7.1 物联网

物联网其英文名称为“The Internet of Things”，简称IOT，是新一代信息技术的重要组成部分。

7.1.1物联网定义

物联网可定义为：在互联网、移动网等通信网络的基础上，针对不同应用领域的需求，通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器具有感知、通信与计算能力的智能物体自动获取物理世界的各种信息，使物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，实现全面感知、可靠传输、智能处理，构建人与物、物与物互联的智能信息服务系统。

7.1.2 物联网特征及体系结构

1．物联网的三个基本特征

物联网的主要特征是：全面感知、可靠传输、智能处理。

（1）全面感知：利用射频识别、二维码、传感器等感知、捕获、测量技术实时地对物体进行信息采集和获取。

（2）可靠传输：通过将物体接入信息网络，依托各种通信网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享。

（3）智能处理：利用各种智能计算技术，对海量的感知数据和信息进行分析并处理，实现智能化的决策和控制。

2. 物联网体系结构

物联网的体系结构按照三横四纵的结构设计，三横为感知层、网络层、应用层，四纵为物联网的公共支撑技术，为对象名字服务、网络管理、服务质量保证、信息安全，如图7-2所示。

（1）感知层

感知层包括传感器等数据采集设备，包括数据接入到网关之前传感器网络，分为自动感知设备和人工生成信息设备两类，负责采集物理世界中发生的物理事件和数据，实现外部世界信息的感知和识别，如传感器、RFID、二维码、多媒体信息采集、GPS、红外等设备。 

（2）网络层

物联网的网络层建立在移动通信网和互联网基础上，是物联网信息传递和服务支撑的基础设施，通过泛在的互联功能，实现感知信息高可靠性、高安全性传送，提供业务、鉴权、计费、经营分析平台的业务通道、逻辑控制、统一管理和自定义业务的支撑。

（3）应用层

物联网整体的体系结构核心内容就是应用层，应用层也可称为处理层，解决信息处理和人机界面的问题。

7.1.3 物联网识别技术

        自动识别技术是指应用一定的识别装置,通过非人工手段获取被识别对象所包含的标识或特征信息，将数据自动采集和识读，并自动输入计算机的重要方法和手段。自动识别技术目前初步形成了一个涵盖条码识别技术、射频识别技术、生物特征识别技术、图像识别技术以及磁识别技术等的计算机、光、电、通信和网络技术为一体的高技术学科。

1.自动识别技术的分类

自动识别技术的分类方法很多，可以按照国际自动识别技术的分类标准进行分类，也可以按照应用领域和具体特征的分类标准进行分类。

按照国际自动识别技术的分类标准，自动识别技术可以分为数据采集技术和特征提取技术两大类。数据采集技术分为光识别技术、磁识别技术、电识别技术和无线识别技术等；特征提取技术分为静态特征识别技术、动态特征识别技术和属性特征识别技术等。

按照应用领域和具体特征的分类标准，自动识别技术可以分为条码识别技术、生物识别技术、图像识别技术、磁卡识别技术、IC卡识别技术、光学字符识别技术和射频识别技术等。

2.条码识别技术

条码是一种可供电子仪器自动识别的信息图形化方法表示的标准符号，是在计算机应用和实践中产生并发展起来的一种广泛应用于商业、邮政、图书管理、仓储、工业生产过程控制、交通等领域的自动识别技术，条码分为一维条码和二维条码。

（1）一维条码

一维条码是由平行排列的宽窄不同、反射率不同的平行相邻的线条和空白，按照一定的编码规则和技术标准组合而成的二进制编码，常见的一维条码是由黑条（简称条）和白条（简称空）排成的平行线图案，这些线条和间隔根据预定的模式进行排列并且表达相应记号系统的数据项。宽窄不同的线条和间隔的排列次序可以解释成数字或者字母，它可以进行光学扫描阅读，即根据黑色线条和白色间隔对激光的不同反射来识别。

(2)二维条码

  二维条码技术是在一维条码无法满足实际应用需求的前提下产生的，利用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的。通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。二维条码信息容量大、译码可靠性高、纠错能力强、制作成本低、保密与防伪性能好。

（3）条码阅读器

条码符号通过条码阅读器扫描读入，经过译码处理还原为数字码，然后从数据资料库中找到有关资料，进行相应的操作并获取有关的情况。

CCD条码阅读器主要采用CCD(Charge Coupled Device)电荷耦合装置，条码符号将光路成像在CCD感光器件阵列(光电二极管阵列)上，由于条和空的反光强度不同，映在感光器件上产生的电信号强度也不同，通过扫描电路，把相应的电信号经过放大、整形输出，最后形成与条码符号信息对应的电信号。

3.磁卡识别技术

磁卡是一种磁记录介质卡片，利用磁性载体记录字符与数字信息，

4. IC卡识别技术

IC卡也叫做智能卡，它是通过在集成电路芯片上写的数据来进行识别的一种电子式数据自动识别卡，IC卡分接触式IC卡和非接触式IC卡两种。

5.射频识别技术

射频识别技术是通过无线电波进行数据传递的自动识别技术，是一种非接触式的自动识别技术。

（1）电子标签

电子标签由芯片及天线组成，每个电子标签具有唯一的电子编码，存储着被识别物体的相关信心。电子标签可以从以下几个方面进行分类：

]根据标签工作方式

]根据标签的读写方式

]根据标签的工作频率

]根据标签的工作距离

（2）读写器

读写器是前端系统与后台系统的接口，利用射频技术读写电子标签信息的设备。

6. 图像识别技术

（1）光学字符识别是指电子设备对文本资料进行扫描，通过检测暗、亮的模式确定其形状，用字符识别方法将形状翻译成计算机文字、获取文字及版面信息的过程。

（2）步态识别的输入是一段行走的视频图像序列，主要提取的特征是人体每个关节的运动。

（3）签名识别是测量图像本身以及整个签名的动作—在每个字母以及字母之间的不同的速度、顺序和压力，是一种公认的身份识别的技术。

（4）面部识别技术是通过标准视频和热成像技术对通过视频摄像头摄取面部的图像和分析由面部的毛细血管的血液产生的热线来产生面部图像，对面部特征和它们之间的关系（眼睛，鼻子和嘴的位置以及它们之间的相对位置）来进行识别。

7.生物特征识别技术

（1）指纹识别技术是通过取像设备读取指纹图像，然后用计算机识别软件分析指纹的全局特征和指纹的局部特征。

（2）虹膜识别技术是利用虹膜虹膜包含的一个独一无二的基于水晶体、细丝、斑点、凹点、皱纹和条纹等特征的结构来识别身份的。

（3）掌纹识别技术是利用掌纹的线特征、点特征、纹理特征、几何特征等完全可以确定一个人的身份，目前采用的掌纹图像主要分脱机掌纹和在线掌纹两大类。

（4）手形识别技术是利用手形几何信息（手指不同部位的宽度、手掌宽度和厚度、手指的长度等）进行识别，它对设备的要求较低，图像处理简单，但由于手形特征不像指纹和掌纹特征那样具有高度的唯一性，因此，手形特征只用于认证，满足中/低级的安全要求。

（5）语音识别技术是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入，识别时需要说话人讲一句或几句试验短句，对它们进行某些测量，然后计算量度矢量与存储的参考矢量之间的一个(或多个) 距离函数，主要包括特征提取技术、模式匹配准则及模型训练技术三个方面。

7.1.4 无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由部署在监测区域内大量的具有感知、处理和无线通信能力的微型传感器节点通过无线通信形成的一个能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息的多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点。

1.无线传感器网络特点

（1）网络规模大

（2）自组织

（3）拓扑结构动态变化

（4）以数据为中心

（5）集成化

（6）协作方式执行任务

（7）可靠性

2.无线传感器网络协议栈

无线传感器网络的协议栈基本采用了计算机网络的框架，分为了通信协议层、网络管理平台和应用支撑平台。

 (1)网络通信协议

 (2)网络管理平台

 (3)应用支撑平台

3. IEEE802.15.4标准

    IEEE 802.15.4标准满足国际标准组织（ISO）开放体系互联（OSI）参考模式，包括物理层、介质访问层（MAC层）、网络层以及高层。

（1）物理层

物理层通过射频连接件和硬件提供MAC层和无线物理信道之间的接口,在概念上提供“物理层管理实体”，该实体提供调用物理层管理功能的管理服务接口,通过物理层数据服务接入点提供物理层的数据服务、通过物理层管理实体的服务接入点提供物理层的管理服务。

（2）MAC层

传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限，无线传感器网络的强大功能需要众多节点密切协作才能实现。局部范围内的多点通信需要MAC协议协调节点间的无线信道分配，以高效的支持在整个网络范围内的路由选择与通信路径的正确连通。

4.ZigBee标准

ZigBee技术是一种面低速率、低功耗、低价格的无线网络方案， Zigbee联盟和IEEE 802.15.4工作组决定合作共同制定一种通信协议标准，该协议标准被命名为“ZigBee”。

（1）ZigBee的技术特点

数据传输速率低

有效范围小

工作频段灵活

省电

可靠

成本低

时延短

网络容量大

安全

（2）网络层

网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制、在帧信息传输过程中所采用的安全性机制以及设备的路由发现、路由维护和转交。

5.无线传感器路由技术

由于传感器节点的计算能力弱、存储能力小、自身能量有限，无线传感器网络是面向应用的，大部分节点并不能直接将数据发送到汇聚节点，而要采用多跳路由方式向汇聚节点发送数据，因此，每个节点不仅要进行数据的采集和传输，还要具有转发数据的能力。

6.拓扑控制

拓扑控制作为无线传感器网络的一种关键节能技术，通常在保证网络连通性和覆盖度的前提下改变、简化或优化网络的拓扑来节省能量。拓扑控制形成的良好网络拓扑能够提高路由协议和MAC协议的效率。目前主要的拓扑控制技术分为时间控制、空间控制和逻辑控制3种。

 7.覆盖

覆盖作为无线传感器网络中的一个基本问题，可以使无线传感器网络的空间资源得到优化分配，进而更好地完成环境感知、信息获取和有效传输的任务，在保证一定的服务质量前提下，达到网络覆盖范围最大化。

按节点部署方式为：确定性覆盖、随机覆盖。

按覆盖目标分类：面覆盖、点覆盖、栅栏覆盖。

8.时间同步

    时间同步技术无线传感器网络的一项基础支撑技术，是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。

9.定位技术

    传感器网络节点的定位是传感器网络基本功能之一，定位技术是无线传感器网络重要的支撑技术，对传感器网络的应用起着关键的作用。自组织的网络通过一定方法提供节点的位置信息，从而实现无线传感器网络的定位，自组织网络定位可分为节点自身定位和目标定位。

7.1.5 智能处理技术

物联网中传感设备种类繁多，数据分析和处理是物联网核心技术中最重要的一环，物联网系统中的数据表现为大规模、实时、繁杂，需要对来自不同网络、不同子系统的海量异构数据进行统一的处理及存储，海量数据处理任务需要多种资源，包括计算资源、存储资源、网络资源等，对这些资源的统一规划和调度，可以有效地加快海量数据处理的速度，要求物联网的海量数据处理机制能融合多网、多源、异构的海量数据并对这些数据进行高效快速的处理，获取有价值的信息，通过反馈使客户能够对物体进行智能管理和控制，提供智能决策。

1．物联网数据的特点

智能信息处理指信息的储存、检索、智能化分析利用，物联网的智能信息处理主要针对感知的数据，而物联网的数据具有如下特点：海量性、多态异构性、动态性、关联性、不确定性。

2．海量数据存储技术

物联网数据具有海量、多态异构、动态、关联与不确定性的特征，海量数据的存储结构影响着物联网系统的可靠性与效率。

（1）物联网对海量数据存储的需求

（2）存储技术

（3）数据库技术

3.数据融合

数据融合技术起源于军事应用的需要，类似人类和其他动物对复杂问题的综合处理，比如在辨别一个事物的时候，通常会综合各种感官信息，包括视觉、触觉、嗅觉和听觉等。数据融合是利用计算机对按时序获得的若干观测信息，在一定准则下将多种数据或信息加以自动分析、综合得出高效且符合用户需求的数据的一种信息处理技术。

4.物联网数据管理

数据管理主要包括对物联网感知数据的采集、存储、查询、检索、挖掘等操作，其主要作用是把物联网上数据的逻辑视图和物联网的物理实现分离，使用户和应用程序只需从查询的逻辑结构入手即可，而无需关心物联网的实现细节，实现数据与实现的分离。

（1）数据查询

（2）物联网搜索引擎

（3）数据挖掘