1.2　物联网相关技术

当前，全球制造业的发展越来越呈现数字化、网络化和智能化的新特征。

从国家层面看，美国提出“工业互联网”战略、德国提出“工业4.0”战略、中国提出“互联网+”战略，主要意图都是抢占智能制造这一未来产业竞争的制高点。

从企业层面看，应把实施互联网战略作为企业提升竞争力的关键环节。互联网不再只是企业生产的工具和手段，而是已成为支撑企业成长的关键要素和支撑平台。基于互联网思维下的企业转型升级，推动众多新业态的崛起，已经成为当前制造业发展的新亮点，更是当前经济形势下难得的发展机遇。

从技术层面看，物联网是互联网概念的延伸。如果说互联网是“软”的，那么物联网则是“软（云平台）+硬（智能硬件）”的模式。这也是为什么互联网巨头转型到物联网时，需要做硬件，而传统的硬件公司转型到物联网就要做云平台，这是物联网软硬件的互补性需求。物联网必须“软硬”结合，硬件是基础设施，连接是必要条件。通过硬件获取数据及软件的处理，才是物联网的核心价值。因此，物联网带来的价值绝大多数将来自云平台上的数据。也就是说，未来物联网出现的地方，大数据、云平台就像孪生兄弟一样相伴而行。如今市场上缺少的不是硬件个体，而是如何让硬件之间互联互通，同时提供多样的云平台服务，如数据的存储、分析、处理和推送，这样才能对人类社会的进步起到推动作用。

物联网本身可以是任意大小的网络。例如，物联网系统可以是一种智能家庭局域网，为了方便人们在室内的各种活动而形成一种多样化网络架构，通常由灯光照明、电器控制、遮阳控制、节能控制、远程抄表、应用软件、互联规划和共享网络等子系统组成，主要利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居系统设计方案、安全防范技术、自动控制技术和音视频技术将与家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性和艺术性，并实现环保节能的居住环境。也就是说，如今物联网发展所取得的成果，是建立在技术进步基础上的。下面将简单介绍物联网的相关技术。

1.2.1　接入技术

在智能家居领域，有线组网技术是最先兴起的，这种组网方式具有稳定性高、通信速度快等优点，但存在着网络庞大、布线复杂、灵活性差等诸多缺点。总的来说，经过多年的发展，有线组网技术普及率较高，市场出现了许多成熟的技术。有线方式主要包括电力线载波、电话线方式、以太网方式的IEEE 802.3以及专用总线方式的IEEE 1394等。物联网中使用的传统布线方案，不仅布线复杂且成本高昂，因此，基于无线技术的物联网互联方案渐渐获得市场的青睐。下面对目前无线和有线的接入方式做简单的介绍。

1. ZigBee技术

ZigBee技术作为一种低速短距离传输的无线网络协议，在物联网领域获得了广泛的使用，替代了传统的有线布线。基于ZigBee的智能家居能源管理系统，简化了家庭布线的复杂度，实现了家电的无线互联，为用户提供了舒适的家庭环境、方便易用的家电管理以及远程查看和管理家电的功能。ZigBee协议以低功耗、低成本、低速率、低复杂度和易组网等特点已经在医疗监护、环境监测、智能交通、智能电网和智能家居等方面得到了广泛研究与应用。

为了方便管理家电的工作模式，使用基于ZigBee技术的智能插座和红外遥控器等技术实现对家电的无线控制。其中，智能插座可以对所有家电执行简单的开关控制；而红外遥控器则可以对空调、电视机等多控制状态的家电执行控制，为家庭用户提供了方便易用的家电控制，美中不足是无法满足远距离家庭用户管理家电的需求。针对这个问题，有文章提出使用基于Web的动态网页远程管理家电的智能家居系统，使用嵌入式操作系统，以ARM Cortex-M3作为系统控制器，使用ZigBee无线传感器网络实现家电控制以及环境信息采集，提供动态网页供用户远程访问家电环境信息以及控制家电设备。

2. 红外通信技术

红外通信技术是以红外线作为通信介质的特定应用，通常用在移动电话、笔记本电脑和掌上电脑中。红外通信是被设计用于短距离、低功率、无需许可证的通信。但是红外通信由于技术原因，导致传输距离受到很大限制。例如，红外线不能穿越阻挡信号的物体、传输角度不能过大等。因此，在早期的智能家居应用中使用红外技术的效果并不理想。

在智能家居系统中，常常利用ZigBee技术来控制红外遥控器，从而间接地控制基于红外通信的家用电器。因为角度的偏离会影响设备对红外线的接收，可将红外遥控器固定在室内合适的位置，这样人们就可以通过ZigBee技术向红外遥控器发送指令，这些指令经过遥控器识别后转换成相应的红外通信指令，并发送到相应的红外控制家电上。使用基于ZigBee技术的红外遥控器，可以免去对家电的更新，只对遥控器进行重新设计，实施起来较为方便，但是这样仅仅实现了对红外家电的简单控制，没有任何家电信息的收集与交互。

3. 蓝牙技术

蓝牙技术是无线数据和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、家用电器采用无线方式连接起来。该技术用于替代便携、固定电子设备上所使用的电缆连线，是短距离无线连接技术，工作在2.4GHz的开放频段上，采用1600次/s的扩频技术，发射功率为三类，即1mW、10mW和100mW，通信距离为10～100m，传输速率约为3Mb/s。在传输数据信息的时候，还可传输一路话音信息，这也是蓝牙技术的重要特点之一。

蓝牙技术适用于在短距离（大约10m）范围内替代电缆，如果增大发射功率，它的传输距离可达100m，而家庭中各家电之间的相隔距离一般不会超过此距离。蓝牙传输速率完全可以满足家庭网络中各家电间的数据传输；而且，蓝牙的抗干扰能力强，它的快速跳频使系统更加稳定，前向纠错能力可以限制噪声的影响，这样家庭中的各种蓝牙家电可以互不干扰而正常工作；蓝牙系统具有连接的普遍性、标准的开放性以及强大的扩展性，可以满足家庭网络中的多种需要；蓝牙芯片的成本相对较低，因而可大大降低网络家电的成本；中国无线电管理委员会已对蓝牙技术开放了相应的频段，这起到了推广的作用。

基于蓝牙技术的智能家居控制方法，在需要控制的家电中嵌入蓝牙模块，从而组成蓝牙控制网络。利用嵌入式模块构成智能家居控制器、个人计算机模拟家庭主网关、单片机加蓝牙模块模拟信息家电，把三者结合组成模拟的家庭控制子网，实现家庭控制子网对家电设备的基本操作；采用以智能家居控制器为中心的完全星形组网方式，所有子网设备直接与智能家居控制器进行通信以完成子网的控制和管理功能，组网简单，实现即插即用。

4. WiFi

WiFi是一种可以将个人计算机、智能移动设备等终端以无线方式互相连接的技术，可以方便地与现有的有线以太网络整合，组网成本低，通常对应以个人计算机共享上网为主要应用模式的家庭网络服务。

在嵌入式处理器和操作系统基础上，利用WiFi模块互联各个家电终端，组建家庭无线网络。系统采用典型的客户机与服务器架构，充分发挥客户端个人计算机的处理优势，实现在WiFi热点区域接入无线通信终端，对家电设备远程控制。也可以基于ZigBee网络与WiFi视频监控网络构成智能家居监控系统，利用ZigBee传输标量数据和控制信号、WiFi传输音视频数据，并为下层的ZigBee网络提供互联网接入的网关功能，发挥两种无线技术的优势。

5. 蜂窝移动通信网

蜂窝移动通信采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在活动中可相互通信。其主要特征是终端的移动性，并具有越区切换和跨本地网自动漫游的功能。蜂窝移动通信是指由基站子系统和移动交换子系统等设备组成蜂窝移动通信网，并提供话音、数据、视频图像等业务。移动通信网主要包括第二代移动通信系统GSM、CDMA，第三代移动通信系统WCDMA、CDMA2000以及TD-SCDMA，第四代移动通信系统，第五代移动通信系统，等等。

6. 电力线

网络信息传输介质用电力线有很大优势。目前，大多数家居中已经铺设电力线，电缆不需要另外布设，虽然这样降低了施工难度，但是家庭中所使用的手持移动设备不能采用电力线接入网络。另外，电力线的缺点是传输速率较慢，仅有300kb/s，不能满足数字信号音频和视频信号的传输，保密性差，标准未统一，接入设备昂贵等。目前，国际上采用电力线作为联网传输介质推出的解决方案有X-10、CEBus等。

7. 电话线

HomePNA（Home Phoneline Networking Alliance，家庭电话线网络联盟）是一个非营利性组织，致力于协调采用统一的标准、统一电话线网络的工业标准。该联盟在1998年由11个公司共同建立，旨在以家庭电话线为连接介质构造家庭网络，使用频分复用技术，在同一条电话线上同时传送话音和数据信号，当用户上网时，打电话和收发传真都不受影响。HomePNA先后推出两个版本，分别是HomePNA 1.0和2.0，其中1.0版本支持1Mb/s的速率，2.0版本支持10Mb/s以上速率。韩国三星公司曾推出基于此项技术的家用智能产品。这种方式是通过在电话线上加载高频载波信号来实现信息传递的，可以同时满足电话业务、XDSL和家庭内部数据传输，且互不干扰。利用墙上预留的电话线插座，能够避免重新布线，但是在家庭中电话线插座不可能随处安装，在扩充新节点时还是会面临重新布线的问题。

8. 以太网

以太网指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。该技术基于铜介质的双绞线和同轴电缆实现信号的双向传输，数据传输率很高，可以达到10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s，能够传输数据、电话、视频以及家电控制信息，主要用于有线局域网和高速互联网。现阶段，以太网技术在目前的家庭设备互连中是最简单也是最普及的，成本低，但专门布线费用高，安装维护比较困难，几乎不具备移动性，家庭中的用户宁可使用已经铺设好的电话线或电缆，也不愿意再安装以太网线。因此，以太网方式可能是家庭网络发展初期的解决方案，但不是家庭网络的最终方案。

9. 专用总线

通过采用专用总线的形式来实现家庭控制网络组建，并完成小区的智能相连，如RS-485总线解决方案。它的优点是抗干扰能力比较强，技术相对成熟；缺点是需要重新铺设线路，给用户带来麻烦。

10. RFID技术

RFID技术是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。常用的有低频、高频、超高频和微波等技术。RFID读写器分为移动式和固定式，目前RFID技术应用很广，例如应用在图书馆、门禁系统和食品安全溯源等方面。

从概念上来讲，RFID类似于条码扫描。对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器，利用光信号将信息传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的、可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。从结构上来讲，RFID是一种简单的无线系统，用于控制、检测和跟踪物体。该系统只有两个基本器件，由一个询问器和很多应答器组成。RFID技术的飞速发展对于物联网领域的应用具有重要意义。

11. NFC技术

NFC（Near Field Communication，近场通信）技术是一种短距离高频的无线电技术，在13.56MHz频率运行于20cm距离内。NFC技术由RFID技术演变而来，由飞利浦半导体、诺基亚和索尼公司共同研制开发，其基础是RFID及互联技术。其传输速率有106kb/s、212kb/s和424kb/s三种。目前NFC技术已成为ISO/IEC IS 18092国际标准、ECMA-340标准与ETSI TS 102 190标准。NFC技术采用主动和被动两种读取模式；在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换，但是使用这种手机支付方案的用户必须更换特制的手机。目前，这项技术已被广泛应用，如果配置了这种支付功能的手机，就可以行遍全国，手机可以用作机场登机验证、大厦的门禁钥匙、交通一卡通、信用卡和支付卡等。

1.2.2　基于网络的信息管理技术

无线通信技术提供了家电互联的可能性，而Web技术的融入将会使家电信息的管理变得更加方便。越来越多的传感器正在接入互联网，包括便携式传感器，如手机中自带的各种传感器、环境感应传感器组成的传感器网络、智能家居中的传感器、各种商品货物上的标识传感器，它们共同组成了物联网。

传感器的目的是监测数据，形成一个庞大的监测网络，供用户参考。为了更好地管理传感器网络和利用传感器网络所监测的数据，Web技术脱颖而出，它将传感器网络中的各种数据资源、监测设备、应用系统和计算资源都融合在互联网上，形成了另外一种概念上的物联网，即物联Web。它能够让人们实时、全面、智能、可靠地监测和管理现实世界的对象，用户能够方便地获得感兴趣的传感器或传感器的观测值，从而根据这些观测值来决定对设备的下一步动作。

1. 家电传感器检索技术

用户要方便地获得智能家居传感器或传感器对家电的观测值，需要用到检索技术。当前的检索方式可以分为两类：语义检索和相似性检索。其中，语义检索分为简易文本检索和详细文本检索。简易文本检索支持检索描述传感器的文本元数据，例如传感器的类型、位置和测量单位等，但是实际应用性不强，因为人们描述同一概念的方式不同，简易文本的绑定容易造成检索误差；详细文本检索将描述传感器多个相关的文本元数据标记在传感器上，提供传感器描述表及详细的传感器描述，这在一定程度上降低了用户检索的误差，但是执行复杂，相关的文本元数据确定不易。相似性检索技术在一定程度上降低了语义检索的文本输入准确度要求，以图片或者数据检索与其相似的传感器或传感器数据，提高了易用性。检索技术可以用于智能家居的客户端，使用相似性检索有利于客户端在不同地方使用，不用进行客户端与智能家居的单独匹配，适合多种平台。

2. 嵌入式Web服务器

智能家居控制器是一个由软件和硬件共同组成的、具有计算机能力的功能实体，实现它的一种方法就是采用个人计算机。个人计算机不仅具有足够的能力实现控制与网关功能，而且可以很方便地实现控制与网关功能，但是作为控制中心也有它的不足，如体积大、功耗大和成本高，所以使用个人计算机作为智能家居控制器并不合适。为了克服个人计算机的这些不足，可以采用嵌入式系统来实现基于以太网的智能家居控制器。嵌入式系统以应用为中心，针对家居控制中心的要求，在软硬件上可定制设计，使之在功能、可靠性、成本、体积和功耗等方面符合家庭控制中心的要求。

基于嵌入式Web服务器系统的网络智能家居控制器，不仅符合物联网的发展趋势，而且具有很好的技术研究和应用价值，其中一些用于控制电灯、电冰箱、空调等家用电器的运行状态。例如，物联网控制器采用ARM处理器作为核心处理单元，硬件平台由处理器和以太网控制器等组成，软件平台主要以精简TCP/IP协议栈为核心，软硬件共同组建了嵌入式物联网Web服务器。精简TCP/IP协议栈包括以太网控制器驱动程序、ARP协议模块、IP协议模块、ICMP协议模块、TCP协议模块和HTTP协议模块。在HTTP协议的基础上，建立嵌入式Web服务器TCP/IP应用。用户可以使用任意浏览器对家居中的设备和环境进行检测和控制。

采用ZigBee技术与嵌入式Web服务器相结合的方式可以控制物联网。使用ZigBee技术可以组建家居无线控制网络，并且实现所有节点之间的数据收发，组网灵活，加入或退出节点都极为方便；加入嵌入式Web服务器，不仅提供了用户通过浏览器查询家居温度、控制家居中灯节点的功能，还可以设计一个较为友好的访问界面。

总体来说，当今主流的物联网无线接入技术，可以很好地实现物联网之间的互联，而Web技术的引入，极大地方便了家电信息的查询管理。对于物联网的管理，除了嵌入式Web服务器以外，还有基于Android和iOS平台的应用程序，通过相应的软件来对物联网进行管理。这些物联网能够启动的前提是控制端与各个接入家庭网的智能家电，在系统上必须保证匹配。也就是说，所有家电必须要有统一的标准，这样才能使控制端较好地对其进行操作。而当今物联网的控制标准尚缺，平台匹配较差，物联网需要定制，大大影响了用户对家电的选择性，因此出台相应的物联网标准和适用于智能家电系统的平台极为迫切。

3. 云计算技术

云计算是由谷歌公司提出的一种网络应用模式。狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。这种服务可以是和IT、软件、互联网相关的服务，也可以是任意其他的服务，具有超大规模、虚拟化、安全可靠等独特功能。

云计算是把一些相关网络技术和计算机融合在一起的产物，对存储系统和计算机进行调整，将分布式计算的信息和数据利用互联网完成信息传输，使资源的利用效率更高，目的是把各种任务进行低成本处理并融合为功能完整的实体。云计算是以加强改善其处理能力为重点，用户终端的负担相应降低，I/O设备能够简化，还可以对它的计算功能进行合理的分配应用。例如，百度等搜索功能就是它的应用之一。

随着物联网产业的深入发展，物联网发展到一定规模后，物理资源与云计算结合水到渠成。对于一部分物联网行业应用，如智能电网、地震台网监测等，终端数量的规模化导致物联网应用对物理资源产生了大规模需求，一个是接入终端的数量可能是海量的，另一个是采集的数据可能是海量的。云计算在物联网中的应用主要有三种：IaaS（Infrastructure-as-a-Service，基础设施即服务）模式、SaaS（Softwareas-a-Service，软件即服务）模式和PaaS（Platform-as-a-Service，平台即服务）模式。

（1）IaaS模式在物联网中的应用。无论是横向的、通用的支撑平台，还是纵向的、特定的物联网应用平台，都可以在IaaS技术虚拟化的基础上实现物理资源的共享，实现业务处理能力的动态扩展。IaaS技术在对主机、存储和网络资源的集成与抽象的基础上，具有可扩展性和统计复用能力，允许用户按需使用。除网络资源外，其他资源均可通过虚拟化提供成熟的技术实现，为解决物联网应用的海量终端接入和数据处理提供了有效途径。同时，IaaS对各类内部异构的物理资源环境提供了统一的服务界面，即为资源定制、出让和高效利用提供了统一界面，也有利于实现物联网应用的软系统与硬系统之间某种程度的松耦合关系。目前，国内建设与物联网相关的云计算中心、云计算平台，主要是IaaS模式在物联网领域的应用。

（2）SaaS模式在物联网中的应用。SaaS模式的存在由来已久，被云计算概念重新包装后，除了可以利用云计算的技术（如IaaS技术）外，其没有本质上的变化。通过SaaS模式，实现物联网应用提供的服务被多个客户共享使用。这为各类行业应用和信息共享提供了有效途径，也为高效利用基础设施资源、实现高性价比的大量数据处理提供了可能。在物联网范畴内出现的一些变化是，SaaS应用在感知层进行了拓展，它们依赖感知层的各种设备采集了大量数据，并以这些数据为基础进行关联分析和处理，向最终用户提供业务功能和服务。

（3）PaaS模式在物联网中的应用。研究机构Gartner把PaaS分成两类：APaaS（Application PaaS，应用部署和运行平台）和IPaaS（Integration PaaS，集成平台）。APaaS主要为应用提供运行环境和数据存储；IPaaS主要用于集成和构建复合应用。人们常说的PaaS平台大都指APaaS，如Force.com和GoogleAppEngine。在物联网范畴内，由于构建者本身价值取向和实现目标的不同，因此PaaS模式存在不同的应用模式和应用方向。

从目前来看，物联网与云计算的结合是必然趋势，但是物联网与云计算的结合也需要水到渠成。不管是PaaS模式还是SaaS模式，物联网的应用都需要在特定的环境中才能发挥应有的作用。

4. 大数据技术

对于大数据，研究机构Gartner给出了这样的定义：大数据是海量、高增长率和多样化的信息资产，它需要新处理模式才能获得更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力。大数据技术的战略意义不在于掌握庞大的数据信息，而在于对这些有意义的数据进行专业化处理。换言之，如果把大数据比作一种产业，那么这种产业实现盈利的关键在于提高对数据的加工能力，通过加工实现数据的增值。

从技术上看，大数据与云计算的关系就像一枚硬币的正反面一样密不可分。大数据必然无法用单台的计算机进行处理，必须采用分布式架构。它的特色在于对海量数据进行分布式数据挖掘，但它必须依托云计算的分布式处理、分布式数据库、云存储和虚拟化技术。随着云时代的来临，大数据也引起了越来越多的关注。著云台的分析师团队认为，大数据通常用来形容一个公司创造的大量非结构化数据和半结构化数据，这些数据下载到关系数据库用于分析时会花费过多时间和金钱。大数据分析常和云计算联系在一起，因为实时的大型数据集分析需要像MapReduce一样的框架来向数十、数百甚至数千的计算机分配工作。

大数据需要特殊的技术，以有效地处理某段时间内的数据。适用于大数据的技术包括大规模并行处理数据库、数据挖掘、分布式文件系统、分布式数据库、云计算平台、互联网和可扩展的存储系统。物联网通过智能硬件为云计算提供大量的数据。物联网、云计算与大数据技术之间的关系如图1-3所示。物联网依靠智能硬件接入，云计算包括云存储虚拟化、分布式处理以及分布式数据库、大数据技术包括分布式数据挖掘。

1.2.3　物联网语义

物联网系统分为四个层面：感知层、传输层、支撑层和应用层。感知层主要是对物体进行识别或数据采集；传输层是通过现有的通信网络将信息进行可靠传输；支撑层和应用层则是对采集的数据进行智能处理或展示。基于物理、化学、生物等技术发明的传感器标准已经有多项专利。而传输层的各种通信标准也已基本成熟，建立新的物联网通信标准难度较大，可行性较小。因此，物联网标准的关键和亟待统一的是关于应用层的标准，而其中尤以数据表达、交换和处理标准为核心。

目前，针对物联网应用层的数据交换标准主要有PML（Physical Markup Language，实体标记语言）、EDDL（Electronic Device Description Language，电子设备描述语言）、M2M XML（M2M eXtensible Markup Language，M2M可扩展标记语言）和NGTP（Next Generation Telematics Protocol，下一代车载智能通信协议）等。其中，PML是电子产品代码在物联网中交换信息的共同语言，用来描述人及机器都可以使用的自然物体的标准。EDDL可以描述现场设备中的数据，用于工程、调试、监视运行和诊断。M2M XML是一种用于终端设备间的通信协议，它包含一个用于分析协议的与语义无关的Java API。NGTP是宝马公司推出的开放式车载智能通信协议架构平台，它使用统一、开放的接口来区分车载智能通信服务供应链的各个环节。此外，各种行业标准层出不穷。

可以看出，现有的物联网应用层的数据交换标准大多是针对某一特定领域或行业业务提出的，有一定的局限性，所以当前物联网缺少的是一个统一的物联网数据交换标准体系。欧盟有关机构正在进行数据交换标准融合的研究，目标是综合考虑相关领域已有的基于XML的数据交换标准，以便为那些在不同的标准中语义上具有等价性的数据元素（尽管它们可能有不同的名字）提供全球唯一的交叉引用方式和标识结构，从而提炼出一个基础的元数据标准，把这个标准作为物联网数据交换的核心，那么，对于不同的行业应用，就可以基于元数据扩展出相应的行业数据交换标准。

总体来说，物联网的标准化工作已经得到了业界的普遍重视，但对于应用层的标准化工作来说，需要客观分析物联网标准的整体需求，从国际标准、国家标准、行业标准、地区标准等多个层次进行统筹设计；还需要协调各个标准的推进策略，优化资源配置。

1. 物联网数据交换标准的语义基础是本体

本体起源于哲学，被Neches等人引入计算机科学领域后，在人工智能、语义Web、软件工程以及信息架构等领域得到了广泛应用。本体最流行的定义是Gruber在1993年给出的，即本体是概念模型明确的规范说明。Studer在对前人的定义进行概括后提出本体的概念包括四个方面：一是概念模型，它是客观世界现象的抽象模型，其表示的含义独立于具体的环境状态；二是明确，所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义；三是形式化，本体的表示是形式化的，可以被计算机处理；四是共享，本体中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认的概念集，它所针对的是团体而不是个体。

本体的目标是获取相关的领域知识，提供对该领域知识的共同理解，确定该领域内共同认可的词汇，并从不同层次的形式化模式上，给出这些词汇（术语）和词汇间相互关系的明确定义。所以，本体是具有不同知识表示Web应用系统之间进行数据或知识交换共享的基础结构。通过定义共享和公共的领域知识，本体可帮助在机器之间或机器与人之间进行更加精确的交流，实现相互之间的语义交换，而不只是语法级的交互。

按照领域依赖程度，Guarino将本体划分为四类：一是顶级本体，用于描述通用的概念和概念之间的关系，如时间、空间、物质、对象、事件、动作等，顶级本体独立于特定的问题和领域，与具体的应用无关；二是领域本体，用于描述特殊领域（如教育或金融）中的概念，即陈述性知识；三是任务本体，用于描述特定任务或活动（如入学或取款）中的概念，即过程性知识；四是应用本体，可通过进一步特殊化领域本体和任务本体，将其用于描述既依赖于特定领域又依赖于特定任务的概念，这些概念通常对应于领域个体执行特定活动（如学生入学或客户取款）时所扮演的角色。Daniel等人利用现有的本体创建工具，构建了通用的语义传感器本体，实现了大型的语义传感器网络基础设施。

本体从底层向上分为顶级本体、领域本体、任务本体以及应用本体，这些不同层次的本体可提供整个世界的共性描述，而物联网正是要将世界连接起来。

首先，物联网所连接的各种物体都处在同一个世界中，它们都具有某些共同的特点，即人们对于这个世界的基本认识，如时空、物质、事件和行为等，所以物联网数据交换标准体系的基础是顶级本体标准。其次，物联网各个垂直的应用领域都有特殊性。具体到每一个领域，都有可能、有必要发展一套依托于领域本体的标准。但是，很多类型的业务词汇和流程是可以跨越多个垂直应用领域而公用的，所以，还有必要发展跨领域的物联网任务本体标准，即某个领域的本体标准可能构建于多个任务本体标准之上，而某个任务本体也有可能被多个领域本体所引用。最后，具体到每个企业、组织甚至个人，它们针对自身的物品、行为、过程等，也可以建立起基于顶级本体、领域本体和任务本体的应用本体标准，以供其他个体在与自身发生信息交换时共享这些事先定义好的内容。

构建本体时要确定本领域内公认的词汇，建立对某个领域知识的共同理解和相关描述，并能够给出领域词汇和词汇之间的相互关系在不同层次的形式、模式上的明确定义，从而能够完整地提取领域知识。本体层首先需要对基本的类／属性进行描述，同时还必须对本体以及本体之间的关系进行描述，是语义网的核心层。本体层的专用描述语言规范也出现许多，得到大家认可的有DAML（DARPA Agent Markup Language，DARPA代理标记语言）、SHOL（Simple HTML Ontology Language，简单HTML本体语言）、OIL（Ontology Inference Language，本体推理语言）以及DAML+OIL。目前，学术界使用最多的本体描述语言是由W3C组织推荐的OWL（Ontology Web Language，本体Web语言）。

2. 物联网数据交换标准的语法基础是XML

ASN.1是ISO和ITU-T的联合标准，ASN.1本身只定义了表示信息的抽象句法，但是没有限定其编码的方法。各种ASN.1编码规则提供了由ASN.1描述其抽象句法数据值的传送语法（具体表达）。标准的ASN.1编码规则有BER（Basic Encoding Rules，基本编码规则）、CER（Canonical Encoding Rules，规范编码规则）、DER（Distinguished Encoding Rules，唯一编码规则）、PER（Packed Encoding Rules，压缩编码规则）和XER（XML Encoding Rules，XML编码规则）。

XML是W3C组织于1998年推出的一种用于数据描述的元标记语言标准。作为SGML（Standard Generalized Markup Language，标准通用标识语言）的一个简化子集，它结合了SGML丰富的功能和HTML的简单易用，同时具有可扩展性、自描述性、开放性、互操作性、可支持多国语言等特点，因而得到了广泛的支持与应用。对于作为物联网数据交换标准的格式来说，XML具有以下显著优点。

（1）可定义行业或领域标记语言。XML可以用Schema来定义，一份遵循Schema定义的XML文档才是有效的。因此，XML可以针对不同应用建立相关的标准语言，例如化学标记语言、数学标记语言、语音标记语言等，包括目前物联网中很多已经存在的标准，都是基于XML定义的。

（2）具有结构化的通用数据格式。XML使用树形目录结构形式，可以自行定义文字标签并指定元素间的关系，同时它也是W3C公开的一种数据格式，没有版权的使用限制，因而十分适合作为不同应用程序之间的信息交换格式。

（3）可提供整套方案。XML拥有一整套技术体系，如可扩展样式表语言（XSL）、XML数据查询技术（xQuery）以及文档对象模型（DOM）等。

（4）在语法上结构化信息表达能力和本体在语义上透明性之间的优势互补，为物联网数据交换标准的建立提供了很好的解决思路。

基于上述内容，物联网数据交换标准应以XML为语法格式，以标准化的本体为语义共识。按照本体的分类，物联网数据交换标准体系应以顶级本体为基础，以纵向的领域本体和横向的任务本体为支撑，建立起各种不同的应用本体标准，其整个物联网数据交换标准体系示意如图1-4所示。

3. 物联网数据互操作是RDF

RDF（Resource Description Framework，资源描述框架）模型和RDF Schema是语义网体系结构框架的互操作层。

语义数据的定义和互操作由这层来完成。W3C组织研究开发了用来描述资源及其之间关系的RDF规范。RDF通常采用三元组来表示互联网上的各种信息资源、属性及其值，具体表示为RDF的声明，即某个资源的某个属性（谓词）的值是客体（某个资源或者原生值）。

RDF Schema是在RDF的基础上，引入了描述类和属性的能力，它定义了属性的定义域与值域类以及属性之间的关系等，就像是一本大词典，定义了计算机可以理解的词汇，计算机在分析执行程序的时候，直接在词典中查询这些定义就可以知道数据所包含的语义。

物联网中的数据语义不同，虽然可以通过XML、本体等技术来构建一套物联网数据交换标准体系，并成立相关标准组织来进行管理，但这只能在一定程度上解决一定范围内的数据交换问题，而不可能也没必要建立一整套全面的数据交换标准，并要求所有参与者都要符合这个标准。所以，整个物联网数据交换标准体系应该是由少数几个顶级本体标准、大多数领域本体标准与任务本体标准，以及数量众多的应用本体标准组成。正因为如此，还需要在物联网的各个终端的必要位置上，设置恰当的转换器或者接口，从而实现针对同一对象、应用或业务而语义不同的标准之间的转换。

1.2.4　M2M技术

随着技术的发展，越来越多的设备具有了通信和联网能力，这将使得所有物体联网逐步变为现实。人与人之间的通信需要更加直观、精美的界面和更丰富的多媒体内容，而M2M的通信更需要建立一个统一、规范的通信接口和标准化的传输内容。另外，通信网络技术的出现和发展给社会生活带来了极大的变化。人与人之间可以更加快捷地沟通，信息的交流更顺畅。但是，目前仅仅是计算机和其他一些IT类设备具备这种通信和网络能力。众多的普通机器设备几乎不具备联网和通信能力，如家电、车辆、自动售货机、工厂设备等。

ETSI是国际上较早系统地展开M2M相关研究的标准化组织，2009年初成立了专门的工作组负责统筹M2M的研究，旨在制定一个水平化的、不针对特定M2M应用的端到端解决方案的标准。其研究范围可以分为两个层面：第一个层面是针对M2M应用用例的收集和分析；第二个层面是在用例研究的基础上，开展与应用无关的M2M业务需求分析、网络体系架构定义、数据模型、接口和过程设计等工作。

M2M技术的目标是使所有机器设备都具备联网和通信能力，其核心理念是所有物体连接网络。M2M技术具有非常重要的意义，有广阔的市场和应用前景，推动着社会生产和生活方式新一轮的变革。M2M是一种理念，也是所有增强机器设备通信和网络能力技术的总称。人与人之间的沟通很多也是通过机器实现的，例如，通过手机、电话、计算机、传真机等机器设备之间的通信来实现人与人之间的沟通。另外一类技术是专为机器和机器建立通信而设计的，如许多智能化仪器仪表都带有通用接口，增强了仪器与仪器之间、仪器与计算机之间的通信能力。目前，多数的机器和传感器具备本地或者远程的通信与联网能力。

M2M系统框架从数据流的角度考虑，在M2M技术中，信息总是以相同的顺序流动。在这个基本的框架内，涉及多种技术问题和选择。例如，机器如何连接网络？使用什么样的通信方式？数据如何整合到原有或者新建立的信息系统中？但是，无论哪一种M2M技术与应用，都涉及五个重要的技术部分，即机器、M2M硬件、通信网络、中间件、应用，如图1-5所示。

智能化机器使机器“开口说话”，让机器具备信息感知、信息加工（计算能力）、无线通信能力。M2M硬件进行信息的提取，从各种机器／设备那里获取数据，并传送到通信网络。通信网络将信息传送到目的地。中间件在通信网络和IT系统间起桥接作用。应用对获得数据进行加工分析，为决策和控制提供依据。

因此，M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，更重要的是，它是机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信。也就是说，即使人们没有实时发出信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。可以说，智能化、交互式成为M2M有别于其他应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”。

M2M是将数据从一台终端传送到另一台终端，也就是机器与机器的对话。但是，从广义上M2M可代表机器对机器、人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信，它涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。

M2M产品主要由三部分构成：第一，无线终端，可以是特殊的行业应用终端，也可以是通常的手机或笔记本电脑；第二，传输通道，从无线终端到用户端的行业应用中心之间的通道；第三，行业应用中心，也就是终端上传数据的汇聚点，对分散的行业终端进行监控。其特点是行业特征强，用户自行管理，而且可位于企业端或者可以托管。

M2M应用市场正在全球范围内快速增长，随着通信设备、管理软件等相关技术的深化，M2M产品成本的下降，M2M业务将逐渐走向成熟。目前，中国、美国和加拿大等国已经实现M2M产品在安全监测、机械服务、维修业务、自动售货机、公共交通系统、车队管理、工业流程自动化、电动机械、城市信息化等领域的应用。