分析:物联网的系统架构与应用拓展

   物联网     2019-04-17     毕善鹏 苏震    302    0    
核心提示:物联网技术当前已成为国际科学技术进展与产业创新重组的新途径,许多发达国家都加大了对物联网技术和智慧型基础设施的投入与研发力度,力图抢占科技制高点。我国也及时地将物联网列为国家重点发展的战略性新兴产业之一,力争走在世界的前列。本文从构建物联网的技术思想和应用拓展的层面上,说明了物联网所应具备的系统架构、相关的网络通信协议和云计算应用拓展支撑技术。
文章在分析物联网的两个基本特征的基础上, 提出了智能感知、网络通信、数据处理、终端应用四个部分的物联网系统架构。讨论分析了物联网络分层组成的基本方式和ZigBee低耗能自组网无线通信技在物联网络传输中的作用。并从应用技术向前发展的角度讨论了物联网与云计算技术相结合的物联网应用技术拓展方式。
 
1  引 言
物联网(IoT, Internet of Things)是通过多传感器系统,无线传感网络系统,射频标签识别系统(RFID),激光扫描与光电数据读取系统、环境特征传感系统,因特网和全球卫星定位系统等信息获取、传输与处理系统,将多种多样的物特征信息,统一转换为电子信息,并按约定的通信协议与互联网络建立连接,进行数据通信和信息交流。从而实现对多种多样的物体特征进行智能化识别,长距离信息传送,综合计算处理、实时目标监控、跟踪定位管理的一种网络互联工作模式。物联网有两个基本特征,一是物联网是在互联网基础上的延伸拓展而成的网络系统;其核心仍然是互联网。二是人们使用终端设备,可以从人与人之间的信息传递交流,拓展到了人与物、物与物、物与人之间的通信连接和信息交换。
 
物联网技术当前已成为国际科学技术进展与产业创新重组的新途径,许多发达国家都加大了对物联网技术和智慧型基础设施的投入与研发力度,力图抢占科技制高点。我国也及时地将物联网列为国家重点发展的战略性新兴产业之一,力争走在世界的前列。本文从构建物联网的技术思想和应用拓展的层面上,说明了物联网所应具备的系统架构、相关的网络通信协议和云计算应用拓展支撑技术。
 
2 物联网的系统架构和分层网络通信协议分析
2.1 物联网的系统架构                            
本文所提出的系统架构如图1所示,包括智能感知、网络通信、数据处理、终端应用四个部分。
图1   物联网的基本系统架构
 
智能感知层包含各种信息传感设备和各种智能感知网络,通过RFID(Radio FrequencyIIdentification)、WSNs(Wireless Sensor Networks)、无线局域网等网络技术采集物物交换信息接入到网络融合体系,利用包括广播电视网、互联网、电信网等网络途径经过数据处理后使信息到达终端用户应用系统.与此同时,终端用户可以通过主观行为影响底层网络面向不同应用,从而实现人与物、物与物、物与人之间的物联信息交互。
 
智能感知层是物联网发展和应用的基础,其网络分布包括WSNs、RFID系统、无线局域网等异构网络,通过异构网络的信息交互实现物体对外部物理环境的感知、允许系统对物品属性进行识别以及对信息的采集和捕获。数据处理层的主要作用是将底层收集的数据信息进行汇总、拆分、统计和备份,并完成将相关信息平稳接入到传输网络当中。数据处理技术有各种智能存储技术、云计算技术、海量数据分析和挖掘技术等;接入技术包括有线接入和无线接入两种方式,其中,有线接入方式有双绞线、同轴电缆和光纤等,无线接入方式有ZigBee、Wi-Fi、WiMAX、GPS、移动数据通信技术等。网络通信层是利用现有的各种通信网络,实现对底层传感器系统收集到的信息进行传输。终端应用层是面向用户的终端设备及其应用轻序,可以根据用户的不同需求搭建不同的操作平台。
 
2.2 物联网分层通信协议分析
物联网仍然是在互联网的基础上的拓展延伸而产生和进入应用领域的网络系统。如图2的物联网网络通信协议层次示意图所示,物联网网络通信协议以IP通信协议为基础,采用TCP/IP的分层式网络通信协议。
图2   物联网的网络通信方式示意图
 
(1)网络接口层:主要通过WSNs(Wireless Sensor Networks),RFID(Radio Frequency Identification)无线信息读写设备网络接口,有线或无线局域网等网络接口技术,完成多信息融合互联和网络物联信息共享。
 
(2)网络层:统一的IP地址可以解决非常复杂的硬件地址转换,使得物联网中各种异构网络互相通信成为可能,物联网的网络层主要负责IP寻址和路由的发现和维护。针对未来物联网络的需求, 需要在底层网络中建立一种基于IP的新路由方式来实现优化网络主机与物联网节点之间的无缝链接通信;
 
(3)传输层:具有分用和复用的功能,物联网的传输层主要负责数据流的传输控制。一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee(IEEE 802.15.4)通信方式具有低功耗和低成本的特点,适合于数据流量较小,通信速率要求不高,补充电能条件较差的的物-物组网连接方式。并且IEEE 802.15.4标准的无线通信技术在给定信噪比下其误码率最低,适用于家庭电器设备、野外气象测察设备、工农业自动化设备以及多种传感器组成的信息采集处理装置的智能化信息传输和控制网络。
 
ZigBee技术在物联网中有三个应用层次,一个是传感网络,可以实现“物”的识别;二是传输网络,即通过现有的互联网、广电网、无线通信网实现数据的传输;三是应用网络,即输入输出控制终端,包括手机、平板电脑等终端设备。
 
对于ZigBee网络,IEEE 802.15.4把网络中的设备分为全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)。FFD实现了IEEE 802.15.4协议的全集,而RFD则根据特定的应用需要只实现了IEEE 802.15.4完整功能协议中的一部分。FFD之间以及FFD和RFD可以互相通信,而RFD之间不能互相通信,只能与FFD通信。FFD可以在网络中充当任何设备角色,而RFD只能充当终端设备。
 
ZigBee主要采用了3种组网方式:星状网络、树状网络和网状网络。每一个ZigBee网络至少需要一个FFD实现网络协调管理。在星状网络中,网络协调器负责建立和维持网络,而其他的设备直接和网络协调器通信。在完整的ZigBee协议栈中,分别实现了协调器节点、路由节点以及终端节点的控制程序。以智能家居网络系统为例,由于采用了星状网络,只需要在协议栈的应用层对控制程序进行相应的设置修改,即可以实现对各个节点的控制功能;在节点独立供电正常情况下,各个ZigBee节点便能够以无线自组网的方式工作了。图3示出了一种智能家居网络的结构形式。
图3   智能家居的物联网系统示意图
 
(4)应用层:是物联网体系结构中的最高级层,应用层直接为终端用户的应用进程提供服务。物联网虽然是物‐物连接的网,但最终还是要实现物与人的信息沟通,并需要由人来操控。应用层解决的就是多种专项信息的处理和人机交互界面的问题。网络层传输过来的数据在这一层次里进入各类专项信息处理系统,并通过各种终端交互界面与人进行信息沟通。应用层又可以分为两个子层:一是应用程序层,二是终端设备层。应用程序层主要负责进行多种专项应用领域里的数据处理,如家居,银行,物流,交通,城市管理等各类专项信息的数据处理;终端设备层则提供人机交互界面和交互操作系统。这里所言及的人机交互界面实际上已经超出了通常意义上的人与计算机的交互概念,而是泛指与应用程序相连的多种终端设备以各种形式对人作信息反馈的环节。
 
3  物联网技术的应用拓展及其发展方向
3.1 云计算技术与物联网的应用拓展
云计算是物联网技术应用拓展的重要技术基础之一。物联网是以互联网的发展为前提的。随着物联网技术及其应用方式的进展,终端设备的数量会迅速增长,随之而来的是庞大的数据流量增长。传统的信息处理中心是难以满足这种计算需求的,在应用层就需要引入云计算中心处理海量信息。云计算作为一种虚拟化、分布式和并行计算的解决方案,可以为物联网提供网络引擎和支撑。

其联系主要体现在一下三个方面:
(1)物联网与云计算的结合应用势在必行;
(2)物联网的大规模发展离不开云计算平台的支撑,而云计算平台的完善和大规模的应用需要物联网的发展为其提供最大的用户;
(3)基于云计算的物联网安全研究将为物联网与云计算的发展提供最可靠的保障,也是物联网与云计算蓬勃发展的必要条件。
图4是物联网的一种体系结构,也可以称为CSI(Client,Service,Infrastructure)结构。基于以上三方面的内容,结合该体系进行说明。

CSI体系将云计算结构归纳为“用户端”“服务”和“基础设施”三个部分。其中“服务”是连接“用户端”和“基础设施”的纽带。这主要是充分利用了云计算技术两个最重要的特点:

(1)结合了分布式处理、并行处理和网格计算的优势。云计算技术将存储在分布式计算机产品中的大量数据和处理器资源整合在一起协同工作,使相关的计算分布在大量的分布式计算机上;
(2)超强的计算能力。通过一定的协调调度策略,云计算模式可以通过数百万乃至百万的普通计算机之间的联合来提供超强的、可以与超级计算机相抗衡的计算能力;
在早期的客户/服务器模式下,应用服务器由各组织机构自行运营维护,服务体现为紧耦合的对应程序调用结果的消息;分布式对象系统的发展使服务升级为分布式平台;后期随着互联网的发展,越来越多的应用服务器交给“云”上的运营者运营维护,客户端则基于服务中间件(如Enterprise Service Bus、Service Registry等)享受云端提供的Web Service;未来“云”提供的服务将以用户为中心进行一体化管理和组织。
图4   CSI体系结构 
随着以“云”为标识的互联网信息处理基础设施的发展,服务计算的重要性将越发明显。针对物联网需求特征的优化策略、优化方法和涌现智能也将更多地以服务组合的形式体现,并出现物联网服务新形态,进一步推动服务计算相关学科的发展。

3.2物联网技术的应用发展方向
回顾物联网的产生和发展历史,展望未来,可以看到,随着物联网的构建和应用拓展,物联网技术及其应用方式将会经历几个不同的阶段。分析和预测表明,2010-2015年的物联网系统将可以对相关的物与物之间的特征信息实现采集变换和通信互联;2015-2020年将可以实现半智能化的物-物联网方式;2020年之后预期可以实现全智能化的物联信息综合采集、实时传输和服务与资源的共享系统。表1示出了物联网及其应用技术的几个主要方面在未来发展中的进程推测和拓展方向。

考察分析物联网架构的技术特点和应用方式,可以看出,云计算技术的海量运算处理优势,可以实现网络上服务器和存储资源的虚拟化共享,提高计算机资源的利用效率和网络服务功能的性价比,这将成为未来物联网应用拓展的重要支撑技术之一。
 
2010年之前
2010—2015
2015—2020
2020年之后
物联网架构的相关技术
建立物联网架构标准,实现物特征感知或环境感知物联网技术
基于“网络中的网络”的架构技术。平台间的互操作技术
具有自适应能力。基于环境情况的物联网架构技术,各种自我属性和自适应能力
形成自认知体系架构和应用体验系统架构
无线通信技术
RFID、UWB、Wi-Fi、WiMax、Bluetooth、ZigBee、RuBee、ISA100、WirelessHart、6LoWPAN等通信技术和通信协议
低功耗芯片组。片上天线系统毫米级微波单芯片技术,极低功耗单芯片无线电技术,极低功耗微系统级芯片
宽频带以及具有频段感知能力的通信协议技术
在宽频段上的统一协议技术Unified protocol over wide spectrum
网络组织技术
多传感器网络技术,无线传感器网络技术
具有自觉醒、自认知、自组织能力的网络技术和无线传感器网络技术
具备网络环境认知能力的网络技术和无线传感器网络技术
具备网络自认知能力、自我学习和自我修复能力的网络技术和无线传感器网络技术
系统信息感知和数据处理技术
系统信息感知和自调节技术,序列化数据处理,并行数据处理算法优化技术
具有能源感知能力及频段感知能力的数据处理技术。具有环境自适应能力的数据处理技术
具有环境感知能力的数据处理和自适应技术
认知处理及其优化技术领域里的算法实现
传感器技术和硬件接口技术
RFID标签技术,传感器信息获取和转换接口技术
基于多重协议及多重标准的电子标签识读器技术,智能传感器技术
多传感器融合技术,智能传感器系统,多项驱动功能谐调联控技术
纳米技术、新材料技术在新型传感器及物联系统中得到更多应用
安全和隐私保护技术
安全协议和安全机制建立。基于RFID和无线传感器网络设备的安全协议和安全机制运行
建立以用户为中心的隐私保护政策和环境感知型隐私保护技术,实现虚拟化访问技术和匿名访问技术
面向安全性和保密性需求的安全与隐私设置技术和文件配置技术
建立具有自适应能力的网络安全机制及网络安全协议
标识与识别技术
形成不同的标识体系和标识方案。多种标识结构,ISO、GS1、u-Code、IPv6等
形成唯一标识的统一标准体系。用于物联网(标识)的开发架构,统一资源标识符
具备标识统一管理技术,标识的语义学技术。实现具有保密观念和隐私保护功能的物特征标识与识别技术
实现“物品”基因水平的标识与识别技术
表1  物联网及其应用技术的拓展方向

5  结束语
物联网的出现改变了物与人之间服务信息传递的模式。物联网的功能拓展及其相应的应用体验改变了网络结点上物与人之间的信息交流模式。本文提出了物联网四个基本部分的系统架构和分层网络通信协议的组成方式,分析了ZigBee低耗能自组网无线通信技术的特点和在物联网络传输中的作用。并在此基础上从应用拓展的角度讨论了物联网与云计算技术相结合的未来发展模式。随着现代传感技术,新一代无线通信技术、互联网和云计算技术的进步,中国的物联网技术及其应用方式也会向着更高水平拓进发展,本文对于深入理解物联网的技术思想和系统构建方式,实现更多领域里的拓展应用,具有启发和引导意义。

文/中国传媒大学信息工程学院 毕善鹏 苏震

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本文标题: 分析:物联网的系统架构与应用拓展

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