物联网业务及应用.docx
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物联网技术与应用
第8章物联网业务及应用
图8.1感知层和网络层相关技术
如图8.1所示,通过前面章节,我们已经学习了物联网系统结构感知层和网络层当中的相关技术,为了更好理解这些技术,在本章我们对这些技术加以应用,以便让同学们更为系统地掌握物联网中的感知技术、网络接入和承载技术、组网技术和物联网中间件技术。
随着物联网的快速发展,各类物联网业务持续增长,已经应用到物流信息化、企业一卡通、公交视频、校园通、手机购物、手机钱包、智能电网、智慧城市、智能交通、智能医疗等各行各业中。
由于物联网业务应用的广泛性,所以分类方法很多,我们可以从网络技术特征把物联网业务大致分为四类,分别是:
身份相关业务、信息汇聚型业务、协同感知类业务和泛在服务。
(1)身份相关业务类应用主要是利用射频标识(RFID)、二维码、条形码等可以标志身份的技术,并基于身份所提供的各类服务;
(2)信息汇聚型业务主要是由物联网终端采集、处理,经通信网络上报数据,由物联网平台处理,提交具体的应用和服务,其典型结构示意图如图8.2所示。
具体的应用类型如农业大棚、智能家电、电梯管理、智能电网、交通管理等,整个系统主要由机器到机器(M2M)终端、通信网络、平台、应用以及运营系统构成;(3)在信息汇聚型业务中,物联网的终端只要接受物联网平台管理,执行数据采集、简单处理、上报和接受管理等功能,物联网终端之间不需要进行通信。
然而,随着物联网的发展,物联网应用应该能够提供更为复杂的业务和服务,也需要物联网终端之间、物联网终端和人之间执行更为复杂的通信,而且这种通信能力在可靠性、时延等方面可能有更高要求,对物联网终端的智能化要求也更为突出,这样才能满足协同处理的要求;(4)泛在服务以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征,以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信为目标,是服务的极致。
图8.2物联网信息汇集业务示意图
图8.3物联网应用示意图
物联网应用目前蓬勃发展,涉及日常工作生活的多个领域,如图8.3所示。
在电力行业,远程抄表、输变电监测、节能等应用正在逐步拓展;在交通领域,路网监测、车辆管理和调度等应用正在发挥积极作用;在物流领域,物品仓储、运输、监测应用正广泛推广;在医疗领域,个人健康监护、远程医疗等应用日趋成熟。
除此之外,物联网在环境监测、市政设施监控、楼宇节能、食品药品溯源、工业自动化、公共安全等方面也开展了广泛的应用。
本章我们在前面章节学习的基础之上,重点学习物联网的业务和几个典型应用案例,以便加深对物联网应用的理解。
8.1M2M业务
M2M是Machine-to-Machine/Man的简称,是一种以机器终端设备智能交互为核心的、网络化的应用与服务。
它通过在机器内部嵌入通信模块,通过各种承载方式将机器接入网络,为客户提供综合的信息化解决方案,以满足客户对监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求。
M2M业务通过感知、智能设备获得客观世界事物的信息,并对感知到的信息进行分析和智能化的处理,与通信对象进行交互,完成应用相关的业务逻辑。
M2M应用非常丰富,各种应用的特征也不相同。
例如在健康医疗生命体征监测应用中,普通的生命体征数据只需要周期性地传送或在事件驱动的情况下传送,只需要传输少量的数据信息,不需要很大的网络带宽,只有在紧急情况下数据信息才需要实时传送,需要较高的QoS级别保证。
而在视频监控类业务中则需要传输大量的监控信息,需要较高的网络带宽。
与话音等传统通信业务相比,M2M应用在通信特征方面呈现出差异化和多样化。
从M2M到物联网并非一个全新概念,比尔·盖茨在华盛顿湖畔的智能化豪宅,联想、长虹等国内厂商推出的闪联标准,国内外运营商推出的手机支付、路灯监控等M2M应用都是物联网的雏形。
就如互联网之初也是由一个个局域网构成,现有的M2M应用也是物联网的构成基础。
从M2M到物联网,已经为世界勾画出了一幅智能化的未来画卷。
物联网由分布式中央处理单元、传输网络和感应识别末梢组成,也可以说是由无数个M2M系统构成,就如人身体不同机能一样,不同的M2M系统负责不同的功能处理,通过中央处理单元协同运作,最终组成智能化的社会系统,如图8.4。
图8.4M2M与物联网关系
8.1.1M2M概述
物联网中最核心部分就是机器设备间的互联互通,也就是M2M。
2009年初,IBM提出了智慧地球,将地球上各种设备联网,将数据汇集到后台系统实现智能管理。
同年8月份,温家宝总理在江苏无锡指出大力发展智能信息化建设(即“感知中国”),物联网推进工作逐步展开。
8.1.2M2M系统架构和通信协议
8.1.2.1M2M系统架构
[1]M2M系统架构图
图8.5M2M系统结构与技术体系
类似于物联网的三层体系架构,M2M系统架构也分为应用层、网络传输层和设备终端层,如图8.5所示。
应用层提供各种平台和用户界面以及数据的存储,并通过中间件与网络传输层相连,通过无线网络传输数据到终端。
当机器设备有通信需求时,会通过通信模块和外部硬件发送数据信号,通过通信网络传输到相应的M2M网关,然后进行业务分析和处理,最终到达用户界面,人们可以对数据进行读取,也可以远程操控机器设备。
应用层的业务服务器也可以实现机器之间的互相通信来完成总体的任务。
(1)应用层
应用层包括中间件、业务分析、数据存储和用户界面等几部分。
其中数据存储用来临时或者永久存储应用系统内部的数据,业务分析面向数据和应用,提供信息处理和决策,用户界面提供用户远程监测和管理的界面。
中间件包括M2M网关和数据收集/集成部件两部分。
网关是M2M系统中的“翻译员”,它获取来自通信网络的数据,将数据传送给信息系统。
主要的功能是完成不同通信协议之间的转换。
数据收集/集成部件是为了将数据变成有价值的信息,对原始数据进行不同加工处理,并将结果呈献给需要这些信息的观察者和决策者。
(2)网络传输层
网络传输层即用来传输数据的通信网络。
从技术上来分,通信网络包括:
广域网(无线移动通信网络、卫星通信网络、Internet、公众电话网)、局域网(以太网、WLAN、Blue-tooth)、个域网(ZigBee、传感器网络)等。
(3)设备终端层
设备终端层包括通信模块以及硬件系统等。
通信模块产品按照通信标准可划分为移动通信模块、ZigBee模块、WLAN模块、RFID模块、蓝牙模块、GPS模块和网络模块等,硬件系统包括从传感器收集数据的I/O端口、协议转换接口、控制终端、传感器,以及调制解调器、天线、线缆等部件。
设备终端层的作用是通过无线通信技术发送机器设备的数据到通信网络,最终传送给服务器和用户。
而用户也可以通过通信网络传送控制指令到目标通信终端,然后通过控制系统对设备进行远程控制和操作,从而形成一个闭环。
[2]典型M2M业务体系
图8.6移动物联网业务体系结构
典型的M2M业务体系主要由M2M终端、M2M平台、M2M应用业务平台、短信网关、USSDC、GGSN、BOSS、行业终端监控平台和网管系统组成,如图8.6所示。
(1)M2M终端:
M2M终端基于WMMP协议并具有接收远程M2M平台激活指令、本地故障告警、数据通信、远程升级、数据统计以及端到端的通信交互等功能。
(2)M2M平台:
为M2M应用服务客户提供统一的M2M终端管理和终端设备鉴权,并对目前短信网关尚未实现的接入方式进行鉴权。
支持多种网络接入方式,提供标准化的接口使得数据传输简单直接,提供数据路由、监控、用户鉴权和计费等管理功能。
(3)M2M应用业务平台:
为提供各类M2M应用服务业务,由多个M2M应用业务平台构成,主要包括个人、家庭、行业三大类M2M应用业务平台。
(4)短信网关:
包括行业应用网关和移动网络网关组成,与短信中心连接,提供通信能力,负责短信通信过程中的业务鉴权。
短信网关产生短信等通信原始使用话单,送给BOSS计费。
(5)USSDC(非结构化补充数据业务):
负责建立M2M终端与M2M平台的USSD通信。
(6)GGSN(网关GPRS支持节点):
负责建立M2M终端与M2M平台的GPRS通信,提供数据路由、地址分配及必要的网间安全机制。
(7)BOSS(业务运营支撑系统):
与短信网关和M2M平台相连,完成客户管理、业务受理、计费结算和收费功能。
对EC/SI提供的业务进行数据配置和管理,支持签约关系受理功能,支持通过HTTP/FTP接口与行业网关、M2M平台、EC/SI进行签约关系以及黑白名单等同步功能。
(8)行业终端监控平台:
M2M平台提供FTP目录,将每月统计文件存放在FTP目录,供行业终端监控平台下载,以同步M2M平台的终端管理数据。
(9)网管系统:
网管系统与平台网络管理模块通信,完成配置管理、性能管理、故障管理、安全管理及系统自身管理等功能。
8.1.2.2WMMP通信协议
[1]WMMP协议背景
在WMMP协议提出之前,M2M技术通常采用两种方式实现:
①两台具有GPRS功能的M2M终端直接通讯,双方通过无线方式接入核心网后进行连续通讯;②将一台GPRS终端作为M2M终端,将一台电脑作为服务器放在Internet上作为M2M应用,终端通过无线方式进行通讯。
对于第一种方式,整个系统过于简单,只要终端数量增加,相互间的逻辑关系就会复杂到无法有条理的区分;对于第二种方式,则受到无线网内互联相关法规的约束而发展缓慢。
此外终端合法性、终端通讯异常处理、终端上报数据统计、终端与服务器之间通讯协议也是当时M2M技术中难以解决的问题。
[2]WMMP协议概述
WMMP(WirelessM2MProtocol)协议是为实现M2M业务中M2M终端与平台以及应用平台三者相互之间数据通信过程而设计的应用层协议,其体系如图8.7所示。
WMMP协议为M2M架构中的协议泛称,M2M终端和平台接口协议完成M2M平台与M2M终端之间的数据通信,以及终端之间借助M2M平台转发、路由所实现的端到端数据通信,是WMMP协议体系中最重要的部分。
图8.7WMMP体系
(WMMP-A:
M2M应用接口协议WMMP-T:
M2M终端接口协议)
WMMP协议的核心是其可扩展的协议栈及报文结构,其外层是由WMMP协议核心衍生的接入方式,与通信机制和安全机制没有任何关系。
在此基础之上,由内向外依次为WMMP的M2M终端管理功能和WMMP的M2M应用扩展功能。
[3]WMMP协议栈结构
图8.8M2M终端与M2M平台之间的通信协议栈结构
WMMP协议建立在TCP/IP或UDP/IP协议、SMS和USSD之上,其协议栈结构如图8.8所示。
在网络质量欠佳的情况下,建议优先采用UDP协议。
例如在采用GPRS作为接入方式时,建议采用UDP协议作为传输层协议,这是由于GPRS网络带宽较窄,延迟较大,不适于采用TCP协议进行通信。
采用UDP方式通信,可以提高传输效率,减少数据流量,节省网络带宽资源。
UDP是无连接的、面向消息的数据传输协议,与TCP协议相比,它有两个致命的缺点:
一是没有确认机制,数据包容易丢失;二是数据包无序。
因而,M2M数据通信过程通过在UDP的上层应用层的WMMP协议实现类似TCP的包确认和重传机制,从而提高通信效率及可靠性。
根据实际经验发现,采用UDP方式传输,丢包率能控制在1%以下,能够满足M2M应用的需要。
[4]WMMP协议通信方式
WMMP协议中采用了逻辑连接的概念。
所谓逻辑连接是指M2M终端与M2M平台一次完整的报文交互过程。
M2M终端以登录请求报文向M2M平台登录,其后M2M平台鉴权成功并发送登录应答报文为开始,以通信双方一端发起退出请求,另一端发出退出应答作为结束,在逻辑连接中通信超时也视为连接结束。
在此交互过程中,通信形式可以是SMS、USSD、或基于GPRS的TCP或UDP方式,也可以是混合模式,即通信方式可在逻辑连接中切换。
但需要注意的是,对于一对请求和应答,必须在
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