“NET+X”物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系研究

畢柱蘭　程軍年　字鳳芹

摘要摘要：物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展最終將使人類社會(huì)、信息空間和物理世界（人-機(jī)-物）融為一個(gè)緊密的系統(tǒng)。論述了物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系，簡(jiǎn)述了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)以及架構(gòu)體系，提出了物聯(lián)網(wǎng)的“NET+X”思維認(rèn)識(shí)導(dǎo)向。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：RFID；NET+X；物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系

DOIDOI：10.11907/rjdk.1431096

中圖分類號(hào)：TP302

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）004001802

0引言

國(guó)際電信聯(lián)盟在2005年的報(bào)告中如此描繪物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的情景：當(dāng)司機(jī)出現(xiàn)操作失誤時(shí)汽車會(huì)自動(dòng)報(bào)警；公文包會(huì)提醒主人忘帶了什么東西；衣服會(huì)“告訴”洗衣機(jī)對(duì)顏色和水溫的要求等等。今天看來(lái)還感覺(jué)像是一種概念化的東西，明天可能就會(huì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。自從物聯(lián)網(wǎng)概念在美國(guó)首次提出之后，美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)、歐盟等都對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給予了高度關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景廣闊。

1互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)系

互聯(lián)網(wǎng)（Internet），又稱因特網(wǎng)或英特網(wǎng)，是網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)物理設(shè)備串聯(lián)組成的巨大網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)不同地域、不同時(shí)間的人們交流通信?；ヂ?lián)網(wǎng)的出現(xiàn)是人類通信技術(shù)的一次革命，它提供了一個(gè)能夠相互交流溝通、相互參與的互動(dòng)平臺(tái)。較互聯(lián)網(wǎng)之后出現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)又努力實(shí)現(xiàn)物-物、人-物之間的互動(dòng)，將地球建設(shè)成為一個(gè)“智慧地球”。對(duì)此，有學(xué)者認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)是兩種不同的“網(wǎng)”，從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)是傳感網(wǎng)，并沒(méi)接入互聯(lián)網(wǎng)。如上海浦東機(jī)場(chǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其本身沒(méi)有接入互聯(lián)網(wǎng)，但被稱為中國(guó)第一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)；還有一些學(xué)者認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，互聯(lián)網(wǎng)包含物聯(lián)網(wǎng)；還有人認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)是平行對(duì)等的關(guān)系，物聯(lián)網(wǎng)的連接對(duì)象通過(guò)RFID等技術(shù)手段與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，共同為人類提供服務(wù)[1]。以上說(shuō)法既有可取之處也有不足的地方，依靠傳感器等技術(shù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物-物通信，由于考慮到傳統(tǒng)、政治以及安全性因素，未接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，但其本身屬于物聯(lián)網(wǎng)范疇，不過(guò)隨著大數(shù)據(jù)運(yùn)算、智能化識(shí)別、地址分配與尋址等問(wèn)題，迫使物聯(lián)網(wǎng)需要互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)提供云計(jì)算、比較成熟的硬件設(shè)施等，物聯(lián)網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)將是大勢(shì)所趨。目前，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展正處于技術(shù)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵時(shí)期，國(guó)際整體發(fā)展處于起步階段，物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展了互聯(lián)網(wǎng)人-人交流的不足，實(shí)現(xiàn)人-物“交流”，物-物“交流”，可以看作互聯(lián)網(wǎng)包含物聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)“智慧地球”構(gòu)想發(fā)展成熟之時(shí)，任何物體都有了“智慧”，任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能交互，龐大的“智慧”物體（人-人、人-物、物-物）將相互之間通信，量變引起質(zhì)變，屆時(shí)物聯(lián)網(wǎng)將包含互聯(lián)網(wǎng)。

2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)可以分為硬件技術(shù)和軟件技術(shù)。本文主要介紹幾個(gè)具有代表性的硬件技術(shù)：射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)與檢測(cè)技術(shù)、智能技術(shù)、納米技術(shù)[2]。

2.1硬件技術(shù)

（1）RFID（radio frequency identification，射頻識(shí)別）。 射頻識(shí)別是一種非接觸式便能相互識(shí)別的技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不同，其組成也不盡相同，最基本的RFID系統(tǒng)通常由射頻卡、閱讀器、數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)組成[3]。射頻卡由嵌入式微處理器芯片及其軟件、功能模塊、存儲(chǔ)器、收發(fā)天線等組成。微處理器管理功能模塊，功能模塊被激活后實(shí)現(xiàn)已編程的功能，即該“干什么”。存儲(chǔ)器的功能是將必要的認(rèn)證信息存儲(chǔ)，讓對(duì)方識(shí)別出“你是誰(shuí)”。當(dāng)射頻卡被外界能量激活后，通過(guò)收發(fā)天線將存儲(chǔ)信息通過(guò)高頻載波編碼后發(fā)射出去，閱讀器會(huì)感知這些信息。閱讀器（Reader）由通信的高頻模塊、控制模塊、與計(jì)算機(jī)連接的通信接口（如RS232、RS485、RJ45等）和收發(fā)天線組成。閱讀器的收發(fā)天線接收到從射頻卡發(fā)來(lái)的高頻載波信號(hào)后，對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后通過(guò)相關(guān)接口，由控制模塊傳送到數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)將處理數(shù)據(jù)的結(jié)果或指令再通過(guò)收發(fā)天線發(fā)送出去，由射頻卡的收發(fā)天線接收，完成“交互”功能。

（2）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)[4]支撐架構(gòu)未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)。如今大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有接入到互聯(lián)網(wǎng)，傳感節(jié)點(diǎn)通常只接入到使用本地?cái)?shù)據(jù)的系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)信息也只在本傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)范圍內(nèi)傳遞，但人們?cè)絹?lái)越關(guān)注無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合趨勢(shì)。

“塵埃（mote）”已經(jīng)成了無(wú)線傳感器的同義詞，其研究領(lǐng)域涉及到樓宇自動(dòng)化、自動(dòng)抄表（AMR）、工業(yè)監(jiān)控、人體傳感器網(wǎng)絡(luò)、家用電子產(chǎn)品等等。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組單元有：傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無(wú)線通信模塊組成）以及電源。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)飛機(jī)布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作方式實(shí)時(shí)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，并通過(guò)多跳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)經(jīng)Sink節(jié)點(diǎn)（接收發(fā)送器）鏈路傳送到遠(yuǎn)程控制管理中心，遠(yuǎn)程管理中心可對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)控制和操縱[5]。

（3）智能技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用智能技術(shù)，賦予物體“思維”能力，最具代表性的當(dāng)屬機(jī)器人應(yīng)用。只要一臺(tái)終端控制器即可實(shí)現(xiàn)將物體“變成”機(jī)器人，做出期望的動(dòng)作。智能技術(shù)的發(fā)展將會(huì)使“物”管“物”或者“物”管“人”成為可能。

（4）納米技術(shù)。我國(guó)在納米領(lǐng)域的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化研究同美、日、德位于國(guó)際第一梯隊(duì)，具有一定的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。納米組裝技術(shù)要求電子器件和系統(tǒng)更小、更快、更冷。更小是指器件占用體積要?。桓焓侵阜磻?yīng)速度要快，信息傳輸延遲要??；更冷是指單個(gè)器件的功耗要小。

通過(guò)使用射頻技術(shù)或者傳感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更小物體的跟蹤、識(shí)別、管理等交互活動(dòng)，這樣組裝的元件還要能方便快捷地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。納米層級(jí)對(duì)宏觀物理的改變將會(huì)達(dá)到質(zhì)的變化。但是更小并非沒(méi)有限度，納米技術(shù)是建設(shè)者的最后疆界，它的影響將是巨大的。

2.2軟件技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的軟件技術(shù)包括信息處理技術(shù)、自組織管理技術(shù)、安全技術(shù)。軟件技術(shù)支持硬件設(shè)備正常工作，是硬件設(shè)備的靈魂和管理者。軟件技術(shù)提供各種算法、傳輸協(xié)議以及無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)的制定和信息加密技術(shù)，面向用戶最終提供安全可靠的操作平臺(tái)，有效管理物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

3“NET+X”認(rèn)識(shí)導(dǎo)向的物聯(lián)網(wǎng)

體系結(jié)構(gòu)說(shuō)明系統(tǒng)組成部件及其之間的關(guān)系，是指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的一系列原則抽象。作為一種新的網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之前需要先建立物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)[6]，從功能角度劃分，這些體系結(jié)構(gòu)可分為“后端集中式”和“前端分布式”兩種類型。

3.1后端集中式

此種體系結(jié)構(gòu)類似瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)模式（也即“B/S”架構(gòu)），對(duì)感應(yīng)端要求不高，只需能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單感應(yīng)識(shí)別即可，大量數(shù)據(jù)分析與處理由強(qiáng)大的服務(wù)器來(lái)完成。從物聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，數(shù)量龐大的對(duì)象采用后端集中式架構(gòu)體系，具有費(fèi)用低廉的巨大優(yōu)勢(shì)。采用這種體系結(jié)構(gòu)的有：Networked AutoID、uID IoT和USN。Networked AutoID體系結(jié)構(gòu)是把所有射頻識(shí)別和條碼信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理[7]。uID IoT通過(guò)RFID和二維碼來(lái)標(biāo)示物體，由網(wǎng)絡(luò)化傳感器采集周圍環(huán)境信息，并根據(jù)采集到的信息調(diào)整服務(wù)。該體系結(jié)構(gòu)與Networked AutoID相比，多了環(huán)境信息采集，具有更好的環(huán)境感知性。USN體系結(jié)構(gòu)自底向上將物聯(lián)網(wǎng)分為5層：感知網(wǎng)、接入網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、中間件和應(yīng)用平臺(tái)：①感知網(wǎng)用于采集與傳輸環(huán)境信息；②接入網(wǎng)由一些網(wǎng)關(guān)或匯聚節(jié)點(diǎn)組成，為感知網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)或控制中心之間的通信提供基礎(chǔ)設(shè)施；③網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施是指基于后IP技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)（NGN）；④中間件由負(fù)責(zé)大規(guī)模數(shù)據(jù)采集與處理的軟件組成；⑤應(yīng)用平臺(tái)涉及未來(lái)各個(gè)行業(yè)，它們將有效使用物聯(lián)網(wǎng)以提高效率。

3.2前端分布式

這種體系結(jié)構(gòu)類似客戶/服務(wù)器架構(gòu)模式（也即C/S架構(gòu)模式）。C/S架構(gòu)模式對(duì)客戶終端要求較高，能夠分擔(dān)服務(wù)器負(fù)擔(dān)，最后只需將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器即可。對(duì)于大數(shù)據(jù)運(yùn)算，前端分布式架構(gòu)體系能夠獨(dú)立作出較快反應(yīng)，節(jié)省時(shí)間。采用這種體系結(jié)構(gòu)的有：Physicalnet、M2M 、AOA等。Physicalnet由底層感知設(shè)備直接提供服務(wù)，并由網(wǎng)關(guān)層進(jìn)行收集和分發(fā)，從而將應(yīng)用需求與資源分配分開(kāi)，支持動(dòng)態(tài)移動(dòng)管理和實(shí)時(shí)應(yīng)用配置，通過(guò)協(xié)調(diào)層實(shí)現(xiàn)多個(gè)應(yīng)用程序在同一資源上或跨網(wǎng)絡(luò)和管理域并發(fā)運(yùn)行，定義各層之間進(jìn)行服務(wù)調(diào)用的統(tǒng)一接口。M2M（MachineToMachine）是一個(gè)關(guān)于機(jī)器與機(jī)器之間進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，非智能終端設(shè)備通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與其它智能終端設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行通信。前端分布式體系結(jié)構(gòu)對(duì)服務(wù)器處理數(shù)據(jù)的能力要求較后端集中式小，所以，前端分布式體系結(jié)構(gòu)支持較大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論是后端集中式體系結(jié)構(gòu)還是前端分布式體系結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)原理都遵循“NET+X”的構(gòu)成方式?！癗ET”為Internet與其它物體連接的網(wǎng)絡(luò)，如無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；“X”代表連接對(duì)象：物-物（T2T）、人-物（H2T）、人-人（H2H），其連接維度如圖1。“X”需具備以下條件：①要有數(shù)據(jù)傳輸通路；②要有一定的存儲(chǔ)功能；③要有CPU；④要有操作系統(tǒng)；⑤要有專門的應(yīng)用程序；⑥遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議；⑦在世界網(wǎng)絡(luò)中有可被識(shí)別的唯一編號(hào)。“+”有兩層意思，一層意思為流通于“NET”與“X”之間的信息流，方向?yàn)殡p向交互的通信信息；另一層意思為連接“NET”與“X”實(shí)現(xiàn)通信的關(guān)鍵技術(shù)如RFID、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，其為網(wǎng)絡(luò)與連接對(duì)象的中間橋梁。

4結(jié)語(yǔ)

溫家寶同志在無(wú)錫視察時(shí)曾提出，要在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，迅速建立中國(guó)的傳感信息中心——“感知中國(guó)”中心。物聯(lián)網(wǎng)已取得一些驕人發(fā)展，在我國(guó)具有一定優(yōu)勢(shì)，我們要在物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的制定和架構(gòu)體系等方面把握好時(shí)機(jī)。本文通過(guò)分析物聯(lián)網(wǎng)概念、關(guān)鍵技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)等問(wèn)題后，概括了“NET+X”認(rèn)識(shí)導(dǎo)向的物聯(lián)網(wǎng)概念。在面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，應(yīng)綜合運(yùn)用集成方法論解決此類問(wèn)題。

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