物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)綜述

尹春林，楊莉，楊政，潘侃，沈鑫

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

近年來“云大物移智+區(qū)塊鏈”發(fā)展迅速，特別是其中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things）[1]被認(rèn)為是新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，同時(shí)也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)最終追求的目標(biāo)是萬物。物聯(lián)網(wǎng)就是萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)，包括：物與物的互聯(lián)、人與物的互聯(lián)和人與人的互聯(lián)。這里包含兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心仍然是互聯(lián)網(wǎng)，僅是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和擴(kuò)展的一種更泛在的網(wǎng)絡(luò)；第二，其互聯(lián)的對象延伸和拓展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行通訊和信息交換，即物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過識(shí)別技術(shù)、智能感知及普適計(jì)算、邊緣計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，因此認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮[2]。

早期的物聯(lián)網(wǎng)主要是依托射頻識(shí)別（RFID）[3]技術(shù)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，但隨著技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展及演進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了較大變化。首先從功能的角度看，ITU[1]（國際電信聯(lián)盟）認(rèn)為“世界上所有的物體均可以通過因特網(wǎng)進(jìn)行主動(dòng)的信息交換，實(shí)現(xiàn)任何地點(diǎn)、任何時(shí)間、任何物體之間的互聯(lián)互通，無所不在的計(jì)算和無所不在的網(wǎng)絡(luò)”；從技術(shù)角度看，ITU認(rèn)為“物聯(lián)網(wǎng)涉及射頻識(shí)別、傳感器、納米和智能等技術(shù)”。

物聯(lián)網(wǎng)是建立在互聯(lián)網(wǎng)上的一種泛在網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的核心依舊是互聯(lián)網(wǎng)，只是物聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)網(wǎng)的外延進(jìn)行了擴(kuò)展?；ヂ?lián)網(wǎng)可以看做是人的一種延伸，而物聯(lián)網(wǎng)則是萬物的一種延伸。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

體系架構(gòu)可以精確地定義系統(tǒng)的各組成部件及其之間的關(guān)系，指導(dǎo)開發(fā)人員遵從一致的原則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，保證最終建立的系統(tǒng)符合預(yù)期的設(shè)想。由此可見，體系架構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，因此本文將對物聯(lián)體系架構(gòu)做分析研究。

按照自底向上的思路，目前主流的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)可以被分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[5-7]。根據(jù)不同的劃分思路，也有將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分五層的: 信息感知層、物聯(lián)接入層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、智能處理層和應(yīng)用接口層。還有一些其他的設(shè)計(jì)方法，諸如由美國麻省理工學(xué)院Auto ID實(shí)驗(yàn)室提出的networked Auto ID[8]、由日本東京大學(xué)發(fā)起的非盈利標(biāo)準(zhǔn)化組織UID中心制訂的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)IDIoT[9]、由美國弗吉尼亞大學(xué)的Vicaire等人針對多用戶多環(huán)境下管理與規(guī)劃異構(gòu)傳感和執(zhí)行資源的問題，提出的一個(gè)分層物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)physical-net[10]，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織（ETSI）正在制訂的M2M[11]等其他體系架構(gòu)。本文對當(dāng)前主流的三層體系架構(gòu)進(jìn)行分析。

1.1 傳感層

感知層是物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)當(dāng)中是最基礎(chǔ)的一層，也是最為核心的一層，感知層的作用是通過傳感器對物質(zhì)屬性、行為態(tài)勢、環(huán)境狀態(tài)等各類信息進(jìn)行大規(guī)模的、分布式的獲取與狀態(tài)辨識(shí)，然后采用協(xié)同處理的方式，針對具體的感知任務(wù)對多種感知到的信息進(jìn)行在線計(jì)算與控制并做出反饋，是一個(gè)萬物交互的過程。感知層被看做是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心層，主要完成的是信息的采集、傳輸、加工及轉(zhuǎn)換等工作。感知層主要由傳感網(wǎng)及各種傳感器構(gòu)成，傳感網(wǎng)主要包括以NB IoT和LoRa等為代表的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN），傳感器包括RFID標(biāo)簽、傳感器、二維碼等。

通常把傳感網(wǎng)劃分于傳感層中，傳感網(wǎng)被看做是隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微小節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可以通過自組織、自適應(yīng)的方式組建無線網(wǎng)絡(luò)。傳感層的通訊技術(shù)主要是以低功耗廣域網(wǎng)為代表的傳感網(wǎng)，主要解決物聯(lián)網(wǎng)低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接等問題，以NB-IoT、Sigfox、LoRa、eMTC等為代表的通訊技術(shù)；其次包括Zigbee、WiFi、藍(lán)牙、Z-wave等短距離通信技術(shù)。相關(guān)技術(shù)將在第2節(jié)做具體介紹。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層作為整個(gè)體系架構(gòu)的中樞，起到承上啟下的作用，解決的是感知層在一定范圍一定時(shí)間內(nèi)所獲得的數(shù)據(jù)傳輸問題，通常以解決長距離傳輸問題為主。而這些數(shù)據(jù)可以通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、各類專用通用網(wǎng)、小型局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸交換。網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵長距離通訊技術(shù)主要包含：有線、無線通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，以3G、4G等為代表的通訊技術(shù)為主，可以預(yù)見未來5G技術(shù)將成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一大核心[12]。網(wǎng)絡(luò)層使用的技術(shù)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)之間本質(zhì)上沒有太大差別，各方面技術(shù)相對來說已經(jīng)很成熟了，因此，本文不占用太多篇幅介紹網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)技術(shù)。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層位于三層架構(gòu)的最頂層主要解決的是信息處理、人機(jī)交互等相關(guān)的問題，通過對數(shù)據(jù)的分析處理，為用戶提供豐富特定的服務(wù)[13]。本層的主要功能包括兩個(gè)方面內(nèi)容：數(shù)據(jù)及應(yīng)用。首先應(yīng)用層需要完成數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)的處理；其次要發(fā)揮這些數(shù)據(jù)價(jià)值還必須與應(yīng)用相結(jié)合。例如在電力行業(yè)中的智能電網(wǎng)遠(yuǎn)程抄表：部署于用戶家中的讀表器可以被看作是感知層中的傳感器，這些傳感器在收集到用戶用電的信息后，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送并匯總到相應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)的處理器中。該處理器及其對應(yīng)相關(guān)工作就是建立在應(yīng)用層上的，它將完成對用戶用電信息的分析及處理，并自動(dòng)采取相關(guān)信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

本節(jié)針對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與研究的熱點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行闡述，主要對物聯(lián)網(wǎng)感知層的通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)和RFID技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)不同于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)通訊對帶寬及功耗要求不高，但對傳輸距離和連接量有很高要求，以無線通訊技術(shù)為主，這就對物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)提出了新的要求。物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)按傳輸?shù)姆绞椒譃閮深?，一類為低功耗廣域網(wǎng)為主，即廣域網(wǎng)通訊技術(shù)，以NB-IoT、LoRa、Sigfox為代表；另一類則以Zigbee、WiFi、藍(lán)牙、Z-wave等短距離通信為主的物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)為代表。同時(shí)廣域網(wǎng)又分為授權(quán)頻段技術(shù)和非授權(quán)頻段技術(shù)，授權(quán)頻段為獲得授權(quán)使用的頻段。本節(jié)對低功耗廣域網(wǎng)和短距離通訊技術(shù)進(jìn)行介紹。

低功耗廣域網(wǎng)，本文主要介紹授權(quán)頻段為代表的NB-IoT窄帶技術(shù)和非授權(quán)頻段為代表的LoRa技術(shù)：

1）NB-IoT：目前窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things）已成為了萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的，大約只消耗180KHz左右的帶寬，可直接部署于2G網(wǎng)絡(luò)、3G網(wǎng)絡(luò)或4G網(wǎng)絡(luò)上，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)為主。

NB-IoT主要應(yīng)用于低功耗、廣域覆蓋物聯(lián)網(wǎng)場景，被看作是在全球范圍內(nèi)廣泛實(shí)踐應(yīng)用的一種新興技術(shù)。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內(nèi)、保護(hù)帶或獨(dú)立載波等三種部署方式，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。

2）LoRa：屬于低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司大力推廣和應(yīng)用的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。為此，這一通訊方案也改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗不兼容的問題，LoRa為用戶提供一種能實(shí)現(xiàn)低功耗、遠(yuǎn)距離、大容量、低帶寬的系統(tǒng)解決方案，進(jìn)而對傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。目前，LoRa 主要在全球免費(fèi)非授權(quán)頻段運(yùn)行，以433、868、915 MHz等頻段為主。LoRa技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)、電池壽命長（低功耗）、低成本的特性。

LoRa主要線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)為主，既保持了低功耗特性，又明顯地增加了通訊的距離，還提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。另一方面還增加了網(wǎng)絡(luò)抗干擾的能力，即不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)信息也不會(huì)產(chǎn)生相互干擾的現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器／網(wǎng)關(guān)能夠并行接收并同步處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)容量得到了極大的提升。同時(shí)，線性擴(kuò)頻技術(shù)空間通信、己在軍事等領(lǐng)域使用了數(shù)十年，主要是因?yàn)槠渚哂虚L通信距離和抗干擾能力強(qiáng)的特性。LoRa也是第一個(gè)用于商業(yè)用途的低成本物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)。這一技術(shù)改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗不兼容的問題，提供一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命（低功耗）、大容量、低成本的通訊技術(shù)。

2.2 傳感器

傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)最底層的終端技術(shù)，對支撐整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)起到基礎(chǔ)性作用，是實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)的基礎(chǔ)，是互聯(lián)網(wǎng)延伸成為物聯(lián)網(wǎng)的前提條件。傳感器（transducer/sensor）是一種檢測采集裝置，能感受采集到被測量的信息，并能將感受到的信息按特定的要求變換成電信號(hào)或其他所需的信號(hào)進(jìn)行輸出，以滿足信息的傳輸、處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、多樣化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化等其他特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、自動(dòng)傳輸和自動(dòng)檢測的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，使物體有了觸覺、味覺、嗅覺等感官能力，讓物體變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能又被分為熱敏元件、氣敏元件、光敏元件、力敏元件、濕敏元件、聲敏元件多種類型。

傳感器是人類五官的延伸及拓展。傳感器決定了能對外界感知的程度，根據(jù)不同的需求選擇不同的傳感器類型，傳感器的類型也決定了其應(yīng)用場景。

2.3 RFID

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，即通常所說的無線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸就能夠?qū)崿F(xiàn)信息的傳輸。射頻主要適用于短距離通信，以1-100GHz的微波為主。RFID系統(tǒng)通常有三部分組成，即應(yīng)答器、閱讀器及應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

應(yīng)答器：由天線、芯片及耦合元件組成，一般情況下用標(biāo)簽作為應(yīng)答器，每個(gè)標(biāo)簽都具有唯一的電子編碼，附著在物體上。

閱讀器：與應(yīng)答器類似，也是由天線，耦合元件及芯片三部分組成，讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備通常設(shè)計(jì)為固定式讀寫器或手持式RFID讀寫器。

應(yīng)用軟件系統(tǒng) ：主要是設(shè)計(jì)在應(yīng)用層軟件之上，首先是把收集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理和加工，然后為人們所使用。

3 結(jié)束語

云大物移智及區(qū)塊鏈成為當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最為重要的幾個(gè)方向，相關(guān)的技術(shù)研究也比較火熱，物聯(lián)網(wǎng)是其中比較重要的一個(gè)浪潮。本文首先對物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行介紹，主要分析了物聯(lián)網(wǎng)國內(nèi)外發(fā)展及研究情況，其次對物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行體系機(jī)構(gòu)闡述，主要根據(jù)當(dāng)前主流的三層架構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層進(jìn)行分析，最后對物聯(lián)網(wǎng)的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析介紹。

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)千億級(jí)產(chǎn)業(yè)鏈，其蘊(yùn)含的價(jià)值遠(yuǎn)超想象，當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還處于嬰幼兒階段，還有很多技術(shù)還不成熟，國內(nèi)外對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展無論從政治上、經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上都投入了大量的人力、物力和財(cái)力。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展還會(huì)取得更大的突破。