物聯網體系架構綜述

尹春林，楊莉，楊政，潘侃，沈鑫

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

近年來“云大物移智+區塊鏈”發展迅速，特別是其中的物聯網技術。物聯網（Internet of things）[1]被認為是新一代互聯網技術的重要組成部分，同時也是“信息化”時代的重要發展階段。物聯網最終追求的目標是萬物。物聯網就是萬物相連的互聯網，包括：物與物的互聯、人與物的互聯和人與人的互聯。這里包含兩層意思：第一，物聯網的基礎和核心仍然是互聯網，僅是在互聯網基礎上進行延伸和擴展的一種更泛在的網絡；第二，其互聯的對象延伸和拓展到了任何物品與物品之間，進行通訊和信息交換，即物物相息。物聯網通過識別技術、智能感知及普適計算、邊緣計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，因此認為物聯網是繼計算機、互聯網等技術之后世界信息產業發展的第三次浪潮[2]。

早期的物聯網主要是依托射頻識別（RFID）[3]技術進行物聯網絡，但隨著技術和應用的不斷發展及演進，物聯網的內涵已經發生了較大變化。首先從功能的角度看，ITU[1]（國際電信聯盟）認為“世界上所有的物體均可以通過因特網進行主動的信息交換，實現任何地點、任何時間、任何物體之間的互聯互通，無所不在的計算和無所不在的網絡”；從技術角度看，ITU認為“物聯網涉及射頻識別、傳感器、納米和智能等技術”。

物聯網是建立在互聯網上的一種泛在網絡，物聯網的核心依舊是互聯網，只是物聯網將互聯網的外延進行了擴展。互聯網可以看做是人的一種延伸，而物聯網則是萬物的一種延伸。

1 物聯網體系架構

體系架構可以精確地定義系統的各組成部件及其之間的關系，指導開發人員遵從一致的原則實現系統，保證最終建立的系統符合預期的設想。由此可見，體系架構的研究與設計關系到整個物聯網系統的發展，因此本文將對物聯體系架構做分析研究。

按照自底向上的思路，目前主流的物聯網體系架構可以被分為三層：感知層、網絡層和應用層[5-7]。根據不同的劃分思路，也有將物聯網系統分五層的: 信息感知層、物聯接入層、網絡傳輸層、智能處理層和應用接口層。還有一些其他的設計方法，諸如由美國麻省理工學院Auto ID實驗室提出的networked Auto ID[8]、由日本東京大學發起的非盈利標準化組織UID中心制訂的物聯網體系結IDIoT[9]、由美國弗吉尼亞大學的Vicaire等人針對多用戶多環境下管理與規劃異構傳感和執行資源的問題，提出的一個分層物聯網體系結physical-net[10]，歐洲電信標準組織（ETSI）正在制訂的M2M[11]等其他體系架構。本文對當前主流的三層體系架構進行分析。

1.1 傳感層

感知層是物聯網三層體系架構當中是最基礎的一層，也是最為核心的一層，感知層的作用是通過傳感器對物質屬性、行為態勢、環境狀態等各類信息進行大規模的、分布式的獲取與狀態辨識，然后采用協同處理的方式，針對具體的感知任務對多種感知到的信息進行在線計算與控制并做出反饋，是一個萬物交互的過程。感知層被看做是實現物聯網全面感知的核心層，主要完成的是信息的采集、傳輸、加工及轉換等工作。感知層主要由傳感網及各種傳感器構成，傳感網主要包括以NB IoT和LoRa等為代表的低功耗廣域網（LPWAN），傳感器包括RFID標簽、傳感器、二維碼等。

通常把傳感網劃分于傳感層中，傳感網被看做是隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信單元的微小節點，這些節點可以通過自組織、自適應的方式組建無線網絡。傳感層的通訊技術主要是以低功耗廣域網為代表的傳感網，主要解決物聯網低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接等問題，以NB-IoT、Sigfox、LoRa、eMTC等為代表的通訊技術；其次包括Zigbee、WiFi、藍牙、Z-wave等短距離通信技術。相關技術將在第2節做具體介紹。

1.2 網絡層

網絡層作為整個體系架構的中樞，起到承上啟下的作用，解決的是感知層在一定范圍一定時間內所獲得的數據傳輸問題，通常以解決長距離傳輸問題為主。而這些數據可以通過企業內部網、通信網、互聯網、各類專用通用網、小型局域網等網絡進行傳輸交換。網絡層關鍵長距離通訊技術主要包含：有線、無線通信技術及網絡技術等，以3G、4G等為代表的通訊技術為主，可以預見未來5G技術將成為物聯網技術的一大核心[12]。網絡層使用的技術與傳統互聯網之間本質上沒有太大差別，各方面技術相對來說已經很成熟了，因此，本文不占用太多篇幅介紹網絡層相關技術。

1.3 應用層

應用層位于三層架構的最頂層主要解決的是信息處理、人機交互等相關的問題，通過對數據的分析處理，為用戶提供豐富特定的服務[13]。本層的主要功能包括兩個方面內容：數據及應用。首先應用層需要完成數據的管理和數據的處理；其次要發揮這些數據價值還必須與應用相結合。例如在電力行業中的智能電網遠程抄表：部署于用戶家中的讀表器可以被看作是感知層中的傳感器，這些傳感器在收集到用戶用電的信息后，經過網絡發送并匯總到相應應用系統的處理器中。該處理器及其對應相關工作就是建立在應用層上的，它將完成對用戶用電信息的分析及處理，并自動采取相關信息。

2 關鍵技術研究

本節針對當前物聯網應用與研究的熱點技術進行闡述，主要對物聯網感知層的通訊技術、傳感器技術和RFID技術進行介紹。

2.1 物聯網通訊技術

物聯網通訊技術不同于傳統互聯網通訊技術，物聯網通訊對帶寬及功耗要求不高，但對傳輸距離和連接量有很高要求，以無線通訊技術為主，這就對物聯網通訊技術提出了新的要求。物聯網通訊技術按傳輸的方式分為兩類，一類為低功耗廣域網為主，即廣域網通訊技術，以NB-IoT、LoRa、Sigfox為代表；另一類則以Zigbee、WiFi、藍牙、Z-wave等短距離通信為主的物聯網通訊技術為代表。同時廣域網又分為授權頻段技術和非授權頻段技術，授權頻段為獲得授權使用的頻段。本節對低功耗廣域網和短距離通訊技術進行介紹。

低功耗廣域網，本文主要介紹授權頻段為代表的NB-IoT窄帶技術和非授權頻段為代表的LoRa技術：

1）NB-IoT：目前窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things）已成為了萬物互聯網絡的一個重要分支。NB-IoT是基于蜂窩網絡技術設計的，大約只消耗180KHz左右的帶寬，可直接部署于2G網絡、3G網絡或4G網絡上，以降低部署成本、實現平滑升級為主。

NB-IoT主要應用于低功耗、廣域覆蓋物聯網場景，被看作是在全球范圍內廣泛實踐應用的一種新興技術。NB-IoT使用License頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現有網絡共存。

2）LoRa：屬于低功耗廣域網通信技術中的一種，是美國Semtech公司大力推廣和應用的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。為此，這一通訊方案也改變了以往關于傳輸距離與功耗不兼容的問題，LoRa為用戶提供一種能實現低功耗、遠距離、大容量、低帶寬的系統解決方案，進而對傳感網絡的發展起到了促進作用。目前，LoRa 主要在全球免費非授權頻段運行，以433、868、915 MHz等頻段為主。LoRa技術具有遠距離、多節點、電池壽命長（低功耗）、低成本的特性。

LoRa主要線性調頻擴頻調制技術為主，既保持了低功耗特性，又明顯地增加了通訊的距離，還提升了網絡傳輸效率。另一方面還增加了網絡抗干擾的能力，即不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發送數據信息也不會產生相互干擾的現象，在此基礎上研發的集中器／網關能夠并行接收并同步處理多個節點的數據，系統容量得到了極大的提升。同時，線性擴頻技術空間通信、己在軍事等領域使用了數十年，主要是因為其具有長通信距離和抗干擾能力強的特性。LoRa也是第一個用于商業用途的低成本物聯網通訊技術。這一技術改變了以往關于傳輸距離與功耗不兼容的問題，提供一種簡單的能實現遠距離、長電池壽命（低功耗）、大容量、低成本的通訊技術。

2.2 傳感器

傳感器作為物聯網最底層的終端技術，對支撐整個物聯網起到基礎性作用，是實現物物互聯的基礎，是互聯網延伸成為物聯網的前提條件。傳感器（transducer/sensor）是一種檢測采集裝置，能感受采集到被測量的信息，并能將感受到的信息按特定的要求變換成電信號或其他所需的信號進行輸出，以滿足信息的傳輸、處理、轉換、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器特點包括：微型化、數字化、多樣化、智能化、多功能化、系統化、網絡化等其他特點，是實現自動控制、自動傳輸和自動檢測的首要環節。傳感器的存在和發展，使物體有了觸覺、味覺、嗅覺等感官能力，讓物體變得活了起來。通常根據其基本感知功能又被分為熱敏元件、氣敏元件、光敏元件、力敏元件、濕敏元件、聲敏元件多種類型。

傳感器是人類五官的延伸及拓展。傳感器決定了能對外界感知的程度，根據不同的需求選擇不同的傳感器類型，傳感器的類型也決定了其應用場景。

2.3 RFID

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術，即通常所說的無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并對相關數據進行讀寫操作，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸就能夠實現信息的傳輸。射頻主要適用于短距離通信，以1-100GHz的微波為主。RFID系統通常有三部分組成，即應答器、閱讀器及應用軟件系統。

應答器：由天線、芯片及耦合元件組成，一般情況下用標簽作為應答器，每個標簽都具有唯一的電子編碼，附著在物體上。

閱讀器：與應答器類似，也是由天線，耦合元件及芯片三部分組成，讀取標簽信息的設備通常設計為固定式讀寫器或手持式RFID讀寫器。

應用軟件系統 ：主要是設計在應用層軟件之上，首先是把收集的數據進一步處理和加工，然后為人們所使用。

3 結束語

云大物移智及區塊鏈成為當前互聯網發展最為重要的幾個方向，相關的技術研究也比較火熱，物聯網是其中比較重要的一個浪潮。本文首先對物聯網進行介紹，主要分析了物聯網國內外發展及研究情況，其次對物聯網進行體系機構闡述，主要根據當前主流的三層架構：感知層、網絡層及應用層進行分析，最后對物聯網的一些關鍵技術進行分析介紹。

物聯網是一個千億級產業鏈，其蘊含的價值遠超想象，當前物聯網技術還處于嬰幼兒階段，還有很多技術還不成熟，國內外對物聯網的發展無論從政治上、經濟上還是技術上都投入了大量的人力、物力和財力。相信隨著技術的不斷發展還會取得更大的突破。