认知计算与深度学习 基于物联网云平台的智能应用 第3章 物联网的传感、移动和认知

物联网简介 物联网（IoT）是一个由一系列相连的传感器、执行器、移动电话、机器人和智能设备组成的动态信息网络。现如今物联网已经成为互联网不可分割的一部分。在下一代互联网的升级浪潮中，大大小小的物联网平台正逐渐出现在公众的视线中。本章介绍了这些物联网平台的固有属性以及具有机器智能的认知设备。同时，我们也介绍了RFID射频技术，物联网感知技术、无线网络技术、全球定位技术、移动云平台、定位传感系统以及认知设备。本章还着重讨论了用于物联网感知和认知计算的尖端技术与系统架构。

目录 1 2 3 4 5 CONTENT 物联网感知与关键技术 物联网体系结构和交互框架 射频识别技术RFID 传感器、无线传感器网络和GPS系统 5 认知计算技术与系统原型

物联网感知与关键技术 使能技术 协同技术 建立了物联网技术的基础，在使能技术中，射频识别（RFID）、传感器网络和GPS系统起着重要的作用 扮演着辅助者的角色。例如，生物统计学可以广泛的运用于统计人类、机器和实物之间的联系。人工智能、机器视觉、机器人学可以使我们的未来生活更加智能化

随着移动在线用户的增加，如何将一个移动设备高速接入互联网至关重要 物联网的四类无线技术 随着移动在线用户的增加，如何将一个移动设备高速接入互联网至关重要 网络类型 Wireless WAN WMAN WLAN WPAN 市场命名标准 GSM/GPRS、 CDMA/1XRTT WiMaX 802.15.6 Wi-Fi 802.11n ZigBee 802.15.4 Bluetooth 802.15.1 应用焦点 Wide Area Voice and Data Data, Trans. Bandwidth Web, Email, Video Monitoring & Control Cable Replace 存储 (MB) 18 + 8 + 1 + 0.004 – 0.032 0.25+ 电池 (days) 1-7 0.5-5 100-1000+ 网络大小 1 32 264 or more 7 带宽 (KBs) 64-128+ 75,000 54,000+ 20-250 720 范围 ( KM) 1000 + 40 ~ 100 1 - 100 1 – 100 + 1 – 10 + 度量标准 覆盖范围 速度 灵活性 功率、成本 低成本 把无线覆盖范围和传输范围的递减顺序作为划分依据，将无线网络划分成： 无线广域网（WAN），无线城域网（WMAN），无线局域网（WLAN）和无线个人区域网（WPAN）

物联网无线技术-WiMAX IS Internet PSTN Audio/Video Banks Streaming Service Game Servers Gateway WBTS TMC RCC CIC URC x PSTN Gateway Intranet IPv6 Routers WBTS – WiMAX Base Transceiver System TMC – Transceiver Monitoring Controller IS – Internal Services RCC – Routing Control Center CIC – Carrier Interface Control URC – User Registration Controller 无线广域网包括现有的移动通信网络以及其进化技术(通信技术如3 G、4 G,等等), 这些技术能提供连续的网络访问服务。WMAN包括现在已存的WiMAX技术，它们提供了在大城市区域中数据的高速传输（100km/月）。WLAN包括现在流行的WiFi，WiFi给在楼房或者室内环境的用户提供网络接入服务，例如，在家、学校、餐厅、飞机场等。WPAN包括像蓝牙、Zigbee、NFC等的通信协议。WPAN具有低功耗、低传输速率和短距离（一般来说小于10m），所以他们被广泛用于物联网传感器和个人设备相互连接

(Wireless Home-Area Networks, WHAN) 物联网无线技术-Zigbee Zigbee是目前被广泛使用的传感器通信技术 数据传输速率低但电池寿命更长也更安全，与蓝牙或者WIFI通信技术相比，ZigBee技术具有易用性和经济性的特点， Zigbee网络具有高度的可扩展性 它们主要应用在监视和远程控制物联网或者移动应用，Zigbee网络技术已经被运用到了无线家域网当中（WHAN） CONTROL CONSUMER ELECTRONICS PC & PERIPHERALS INDUSTRIAL PERSONAL HEALTH CARE BUILDING AUTOMATION Patient monitoring fitness monitoring Mouse keyboard joystick TV VCR DVD/CD remote Security HVAC lighting control access control lawn & garden irrigation AMR RESIDENTIAL/ LIGHT COMMERCIAL CONTROL Asset management process control environmental energy management ZigBee Applications (Wireless Home-Area Networks, WHAN) 数据传输速率的范围是20~250 Kbps。这个装置可以工作到100米的范围，但是Zigbee中的设备能够和其他设备一起工作以覆盖更大的区域。

物联网体系结构 物联网(IoT)架构及其底层技术 感知层： 由各种传感器（如ZigBee设备，RFID标签，以及GPS导航仪等）和自动信息收集装置组成。传感器是在本地工作并将收集的信息通过云计算平台传输给应用程序。 网络层： 由移动网络, 骨干网和各种信息网络构建而成的 应用层： 由一系列的智能应用（如商品追踪、环境保护、智能搜索、远程医疗、智能交通和智慧家居等）构成

物联网体系结构 云平台 服务器网关 异构对象通信 面向家庭环境的物联网云平台系统 在不同的应用场景如提供不同的服 独立的云系统之间可以进行相互操作 服务器网关 采取了不同的技术、协议、标准和服务使得通信变得多样化同时还能整合设备 大多数服务器网关采用了明确定义的软件模式和系统，例如Jini, UPnP 和 OSGi 异构对象通信 运用语义网技术和模型 语义网技术还可以应用于增强家庭物联网应用之间的通信

物联网体系结构 远程无线头（RRH）所取代传统基站的天线塔 虚拟基站（VBS）代替控制基站和操作基站。 为了平衡RRHs和VBS的负载，使用高速光传输网络、交换机和光纤电缆以及微波连接等设备和技术。 传统基站采用的笨重的天线塔将会被大量的体积微小的远程无线头（RRH）所取代，这些RRH工作时只消耗很少的能量（即太阳能就足够提供其所需的能量），此外，也更加容易在人口密集的地区进行部署。控制基站和操作基站将会被虚拟基站（VBS）代替。虚拟基站处在基于云的交换中心的层次结构池中。为了平衡RRHs和VBS的负载，我们使用了高速光传输网络、交换机和光纤电缆以及微波连接等设备和技术。 CRAN的优点可以总结为四个方面：(1) 集中式处理资源池可以高效的支持10 ~ 1000个单元的运作（2）协作广播在多单元联合中起着调度和处理的作用,解决挥发损失和交接问题。（3）CRAN能为开放的IT平台提供实时服务，如资源整合，灵活的多标准操作和数据迁移等。（4）我们将逐步实现资源消耗更少的清洁能源和绿色移动通信，这能让我们花费更少的操作费用，并实施更加快速的系统迭代。目前，许多公司也建立了类似的CRAM系统，如思科和韩国电信等。 基于云的无线接入网（CRAN）架构

物联网交互框架 物体传感和信息收集： 收集关于环境、“事物”、以及目标物体的信息 信息传递： 目前各种无线技术都可以用于信息传递，例如无线传感网络(WSNs)、人体局域网（BANs）、WIFI、蓝牙、Zigbee、GPRS、GSM、蜂窝技术和3G等。 信息处理： 更加自动化和智能化的方式去处理信息 智能应用和服务： 物联网传感可以和许多其他网络系统进行交互，如，传感数据文件和网络策略可以基于特定的应用程序需求进行调整。

四种主要的物联网应用框架 无线传感网(WSN)：它由自主监控物理或环境条件的空间分布式传感器构成。传感器之间的相互合作能将数据通过网络传递给一个目标位置。WSN主要通过各种传感器节点采集的信息来感知物联网的基本情况。 机器对机器（M2M）通信：典型的M2M指的是在不需要或只需要有限的人为干预的情况下，不同终端设备（如电脑、嵌入式处理器、智能传感器/执行器和移动设备等）之间的信息传递 体域网（BAN）：一种继承了传感器网络的新型网络体系结构，使用了最新的轻量化、小型化、低功耗和具有智能监视功能的可穿戴传感器。这种传感器能够持续不断的监测人类的生理活动和身体状态信号如健康指标和行为模式等。 网络物理系统(CPS)：它是一个协作系统，即计算元素控制的物理实体 架构 WSN M2M BAN CPS 感知需求 XXXX XX XXX 网络需求 分析复杂度 应用产业化 X 安全需求 四种物联网架构的性能需求对比分析

射频识别技术（RFID） 典型的RFID系统包括RFID标签，RFID读取器，和一个后端系统，后端系统处理收集信息，并控制其他子系统中的操作 RFID读取器和天线：它是与标签对话的设备站。读取器可以支持一个或多个天线。相比条形码，RFID具有一个重要的优势，即读取器设备可以利用视觉检测到对象。一些RFID读取器可以同时识别多个物体。天线发射能量，然后捕获从标签返回的信号。天线可以被集成到手持式读取器设备之上或通过导线连接到读取器。 RFID读取器天线可以检测类似于雷达照射目标的RFID标签。但是，RFID只能工作在较短的范围内。 使用RFID读取器检索放置在包装盒上的e-labels（RFID标签）存储的产品数据 多合作伙伴业务管道中的供应链管理

传感器硬件和操作系统 名称 OS类型 无线标准 数据率 室外覆盖范围(m) BAN node TinyOS IEEE 802.15.4 250(kbps) 50 BTNode Bluetooth 24(Mbps) 30 eyesIFX TDA5250 64(kbps) - iMote 720(kbps) iMote2 TinyOS or .NET IRIS 300 Micaz 75 - 100 Mica2 38.4(kbps) >100 Mulle TCP/IP or TinyOS Any >10 TelOS Bluetooth or IEEE 802.15.4 ZigBit ZDK 3700 典型传感器节点的日常生活应用比较 制造商 传感器 电压(V) 功率 采样时间 Taos 可见光传感器 2.7-5.5 1.9mA 330us Dallas Semiconductor 温度传感器 2.5-5.5 1mA 400ms Sensirion 湿度传感器 2.4-5.5 550uA 300ms Intersema 压力传感器 2.2-3.6 35ms Honeywell 磁传感器 Any 4mA 30us Analog Devices 加速度传感器 2.5-3.3 2mA 10ms Panasonic 声音传感器 2-10 0.5mA 1ms Motorola 烟雾传感器 6-12 5uA - Melixis 射频光学传感器 0mA Li-Cor 光结构传感器 Ech2o 土壤水分传感器 2-5 传感器的结构设计：图3-12（a）所示为一个带有传感器模块，无线电模块和内存模块的传感器节点。传感器模块包括一个传感器，一个滤波器和一个模拟-数字转换器（ADC）。传感器将某种形式的能量转换成模拟电信号，接着使用带通滤波和ADC数字化进一步处理。传感器与几个概念很容易混淆，如传感器节点，无线传感器节点和无线传感器网络。传感器通常是用于物理信号转换成模拟信号的模块。 无线传感器节点通常部署在露天状态下，所以他们无法通过电线进行供电。因此，我们必须将节能降耗作为重要的硬件设计目标。例如，在正常操作模式下，传感器处理器的功率在3〜15 mW之间。传感器周期性功率管理如图3-12（b）所示。睡眠、唤醒和处理峰值之间进行周期性循环，同时在固定的时间间隔内进行重复。大部分时间内，该传感器处于睡眠模式中。设备周期性地被唤醒。传感器能耗大多发生在数据采集和通信操作上。有时，还会在检测到触发事件的同时激活传感器设备。但这不是频繁发生的。传感器的寿命可以跨越几个月至数年，这取决于该设备是否由太阳能或其他持久的能量来源供电。 环境监测传感器的特点

存储器、CPU 负载、CPU 利用率、电池、网 络流量、连接状态 基于智能手机的传感 越来越多的智能手机都配备了传感设备，如GPS接收器、照相机、录音机、温度计、高度计和气压计等。由于人们处于移动环境中连接到互联网，智能手机的内在能力使传感器设备具备迁移到另一个全局用户组的能力。因此，智能手机不仅建立了传感设备与互联网之间的桥梁，也在现实世界和网络世界中将人们连接起来，并成为物联网的重要组成部分。 传感器/数据名 类型 采样周期 存储器、CPU 负载、CPU 利用率、电池、网 络流量、连接状态 系统 1s 地理位置 传感器 10s 加速度计、磁强计、陀螺仪 100ms 距离、压力、光、湿度、温度 手机活动、SMS、MMS 用户行为 屏幕状态、蓝牙、WiFi 3min 2016智能手机传感器设备的内置传感器 智能手机配备的传感器及其用途

Crossbow Technology, Inc. Sensoria Corp, Ember Corp. 无线传感器网络的发展 WSN 特点 第一代(1990’s) 第二代(2000’s) 第三代(2010’s) 制造商 定制构造函数，如为TRSS Crossbow Technology, Inc. Sensoria Corp, Ember Corp. Dust, Inc. 等 物理尺寸 类比与大鞋盒 包卡到鞋盒大小 尘埃粒子大小 重量 千克 克 可以忽略不计的 节点架构 分离传感、处理和通信 集成传感、处理与通信 拓扑结构 点到点，星型结 构 端到端的客户端服务器 对等网络 寿命 超大电池；以小 时、天计算 AA电池；几天到几周 太阳能；数月到数年 部署 车辆放置或空投 单传感器 手工 嵌入式、抛洒 无线传感器网络在过去的30年中共演进为三代。在第一代中使用的传感器主要是车辆传感器或监测空气数据的单一传感器。他们体积像鞋盒一样庞大，并且重达几千克。这一代传感器网络只有星型或P2P的拓扑结构，并配备大容量电池，可以持续供电几个小时或几天。在第二代中，传感器变得像扑克牌一样小，只有几克重量，用AA电池就可以使它们工作几天到几周。它们出现在客户机-服务器或P2P配置中。目前第三代传感器体积就如同尘埃颗粒，重量忽略不计，嵌入在P2P网络中，同时支持远程应用程序。

基于体域通信系统的三层体系架构 Tier-1-Comm设计（即内部BAN通讯），Tier-2-Comm设计（即跨BAN通信）和Tier-3-Comm设计（即外部BAN通讯），这些组件包括多个方面，例如从低层向高层的设计等一系列问题。通过定制每个部分的设计，例如成本、覆盖范围、效率、带宽、服务质量等，具体要求可以根据具体应用情况和市场需求来实现。

基于传感器网络的应用 污染物运输 地震结构响应 海洋微生物 生态系统生物复杂性

24颗卫星的全球定位系统结构 24颗卫星的全球定位系统结构 地面GPS接收器基于卫星计算的三维位置 定位系统 GPS GLONASS Beidou Galileo 政治实体 美国 俄罗斯 中国 欧盟 编码 CDMA FDMA/CDMA 轨道高度 20,180 km (12,540 mi) 19,130 km (11,890 mi) 21,150 km (13,140 mi) 23,220 km (14,430 mi) 时间 11.97 hours (11 h 58m) 11.26 hours (11 h 16m) 12.63 hours (12 h 38m) 14.08 hours (14 h 5m) 卫星数 至少 24 31 (24个可运行 ) 5 GEO, 30 MEO 卫星 22个可运行卫 星支持 基于位置的服务（LBS）是物联网应用的关键技术。大多数在物联网领域的“事物”是通过各种无线通信网络进行互连。当通过IoT传感技术收集到传感数据发送到云平台时，这些传感数据的相关位置信息是重要的。没有位置信息，不能得到有关的情景信息和用户的基本信息，这会导致物联网应用的失效。因此，应用的本地化是一个关键过程。 GPS由三部分组成：空间段，控制段和用户段。美国空军开发和维护操作空间段和控制段，在大约20200公里的高空卫星轨道上部署了24颗卫星。GPS卫星广播从太空接收信号，其中每个GPS接收机计算自己的三维位置（纬度、经度和高度）加上当前的时间信号。空间部分由在地球轨道中的24颗卫星组成，还包括帮助其发射到轨道的助推器。全球定位系统卫星在非常精确的轨道上每天环绕地球两次，并向地球发射信号。在地面上的全球定位系统设备会接收这些信号，并使用一个三角测量方法来计算用户的确切位置。 美国、欧盟、俄罗斯和中国的四个全球定位系统 美国全球定位系统

GPS定位原理 车辆实时跟踪过程分为以下4个步骤： 每个GPS接收机接收来自卫星网络的信号。 计算4颗卫星延迟位置信号的三角测量方法 地面GPS接收器基于卫星计算的三维位置 车辆实时跟踪过程分为以下4个步骤： 每个GPS接收机接收来自卫星网络的信号。 收集到的卫星信息通过移动网络发送到AGPS中心。 控制中心收到了全球地图计算出的位置信息。 控制中心发送指令给各单位，例如触发警报，停止引擎，改变方向，或一些个人信息等。

认知计算技术和原型系统 认知计算应用 针对机器学习和神经信息学研究，在云或超级计算机中应用软件库 建立在IBM Almaden研究中心的神经计算系统原型 深度学习在谷歌大脑项目上的前景 认知计算应用 针对机器学习和神经信息学研究，在云或超级计算机中应用软件库 用表述和算法将人工神经计算机的输入和输出关联起来。 针对机器学习和人工智能，用神经芯片实现人脑计算机。 用深度递归神经网络建立谷歌语音识别系统

物联网环境下的认知服务 情景感知技术为物联网方案的性能评估提供了一种方法。主要从以下三个环境感知的特征进行评估： 情景感知的选择和表示 情景感知的执行 情景感知标签 智能城市应用中有代表性的物联网情境 物联网项目、创建者以 及网站 主要内容 次要内容 呈现形式 用户交互 实时印刷 通知机制 学习能力 通知执行 废品管理，Evevo, (enevo.com) 废品填充水平 捡废品的有效途 径 W M RT,A N,R ML,UD E 室内定位，Estimote, (estimote.com) 蓝牙信号强度, Beacon ID 位置、距离 RT UD T,S,E 停车场管理，ParkSight (streetline.com) 声音级别、路面温度 免费停车场的路 线 M,W 街道照明, Tvilight, (tvilight.com) 光、仪表、天气、事 件 能源使用、图案、 灯等 N,A 运动分析，Scene Tap,(scenetap.com) GPS,影像 按位置分析 M,W,D ML T,S 步行交通监控, (scanalyticsinc.com) 地面高度 热图跟踪运动 T,M N S,E 人群分析，Livehoods, (livehoods.org) 广场签到云服务 社会动态，大城 市 - 缩写:M:移动电话, W: web 服务, D: 基于台式机, O: 面向对象, T;触摸技术, S: IoT 感知, G: 手势, V: 声音, RT: 实时, N: 通知公告, A: 档案, ML: 机器学习, DU:用户设备

增强和虚拟现实应用 公司 产品 介绍 微软 HoloLens 这是一对混合式真人头戴式智能眼镜，使得全息透镜得到普 及，并成为第一个运行Windows全息平台的计算机。 谷歌 Google Cardboard 这是一个谷歌的虚拟现实平台，用于智能手机的头部装置。 因其折叠式插页卡片阅读器而得名，它是一个低成本的系统， 用以鼓励虚拟现实应用。 Faceboo k Oculus Rift Oculus Rift开发了一个虚拟现实耳机，并由Cculus VR制造， 于2016年3月28日发布。 三星 Gear VR 三星Gear VR是由三星电子开发的移动虚拟现实耳机，与 Oculus协同开发，并由三星制造。 索尼 PlayStation VR 在开发过程中被称为Project Morpheus，是一个由索尼互动 娱乐开发的虚拟现实游戏头盔显示器，并由索尼制造。 HTC HTC VIVE 在2016年，由HTC和Valve Corporation公司联合开发的虚拟 现实耳机，利用“房间规模”技术，通过传感器把一个房间 变成三维空间。 华为 Huawei VR 华为荣耀VR在2016年5月10日发布，用于匹配荣耀V8智能手机。 阿里巴巴 Buy+ Plan Buy+程序使用虚拟现实技术，通过计算机图形系统和辅助传 感器产生交互式三维购物环境。 近期高技术公司开发的AR/VR产品

本章小结 物联网的迅速崛起影响了我们的日常生活。其最终的目标是建立一个世界性的物理网络，将一切事物联系在一起。物联网促进了智能化的教室、医院、市场、百货公司、街道、公路、城市和地球的诞生。换句话说，我们希望把机器智能应用到任意地方，以帮助和促进人类的安全度、舒适度、便利度和生产力。同时，认知科学和服务也发展起来，增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术可以被用于商业设备，以提升在游戏、休闲放松和创造力等方面的用户体验。 本章涉及了使用智能设备如传感器、标签、手机、平板电脑和GPS等关键技术的现状及进展。同时，我们也展示了如何在云计算与大数据中应用物联网的传感能力。IBM研究实验室和中国科学院计算技术研究所共同开发了基于神经网络的CPU芯片。在未来，使用神经元模型计算机去实现机器学习和深度学习将不再只是梦想。涉及物联网传感和机器认知的创新性应用将指日可待。

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