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1.2 物聯網技術架構

2018年,AIoT的概念問世。AIoT推進了“物聯網+云計算+5G+邊緣計算+大數據+智能+控制”技術的深度融合與創新發展,將物聯網技術、應用與產業發展推向一個新的階段。

圖1-3給出了AIoT技術架構示意圖。AIoT技術架構是由感知層、接入層、邊緣層、核心交換層、應用服務層與應用層這6層組成。

感知層是物聯網的基礎,能夠實現感知、控制用戶與系統交互的功能。感知層包括傳感器與執行器、RFID標簽與讀寫設備、智能手機、GPS、智能家電與智能測控設備、可穿戴計算設備與智能機器人等移動終端設備,涉及嵌入式計算、可穿戴計算、智能硬件、物聯網芯片、物聯網操作系統、智能人機交互、深度學習和可視化技術。在有些文獻中,感知層又稱為設備層。

接入層擔負著將海量、多種類型、分布廣泛的物聯網設備接入物聯網應用系統的責任。接入層采用的接入技術可以分為有線接入與無線接入兩類。有線接入技術包括:以太網、電話交換網、有線電視網、現場總線與工業以太網、光纖與光纖傳感網、電力線接入等。無線接入技術包括:近場通信NFC、UWB,近距離無線通信網ZigBee、BLE藍牙、6LoWPAN、NB-IoT,無線Wi-Fi接入,5G云無線接入網C-RAN、異構云無線接入網H-CRAN,以及無線自組網Ad hoc、無線傳感網接入等。

邊緣層又稱為邊緣計算層,它將計算與存儲資源(如邊緣云、微云或霧計算節點)部署在更貼近于移動終端設備或傳感器的網絡邊緣,構成邊緣云平臺,將對于實時性、帶寬與可靠性有很高需求的計算任務遷移至邊緣云中處理,以減小服務響應延時、滿足實時性應用需求,優化與改善終端用戶體驗。邊緣云與核心云協作,形成“端-邊-云”的三級數據處理模式。

圖1-3 AIoT技術架構示意圖

作為提供行業性、專業性服務的物聯網核心交換層的廣域主干網,承擔著讓接入網與分布在不同地理位置的業務網絡實現互連互通的功能。對網絡安全要求高的核心交換網分為內網與外網兩大部分,內網與外網通過安全網關連接。核心交換網的內網可以采用IP專網、虛擬專網(VPN)或5G核心網技術構建。

應用服務層軟件運行在云計算平臺之上。應用服務層為物聯網應用層需要實現的功能提供服務。提供的共性服務主要包括對物聯網多傳感器數據的融合技術;從數據中挖掘知識的大數據技術;根據智能決策要求,向用戶提供可視化的輔助決策技術;通過對系統的閉環智能控制功能,數字孿生將大大提升物聯網系統閉環控制智能化水平。區塊鏈將為構建物聯網信任體系提供重要的技術支持。

應用層包括智能工業、智能農業、智能物流、智能交通、智能電網、智能環保、智能安防、智能醫療與智能家居等行業物聯網應用,以及消費物聯網應用。無論是哪類應用,從系統功能實現的角度,都是要將代表系統預期目標的核心功能分解為多個簡單和易于實現的功能。每個功能的實現都需要經歷復雜的信息交互過程,每個信息交互過程都需要制定一系列的通信協議。因此,應用層是實現某類物聯網應用的功能、運行模式與協議的集合。軟件研發人員將依據通信協議,根據任務需要來調用應用服務層的提供不同服務的軟件模塊,通過協同工作來實現物聯網應用系統的總體功能。

綜合對AIoT技術架構與跨層共性服務的討論,我們可以給出由“六個層次”與“四個跨層共性服務”構成的AIoT層次結構參考模型(如圖1-4所示)。

圖1-4 AIoT層次結構參考模型

理解物聯網接入層的基本功能,需要注意以下幾個問題:

● 接入層的主要功能是將感知層的傳感器、執行器與用戶終端設備接入物聯網應用系統中;

● 接入層需要根據具體的接入設備類型、功能需求與數據類型,有針對性地選擇不同的接入網;

● 接入網在物聯網系統的設計與實現中,需要考慮網絡安全、網絡管理、對象名字解析與QoS/QoE的問題。

物聯網產業界人士,如系統架構師與系統設計工程師、軟件開發人員習慣用更為簡潔的“端-邊-網-云-用”或“端-邊-云”來表述物聯網應用系統層次結構,其中的“端”包括感知層與接入層。

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