1.4 物联网各层功能及其相关技术

本书根据ITU-T参考模型，把物联网体系结构分为4层，从下到上分别为感知层、传输层、处理层和应用层，如图1-5所示。实际上，这种划分方法，除了名称不一致外，各层功能完全与ITU-T参考模型一样，这样做是为了顺应国内物联网行业的习惯称谓。图中方框为每层涉及的一些常见术语或技术。

1.4.1 感知层

感知层相当于人的神经末梢，负责物理世界与信息世界的衔接。感知层的功能是感知周围环境或自身的状态，并对获取的感知信息进行初步处理和判决，根据规则做出响应，并把中间结果或最终结果送往传输层。

感知层是物联网的前端，是物联网的基础，除了用来采集真实世界的信息外，也可以对物体进行控制，因此也称为感知互动层。

物联网感知技术可分为二维码技术、RFID技术、传感器技术、多媒体采集技术、地理位置感知技术这五大类。

在建设物联网时，部署在感知层的设备有RFID标签和读写器、二维码标签和识读器、条码和扫描器、传感器、执行器、摄像头、IC卡、光学标签、智能终端、红外感应器、GPS、手机、智能机器人、仪器仪表，以及内置移动通信模块的各种设备等。

感知层的设备通常会组成自己的局部网络，如无线传感器网络、家庭网络、身体传感器网络（Body Sensor Networks，BSN）和汽车网等，这些局部网络通过各自的网关设备接入到互联网中。嵌入了感知器件和射频标签的物体组成的无线局部网络就是无线传感网。图1-6所示为无线传感器网络的结点及其在停车场入口处的部署。

常见的数据采集设备是二维码、RFID标签、摄像头和传感器。二维码的应用比较普遍，例如，实名制火车票上就印制着带有车次、身份证号码等信息的二维码。在手机支付中，二维码也可以作为电子车票保存在手机中。RFID设备在物流行业中的使用已比较普遍。摄像头则常用在智能交通等方面。传感器是物联网的基础，部署的数量将会越来越多，如在上海浦东国际机场的防入侵系统中，机场铺设了3万多个传感结点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，可以防止人员的翻越、偷渡和恐怖袭击等攻击性入侵。

感知层建立的是物-物网络，与通常的公众通信网络差别较大，这也体现在物联网的基础设施建设（如建造大楼、安装设备和铺设线路等）中。物联网基础设施的建设主要集中在感知层上，其他层次的基础设施建设则可以充分利用现有的IT基础设施。

传统的IT基础设施的建设只针对IT本身，而物联网基础设施的建设需要综合考虑IT基础设施和真实世界的物理基础设施，打破了以往把IT基础设施和物理基础设施截然分开的做法。例如，对于高速公路的不停车收费系统，在建设收费站时就要考虑哪些收费口是停车收费的，哪些是不停车收费的，并且安装相应的扫描识别设备。在一些监测系统中，传感器的安装是与系统本身的基础设施密不可分的，最好是在系统基础设施的建设过程中，考虑传感器的安装、组网及传感数据的传输。由于物联网中的传感器数量大或者位置不固定，不宜采用有线连接，因此传感网络普遍采用无线传输技术来组网。

感知层是物联网发展和应用的基础，涉及的主要技术有物品信息编码技术、自动识别技术、定位技术、传感网络技术和嵌入式系统等。

1）物品编码技术包括条码、二维码、光学标签编码和EPC系统等内容。编码技术是自动识别技术的基础，能够提供物品的准确信息。

2）自动识别技术包括RFID系统、图像识别和语音识别等。

3）定位技术包括Wi-Fi定位、蓝牙定位、射频识别室内定位等。

4）传感网络技术包括传感网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解，以及基于感知数据决策和行为的理论与技术。

5）嵌入式系统包括嵌入式微处理器、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件开发等。感知层的大量设备都属于嵌入式设备。

1.4.2 传输层

传输层负责感知层与处理层之间的数据传输。感知层采集的数据需要经过通信网络传输到数据中心、控制系统等进行处理和存储，传输层就是利用互联网、传统电信网等信息承载体，提供一条信息通道，以便实现物联网让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的目的。

传输层面对的是各种通信网络。通信网络从运营商和应用的角度可以分为三大类：互联网、电信网和广播电视网。IPTV（网络电视）和手机上网已经司空见惯，说明这3种网络的实际部署和使用并不是相互独立的。三网融合在技术层面上已经不存在问题，从趋势上来说，三网将以互联网技术为基础进行融合。下一代互联网NGI、下一代电信网NGN和下一代广播电视网NGB将以IP技术为基础实现业务的融合。

传输层面临的最大问题是如何让众多的异构网络实现无缝的互联互通。通信网络按地理范围从小到大分为体域网（Body Area Network，BAN）、个域网（Personal Area Network，PAN）、局域网（Local Area Network，LAN）、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和广域网（Wide Area Network，WAN）。

1）体域网限制在人体上、人体内或人体周围，一般不超过10m。体域网技术可组成身体传感网络（Body Sensor Network，BSN）等。体域网标准由IEEE 802.15.6制定。

2）个域网范围一般在几十米，具体技术包括ZigBee、无线超宽带（Ultra Wideband，UWB）、蓝牙、无线千兆网（Wireless Gigabit，WiGig）、高性能个域网（High Performance PAN，HiperPAN）和红外数据（Infrared Data Association，IrDA）等。

3）局域网范围一般在几百米，具体技术包括有线的以太网、无线的Wi-Fi等。大多数情况下，局域网也充当传感器网络和互联网之间的接入网络。

4）城域网范围一般在几十千米，具体技术包括无线的Wi-Max、有线的弹性分组环（Resilient Packet Ring，RPR）等。

5）广域网一般用于长途通信，具体技术包括同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）、光传送网（Optical Transport Network，OTN）、异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）及软交换等传输和交换技术。广域网是构成移动通信网和互联网的基础网络。

感知层一般采用体域网、个域网或局域网技术，传输层一般采用局域网、城域网和广域网技术。

从传输层的数据流动过程来看，可以把通信网络分为接入网络和互联网两部分。

接入网络为来自感知层的数据提供到互联网的接入手段。由于感知层的设备多种多样，所处环境也各异，会采用完全不同的接入技术把数据送到互联网上。接入技术分为无线接入和有线接入两大类。

常见的无线接入技术有Wi-Fi接入、GPRS接入和3G接入等。Wi-Fi是一种无线局域网，通过无线路由器（正式名称为AP，即接入点）连接到互联网上。GPRS是利用第二代移动通信网的设施连接到互联网上。3G接入是直接利用第三代移动通信网连接到互联网上。

常见的有线接入技术有非对称数字用户线（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）接入、以太网接入和光纤同轴电缆混合（Hybrid Fiber-Coax，HFC）接入等。ADSL是采用电话线通过固定电话网接入到互联网。以太网是采用双绞线通过计算机局域网接入到互联网。HFC是采用同轴电缆通过有线电视网接入到互联网。

由于传输层的网络种类较多，相应的接入技术也比较繁杂，而接入技术与其他网络的功能区别较为明显，因此也有人把物联网的接入功能设置为单独的一层，称为接入层。

一些短距离的无线通信网络，既可以作为传输层传输网的接入技术，也可以作为感知层传感网的组网技术。例如，低功耗Wi-Fi网络就可以用作无线传感网。无线传感网是由一些低功耗的短距离无线通信网络构建的，通常直接通过网关接入到互联网，因此也有人把无线传感器网络归入物联网的接入网。

感知层的物体互联通常都是按区域性的局部网络组织的，传输层可以把这些局部网络连接起来，形成一个行业性的、全球性的网络，从而可以提供公共的数据处理平台，服务于各行各业的物联网应用。连接各个局部网络的任务主要由互联网来完成。

互联网就是利用各种各样的通信网络把计算机连接起来，达到实现信息资源共享的目的。互联网把所有通信网络都看作是承载网络，由这些网络负责数据的传输，互联网本身则更多地关注信息资源的交互。

对于长途通信来说，互联网（包括移动通信网）是利用电信网中的核心传输网和核心交换网作为自己的承载网络的。核心传输网和核心交换网利用光纤、微波接力通信与卫星通信等建造了全国乃至全球的通信网络基础设施。图1-7所示为电信运营商传输机房中核心传输网的传输设备。

在长距离通信的基础设施方面，互联网除了使用核心传输网、核心交换网和移动通信网等基础设施外，一些部门或行业也会利用交换机、路由器和光纤等设备建立自己独有的基础设施。电信行业不甘心自己沦为互联网的承载网络角色，一方面建设公用互联网，如中国公用计算机互联网（ChinaNet），另一方面也积极提供互联网的业务，如移动互联网业务。

物联网目前的建设思路与互联网当初的建设思路非常相似。互联网是利用电信网的基础设施或有线电视网把世界各地的计算机或计算机局域网连接起来组成的网络。各单位关心的是本单位局域网的建设，局域网之间的互联依靠电信网。随着计算机所能提供的服务的增多，尤其是Web服务的出现，逐渐形成了今天的互联网规模。

在物联网建设中，物联网则是把传感器（对应于计算机）连接成传感网（对应于计算机局域网），然后再通过现有的互联网（对应于电信网）相互连接起来，最后将构成一个全球性的网络。

从物联网的角度看，包括互联网在内的各种通信网络都是物联网的承载网络，为物联网的数据提供传输服务。目前物联网的建设具有行业性特点，某些行业专网的基础设施可以是独有的，如智能电网，也可以利用电信网或互联网的虚拟专网技术来建设自己的行业网络。

1.4.3 处理层

处理层为物联网的各种应用系统提供公共的数据存储和处理功能，在某些物联网应用系统中也称为支撑层或中间件层。处理层在高性能计算技术的支撑下，对网络内的海量信息进行实时高速处理，对数据进行智能化挖掘、管理、控制与存储，通过计算分析，将各种信息资源整合成一个大型的智能网络，为上层服务管理和大规模行业应用提供一个高效、可靠和可信的支撑技术平台。

处理层的设备包括超级计算机、服务器集群及海量网络存储设备等，这些设备通常放在数据中心里。数据中心也称为计算中心、互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）或服务器农场等，其内部设施如图1-8所示。数据中心不仅仅包括计算机系统、存储设备和网络设备，还包含冷却设备、监控设备、安全装置，以及一些冗余设备。

超级计算机就是把数量众多的处理器连接在一起，利用并行计算技术实现大型研究课题的计算机。超级计算机可以为物联网某些行业应用的海量数据处理提供高性能计算能力，例如，无锡物联网云计算中心就部署了曙光超级计算机。

服务器集群就是共同为客户机提供网络资源的一组计算机系统。当其中一台服务器出现问题时，系统会将客户的请求转到其他服务器上进行处理，客户不必关心网络资源的具体位置，集群系统会自动完成。

海量网络存储设备包括硬盘、磁盘阵列、光盘和磁带等，这些设备为物联网的海量数据提供存储和数据共享服务。网络存储技术分为直附式存储、网附式存储和存储区域网（Storage Area Network，SAN）等几种类型。

处理层通过数据挖掘、模式识别等人工智能技术，提供数据分析、局势判断和控制决策等处理功能。

处理层大量使用互联网的现有技术，或者对现有技术进行提升，使之适应物联网应用的需要。因此在不同的物联网层次体系结构中，也有人把处理层放在传输层中，统称为网络层。处理层要为物联网的各行业的应用提供公共的数据处理平台和服务管理平台，因此也有人把处理层的功能放在应用层。

1.4.4 应用层

应用层利用经过分析处理后的感知数据，构建面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，为用户提供丰富的特定服务。

应用层是物联网与行业专业技术的深度融合。为了更好地提供准确的信息服务，必须结合不同行业的专业知识和业务模型，借助互联网技术、软件开发技术和系统集成技术等，开发各类行业应用的解决方案，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，以完成更加精细和准确的智能化信息管理。例如对自然灾害、环境污染等进行预测预警时，需要相关生态、环保等多学科领域的专门知识和行业专家的经验。

互联网技术可以使物联网的行业应用不受地域的限制，互联网也能提供众多的数据处理公共平台和业务模式。

软件开发技术用于各行业开发自己的物联网应用程序，实现支付、监控、安保、定位、盘点和预测等各行业自己的特定功能。

系统集成技术将不同的系统组合成一个一体化的、功能更加强大的新型系统。物联网是物理世界和信息世界的深度融合，行业跨度较大。利用设备系统集成和应用系统集成等技术，有效地集成现有技术和产品，给各行业的物联网建设提供一个切实可行的完整解决方案。

物联网广泛应用于经济、生活和国防等领域。物联网的应用可分为监控型、查询型、控制型和扫描型等几种类型。监控型有物流监控、污染监控等，查询型有智能检索、远程抄表等，控制型有智能交通、智能家居和路灯控制等，扫描型有手机支付、高速公路不停车收费等。图1-9所示为智能交通中的监控中心。

物联网应用的实现最终还是需要人进行操作和控制。应用层的设备包括人机交互的终端设备，如计算机、手机等。实际上，任何运行物联网应用程序的智能终端设备都可以看作是应用层的设备，如可手持和佩戴的移动终端、可配备在运输工具上的终端等，通过这些终端，人们可以随时随地享受物联网提供的服务。

以物联网城市停车收费管理系统的某解决方案为例，体会一下物联网的应用。该解决方案采用无线传感技术组建各种停车场的停车收费管理系统，整个系统由停车管理、停车检测、车辆导航、车辆查询、车位预约、终端显示发布、客户关怀和系统远程维护8个子系统组成，可实现交通信号控制、车辆检测、流量检测、反向寻车和车辆离站感知等功能，可以将整个停车场的车位占用状况实时地显示给各位车主，并且可以进行停车引导，从而节省车主的停车时间，提高车位利用率。