基于云的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

魏平平

湖南工藝美術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南益陽 650217

1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（the Internet of Thing, IOT）是近幾年提出的一個由多項(xiàng)信息技術(shù)融合而成的新型技術(shù)體系。在實(shí)際應(yīng)用中，通常把感應(yīng)器、處理器和無線通信模塊嵌入或者裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑物等各種物體中，使他們能夠相互連接，組成一個無所不在的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)可以理解為具有兩層含義：第一，物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)；第二，是以客戶端為基礎(chǔ)，從客戶端延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)。

我們正處于一個新的通信時(shí)代的邊緣，信息與通信（ICT）的目標(biāo)已經(jīng)從滿足人與人之間的溝通，發(fā)展到人與物、物與物之間的交流，一個無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代即將來臨。在產(chǎn)業(yè)界，IBM在2008年底提出了“智慧地球”概念。國際上多個國家和地區(qū)都已經(jīng)啟動了相應(yīng)的研究計(jì)劃，如日本的U-Japan計(jì)劃、韓國的U-Korea計(jì)劃等。在我國，從上世紀(jì)90年代末就開始了傳感網(wǎng)的研究。2009年8月，溫家寶在無錫視察的時(shí)候提出了“感知中國”理念。

2 云計(jì)算

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代信息與數(shù)據(jù)的急劇增長，科學(xué)、工程和商業(yè)計(jì)算領(lǐng)域需要處理大規(guī)模、海量的數(shù)據(jù)，對于計(jì)算能力的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自身IT架構(gòu)的計(jì)算能力，這時(shí)就需要不斷加大系統(tǒng)硬件投入來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，云計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。云計(jì)算（Cloud Computing）是新近提出的一種計(jì)算模式，是分布式計(jì)算、并行計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展。 是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的超級計(jì)算方式。

云計(jì)算具有支持虛擬化、提供服務(wù)質(zhì)量保證（QoS）、高可靠性、自治性等特征。云計(jì)算現(xiàn)已經(jīng)成為下一代IT發(fā)展的趨勢，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)投入了大量的人力物力著手進(jìn)行云計(jì)算的各種研究和應(yīng)用開發(fā)。

3 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

對物聯(lián)網(wǎng)的研究必然要對物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入理解，要研究物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，就必須從物聯(lián)網(wǎng)已有的應(yīng)用系統(tǒng)和應(yīng)用實(shí)例著手。物聯(lián)網(wǎng)目前已經(jīng)在倉儲物流、智能樓宇、路燈管理、智能電表、城市自來水網(wǎng)燈基礎(chǔ)設(shè)施以及醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在安防監(jiān)控、物品防偽鑒定、智能交通、工業(yè)控制等方面也將大有作為。目前很多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例基本上都圍繞著這些領(lǐng)域展開。物聯(lián)網(wǎng)已有的體系結(jié)構(gòu)有：物聯(lián)網(wǎng)的自主體系結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)的EPC體系結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)的UID技術(shù)體系。當(dāng)前，較具代表性的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)有歐美支持的EPC Global物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)和日本的Ubiquitous ID（UID）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等。我國也積極參與了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究，正在積極制訂符合社會發(fā)展實(shí)際情況的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和架構(gòu)。

4 一種基于云的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

聯(lián)網(wǎng)已有的體系結(jié)構(gòu)無法構(gòu)成一個通用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。以下是從物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送、物聯(lián)網(wǎng)安全、數(shù)據(jù)處理等方面討論物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。

物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)是有各種信息感知設(shè)備，如溫度傳感器、濕度傳感器、光感應(yīng)器、壓力感應(yīng)器、震動感應(yīng)器、攝像頭等，來完成各種數(shù)據(jù)的感知。感知的數(shù)據(jù)通過第三方提供的云存儲服務(wù)，實(shí)時(shí)存儲于云中。各種應(yīng)用從云中提取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯處理，同時(shí)可以向相應(yīng)的傳感器請求應(yīng)用所需的具體數(shù)據(jù)。管理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，傳感設(shè)備的控制，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的認(rèn)證。主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于云計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

1）感知層：主要功能是信息的感知，數(shù)據(jù)的收集，主要包括各種感應(yīng)設(shè)備，RFID標(biāo)簽，二維碼，讀卡器等。物聯(lián)網(wǎng)通過這些設(shè)備來完成信息的采集。由于云平臺具有無限的存儲能力，感應(yīng)數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)存儲到云中，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通過云服務(wù)可以在任何地方任何時(shí)間都能讀取所需的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料；

2）管理層：管理是對感知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，如溫度傳感器，在某一個區(qū)域內(nèi)所部署的多個溫度傳感器，因傳感器工藝以及敏感度的差異，在某一時(shí)刻上傳的溫度數(shù)據(jù)就可能存在誤差，這時(shí)就必須要有一個合理的值傳給物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，此時(shí)就需要對多個溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，或去均值，或者按權(quán)去值；同時(shí)管理層還害負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對數(shù)據(jù)讀取的合法性進(jìn)行認(rèn)證，沒有通過的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將不能得到所需要的所有信息，對物聯(lián)網(wǎng)的安全起著至關(guān)重要的作用。管理層還可以向感應(yīng)設(shè)備發(fā)送控制指令，比如固件升級指令，設(shè)備的電量查詢，以及設(shè)備是否工作正常等。

因云平臺具有超強(qiáng)的計(jì)算能力，管理層通過相關(guān)組件大部分的業(yè)務(wù)邏輯交由云代為處理，解放了物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算壓力；

3）應(yīng)用層：應(yīng)用層主要是由各種物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用組成。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用首先向管理層申請相關(guān)的服務(wù)，得到管理層認(rèn)可后應(yīng)用層就可以從接入的網(wǎng)絡(luò)上獲取所需要的信息，同時(shí)可以向感知層發(fā)送符合相關(guān)協(xié)議的信息獲取感應(yīng)設(shè)備的信息以及可以控制相關(guān)的感應(yīng)設(shè)備。

4）云服務(wù)：云主要提供數(shù)據(jù)的存儲，高性能計(jì)算服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)感知的數(shù)據(jù)具有很大的異構(gòu)性，如溫度傳感器感應(yīng)的數(shù)據(jù)是溫度值，濕度傳感器感應(yīng)的是濕度值，攝像頭獲取的是視頻信息，同時(shí)感應(yīng)設(shè)備在管理層的控制下不斷的向外傳送數(shù)據(jù)，從而將有海量的數(shù)據(jù)需要存儲和進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。因此數(shù)據(jù)的存儲和實(shí)時(shí)處理成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一大難題。而云計(jì)算提供了大量的服務(wù)器集群，具有無限的存儲能力和超級計(jì)算能力，將物聯(lián)網(wǎng)從數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算能力有限中解脫出來。

圖2 基于云服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)整體架構(gòu)

整個運(yùn)行的流程可以這樣描述。感應(yīng)設(shè)備感應(yīng)的數(shù)據(jù)通過接入網(wǎng)關(guān)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換協(xié)議，將數(shù)據(jù)存儲到云服務(wù)上，管理層通過相關(guān)邏輯組件（中間件）對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通過管理層認(rèn)證后，通過應(yīng)用層組件（中間件）獲取信息。應(yīng)用層也可以同過相應(yīng)的組件向管理層請求所需數(shù)據(jù)信息和對感應(yīng)設(shè)備的控制，管理層通過向感應(yīng)層發(fā)送指令，判斷感應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀況。整個體系的整體架構(gòu)如圖2所示。

5 結(jié)論

將云服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，將云服務(wù)的無限存儲能力和超強(qiáng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力融入到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，和物聯(lián)網(wǎng)的任意地方，任意時(shí)間，任意服務(wù)，任意網(wǎng)絡(luò)，任意對象以及融合、內(nèi)容、計(jì)算、通信、連接等特征相結(jié)合，依靠強(qiáng)大的云計(jì)算能力，讓物聯(lián)網(wǎng)從海量數(shù)據(jù)存儲和處理中解脫出來，給物聯(lián)網(wǎng)減壓，使得整個物聯(lián)網(wǎng)的研究主要放在相關(guān)協(xié)議的制定和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供一點(diǎn)建議。

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