物聯網傳感網絡平臺

邵澤華

（成都秦川物聯網科技股份有限公司，四川 成都 610100）

0 引 言

物聯網是物與物之間信息交互而形成的網，是物聯網對象、物聯網運營商及物聯網用戶三者有機結合而形成的有機整體，體現的是對象與用戶之間服務與被服務的關系。

物聯網中作為“對象”的智能物體可實現對信源信息（可以是對象自身信息，也可以是對象以外的信息）的感知，并通過物聯網運行體系的運行將感知信息傳輸給物聯網用戶，為用戶提供感知服務；物聯網用戶也可以通過物聯網運行體系將控制指令發送給物聯網對象，再由對象執行控制，為用戶提供控制服務。物聯網中，傳感網絡平臺是實現物與物之間信息可靠、準確、及時、安全傳輸的關鍵環節，其功能結構和組網方式對整個物聯網的可靠有效運行發揮著至關重要的作用。

1 傳感網絡平臺的功能結構及功能

物聯網運行體系包括信息體系、物理體系和功能體系，如圖1所示。

（1）信息體系為五域信息結構，包括對象域、傳感域、管理域、服務域和用戶域，表達物聯網的信息構成及其運行方式；

（2）物理體系為五層物理結構，包括對象層、傳感網絡層、管理層、服務層和用戶層，是物聯網的信息載體，為物聯網信息的運行和功能實現提供物理實體支撐；

（3）功能體系為五平臺結構，包括對象平臺、傳感網絡平臺、管理平臺、服務平臺和用戶平臺。

信息體系在物理體系上運行，形成功能體系[1-2]。

1.1 傳感網絡平臺的功能結構

傳感網絡平臺是物聯網運行體系中對象平臺與管理平臺之間信息交互的橋梁，對應物聯網信息體系結構中的傳感域和物理體系結構中的傳感網絡層。傳感域是感知傳感信息和控制傳感信息的集合，傳感網絡層是物聯網智能傳感器通信模塊、本地通信網絡、物聯網智能網關、遠程通信網絡、運營商通信服務器等物理實體的集合。傳感域中的信息在傳感網絡層中的物理實體上運行，實現傳感網絡平臺在對象平臺和管理平臺之間的雙向通信功能、通信協議轉換功能、數據管理功能等，其功能結構如圖2所示。

圖1 物聯網運行體系結構

圖2 傳感網絡平臺的功能結構

1.2 傳感網絡平臺的功能

傳感網絡平臺的主要功能是實現對象平臺與管理平臺之間的相互通信，同時還具有相應的通信協議轉換功能和數據管理功能。

1.2.1 傳感通信功能

傳感通信功能是傳感網絡平臺的主要功能，分為本地通信和遠程通信。其中，本地通信指物聯網智能傳感器通信模塊與物聯網智能網關之間的雙向通信。本地通信受通信距離限制，根據具體采用的不同通信技術和方式，通信距離通常可以從幾厘米到幾千米，甚至更遠的距離；遠程通信指物聯網智能網關與運營商通信服務器之間的雙向通信。由于運營商通信服務器可以根據需要布設在遠程通信網絡能夠覆蓋的任何角落，因此與物聯網智能網關之間的通信距離幾乎不受限制。

1.2.2 數據管理功能

傳感網絡平臺具有數據管理功能，可對來自對象平臺或管理平臺的信息進行解析、存儲、分類、加密等預處理，不僅能夠保證對象平臺與管理平臺之間通信的可靠、準確、及時、安全，也可分擔管理平臺和對象平臺的數據容量。

1.2.3 通信協議轉換功能

物聯網中對象平臺的智能傳感器和運營商管理平臺實現雙向通信的前提是二者的通信協議一致。傳感網絡平臺可實現對象平臺和運營商管理平臺之間通信協議的轉換，保證兩個平臺間信息的可靠傳輸。例如，物聯網智慧燃氣系統中，對象平臺中不同廠家、不同型號、裝有不同通信模塊的智能燃氣表的通信協議可能不一致，而傳感網絡平臺的物聯網智能網關具有通信協議轉換功能，可將所有燃氣表的通信協議轉換為與燃氣公司管理平臺管理服務器統一的通信協議，也可以將燃氣公司管理平臺下發的控制指令轉化為各燃氣表能夠識別的協議模式，有效保證了物聯網系統的兼容性。

傳感網絡平臺同時涉及本地通信和遠程通信，本地通信和遠程通信所采用的通信方式與通信協議不同。傳感網絡平臺必須有相應的本地通信和遠程通信的協議轉換功能，信息上行過程中能夠將本地通信數據格式轉換為可識別的遠程通信數據格式，而信息下行過程中能夠將遠程通信數據格式轉換為可識別的本地通信數據格式，實現本地通信網絡與遠程通信網絡的融合。

2 傳感網絡平臺的功能實現

功能是物聯網的外在表現，是物聯網用戶需求實現的最直接體現。物聯網的功能實現離不開信息和物理的結合，信息在對應物理實體上運行表現出相應的功能。傳感網絡平臺作為物聯網功能體系結構中的關鍵環節，其功能的實現離不開相應信息的運行和物理實體的支撐。

2.1 傳感網絡平臺的信息運行方式

在物聯網信息體系結構中，傳感域包含感知信息傳感系統和控制信息傳感系統，統稱為傳感網絡管理系統，可為傳感網絡平臺功能的實現提供有效的信息運行方式，如圖3所示。

圖3 傳感域的信息運行方式

傳感網絡平臺的信息運行主要在網絡管理系統的綜合管理下進行。信息上行過程中，對象域上傳的感知信息通過感知信息傳感系統進行解析、分類、轉化等處理，并以感知傳感信息的形式繼續向管理域上傳或者直接轉發至控制信息傳感系統，從而完成感知信息在傳感域中的運行；信息下行過程中，通過感知信息傳感系統接收控制管理信息或感知傳感信息，并進行相應的解析、分類、轉化等處理，再以控制傳感信息的形式下發至對象域，從而完成控制信息在傳感域中的運行。

2.2 傳感網絡平臺的物理實體支撐

傳感域為傳感網絡平臺的功能實現提供了有效的信息運行方式，而傳感網絡層則為傳感網絡平臺的功能實現提供可靠的物理實體支撐，其物理實體構成及連接關系如圖4所示。

圖4 傳感網絡層的物理實體構成及連接關系

傳感網絡層的物理實體主要包括物聯網智能傳感器通信模塊、本地通信網絡、物聯網智能網關、遠程通信網絡以及運營商通信服務器，共同為傳感網絡平臺的功能實現提供物理實體支撐。

物聯網智能傳感器通信模塊安裝在對象層物聯網智能傳感器中，方便物聯網智能傳感器對外通信。物聯網智能傳感器通信模塊能夠接收物聯網智能傳感器感知單元所獲取的感知信息，并傳輸給物聯網智能網關，同時也能夠接收物聯網智能網關下發的控制指令，并傳輸給對象層的物聯網智能傳感器控制單元。

本地通信網絡是物聯網智能傳感器通信模塊與物聯網智能網關之間組成的通信網絡，可采用不同的通信技術，如有線通信（M-BUS，RS 485，PLC 等）、近距離無線通信技術（ZigBee，藍牙，WiFi，紅外線等）以及低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN，典型的有LoRa，NB-IoT，Sigfox等）無線通信技術等，實現智能傳感器通信模塊與物聯網智能網關之間的雙向通信。

物聯網智能網關是物聯網運行體系中傳感網絡層的核心設備，不僅具有通信功能，還可實現傳感網絡平臺的數據管理、通信協議轉換等。物聯網智能網關具有南向接口和北向接口，南向接口與智能傳感器通信模塊通過本地通信網絡連接，北向接口則與運營商通信服務器通過遠程通信網絡連接。物聯網智能網關能夠接收物聯網智能傳感器通信模塊上傳的感知信息，并傳輸給運營商通信服務器，同時也能夠接收運營商通信服務器下發的控制指令并傳輸給物聯網智能傳感器通信模塊。

遠程通信網絡是物聯網智能網關與運營商通信服務器間的通信網絡，典型的有移動通信網絡（如2G，3G，4G等）、互聯網、衛星通信網絡等。

運營商通信服務器用以實現物聯網智能網關與管理層運營商管理服務器的通信，能夠接收物聯網智能網關上傳的感知信息并傳輸給運營商管理服務器，也能夠接收運營商管理服務器下發的控制指令并傳輸給物聯網智能網關。

3 傳感網絡平臺的組網方式

傳感網絡平臺組建網絡的方式稱為組網方式，是指傳感網絡平臺各物理實體的選擇及其排列方式。在實際組網過程中，根據具體需要，傳感網絡平臺的組網方式分為如下兩種：

（1）物聯網智能網關位于智能傳感器外部，一個網關連接多個智能傳感器；

（2）物聯網智能網關位于智能傳感器內部，一個網關連接一個智能傳感器。

傳感網絡平臺組網方式如圖5所示。

組網方式一：物聯網智能網關位于智能傳感器外部，一個網關連接多個智能傳感器；

組網方式二：物聯網智能網關位于智能傳感器內部，一個網關連接一個智能傳感器。

組網方式一中，智能傳感器的感知單元和控制單元通過智能傳感器通信模塊與物聯網智能網關進行無線連接，物聯網智能網關可直接接入互聯網或通過移動通信網絡接入互聯網，實現與運營商通信服務器之間的連接。物聯網智能網關作為中心傳感節點，能夠同時接入多個智能傳感器，實現多個智能傳感器的集中通信和管理。

組網方式二中，物聯網智能網關位于智能傳感器內部，與智能傳感器通信模塊集成，具有智能傳感器對外通信及相應的信息處理功能。這種組網方式可實現物聯網智能網關與物聯網智能傳感器之間一對一的關系，即一個網關連接一個智能傳感器。

傳感網絡平臺組網方式的科學合理性和先進性是影響傳感網絡平臺傳感通信功能的重要因素，直接決定物聯網中的對象平臺與管理平臺之間是否能夠可靠、高效地雙向通信。傳感網絡平臺的組網方式因領域或行業具體需求的不同而不同。例如，家用能源物聯網智慧管理系統傳感網絡平臺采用的組網方式為星型無線組網方式，如圖6所示。物聯網智能網關位于物聯網智能能源表外部，一個物聯網智能網關可以同時接入多個同一類型或不同類型的物聯網智能能源表。例如，一個網關可同時連接多個物聯網智能水表、智能燃氣表、智能電表及智能熱量表，也可以同時連接水、電、氣、熱等多個不同的物聯網智能能源表，這些物聯網能源表可以屬于同一廠商或不同廠商。物聯網智能網關是實現各物聯網智能能源表與能源管理商雙向通信的核心設備，應具有廣泛兼容接入能力、一定的接入容量和數據處理能力，不同行業或不同廠商的物聯網智能能源表上傳的感知信息經物聯網智能網關進行協議轉換、解析、分類等一系列處理后，通過遠程通信網絡傳輸給能源管理商管理平臺。

圖5 傳感網絡平臺的組網方式

圖6 家用智慧能源物聯網運行體系傳感網絡平臺的組網方式

家用能源物聯網智慧管理系統傳感網絡平臺中的物聯網智能網關內置RF通信模塊和GPRS通信模塊。

（1）RF通信模塊用于物聯網智能能源表與物聯網智能網關之間的本地通信，能夠接收、識別物聯網智能能源表RF通信模塊上傳的感知信息，并將控制信息下發至表端RF通信模塊；

（2）GPRS模塊用于物聯網智能網關與能源管理商之間的遠程雙向通信。在遠程通信方面，物聯網智能網關主要通過GPRS通信網絡接入互聯網，但隨著物聯網智能網關以及4G，5G等移動通信網絡的發展，未來的物聯網智能網關產品將會通過4G，5G等網絡接入互聯網，或者直接接入互聯網，在物聯網智能網關與運營商之間實現更加高效、快捷、大數據量的遠程通信。

4 結 語

物聯網通過智能物體將人們從各種繁瑣的勞動中逐步解放出來，使人們成為用戶而享受到舒適、便捷、高效的服務，物聯網的發展必將推動人類社會向智能化、智慧化的時代邁進。

物聯網傳感網絡平臺能夠實現對象終端與管理商、用戶之間有效、準確、實時、安全的信息交互。通過對物聯網傳感網絡平臺的功能結構、信息運行方式、物理實體支撐以及組網方式的介紹，為人們正確認識物聯網和開發物聯網產品提供參考。