物联网层次结构以及与互联网的关系

物联网的技术体系结构物联网的技术体系结构虽然物联网的定义目前没有统一的说法，但物联网的技术体系结构基本得到统一认识，分为感知层、网络层、应用层三个大层次，如图1所示。

感知层是让物品说话的先决条件，主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、身份标识、位置信息、音频、视频数据等。

物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。

感知层又分为数据采集与执行、短距离无线通信2个部分。

数据采集与执行主要是运用智能传感器技术、身份识别以及其他信息采集技术，对物品进行基础信息采集，同时接收上层网络送来的控制信息，完成相应执行动作。

这相当于给物品赋予了嘴巴、耳朵和手，既能向网络表达自己的各种信息，又能接收网络的控制命令，完成相应动作。

短距离无线通信能完成小范围内的多个物品的信息集中与互通功能，相当于物品的脚。

网络层完成大范围的信息沟通，主要借助于已有的广域网通信系统(如PSTN网络、2G/3G移动网络、互联网等)，把感知层感知到的信息快速、可靠、安全地传送到地球的各个地方，使物品能够进行远距离、大范围的通信，以实现在地球范围内的通信。

这相当于人借助火车、飞机等公众交通系统在地球范围内的交流。

当然，现有的公众网络是针对人的应用而设计的，当物联网大规模发展之后，能否完全满足物联网数据通信的要求还有待验证。

即便如此，在物联网的初期，借助已有公众网络进行广域网通信也是必然的选择，如同上世纪90年代中期在ADSL与小区宽带发展起来之前，用电话线进行拨号上网一样，它也发挥了巨大的作用，完成了其应有的阶段性历史任务。

应用层完成物品信息的汇总、协同、共享、互通、分析、决策等功能，相当于物联网的控制层、决策层。

物联网的根本还是为人服务，应用层完成物品与人的最终交互，前面两层将物品的信息大范围地收集起来，汇总在应用层进行统一分析、决策,用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通,提高信息的综合利用度，最大程度地为人类服务。

典型的物联网系统架构一是感知层，即利用射频识别（radio frequency idenTIficaTIon,RFID）、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是网络层，通过电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是应用层，把感知层得到的信息进行处理，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用。

在工业环境的应用中，工业物联网面临着与传统的物联网系统架构两个主要的不同点：一是在感知层中，大多数工业控制指令的下发以及传感器数据的上传需要有实时性的要求。

在传统的物联网架构中，数据需要经由网络层传送至应用层，由应用层经过处理后再进行决策，对于下发的控制指令，需要再次经过网络层传送至感知层进行指令执行过程。

由于网络层通常采用的是以太网或者电信网，这些网络缺乏实时传输保障，在高速率数据采集或者进行实时控制的工业应用场合下，传统的物联网架构并不适用。

二是在现有的工业系统中，不同的企业有属于自己的一套数据采集与监视控制系统（supervisory control and data acquisiTIon，SCADA，在工厂范围内实施数据的采集与监视控制。

SCADA 系统在某些功能上会与物联网的应用层产生重叠，如何把现有的SCADA系统与物联网技术进行融合，例如哪些数据需要通过网络层传送至应用层进行数据分析；哪些数据需要保存在SCADA的本地数据库中；哪些数据不应该送达应用层，它们往往会涉及到部分传感器的关键数据或者系统的关键信息，只由工厂内部进行处理。

工业物联网的系统架构需要在传统的物联网架构的基础上增加现场管理层。

其作用类似于一个应用子层，可以在较低层次进行数据的预处理，是实现工业应用中的实时控制、实时报警以及数据的实时记录等功能所不可或缺的层次1. 感知层感知层的主要功能是识别物体，采集信息和自动控制，是物联网识别物体、采集信息的来源；它由数据采集子层、短距离通信技术和协同信息处理子层组成。

第一章习题及答案1、中国对物联网是怎样定义的？答：我国信息技术标准化技术委员会所属传感器网络标准工作组的2009年9月的工作文件，对传感器网络的定义是：传感器网络(Sensor Network)以对物理世界的数据采集和信息处理为主要任务，以网络为信息传递载体，实现物与物、物与人、人与物之间信息交互，提供信息服务的智能网络信息系统。

我国工信部和江苏省联合向国务院上报的《关于支持无锡建设国家传感网创新示范区(国家传感信息中心)情况的报告》中传感网的定义是：传感网(Sensing Network)，是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。

其突出特征是通过传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提升对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。

2、说明物联网、传感网与泛在网之间的关系。

答：传感网是物联网的组成部分，物联网是互联网的延伸，泛在网是物联网发展的愿景。

传感器网络、物联网和泛在网之间的关系如图所示。

3、说明物联网的体系架构及各层次的功能。

答：物联网通常被公认为有3个层次，从下到上依次是感知层、网络层和应用层。

物联网的感知层主要完成信息的采集、转换和收集；网络层主要完成信息传递和处理；应用层主要完成数据的管理和数据的处理，并将这些数据与各行业应用的结合。

4、说明物联网的技术体系架构及各层次的关键技术。

答：物联网的技术体系框架包括感知层技术、网络层技术、应用层技术和公共技术。

感知层是物联网发展和应用的基础，包括传感器等数据采集设备，是数据接入到网关前的传感器网络RFID技术、传感控制技术、短距离无线通讯技术是感知层涉及的主要技术。

物联网的网络层一般建立在现有的移动通讯网或互联网的基础之上。

实现更加广泛的互联功能。

关键技术：包含了现有的通信技术，如移动通信技术、有线宽带技术、公共交换电话网（PSTN）技术、Wi-Fi通信技术等，也包含了终端技术，如实现传感网与通信网结合的网桥设备、为各种行业终端提供通信能力的通信模块等。

物联网体系结构韩腾1. 概述物联网(IInternetofThings)是“传感网”在国际上的通称，是传感网在概念上的一次拓展。

通俗地讲，物联网就是万物都接入到互联网，物体通过装入射频识别设备、红外感应器、GPS或其他方式进行连接，然后通过移动通信网络或其他方式接入到互联网，最终形成智能网络，通过电脑或手机实现对物体的智能化管理和信息采集分析。

作为下一代信息浪潮的新热点，国内外政府公司和研究机构对物联网投入了极大的关注，IBM公司提出“智慧地球”，日本和韩国分别提出了“U-japan”和“U-Korea”战略，这都是从国家工业角度提出的重大信息发展战略。

中国针对物联网到来的信息浪潮，提出了“感知中国”的发展战略。

2009年8月7日，国务院总理温家宝视察中科院嘉兴无线传感网工程中心无锡研发分中心，提出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，并且明确要求尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。

移动、电信、联通三大运营商纷纷在无锡成立物联网研究中心，以无锡为首的国内大中城市也争相建设智能城市，争取成为感知中国示范城市。

本文就物联网的体系架构和对应的技术产业链进行讲解分析。

2. 体系架构物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。

在业界，物联网大致被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容应用层。

图1 物联网体系架构2.1 感知层感知层包括传感器等数据采集设备，包括数据接入到网关之前传感器网络。

对于目前关注和应用较多的RFID网络来说，张贴安装在设备上的RFID标签和用来识别RFID信息的扫描仪、感应器属于物联网的感知层。

第章2物联网体系架构物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的信息产业新方向，其价值在于让物体也拥有了“智慧”，从而实现人与物、物与物之间的沟通。

本章将从感知层、网络层、应用层对物联网体系架构进行介绍。

同时，本章也是本书的线索和灵魂，读者可以借助本章了解物联网知识体系的基本框架。

2.1要深入研究物联网的体系架构，必须首先了解物联网有哪些应用，为了实现丰富多彩的应用，物联网在技术上有哪些需求。

本节首先列举了物联网的典型应用场景，并且在分析物联网应用需求的基础上，引出了通用的物联网体系结构，使读者能够对物联网体系架构有一个形象而宏观的认识。

2.1.1物联网是近年来的热点，人人都在提物联网，但物联网到底是什么？究竟能做什么？本节将对几种与普通用户关系紧密的物联网应用进行介绍。

应用场景一：当你早上拿车钥匙出门上班，在电脑旁待命的感应器检测到之后就会通过互联网络自动发起一系列事件，比如通过短信或者喇叭自动播报今天的天气，在电脑上显示快捷通畅的开车路径并估算路上所花时间，同时通过短信或者即时聊天工具告知你的同事你将马上到达等。

应用场景二：联网冰箱也将是最常见的物联网物品之一。

想象一下，联网冰箱可以监视冰箱里的食物，在我们去超市的时候，家里的冰箱会告诉我们缺少些什么，也会告诉我们食物什么时候过期。

它还可以跟踪常用的美食网站，为你收集食谱并在你的购物单里添加配料。

这种冰箱知道你喜欢吃什么东西，依据的是你给每顿饭做出的评分。

它可以照顾你的身体，因为它知道什么食物对你有好处。

应用场景三：用户开通了家庭安防业务，可以通过PC 或手机等终端远程查看家里的各种环境参数、安全状态和视频监控图像。

当网络接入速度较快时，用户可以看到一个以三维立体图像显示的家庭实景图，并且采用警示灯等方式显示危险；用户还可以通过鼠标拖动从不同的视角查看具体情况；在网络接入速度较慢时，用户可以通过一个文本和简单的图示观察家庭安全状态和危险信号。

图2-1形象地表示了物联网在我们日常生活中的应用。

第一章1 物联网定义物联网是指物体的信息通过智能感应装置,经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化的信息交互与处理的智能网络。

2物联网三大特征(1)全面感知；利用射频识别、二维码、传感器等感知、捕获、测量技术随时随地对物体进行信息采集和获取(2)可靠传送：通过将物体接入信息网络，依托各种通信网络,随时随地进行可靠的信息交互和共享(3)智能处理：利用各种智能计算技术，对海量的感知数据和信息进行分析并处理，实现智能化的决策和控制4 面向物联网的传感技术（1）低耗自组、异构互连、泛在协同的无线传感网络。

（2）智能化传感器网络节点研究. （3）传感器网络组织结构及底层协议研究。

（4）对传感器网络自身的检测与控制。

（5）传感器网络的安全问题.（6)先进测试技术及网络化测控.5 物联网中的智能技术智能技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识所采用的各种方法和手段。

(1)人工智能理论研究(2)机器学习（3）智能控制技术与系统（4)智能信号处理8 什么是IPv6IPv6是”Internet Protocol Version 6”的缩写，也被称作下一代互联网协议，它是由IETF设计的用来替代现行的IPv4协议的一种新的IP协议。

9 IPv6与物联网的关系物联网的发展与IPv6紧密联系,因为每个物联网链接的对象都需要IP地址作为识别码,而目前IPv4的地址已经不够用.IPv6拥有巨大的地址空间,他的地址空间完全可以满足结点标识的需要第二章1 物联网层次结构模型(1）信息感知层：实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。

(2)物联接入层:主要任务是将信息感知层采集到的信息,通过各种网络技术进行汇总，将大范围内的信息整合到一块，以供处理。

（3)网络传输层：基本功能是利用互联网、移动通信网、传感器网络及其融合技术等，将感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传输(远距离传输)。

物联网导论（重点放在前三层感知识别层、网络构建层、管理服务层）一、名词解释：物联网：是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，它具有普通对象化设备、自治终端互联化和普适服务智能化三个重要特征物联网：是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。

其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

无线射频识别技术（RFID）：利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别的目的光学字符识别，是模式识别的一种技术，目的是要使计算机知道它到底看到了什么，尤其是文字资料。

语音识别研究如何采用数字信号处理技术自动提取及决定语言信号中最基本有意义的信息，同时也包括利用音律特征等个人特征识别说话人。

虹膜识别是当前应用最方便精确的生物识别技术，虹膜的高度独特性和稳定性是其用于身份鉴别的基础。

条形码技术：是在计算机应用发展过程中，为消除数据录入的“瓶颈”问题而产生的，可以说是最“古老”的自动识别技术。

模块：构成条码的基本单位是模块，模块是指条码中最窄的条或空，模块的宽度通常以mm 或mil（千分之一英寸）为单位。

标签：是由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。

RFID系统集中在低频、高频和超高频三个区域。

传感器：能感受到被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置计算机摩尔定律：计算机芯片的晶体管每隔18个月电子元件会翻番位置信息的三要素：空间（所在的地理位置）、时间（处在该地理位置的时间）、身份（处在该地理位置的对象）互联网：是网络与网络之间所串连成的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相连，形成逻辑上的单一巨大国际网络移动互联网：是指互联网的技术、平台、商业模式和应用与移动通信技术结合并实践的活动的总称无线传感网：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置无线网络基本组成元素：无线网络用户、无线接入、基站无线局域网：是相当便利的数据传输系统，它利用射频的技术，使用电磁波，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线所构成的局域网络WI-FI（无线局域网）：是一个创建于IEEE 802.11标准的无线局域网技术蓝牙：是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换ZigBee：也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层60GHz毫米波通信：通信载波为60GHz左右频段通信的无线通信技术，能够实现设备间数Gbps 的超高速无线传输大数据：是指其大小超出了常规数据库工具获取、存储和分析能力的数据集4V特征：数量大（Volume），种类多（Variety），速度快（Velocity），价值高（Value）GFS：正常的组件失效；巨大的文件；文件操作的特定模式；应用程序和文件系统API的协同设计提高了整个系统的灵活性MapReduce：是一种针对超大规模数据集的编程模型和系统BigTable是一种用来在海量数据规模下（例如包含以PB为单位的数据量和数千台廉价计算机的应用）管理结构化数据的分布式存储系统。

以下为物联网结构层次及其功能，一起来了解一下吧。

感知层——感知信息作为物联网的核心，承担感知信息作用的传感器，一直是工业领域和信息技术领域发展的重点，传感器不仅感知信号、标识物体，还具有处理控制功能。

目前，在发达国家，其发展已芯片化、集成化和智能化。

如最早提出泛在网的加州大学（伯克利分校），已将压力、磁、光等传感单元集成在一个芯片中，而且芯片具备无线接入和自组网功能。

然而，传感器国产化程度较低，其成本、性能和寿命尚不能满足交通运输物联网信息感知的需求。

据了解，交通运输部正在和其他部门合作，研制满足交通需求、具有自主知识产权的传感器，并对市场产生了影响。

如专业生产感知气象信息设备的维萨拉公司，得知交通运输部正在组织相关研究后，主动要求加入，其产品在国内也应声降价。

网络层——传输信息传感器感知到基础设施和物品信息后，需要通过网络传输到后台进行处理。

目前，传输信息应用的网络先进技术包括第6版互联网协议（IPv6）、新型无线通信网（3G、4G、ZIGBEE等）、自组网技术等，正在向更快的传输速度、更宽的传输带宽、更高的频谱利用率、更智能化的接入和网络管理发展。

据专家介绍，我国在道路建设中，沿路铺设了大量光纤，但利用程度不高。

物联网采集到的海量数据，可以使这些道路光纤物尽其用。

应用层——处理信息物联网概念下的信息处理技术有分布式协同处理、云计算、群集智能等。

信息处理的目的是应用，交通物联网的信息处理是为了分析大量数据，挖掘对百姓出行和交通管理有用的信息。

此外，还需要建立信息处理和发送机制体制，保证信息发送到需要的人手中。

比如，把宏观的路网信息发送给管理决策人员，把局部道路通行情况发送给公众，把某条具体路段的事故信息发送给正行驶在上面的车辆。