物聯(lián)網(wǎng)的C3SD技術(shù)架構(gòu)研究

引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)技術(shù)是通過射頻識別、紅外 感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定 的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息的分析處理、 交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的 一種網(wǎng)絡技術(shù)，被公認為是繼PC、Internet后推動IT產(chǎn)業(yè) 革命第三次浪潮的引擎。物聯(lián)網(wǎng)覆蓋了信息技術(shù)和通信技術(shù)的 眾多領(lǐng)域，包括RFID,傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、移動通信等。

對物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)目前還處于研究和開發(fā)階段。在國 際上，歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI) 2010年7月前完成體系架 構(gòu)的設(shè)計，國際電信聯(lián)盟(ITU-T)的SG13主要完成物聯(lián)網(wǎng) 的功能需求與構(gòu)架設(shè)計，國際標準化組織ISO/IEC數(shù)據(jù)通信 分技術(shù)委員會JTC1 SC6成立傳感網(wǎng)研究組(SGSN)，對物聯(lián) 網(wǎng)整體架構(gòu)的標準進行研究。在國內(nèi)，傳感器網(wǎng)絡標準工作組 (WGSN)下設(shè)標準體系與系統(tǒng)架構(gòu)項目組負責系統(tǒng)架構(gòu)標準的制定，中國通信標準化協(xié)會(CCSA)也已先后啟動了《無線 泛在網(wǎng)絡體系架構(gòu)》等標準的研究與制定。因此，目前還沒有 一種完整的國際通用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)標準。

1物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

國際電信聯(lián)盟給出了物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)，包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層。圖1所示是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)示意圖。

感知層主要用于物品標識和信息的智能采集，它由基本 的感應器件（由RFID標簽和讀寫器、各類傳感器、攝像頭、 GPS、二維碼標簽等基本標識和傳感器件組成）及感應器件 組成的網(wǎng)絡（如RFID網(wǎng)絡、傳感器網(wǎng)絡等）兩大部分組成。 該層的核心技術(shù)包括電子射頻技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡 組網(wǎng)技術(shù)等，涉及的核心產(chǎn)品包括傳感器、電子標簽、傳感器 節(jié)點、無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)等。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層主要用于實現(xiàn)感知層各類信息進行廣域范 圍內(nèi)的應用和服務所需要的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡，包括移動通信網(wǎng)、 互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、廣電網(wǎng)、行業(yè)專網(wǎng)及形成的融合網(wǎng)絡等。

應用層主要是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專業(yè)系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn) 廣泛的物物互聯(lián)的應用解決方案，主要包括業(yè)務中間件和行 業(yè)應用領(lǐng)域。

2物聯(lián)網(wǎng)的C3SD技術(shù)架構(gòu)

與體系結(jié)構(gòu)相對應，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也應該包括三個方 面：其一是物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)（Sensor network），對應體系 結(jié)構(gòu)的感知層；其二是通信系統(tǒng)（Communication）和數(shù)據(jù) 海（Data Ocean），對應系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡層；其三是計算系 統(tǒng)（Computation）和控制系統(tǒng)（Control）,對應體系結(jié)構(gòu)中的 應用層。這三個部分五大技術(shù)互相聯(lián)系，就可以形成一個統(tǒng) 一的整體對物聯(lián)網(wǎng)有效的技術(shù)支撐，從而構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的C3SD 技術(shù)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2  物聯(lián)網(wǎng)的C3SD技術(shù)架構(gòu)

2.1感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)技術(shù)主要是指傳感器技術(shù)、物品標識技術(shù)（RFID 和二維碼）、短距離無線傳輸技術(shù)（ZigBee和藍牙）等。

傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它是物聯(lián)網(wǎng)中不可缺少 的信息采集手段。傳感器又分為物理量傳感器（如壓力傳感器、 溫度傳感器、電流傳感器、噪聲傳感器等）、化學量傳感器（如 離子傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器等）、生物量傳感器（如 免疫血型傳感器、微生物傳感器、體溫傳感器等）等不同的 類型，傳感器要求感知類型齊全，精度和可靠性高，成本和 功耗低。

物品標識技術(shù)主要有射頻標識RFID、二維碼等。RFID 是物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)。RFID系統(tǒng)主要由三部分 組成：電子標簽（Tag）、讀寫器（Reader）和天線（Antenna）。 RFID具有無需接觸、自動化程度高、耐用可靠、識別速度快、 適應各種工作環(huán)境、可實現(xiàn)高速和多標簽同時識別等優(yōu)勢，因 此可用于廣泛的領(lǐng)域。二維碼技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層實現(xiàn)過程 中最基本和關(guān)鍵的技術(shù)之一。二維碼也叫二維條碼或二維條 形碼，是用某種特定的幾何形體按一定規(guī)律在平面上分布（黑 白相間）的圖形來記錄信息的應用技術(shù)。與RFID相比，二維 碼最大的優(yōu)勢在于成本較低，一條二維碼的成本僅為幾分錢, 而RFID標簽因其芯片成本較高，制造工藝復雜，價格較高。

短距離無線傳輸技術(shù)包括ZigBee、藍牙等技術(shù)。ZigBee 是一種基于IEEE 802.15.4協(xié)議的短距離、低功耗的無線傳輸 技術(shù)，采用分組交換和跳頻技術(shù)，主要應用在短距離范圍并 且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。由于ZigBee技術(shù) 具有成本低、組網(wǎng)靈活等特點，可以嵌入各種設(shè)備，在物聯(lián)網(wǎng) 中發(fā)揮重要作用。ZigBee可應用于PC外設(shè)、消費類電子設(shè)備、 家庭內(nèi)智能控制（照明、煤氣計量控制及報警等）、玩具、醫(yī)護（監(jiān) 視器和傳感器）、工控監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備）等領(lǐng)域。 

2.2通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)技術(shù)主要包括互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡、 通信和接口的標準化等相關(guān)技術(shù)問題。

互聯(lián)網(wǎng)以相互交流信息資源為目的，基于一些共同的協(xié)議, 并通過許多路由器和公共互聯(lián)網(wǎng)連接而成，它是一個信息資源 和資源共享的集合。物聯(lián)網(wǎng)也被認為是互聯(lián)網(wǎng)的進一步延伸。 互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)主要的傳輸網(wǎng)絡之一。現(xiàn)逐步引入IPv6技術(shù)， 使網(wǎng)絡不僅可以為人類服務，還將服務于眾多硬件設(shè)備。

移動通信網(wǎng)由無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)三部分組成。 移動通信網(wǎng)絡以其覆蓋廣、建設(shè)成本低、部署方便、終端具備 移動性等特點將成為物聯(lián)網(wǎng)重要的接入手段和傳輸載體，為人 與人之間通信、人與網(wǎng)絡之間的通信、物與物之間的通信提供 服務。在移動通信網(wǎng)中，當前比較熱門的接入技術(shù)有3G、WiFi 和 WiMAX。

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）的基本功能是將一系列空間分 散的傳感器單元通過自組織的無線網(wǎng)絡進行連接，從而將各自 采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡進行傳輸匯總，以實現(xiàn)對空間分散 范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控，并根據(jù)這些信息進行 相應的分析和處理。傳感器網(wǎng)絡是集成了監(jiān)測、控制以及無 線通信的網(wǎng)絡系統(tǒng)，傳感器網(wǎng)絡的首要設(shè)計目標是能源的高效 利用，涉及節(jié)能技術(shù)、定位技術(shù)、時間同步等關(guān)鍵技術(shù)。

2.3數(shù)據(jù)海系統(tǒng)

數(shù)據(jù)海系統(tǒng)主要有海量多媒體數(shù)據(jù)存取系統(tǒng)、跨媒體捜 索、數(shù)據(jù)融合與知識發(fā)掘、安全和保密技術(shù)、數(shù)據(jù)格式和標 準化等。

2.4控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)技術(shù)包括人工智能技術(shù)、新型調(diào)節(jié)與執(zhí)行機梅如 電機、開頭等)、無人裝備、管道系統(tǒng)控制技術(shù)等。

人工智能(Artificial Intelligence)是探索研究使各種機 器模擬人的某些思維過程和智能行為(如學習、推理、思考、 規(guī)劃等)，使人類的智能得以物化與延伸的一門學科。

2.5計算系統(tǒng)

計算系統(tǒng)技術(shù)主要有云計算服務、共性服務軟件中間件、 超級計算機硬件系統(tǒng)、嵌入式計算機支撐系統(tǒng)一體化開發(fā)平 臺、軟硬件的I/O等標準化。

云計算(Cloud Computation)是分布式計算(Distributed Computing),并行計算(Parallel Computing)和網(wǎng)格計算(Grid Computing)的發(fā)展。云計算通過共享基礎(chǔ)資源(硬件、平臺、 軟件)的方法，將巨大的系統(tǒng)池連接在一起以提供各種IT服務, 這樣企業(yè)與個人用戶無需再投入昂貴的硬件購置成本，只需要 通過互聯(lián)網(wǎng)來租賃計算力等資源。

中間件是為了實現(xiàn)每個小的應用環(huán)境或系統(tǒng)的標準化以 及它們之間的通信，在后臺應用軟件和讀寫器之間設(shè)置的一個 通用的平臺和接口。在物聯(lián)網(wǎng)中，中間件作為其軟件部分，有 著舉足輕重的地位。物聯(lián)網(wǎng)中間件是在物聯(lián)網(wǎng)中采用中間件技 術(shù)，以實現(xiàn)多個系統(tǒng)或多種技術(shù)之間的資源共享，最終組成 一個資源豐富、功能強大的服務系統(tǒng)，最大限度地發(fā)揮物聯(lián) 網(wǎng)系統(tǒng)的作用。具體來說，物聯(lián)網(wǎng)中間件的主要作用在于將實 體對象轉(zhuǎn)換為信息環(huán)境下的虛擬對象，因此數(shù)據(jù)處理是中間 件最重要的功能。同時，中間件具有數(shù)據(jù)的捜集、過濾、整 合與傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到后端的應用系統(tǒng)。 物聯(lián)網(wǎng)中間件的實現(xiàn)依托于中間件關(guān)鍵技術(shù)的支持，這些關(guān)鍵 技術(shù)包括Web服務、嵌入式Web、Semantic Web技術(shù)、上下 文感知技術(shù)、嵌入式設(shè)備及Web of Things等。

以上五大模塊分別與國際電信聯(lián)盟給出的物聯(lián)網(wǎng)的三層 體系結(jié)構(gòu)相對應，構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)。五大模塊中的各 種技術(shù)相互影響、相互融合、相互促進，各種技術(shù)之間的綜 合集成和共同發(fā)展將會為物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)進步和物聯(lián)網(wǎng)的快速 發(fā)展提供巨大的空間。

3結(jié)語

本文分析了國內(nèi)外對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的研究現(xiàn)狀，介紹了物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，對由感知系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)海、計算系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五大技術(shù)系統(tǒng)作為技術(shù)支撐的物聯(lián)網(wǎng)C3SD 技術(shù)架構(gòu)進行深入的研究，對C3SD技術(shù)架構(gòu)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行闡述，最后得出C3SD所涉及的五大模塊的綜合集成和共同發(fā)展將會為物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)進步和快速發(fā)展提供巨大 的空間，C3SD技術(shù)架構(gòu)具有合理性。

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