物联网应用

4.3　物联网应用层技术

应用层侧重于对感知层采集数据的计算、处理和知识挖掘，从而达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。

从图4.89物联网网络架构可知，应用层包括应用基础设施／中间件和各种物联网应用。应用基础设施／中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。下面主要介绍物联网中间件和云计算技术。

图4.89　物联网网络架构

4.3.1　物联网中间件

物联网中间件是一种独立的系统软件或服务程序，中间件将许多可以公用的能力进行统一封装，提供给物联网应用使用。从本质上看，物联网中间件是物联网应用的共性需求（感知、互联互通和智能），与已存在的各种中间件及信息处理技术，包括信息感知技术、下一代网络技术、人工智能与自动化技术的聚合与技术提升。

图4.90　中间件示意图

当前，一方面，受限于底层不同的网络技术和硬件平台，物联网中间件研究主要还集中在底层的感知和互联互通方面，现实目标包括屏蔽底层硬件及网络平台差异，支持物联网应用开发、运行时共享和开放互联互通，保障物联网相关系统的可靠部署与可靠管理等内容；另一方面，当前物联网应用复杂度和规模还处于初级阶段，物联网中间件支持大规模物联网应用还存在环境复杂多变、异构物理设备、远距离多样式无线通信、大规模部署、海量数据融合、复杂事件处理、综合运维管理等诸多仍未克服的障碍。中间件示意图如图4.90所示。

下面将按物联网底层感知及互联互通和面向大规模物联网应用两方面介绍当前物联网中间件的相关研究现状：在物联网底层感知与互联互通方面，EPC、OPC中间件相关规范已经过多年的发展，相关商业产品在业界已被广泛接受和使用；WSN中间件，以及面向开放互联的OSGi中间件，正处于研究热点。在大规模物联网应用方面，面对海量数据实时处理的需求，传统面向服务的中间件技术将难以发挥作用，而事件驱动架构、复杂事件处理CEP中间件则是物联网大规模应用的核心研究内容之一。

基于目的和实现机制的不同，业内将中间件分为以下几类：

●远程过程调用中间件（Remote Procedure Call）

●面向消息的中间件（Message-Oriented Middleware）

●对象请求代理中间件（Object Request Brokers）

几类中间件可向上提供不同形式的通信服务，在这些基本的通信平台之上，可构筑各种框架，为应用程序提供不同领域内的服务，如事务处理监控器、分布数据访问、对象事务管理器等。

物联网中间件发展的3个阶段：

●应用程序中间件阶段（Application Middleware）

●架构中间件阶段（Infrastructure Middleware）

●解决方案中间件阶段（Solution Middleware）

目前，物联网中间件最主要的代表是EPC、OPC、WSN、OSGI、CEP等中间件，其他的还有嵌入式中间件、数字电视中间件、通用中间件、M2M物联网中间件等。

1.EPC中间件

EPC（Electronic Product Code）中间件扮演电子产品标签和应用程序之间的中介角色。应用程序使用EPC中间件所提供的一组通用应用程序接口，即可连到RFID读写器，读取RFID标签数据。基于此标准接口，即使存储RFID标签数据的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者读写RFID读写器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性问题。

在EPC电子标签标准化方面，美国率先成立了EPCGlobal（电子产品代码环球协会）。参加的有全球最大的零售商沃尔玛连锁集团、英国Tesco等100多家美国和欧洲的流通企业，并由美国IBM公司、微软、麻省理工学院自动化识别系统中心等信息技术企业和大学进行技术研究支持。EPCGlobal体系结构参考模型如图4.91所示。

EPCGlobal主要针对RFID编码及应用开发规范方面进行研究，其主要职责是在全球范围内对各个行业建立和维护EPC网络，保证供应链各环节信息的自动、实时识别采用全球统一标准。EPC技术规范包括标签编码规范、射频标签逻辑通信接口规范、识读器参考实现、Savant中间件规范、ONS对象名解析服务规范、PML语言等内容。其中：

①EPC标签编码规范通过统一的、规范化的编码来建立全球通用物品信息交换语言。

②EPC射频标签逻辑通信接口规范制定了EPC（Class 0-ReadOnly，Class 1-Write Once，Read Many，Class 2／3／4）标签的空中接口与交互协议。

③EPC标签识读器提供一个多频带低成本RFID标签识读器参考平台。

图4.91　EPCGlobal体系结构参考模型

④Savant中间件规范，支持灵活的物体标记语言查询，负责管理和传送产品电子标签相关数据，可对来自不同识读器发出的海量标签流或传感器数据流进行分层、模块化处理。

⑤ONS本地物体名称解析服务规范能够帮助本地服务器吸收用标签识读器侦测到的EPC标签的全球信息。

⑥物体标记语言（PML）规范，类似于XML，可广泛应用在存货跟踪、事务自动处理、供应链管理、机器操纵和物对物通讯等方面。

在国际上，目前比较知名的EPC中间件厂商有IBM、Oracle、Microsoft、SAP、Sun（Oracle）、Sybase、BEA（Oracle）等，他们的产品部分或全部遵照EPCGlobal规范实现，在稳定性、先进性、海量数据的处理能力方面都比较完善，已经得到了企业的认同，并可以和其他EPC系统进行无缝对接和集成。

2.OPC中间件

OPC（OLE for Process Control，用于过程控制的OLE）是一个面向开放工控系统的工业标准。管理这个标准的国际组织是OPC基金会，它由一些世界上占领先地位的自动化系统、仪器仪表及过程控制系统公司与微软紧密合作而建立，主要开展面向工业信息化融合方面的研究，目标是促使自动化／控制应用、现场系统／设备和商业／办公室应用之间具有更强大的互操作能力。OPC基于微软的OLE（Active X）、COM（构件对象模型）和DCOM（分布式构件对象模型）技术，包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统，现已成为工业界系统互联的缺省方案。

OPC诞生以前，硬件的驱动器和与其连接的应用程序之间的接口并没有统一的标准。例如，在工厂自动化领域，连接PLC（Programmable Logic Controller）等控制设备和SCADA／HMI软件，需要不同的网络系统构成。根据某调查结果，在控制系统软件开发的所需费用中，各种各样机器的应用程序设计占费用的7成，而开发机器设备间的连接接口则占了3成。此外，过程自动化领域，当希望把分布式控制系统（DCS-Distributed Control System）中所有的过程数据传送到生产管理系统时，必须按照各个供应厂商的各个机种开发特定的接口花费大量时间。

OPC的诞生，为不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口提供了标准化，使得相互间的数据交换更加简单化。作为结果，可以向用户提供不依靠于特定开发语言和开发环境就能自由组合使用的过程控制软件组件产品。

OPC是连接数据源（OPC服务器）和数据使用者（OPC应用程序）之间的软件接口标准。数据源可以是PLC、DCS、条形码读取器等控制设备。随控制系统构成的不同，作为数据源的OPC服务器即可以是和OPC应用程序在同一台计算机上运行的本地OPC服务器，也可以是在另外的计算机上运行的远程OPC服务器。

如图4.92所示，OPC接口是适用于很多系统的具有高厚度柔软性的接口标准。OPC接口既可以适用于通过网络把最下层的控制设备的原始数据提供给作为数据使用者（OPC应用程序）的HMI（硬件监控接口）／SCADA、批处理等自动化程序，以至更上层的历史数据库等应用程序，也可以适用于应用程序和物理设备的直接连接。

图4.92　OPC客户机／服务器运行关系示意图

OPC统一架构（OPC Unified Architecture）是OPC基金会最新发布的数据通信统一方法，它克服了OPC之前不够灵活、平台局限等问题，涵盖了OPC实时数据访问规范（OPC DA）、OPC历史数据访问规范（OPCHDA）、OPC报警事件访问规范（OPC A＆E）和OPC安全协议（OPC Security）的不同方面，使数据采集、信息模型化以及工厂底层与企业层面之间的通讯更加安全、可靠。其架构如图4.93所示。

3.WSN中间件

无线传感器网络不同于传统网络，具有自己独特的特征，如有限的能量、通信带宽、处理和存储能力、动态变化的拓扑、节点异构等。在这种动态、复杂的分布式环境上构建应用程序并非易事。相比RFID和OPC中间件产品的成熟度和业界的广泛应用程度，WSN中间件还处于初级研究阶段，所需解决的问题也更为复杂。

WSN中间件主要用于支持基于无线传感器应用的开发、维护、部署和执行，其中包括复杂高级感知任务的描述机制，传感器网络通信机制，传感器节点之间的协调以便在各传感器节点上分配和调度某任务，对合并的传感器感知数据进行数据融合以得到高级结果，并将所得结果向该任务指派者进行汇报等机制。

图4.93　OPC开放分层式统一架构

针对上述目标，目前的WSN中间件研究提出了诸如分布式数据库、虚拟共享元组空间、事件驱动、服务发现与调用、移动代理等许多不同的设计方法。

（1）分布式数据库

基于分布式数据库设计的WSN中间件把整个WSN网络看成一个分布式数据库，用户使用类SQL的查询命令以获取所需的数据。查询通过网络分发到各个节点，节点判定感知数据是否满足查询条件，决定数据的发送与否。典型实现如Cougar，TinyDB，SINA等。分布式数据库方法把整个网络抽象为一个虚拟实体，屏蔽了系统分布式问题，使开发人员摆脱了对底层问题的关注和烦琐的单节点开发。然而，建立和维护一个全局节点和网络抽象需要整个网络信息，这也限制了此类系统的扩展。

（2）虚拟共享元组空间

所谓虚拟共享元组空间就是分布式应用利用一个共享存储模型，通过对元组的读、写和移动以实现协同。在虚拟共享元组空间中，数据被表示为称为元组的基本数据结构，所有的数据操作与查询看上去像是本地查询和操作一样。虚拟共享元组空间通信范式在时空上都是去耦的，不需要节点的位置或标志信息，非常适合具有移动特性的WSN，并具有很好的扩展性。但它的实现对系统资源要求也相对较高，与分布式数据库类似，考虑到资源和移动性等的约束，把传感器网络中所有连接的传感器节点映射为一个分布式共享元组空间并非易事。典型实现包括TinyLime、Agilla等。

（3）事件驱动

基于事件驱动的WSN中间件支持应用程序指定感兴趣的某种特定的状态变化。当传感器节点检测到相应事件的发生就立即向相应程序发送通知。应用程序也可指定一个复合事件，只有发生的事件匹配了此复合事件模式才通知应用程序。这种基于事件通知的通信模式，通常采用Pub／Sub机制，可提供异步的、多对多的通信模型，非常适合大规模的WSN应用，典型实现包括DSWare、Mires、Impala等。尽管基于事件的范式具有许多优点，然而在约束环境下的事件检测及复合事件检测对于WSN仍面临许多挑战，事件检测的时效性、可靠性及移动性支持等仍值得进一步的研究。

（4）服务发现

基于服务发现机制的WSN中间件，可使得上层应用通过使用服务发现协议，来定位可满足物联网应用数据需求的传感器节点。例如，MiLAN中间件可由应用根据自身的传感器数据类型需求，设定传感器数据类型、状态、QoS以及数据子集等信息描述，通过服务发现中间件在传感器网络中的任意传感器节点上进行匹配，寻找满足上层应用的传感器数据。MiLAN甚至可为上层应用提供虚拟传感器功能，例如通过对两个或多个传感器数据进行融合，以提高传感器数据质量等。由于MiLAN采用传统的SDP、SLP等服务发现协议，这对资源受限的WSN网络类型来说具有一定的局限性。

（5）移动代理

移动代理（或移动代码）可以被动态注入并运行在传感器网络中。这些可移动代码可以收集本地的传感器数据，然后自动迁移或将自身拷贝至其他传感器节点上运行，并能够与其他远程移动代理（包括自身拷贝）进行通信。SensorWare是此类中间件的典型，基于TCL动态过程调用脚本语言实现。

除上述提到的WSN中间件类型外，还有许多针对WSN特点而设计的其他方法。另外，在无线传感器网络环境中，WSN中间件和传感器节点硬件平台（如ARM、Atmel等）、适用操作系统（TinyOS、ucLinux、Contiki OS、Mantis OS、SOS、MagnetOS、SenOS、PEEROS、AmbitentRT、Bertha等）、无线网络协议栈（包括链路、路由、转发、节能）、节点资源管理（时间同步、定位、电源消耗）等功能联系紧密，但由于篇幅关系，本文对上述内容不做赘述。

4.OSGi中间件

OSGi（Open Services Gateway initiative）是一个1999年成立的开放标准联盟，旨在建立一个开放的服务规范，一方面，通过网络向设备提供服务建立开放的标准，另一方面，为各种嵌入式设备提供通用的软件运行平台，以屏蔽设备操作系统与硬件的区别。OSGi规范基于Java技术，可为设备的网络服务定义一个标准的、面向组件的计算环境，并提供已开发的诸如Http服务器、配置、日志、安全、用户管理、XML等很多公共功能标准组件。OSGi组件可以在无须网络设备重启下被设备动态加载或移除，以满足不同应用的不同需求。

OSGi规范的核心组件是OSGi框架，如图4.94所示，该框架为应用组件（bundle）提供了一个标准运行环境，包括允许不同的应用组件共享同一个Java虚拟机，管理应用组件的生命期（动态加载、卸载、更新、启动、停止等）、Java安装包、安全、应用间依赖关系、服务注册与动态协作机制、事件通知和策略管理的功能。

基于OSGi的物联网中间件技术早已被广泛应用到手机和智能M2M终端上，在汽车业（汽车中的嵌入式系统）、工业自动化、智能楼宇、网格计算、云计算、各种机顶盒、Telem-atics等领域都有广泛应用。有业界人士认为，OSGi是“万能中间件”（Universal Middleware），可以毫不夸张地说，OSGi中间件平台一定会在物联网产业发展过程中大有作为。

图4.94　OSGi框架及组件运行环境

5.CEP中间件

复杂事件处理（Complex Event Progressing，CEP）技术是20世纪90年代中期由斯坦福大学的David Luckham教授提出的一种新兴的基于事件流的技术，它将系统数据看作不同类型的事件，通过分析事件间的关系如：成员关系、时间关系、因果关系、包含关系等，建立不同的事件关系序列库，即规则库，利用过滤、关联、聚合等技术，最终由简单事件产生高级事件或商业流程。不同的应用系统可以通过它得到不同的高级事件。

复杂事件处理技术可以实现从系统中获取大量信息，进行过滤组合，继而判断推理决策的过程。这些信息统称事件，复杂事件处理工具提供规则引擎和持续查询语言技术来处理这些事件。同时工具还提供从各种异构系统中获取这些事件的能力。获取的手段可以是从目标系统中去取，也可以是已有系统把事件推送给复杂事件处理工具。

物联网应用的一大特点，就是对海量传感器数据或事件的实时处理。当为数众多的传感器节点产生出大量事件时，必定会让整个系统效能有所延迟。如何有效管理这些事件，以便能更有效的快速回应，已成为物联网应用急需解决的重要议题。

由于面向服务的中间件架构无法满足物联网的海量数据及实时事件处理需求，物联网应用服务流程开始向以事件为基础的EDA架构（Event-Driven Architecture）演进。物联网应用采用事件驱动架构的主要目的是使得物联网应用系统能针对海量传感器事件，在很短的时间内立即作出反应。事件驱动架构不仅可以依数据／事件发送端决定目的，更可以动态依据事件内容决定后续流程。

复杂事件处理代表一个新的开发理念和架构，具有很多特征，例如分析计算是基于数据流而不是简单数据的方式进行的。它不是数据库技术层面的突破，而是整个方法论的突破。目前，复杂事件处理中间件主要面向金融、监控等领域，包括IBM流计算中间件InfoSphere Streams（见图4.95），以及Sybase、Tibico等的相关产品。

6.其他相关中间件

物联网提出的任何时刻、任何地点、任意物体之间的互联（Any Time、Any Place、Any Things Connection），无所不在的网络（Ubiquitous Networks）和无处不在的计算的发展愿景，在某种程度上，与普适计算的核心思想是一致的。普适计算（Ubiquitous Computing或Pervasive Computing），又称普存计算、普及计算，是一个强调和环境融为一体的计算概念，而计算机本身则从人们的视线里消失。在普适计算的模式下，人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。有关普适计算中间件及物联网应用方面的研究内容，可参阅其他相关文献，本文不再赘述。

图4.95　IBM流计算中间件与标准数据库处理流程对比

另外，由于行业应用的不同，即使是RFID应用，也可能因其应用在商场、物流、健康医疗、食品回溯等不同领域，而具有不同的应用架构和信息处理模型。针对智能电网、智能交通、智能物流、智能安防、军事应用等领域的物联网中间件，也是当前物联网中间件研究的热点内容。由于篇幅关系，上述相关研究内容，本文也不再赘述。

物联网应用需求对现有中间件带来了巨大的挑战，这主要体现在物联网资源环境受限、系统规模庞大、设备异构及网络动态性、数据过滤与整合、系统安全等方面。

随着技术的深入研究，未来的物联网中间件必将能够以更有效的机制支持传感器节点的低功耗通信并延长传感器节点的寿命，能够支持在网络动态变化情况下维持整个系统的性能和健壮性，能够屏蔽各种异构硬件、软件、网络带来的差异，能够在可靠性、能量消耗以及系统响应速度之间进行有效折中，能够支持物联网服务的动态发现以及动态定位，能够对海量数据进行数据融合并剔除冗余数据，能够在面向领域的特性需求与中间件共性服务之间实现平衡，并能应对越来越多的安全方面的挑战！

4.3.2　云计算

1.云计算的概念

云计算的概念是由Google提出的一种网络应用模式。关于云计算概念的发展可以分为3个阶段，如图4.96所示。

狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源。广义云计算是指服务的交付和使用模式，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务，它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效。

图4.96　云计算概念演进

云计算是并行计算（Parallel Computing）、分布式计算（Distributed Computing）和网格计算（Grid Computing）的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。云计算是虚拟化（Virtualization）、效用计算（Utility Computing）、IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）、SaaS（软件即服务）等概念混合演进并跃升的结果。

由于云计算尚处于发展过程当中，对于云计算的理解也是千差万别，可以从以下4个角度进行理解：规模化、自助化、精细化和专业化角度，如图4.97所示。

图4.97　云计算的理解

总的来说，云计算可以算是网格计算的一个商业演化版。我国刘鹏教授早在2002年就针对传统网格计算思路存在不实用问题，提出计算池的概念：“把分散在各地的高性能计算机用高速网络连接起来，用专门设计的中间件软件有机地粘合在一起，以Web界面接受各地科学工作者提出的计算请求，并将之分配到合适的结点上运行。计算池能大大提高资源的服务质量和利用率，同时避免跨结点划分应用程序所带来的低效性和复杂性，能够在目前条件下达到实用化要求。”这个理念与当前的云计算非常接近。读者也可在网络上查看刘鹏教授的相关文章。

2.云计算的特点

（1）超大规模

“云”具有相当的规模，Google云计算已经拥有100多万台服务器，Amazon、IBM、微软、Yahoo等的“云”均拥有几十万台服务器。企业私有云一般拥有数百上千台服务器。“云”能赋予用户前所未有的计算能力。

图4.98（a）所示为Google公司位于比利时的圣吉兰（Saint Ghislain）数据中心，它完全依靠数据中心外面的空气来冷却系统。图4.98（b）所示为Google公司的Dalles数据中心，位于俄勒冈州的哥伦比亚河旁，河上的Dalles大坝为数据中心提供电力。Google数据中心以集装箱为单位，每个集装箱有1 160台服务器，每个数据中心有众多集装箱。Google一次搜索查询的能耗能点亮100瓦的灯泡11 s钟。

图4.98　Google云计算数据中心

（2）虚拟化

云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务，图4.99为云计算架构。用户应用所请求的资源来自“云”，而不是固定的有形的实体。应用在“云”中某处运行，但实际上用户无须了解，也不用担心应用运行的具体位置。只需要一台笔记本或者一个手机，就可以通过网络服务来实现我们需要的一切，甚至包括超级计算这样的任务。

图4.99　云计算架构

（3）高可靠性

“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机可靠。

（4）通用性

云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一个“云”可以同时支撑不同的应用运行。

（5）高扩展性

“云”的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。

（6）按需服务

“云”是一个庞大的资源池，用户可按需购买，云可以像自来水、电、煤气那样计费。

（7）极其廉价

由于“云”的特殊容错措施可以采用极其廉价的节点来构成云，“云”的自动化集中式管理使大量企业无须负担日益高昂的数据中心管理成本，“云”的通用性使资源利用率较之传统系统大幅提升，因此用户可以充分享受“云”的低成本优势，只要花费几百美元、几天时间就能完成以前需要数万美元、数月时间才能完成的任务。

（8）潜在的危险性

云计算服务除了提供计算服务外，还必然提供了存储服务。但是云计算服务当前垄断在私人机构（企业）手中，而他们仅仅能够提供商业信用。一旦商业用户大规模使用私人机构提供的云计算服务，无论其技术优势有多强，都不可避免地让这些私人机构以“数据（信息）”的重要性挟制整个社会。对于信息社会而言，“信息安全性”是至关重要的。另一方面，云计算中的数据对于数据所有者以外的其他云计算用户是保密的，但是对于提供云计算的商业机构而言却是毫无秘密可言。这就像常人不能监听别人的电话，但是在电讯公司内部，他们可以随时监听任何电话。所有这些潜在的危险，是商业机构和政府机构选择云计算服务，特别是国外机构提供的云计算服务时，不得不考虑的一个重要前提。

3.云计算的服务类型

云计算作为一种新的服务模式。按服务类型大致可分为以下3种：

（1）将基础设施作为服务（Infrastructure as a Service，IaaS）

消费者通过Internet可以从完善的计算机基础设施获得服务。目前，只有世纪互联集团旗下的云快线公司号称要开拓新的IT基础设施业务，但究其本质，它只能实现主机托管业务的延伸，很难与亚马逊等企业相媲美。

（2）将软件作为服务（Software as a service，SaaS）

SaaS：软件即服务。它是一种通过Internet提供软件的模式，用户无须购买软件，而是向提供商租用基于Web的软件，来管理企业经营活动。相对于传统的软件，SaaS解决方案有明显的优势，包括较低的前期成本，便于维护，快速展开使用等。比如红麦软件的舆情监测系统。

（3）将平台作为服务（Platform as a service，PaaS）

PaaS实际上是指将软件研发的平台作为一种服务，以SaaS的模式提交给用户。因此，PaaS也是SaaS模式的一种应用。但是，PaaS的出现可以加快SaaS的发展，尤其是加快SaaS应用的开发速度。但是纵观国内市场，只有“八百客”公司拥有PaaS平台技术。可见，PaaS还是存在一定的技术门槛，国内大多数公司还没有此技术实力。

3种格式的“云”，每一种都有着不同的利益和风险。“基础设施作为服务”（IaaS），提供按需使用的虚拟服务器，例如Amazon的EC2；软件作为服务（SaaS），例如Salesforce com的CRM软件；Web服务或称“平台作为服务”（PaaS），提供API或开发平台供客户在云中创建自己的应用。选择运行哪类应用，生成何种数据，都会对用户是否以及怎样采用云计算产生完全不同的结果。

4.云计算的应用

（1）国外云计算的应用

①亚马逊

亚马逊的云名为亚马逊网络服务（Amazon WebServices，AWS），目前主要由4块核心服务组成：简单存储服务（Simple StorageService，S3）、弹性计算云（ElastiC Compute Cloud，EC2）、简单排列服务（Simple QueuingService）以及尚处于测试阶段的SimpleDB。换句话说，亚马逊现在提供的是可以通过网络访问的存储、计算机处理、信息排队和数据库管理系统接入式服务，亚马逊的云计算结构如图4.100所示。

图4.100　亚马逊云计算

②谷歌公司（Google）

Google搜索引擎建立在分布于200多个地点、超过100万台服务器的支撑之上。

围绕因特网搜索创建了一种超动力商业模式。如今，他们又以应用托管、企业搜索以及其他更多形式向企业开放了他们的“云”。

2008年4月，谷歌推出了谷歌应用软件引擎（Google AppEngine，GAE），这种服务让开发人员可以编译基于Python的应用程序，并可免费使用谷歌的基础设施来进行托管（最高存储空间达500 MB）。对于超过此上限的存储空间，谷歌按“每CPU内核每小时”10～12美分及1 GB空间15～18美分的标准进行收费。最近，谷歌还公布了提供可由企业自定义的托管企业搜索服务计划。

谷歌云计算三大法宝：

●Google File System文件系统

GFS是一个可扩展的分布式文件系统，用于大型的、分布式的、对大量数据进行访问的应用。集群中的节点失效是一种常态，不是一种异常，GFS将其作为常见的情况加以处理。

Google文件系统中的文件读写模式和传统的文件系统不同。大部分文件的更新是通过添加新数据完成的，而不是改变已存在的数据，在一个文件中随机的操作在实践中几乎不存在，一旦写完，文件就只可读，很多数据都有这些特性。

一个GFS集群包含一个主服务器和多个块服务器，被多个客户端访问。大文件被分割成固定尺寸的块，在每个块创建的时候，服务器分配给它一个不变的、全球唯一的64位块句柄对它进行标识。

通过服务器端和客户端联合设计的GFS客户端代码被嵌入到每个程序里，它实现了Google文件系统API，帮助应用程序与主服务器和块服务器通信，以及对数据的读写。客户端跟主服务器交互进行元数据操作，但是所有的数据操作通信都是直接和块服务器进行。GFS对应用支持达到性能与可用性最优，谷歌GFS文件系统结构如图4.101所示。

图4.101　谷歌GFS文件系统

●MapReduce分布式编程环境

MapReduce是Google实现的一套大规模数据处理的编程规范Map／Reduce系统，用于大规模数据集（大于1 TB）的并行运算。Map／Reduce通过“Map（映射）”和“Reduce（化简）”这样两个简单的概念来参加运算，用户只需要提供自己的Map函数以及Reduce函数就可以在集群上进行大规模的分布式数据处理。程序编写人员能够不用去顾虑集群的可靠性、可扩展性等问题。

●BigTable分布式大规模数据库管理系统

构建于上述两项基础之上的第三个云计算平台就是将数据库系统扩展到分布式平台上的BigTable系统。BigTable使用结构化的文件来存储数据。它不是一个关系型的数据库，它不支持关联或是类似于SQL的高级查询，取而代之的是多级映射的数据结构。

除以上3大应用，谷歌还建立了分布式程序的调度器、分布式的锁服务等一系列相关的云计算服务平台。Google在其云计算基础设施之上建立了一系列新型网络应用程序。其中典型的Google云计算应用程序就是Google推出的Docs网络服务程序。Docs可通过浏览器的方式访问远端大规模的存储与计算服务。Google Docs是一个基于Web的工具，有简单易用的文档权限管理，记录所有用户对文档所做的修改。Google Docs的这些功能令它非常适用于网上共享与协作编辑文档，能够替代Micro Office相应的部分功能，如图4.102所示。

图4.102　谷歌文档首页

③Salesforce

Salesforce是软件即服务厂商的先驱，它一开始提供的是可通过网络访问的销售力量自动化应用软件。在该公司的带动下，其他软件即服务厂商已如雨后春笋般蓬勃而起。Salesforce的下一目标是：平台即服务。

该公司正在建造自己的网络应用软件平台“shijiexuexi”，这一平台可作为其他企业自身软件服务的基础。shijiexuexi包括关系数据库、用户界面选项、企业逻辑以及一个名为Apex的集成开发环境。程序员可以在平台的Sandbox上对他们利用Apex开发出的应用软件进行测试，然后在Salesforce的AppExchange目录上提交完成后的代码。

④微软公司

根据有些厂商的预想，未来绝大部分的IT资源都将来自云计算，但微软却并不这么认为。2010年初，微软首席软件架构师（CSA）雷·奥兹（RayOzzie）曾表示，微软的宏伟计划是“提供均衡搭配的企业级软件、合作伙伴托管服务以及云服务”。简而言之，微软将其称为“软件加服务”（Software Plus Services）。微软推出的软件即服务产品包括Dynamics CRM Online、Exchange Online、OfficeCommunications Online以及SharePoint Online。每种产品都具有多客户共享版本，其主要服务对象是中小型企业。单客户版本的授权费用在5 000美元以上。针对普通用户，微软的在线服务还包括Windows Live、Office Live和Xbox Live等。

Windows Azure是微软基于云计算的操作系统，提供了“软件 服务”的计算方法，用于帮助开发者开发可以跨越云端和专业数据中心的下一代应用程序，如图4.103所示。

图4.103　微软Windows.Azure云

●Windows Azure用于服务托管，以及可扩展的存储、计算和网络的管理。

●Microsoft SQL Services可以扩展Microsoft SQL Server应用到云中的能力。

●Microsoft NET Services可以便捷地创建基于云的松耦合的应用程序。另外还包含访问控制机制，可以保卫用户的程序安全。

●Live Services提供了一种一致性的方法处理用户数据和程序资源，使得用户可以在PC、手机、PC应用程序和Web网站上存储、共享、同步文档、照片、文件以及其他信息。

●Microsoft SharePoint Services和MicrosoftDynamics CRM Services，用于在云端提供针对业务内容、协作和快速开发的服务，建立更强的客户关系。

（2）国内云计算应用

①百会移动办公

百会CRM是一个全球领先的企业级客户关系管理整体解决方案，围绕客户全生命周期，将市场活动、线索、商机、销售跟踪和预测有机整合。

百会办公门户是集成企业邮箱、企业即时通讯、企业网盘、群组、日历、企业知识库及内部论坛等多种应用的企业办公平台。

百会云邮箱是企业即时通讯、文档协作和企业邮箱的完美结合，云端收发共享，多终端邮件同步的最佳方式。

百会文件是国内目前唯一集成Office的企业网盘，独创技术实现多人、异地、实时、协作编辑同一个文档的协作平台。

百会快OA是具备超强的快速定制能力，基于全球知名的云开发平台——百会创造者和云商业智能报表系统 百会报表，可为中小企业灵活多变的管理需求提供量身定制的、高性价比的解决方案。

百会创造者是一个提供了应用快速在线开发和运行环境的云开发平台。无须服务器和编程基础，即可快速开发各种企业在线应用。

百会Office，它不仅具备传统Office的基本功能，还开创性的将常用办公工具与数据存储、协作办公、云计算进行无缝整合，打破了传统Office的局限，使办公更为方便、快捷！

②易度云办公平台提供文件和项目管理

易度云办公平台，如图4.104所示，典型应用：文档管理、项目管理和云办公服务。以文档管理为例，能够实现以下功能：TB级海量文档集中安全存储；100多种文档在线查看；强大的文档搜索功能；精细的文档权限控制；文档审核、变更流程的控制。

图4.104　易度云办公文档管理

③中国云计算计划

“十二五”规划纲要及《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，均把“云计算”作为新一代信息技术产业的重要部分来强调。图4.105为中国各地的云计算计划。

图4.105　中国云计算计划

4.3.3　物联网应用

物联网应用就是用户直接使用的各种应用，如智能操控、安防、电力抄表、远程医疗、智能农业等，物联网在各行业的典型应用如图4.106所示。

图4.106　物联网在备行业的应用

物联网在上海等大城市已实现规模发展，据统计在上海一地用户数已超过35万，涵盖了金融、电力、交通、制造等各个行业，具体应用包括远程智能无线抄表、无线POS机、手机支付、车辆监控与调度、无线视频监控、警务监控等多种应用。

1.世博车务通

世博车务通通过对车辆加装监控终端，对车辆进行定位和扫描，实现准确路况信息通报、车辆跟踪定位、运输路径的选择、物流网络的设计与优化，如图4.107所示。

●人车监控调度：显示终端列表、获取位置信息（包括经纬度、方向、速度、里程、状态等）等。

●车辆状态报警：可以灵活设置超速报警、区域报警（在电子地图上选定区域，当车辆进出该区域时发出报警）、疲劳驾驶报警、语音呼叫功能。

●数据统计分折：提供车辆统计报表（包括车牌号码、终端号码、接收／发送消息数、成功定位数、日期、账号）的管理功能。

●成功案例：世博园区管理单位所有车辆开通该应用；上海移动目前已将超过10万个芯片装载在出租车、公交车上。

2.世博手机票

以手机作为电子化票务信息的载体，通过手机终端的用户界面、无线通信技术以及非接触通信技术实现手机票的选票、购买等功能。

●手机票务：世博手机票突破性地实现了用户使用手机就能在世博期间享受“一机在手，购票无忧，园区畅游”的优质服务，充分体现了绿色环保的无纸化发行理念，有效地降低制票、物流配送、仓储、销售的成本。

图4.107　世博车务通

●方便使用：用户通过手机购票、手机刷卡入园，方便、环保。

●票务防伪：可通过电子票务的检测，避免纸质票务使用中伪造票的情况。

●成功案例：世博门票可以通过手机实现票务功能，如图4.108所示。

图4.108　世博手机票

3.移动支付

为手机用户提供小额移动支付功能，用户只要通过手机就可以在商场、便利店、食堂或乘坐公交时进行支付，图4.109为手机支付示意图。

●RFID与SIM卡结合：通过使用更换了RFID-SIM卡的手机，用户可以在专用POS机上进行非接触式刷卡，实现在商场、便利店、食堂或乘坐地铁时进行支付。

●使用便捷：只要使用手机便可以随意支付，对于消费者和商户都非常方便。

●管理方便：可以基于统一的支付管理平台方便地进行管理。

●成功案例：上海市多家餐饮店及上海轨道交通，都已可以通过手机实现支付功能。

图4.109　手机支付

物联网的应用属于物联网应用层，是物联网应用技术专业学习了解的一个重点。由于后续章节将详细介绍物联网相关应用实例，在此就不再举例进行说明。

技能练习

1.使用百度云盘。百度网盘是百度推出的一项云存储服务，首次注册即有机会获得15 GB的空间，目前有Web版、Windows客户端、Android手机客户端，用户可以轻松地把自己的文件上传到网盘上，并可以跨终端随时随地查看和分享。百度云盘的安装过程比较简单，使用默认安装即可，安装完成即可登录（需要百度账号和密码）。

2.撰写物联网技术总结。结合书本和因特网上物联网相关技术资料，撰写1篇200字左右的物联网技术发展概述。简单介绍物联网的产生、发展，重点介绍物联网感知层、传输层和应用层的主要技术（可以用图形辅助描述）。

本章小结

通过本章的学习，初步理解物联网的三层结构，并对感知层的自动识别技术、RFID射频识别技术、传感器技术和定位技术；传输层的有线、无线传输技术；应用层的中间件、云计算等主要技术的概念、基本原理和简单应用有初步了解，为后续课程如传感器技术、RFID技术、无线传感网技术、物联网通信技术和应用技术的学习打下良好的基础。此外，通过这些内容的学习，读者对于物联网专业要学习什么、毕业后可以从事哪些方面的工作也应该有所了解。物联网产业涉及方方面面，需要读者掌握现有技术，并根据全球、国家、地方经济发展的需要进行创新，才能在将来真正实现物联网的各项目标。

自测题

一、不定项选择题

1.在以太网中采用下列哪一种网络技术？（　　）

A.FDDI　　　　　

B.CSMA／CD　　　　

C.MAC　　　　　

D.ATM

2.如果已经为办公室的每台作为网络工作站的计算机配置了网卡、双绞线、RJ45接插件、交换机，那么要组建这个小型局域网时至少还必须配置哪一项？（　　）

A.一套局域网操作系统软件　　

B.路由器

C.一台作为服务器的高档PC　　

D.调制解调器

3.要在以太网内传输消息，需要哪两种地址？（　　）

A.MAC地址和NIC地址　　

B.MAC地址和IP地址

C.协议地址和物理设备名　

D.逻辑设备名和IP地址

4.IP地址205.140 36 86的（　　）部分表示主机号。

A.205　　

B.205.140　

C.36 86　

D.86

5.可使用哪个Windows命令来显示计算机的IP地址和MAC地址？（　　）

A.ipconfig　

B.ipconfig／all　

C.tcpconfig／all　　

D.ipconfig／new

6.ADSL的中文意思是（　　）。

A.调制解调器　　

B.交换机

C.路由器　　

D.非对称数字用户线路

7.目前校园网中主流接入Internet的方式是（　　）。

A.ADSL　

B.光纤以太网接入

C.Frame—Relay（帧中继）　

D.Cable Modem

8.（　　）标准的无线局域网传输速率为11 Mbit／s。

A.802.11　　

B.802.11 b　

C.802.11 a　

D.802.11 g

9.（　　）无线技术标准比旧无线标准的兼容性最强，且性能更高。

A.802.11　

B.802.11 b　

C.802.11 a　

D.802.11 g

10.（　　）是网络中的CSMA／CA。

A.无线技术为避免SSID重复而使用的方法

B.任何技术都可使用的、缓解过多冲突的访问方法

C.无线技术为避免冲突而使用的访问方法

D.有线以太网技术为避免冲突而使用的访问方法

11.WLAN组件中的（　　）通常被称为STA。

A.移动电话　　　　　

B.天线　　　　　　

C.接入点　　　　　

D.无线客户端

12.（　　）是条码阅读器。

A.光笔　

B.CCD阅读器

C.激光器

D.固体扫描仪

13.条码阅读器与计算机之间的接口有（　　）方式。

A.键盘　　

B.串口　

C.直接连接　

D.USB接口

14.以下哪个技术不属于自动识别技术？（　　）

A.RFID射频识别技术　　

B.无线通信技术

C.虹膜识别技术　　

D.手写识别技术

15.关于条码和RFID电子标签的区别，哪些说法是正确的？（　　）

A.RFID电子标签比条码信息量大

B.RFID电子标签和条码读取方式相同

C.RFID电子标签比条码安全

D.RFID电子标签比条码更便宜

16.RFID射频识别系统由（　　）部分组成。

A.电子标签　

B.计算机通信网络　

C.读写器　

D.传感器

17.RFID电子标签按工作频率范围可以分为哪几类？（　　）

A.低频标签：500 kHz以下　

B.中高频标签：3～30 MHz

C.特高频标签：300～3 000 MHz　

D.超高频标签：3 GHz以上

18.射频识别标签由哪几个部分组成？（　　）

A.天线　　

B.调制器

C.编码发生器　　

D.时钟及存储器

19.RFID属于物联网的（　　）。

A.感知层　

B.网络层　

C.业务层　

D.应用层

20.典型传感器由哪几个部分组成？（　　）

A.敏感元件

B.转换元件

C.传输电路

D.变换电路

21.以下传感器中哪个不是物理量传感器？（　　）

A.压力传感器　

B.位移传感器　

C.温度传感器　　

D.脉搏传感器

22.无线传感器节点由哪几个部分组成？（　　）

A.传感器模块　　

B.处理器模块

C.无线通信模块　　

D.能量供应模块

23.无线传感网络是哪些技术的综合？（　　）

A.传感器技术　

B.嵌入式系统

C.无线通信技术　　

D.信息分布处理技术

24.目前全球有哪几种卫星导航系统？（　　）

A.美国GPS　　

B.中国北斗系统

C.俄罗斯“格洛纳斯”　　

D.欧洲“伽利略”

25.ZigBee可以工作在哪3个频段上？（　　）

A.2.4 GHz　

B.868 MHz　　

C.915 MHz　　

D.16 MHz

26.以下哪些属于移动通信方式？（　　）

A.计算机通过网线上网　　

B.无线寻呼

C.陆地蜂窝移动通信　　

D.卫星移动通信

27.移动通信系统包括（　　），是一个完整的信息传输实体。

A.移动交换子系统（SS）　

B.操作维护管理子系统（OMS）

C.基站子系统（BSS）　

D.移动台（MS）

28.双向传输方式有（　　）。

A.广播方式　

B.单工方式　

C.半双工方式　

D.全双工方式

29.3G通信的3种主要技术标准是（　　）。

A.CDMA2000　

B.WCDMA　

C.TD-SCDMA　

D.TD-LTE

30.以下哪些是无线传感网的关键技术？（　　）

A.网络拓扑控制　

B.网络安全技术　

C.时间同步技术　

D.定位技术

31.下列哪项不属于无线通信技术？（　　）

A.数字化技术　　

B.点对点的通信技术

C.多媒体技术　　

D.频率复用技术

32.蓝牙的技术标准为（　　）。

A.IEEE802.15　

B.IEEE802.2

C.IEEE802.3　

D.IEEE802.16

33.M2M技术由（　　）等技术部分组成。

A.机器和M2M硬件　

B.通信网络　

C.中间件　　

D.应用

34.物联网中常提到的“M2M”概念不包括下面哪一项？（　　）

A.人到人（Man to Man）　

B.人到机器（Man to Machine）

C.机器到人（Machine to Man）　　

D.机器到机器（Machine to Machine）

35.物联网的应用层包含哪3个部分？（　　）

A.物联网中间件　　

B.云计算　

C.物联网网络　

D.物联网应用

36.云计算按服务类型有哪3种？（　　）

A.PaaS　

B.SaaS　　

C.IaaS　　

D.AWS

37.云计算（Cloud Computing）的概念是由谁提出的？（　　）

A.GOOGLE　

B.微软　

C.IBM　

D.腾讯

38.云计算最大的特征是（　　）。

A.计算量大　　

B.通过互联网进行传输

C.虚拟化　　

D.可扩展性

二、判断题

1.感知层是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体、采集信息。

（　　）

2.RFID是一种接触式的识别技术。　　（　　）

3.物联网目前的传感技术主要是RFID，植入这个芯片的产品，是可以被任何人进行感知的。　　（　　）

4.应用层相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。　（　　）

5.射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）实际上是自动识别技术（AEIAutomatic Equipment Identification）在无线电技术方面的具体应用与发展。　（　　）

6.GPS属于网络层。　　（　　）

7.2003年美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。　　（　　）

8.如何确保标签物拥有者的个人隐私不受侵犯已成为射频识别技术乃至物联网推广的关键问题。　　（　　）

9.使用不停车收费系统不需要安装感应卡。　　（　　）

10.云计算是把“云”作为资料存储以及应用服务的中心的一种计算。　　（　　）

11.在威易智能家居系统中用户只能通过智能手机和电脑对家中的设备进行远程控制与管理。　　（　　）

12.智能生态鱼缸（生态水族箱）不仅具备优美的装饰效果，同时还具备过滤净化空气、调节室内空气湿度等功能。　　（　　）

三、简答题

1.按数据流向及处理方式可以将物联网分为哪三个层次？每个层次完成哪些功能？

2.什么是自动识别技术？举出3种自动识别技术。

3.什么是RFID识别技术？举出3种以上应用。

4.什么是传感器？典型传感器由哪几个部分组成？

5.数字化传感器有何特点？简要叙述数字化传感器的结构。

6.什么是无线传感器网络？无线传感网络有何特点？有哪些关键技术？

7.物联网有哪些常用的定位技术？

8.短距离无线通信技术有哪几种？

9.简要说明移动通信系统使用工作频段？

10.简要说明3G通信技术特点。

11.例举出3种以上常用的现场总线。

12.M2M系统由哪5个重要技术部分组成？

13.什么是云计算？简要叙述云计算的特点。

14.例举出3种以上物联网的应用。