物联网体系架构综述

尹春林，杨莉，杨政，潘侃，沈鑫

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

近年来“云大物移智+区块链”发展迅速，特别是其中的物联网技术。物联网（Internet of things）[1]被认为是新一代互联网技术的重要组成部分，同时也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网最终追求的目标是万物。物联网就是万物相连的互联网，包括：物与物的互联、人与物的互联和人与人的互联。这里包含两层意思：第一，物联网的基础和核心仍然是互联网，仅是在互联网基础上进行延伸和扩展的一种更泛在的网络；第二，其互联的对象延伸和拓展到了任何物品与物品之间，进行通讯和信息交换，即物物相息。物联网通过识别技术、智能感知及普适计算、边缘计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，因此认为物联网是继计算机、互联网等技术之后世界信息产业发展的第三次浪潮[2]。

早期的物联网主要是依托射频识别（RFID）[3]技术进行物联网络，但随着技术和应用的不断发展及演进，物联网的内涵已经发生了较大变化。首先从功能的角度看，ITU[1]（国际电信联盟）认为“世界上所有的物体均可以通过因特网进行主动的信息交换，实现任何地点、任何时间、任何物体之间的互联互通，无所不在的计算和无所不在的网络”；从技术角度看，ITU认为“物联网涉及射频识别、传感器、纳米和智能等技术”。

物联网是建立在互联网上的一种泛在网络，物联网的核心依旧是互联网，只是物联网将互联网的外延进行了扩展。互联网可以看做是人的一种延伸，而物联网则是万物的一种延伸。

1 物联网体系架构

体系架构可以精确地定义系统的各组成部件及其之间的关系，指导开发人员遵从一致的原则实现系统，保证最终建立的系统符合预期的设想。由此可见，体系架构的研究与设计关系到整个物联网系统的发展，因此本文将对物联体系架构做分析研究。

按照自底向上的思路，目前主流的物联网体系架构可以被分为三层：感知层、网络层和应用层[5-7]。根据不同的划分思路，也有将物联网系统分五层的: 信息感知层、物联接入层、网络传输层、智能处理层和应用接口层。还有一些其他的设计方法，诸如由美国麻省理工学院Auto ID实验室提出的networked Auto ID[8]、由日本东京大学发起的非盈利标准化组织UID中心制订的物联网体系结IDIoT[9]、由美国弗吉尼亚大学的Vicaire等人针对多用户多环境下管理与规划异构传感和执行资源的问题，提出的一个分层物联网体系结physical-net[10]，欧洲电信标准组织（ETSI）正在制订的M2M[11]等其他体系架构。本文对当前主流的三层体系架构进行分析。

1.1 传感层

感知层是物联网三层体系架构当中是最基础的一层，也是最为核心的一层，感知层的作用是通过传感器对物质属性、行为态势、环境状态等各类信息进行大规模的、分布式的获取与状态辨识，然后采用协同处理的方式，针对具体的感知任务对多种感知到的信息进行在线计算与控制并做出反馈，是一个万物交互的过程。感知层被看做是实现物联网全面感知的核心层，主要完成的是信息的采集、传输、加工及转换等工作。感知层主要由传感网及各种传感器构成，传感网主要包括以NB IoT和LoRa等为代表的低功耗广域网（LPWAN），传感器包括RFID标签、传感器、二维码等。

通常把传感网划分于传感层中，传感网被看做是随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，这些节点可以通过自组织、自适应的方式组建无线网络。传感层的通讯技术主要是以低功耗广域网为代表的传感网，主要解决物联网低带宽、低功耗、远距离、大量连接等问题，以NB-IoT、Sigfox、LoRa、eMTC等为代表的通讯技术；其次包括Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术。相关技术将在第2节做具体介绍。

1.2 网络层

网络层作为整个体系架构的中枢，起到承上启下的作用，解决的是感知层在一定范围一定时间内所获得的数据传输问题，通常以解决长距离传输问题为主。而这些数据可以通过企业内部网、通信网、互联网、各类专用通用网、小型局域网等网络进行传输交换。网络层关键长距离通讯技术主要包含：有线、无线通信技术及网络技术等，以3G、4G等为代表的通讯技术为主，可以预见未来5G技术将成为物联网技术的一大核心[12]。网络层使用的技术与传统互联网之间本质上没有太大差别，各方面技术相对来说已经很成熟了，因此，本文不占用太多篇幅介绍网络层相关技术。

1.3 应用层

应用层位于三层架构的最顶层主要解决的是信息处理、人机交互等相关的问题，通过对数据的分析处理，为用户提供丰富特定的服务[13]。本层的主要功能包括两个方面内容：数据及应用。首先应用层需要完成数据的管理和数据的处理；其次要发挥这些数据价值还必须与应用相结合。例如在电力行业中的智能电网远程抄表：部署于用户家中的读表器可以被看作是感知层中的传感器，这些传感器在收集到用户用电的信息后，经过网络发送并汇总到相应应用系统的处理器中。该处理器及其对应相关工作就是建立在应用层上的，它将完成对用户用电信息的分析及处理，并自动采取相关信息。

2 关键技术研究

本节针对当前物联网应用与研究的热点技术进行阐述，主要对物联网感知层的通讯技术、传感器技术和RFID技术进行介绍。

2.1 物联网通讯技术

物联网通讯技术不同于传统互联网通讯技术，物联网通讯对带宽及功耗要求不高，但对传输距离和连接量有很高要求，以无线通讯技术为主，这就对物联网通讯技术提出了新的要求。物联网通讯技术按传输的方式分为两类，一类为低功耗广域网为主，即广域网通讯技术，以NB-IoT、LoRa、Sigfox为代表；另一类则以Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信为主的物联网通讯技术为代表。同时广域网又分为授权频段技术和非授权频段技术，授权频段为获得授权使用的频段。本节对低功耗广域网和短距离通讯技术进行介绍。

低功耗广域网，本文主要介绍授权频段为代表的NB-IoT窄带技术和非授权频段为代表的LoRa技术：

1）NB-IoT：目前窄带物联网（Narrow Band Internet of Things）已成为了万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT是基于蜂窝网络技术设计的，大约只消耗180KHz左右的带宽，可直接部署于2G网络、3G网络或4G网络上，以降低部署成本、实现平滑升级为主。

NB-IoT主要应用于低功耗、广域覆盖物联网场景，被看作是在全球范围内广泛实践应用的一种新兴技术。NB-IoT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。

2）LoRa：属于低功耗广域网通信技术中的一种，是美国Semtech公司大力推广和应用的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。为此，这一通讯方案也改变了以往关于传输距离与功耗不兼容的问题，LoRa为用户提供一种能实现低功耗、远距离、大容量、低带宽的系统解决方案，进而对传感网络的发展起到了促进作用。目前，LoRa 主要在全球免费非授权频段运行，以433、868、915 MHz等频段为主。LoRa技术具有远距离、多节点、电池寿命长（低功耗）、低成本的特性。

LoRa主要线性调频扩频调制技术为主，既保持了低功耗特性，又明显地增加了通讯的距离，还提升了网络传输效率。另一方面还增加了网络抗干扰的能力，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送数据信息也不会产生相互干扰的现象，在此基础上研发的集中器／网关能够并行接收并同步处理多个节点的数据，系统容量得到了极大的提升。同时，线性扩频技术空间通信、己在军事等领域使用了数十年，主要是因为其具有长通信距离和抗干扰能力强的特性。LoRa也是第一个用于商业用途的低成本物联网通讯技术。这一技术改变了以往关于传输距离与功耗不兼容的问题，提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命（低功耗）、大容量、低成本的通讯技术。

2.2 传感器

传感器作为物联网最底层的终端技术，对支撑整个物联网起到基础性作用，是实现物物互联的基础，是互联网延伸成为物联网的前提条件。传感器（transducer/sensor）是一种检测采集装置，能感受采集到被测量的信息，并能将感受到的信息按特定的要求变换成电信号或其他所需的信号进行输出，以满足信息的传输、处理、转换、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器特点包括：微型化、数字化、多样化、智能化、多功能化、系统化、网络化等其他特点，是实现自动控制、自动传输和自动检测的首要环节。传感器的存在和发展，使物体有了触觉、味觉、嗅觉等感官能力，让物体变得活了起来。通常根据其基本感知功能又被分为热敏元件、气敏元件、光敏元件、力敏元件、湿敏元件、声敏元件多种类型。

传感器是人类五官的延伸及拓展。传感器决定了能对外界感知的程度，根据不同的需求选择不同的传感器类型，传感器的类型也决定了其应用场景。

2.3 RFID

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，即通常所说的无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并对相关数据进行读写操作，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触就能够实现信息的传输。射频主要适用于短距离通信，以1-100GHz的微波为主。RFID系统通常有三部分组成，即应答器、阅读器及应用软件系统。

应答器：由天线、芯片及耦合元件组成，一般情况下用标签作为应答器，每个标签都具有唯一的电子编码，附着在物体上。

阅读器：与应答器类似，也是由天线，耦合元件及芯片三部分组成，读取标签信息的设备通常设计为固定式读写器或手持式RFID读写器。

应用软件系统 ：主要是设计在应用层软件之上，首先是把收集的数据进一步处理和加工，然后为人们所使用。

3 结束语

云大物移智及区块链成为当前互联网发展最为重要的几个方向，相关的技术研究也比较火热，物联网是其中比较重要的一个浪潮。本文首先对物联网进行介绍，主要分析了物联网国内外发展及研究情况，其次对物联网进行体系机构阐述，主要根据当前主流的三层架构：感知层、网络层及应用层进行分析，最后对物联网的一些关键技术进行分析介绍。

物联网是一个千亿级产业链，其蕴含的价值远超想象，当前物联网技术还处于婴幼儿阶段，还有很多技术还不成熟，国内外对物联网的发展无论从政治上、经济上还是技术上都投入了大量的人力、物力和财力。相信随着技术的不断发展还会取得更大的突破。