1.4 物聯網各層功能及其相關技術

本書根據ITU-T參考模型，把物聯網體系結構分為4層，從下到上分別為感知層、傳輸層、處理層和應用層，如圖1-5所示。實際上，這種劃分方法，除了名稱不一致外，各層功能完全與ITU-T參考模型一樣，這樣做是為了順應國內物聯網行業的習慣稱謂。圖中方框為每層涉及的一些常見術語或技術。

1.4.1 感知層

感知層相當于人的神經末梢，負責物理世界與信息世界的銜接。感知層的功能是感知周圍環境或自身的狀態，并對獲取的感知信息進行初步處理和判決，根據規則做出響應，并把中間結果或最終結果送往傳輸層。

感知層是物聯網的前端，是物聯網的基礎，除了用來采集真實世界的信息外，也可以對物體進行控制，因此也稱為感知互動層。

物聯網感知技術可分為二維碼技術、RFID技術、傳感器技術、多媒體采集技術、地理位置感知技術這五大類。

在建設物聯網時，部署在感知層的設備有RFID標簽和讀寫器、二維碼標簽和識讀器、條碼和掃描器、傳感器、執行器、攝像頭、IC卡、光學標簽、智能終端、紅外感應器、GPS、手機、智能機器人、儀器儀表，以及內置移動通信模塊的各種設備等。

感知層的設備通常會組成自己的局部網絡，如無線傳感器網絡、家庭網絡、身體傳感器網絡（Body Sensor Networks，BSN）和汽車網等，這些局部網絡通過各自的網關設備接入到互聯網中。嵌入了感知器件和射頻標簽的物體組成的無線局部網絡就是無線傳感網。圖1-6所示為無線傳感器網絡的結點及其在停車場入口處的部署。

常見的數據采集設備是二維碼、RFID標簽、攝像頭和傳感器。二維碼的應用比較普遍，例如，實名制火車票上就印制著帶有車次、身份證號碼等信息的二維碼。在手機支付中，二維碼也可以作為電子車票保存在手機中。RFID設備在物流行業中的使用已比較普遍。攝像頭則常用在智能交通等方面。傳感器是物聯網的基礎，部署的數量將會越來越多，如在上海浦東國際機場的防入侵系統中，機場鋪設了3萬多個傳感結點，覆蓋了地面、柵欄和低空探測，可以防止人員的翻越、偷渡和恐怖襲擊等攻擊性入侵。

感知層建立的是物-物網絡，與通常的公眾通信網絡差別較大，這也體現在物聯網的基礎設施建設（如建造大樓、安裝設備和鋪設線路等）中。物聯網基礎設施的建設主要集中在感知層上，其他層次的基礎設施建設則可以充分利用現有的IT基礎設施。

傳統的IT基礎設施的建設只針對IT本身，而物聯網基礎設施的建設需要綜合考慮IT基礎設施和真實世界的物理基礎設施，打破了以往把IT基礎設施和物理基礎設施截然分開的做法。例如，對于高速公路的不停車收費系統，在建設收費站時就要考慮哪些收費口是停車收費的，哪些是不停車收費的，并且安裝相應的掃描識別設備。在一些監測系統中，傳感器的安裝是與系統本身的基礎設施密不可分的，最好是在系統基礎設施的建設過程中，考慮傳感器的安裝、組網及傳感數據的傳輸。由于物聯網中的傳感器數量大或者位置不固定，不宜采用有線連接，因此傳感網絡普遍采用無線傳輸技術來組網。

感知層是物聯網發展和應用的基礎，涉及的主要技術有物品信息編碼技術、自動識別技術、定位技術、傳感網絡技術和嵌入式系統等。

1）物品編碼技術包括條碼、二維碼、光學標簽編碼和EPC系統等內容。編碼技術是自動識別技術的基礎，能夠提供物品的準確信息。

2）自動識別技術包括RFID系統、圖像識別和語音識別等。

3）定位技術包括Wi-Fi定位、藍牙定位、射頻識別室內定位等。

4）傳感網絡技術包括傳感網數據的存儲、查詢、分析、挖掘、理解，以及基于感知數據決策和行為的理論與技術。

5）嵌入式系統包括嵌入式微處理器、嵌入式操作系統和嵌入式應用軟件開發等。感知層的大量設備都屬于嵌入式設備。

1.4.2 傳輸層

傳輸層負責感知層與處理層之間的數據傳輸。感知層采集的數據需要經過通信網絡傳輸到數據中心、控制系統等進行處理和存儲，傳輸層就是利用互聯網、傳統電信網等信息承載體，提供一條信息通道，以便實現物聯網讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的目的。

傳輸層面對的是各種通信網絡。通信網絡從運營商和應用的角度可以分為三大類：互聯網、電信網和廣播電視網。IPTV（網絡電視）和手機上網已經司空見慣，說明這3種網絡的實際部署和使用并不是相互獨立的。三網融合在技術層面上已經不存在問題，從趨勢上來說，三網將以互聯網技術為基礎進行融合。下一代互聯網NGI、下一代電信網NGN和下一代廣播電視網NGB將以IP技術為基礎實現業務的融合。

傳輸層面臨的最大問題是如何讓眾多的異構網絡實現無縫的互聯互通。通信網絡按地理范圍從小到大分為體域網（Body Area Network，BAN）、個域網（Personal Area Network，PAN）、局域網（Local Area Network，LAN）、城域網（Metropolitan Area Network，MAN）和廣域網（Wide Area Network，WAN）。

1）體域網限制在人體上、人體內或人體周圍，一般不超過10m。體域網技術可組成身體傳感網絡（Body Sensor Network，BSN）等。體域網標準由IEEE 802.15.6制定。

2）個域網范圍一般在幾十米，具體技術包括ZigBee、無線超寬帶（Ultra Wideband，UWB）、藍牙、無線千兆網（Wireless Gigabit，WiGig）、高性能個域網（High Performance PAN，HiperPAN）和紅外數據（Infrared Data Association，IrDA）等。

3）局域網范圍一般在幾百米，具體技術包括有線的以太網、無線的Wi-Fi等。大多數情況下，局域網也充當傳感器網絡和互聯網之間的接入網絡。

4）城域網范圍一般在幾十千米，具體技術包括無線的Wi-Max、有線的彈性分組環（Resilient Packet Ring，RPR）等。

5）廣域網一般用于長途通信，具體技術包括同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、光傳送網（Optical Transport Network，OTN）、異步傳輸模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）及軟交換等傳輸和交換技術。廣域網是構成移動通信網和互聯網的基礎網絡。

感知層一般采用體域網、個域網或局域網技術，傳輸層一般采用局域網、城域網和廣域網技術。

從傳輸層的數據流動過程來看，可以把通信網絡分為接入網絡和互聯網兩部分。

接入網絡為來自感知層的數據提供到互聯網的接入手段。由于感知層的設備多種多樣，所處環境也各異，會采用完全不同的接入技術把數據送到互聯網上。接入技術分為無線接入和有線接入兩大類。

常見的無線接入技術有Wi-Fi接入、GPRS接入和3G接入等。Wi-Fi是一種無線局域網，通過無線路由器（正式名稱為AP，即接入點）連接到互聯網上。GPRS是利用第二代移動通信網的設施連接到互聯網上。3G接入是直接利用第三代移動通信網連接到互聯網上。

常見的有線接入技術有非對稱數字用戶線（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）接入、以太網接入和光纖同軸電纜混合（Hybrid Fiber-Coax，HFC）接入等。ADSL是采用電話線通過固定電話網接入到互聯網。以太網是采用雙絞線通過計算機局域網接入到互聯網。HFC是采用同軸電纜通過有線電視網接入到互聯網。

由于傳輸層的網絡種類較多，相應的接入技術也比較繁雜，而接入技術與其他網絡的功能區別較為明顯，因此也有人把物聯網的接入功能設置為單獨的一層，稱為接入層。

一些短距離的無線通信網絡，既可以作為傳輸層傳輸網的接入技術，也可以作為感知層傳感網的組網技術。例如，低功耗Wi-Fi網絡就可以用作無線傳感網。無線傳感網是由一些低功耗的短距離無線通信網絡構建的，通常直接通過網關接入到互聯網，因此也有人把無線傳感器網絡歸入物聯網的接入網。

感知層的物體互聯通常都是按區域性的局部網絡組織的，傳輸層可以把這些局部網絡連接起來，形成一個行業性的、全球性的網絡，從而可以提供公共的數據處理平臺，服務于各行各業的物聯網應用。連接各個局部網絡的任務主要由互聯網來完成。

互聯網就是利用各種各樣的通信網絡把計算機連接起來，達到實現信息資源共享的目的。互聯網把所有通信網絡都看作是承載網絡，由這些網絡負責數據的傳輸，互聯網本身則更多地關注信息資源的交互。

對于長途通信來說，互聯網（包括移動通信網）是利用電信網中的核心傳輸網和核心交換網作為自己的承載網絡的。核心傳輸網和核心交換網利用光纖、微波接力通信與衛星通信等建造了全國乃至全球的通信網絡基礎設施。圖1-7所示為電信運營商傳輸機房中核心傳輸網的傳輸設備。

在長距離通信的基礎設施方面，互聯網除了使用核心傳輸網、核心交換網和移動通信網等基礎設施外，一些部門或行業也會利用交換機、路由器和光纖等設備建立自己獨有的基礎設施。電信行業不甘心自己淪為互聯網的承載網絡角色，一方面建設公用互聯網，如中國公用計算機互聯網（ChinaNet），另一方面也積極提供互聯網的業務，如移動互聯網業務。

物聯網目前的建設思路與互聯網當初的建設思路非常相似。互聯網是利用電信網的基礎設施或有線電視網把世界各地的計算機或計算機局域網連接起來組成的網絡。各單位關心的是本單位局域網的建設，局域網之間的互聯依靠電信網。隨著計算機所能提供的服務的增多，尤其是Web服務的出現，逐漸形成了今天的互聯網規模。

在物聯網建設中，物聯網則是把傳感器（對應于計算機）連接成傳感網（對應于計算機局域網），然后再通過現有的互聯網（對應于電信網）相互連接起來，最后將構成一個全球性的網絡。

從物聯網的角度看，包括互聯網在內的各種通信網絡都是物聯網的承載網絡，為物聯網的數據提供傳輸服務。目前物聯網的建設具有行業性特點，某些行業專網的基礎設施可以是獨有的，如智能電網，也可以利用電信網或互聯網的虛擬專網技術來建設自己的行業網絡。

1.4.3 處理層

處理層為物聯網的各種應用系統提供公共的數據存儲和處理功能，在某些物聯網應用系統中也稱為支撐層或中間件層。處理層在高性能計算技術的支撐下，對網絡內的海量信息進行實時高速處理，對數據進行智能化挖掘、管理、控制與存儲，通過計算分析，將各種信息資源整合成一個大型的智能網絡，為上層服務管理和大規模行業應用提供一個高效、可靠和可信的支撐技術平臺。

處理層的設備包括超級計算機、服務器集群及海量網絡存儲設備等，這些設備通常放在數據中心里。數據中心也稱為計算中心、互聯網數據中心（Internet Data Center，IDC）或服務器農場等，其內部設施如圖1-8所示。數據中心不僅僅包括計算機系統、存儲設備和網絡設備，還包含冷卻設備、監控設備、安全裝置，以及一些冗余設備。

超級計算機就是把數量眾多的處理器連接在一起，利用并行計算技術實現大型研究課題的計算機。超級計算機可以為物聯網某些行業應用的海量數據處理提供高性能計算能力，例如，無錫物聯網云計算中心就部署了曙光超級計算機。

服務器集群就是共同為客戶機提供網絡資源的一組計算機系統。當其中一臺服務器出現問題時，系統會將客戶的請求轉到其他服務器上進行處理，客戶不必關心網絡資源的具體位置，集群系統會自動完成。

海量網絡存儲設備包括硬盤、磁盤陣列、光盤和磁帶等，這些設備為物聯網的海量數據提供存儲和數據共享服務。網絡存儲技術分為直附式存儲、網附式存儲和存儲區域網（Storage Area Network，SAN）等幾種類型。

處理層通過數據挖掘、模式識別等人工智能技術，提供數據分析、局勢判斷和控制決策等處理功能。

處理層大量使用互聯網的現有技術，或者對現有技術進行提升，使之適應物聯網應用的需要。因此在不同的物聯網層次體系結構中，也有人把處理層放在傳輸層中，統稱為網絡層。處理層要為物聯網的各行業的應用提供公共的數據處理平臺和服務管理平臺，因此也有人把處理層的功能放在應用層。

1.4.4 應用層

應用層利用經過分析處理后的感知數據，構建面向各類行業實際應用的管理平臺和運行平臺，為用戶提供豐富的特定服務。

應用層是物聯網與行業專業技術的深度融合。為了更好地提供準確的信息服務，必須結合不同行業的專業知識和業務模型，借助互聯網技術、軟件開發技術和系統集成技術等，開發各類行業應用的解決方案，將物聯網的優勢與行業的生產經營、信息化管理、組織調度結合起來，以完成更加精細和準確的智能化信息管理。例如對自然災害、環境污染等進行預測預警時，需要相關生態、環保等多學科領域的專門知識和行業專家的經驗。

互聯網技術可以使物聯網的行業應用不受地域的限制，互聯網也能提供眾多的數據處理公共平臺和業務模式。

軟件開發技術用于各行業開發自己的物聯網應用程序，實現支付、監控、安保、定位、盤點和預測等各行業自己的特定功能。

系統集成技術將不同的系統組合成一個一體化的、功能更加強大的新型系統。物聯網是物理世界和信息世界的深度融合，行業跨度較大。利用設備系統集成和應用系統集成等技術，有效地集成現有技術和產品，給各行業的物聯網建設提供一個切實可行的完整解決方案。

物聯網廣泛應用于經濟、生活和國防等領域。物聯網的應用可分為監控型、查詢型、控制型和掃描型等幾種類型。監控型有物流監控、污染監控等，查詢型有智能檢索、遠程抄表等，控制型有智能交通、智能家居和路燈控制等，掃描型有手機支付、高速公路不停車收費等。圖1-9所示為智能交通中的監控中心。

物聯網應用的實現最終還是需要人進行操作和控制。應用層的設備包括人機交互的終端設備，如計算機、手機等。實際上，任何運行物聯網應用程序的智能終端設備都可以看作是應用層的設備，如可手持和佩戴的移動終端、可配備在運輸工具上的終端等，通過這些終端，人們可以隨時隨地享受物聯網提供的服務。

以物聯網城市停車收費管理系統的某解決方案為例，體會一下物聯網的應用。該解決方案采用無線傳感技術組建各種停車場的停車收費管理系統，整個系統由停車管理、停車檢測、車輛導航、車輛查詢、車位預約、終端顯示發布、客戶關懷和系統遠程維護8個子系統組成，可實現交通信號控制、車輛檢測、流量檢測、反向尋車和車輛離站感知等功能，可以將整個停車場的車位占用狀況實時地顯示給各位車主，并且可以進行停車引導，從而節省車主的停車時間，提高車位利用率。