置、数据服务中心服务器的选取安装及配置、数据服务中心软件的实现和客户端软件的实
14、现。241.4.3 物联网实时信息系统管理 1.物联网实时信息系统的管理主要包括物联网设备管理、物联网网络管理和物联网安全管理。251.5 小结1.本章对物联网工程所涉及的基本内容进行了概述。2.物联网工程就是建立及维护物联网实时信息系统过程。3.物联网实时信息系统的建立是信息化技术在经济及社会发展的各个领域更深层次应用的需要。4.本章的基本内容包括物联网的起源、物联网服务、物联网实时信息系统简介和物联网工程的主要任务。2626物联网工程与实践第二章：第二章：物联网节点物联网节点2727前言1.物联网节点是指RFID标签、传感器、传感网及各种仪表，它们负责产生人类感兴趣的各种数据。2.一个传感
15、器设备本身可以收集环境数据，并将数据直接上传到物联网网关。3.传感网是一个无线传感器的集合，多个无线传感器一起完成环境数据的收集，并将数据上传到物联网网关，这里我们也将传感网作为一个特殊的物联网节点。4.IOT节点所收集的数据包括：物品编码、温度、湿度、气压、耗电量、大气有毒气体含量及水资源有害成分含量等。本章将对常见的物联网节点进行介绍。282.1 RFID标签1.RFID标签，俗称电子标签或智能标签，可以附在物体表面或嵌入到物体当中来标示目标对象。RFID标签（tag）由耦合元件及芯片组成，每个RFID标签的芯片中都存储有一个唯一的电子编码。2.RFID标签使用非接触式的自动识别技术，它通
16、过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID信息系统主要由RFID标签和RFID读写器组成，用于被监控目标的检测和跟踪。292.1.1 RFID标签简介1.1948年，Harry Stockman发表的“利用反射功率的通讯”论文奠定了射频识别技术的理论基础。2.1951-1960时期为RFID技术的实验室研究探索阶段；3.1961-1970年间，RFID理论得到了迅速的发展，并开始进行了一些应用尝试。4.1971-1980年来，进行了较大规模的RFID技术与产品开发研究，产生了一些成熟的RFID应用。5.1981-1990年间，RFID射频识别技术及产品进入了各种规模的商业应用阶段。6.
17、1991-2000年间，RFID产品已被广泛应用，越来越多RFID产品已逐渐成为人们生活的一部分。302.1.2 RFID标签分类1.以不同频率为基础，RFID电子标签可以分为低频电子标签、高频电子标签、UHF标签和微波电子标签。2.根据包装形式的不同，RFID标签可以分为卡型标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。3.总之，根据不同的分类标准，RFID电子标签可以有许多不同的分类。312.1.3 RFID标签应用1.RFID可应用在很多物流管理、零售服务、制造业元配件管理、服装业销售、医疗健康、身份识别、食品药品防伪和交通管理等方面。322.2传感器1.传感器是
18、一种信息检测装置，能感受到被测量的信息，并可将检测到的信息按一定规律转换成电信号或其它所需形式进行信息输出。2.从传感器获取的信息在经过处理后，可实现信息的传输、处理、存储及显示。3.从狭义上说，传感器是一种将非电信号的物理量转变成可以进行计算机处理的电信号的装置，它是实现自动检测和自动控制的重要环节，是物联网应用中的一个重要组成部分。332.2.1 传感器简介1.在基于物联网应用的新技术革命到来时，世界进入了信息化无处不在的时代。在利用信息的过程中，首先要解决的是如何获得准确、可靠信息的问题，而传感器是获取自然界和工农业生产过程信息的主要途径和手段。2.传感器是物联网技术发展和应用实施的重要
19、基础技术，传感器技术的兴起有着较长的历史。在80年代早期，世界进入了传感器的时代，当时日本把传感器技术列为十大技术之首。342.2.2 传感器分类1.一般而言，传感器可以按照用途、原理、输出信号、测量信息类型进行分类。352.2.3 传感器应用 1.传感器可应用于机械制造、工业控制、汽车电子产品、电子通信产品及消费电子产品中。2.在世界范围内，汽车市场是需求传感器最大的市场，工农业生产的过程控制是需求传感器的第二大市场。362.3传感网 1.传感网是由分散的无线传感器通过特定的无线路由协议而组成的无线自组网络，传感网中的每一个无线传感器都可以通过其它一个或多个传感器组成的路径将数据传输到特定的
20、无线基站。2.当一条传输路径出现问题时，传感网将通过重组生成另外一条路径。3.传感网是一个集多个传感器节点可以进行大面积监测的，并在相同的网关管理下的网络。372.3.1 传感网简介1.如图2-1所示，无线传感网可以利用多个传感器来收集较大区域的多个监控点的实时数据，然后将数据通过无线基站传输到物联网网关,然后将数据通过传输网络发送到数据服务中心。38图2-1 基于传感网的物联网应用 392.3.2 传感网分类1.从无线传输技术角度来讲，WSN主要包括ZigBee无线传感网、WiFi无线传感网和蓝牙（Bluetooth）无线传感网。40图2-2 ZigBee传感网拓扑图41图2-3 WiFi传
21、感网络信息系统42图2-4 蓝牙传感网络体系结构模型432.3.3 传感网应用1.目前，实际经济和社会生活中所使用的传感网主要为ZigBee无线传感网。2.通常，在符合下列条件之一情况下，可以考虑使用ZigBee传感网技术进行数据传输。第一，需要进行数据采集和监控的地点较多。第二，需要节点进行的数据传输量小，且需要节点价格便宜。第三，要求可靠且安全的数据传输。第四，安装传感器节点的地方空间小，需要较小体积的传感器及较小体积供电设备或电池。第五，监测点多且地形复杂，并需要传感网覆盖较大的监控区域等。442.4 仪表1.仪表可以用来测量温度、压力、功率、压力等，仪表的外形一般就像钟表，可以直接通过
22、刻度来显示数值，这也就是把这类工具称作仪表的原因。2.常见的仪表有压力仪表、温度仪表、流量仪表等，它们被广泛地应用于工业生产、农业生产、交通控制、科学研究、环保保护和学校科研教学等各方面。3.一般而言，当前的很多仪表还不能够将其显示的数值直接变成计算机可以处理的数据。452.4.1 仪表简介1.基于来自智能仪表的数据，可以建立不同的监控管理信息系统平台，来实现工业过程的智能化管理。2.现代工业智能控制系统发展的一个重点是制造基于数字化技术的各种仪表，从模拟仪表向数字仪表转变。3.并将这些数字化仪表同现代工业的智能化、信息化和网络化有机地结合起来，可实现工农业生产过程或环保检测过程中采样系统和数
23、据处理系统的自动化和智能化。462.4.2 仪表分类1.仪表是利用各种不同的科学技术原理生产出来的工具，可以从不同方面对它们进行分类。2.按照使用的场所不同，可分为量具仪表、汽车仪表、电离辐射仪表、船用仪表和航空仪表等。3.按照仪表所测的物理量的不同，又可将仪表分为温度测量仪表、压力测量仪表和流量测量仪表等。4.针对物联网应用，我们可将仪表分为智能化仪表和非智能化仪表。智能化仪表以数字形式显示，并可将数据以无线或有线接口发送到计算机中进行数据处理；非智能仪表一般不能将数据直接发送到电脑中进行处理。要想将非智能仪表的数据发送到电脑，一般要使用第三方的硬件及软件。472.4.3 仪表应用1.仪表在
24、信息技术领域的应用2.仪表在工业化领域的应用3.仪表在高新技术领域的应用4.仪表在环境保护领域的应用482.5 GPS接收机 1.GPS接收机是用来接收卫星信号来确定地面位置的电子设备。2.特定卫星发射导航和定位信号可供数以百万计的设备来接收，GPS接收机的首要功能是接收卫星导航信号。3.对用户来说，只要拥有一部GPS信号接收机，并对接收到的GPS信息进行智能化处理，就可以实现地面、海洋和空间的导航及目标跟踪。492.5.1 GPS接收机简介1.目前，世界上有了很多家GPS接收机生产商，生产GPS接收机的工厂有几十个，GPS接收机产品的种类也有几百个。2.国际知名的GPS接收仪制造商包括美国天
25、宝（Trimble）、瑞士徕卡测量系统导航公司（Leica Geosystems）、日本拓普康（TOPCON）公司；3.我国南方测绘、中海油和科力达等。南方测绘生产的GPS接收仪主要包括RTK GPS接收机S82、S86、蓝牙GPS静态接收仪。502.5.2 GPS接收机分类 1.一般而言，在任何时间和地点，人们都可以利用GPS信号进行导航。2.根据不同的应用目的，GPS接收机的功能也有所不同。3.目前，世界范围内，有了几百种型号的GPS接收机，对于这些产品，可以按照使用目的、功能等进行分类。4.根据接收机的用途，可以将GPS接收机分为导航型接收机、测地型接收机和授时型接收机。512.5.3
26、GPS接收机应用1.GPS接收机可用于很多经济及社会生活的领域。利用GPS接收机获取的位置信息，在经过智能化处理后可进行定位导航服务、军用打击定位服务和民用定位服务。522.6 扫描设备 1.扫描设备可通过捕捉被扫描物体的图像并将这个图像转化为计算机设备可以显示、编辑、存储和输出的形式。2.常见的扫描设备包括一维码扫描设备、二维条码扫描设备和图形扫描仪。532.7 网络摄像头1.网络摄像机也被称为网络摄像头，它是结合传统相机和网络通信技术制造出来的摄像设备，它可以将图形或视频便捷地通过网络从地球的一端传输到地球另一端。2.网络摄像头的用户不需要使用任何特殊的软件，只需要使用标准网络浏览器，如I
27、E、Firefox等就可以查看来自网络摄像头的图片或视频了。542.8 执行器1.在很多和工业化控制相关的物联网应用中，执行器是一个重要的物联网节点，它从物联网网关接收控制命令信号来实现某些特定的操作。2.执行器是在工业生产过程和自动化控制系统中，基于接收的信号，按一定的规则来调节特定设备运动特征的装置。3.执行器可以是一种工业自动化装备，如调节阀、电磁阀及挡板等。4.在工业生产或社会生活服务的各种过程控制系统中，为了实现自动控制过程，执行器可以接收各种指令信号，调整运行机制，改变被控制对象能量或原材料的进或出。552.9 继电器1.继电器是一种电器控制装置，随着输入信号的变化，其电力输出状态
28、也发生相应的变化，这使它具有完成控制系统和被控制系统之间相互作用的能力。2.继电器常见的应用是实现设备控制自动化，它实际上是一种以自动切换小电流来控制大电流操作的电子设备。3.继电器通常在各种工农业生产及社会服务应用中配合其它电路来完成电力使用自动调节、电路运行安全保护等作用。562.10 小结1.物联网节点在物联网应用的实现上起着极其重要的作用。2.基于物联网技术的实时信息化技术与传统信息化技术的最大差别就是原始信息的来源不同。3.传统信息化过程中，其原始信息主要来自于人工手动输入的数据，而基于物联网技术的更深层次的信息化的原始信息来源于物联网节点所产生的各种实时数据。4.本章所介绍的物联网
29、节点包括RFID标签、传感器、传感网、仪表、GPS接收机、扫描设备、网络摄像头、执行器和继电器。5.当然，随着物联网技术的发展，越来越多的新型物联网节点也会涌现出来。6.物联网节点的设计研发和工业制造能力是一个国家物联网产业核心竞争力的重要标志。5757物联网工程与实践第三章：第三章：物联网网关物联网网关5858前言1.在物联网实时信息系统中，物联网网关是一个非常重要的设备，这个设备在各种实时数据的收集、实时数据传输、和设备控制过程中起着至关重要的作用。2.一般而言，物联网网关一方面从与其相连接的物联网节点中获取各种数据，在将这些数据进行初步处理后，发送到物联网数据服务中心。3.另一方面，物联
30、网网关也从数据服务中心接收各种控制指令，网关通过执行器或者继电器来完成这些指令的操作，比如打开空调或关闭空调等。4.常见的物联网网关包括智能手机、无线网关、家庭智能网关、工业通信网关、RFID读写器和M2M网关等 593.1 智能手机 1.智能手机基于WiFi和3G/4G移动网络，可以访问互联网上面的各种信息服务。2.通常情况下，智能手机作为物联网应用终端设备，通过访问物联网数据中心来获取各种实时数据服务、接收警报或进行设备的控制。3.但在一些特殊的情况下，智能手机可以作为一种移动的物联网网关，完成实时数据的收集及传输。603.1.1 智能手机简介 1.智能手机首先是一个移动电话，同时它还是一
31、个运行嵌入式操作系统的微型电脑。常用的智能手机操作系统包括Nokia的Symbian、微软的Windows Mobile、开源Linux（包括iOS、Android、Maemo、MeeGo和WebOS）、Palm OS和黑莓操作系统（Operating System，OS)。2.相对于功能手机不能自由安装和卸载软件，智能手机是可以安装和卸载各种应用软件的，这使得智能手机受到越来越多的欢迎。智能手机的系统结构如图3-1所示，它由硬件、操作系统和网络支持等各功能层组成。61图3-1 智能手机的系统结构62图3-2 全球第一部智能手机 633.1.2 智能手机硬件1.在智能手机的硬件结构中，最重要的
32、部分包括手机主处理器、无线通信模块、液晶（Liquid Crystal Display，LCD）显示屏、音频编解码器、数字基带（Digital Baseband，DBB）无线调制解调器、摄像头、麦克风和扬声器控制器等。2.目前，智能手机市场已进入“4核时代”，2014年，主要的智能手机厂家都发布了不同品牌的具有4G通信功能的四核CPU智能手机，这些手机运行速度更快，且游戏体验更棒。643.1.3 智能手机操作系统1.曾经应用的智能手机操作系统有Symbian、Windows Mobile、Windows Phone、iOS和Android，它们占据了超过99%的智能手机市场份额。653.1.4
33、 智能手机应用1.智能手机有除了通话功能外，还具有大多数PDA的功能，特别是个人信息管理以及基于无线数据通信的浏览器、GPS、电子邮件、短信、互联网接入、影视娱乐等功能。2.同时，结合智能手机的摄像设备、GPS及传感器设备，可以获取手机用户周围的各种实时信息，利用WiFi或3G通信网络可将各种实时信息传输的数据服务中心，从而开发各种物联网应用。663.2 无线网关 1.物联网网关可以是一个无线网关，这个无线网关一方面起着实现局域网或广域网无线网络接入服务的作用，另一方面也可以作为物联网网关来管理相应的物联网节点，来实现实时数据的收集及设备的控制。2.常见的无线网关包括WiFi无线网关、ZigB
34、ee无线网关、蓝牙无线网关、移动无线网关和复合型无线网关。673.2.1 WiFi无线网关1.在物联网应用中，无线网关所具有的的主要功能为提供无线接入点功能。2.一般而言，无线网关可提供10/100/1000Mbps宽区域网络功能。同时，常见的提供无线网接入的协议包括IEEE802.11b、802.11g、802.11a和802.11n，无线局域网通过网络地址转换(Network Address Translation，NAT)共享访问功能实现多用户的广域网接入。3.无线网关应用不仅可提供高速互联网接入，还可提供广泛的物联网应用服务，比如互动视频服务、视频电话服务、网络游戏、环境监控及相关设备
35、控制等。683.2.2 ZigBee无线网关1.ZigBee无线网关一般是指一个具有ZigBee通信接口的物联网网关，这个ZigBee通信接口使这个网关具有同ZigBee节点或ZigBee传感网进行数据通信的能力。2.如图3-4所示，多个ZigBee设备构成一个无线自组网络，该网络可以通过ZigBee无线网关控制每个家电设备。3.一般而言，ZigBee无线网关具有一个以太网接口标准，可以连接到局域网或互联网。69图3-4 基于Zigbee无线网关的物联网应用703.2.3 蓝牙无线网关1.蓝牙无线网关可以支持多个蓝牙设备快速进行网络连接并实现设备之间的数据交换。2.图3-6是一个无线蓝牙网关的
36、结构示意图，这个蓝牙无线网关所使用的微处理器为S3C44BOX。3.基于蓝牙无线通信技术的传感器、家电设备和通信设备可以通过蓝牙网关与外部进行实时通信，可实现相关的设备控制及环境安全远程报警等功能。71图 3-6 蓝牙无线网关723.2.4 移动无线网关1.基于3G或4G移动网络通信技术的网关是目前很多物联网应用的重要组成部分。2.移动无线网关，除了支持实现广域网通信接入的3G、3.5G WCDMA无线网络功能外，还支持802.11 a/b/g/n WiFi功能。3.在物联网应用中，很多物联网节点可以通过WiFi方式与网关进行数据传输，汇集到网关的各种数据在经过初步处理后，经过移动无线通信网络
37、，传输到物联网数据服务中心。4.基于移动无线网关的典型物联网应用包括：偏远地区安全监控、市郊交通监控、宽带不发达地区金融ATM/查询终端应用、油田监测、电力远程抄表、路灯监控和环境监测等。733.2.5 复合型无线网关1.对于一些比较复杂的物联网应用，所需要的网关的功能也比较复杂，比如网关需要管理蓝牙节点和ZigBee节点等。2.图3-7是一个复合型物联网网关的结构示意图。3.这个网关主要由高级精简指令集机器(Advanced RISC Machine，ARM）处理器、蓝牙和ZigBee数据采集模块、3G通信模块、存储模块和复位模块等组成。74图3-7 3G/ZigBee/蓝牙网关体系结构示意
38、图753.3 家庭智能网关 1.智能家居是一个重要的物联网应用领域，家庭网关是实现智能家居应用的一个重要设备，它提供了大量的接口，支持蓝牙、802.11a/b/g、3G/4G网络及以太网通信。2.家庭智能网关一方面需要管理很多家电设备及传感器节点，另一方面也对家庭的安全通信和娱乐进行管理和监控。763.3.1 家庭智能网关简介1.家庭智能网关首先可以为家庭中的网络信息设备提供智能宽带接入。2.一方面，它可以接收来自外部网络的不同的通讯信号，通过家庭网络将信号发送到用户设备，来实现设备的自动化和智能化控制。3.另一方面，家庭网关可以将来自家庭网络的相关数据发送到远程数据服务中心。77图3-10
39、智能家庭网关应用783.3.2 家庭智能网关分类1.根据网络通信物理介质的不同，可以将家庭智能网关分为基于ADSL的家庭智能网关、基于机顶盒的家庭智能网关和基于电力线通信（Power Line Communication，PLC）的家庭智能网关。2.这里主要对PLC家庭智能网关和机顶盒家庭智能网关进行简要介绍。79图3-11 PLC家庭智能网关系统结构图80图3-12 当前家庭信息孤岛网络81图3-13 基于机顶盒的智能家庭网关架构示意图 82图3-14 家庭物联网应用服务系统833.3.3 家庭智能网关应用1.智能家庭网关通过各种高速通信接口将家庭安全报警、家庭照明控制、家用网络设备、居室视
40、频对讲、网络安全监控、家庭网络音乐设施、移动电话、网络电视、电脑和各种信息通信终端连接到家庭智能网关，通过局域网络或广域网连接到物业管理服务中心。2.通过家庭智能网关所建立的智能家居实时信息服务系统，用户可以远程控制来获取信息服务或对家庭实施管理。843.4 工业通信网关 1.应用物联网技术可以实现传统工业的升级改造，并为工业的节能减排打下坚实的基础，工业网关是物联网工业应用的一个极其重要的组成部分。2.工业通信网关可以实现工业生产网络通信及网络控制环境下各种网络协议消息的转换。853.5 RFID读写器1.有很多RFID读写器可以作为物联网网关来使用。2.在很多物联网应用中，RFID读写器是
41、一个重要的设备，对于不同的物联网应用，RFID读写器的功能有所差异。3.一般而言，作为物联网网关的RFID读写器除了具有收集及传输RFID相关数据的功能外，其还具有管理蓝牙、ZigBee及仪表等物联网节点的能力，从这些节点上收集数据并将数据传输到物联网数据服务中心。863.6 M2M网关1.实现M2M通信的网关被称为M2M网关，它是物联网应用的一个重要设备。2.在各种物联网应用中，M2M网关从与之相关的机器设备中获取数据，将数据发送到远程数据服务中心，还可以接收来自数据服务中心的命令，实现对设备的远程控制和操作。873.7 小结1.物联网网关是物联网应用中极其重要的设备，对于不同的物联网应用，
42、所需要的网关设备的硬件及软件功能也有着差别。2.物联网网关的基本功能是实现实时数据的采集和传输，并能够接收来自数据服务中心的指令。可以作为物联网网关的硬件设备包括一些现有的设备，比如智能手机、无线网关、家庭智能网关、工业通信网关、RFID读写器和M2M网关等。3.当然，针对特殊的物联网应用，也可以通过研发特殊的物联网网关来完成。8888物联网工程与实践第四章：第四章：物联网传输网络物联网传输网络8989前言1.物联网传输网络完成网关与数据服务中心之间的数据传送。2.传输网络包括局域传输网络和广域传输网络。3.局域传输网络包括有线局域网（IEEE 802.3 以太网）和无线传输网（WiMax80
43、2.11、ZigBee)。4.广域传输网络包括广电网、电信网及互联网。5.大多数情况下，数据传输网络的骨干为互联网。904.1 WiFi网络1.WiFi是一种无线局域网通信技术。使用WiFi进行局域网或互联网通信的常见设备包括笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。2.随着物联网应用在各个领域的展开，很多物联网网关或物联网节点也采用 WiFi技术进行通信。3.IEEE 802.11是与WiFi技术及产品相关的无线局域网通信技术标准。4.因为二者密切相关，有时候802.11和WiFi概念也被交叉使用。914.1.1 WiFi网络简介1.作为全球公认的局域网通信标准制定组织，过去20多年，IEEE 80
44、2工作组在局域网领域建立了很多通信标准或协议，这包括802.3以太网协议、802.5令牌环协议，802.3z 100BaseT快速以太网协议等。2.1997年，经过7年的大量工作后，IEEE 802.11无线局域网通信标准得以正式发布。3.1999年9月，IEEE继续推出了802.11b物理层高速率通信协议，用于补充802.11协议物理层通信速率的不足。之前，802.11协议只有1Mbps和2Mbps两个通信速率。92图4-1 WiFi自组网络（Ad Hoc）93图4-2 基础架构网络(Infrastructure)94图4-3 WiFi多AP模式通信网络95图4-4 WiFi无线网桥模式通信
45、网络964.1.2 WiFi网络分类1.依照传输速率的不同，802.11无线局域网可分为传统802.11网络、802.11b网络、802.11g网络、802.11a网络和802.11n网络。974.1.3 WiFi网络应用1.在全世界，WiFi所使用的2.4GHz频带不需要许可证就可以使用，这使得使用WiFi的设备在整个世界范围内都可以使用，使得人们在任何时间任何地点都可以享受成本非常低的无线高数据带宽服务。2.现在，我国的WiFi无线网络覆盖的范围也越来越广泛，安装WiFi无线通信网络的地方包括高档酒店、豪华住宅、机场和咖啡店等。3.由于安装及使用WiFi无线通信网络成本很低，同时WiFi网
46、络可为人们带来很大的方便，因而出现了越来越多的无线校园和无线城市。4.同时，很多基于WiFi网络的应用也快速兴起。98图4-5 无线校园网99图4-6 无线城市网络及应用100图4-7 基于WiFi的物联网应用系统组成1014.2 移动通信网络 1.随着移动通信技术的发展和物联网应用在各个领域的进一步深入，由于许多实施物联网应用的领域没有建设传统的有线网络，这使得移动通信网络在物联网实时数据传输方面起到了极其重要的作用。2.移动通信是指至少有一个或两个通信物体在移动并进行信息的传输和交换。3.移动通信包括移动的人之间的通信、移动的车辆间的通信、移动船舶之间的通信、飞机和其他移动体之间的通信等。
47、4.移动通信所使用的频带包括低频、高频、中频、VHF和UHF频段等。5.移动通信系统一般包括移动站、固定基站、移动交换局域网和通信个体组成。102图4-8 移动通信技术发展1034.2.2 移动通信网络分类1044.2.3 移动通信网络应用1.随着移动技术的发展和物联网应用的进一步深入，移动通信除了提供语音电话服务外，其还提供其它很多服务；2.这包括物联网实时数据传输、移动办公、移动医疗及急救、移动商务、工作生活和娱乐、可视通信和救灾应用等 105图4-11 新型Colorimetrix app移动医疗应用106图4-14 救灾现场应急移动通信网络搭建1074.3 互联网 1.互联网在人类信息
48、化历史上起了非常重要的作用。目前，随着物联网在各个领域的应用，互联网对于物联网实时信息的传输及物联网服务的提供起着越来越重要的作用。2.一般而言，互联网是对广域网和局域网等基于交换机和路由器的网络的总称，它是按照一定的通讯协议组成的国际计算机网络。3.使用互联网，无论距离的远近，都可以实现一台计算机与另外一台或多台计算机之间的通信，也可以实现计算机同专门服务器（Web服务器、FTP服务器、电子邮件服务器等）的通信。4.人们可以和千里之外的朋友发送消息给对方，不但能帮助完成工作，而且还可以使人们共同娱乐。108图4-15 从主机为中心到以网络为中心 109图4-16 基于ISP的互联网架构110
49、图4-17 基于ISP的互联网的层次结构1114.3.2 互联网的组成分类1.对于当前的互联网，它是现有的各种网络的组合体，它包括局域网（Local Area Network，LAN）、城域网(Metropolitan Area Network，MAN)和广域网(Wide Area Network，WAN)。112图4-19 星形结构局域网113图4-20 树形结构局域网114图4-21 城域网的层次结构115图4-22 相距较远的局域网通过路由器与广域网相连1164.3.3 互联网应用1.目前，随着物联网应用的深入，互联网大量被用来传输物联网实时数据。2.当然，互联网还有很多传统的应用，这包
50、括电子商务、网络电视服务、实时语音、视频通信、网络游戏、网络远程教育和宽带电影等。1174.4 电信网1.电信网络是一个可以使得一个或多个用户之间进行语音或视频通信的网络，它一般由多个电信系统相互连接而成。2.电信网是人们实现远程通信的极其重要的基础设施，通过有线线路、无线远程通信、光纤或其它电磁系统，可实现语音、视频及其它数字数据的远程或近程传输、接收和发送。3.随着电信网升级改造的推进，电信网也越来越多的从事基于TCP/IP的数据传输业务。4.这将使电信网成为物联网数据传输网络的一个重要组成部分。1184.4.1 电信网简介1.在我国，电信网是指由原来的邮电部所支持建设并进行管理的网络，这
