1.4 物联网的技术体系框架
物联网作为实现人与物理世界全面信息交互的全新网络，在其感知、传输、处理3大核心环节中涉及众多学科和跨领域的关键技术。物联网的技术体系框架如图1-4所示，它包括感知层技术、网络层技术、应用层技术和公共技术。
图1-4 物联网的技术体系框架
1.4.1 感知层技术
感知层是物联网发展和应用的基础，数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据，包括传感器等数据采集设备，数据接入到网关前的传感器网络RFID技术、传感控制技术、短距离无线通信技术是感知层涉及的主要技术。
（1）传感器技术
物联网技术的核心之一是信息的收集与反馈，而信息收集需要依靠大量的传感器来完成。传感技术、计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的3大技术。从仿生学观点来看，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。微型无线传感技术及以此组建的传感网是物联网感知层的重要技术手段。现有的传感器技术尚不能满足物联网广泛应用的需要。新型传感器具有低功耗、低成本、支持即插即用（PnP）、智能化（甚至传感器本身具备一定的判断能力）的特点。
（2）射频识别技术
射频识别（RFID）技术是通过无线电信号识别特定目标并读/写相关数据的无线通信技术。在国内，RFID技术已经在身份证、电子收费系统和物流管理等领域有了广泛应用。RFID市场应用成熟，标签成本低廉，但RFID一般不具备数据采集功能，多用来进行物品的甄别和属性的存储，且在金属和液体环境下应用受限。RFID技术属于物联网的信息采集层技术。
（3）微机电系统
微机电系统（MEMS）是指利用大规模集成电路制造工艺，经过微米级加工，得到的集微型传感器、执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信电路和电源于一体的微机电系统。MEMS技术属于物联网的信息采集层技术。
（4）全球定位系统
全球定位系统（GPS）是具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS作为移动感知技术，是物联网延伸到移动物体并采集移动物体信息的重要技术，更是物流智能化、智能交通的重要技术。
（5）二维码技术
二维码技术是用特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向）上分布的黑白相间的矩形方阵记录数据符号信息的新一代条码技术。二维码由一个二维码矩阵图形、一个二维码号以及下方的说明文字组成。通过专用读码设备或者智能手机，就能读取二维码中的大量信息。二维码技术具有信息量大、纠错能力强、识读速度快、全方位识读等特点。与RFID相比，从一维码切换到二维码除了印刷成本以外，几乎不需要增加成本。
（6）无线传感器网络技术
无线传感器网络（WSN）的基本功能是将一系列空间分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行联接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。传感器网络需要支持灵活的网络管理和灵活的路由机制，支持多种类型设备的协同工作，支持带宽管理，支持节能管理，支持特定设备的QoS管理等。无线传感器网络技术是实现物联网广泛应用的重要底层网络技术，可以作为移动通信网络、有线接入网络的神经末梢网络，进一步延伸网络的覆盖。WSN技术贯穿物联网的3个层面，是结合了计算、通信、传感器3项技术的一门新兴技术。它具有较大范围、低成本、高密度、灵活布设、实时采集及全天候工作的优势，且对物联网其他产业具有显著带动作用。
（7）蓝牙技术
作为一种开放性的、短距离（10～100m）无线通信的技术标准，蓝牙（Bluetooth）技术可以提供近距离的语音和数据通信，包括在移动电话、掌上计算机（PDA）、无线耳机、笔记本计算机、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，其提供的数据传输速率最高可达720kbit/s。蓝牙技术使用全方位的无线微波进行传输，支持点到点、点到多点的通信，而不需要像红外传输协议那样要求进行传输的设备之间必须对准。蓝牙技术还具有以下特点：工作在2.4GHz ISM（Industrial Scientific Medical，工业、科学、医学）频段，这个频段的通信设备无须再申请频段的使用权；采用时分双工/跳频方式（TDD/H）（将信道划分成多个连续的时隙）及正向纠错编码（FEC）技术和频率调制（FM）方式；设备体积小，便于携带或移动，成本低廉。基于蓝牙技术的蓝牙网无须预设基础设施这一特点，可自动临时组网，不涉及多跳路由的问题，因此能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路，构建智能化的网络。
（8）无线通信技术
无线通信技术（ZigBee）是一种介于RFID和蓝牙之间的新兴的短距离、低速率、低功耗、低复杂度、低成本的双向无线通信技术。它是由IEEE 802.15.4无线个人区域网工作组定义的一种适于固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速无线联接技术。完整的ZigBee协议栈是由物理层、媒体接入控制层、网络层、安全层和应用层组成的。其无线装置减少了施工费用，解决了现场安装困难的问题，消除了无线接入技术的不可靠性及其他技术问题，主要用于距离短、功耗低且在传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
1.4.2 网络层技术
物联网的网络层一般建立在现有的移动通信网或互联网的基础之上，实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送。感知数据管理与处理技术包括传感网数据的存储、分析、理解、挖掘及感知数据库的决策和行为的理论与技术。目前，高速发展的云计算平台将会成为物联网发展的一大助力。云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，将是物联网网络层的重要组成部分，也是应用层众多应用的基础。网络层的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要。
（1）互联网
Internet，中文正式译名为互联网，又叫作国际互联网。它是由那些使用公用语言互相通信的计算机联接而成的全球网络。互联网是一组全球信息资源的总汇。有一种粗略的说法，认为互联网是由许多小的网络（子网）互联而成的一个逻辑网，每个子网中联接着若干台计算机（主机）。互联网以相互交流信息资源为目的，基于一些共同的协议，并通过许多路由器和公共互联网组成，它是一个信息资源和资源共享的集合。
（2）通信网
通信网是一种使用交换设备、传输设备，将地理上分散的用户终端设备互联起来实现通信和信息交换的系统。通信最基本的形式是在点与点之间建立通信系统，但这不能称为通信网，只有将许多的通信系统（传输系统）通过交换系统按一定拓扑结构组合在一起才能称之为通信网。也就是说，有了交换系统才能使某一地区内任意两个终端的用户相互接续，才能组成通信网。
1）移动电话网络（GPRS/CDMA/GSM/3G/4G/5G网络）。通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）网络、全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）网络、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）网络、3G（the 3rd Generation）/4G/5G网络已覆盖大量的区域，使实现数据的无线传输成为可能。通过GPRS、CDMA网络进行数据传输，并通过传输控制协议/互联协议（TCP/IP）进行数据封包，而且其简便性、灵活性、易操作性及低成本的特点很好地解决了偏远无网络无电话线路地区的数据传输难题。5G网络是第五代移动通信技术，是最新一代蜂窝移动通信技术，是4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统的延伸。5G的性能目标是提高数据传输速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。峰值速率达到Gbit/s的标准，以满足高清视频、虚拟现实等大数据量的传输；空中接口时延水平需要在1ms左右，满足自动驾驶、远程医疗等实时应用；超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信；频谱效率比LTE提升10倍以上；连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100Mbit/s；流量密度和连接数密度大幅度提高；系统协同化、智能化水平提升，表现为多用户、多点、多天线、多摄取的协同组网，以及网络间灵活的自动调整。
2）广电网络。广电网络通常是各地有线电视网络公司负责运营的，通过光纤+同轴电缆混合网（HFC）向用户提供宽带服务及电视服务网络，宽带可通过电缆调制解调器（Cable Modem）连接到计算机，理论到户最高速率达38Mbit/s，实际速度要视网络情况而定。
3）NGB广域网络。中国下一代广播电视网（NGB）是以有线电视数字化和移动多媒体广播（CMMB）的成果为基础，以自主创新的“高性能带宽信息网”核心技术为支撑，构建的适合我国国情的、三网融合的、有线无线相结合的、全程全网的下一代广播电视网络。
1.4.3 应用层技术
应用层主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。其中应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统的信息协同、共享、互通的功能。应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等行业应用。
（1）机器对机器（Machine to Machine，M2M）
M2M技术将多种不同类型的通信技术有机地结合在一起，如机器之间通信、机器控制通信、人机交互通信、移动互联通信。M2M技术让机器、设备应用处理过程与后台信息系统共享信息，并与操作者共享信息。它提供了设备实时地在系统之间、远程设备之间或与个人之间建立无线联接和传输数据的手段。M2M技术综合了数据采集、GPS、远程监控、电信、信息技术，是计算机、网络、设备、传感器及人类等的生态系统，能够使业务流程自动化，集成公司IT系统和非IT设备的实时状态，并创造增值服务。这一平台可在安全监测、自动抄表、机械服务和维修业务、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、城市信息化等环境中运行，并提供广泛的应用和解决方案。
（2）云计算
云计算概念是由Google公司提出的，这是一个“美丽”的网络应用模式，是指IT基础设施的交付和使用，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源。云计算是并行计算、分布式计算和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。云计算代表了手提计算机（HPC）从科学计算到大众化商业应用的变迁，使以前最“烧钱”和不赚钱的超级计算产业变成了最赚钱和省钱（充分利用现成的CPU的计算能力）的生意。云计算使以前的“计算中心”边缘化，而使“数据中心”成为主流。
（3）人工智能
人工智能是研究让计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的学科，主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑智能的计算机，使计算机能实现更高层次的应用。人工智能涉及计算机科学、心理学、哲学和语言学等学科，可以说涉及自然科学和社会科学的几乎所有学科，其范围远远超出了计算机科学的范畴。人工智能与思维科学的关系是实践和理论的关系，人工智能是处于思维科学的技术应用层次，是它的一个应用分支。从思维观点看，人工智能不只限于逻辑思维，更要考虑形象思维、灵感思维，才能促进人工智能的突破性的发展。数学常被认为是多种学科的基础科学，数学也进入语言、思维领域，人工智能学科也必须借用数学工具。数学不仅在标准逻辑、模糊数学等范围发挥作用，而且进入人工智能学科，它们将互相促进而更快地发展。
（4）数据挖掘
在人工智能领域，数据挖掘习惯上又被称为数据库中的知识发现（Knowledge Discovery in Database，KDD），也有人把数据挖掘视为数据库中知识发现过程的一个基本步骤。知识发现过程由3个阶段组成，即数据准备、数据挖掘及结果表达和解释。数据挖掘可以与用户或知识库交互。
并非所有的信息发现任务都被视为数据挖掘。例如，使用数据库管理系统查找个别的记录，或通过互联网的搜索引擎查找特定的Web页面，则是信息检索（Information Retrieval）领域的任务。虽然这些任务是重要的，可能涉及使用复杂的算法和数据结构，但是它们主要依赖传统的计算机科学技术和数据的明显特征来创建索引结构，从而有效地组织和检索信息。尽管如此，数据挖掘技术也已用来增强信息检索系统的能力。
（5）RFID中间件
RFID中间件是系统获取信息、处理信息和传递信息的核心部分，是联接读写器和企业应用程序的纽带，在物联网初期提出时被称作Savant（一种分布式网络软件）。它主要对标签数据进行过滤、分组、计数、转发，以提高发往信息网络系统的数据质量，防止误读、漏读、多读信息。RFID中间件的核心组成是事件管理器和信息服务器。事件管理器负责采集、过滤读写器收集的EPC（设计、采购、施工）相关信息，并转发给其他应用；信息服务器提供事件管理器与企业信息系统之间的集成，存储事件管理器提交的数据信息，提供访问接口。
RFID中间件技术拓展了基础中间件的核心设施和特性，将企业级中间件技术延伸到了RFID领域，是RFID产业链的关键技术。RFID中间件屏蔽了RFID设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大的支撑，从而驱动更广泛、更丰富的RFID应用。RFID中间件技术重点研究的内容包括并发访问技术、目录服务技术和定位技术、数据和设备监控技术、远程数据访问和安全及集成技术、进程和会话管理技术等。
应用层主要是根据行业特点，借助互联网技术手段，开发各类的行业应用解决方案，将物联网的优势与行业的生产经营、信息化管理、组织调度结合起来，形成各类的物联网解决方案，构建智能化的行业应用。如交通行业，涉及的是智能交通技术；电力行业采用的是智能电网技术；物流行业采用的智慧物流技术等。行业的应用还要更多地涉及系统集成技术、资源打包技术等。