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物联网系列二:体系架构

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物联网的架构通常认为有三个层次,底层是感知层也就是传感网络,中间层是网络层即数据传输的网络通道,上层则是应用层[[1][2]]。实际上,将信息的传输和处理放在同一层次,或者将处理和应用放在同一层次,一方面限制了信息的处理范围,构筑单点、闭环应用,另一方面不利于不同应用之间以及不同物品之间的资源共享和复用。因此,在当前阶段,人们更加倾向于将信息的传输和处理分开,将通用、公共的信息处理部分独立出来,作为物联网基础设施,可以供多个应用共享使用。这样,物联网架构被划分为四个层次,感知层、传输层、智能层和应用层,分别承担“感”“传”“智”“用”的任务。具体如下图所示。

 

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图1. 物联网技术架构示意图

l        感知层面

感知层主要负责识别物体,采集信息。感知层的工作需要依靠一些终端设备来完成,目前较为流行的设备包括:二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、各种传感器等等。以农业应用为例,常用的终端设备包括温度和湿度传感器、CO2探测传感器、光照度传感器、土壤养分传感器等。

由于终端设备类型多样,不同类型的设备输出的信号类型、使用的传输接口、生成的数据格式都不尽相同,而面对物联网所期望的物物相联,需要设备信息的共享和交换,因此如何规范化各种传感器的输出数据,让使用者能够识别这些数据是一项重要工作。

l        传输层面

传输层主要负责信息传递。当前的主流技术包括:通信网络、无线专网、互联网及融合网络。以当前的农业物联网应用为例,传输网络的建设通常采用两种方式,一种是由电信、移动、联通三大运营商提出的3G+WLAN [[3]]组网模式,另一种是利用Wi-Fi技术 [[4]]组建的无线宽带接入网络。

传输层的目标是能够满足大量、实时传感数据的传输需求,而这也是传输层面临的一大挑战。据北京市智能交通应用的试验数据,面对200个节点的摄像头终端,当前的网络传输技术就已经不堪重负。因此,设计新型的网络体系结构,提高网络带宽,以保证大数据量的实时传输是一项重要工作。

l        智能层面

智能层主要通过对传感信息的动态汇聚、分解、合并等处理和服务,在数字/虚拟空间内创建物理世界所对应的动态视图[[5]]。一方面,对物联网建设中涉及的各类传感设备进行一体化管理,实现传感器技术标准的统一,提高传感器的共享利用程度,避免传感信息的重复采集 [[6], [7], [8]];另一方面得到的数据和信息提供存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的基础服务 [[9]]

一般来说智能化的工作需要有海量存储和高性能计算技术和设备的支撑。近年来兴起的云存储、云计算等技术有望在物联网领域发挥更大的作用。

l        应用层面

应用层利用经过分析处理的信息,为用户提供丰富的特定服务。仍以农业领域为例,当前已经出现了针对农副食品安全、智能化培育控制[[10]]及农业信息服务等方面的示范应用。不过目前物联网应用表现出“窄而小”的特点,仍以单个的、定制化应用为主,对物品信息的共享使用程度并不高。如何实现对多个独立应用的融合,在独立应用的基础上的开发增值应用,从而为生产、收获、运输、销售等环节提供全方位的支持是今后工作的重要内容。

 


[[1]]胡昌玮,周光涛,唐雄燕.物联网业务运营支撑平台的方案研究. 信息通信技术. 2010年2期.

[[2]] 王炳辉. 构建可运营可管理的物联网. 信息通信技术. 2010年2期.

[[3]] 于永,浅析3G与WLAN的糅合组网技术,科技咨询导报,2008年12期

[[4]] 雷远 熊建设 赵晓慧 LEI Yuan XIONG Jianshe ZHAO Xiaohui,基于Wi-Fi的无线传感器网络设计与研究,现代电子技术,2009年18期

[[5]] Haral d Sundmaeker, Patri ck Guillemin, Pe t e r F ri e ss, Sylvie Woelfflé. Vision and Challenges for Realising the Internet of Things. 2010.03. http://ec.europa.eu/information_society/events/shanghai2010/pdf/cerp_iot_clusterbook_2009.pdf

[[6]]A. Kansal, S. Nath, J. Liu, and F. Zhao, “SenseWeb: an infrastructure for shared sensing,” IEEE Multimedia, vol. 14, no. 4, pp. 8–13, 2007.

[[7]] Guinard D, Trifa V, Wilde E (2010) Architecting a Mashable Open World Wide Web of Things. TR ETH Zürich. http://www.vs.inf.ethz.ch/publ/papers/WoT.pdf, letzter Zugriff 26. Januar 2010

[[8]] D. Guinard and V Trifa. Towards the web of things: Web mashups for embedded devices. In Proceedings of WWW (International World Wide Web Conferences), Madrid, Spain, 2009.

[[9]] K. Aberer, M. Hauswirth, A. Salehi, "Infrastructure for data processing in large-scale interconnected sensor network", in 8th International Conference on Mobile Data Management Mannheim, Germany, 2007.

[[10]] 李栋,基于无线传感器网络的温室监测系统的设计与研究,硕士学位论文,2008.06

(作者:张程、杨冬菊)