第1章 物联网工程设计概述

TaiYuanUniversityofTechnology物联网工程设计1TaiYuanUniversityofTechnology第一章物联网工程设计概述•最少学时：4学时；•知识点：–物联网工程相关概念、技术架构和关键技术–物联网工程设计应遵循的标准和规范、目标与约束；–物联网工程设计过程的文档管理；•学习目标：–掌握物联网工程的相关概念、技术架构和关键技术；–熟悉物联网工程设计的目标与约束条件；–熟悉物联网工程设计的过程；–熟悉物联网工程的主要设计文档的管理；2TaiYuanUniversityofTechnology主要内容3引言物联网工程文档管理案例教学物联网工程设计概述物联网工程设计应遵循的标准与规范物联网工程设计的文档管理物联网工程及系统集成TaiYuanUniversityofTechnology1.1引言•案例一：比尔·盖茨的智能之家；•案例二：国际电信联盟（ITU）在2005年发布的“物联网”报告中描绘的2020年日常生活的一天；•导入案例：温度标签在机械诊断上的应用；•[思考]•（1）该项目中应用了哪些物联网技术？•（2）如果你负责本项目，应该如何实施？•（3）本项目实施的关键是什么？•（4）结合本项目理解物联网工程的含义。4TaiYuanUniversityofTechnology比尔·盖茨的智能之家位于美国华盛顿州Medina湖畔，建于20世纪90年代，耗资1.13亿美元，整座建筑物共铺设了52英里电缆和光纤，将房内的几乎所有设施都通过网络连接在一起：豪宅的大门设有气象情况感知器，电脑可根据各项气象指标，通知空调控制室内的温度和通风情况；主人在回家途中只须启动遥控装置，家里浴缸就自动放水调温，做好为主人洗去一路风尘的准备；住宅门口安装了微型摄像机，除主人外，其他人欲进入门内，必须由摄像机通知主人，由主人向电脑下达命令，大门方可开启，否则，任何人无法进入；尤其特别的是，来到盖茨家的客人们每个人都会领到一个含有电子标签的别致小胸针，其中存有每个客人对温度、湿度、灯光等的喜好，当客人走到某个房间，电子标签都会通过传感系统与周围设备交流，房间内所有的照明、音乐、温湿度等等都会自动调节到客人感觉舒适的程度……案例一TaiYuanUniversityofTechnology一个来自西班牙的23岁学生Rosa，刚刚同男朋友吵了一架，想要独处一段时间。她决定驾驶自己的智能Toyota去法国阿尔卑斯山的滑雪胜地。但是她必须先去修车厂，因为Rosa的汽车的RFID传感系统（法定要求安装）提醒她轮胎可能坏了。当她进入她最喜爱的修车厂，应用传感器和无线电系统的诊断工具为她的车进行了详细检查后，送进一个配备有完全自动的机器人手的维护终端。等待间隙，Rosa去喝杯咖啡，饮料自动售卖机知道Rosa喜欢冰咖啡，所以在Rosa通过自己的网络手表付过账之后得到了一杯冰咖啡。当Rosa回来时，一对新的轮胎（装有集成RFID标签，可以检测压力、温度和变形情况）已经安装好。机器人提示Rosa选择轮胎上与隐私相关的选项，存储在汽车行控制系统中的信息是为维护和维修使用的，但在汽车行驶中如果周围有RFID读卡器，这些信息将被读取到。（待续）案例二TaiYuanUniversityofTechnology（续）Rosa不想任何人知道（特别是她的男友）她要去哪里，所以把这些信息设置为被保护，防止被无权限的人看到。最后，Rosa去了最近的商业街购物，她想买个内嵌有媒体播放器和天气预测装置的滑雪板包，她用无线网络传感器检测物品信息，在通过法国和西班牙边境时，她没有停留，因为她的车包含的驾驶执照和密码等信息，可以在越过边境的时候，自动转换到最小边境调节装置。突然，Rosa从她的太阳镜上得到了一个视频寻呼，看到她的男友正请求她的原谅并问他是否想一起度过这个周末。这时她的心情正好不错，于是她脱口而出，对导航系统发出了一个口令：撤掉隐私保护，这样她的男友就可以看到她现在的位置和目的地以便做出决定……TaiYuanUniversityofTechnology8TaiYuanUniversityofTechnology1.1引言•结论：–物联网世界中，人的感觉仍然是起主导作用；–现代化的生活愿景正在越来越多地出现在我们的日常生活中；–物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升；–物联网几乎可以与各个产业融合，物联网的发展要以应用为先导；9TaiYuanUniversityofTechnology1.1.1物联网的定义与技术特征（回顾）定义：物联网是在互联网、移动通信网等通信网络的基础上，针对不同应用领域的需求，利用具有感知、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，将所有能够独立寻址的物理对象互联起来，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。1.1引言TaiYuanUniversityofTechnology1.1.1物联网的定义与技术特征（回顾）技术特征：1）物联网中的智能物体具有感知、通信与计算能力。2）物联网可以提供任何对象在任何时间、任何地点的互联。3）物联网的目标是实现物理世界与信息世界的深度融合。1.1引言TaiYuanUniversityofTechnology12任何时间联结任何物体联结任何地点联结·在移动中·在户外及室内·在夜晚·在白天●在移动中●在户外●在室内(离开PC)●通过PC●PC之间联结●人与人之间（H2H）不通过PC联结●人与物之间（H2T）通过普通装置联结●物与物之间（T2T）联结物联网运行的泛在性——三个维度TaiYuanUniversityofTechnology131.1.2物联网的体系结构（回顾）图1-3物联网体系结构模型TaiYuanUniversityofTechnology物联网层次结构14TaiYuanUniversityofTechnology1.1.3物联网的分类（回顾）1.从运营角度看，物联网分成两大类：面向公众的物联网服务面向行业提供的物联网专用服务。2.从管理架构角度看，物联网管理分成三个层次：国家；行业/区域；企业；3.从部署方式上来看，物联网通常可以分成如下四类：私有物联网；公有物联网；社区物联网；混合物联网；1.1引言TaiYuanUniversityofTechnology1.1.3物联网的分类（回顾，续）4.从所有权的角度看，物联网可以分成：互联网（Internet）；内联网（Intranet）；专用网（Extranet/VPN）；同时，从物联网所有权特征角度来分，物联网有四大网络群：短距离无线通信网；长距离无线通信网；短距离有线通信网；长距离有线通信网。5.从应用的角度将物联网分成：监控型（如视频监控、环境监测）；查询型（如远程抄表、物流查询）；控制型（如智能交通、路灯控制）；扫描型（如手机钱包）等四大类；1.1引言TaiYuanUniversityofTechnology1.2物联网工程及系统集成1.2.1物联网工程的基本概念一、工程及其概念1.科学、技术、工程、应用的区别和联系从事科学工作的科学家更偏重于理论研究；从事技术应用的技术员和从事工程设计的工程师则更贴近实际应用和实践；从事生产应用的产业工人则完成的是重复制造过程；17TaiYuanUniversityofTechnology1.2.1物联网工程的基本概念一、工程及其概念2.“工程”的字典释义现代汉语词典中对工程是这样定义的：一是指土木建筑和其他生产、制造部门用比较大而复杂的设备来进行的工作，如土木工程、机械工程、化学工程、采矿工程、水利工程等，也指具体的建设工程项目；二是泛指某项需要投入巨大人力和物力的工作，如菜篮子工程指解决城镇蔬菜、副食供应问题的规划和措施。结合物联网本身的定义，显然，物联网工程应该取其第二个解释，即物联网工程是需要投入巨大人力和物力的一项工作。181.2物联网工程及系统集成TaiYuanUniversityofTechnology1.2.1物联网工程的基本概念一、工程及其概念3.王良民教授给出“工程”的定义：工程是科学和数学的某种应用，通过这一应用，使自然界的物质和能源的特性能够通过各种结构、机器、产品、系统和过程，以最短的时间和精而少的人力做出高效、可靠且对人类有用的东西。4.“工程”的特点综合：工程是需要将科学与实践结合，综合使用多个技术方法来构建一个新的系统，这个新的系统在客观上是一个创造物。（王）工程活动应该包括确立正确的工程理念、制定一系列合理决策、正确设计、合理构建和运行等子活动，其结果往往又具体地体现为特定形式的一个或一组新的创造物。191.2物联网工程及系统集成TaiYuanUniversityofTechnology1.2.1物联网工程的基本概念一、工程及其概念发现、发明和制造：被发现的物体是客观存在的，只是我们不知道它们存在，如科学规律、外星球上的生命物质等；发明是从无到有的制造，其对象是从未存在的新生物体（如电灯、电话的从无到有）以及制造这些东西的以前别人不知道的技术、技巧等；制造是一个可重复的过程，所制造的物体虽然以前不存在，但存在同类物体，如有了第一部电话机以后，用同样的技术去做另一部电话机，区别仅仅是尺寸、形状等存在差异。201.2物联网工程及系统集成TaiYuanUniversityofTechnology1.2.1物联网工程的基本概念一、工程及其概念5.由“工程”衍生出一系列相关概念：–工程原理：是工程实施过程中的基本方法及一般性原理，是抽象化的规律；–工程项目：是一个工程实施的实例，是具体化的工程；–工程设计：指为工程项目的建设提供技术依据的设计文件和图纸的整个活动过程，是建设项目工程期的一个重要阶段；6.“工程”的特征：–工程是有原理的；–工程项目是通过建造项目目标来完成的；–工程实施要与环境协调一致；–工程设计还是可优化的；211.2物联网工程及系统集成TaiYuanUniversityofTechnology1.2.1物联网工程的基本概念二、物联网工程1.发展：–物联网工程是信息领域中，继信息化工程、网络工程、软件工程后又提出来的一项新的工程概念；2.物联网工程概念的提出：–随着物联网技术不断走向应用，对各种物联网技术进行综合集成与创新研究及应用应当在一个整体框架下进行，这个框架就是物联网工程。–从领域分类来讲，物联网建设是信息化建设的一部分，要建设的物联网系统仍然是信息系统，但比以往的信息系统包含了更多内容。3.目标：–以工程的管理方法为指导，集成已有应用平台，建设相关领域的物联网应用；221.2物联网工程及系统集成TaiYuanUniversityofTechnology1.2.1物联网工程的基本概念二、物联网工程4.物联网工程的特点：–涉及的相关领域繁多，背景知识相当庞杂；–以应用为导向的技术集成；5.物联网工程专业人才的工作内容：–不是设计实现物联网所涉及的所有内容；–而应该是寻找合适的、最优的工程方法和关键技术，选择已有系统部件的优化组合，搭建适合于特定应用领域的物联网服务平台；6.物联网工程设计的方法：–按照物联网体系结构所包含的三层架构为指导，分层考虑设计要素；–依托完善的互联网基础；231.2物联网工程及系统集成TaiYuanUniversityofTechnology1.2.2物联网工程与物联网系统的联系•抽象地讲，系统是指为实现某一目标而应用的一组元素的有机结合，而系统本身又可作为一个元素单位（或称子系统或组件）参与多次组合，这种组合过程可概括为系统集成。•从通用的角度解释，系统集成是目前常用的一种实现复杂系统的工程化方法，即通过选购大量标准化的系统组件并可能自主开发部分关键组件进行组装。241.2物联网工程及系统集成TaiYuanUniversityofTechnology1.2.2物联网工程与物联网系统的联系•物联网建设是信息化建设的新阶段，包含了更多内容：感知子网、传输子网、信息处理支撑平台和应用子网等4个部分，物联网工程