2.2 分層來看物聯網

任何一個復雜系統都有其較為穩定的結構，物聯網也不例外，但隨著物聯網不斷地吸納新的技術，拓展新的應用，其體系結構的劃分也會不斷發展。但是，不論是系統設計的研究，還是物聯網的應用場景和類型研究，都需要一個相對穩定的物聯網體系結構作為指導。同時，物聯網由于應用的廣泛性，特別是網絡接入具有很強的異構性，各種設備需要在不同的網絡中進行信息的互通，因此需要一個規范的、開放的體系結構。

目前，物聯網體系結構的劃分有多種方法。根據國際電信聯盟ITU的相關規范，物聯網結構可以分為：物理接觸感知層、網關、信息處理系統及網絡層。如圖2-2所示，其中，物理接觸感知層，主要通過傳感器、RFID等技術對各種狀態信息進行監測、采集，并將收集到的信息遞交給上層進行處理；網關層主要負責將底層物聯網感知設備接入到網絡中，同時還兼備對底層數據的匯聚功能；信息處理系統可以對收集到的信息進行局部或集中的處理；網絡層主要負責信息的傳遞，包括各種接入和傳輸網絡。

如果從信息系統的分層結構來看，依據信息的獲取、傳輸、處理和應用的不同環節，物聯網的體系結構由低到高分可為四層，即感知識別層、網絡傳輸層、管理服務層和綜合應用層。這種分層方法符合圖2-2中的物聯網結構劃分，為研究者們所普遍接受。

（1）感知識別層，簡稱感知層，主要功能是感知和識別物體。由各種具有感知能力的設備組成，包括傳感器、定位器、讀寫器、攝像頭等隨時隨地通過感知、測量、監控等途徑獲取物體信息的設備；還包括GPS/GIS（全球定位系統／地理信息系統）、T2T等多種（物到人、物到物）終端、傳感器網絡和傳感器網關等無線接入設備。所以說，感知層是直接強調物聯網中“物”的層面，“物”可以定義成可獲取各類信息的終端，可以是傳感器、二維碼標簽和識讀器、RFID、手機、PC、攝像頭、電子望遠鏡、GPS終端等。最終，隨著技術的發展，可以感知到人類所需各種信息的終端，都會被納入感知層。

感知層可進一步劃分為兩個子層，首先是在數據采集、執行控制子層通過傳感器、數碼相機等設備采集外部物理世界的數據，然后在信息采集中間件子層通過RFID、條碼、工業現場總線、藍牙、紅外等短距離傳輸技術傳遞數據。也可以只有數據的短距離傳輸這一層，特別是當僅傳遞物品的唯一識別碼的情況。實際上，這兩個子層有時很難以明確區分開。感知層所需要的關鍵技術包括檢測技術、短距離有線和無線通信技術等。

（2）網絡傳輸層，簡稱網絡層，主要功能是實現感知數據和控制信息的通信功能。將感知層獲取的相關數據信息通過各種具體形式的物聯網，實現信息存儲、分析、處理、傳遞、查詢和管理等多種功能。物聯網不僅包括有線、無線、衛星與互聯網等形式的全球語音和數據網絡，也包括實現近距離無線（有線）連接的通信技術。最終，隨著技術的發展，感知信息都被納入到一個融合了現在和未來的各種網絡，如固網、無線移動網、互聯網、廣電網和各種其他專網等網絡的融合承載，為物聯網奠定堅實的網絡基礎。值得一提的是，LoRa、SigFox，甚至是衛星網絡等物聯網專網承載正蓬勃興起；這些技術之間為了互相取長補短，融合承載是大趨勢。

網絡層解決的是感知層所獲得的數據在一定范圍內，通常是長距離的傳輸問題。網絡層數據傳輸并不局限于現在的移動通信網、國際互聯網、企業內部網、各類專網、小型局域網，以及三網融合后的有線電視網，隨著物聯網建設的加快推進，未來可能會有更適合物聯網承載的網絡形式（例如移動虛擬網）。在這些融合了現在和未來的網絡中最終能夠實現把各種物（不只是終端）和人聯系在一起。網絡層所需要的關鍵技術包括長距離有線和無線通信技術、網絡技術等。

（3）管理服務層也被稱作應用支撐層，位于網絡傳輸層和綜合應用層之間，對網絡層傳輸而來的數據在各類信息系統中進行處理，作為支撐物聯網各種各樣應用的信息處理平臺，緊密銜接網絡傳輸和綜合應用。例如能夠屏蔽軟硬件環境差異的中間件，將在第5章詳述，另外還有SOA、云計算、大數據、LBS等數據的分析、處理和平臺應用。

（4）綜合應用層，簡稱應用層，主要功能是利用經過分析處理的感知數據為用戶提供豐富的特定服務。通過物聯網的綜合應用層平臺與各行業專業應用的結合，可以實現廣泛智能化的解決方案。應用層是物聯網發展的最終目的，在應用層將會為用戶提供豐富多彩的物聯網應用。不斷發展成熟的感知層、網絡層技術，正在為物聯網應用的多樣化和規模化開辟道路。物聯網應用將覆蓋各行各業，并逐漸影響和改變人類生產、生活方式。

應用層不僅能夠解決信息處理和人機界面的問題，而且能夠針對行業需求實現具體的應用。這一層也可按形態直觀地劃分為兩個子層：應用支撐子層對網絡層傳輸而來的數據在各類信息系統中進行處理，并通過各種設備與人進行交互；具體應用子層將處理后的數據應用于各個領域，包括電力、醫療、銀行、交通、環保、物流、工業、農業、城市管理、家居生活等，涉及支付、監控、安保、定位、盤點、預測等。

還有一種流行的分層方法，可以將物聯網體系劃分為三層：感知層、網絡層和應用層，如圖2-3所示。

如果按照物聯網的四層結構模型來看圖2-3，三層結構中的應用層對應四層結構中的管理服務層和綜合應用層；三層結構中的感知層對應四層結構中的感知識別層；三層結構中的網絡層對應四層結構中的網絡傳輸層。

四層結構中，管理服務層不僅能夠解決信息處理和人機界面的問題，而且能夠針對行業具體需求實現基于行業信息處理的應用支撐平臺，既可以描述為圖2-3中的泛化的“應用支撐中間件”，又可以描述為圖2-4中應用層的應用支撐子層。

需要說明的是，在圖2-4所示的接入和承載技術中，部分技術可以通過自建專網實現廣域覆蓋。而2G/3G/4G/5G的移動網絡承載之所以列得這么全，是因為5G時代物聯網移動網絡承載將會有基于2G的升級、基于3G的升級、基于4G和面向5G的升級，這將由不同國家和地區的具體情況與發展路線決定。其中面向5G的移動網絡承載將在第4章中詳述。

這里不去糾結物聯網具體是三層、四層，甚至是五層的結構。本書在第3～6章將按照感知識別層、網絡傳輸層、管理服務層和綜合應用層的順序來探討物聯網。圖2-4中，每層之間都有過渡層，例如感知層與網絡層中的本地信息采集與接入，網絡層與應用層之間的管理與應用支撐。部分學者將物聯網看作五層結構，只不過是單獨獨立劃分過渡層而已。

各層之間的信息傳遞不僅是單向的，還可有反饋、交互、控制等；也不僅是縱向的，還可有跨系統、跨平臺的信息共享和應用。所傳遞的信息多種多樣，其中的物品信息僅僅是基礎信息，包括在特定應用系統范圍內能唯一標識物品的識別碼、物品的靜態與動態信息。

總之，信息的自由融動將人類世界和物理世界緊密地聯系在物聯網中，也使物理世界第一次獲得了與人類對話的參與權。