物联网体系架构

物联网通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网体系架构主要包括3层,即终端及感知延伸层、网络层和应用层。其中终端及感知延伸层作为物联网的信息获取源,主要包括通信终端或网关,以及传感器等泛在网感知设备及网络。它主要实现两个方面的功能:一个是感知功能,通过传感器网络或其他短距离通信网络及技术实现对环境的感知,并上传应用数据,使网络获知物理世界的更多状况和变化,以提高应对和掌控能力,同时接受上传业务的控制指令;另一个是通信功能,提供与远程业务应用的通信能力和一些业务的处理能力。

本着高性能、高可靠性、低成本、技术实现简捷、通用性强及可扩展性好的目标,物联网体系可实现以下功能。

(1)使用4G、WiFi和北斗通信技术相结合的无线通信技术方案实现无线数据通信。在特定区域内使用WiFi技术,满足用户高速数据传输的需求。而4G技术覆盖范围大、快速移动时仍能保持144kbit/s的数据速率,在没有WiFi信号或进行快速移动时使用4G技术。而在没有移动网络覆盖的地方,使用北斗通信技术能够提供及时、可靠的数据通信服务。

(2)硬件平台采用本国自主品牌的微处理器进行二次开发,提供多种接口实现,包括实现RS232串行接口、USB、SDIO、CMOS摄像头等接口实现。

(3)软件平台设计基于Android系统,采用模块化设计方案,从而达到灵活增减各种应用功能的目的。

多功能物联网移动终端能够完成物联网业务的以下基本功能:①通过摄像头模块采集图片、一维二维码信息。②通过RFID模块采集电子标签信息。③通过ZigBee网关模块采集无线传感器数据。④通过加速度传感器模块采集加速度值。⑤通过北斗定位模块获取位置信息。⑥通过4G模块、WiFi模块以及北斗通信模块,在多通信网络下实现与后台服务终端或其他终端的数据通信。

根据目前对物联网移动的功能需求及研究热点,以及多功能物联网移动终端在现有数据感知技术和无线通信技术的水平,通过软、硬件的密切配合能够实现精确导航指向、多通信网络自适应切换、即时分组通信。

精确导航指向:利用北斗定位系统、加速度传感器和摄像头3种设备的采集数据,给出了一种新导航指向方案。

图2-4　物联网体系架构(https://www.xing528.com)

多通信网络自适切换:在4G、WiFi和北斗这3种现有并可用的通信技术的基础上,给出了多功能物联网移动终端的多通信网络自适应切换解决方案,可随时随地为用户提供经济、可靠、实时的网络通信数据服务。

即时分组通信:在移动通信网和北斗通信网的基础上,给出了即时分组通信的技术方案,实现即时群组通信、共同完成作业的功能。

物联网从宏观上来看,包含3个层次:分别是感知层,用来感知世界;网络层,用来传输数据;应用层,用来处理数据,如图2-4所示。

1.感知层

感知层的作用是感知和采集信息。从仿生学角度来看,感知层为“感觉器官”,可以感知自然界的各种信息。感知层包含传感器、RFID标签与读写器、激光扫描器、摄像头、M2M终端、红外感应器等各种设备和技术。传感器及相关设备装置位于物联网的底层,是整个产业链中最基础的环节,解决人类世界与物理世界数据获取问题,首先通过传感器、RFID等设备采集外部物理世界的数据,然后通过蓝牙、红外、工业总线、条码等短距离传输技术进行传输。

在2009年温家宝提出“感知中国”后,国家对传感器的研发投入加大。江苏省无锡市建成了我国首个传感中心,通过国家高层次海外人才引进,纳米传感器在医学上已经应用到临床。传感器是一门多学科交叉的工程技术,涉及信息处理、开发、制造、评价等许多方面,制造微型、低价、高精度、稳定可靠的传感器是科研人员与生产单位的目标。RFID应用广泛,如身份证、电子收费、物流管理、公交卡、高校一卡通等,且RFID标签可以印刷,成本低廉,得到广泛的应用与普及。

2.网络层

网络层的任务是将感知层的数据进行传输,将感知层获取的数据通过移动通信网、卫星通信网、各类专网、企业内部网、小型局域网、各种无线网络进行传输,尤其是互联网、有线电视网、电信网进行三网融合后,有线电视网也能提供低价的宽带数据传输服务,促进了物联网的发展。

网络层的研究开发主要由高校和大企业主导。在学术界,随着IPv6的诞生与实际应用,我国的科技工作者做出了很多贡献,如为了解决多网融合问题,北京邮电大学教授张平所在的泛在网络研究中心已经对网络的异构问题进行了大量的研究,完成了相关的“973”和“863”计划项目。在企业界,华为、中国移动、大唐电信等已经加入3GPP长期演进(Long Term Evolution,LTE)项目,LTE是以频分多路复用频分多址连接(FDM/FDMA)及多输入多输出(MIMO)为核心的4G技术,在速率、功耗、延迟、高速移动性等性能指标方面取得了突破性进展。

3.应用层

应用层的任务是对网络层传输来的数据进行处理,并与人通过终端设备进行交互,包括数据存储、挖掘、处理、计算以及信息的显示。物联网的应用层涵盖医疗、环保、物流、银行、交通、农业、工业等领域,物联网虽然是物物相连的网络,但最终需要以人为本,需要人的操作与控制。应用层的实现涉及软件的各种处理技术、智能控制技术和云计算技术等。