物联网技术及嵌入式网关.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,fg的,dfg,fdg,第四级,第五级,*,fg的,dfg,fdg,第四级,第五级,fg的,dfg,fdg,第四级,第五级,fg的,dfg,fdg,第四级,第五级,*,物联网技术及嵌入式网关,物联网技术及嵌入式网关,第1页,主 要 内 容,物联网,1,物联网介绍,2,物联网服务与结点分类,3,物联网网络架构及关键技术,物联网嵌入式试验平台,嵌入式网关,1,应用背景,2,分类,2,物联网技术及嵌入式网关,第2页,主 要 内 容,物联网（,Internet of Things,）,1,物联网介绍,2,物联网服务与结点分类,3,物联网网络架构及关键技术,物联网嵌入式试验平台,嵌入式网关,1,应用背景,2,分类,3,物联网技术及嵌入式网关,第3页,物 联 网 简 介,物联网概念最早出现于比尔盖茨1995年未来之路一书，只是当初受限于无线网络、硬件及传感设备发展，并未引发世人重视。,1998年，美国麻省理工大学(MIT)创造性地提出了当初被称作EPC系统“物联网”构想。,1999年，美国Auto-ID称物联网主要是建立在物品编码、RFID技术和互联网基础上。,，ITU(国际电信联盟)公布了ITU互联网汇报：物联网，综合二者内容，正式提出“物联网”概念。,4,物联网技术及嵌入式网关,第4页,物 联 网 简 介,物联网,(Internet of Things),概念,当前较为公认物联网定义是：,经过射频识别,(RFID),、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等,信息传感设备,，按约定协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理一个网络。,按照,ITU,(,国际电信联盟,),定义,物联网主要处理物品到物品、人到物品、人到人之间互连。,5,物联网技术及嵌入式网关,第5页,物 联 网 简 介,中国物联网产业发展年度蓝皮书（,）,对物联网一些外延概念做出了描述：,外延概念描述之一：物联网是未来互联网组成部分，是互联网应用延伸和拓展。未来深入发展，将可能成为工作平台，因为互联网发展趋势是从连接人到连接物。它是有着自我配置能力全球动态网络，在其中，物质和虚拟“物”都有着自己身份、物质属性、虚拟特征和可使用智能接口，并无缝集成到信息网络。它包括从信息获取、传输、存放、处理、应用全过程，材料、器件、软件、系统、网络各方面 创新都会促进物联网发展。,6,物联网技术及嵌入式网关,第6页,物 联 网 简 介,外延概念描述之二：,在物联网中，人们将成为商业、信息、社会主动参加者。从久远目标来说，物联网将建立在,标准通信协议基础,之上，计算机网络、媒介网络、服务网络将整合为一个全球人们共同拥有互联网平台和无缝信息网络。,7,物联网技术及嵌入式网关,第7页,物 联 网 简 介,外延概念描述之三：,在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆 将与芯片、宽带、无线网络整合为统一基础设施。下一代互联网将成为公共基础设施，每个人都能够像使用空气、水、电一样使用互联网，并能动态地伴随“物”之间相互连接而改进使用体验，方便性和快捷性也将大大增强。由此，物联网中通信将不但发生在人与人之间，也发生在人与他们所处环境之间。,8,物联网技术及嵌入式网关,第8页,物 联 网 简 介,物联网相关概念,M2M,（,Machine to Machine,）,传感网,泛在网,移动互联网,9,物联网技术及嵌入式网关,第9页,物 联 网 简 介,M2M,（,Machine to Machine,）,简单说，,M2M,是将数据从一台终端传送到另一台终端，也就是就是机器与机器（,Machine to Machine,）对话。但从广义上,M2M,可代表机器对机器、人对机器、机器对人、移动网络对机器之间连接与通信，它涵盖了全部实现在人、机器、系统之间建立通信连接技术和伎俩。,10,物联网技术及嵌入式网关,第10页,物 联 网 简 介,传感网,传感网是指“随机分布集成有传感器、数据处理单元和通信单元微小节点，经过自组织方式组成无线网络”。现在谈到传感网，普通指是无线传感器网络（,wireless sensor network,）。传感网实际上由传感器短距离传输模块共同组成。当前我国研究和探讨传感网重点其实并不是传感器本身，而是聚焦在，经过各种低功耗、短距离无线传输技术组成自组织网络来传输数据。,11,物联网技术及嵌入式网关,第11页,物 联 网 简 介,泛在网,也被称作无所不在网络，最早见于施乐首席科学家MarkWeiser在1991年“二十一世纪计算”文章中提出Ubiquitous Computing，所以泛在网概念提出比物联网更早一些。,泛在网将以“无所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征，帮助人类实现“4A”化通信，即在任何时间(anytime)、任何地点(any-where)、任何人(anyone)、任何物(anything)都能顺畅地通信。,12,物联网技术及嵌入式网关,第12页,物 联 网 简 介,移动互联网,是将移动通信和互联网二者结合为一体，它是一个全国性、以宽带,IP,为技术关键、可同时提供话音、传真、数据、图像、多媒体等高品质电信服务新一代开放式电信基础网络。,13,物联网技术及嵌入式网关,第13页,物 联 网 简 介,移动互联网,物联网需要一个无处不在通信网络。移动通信网含有覆盖广、建设成本低、布署方便、具备移动性等特点，使得无线网络将成为物联网主要接入方式，而固定通信作为融合基础承载网络长久服务于物联网。,物联网终端都需要以某种方式连接起来，发送或者接收数据时，考虑到方便性,(,需要数据线连接,),、信息基础设施可用性,(,不是全部地方都有方便固定接入能力,),以及一些应用场景本身需要随时监控目标就是在活动状态下，所以移动网络将是最主要接入伎俩。,14,物联网技术及嵌入式网关,第14页,CPS,2月公布美国竞争力计划则将信息物理系统(Cyber Physics System，CPS)列为主要研究项目。,到了年7月，美国总统科学技术顾问委员会(PCAST)在题为挑战下领先竞争世界中信息技术研发汇报中列出了八大关键信息技术，其中CPS位列首位，其余分别是软件、数据、数据存放与数据流、网络、高端计算、网络与信息安全、人机界面、NIT与社会科学。,物联网技术及嵌入式网关,第15页,物联网服务与结点分类,物联网服务类型是设计和验证物联网体系结构和物联网系统主要依据。依据物联网本身特征,物联网应该提供以下几类服务,:,1.,联网类服务,:,物品标识、通信和定位,;,2.,信息类服务,:,信息采集、存放和查询,;,3.,操作类服务,:,远程配置、监测、远程操作和控制,;,16,物联网技术及嵌入式网关,第16页,物联网服务与结点分类,4.,安全类服务,:,用户管理、访问控制、事件报警、入侵检测、攻击防御,;,5.,管理类服务,:,故障诊疗、性能优化、系统升级、计费管理服务。,17,物联网技术及嵌入式网关,第17页,物联网服务与结点分类,结点类型,无源结点,有源结点,互联网结点,18,物联网技术及嵌入式网关,第18页,物联网结点分类,无源结点,是含有,电子标签,物品，这是物联网中数量最多结点,比如携带电子标签人能够成为一个无源结点。,无源结点普通不带电源,能够含有移动性,含有被感知能力和少许数据存放能力,不具备计算和联网能力,提供被动物,-,物连接。,19,物联网技术及嵌入式网关,第19页,物联网结点分类,有源结点,具备感知、联网和控制能力嵌入式系统,这是物联网关键结点,比如装备了能够传感人体信息穿戴式电脑人能够成为一个有源结点。,20,物联网技术及嵌入式网关,第20页,物联网结点分类,互联网结点,具备联网和控制能力计算系统,这是物联网信息和控制中心。它不是普通互联网结点,是属于物联网系统中结点,采取了互联网联网技术相互连接,但含有物联网系统中特有时间和空间控制能力,配置了物联网专用安全性和可靠性控制体系。,这种结点含有不间断电源,不具备移动性,能够含有感知能力,含有较强存放、计算和联网能力，能够提供人,-,物、人,-,人 连接。,21,物联网技术及嵌入式网关,第21页,主 要 内 容,物联网,1,物联网介绍,2,物联网服务与结点分类,3,物联网网络架构及关键技术,物联网嵌入式试验平台,嵌入式网关,1,应用背景,2,分类,22,物联网技术及嵌入式网关,第22页,物联网网络架构及关键技术,物联网网络架构,23,物联网技术及嵌入式网关,第23页,物联网网络架构及关键技术,物联网网络架构,感知层：主要实现智能感知功效，包含信息采集、捕捉、物体识别。,网络层：主要实现信息传送和通信，网络层可依靠公众电信网和互联网。,应用层：主要包含各类应用，当前最受关注热点应用领域有智能电网、精细农业、智能交通、智能物流等。,24,物联网技术及嵌入式网关,第24页,物联网网络架构及关键技术,25,物联网技术及嵌入式网关,第25页,物联网网络架构及关键技术,关键技术,感知层关键技术：感知识别技术正向低成本、低功耗、新型化、微型化、智能化、综合化和高可靠性方向发展。在传感器网络方面，,无线传感器网络,成为主流，同时关注面向应用定制、嵌入式芯片和软件、近距离无线通信芯片和新型电池技术等。,26,物联网技术及嵌入式网关,第26页,物联网网络架构及关键技术,关键技术,网络层关键技术：包含适应物联网业务模型无线接入技术、关键网优化技术；包含适合用于传感器节点短距离通信技术，研究自组织组网技术；包含鉴权、计费、网络管理、移动性管理等技术，以及异构网络融合技术和协同技术等。,应用层关键技术：包含,SOA(Service-oriented architecture,，面向服务架构,),和云计算等。,27,物联网技术及嵌入式网关,第27页,主 要 内 容,物联网,1,物联网介绍,2,物联网服务与结点分类,3,物联网网络架构及关键技术,物联网嵌入式试验平台,嵌入式网关,1,应用背景,2,分类,28,物联网技术及嵌入式网关,第28页,物联网嵌入式试验平台,UP-CUP6410,系统是博创科技基于嵌入式系统和,IEEE802.15.4,标准上无线传感器技术，而设计一款嵌入式物联网综合试验平台。,主要由基于,ARM11,系统,网关设备、,ZIGBEE(CC2431),模块、外扩传感器模块,三大部分硬件组成。,29,物联网技术及嵌入式网关,第29页,物联网嵌入式试验平台,30,物联网技术及嵌入式网关,第30页,物联网嵌入式试验平台,功效特征,硬件资源,传感器节点,ZigBee,网络节点,嵌入式网关,嵌入式网关软件,31,物联网技术及嵌入式网关,第31页,物联网嵌入式试验平台,功效特征,支持,USB,高速下载、,IAR,集成开发环境；,支持在线下载、仿真、调试、烧写功效；,支持,USB,供电、电池供电方式；,C51,编程开发，简单、方便、快捷；,板载,LED,指示灯、,RS232,串口；,可外扩各种传感器模块,(,温湿度、红外、烟雾、光敏、声响、加速度等,),；,强大嵌入式网关硬件平台,(ARM11 S3C6410X,处理器,),；,32,物联网技术及嵌入式网关,第32页,物联网嵌入式试验平台,硬件资源,传感器节点,*广谱气体传感器：用于液化气、烟雾等烷烃类气体探测；,*热释红外传感器：用于探测红外特征辐射，可感知人体，小动物热源，适合做热释红外物体运动检测；,*三轴加速度传感器：,X,、,Y,、,Z,三方向加速度测量，测量范围,8g,；,*压力传感器：测量范围,0-4.5kg,，电阻应变型传感器，测量精度、灵敏度高，适合做小量程高精度测量,33,物联网技术及嵌入式网关,第33页,物联网嵌入式试验平台,硬件资源,传感器节点,*温湿度传感器：湿度和温度测量，数字格式输出、有自动休眠功效，体积小，功耗低；,*靠近开关,/,红外反射：高灵敏度触碰开关，适合检测触摸和碰撞；反射式红外传感器，可应用循迹检测，位置检测等领域；,*声响开关,/,光敏：可检测声音和光照强度，并含有报警指示灯，能够应用在道路交通，楼宇声光检测等领域；,*干簧门磁,/,霍尔开关：机械和数字式磁敏传感器，可用于磁场检测；,34,物联网技术及嵌入式网关,第34页,物联网嵌入式试验平台,硬件资源,ZigBee,网络节点,*使用,TI,当下主流,Zigbee,处理方案中推荐处理器,CC2431,，内置硬件定位引擎及增强型,8,位,51,单片机；*含有丰富,I/O,端口、内置温度传感器、,A/D,和各种惯用外围接口,(,定时器、,UART,、,DMA,、中止、,AES,加密协处理器等；*符合,IEEE802.15.4/ZigBee,标准规范，频段范围,2045M-2483.5M,，可自由在,16,个频段间切换。*无线数据传输速率约为,20250 kb/s,；*含有片内,128K,可编程,Flash,，和,8K,RAM,；*工作电压,2.0V-3.6V,，超低功耗，支持休眠及唤醒功效；,35,物联网技术及嵌入式网关,第35页,物联网嵌入式试验平台,硬件资源,ZigBee,网络节点,*支持,TI,官方,Z-Stack,协议栈，兼容,Z-Stack/Pro,协议栈，可方便快速进行二次开发*支持,TI Z-Stack,自带轮询操作系统，支持多任务处理；*基于,IAR 51,集成开发环境工程仿真调试环境；*支持形状网、树状网和网状,(Mesh),组网方式；*支持路由中继功效、网络节点自动修复功效；*可外接配合各种传感器节点模块，进行温湿度、压力、加速度、光感应、声音检测数据采集等；*支持外接直流电源、干电池、,USB,口等供电方式；,36,物联网技术及嵌入式网关,第36页,物联网嵌入式试验平台,硬件资源,嵌入式网关,网关采取,S3C6410X,微处理器，配有,8,寸液晶触摸屏。,37,物联网技术及嵌入式网关,第37页,物联网嵌入式试验平台,嵌入式网关软件,*嵌入式,linux2.6,操作系统及外设驱动*,QT/Embedded 4,嵌入式图形界面开发工具包*嵌入式,SQLite,数据库*嵌入式,WEB,网络服务器,38,物联网技术及嵌入式网关,第38页,A2F200,概图,物联网技术及嵌入式网关,第39页,微控制器子系统（,MSS,）,SmartFusion,器件,A2F200,A2F500,快闪,(Kb),256,512,SRAM(Kb),64,64,Cortex-M3 附存放器保护单元(MPU),Yes,Yes,10/100,以太网,MAC,Yes,Yes,外部存放器控制器(EMC),26-bit address,16-bit data,26-bit address,16-bit data,直接存放器存取(DMA),8 Ch,8 Ch,I2C,2,2,SPI,2,2,16550,通用异步收发器,(UART),2,2,32,位定时器,2,2,模拟锁相环,(PLL),1,2,32 KHz,低功耗振荡器,1,1,100 MHz,片上,RC,振荡器,1,1,主振荡器,(1.5 MHz,到,20 MHz),1,1,物联网技术及嵌入式网关,第40页,FPGA,资源,SmartFusion,器件,A2F200,A2F500,系统门,200,000,500,000,逻辑单元,(Tiles)(D,型触发器,),4,608,11,520,RAM,模块,(4,608,位,),8,24,物联网技术及嵌入式网关,第41页,可编程模拟,SmartFusion,器件,A2F200,A2F500,模数转换器,(ADC)(8/10/12,位,SAR),2,3,数模转换器,DAC)(12,位,sigma-delta),2,3,信号调整模块(SCB),4,5,比较器,2,8,10,电流监控器,2,4,5,温度监控器,2,4,5,双极性高电压监控器,2,8,10,物联网技术及嵌入式网关,第42页,I/O:MSS,加,FPGA I/O,SmartFusion,器件,A2F200,A2F500,封装,FG484,FG484,直接模拟输入,8,12,总体模拟输入,24,32,总体模拟输出,2,3,MSS I/O3,4,41,41,FPGA I/O,94,128,总,I/O,161,204,物联网技术及嵌入式网关,第43页,上图描述了主机和从机在,AHB,总线矩阵中连接。标签，如,MM0,和,MS0,分别指是,master,镜像和,slave,镜像。在矩阵中，,master,镜像直接连接到,AHB master,，,slaver,镜像直接连接到,AHB,slave,。,物联网技术及嵌入式网关,第44页,主 要 内 容,物联网,1,物联网介绍,2,物联网服务与结点分类,3,物联网网络架构及关键技术,物联网嵌入式试验平台,嵌入式网关,1,应用背景,2,分类,45,物联网技术及嵌入式网关,第45页,嵌入式网关,应用背景,无线传感器网络（,WSN,）是由大量含有没有线通信与计算能力微小传感器节点布设在特定区域而形成。它含有网络规模大、成本低、节点硬件简单、功耗低、自组织等特点，这些特点决定了只有将它与现有网络基础设施相融合,才能方便人们进行网络控制、管理和数据获取。,通常，无线传感器网络节点受本身硬件资源、布署环境中网络基础设施等条件限制，使其直接接入传统网络是不切实际。使用网关实现,WSN,与,IP,网络互联，是一个最简单直接方法,。,46,物联网技术及嵌入式网关,第46页,嵌入式网关,分类,relay,：,用于网络间翻译和转发数据包,Application-layer gateway,NAT(Network Address Translation)gateway,front-end,：,基于,Web,嵌入式网关,47,物联网技术及嵌入式网关,第47页,嵌入式网关,relay,Application-layer gateway,：,工作在应用层。在该方式下，,WSN,与,IP,网络全部协议层次上都能够完全不一样。通常，该网关是为特定应用设计。,48,物联网技术及嵌入式网关,第48页,嵌入式网关,relay,NAT(Network Address Translation),网关：工作在网络层，当,WSN,采取以地址为中心私有网络层协议时，网关在网络层进行,WSN,私有地址和标准,IP,地址转换。,49,物联网技术及嵌入式网关,第49页,嵌入式网关,front-end,：,作为,WSN,前端，是一个基于,Web,嵌入式网关。,网关搜集传感器采集来数据，并把它们存放在数据库中。用户经过,SQL,查询或网页形式获取网关内存放数据。它能够提供,HTTP,服务,含有导出信息功效,使远程客户端能够对其进行监测和管理。它还能够执行一些安全功效，如对用户和数据正当性认证。,基于,Web,网关需要具备以下功效：对传感器采集数据融合，在,Internet,和,WSN,间进行灵活查询管理，,WSN,高效接入。,50,物联网技术及嵌入式网关,第50页,嵌入式网关,figure,：无线传感器网络网关与,Internet,相连,51,物联网技术及嵌入式网关,第51页,嵌入式网关两种类型,First paper-,NAT gateway,Second papaer-,基于,Web,嵌入式网关,52,物联网技术及嵌入式网关,第52页,嵌入式网关,1,Framework,Sensor Node,：运行,WSN,路由协议，能够是,address-centric,也能够是,data-centric,。,IP Host,：能够和单个,sensor node,通信，也能够实现,interest-based,查询。,Gateway,：连接,WSN,和,IP,网络。主要功效是分配虚拟地址和翻译数据包。,53,物联网技术及嵌入式网关,第53页,嵌入式网关,1,Framewor,网关分配虚拟,IP,地址给传感器节点，并分配虚拟,sensor ID,给,IP,主机。,虚拟,IP,地址和虚拟,ID,存放在网关,mapping tables,中。,54,物联网技术及嵌入式网关,第54页,嵌入式网关,1,举例：主机,A,和,node X,间通信,主机,A,发送一个,IP,packet(,包净荷采取,WSN,协议应用层定义格式,),55,物联网技术及嵌入式网关,第55页,嵌入式网关,1,在,data-centric,WSN,中，因为,sensor,节点不含有唯一,ID,，所以需要给每个,IP,地址匹配一个,interest,。,IP,主机向,WSN,发送,interest-based,查询,：,它首先向网关节点发送一个,interest,packet,，指定查询属性值；,网关节点为这个,interest,分配一个,Virtual IP address,，并返还给求主机；,主机发送一个源地址,=IP address,、目标地址,=Virtual IP address,数据包，数据包路由到网关，网关将目标地址与对应,interest,相匹配，并将源,IP,地址注册到,mapping table,中。当网关收到回复数据包，它将这个包发送给依据,interest,注册主机。,56,物联网技术及嵌入式网关,第56页,嵌入式网关,1,57,物联网技术及嵌入式网关,第57页,嵌入式网关,1,举例：,主机,A,向,WSN,发送,interest-based,查询,58,物联网技术及嵌入式网关,第58页,嵌入式网关,2,基于,Web,嵌入式网关,WSN,层次结构以下：,areas,clusters,and sensor nodes,Level,2,（,Areas,）,Level 1,（,Cluster Heads,）,Level,0,（,Sensor Nodes,）,59,物联网技术及嵌入式网关,第59页,嵌入式网关,2,网关主要分为两部分：,Internet,接入部分、传感器网络接入和管理部分,Figure,：,Internet architecture of sensor gateway,60,物联网技术及嵌入式网关,第60页,嵌入式网关,2,Internet,接入部分：包含,TCP/IP stack,和一个,Web server,；,为了支持,Web,服务器功效，网关在接入部分采取,HTTP,协议。用户经过,IP,地址连接网关，经过身份验证后开始访问,sensor,管理页面。,61,物联网技术及嵌入式网关,第61页,嵌入式网关,2,Figure,：,users query request,62,物联网技术及嵌入式网关,第62页,嵌入式网关,2,传感器网络接入和管理部分：,包含,SDAL,、,SQML,、,DAP,层。,从用户,Web,浏览器发来数据，经过,internet,接入部分传递给传感器网络管理部分，经过逐层处理后，传递到,sink,节点（经过,RS-232C,USB,或其它接口），继而传递给,WSN,。,63,物联网技术及嵌入式网关,第63页,嵌入式网关,2,Data Analysis Process(DAP),：,用于验证用户、处理来自,Web,浏览器查询、将传感器回复消息生成,Web,响应以及对查询和响应结果恢复。,该层主要包含五个部件：数据提取模块、,Web,查询队列、响应表、,Web,回复模块以及,DB,模块。,数据在,DAP,层处理流程：来自,Web,服务器数据由数据提取模块转化成,Web,查询，存放在,Web,查询队列中，队列将它交给,SQML,层。,64,物联网技术及嵌入式网关,第64页,嵌入式网关,2,Sensor Query Management Layer(SQML),：用于,Web,查询和传感器查询之间转换。,Table,：,Sensor query structure,65,物联网技术及嵌入式网关,第65页,嵌入式网关,2,Sensor Data Aggregation Layer(SDAL),：,将传感器查询发送到,WSN,，并汇总传感器节点回复消息。所以，在开始通信之前，网关首先要广播一个宣告消息获取,WSN,中全部,Area,信息。,66,物联网技术及嵌入式网关,第66页,嵌入式网关,2,Figure:the layerd architecture of sensor network management part,67,物联网技术及嵌入式网关,第67页,