物联网体系结构

任何一门技术都有其特点和突破点，物联网的学习亦是如此，我们首先从物联网三层体系结构开始，了解物联网应用背后的支撑技术，那么我们应用物联网就会更加自如。

一、根据物联网的本质属性和应用特征，可以将物联网从技术架构上分为三层：

• 感知层

• 网络层

• 应用层

1、感知层

由各种传感器以及传感器网关构成。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。

2、网络层

相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，网络层所需要的关键技术包括有线和无线通信技术、网络技术等。

3、应用层

是物联网与用户之间的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

二、四层物联网体系架构

目前业界普遍接受的是四层物联网体系架构，从下到上依次是感知层、网络层、平台层和应用层，这也体现了物联网的三个基本特征，即全面感知、可靠传输和智能处理（平台层和应用层），如图所示。

1、感知层【全面感知，时刻环绕】

感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题，由各种传感器以及传感器网关构成。该层被认为是物联网的核心层，主要是物品标识和信息的智能采集，它由基本的感应器件（例如RFID标签和读写器、各类传感器、摄像头、GPS、二维码标签和识读器等基本标识和传感器件组成）以及感应器组成的网络（例如RFID网络、传感器网络等）两大部分组成。该层的核心技术包括射频技术、新兴传感技术、无线网络组网技术、现场总线控制技术（FCS）等，涉及的核心产品包括传感器、电子标签、传感器节点、无线路由器、无线网关等。

物联网的感知层相当于人类眼睛、鼻子、耳朵、嘴巴、四肢的延伸，融合了视觉、听觉、嗅觉、触觉等器官的功能。目前物联网感知事物信息的“五官”，主要是靠感知层的四大技术，即射频技术（RFID）、传感技术、定位技术和激光扫描技术。

1.1 射频技术（RFID）

在感知层的四大感知技术中，RFID居于首位，是物联网的核心技术之一。

              

最简单的射频识别系统

如图它由电子标签和读写器组成。当带有电子标签的物品通过读写器时，标签被读写器激活并通过无线电波将标签中携带的信息传送到读写器中，读写器接收信息，完成自动采集工作。

1.2 传感技术

如果说RFID是物联网的“眼睛”，那么传感器就好比是物联网的“皮肤”。我们利用RFID实现对物体的标识，而利用传感器则可以实现对物体状态的把握。具体说来，传感器就是能够感知采集外界信息，如图1- 5等，并将其转化成电信号传送给物联网的大脑。

常见传感器

1.3  激光扫描技术

除了RFID及传感器以外，激光扫描技术也很常见。目前应用最广泛的是条码技术，分为一维码和二维码。

                

一维码与二维码                   

1.4  定位技术

GPS定位技术也是重要的感知技术之一。利用GPS定位卫星，在全球范围内实时定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。

中国北斗卫星导航系统（BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继GPS、GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

2、网络层【智慧连接，无所不容】

传输层也被称为网络层，解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，通常是长距离的传输问题，主要完成接入和传输功能，是进行信息交换、传递的数据通路，包括接入网与传输网两种。传输网由公网与专网组成，典型传输网络包括电信网（固网、移动网）、广电网、互联网、电力通信网、专用网（数字集群）。接入网包括光纤接入、无线接入、以太网接入、卫星接入等各类接入方式，实现底层的传感器网络、RFID网络的最后一公里的接入。

物联网的网络层建立在现有的通信网络、互联网、广电网基础上，将感知层采集的信息通过各种接入设备与网络相连，实现物体信息的传输。从信息传输方式上看，可以分为有线通信技术和无线通信技术。

1.有线通信技术

有线通信技术是指利用有线介质传输信号的技术。有线通信技术可分为短距离的现场总线（Field Bus，也包括PLC——电力线载波等技术）和中、长距离的广域网络（包括PSTN、ADSL和HFC数字电视Cable等）两大类。

目前世界上存在着大约四十余种现场总线，这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，目前的工业总线网络可归为三类：485网络、HART网络、FieldBUS现场总线网络。

485网络：RS485/MODBUS是现在流行的一种工业组网方式，其特点是实施简单方便，而且现在支持RS485的仪表又特别多。现在的仪表商也纷纷转而支持RS485/MODBUS，原因很简单， RS485的转换接口不仅便宜得而且种类繁多。至少在低端市场上，RS485/MODBUS仍将是最主要的工业组网方式。

HART网络：HART是由艾默生提出的一个过度性总线标准，主要特征是在4-20毫安电流信号上面叠加数字信号，但该协议并未真正开放，要加入他的基金会才能拿到协议，而加入基金会要一定的费用。HART技术主要被国外几家大公司垄断，近些年国内也有公司在做，但还没有达到国外公司的水平。现在有很多智能仪表带有[HART圆卡]，支持HART通讯功能。但从国内情况来看，还没有真正用到这部分功能来进行设备联网监控，最多只是利用手操器对其进行参数设定。从长远来看，由于HART通信速率低、组网困难等原因，HART仪表的应用将呈下滑趋势。

FieldBus现场总线网络：现场总线是当今自动化领域的热点技术之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接控制现场的仪表与控制室内的控制装置的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字化通信。现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着“智能化、数字化、信息化、网络化、分散化”的方向进一步迈进，形成新型的网络通信的全分布式控制系统——现场总线控制系统FCS(FieldbusControl System)。然而，到目前为止，现场总线还没有形成真正统一的标准，ProfiBus、CANbus、CC-Link等多种标准并行存在，并且都有自己的生存空间。何时统一，遥遥无期。目前，支持现场总线的仪表种类还比较少，可供选择的余地小，价格又偏高，用量也较小。

2.无线通信技术

无线通信技术是指利用无线电磁介质传输信号的技术。物联网的无线通信技术很多，主要分为两类：一类是ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术；另一类是LPWAN（low-powerWide-AreaNetwork，低功耗广域网），即广域网通信技术。

短距离通讯目前有以下几类：

1) Wi-Fi

Wi-Fi是一种能够将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，是当今使用最广的一种无线网络传输技术。常见的Wi-Fi设备就是一个无线路由器，在无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用Wi-Fi方式联网。如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者其他上网线路，则又被称为热点。

2) 蓝牙

蓝牙技术在日常生活中应用最广泛的就是在支持蓝牙的手机通话设备上，如蓝牙耳机。从技术上来说，蓝牙是一种短距离的无线连接技术标准。能在移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，有效地简化移动通信终端设备之间的通信以及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。

3) GPRS

GPRS全称是General Packet Radio Service，即通用分组无线服务技术。它采用分组交换的方式，给GSM用户提供移动环境下的高速数据业务，包括收发Email、Internet浏览等功能。使用GPRS建立新的连接几乎无需任何时间，可以保持永远在线。GPRS可以按数据流量计费，只要不进行数据传输，哪怕一直“在线”，也无需付费。

4）ZigBee技术

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

广域网通讯：目前LPWAN主要可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa技术；另一类是工作于授权频谱下的NB-IoT

1）LoRa技术

 LoRa模块是指基于Semtech公司 SX127X系列芯片研发的一款工业级射频无线产品，相比传统的窄带调制技术，LoRa模块采用了扩频调制技术在抑制同频干扰的性能方面具有明显优势，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗扰和功耗的弊端。

LoRa使用的是免授权ISM频段，但各国或地区的ISM频段使用情况是不同的。在中国市场，由中兴主导的中国LoRa应用联盟（CLAA）推荐使用了470-518MHz。而无线电计量仪表使用频段为470-510MHz。由于LoRa是工作在免授权频段的，无需申请即可进行网络建设，网络架构简单，运营成本也低。LoRa联盟正在全球大力推进标准化的Lo-RaWAN协议，使得符合LoRaWAN规范的设备可以互联互通。

LoRa以其独有的专利技术提供了最大168dB的链路预算。一般来说，在城市中无线距离范围是1-2公里，在郊区无线距离最高可达20km。

2）NB-IoT技术

NB-IoT指窄带物联网（NarrowBand-Internet of Things）技术，是工作在授权频段的技术，核心是面向低端物联网终端（低耗流），适合广泛部署在智能家居、智能城市、智能生产等领域，对长距离、低速率、低功耗、多终端的物联网应用具有较大优势。

NB-IoT使用了授权频段，有三种部署方式：独立部署、保护带部署、带内部署。全球主流的频段是800MHz和900MHz。中国电信会把NB-IoT部署在800MHz频段上，而中国联通会选择900MHz，中国移动则可能会重耕现有900MHz频段。

移动网络的信号覆盖范围取决于基站密度和链路预算。NB-IoT具有164dB的链路预算，GPRS的链路预算有144dB，LTE是142.7dB。与GPRS和LTE相比，NB-IoT链路预算有20dB的提升，开阔环境信号覆盖范围可以增加七倍。20dB相当于信号穿透建筑外壁发生的损失，NB-IoT室内环境的信号覆盖相对要好。一般地，NB-IoT的通信距离是15km。

3、平台层【跨行应用，支撑服务】

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、跨系统之间的信息协同、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。

新大陆教育公司的物联网云平台是基于智能传感器、无线传输技术、大规模数据处理与远程控制等物联网核心技术与互联网、无线通信、云计算大数据技术高度融合开发的一套物联网云服务平台，集设备在线采集、远程控制、无线传输、数据处理、预警信息发布、决策支持、一体化控制等功能于一体的物联网系统。用户及管理人员可以通过手机、平板、计算机等信息终端，实时掌握传感设备信息，及时获取报警、预警信息，并可以手动/自动的调整控制设备，最终实现使以上管理变的轻松简单。同时物联网云平台也是针对物联网教育、科研推出的旨在提供一个开放的物联网云服务教学平台。通过物联网云服务平台相关的CASE-DESIGNER、API、SDK等为实验、实训、项目设计、比赛、毕业设计等提供一套完整的软硬件环境，轻松快速了解物联网行业应用，学习物联网相关技术。

4、应用层【广泛应用，互通服务】

应用层也可称为处理层，解决的是信息处理和人机界面的问题。网络层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。处理层由业务支撑平台（中间件平台）、网络管理平台（例如M2M管理平台）、信息处理平台、信息安全平台、服务支撑平台等组成，完成协同、管理、计算、存储、分析、挖掘、以及提供面向行业和大众用户的服务等功能，典型技术包括中间件技术、虚拟技术、高可信技术，云计算服务模式、SOA系统架构方法等先进技术和服务模式可被广泛采用。

在各层之间，信息不是单向传递的，可有交互、控制等，所传递的信息多种多样，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。尽管物联网在智能工业、智能交通、环境保护、公共管理、智能家庭、医疗保健等经济和社会各个领域的应用特点千差万别，但是每个应用的基本架构都包括感知、传输和应用三个层次，各种行业和各种领域的专业应用子网都是基于三层基本架构构建的。

应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现广泛智能化。物联网应用层利用经过处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务，以实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理。这些智能化的应用涵盖了物流监控、污染监控、智能检索、远程抄表、智能交通、智能家居、路灯控制、手机钱包、高速公路不停车收费等各个领域。

应用层可以分为应用支撑平台子层和应用服务子层。所涉及的技术非常广泛，例如：云计算、中间件、物联网应用、信息处理等。