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1、2023/3/29,物联网的计算技术,物联网的计算技术,物联网的计算技术,2,云计算,什么是云计算：云计算本质上是一种新的提供资源按需租用的服务模式，是一种新型的互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）业务。它与传统IDC业务有相似之处。,物联网的计算技术,3,云计算,云计算业务具有5项特征：（1）基础资源租用。云计算业务提供对计算、存储、网络、软件等多种IT基础设施资源租用的服务。云计算业务的用户不需要自己拥有和维护这些资源。（2）按需弹性使用。云计算业务的用户能够按需获得和使用资源，也能够按需撤销和缩减资源。云计算平台可以按用户的需求快速部署和提供资源。云计算业务
2、的付费服务按资源的使用量计费。（3）透明资源访问。云计算业务的用户不需要了解所使用资源的物理位置和配置等信息。,物联网的计算技术,4,云计算,云计算业务具有5项特征：（4）自助业务部署。云计算业务的用户利用业务提供商提供的接口，通过网络将自己的数据和应用程序部署于云计算平台的后端数据中心，而无需服务商的人工配合。（5）开放公众服务。云计算业务用户所部署的数据和应用可以通过互联网发布给其他用户共享使用，即提供公众服务。,物联网的计算技术,5,云计算,云计算的服务模型：云计算的服务模型包括“端”、“管”、“云”三个层面,物联网的计算技术,6,云计算,云计算的服务模型：云计算的服务模型包括“端”、“
3、管”、“云”三个层面,物联网的计算技术,7,云计算,云计算的服务模型：“端”指的是用户接入“云”的终端设备，可以是台式电脑、笔记本电脑、手机或其他任何能够完成信息交互的终端；“管”指的是信息传输的网络通道，对于公共云目前主要是指电信运营商提供的通信网络，对于私有云则指内部的通信网络或虚拟专网；“云”指的是提供ICT资源或信息服务的基础设施中心、平台和应用服务器等，提供的服务类型包括基础设施、平台和应用等。,物联网的计算技术,8,云计算,云计算的服务模型：云计算将主要的计算过程放在“云”中完成，“端”的功能可以简化或者说变“瘦”，但是这并不意味着现有的各类智能化终端会被放弃。恰恰是因为终端智能化
4、程度的不断提高增加了数据处理的需求，终端计算资源的相对不足促进了云计算的产生与发展，各类“云”的涌现又反过来推动终端的智能化与融合，提升用户对IT资源和信息服务的需求。云计算的演进有赖于“端”“管”“云”的协调发展。,物联网的计算技术,9,云计算,云计算的服务模型按照服务的不同层次，可以将“云”分为三种形式：基础设施云、平台云和应用云，其对应关系如图7-2所示。这三种“云”分别对应于：基础设施即服务（IaaS）平台即服务（PaaS）软件即服务（SaaS）,物联网的计算技术,10,云计算,云计算对应关系：,物联网的计算技术,11,云计算,开放的云计算基础设施：云计算基础设施服务使用户可以指定需要
5、的虚拟服务器配置信息，用户只需根据实际使用的计算、存储及网络流量来付费。谷歌和微软都采用了私有的云计算基础设施服务，并不对外开放。对外开放的是通过谷歌应用引擎（Google App Engine）以及微软的Windows蓝天（Azure）提供的平台服务接口。,物联网的计算技术,12,云计算,有代表性的云计算基础设施开源项目:,EUCALYPTUSNimbusTashiEnomalismRESERVOIR,物联网的计算技术,13,云计算,融合云计算的物联网：云计算为众多用户提供了一种新的高效率计算模式，兼有互联网服务的便利、廉价和大型机的能力。它的目的是将资源集中于互联网上的数据中心，由这种云中
6、心提供应用层、平台层和基础设施层的集中服务，以解决传统IT系统的零散性带来的低效率问题。,物联网的计算技术,14,云计算,融合云计算的物联网：物联网与传统互联网的主要区别是包含了物物互联与物机互联，而不是局限于机机互联。它的主要影响范围是连接物理世界和计算世界的传感网与执行部件网、传输与处理物理信息的计算机和网络以及之上的物联网应用。,物联网的计算技术,15,云计算,融合云计算的物联网：物联网的主要技术方向包括物体标识（射频识别、UID）、精准感知技术、信息保真传输技术、智能处理与决策技术、微机电和微纳米控制技术。由于物联网涉及大量的“物”以及物理限制的客观性，这些技术需要特别考虑大规模系统与
7、数据、及时处理、低成本、低能耗、物理耐久性以及复杂系统的涌现现象。云计算的物联网运营平台是物联网和云计算深度结合的典型例子。,物联网的计算技术,16,嵌入式系统,嵌入式系统的基本概念：定义：嵌入式系统（Embedded System）是嵌入式计算机机系统的简称，简单地说，嵌入式系统就是嵌入到目标体系中的专用计算机系统。嵌入性、专用性与计算机系统是嵌入式系统的3个基本要素。具体地讲，嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。,物联网的计算技术,17,嵌入式系统,特点：概括如下1 嵌入式系统通常是面向
8、特定应用的2 嵌入式系统须满足环境的要求3 嵌入式系统必须满足对象系统的控制要求4 嵌入式系统是集计算机技术与各行业应用与一体的集成系统5 嵌入式系统具有较长的生命周期6 嵌入式系统的软件固化在非易失性存储器中7 嵌入式系统的实时性要求8 嵌入式系统需专用开发环境和开发工具进行设计,物联网的计算技术,18,嵌入式系统,嵌入式系统的发展：可分为四个阶段1 以单片机为核心的低级嵌入式系统2 以嵌入式微处理器为基础的初级嵌入式系统3 以嵌入式操作系统为标志的中级嵌入式系统4 以Internet为标志的高级嵌入式系统,物联网的计算技术,19,嵌入式系统,嵌入式系统的体系结构：嵌入式系统作为一类特殊的计
9、算机系统，一般包括以下3个方面：硬件设备、嵌入式操作系统和应用软件。关系图如下,物联网的计算技术,20,嵌入式系统,嵌入式系统的体系结构：硬件设备：硬件设备包括嵌入式处理器和外围设备。其中嵌入式处理器（CPU）是嵌入式系统的核心部分，它与通用处理器最大的不同点在于，嵌入式CPU大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它将通用处理器中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。,物联网的计算技术,21,嵌入式系统,嵌入式操作系统：嵌入式操作系统从嵌入式发展的第3阶段起开始引入。嵌入式操作系统具有通用操作系统的一般功能，如向上提供对用
10、户的接口（如图形界面、库函数API等），向下提供与硬件设备交互的接口（如硬件驱动程序等），管理复杂的系统资源，同时，它还在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点。,物联网的计算技术,22,嵌入式系统,应用软件：应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到完成预期目标的计算机软件。由于嵌入式系统自身的特点，决定了嵌入式系统的应用软件不仅要求达到准确、安全和稳定的标准，而且还要进行代码精简，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。,物联网的计算技术,23,嵌入式系统,嵌入式操作系统：主流的嵌入式操作系统有下面几种1 VxWorks2 Windows
11、CE3 嵌入式LinuxC/OS一 T-Kernel,物联网的计算技术,24,嵌入式系统,嵌入式处理器：嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中最核心的部分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种。嵌入式处理器主要有4类：嵌入式微处理器（Embedded Microcomputer Unit,EMPU）、嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller Unit,EMCU）、嵌入式数字信号处理器（Embedded Digital Signal Processor,EDSP）以及片上系统（System on Chip,SoC）。,物联网的计算技术,25,嵌入式系统,嵌入式
12、系统与物联网嵌入式系统具有广阔的应用领域，是现代计算机技术改造传统产业、提升多领域技术水平的有力工具。物联网的感知层是嵌入式系统的用武之地。如目前国家安监局目前实施的“紧急避险”六大系统中的“人员定位系统”和“安全监控系统中的有毒有害气体监测”中，使用到大量的人员定位器和有毒有害气体传感器，如：二氧化碳传感器、二氧化硫传感器等。人员定位器是一个典型的嵌入式系统。,物联网的计算技术,26,嵌入式系统,嵌入式系统与物联网现代物流系统中嵌入式系统也起到重要的作用。无数的货物都会被贴上RFID标签，贴有这些标签的货物每到一个仓储点中转的时候，就会被自动识别，并被登记入库，这样就极大地提高了货物入库和清
13、点的效率。在上述场景中嵌入式系统起到了至关重要的作用。而上述应用场景中嵌入式系统显示着它们的身影，可以说没有嵌入式技术就没有物联网应用的美好未来。,物联网的计算技术,27,移动计算与物联网,移动计算的发展：计算的发展并不局限于PC，随着移动互联网的蓬勃发展，基于手机等移动终端的计算服务已经出现。移动计算是指通过移动网络以按需、易扩展的方式获得所需的基础设施、平台、软件(或应用)等的一种IT资源或(信息)服务的交付与使用模式。预计到2015年，全球将会有近40亿用户使用手机作为移动互联网终端，是现有PC机数量的10倍。越来越多的用户将把手机作为其访问互联网的主要设备。,物联网的计算技术,28,移
14、动计算与物联网,移动计算在物联网中的应用：大规模的物联网系统需要无线通信的支持。目前中国移动正在积极推进它的物联网战略，例如：中国移动积极推进“农业移动物联网”应用，开通温室大棚无线监控、自动化滴灌等多种农村信息应用，帮助实现精准化的农业生产管理，以信息化助力“传统农业”向“现代农业”转型。,物联网的计算技术,29,移动计算与物联网,另外，基于移动计算技术还可以实现如下物联网系统：1 环境监测2 智能安防3 智能交通4 物流管理 5 楼宇节能管理6 智能电网7 智能医疗,物联网的计算技术,30,WEB技术,互联网的快速发展对人们的工作、学习和生活带来了重大影响。人们利用互联网的主要方式就是通过
15、浏览器访问网站，以便处理数据、获取信息。这背后涉及到的技术是多方面的，包括网络技术、数据库技术、面向对象技术、图形图像处理技术、多媒体技术、网络和信息安全技术、互联网技术、Web开发技术等等。其中Web开发技术是互联网应用中最为关键的技术之一。,物联网的计算技术,31,WEB技术,WEB基础知识：什么是WEB:Web是分布在全世界、基于HTTP通信协议、存储在Web服务器中的所有互相链接的超文本集。Web服务器端存放用HTML组织的各种信息，客户机端通过浏览器软件查找这些信息资源。Web服务器又称WWW服务器、网站服务器、站点服务器，从本质上来说Web服务器实际上就是一个软件系统。一台计算机可
16、以充当多个Web服务器，多台计算机也可以形成集群，只提供一个Web服务。,物联网的计算技术,32,WEB技术,Web服务器与Web页面的关系:,物联网的计算技术,33,WEB技术,浏览器的工作原理:,物联网的计算技术,34,WEB技术,WEB访问的机理:,物联网的计算技术,35,WEB技术,C/S模式与B/S模式:,物联网的计算技术,36,WEB技术,WEB开发平台与开发工具：两个最重要的企业级开发平台是.NET和Java EE。.NET战略的一个关键特性在于它独立于任何特定的语言或平台;Java EE（Java Enterprise Edition）是纯粹基于Java的解决方案；Visual
17、 Studio 2005（VS2005）是Microsoft推出的一套完整的开发工具集，用于生成 Web 应用程序、Web服务、桌面应用程序和移动应用程序等；IBM的Eclipse是一种可扩展的开放源代码的IDE。此外，还有一些流行的网页制作工具,物联网的计算技术,37,WEB技术,WEB开发平台与开发工具：由于Web正处在日新月异的高速发展之中，它所覆盖的技术领域和层次深度也在不断改变，现阶段Web的主流技术，包括：HTML、DHTML、Java Applet、JavaScript、VBScript、ActiveX、CGI、PHP、JSP、ASP/ASP.NET、XML、ADO/ADO.NE
18、T和Web Services等。,物联网的计算技术,38,物联网中间件,物联网中间件的概念：美国最先提出物联网中间件（IOT-MW）的概念。美国一些企业在实施RFID项目改造期间，发现最耗时和耗力、复杂度和难度最高的问题是如何保证将RFID数据正确导入企业信息管理系统。物联网中间件技术就是好的解决方法。本节中介绍的物联网中间件，特指RFID应用中间件。,物联网的计算技术,39,物联网中间件,RFID中间件的作用：一般而言，RFID中间件的主要作用体现在三个方面：一是为应用系统封装底层设备接口；二是处理读写器和传感器所捕获的原始数据，按照一定规则过滤、合并数据，筛除不必要的冗余数据，为应用系统形
19、成有意义的、高层次的事件，从而有效地减少了应用系统处理的事件量；三是提供应用程序级别的接口来操纵控制RFID 读写器等设备和查询RFID 事件。,物联网的计算技术,40,物联网中间件,RFID中间件的特点：RFID中间件是一种面向消息的中间件（Message-Oriented Middleware，MOM）。信息可以以异步（Asynchronous）的方式传送，所以传送者不必等待回应。面向消息的中间件包含的功能不仅是传递信息，还必须包括解码数据、安全性、数据广播、错误恢复、定位网络资源、找出符合成本的路径、消息与要求的优先次序以及延伸的除错工具等服务。RFID中间件作为面向消息的中间件的一种，
20、也涵盖这些功能和服务。,物联网的计算技术,41,物联网中间件,RFID中间件的发展阶段：RFID中间件在2000年后才出现，从最初的面向单个读写器与特定应用驱动交互的程序，发展到如今的全球EPC信息网络基础中间件。从架构角度看，RFID中间件经历了3个发展阶段。应用程序中间件（Application Middleware）阶段架构中间件（Infrastructure Middleware）阶段解决方案中间件（Solution Middleware）阶段,物联网的计算技术,42,物联网中间件,物联网中间件的系统结构：一般物联网中间件具有的模块有：读写器接口、事件管理器、应用程序接口、目标信息服务
21、和对象名解析服务等。各个模块描述如下：读写器接口：物联网中间件必须优先为各种形式的读写器提供集成功能。协议处理器确保使中间件能够通过各种网络通信方案连接到RFID读写器，作为RFID标准化制定主体的EPCglobal组织负责制定并推广描述RFID读写器与其应用程序间通过普通接口来相互作用的规范。,物联网的计算技术,43,物联网中间件,时间管理器：事件管理器用来对自于读写器接口的RFID事件数据进行过滤、聚合和排序操作，并且再通告数据与外部系统相关联的内容。应用程序接口：应用程序接口使得应用程序系统能够控制读写器。服务器接收器接收应用程序系统指令，它提供一些通信功能。,物联网的计算技术,44,物
22、联网中间件,目标信息服务：目标信息服务由2部分组成：一个是日标存储库，用于存储与标签物体有关的信息并使之能用于以后查询；另一个是拥有为提供由目标存储库管理的信息接口的服务引擎。对象名解析服务：应用程序接口使得应用程序系统能够控制读写器。服务器接收器接收应用程序系统指令，它提供一些通信功能。,物联网的计算技术,45,物联网中间件,物联网中间件的技术平台：物联网中间件的实现需要一定的平台，实现中间件的技术标准主要有3个：COM及COM+、CORBA和J EE。COM定义了COM组件的本质特征。一般来说，软件是由一组数据以及操纵这些数据的函数构成的；CORBA（Common Object Reque
23、st Broker Architecture）标准是OMG组织基于众多开放系统平台厂商提交的分布对象互操作内容的基础上制定的公共对象请求代理体系规范；为了推动基于Java的服务器端应用开发，Sun于是在1999年底推出了Java2技术及相关的J EE规范。,物联网的计算技术,46,物联网中间件,对于分布计算平台，企业界常从以下三个方面对它们进行分析和评价：1 集成性2 可用性3 可扩展性,物联网的计算技术,47,大数据与物联网,大数据的概念与特性：概念：事实上，有关大数据的定义目前并没有一个统一的说法，这也反映出大数据作为快速发展中事物的特点。以下是几个比较典型的大数据定义。维基百科：大数据是
24、指无法在一定时间内用常规软件工具对其内容进行采集、存储、处理和应用的数据集合。,物联网的计算技术,48,大数据与物联网,概念：我们认为，大数据是互联网发展到一定阶段后，数据爆炸性增长的一种态势，这种态势具有强烈的时代特征。所以，给大数据下定义，不能脱离互联网，也需要包含以云计算为代表的技术创新。因此，我们给出的大数据概念是：大数据是指在互联网和以大规模分布式计算为代表的平台支持下被采集、存储、分析和应用的具有产生更高决策价值的巨量、高增长率和多样化的信息资产。显然，这个定义更加全面和准确。,物联网的计算技术,49,大数据与物联网,大数据的概念与特性：特性：目前，人们普遍采用4V表示大数据的特征
25、：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多样）、Value（价值）。高速，这是大数据的关键特性。多样，表示来源与形态具有包罗万象的特点，这是大数据的自然属性，因为人类生活本身是极具多样性的。价值，一方面指数据即生产力，即具有决策价值，被比喻为新时代的石油和黄金；另一方面，也表示大数据的价值密度很低，在大数据时代，数据的决策价值得到了空前的提升。,物联网的计算技术,50,大数据与物联网,大数据的技术支撑体系：一个完整的大数据系统总是由数据采集、数据存储、数据分析（或数据处理与服务）和数据应用四个部分构成。如下图所示：,物联网的计算技术,51,大数据与物联网,物联网的计算
26、技术,52,大数据与物联网,物联网数据采集:物联网最显著的效益就是它能极大地扩展我们监控和测量真实世界中发生的事情的能力,然而，挑战在于使这些让信息更有价值的系统和商业模型不断发展,数据主要在确定长期趋势时才能有价值。,物联网的计算技术,53,大数据与物联网,物联网是下列五种大数据的来源：1 状态数据2 定位数据3 个性化数据4 可供行为参考数据5 反馈数据,物联网的计算技术,54,大数据与物联网,基于物联网的大数据应用:1 加速产品创新2产品故障诊断与预测3工业物联网生产线的大数据应用4工业供应链的分析和优化5产品销售预测与需求管理6 生产计划与排程7 产品质量管理与分析8工业污染与环保检测,物联网的计算技术,55,本章小结,物联网需要计算技术的支持，反过来，物联网的特性也对计算技术提出了新的要求，由此促进计算技术的发展，崔生新型计算模式的诞生。本章介绍了云计算、Web技术、嵌入式系统和中间件技术，这几项技术都与物联网密切相关。云计算是从网络计算发展而来的，物联网的出现必将深化云计算的内涵。Web技术的高级形态是Web 2.0或3.0，而构造语义物联网或许是未来的趋势。嵌入式系统和中间件技术对物联网至关重要，是实现的手段和基本途径。,
