文/中國(guó)傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院 畢善鵬 蘇震

文章在分析物聯(lián)網(wǎng)的兩個(gè)基本特征的基礎(chǔ)上， 提出了智能感知、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理、終端應(yīng)用四個(gè)部分的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)。討論分析了物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分層組成的基本方式和ZigBee低耗能自組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸中的作用。并從應(yīng)用技術(shù)向前發(fā)展的角度討論了物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)拓展方式。

1  引 言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT, Internet of Things）是通過(guò)多傳感器系統(tǒng)，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，射頻標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)（RFID），激光掃描與光電數(shù)據(jù)讀取系統(tǒng)、環(huán)境特征傳感系統(tǒng)，因特網(wǎng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等信息獲取、傳輸與處理系統(tǒng)，將多種多樣的物特征信息，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為電子信息，并按約定的通信協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)建立連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和信息交流。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種多樣的物體特征進(jìn)行智能化識(shí)別，長(zhǎng)距離信息傳送，綜合計(jì)算處理、實(shí)時(shí)目標(biāo)監(jiān)控、跟蹤定位管理的一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)工作模式。物聯(lián)網(wǎng)有兩個(gè)基本特征，一是物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸拓展而成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；其核心仍然是互聯(lián)網(wǎng)。二是人們使用終端設(shè)備，可以從人與人之間的信息傳遞交流，拓展到了人與物、物與物、物與人之間的通信連接和信息交換。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)當(dāng)前已成為國(guó)際科學(xué)技術(shù)進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新重組的新途徑，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都加大了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧型基礎(chǔ)設(shè)施的投入與研發(fā)力度，力圖搶占科技制高點(diǎn)。我國(guó)也及時(shí)地將物聯(lián)網(wǎng)列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，力爭(zhēng)走在世界的前列。本文從構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)思想和應(yīng)用拓展的層面上，說(shuō)明了物聯(lián)網(wǎng)所應(yīng)具備的系統(tǒng)架構(gòu)、相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和云計(jì)算應(yīng)用拓展支撐技術(shù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)和分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議分析

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)                            

本文所提出的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括智能感知、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理、終端應(yīng)用四個(gè)部分。

圖1   物聯(lián)網(wǎng)的基本系統(tǒng)架構(gòu)

智能感知層包含各種信息傳感設(shè)備和各種智能感知網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RFID（Radio FrequencyＩIdentification）、WSNs（Wireless Sensor Networks）、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采集物物交換信息接入到網(wǎng)絡(luò)融合體系，利用包括廣播電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)途徑經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后使信息到達(dá)終端用戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)．與此同時(shí)，終端用戶(hù)可以通過(guò)主觀行為影響底層網(wǎng)絡(luò)面向不同應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)人與物、物與物、物與人之間的物聯(lián)信息交互。

智能感知層是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的基礎(chǔ)，其網(wǎng)絡(luò)分布包括WSNs、RFID系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信息交互實(shí)現(xiàn)物體對(duì)外部物理環(huán)境的感知、允許系統(tǒng)對(duì)物品屬性進(jìn)行識(shí)別以及對(duì)信息的采集和捕獲。數(shù)據(jù)處理層的主要作用是將底層收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總、拆分、統(tǒng)計(jì)和備份，并完成將相關(guān)信息平穩(wěn)接入到傳輸網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。數(shù)據(jù)處理技術(shù)有各種智能存儲(chǔ)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、海量數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)等；接入技術(shù)包括有線(xiàn)接入和無(wú)線(xiàn)接入兩種方式，其中，有線(xiàn)接入方式有雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纖等，無(wú)線(xiàn)接入方式有ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、GPS、移動(dòng)數(shù)據(jù)通信技術(shù)等。網(wǎng)絡(luò)通信層是利用現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層傳感器系統(tǒng)收集到的信息進(jìn)行傳輸。終端應(yīng)用層是面向用戶(hù)的終端設(shè)備及其應(yīng)用輕序，可以根據(jù)用戶(hù)的不同需求搭建不同的操作平臺(tái)。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)分層通信協(xié)議分析

物聯(lián)網(wǎng)仍然是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上的拓展延伸而產(chǎn)生和進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如圖2的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次示意圖所示，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議以IP通信協(xié)議為基礎(chǔ)，采用TCP/IP的分層式網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

圖2   物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信方式示意圖

（1）網(wǎng)絡(luò)接口層：主要通過(guò)WSNs（Wireless Sensor Networks），RFID（Radio Frequency Identification）無(wú)線(xiàn)信息讀寫(xiě)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口，有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)，完成多信息融合互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)信息共享。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：統(tǒng)一的IP地址可以解決非常復(fù)雜的硬件地址轉(zhuǎn)換，使得物聯(lián)網(wǎng)中各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互相通信成為可能，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)IP尋址和路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)。針對(duì)未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的需求， 需要在底層網(wǎng)絡(luò)中建立一種基于IP的新路由方式來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)主機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)縫鏈接通信；

（3）傳輸層：具有分用和復(fù)用的功能，物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制。一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee(IEEE 802.15.4)通信方式具有低功耗和低成本的特點(diǎn)，適合于數(shù)據(jù)流量較小，通信速率要求不高，補(bǔ)充電能條件較差的的物-物組網(wǎng)連接方式。并且IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在給定信噪比下其誤碼率最低，適用于家庭電器設(shè)備、野外氣象測(cè)察設(shè)備、工農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備以及多種傳感器組成的信息采集處理裝置的智能化信息傳輸和控制網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中有三個(gè)應(yīng)用層次，一個(gè)是傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)“物”的識(shí)別；二是傳輸網(wǎng)絡(luò)，即通過(guò)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；三是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，即輸入輸出控制終端，包括手機(jī)、平板電腦等終端設(shè)備。

對(duì)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)，IEEE 802.15.4把網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備（FFD）和簡(jiǎn)化功能設(shè)備（RFD）。FFD實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4協(xié)議的全集，而RFD則根據(jù)特定的應(yīng)用需要只實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4完整功能協(xié)議中的一部分。FFD之間以及FFD和RFD可以互相通信，而RFD之間不能互相通信，只能與FFD通信。FFD可以在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)任何設(shè)備角色，而RFD只能充當(dāng)終端設(shè)備。

ZigBee主要采用了3種組網(wǎng)方式：星狀網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少需要一個(gè)FFD實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)管理。在星狀網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和維持網(wǎng)絡(luò)，而其他的設(shè)備直接和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。在完整的ZigBee協(xié)議棧中，分別實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)的控制程序。以智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，由于采用了星狀網(wǎng)絡(luò)，只需要在協(xié)議棧的應(yīng)用層對(duì)控制程序進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置修改，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制功能；在節(jié)點(diǎn)獨(dú)立供電正常情況下，各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)便能夠以無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)的方式工作了。圖3示出了一種智能家居網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式。

圖3   智能家居的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

（4）應(yīng)用層：是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的最高級(jí)層，應(yīng)用層直接為終端用戶(hù)的應(yīng)用進(jìn)程提供服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)雖然是物‐物連接的網(wǎng)，但最終還是要實(shí)現(xiàn)物與人的信息溝通，并需要由人來(lái)操控。應(yīng)用層解決的就是多種專(zhuān)項(xiàng)信息的處理和人機(jī)交互界面的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)層傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)在這一層次里進(jìn)入各類(lèi)專(zhuān)項(xiàng)信息處理系統(tǒng)，并通過(guò)各種終端交互界面與人進(jìn)行信息溝通。應(yīng)用層又可以分為兩個(gè)子層：一是應(yīng)用程序?qū)?，二是終端設(shè)備層。應(yīng)用程序?qū)又饕?fù)責(zé)進(jìn)行多種專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域里的數(shù)據(jù)處理，如家居，銀行，物流，交通，城市管理等各類(lèi)專(zhuān)項(xiàng)信息的數(shù)據(jù)處理；終端設(shè)備層則提供人機(jī)交互界面和交互操作系統(tǒng)。這里所言及的人機(jī)交互界面實(shí)際上已經(jīng)超出了通常意義上的人與計(jì)算機(jī)的交互概念，而是泛指與應(yīng)用程序相連的多種終端設(shè)備以各種形式對(duì)人作信息反饋的環(huán)節(jié)。

3  物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用拓展及其發(fā)展方向

3.1 云計(jì)算技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展

云計(jì)算是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用拓展的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一。物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為前提的。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用方式的進(jìn)展，終端設(shè)備的數(shù)量會(huì)迅速增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的是龐大的數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的信息處理中心是難以滿(mǎn)足這種計(jì)算需求的，在應(yīng)用層就需要引入云計(jì)算中心處理海量信息。云計(jì)算作為一種虛擬化、分布式和并行計(jì)算的解決方案，可以為物聯(lián)網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)引擎和支撐。其聯(lián)系主要體現(xiàn)在一下三個(gè)方面：

（1）物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的結(jié)合應(yīng)用勢(shì)在必行；

（2）物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模發(fā)展離不開(kāi)云計(jì)算平臺(tái)的支撐，而云計(jì)算平臺(tái)的完善和大規(guī)模的應(yīng)用需要物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為其提供最大的用戶(hù)；

（3）基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)安全研究將為物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的發(fā)展提供最可靠的保障，也是物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算蓬勃發(fā)展的必要條件。

圖4是物聯(lián)網(wǎng)的一種體系結(jié)構(gòu)，也可以稱(chēng)為CSI(Client，Service，Infrastructure)結(jié)構(gòu)。基于以上三方面的內(nèi)容，結(jié)合該體系進(jìn)行說(shuō)明。

CSI體系將云計(jì)算結(jié)構(gòu)歸納為“用戶(hù)端”“服務(wù)”和“基礎(chǔ)設(shè)施”三個(gè)部分。其中“服務(wù)”是連接“用戶(hù)端”和“基礎(chǔ)設(shè)施”的紐帶。這主要是充分利用了云計(jì)算技術(shù)兩個(gè)最重要的特點(diǎn):

(1)結(jié)合了分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。云計(jì)算技術(shù)將存儲(chǔ)在分布式計(jì)算機(jī)產(chǎn)品中的大量數(shù)據(jù)和處理器資源整合在一起協(xié)同工作，使相關(guān)的計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算機(jī)上；

(2)超強(qiáng)的計(jì)算能力。通過(guò)一定的協(xié)調(diào)調(diào)度策略，云計(jì)算模式可以通過(guò)數(shù)百萬(wàn)乃至百萬(wàn)的普通計(jì)算機(jī)之間的聯(lián)合來(lái)提供超強(qiáng)的、可以與超級(jí)計(jì)算機(jī)相抗衡的計(jì)算能力；

在早期的客戶(hù)/服務(wù)器模式下，應(yīng)用服務(wù)器由各組織機(jī)構(gòu)自行運(yùn)營(yíng)維護(hù)，服務(wù)體現(xiàn)為緊耦合的對(duì)應(yīng)程序調(diào)用結(jié)果的消息；分布式對(duì)象系統(tǒng)的發(fā)展使服務(wù)升級(jí)為分布式平臺(tái)；后期隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來(lái)越多的應(yīng)用服務(wù)器交給“云”上的運(yùn)營(yíng)者運(yùn)營(yíng)維護(hù)，客戶(hù)端則基于服務(wù)中間件（如Enterprise Service Bus、Service Registry等）享受云端提供的Web Service；未來(lái)“云”提供的服務(wù)將以用戶(hù)為中心進(jìn)行一體化管理和組織。

圖4   CSI體系結(jié)構(gòu) 

隨著以“云”為標(biāo)識(shí)的互聯(lián)網(wǎng)信息處理基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，服務(wù)計(jì)算的重要性將越發(fā)明顯。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)需求特征的優(yōu)化策略、優(yōu)化方法和涌現(xiàn)智能也將更多地以服務(wù)組合的形式體現(xiàn)，并出現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)新形態(tài)，進(jìn)一步推動(dòng)服務(wù)計(jì)算相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展方向

回顧物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生和發(fā)展歷史，展望未來(lái)，可以看到，隨著物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建和應(yīng)用拓展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用方式將會(huì)經(jīng)歷幾個(gè)不同的階段。分析和預(yù)測(cè)表明，2010－2015年的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將可以對(duì)相關(guān)的物與物之間的特征信息實(shí)現(xiàn)采集變換和通信互聯(lián)；2015－2020年將可以實(shí)現(xiàn)半智能化的物-物聯(lián)網(wǎng)方式；2020年之后預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)全智能化的物聯(lián)信息綜合采集、實(shí)時(shí)傳輸和服務(wù)與資源的共享系統(tǒng)。表1示出了物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù)的幾個(gè)主要方面在未來(lái)發(fā)展中的進(jìn)程推測(cè)和拓展方向。考察分析物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用方式，可以看出，云計(jì)算技術(shù)的海量運(yùn)算處理優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上服務(wù)器和存儲(chǔ)資源的虛擬化共享，提高計(jì)算機(jī)資源的利用效率和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能的性?xún)r(jià)比，這將成為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用拓展的重要支撐技術(shù)之一。

表1  物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用技術(shù)的拓展方向

5  結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)改變了物與人之間服務(wù)信息傳遞的模式。物聯(lián)網(wǎng)的功能拓展及其相應(yīng)的應(yīng)用體驗(yàn)改變了網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)上物與人之間的信息交流模式。本文提出了物聯(lián)網(wǎng)四個(gè)基本部分的系統(tǒng)架構(gòu)和分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的組成方式，分析了ZigBee低耗能自組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的特點(diǎn)和在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸中的作用。并在此基礎(chǔ)上從應(yīng)用拓展的角度討論了物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)相結(jié)合的未來(lái)發(fā)展模式。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)，新一代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，中國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用方式也會(huì)向著更高水平拓進(jìn)發(fā)展，本文對(duì)于深入理解物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)思想和系統(tǒng)構(gòu)建方式，實(shí)現(xiàn)更多領(lǐng)域里的拓展應(yīng)用，具有啟發(fā)和引導(dǎo)意義。