6.3 物联网的组成与功能

物联网是一个层次化的网络，大致可以划分为感知层、网络层和应用层三层（图6.19）。在各层之间，信息非单向传递，有交互或控制。在所传递的关于物的信息中，包括物的识别码、物的静态信息和动态信息等。

物联网与传统网络的主要区别在于，物联网扩大了传统网络的通信范围。物联网不仅局限于人与人之间的网络通信，还将网络的触角伸到了物体之上。感知层在物联网的实现过程中，用于完成对物体的全面感知和信息采集，与传统网络相比，体现出了“物”的特色。也就是说，物联网中的“物”是通过感知层来实现的。

6.3.1感知层功能

    感知层主要解决人类社会和物理世界数据获取和数据收集的问题，用于完成信息的采集、转换、收集和整理。感知层主要包含两个部分，其一是用于数据采集和最终控制的终端装置，这些终端装置主要由电子标签和传感器等构成，负责完成信息获取；其二是信户息的短距离传输，这些短距离传输网络负责收集终端装置采集的信息，并负责将信息在终端装置和网关之间双向传送。实际上，感知层信息获取、信息短距离传输这两个部分有时交织在一起，同时发生，同时完成，很难明确区分。

    1）信息获取

    首先，信息获取与物品的标识符相关。为了有效地收集信息，感知层需要给物联网中的每一个“物”都分配唯一的标识符，这样“物”的身份可以通过标识符来加以确定和辨识，解决信息归属于哪一个“物”的问题。

    其次，信息获取与数据采集技术相关。数据采集技术主要有自动识别技术和传感技术。自动识别技术用于自动识别物体，其应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动获取被识别物品的相关信息。传感器技术用于感知物体，其通过在物体上植人各种微型感应芯片使其智能化，这样任何物体都可以变得有“智慧”，如可以感觉周围的温度等。

传感器在一定意义上U提人类感觉器官的延伸，是人类获取信息的主要途径与手段。光敏传感器对应人的视觉，声敏传感器对应人的听觉，气敏传感器对应人的嗅觉，化学传感器对应人的味觉，压敏、温敏、流体传感器对应人的触觉。传感器的分类如表6.1所示。

由此可见，与遥感系统所使用的传感器相比，物联网传感器的类型更为多样，用途十分广泛。

    2)信息短距离传输

信息短距离传输是指收集终端装置采集的信息，并将信息在终端装置和网关之间双向传送。这里需要强调的是，信息短距离传输与信息获取这两个过程有时同时发生，感知层很难明确区分这两个过程。

信息短距离传输有多种方式，包括ZigBee技术、蓝牙技术、RED技术、IrDA技术、NFC技术、UWB技术等。在上述信息短距离传输的方式中，IrDA属于红外通信技术，其余都属于射频／微波无线通信技术。这些通信方式也经常作为空间定位的重要方法，其定位原理已经在第四章介绍过了。

ZigBee技术是一种近距离无线组网通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，可以嵌人各种设备，主要用于近距离无线连接（图6.20）。

蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般l om内）的无线技术，主要用于数据的接人（图6.21）。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本、近距离无线连接为基础，为固定与移动通信环境建立一个特别的连接，有效地简化了移动通信的终端设备，也简化了设备与互联网之间的通信，使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽了道路。

低功耗蓝牙（BLE）是蓝牙4刃规范的核心技术，是一种专门面向低成本和低功耗的无线方案。iBeacon是苹果公司在BLE技术的基础上封装研发的协议（图6.22）。iBeacon技术的主要应用场景是室内定位、移动支付以及基于地理位置的信息推送。

RFID通过无线电波进行数据的传递，用射频信号自动识别目标对象，是一种非接触式的自动识别技术（图6.23）。RFID以电子标签来标志某个物体。电子标签内存储着物体的数据，通过无线电波将物体的数据发送到附近的读写器，读写器对接收到的数据进行收集和处理。RFID主要工作在高频和超高频频段，其中高频频段电子标签与读写器相距几厘米，超高频频段电子标签与读写器相距几米到几十米。

IrDA红外连接技术是指利用红外线的频率高于微波而低于可见光的特点，进行短距离的点对点的直线数据传输（图6.24）。红外通信技术有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，在小型移动设备中获得了广泛的应用，主要使用在笔记本电脑、掌上电脑、机顶盒、游戏机、移动电话、计算器、寻呼机、仪器仪表、MP3播放机、数码照相机、打印机等设备中。

    NFC是一种短距高频的无线电技术，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换（图6.25）。运行频率为13.56MHz，通信距离为500px，传输速度有106 kbit/s、212 kbit/s或者424 kbit/s三种。NFC采用主动和被动两种读取模式，可以用于门禁钥匙、交通一卡通、信用卡、支付卡等。

UWB无线通信是一种采用时间间隔极短（小于Ins）的脉冲进行通信的方式，也称无载波通信方式（图6.26）。其占用的带宽非常宽，频谱的功率密度极小，具有扩频通信的特点。UWB通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在l0m左右的范围内实现数百兆比特／秒至数吉比特／秒的数据传输速率。它具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势，主要应用于室内通信、高速无线LAT、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

6.3.2网络层功能

    物联网当然离不开网络。网络层是物联网的神经系统，负责将感知层获取的信息进行处理和传输。

网络层是一个网络体系，用于整合和运行整个物联网。

网络层包括接人网与互联网的融合网络、网络管理中心和信息处理中心等。接人网有现在的移动通信网、有线电话网等，通过接人网能将信息传人互联网。网络管理中心和信息处理中心是实现以数据为中心的物联网中枢，用于存储、查询、分析和处理感知层获取的信息。

物联网的网络层包括接人网和核心网。接人网是指骨干网络到用户终端之间的所有设备，其长度一般为几百米到几千米，因而被形象地称为“最后一公里”。核心网是基于IP的统一、高性能、可扩展的分红网络，支待移动性以及异构接人。

接人网技术包括无线接人技术、光纤接人技术、同轴接人技术、电力网接人技术等。

无线接人技术采用微波、卫星、无线蜂窝等无线传输技术，能够实现多个分散用户的业务接人。无线接入技术通过无线介质将终端与网络节点连接起来，以实现用户与网络之间的信息传递，具有建设速度快、设备安装灵活、成本低、使用方便等特点。

物联网要求利用网络的“神经末梢”，将物体的信息接人互联网，实现网络“无处不在”。这就要在有线网络发展的基础上，更积极发展无线网络，解决“最后一公里”问题。目前，最常用的无线接人有3G、4G、WiFi, WiMAX、铜缆接人技术、光纤接人技术和同轴接人技术、电力网接人技术等。

互联网是由计算机网络相互连接而成。计算机网络要完成数据处理和数据通信两大功能，因此在结构上可以分成两个部分：负责数据处理的主计算机与终端；负责数据通信处理的通信控制处理设备与通信线路（图6.27）。

互联网的功能主要有数据通信、资源共享和分布处理三方面。

（1）数据通信。数据通信是计算机最基本的功能，能够实现快速传送计算机与终端、计算机与计算机之间的各种信息。利用数据通信的功能，互联网可实现将分散在各地的训算机或终端用网络联系起来，进行统一的调配、控制和管理。

（2）资源共享。这里的“资源”是指网络中所有的软件资源、硬件资源、数据资源和通信信道资源，所谓“共享”可以理解为共同享受、共同拥有。相应地，资源共享即硬件资源共享、软件资源共享、数据资源共享和通信信道资源共享。

（3）分布处理。当某台计算机负担过重，或该计算机正在处理某个进程又接收到用户新的进程申请时，网络可将新的进程任务交给网络中空闲的计算机来完成。这样处理能均衡各计算机的负担，提高网络处理问题的实时性。

对于大型综合问题，可将问题的各部分交给不同的计算机并行处理，这样可以充分利用网络的资源，提高计算机的综合处理能力，增强实用性。对解决复杂问题来讲，多台计算机联合使用可以构成高性能的计算机体系，这种协同工作、并行处理，比单独购置一台高性能的大型计算机要便宜得多。

6.3.3应用层功能

应用层是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策。应用层主要基于软件技术和i博机技术来实现，其中云计算作为海量数据存储和分析的平台，也是物联网的重要组成部分。

物联网应用层解决的是信息处理和人机交互的问题，网络层传输而来的数据在这一层进人各行各业、各种类型的信息处理系统，并通过各种设备与人进行交互。应用层主要由两个子层构成：一是物联网中间件，二是物联网应用场景。各种各样的物联网应用场景通过物联网中间件接人网络层（图6.28）。

物联网中间件是一种软件，处于操作系统与应用程序之间，总的作用是为处于自己上层的应用软件提供运行和开发的环境，屏蔽底层操作系统的复杂性，使程序设计者面对简单而统一的开发环境，减轻应用软件开发者的负担。物联网中间件包括一组服务，以便于运行在一台或多台机器上的多个软件通过网络进行交互。物联网中间件能够管理计算机资源和网络通信，相互连接的系统即使具有不同的接口，通过中间件仍能交换信息。

物联网现在已经应用于交通、物流、军事等领域，未来将逐渐普及到所有领域，成为我们日常生活的一部分（图6.29）。

物联网作为互联网的下一站，在广度和深度上都有超过互联网对科技发展、人类社会进步影响的可能，因此世界各国都把物联网提升为国家战略，物联网已经成为国家综合竞争力的体现。