物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

邵澤華

（成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，四川 成都 610100）

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是物與物之間信息交互而形成的網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象、物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商及物聯(lián)網(wǎng)用戶三者有機(jī)結(jié)合而形成的有機(jī)整體，體現(xiàn)的是對(duì)象與用戶之間服務(wù)與被服務(wù)的關(guān)系。

物聯(lián)網(wǎng)中作為“對(duì)象”的智能物體可實(shí)現(xiàn)對(duì)信源信息（可以是對(duì)象自身信息，也可以是對(duì)象以外的信息）的感知，并通過物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行體系的運(yùn)行將感知信息傳輸給物聯(lián)網(wǎng)用戶，為用戶提供感知服務(wù)；物聯(lián)網(wǎng)用戶也可以通過物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行體系將控制指令發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)對(duì)象，再由對(duì)象執(zhí)行控制，為用戶提供控制服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)中，傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)物與物之間信息可靠、準(zhǔn)確、及時(shí)、安全傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，其功能結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式對(duì)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的可靠有效運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)及功能

物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行體系包括信息體系、物理體系和功能體系，如圖1所示。

（1）信息體系為五域信息結(jié)構(gòu)，包括對(duì)象域、傳感域、管理域、服務(wù)域和用戶域，表達(dá)物聯(lián)網(wǎng)的信息構(gòu)成及其運(yùn)行方式；

（2）物理體系為五層物理結(jié)構(gòu)，包括對(duì)象層、傳感網(wǎng)絡(luò)層、管理層、服務(wù)層和用戶層，是物聯(lián)網(wǎng)的信息載體，為物聯(lián)網(wǎng)信息的運(yùn)行和功能實(shí)現(xiàn)提供物理實(shí)體支撐；

（3）功能體系為五平臺(tái)結(jié)構(gòu)，包括對(duì)象平臺(tái)、傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、管理平臺(tái)、服務(wù)平臺(tái)和用戶平臺(tái)。

信息體系在物理體系上運(yùn)行，形成功能體系[1-2]。

1.1 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行體系中對(duì)象平臺(tái)與管理平臺(tái)之間信息交互的橋梁，對(duì)應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)信息體系結(jié)構(gòu)中的傳感域和物理體系結(jié)構(gòu)中的傳感網(wǎng)絡(luò)層。傳感域是感知傳感信息和控制傳感信息的集合，傳感網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器通信模塊、本地通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營商通信服務(wù)器等物理實(shí)體的集合。傳感域中的信息在傳感網(wǎng)絡(luò)層中的物理實(shí)體上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在對(duì)象平臺(tái)和管理平臺(tái)之間的雙向通信功能、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能、數(shù)據(jù)管理功能等，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行體系結(jié)構(gòu)

圖2 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

1.2 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能

傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)象平臺(tái)與管理平臺(tái)之間的相互通信，同時(shí)還具有相應(yīng)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能和數(shù)據(jù)管理功能。

1.2.1 傳感通信功能

傳感通信功能是傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的主要功能，分為本地通信和遠(yuǎn)程通信。其中，本地通信指物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器通信模塊與物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)之間的雙向通信。本地通信受通信距離限制，根據(jù)具體采用的不同通信技術(shù)和方式，通信距離通?？梢詮膸桌迕椎綆浊?，甚至更遠(yuǎn)的距離；遠(yuǎn)程通信指物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)與運(yùn)營商通信服務(wù)器之間的雙向通信。由于運(yùn)營商通信服務(wù)器可以根據(jù)需要布設(shè)在遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋的任何角落，因此與物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)之間的通信距離幾乎不受限制。

1.2.2 數(shù)據(jù)管理功能

傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)具有數(shù)據(jù)管理功能，可對(duì)來自對(duì)象平臺(tái)或管理平臺(tái)的信息進(jìn)行解析、存儲(chǔ)、分類、加密等預(yù)處理，不僅能夠保證對(duì)象平臺(tái)與管理平臺(tái)之間通信的可靠、準(zhǔn)確、及時(shí)、安全，也可分擔(dān)管理平臺(tái)和對(duì)象平臺(tái)的數(shù)據(jù)容量。

1.2.3 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能

物聯(lián)網(wǎng)中對(duì)象平臺(tái)的智能傳感器和運(yùn)營商管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向通信的前提是二者的通信協(xié)議一致。傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)象平臺(tái)和運(yùn)營商管理平臺(tái)之間通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，保證兩個(gè)平臺(tái)間信息的可靠傳輸。例如，物聯(lián)網(wǎng)智慧燃?xì)庀到y(tǒng)中，對(duì)象平臺(tái)中不同廠家、不同型號(hào)、裝有不同通信模塊的智能燃?xì)獗淼耐ㄐ艆f(xié)議可能不一致，而傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)具有通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，可將所有燃?xì)獗淼耐ㄐ艆f(xié)議轉(zhuǎn)換為與燃?xì)夤竟芾砥脚_(tái)管理服務(wù)器統(tǒng)一的通信協(xié)議，也可以將燃?xì)夤竟芾砥脚_(tái)下發(fā)的控制指令轉(zhuǎn)化為各燃?xì)獗砟軌蜃R(shí)別的協(xié)議模式，有效保證了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的兼容性。

傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)同時(shí)涉及本地通信和遠(yuǎn)程通信，本地通信和遠(yuǎn)程通信所采用的通信方式與通信協(xié)議不同。傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)必須有相應(yīng)的本地通信和遠(yuǎn)程通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，信息上行過程中能夠?qū)⒈镜赝ㄐ艛?shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)格式，而信息下行過程中能夠?qū)⑦h(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的本地通信數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)本地通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的融合。

2 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)

功能是物聯(lián)網(wǎng)的外在表現(xiàn)，是物聯(lián)網(wǎng)用戶需求實(shí)現(xiàn)的最直接體現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)的功能實(shí)現(xiàn)離不開信息和物理的結(jié)合，信息在對(duì)應(yīng)物理實(shí)體上運(yùn)行表現(xiàn)出相應(yīng)的功能。傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)功能體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其功能的實(shí)現(xiàn)離不開相應(yīng)信息的運(yùn)行和物理實(shí)體的支撐。

2.1 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的信息運(yùn)行方式

在物聯(lián)網(wǎng)信息體系結(jié)構(gòu)中，傳感域包含感知信息傳感系統(tǒng)和控制信息傳感系統(tǒng)，統(tǒng)稱為傳感網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，可為傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)提供有效的信息運(yùn)行方式，如圖3所示。

圖3 傳感域的信息運(yùn)行方式

傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的信息運(yùn)行主要在網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的綜合管理下進(jìn)行。信息上行過程中，對(duì)象域上傳的感知信息通過感知信息傳感系統(tǒng)進(jìn)行解析、分類、轉(zhuǎn)化等處理，并以感知傳感信息的形式繼續(xù)向管理域上傳或者直接轉(zhuǎn)發(fā)至控制信息傳感系統(tǒng)，從而完成感知信息在傳感域中的運(yùn)行；信息下行過程中，通過感知信息傳感系統(tǒng)接收控制管理信息或感知傳感信息，并進(jìn)行相應(yīng)的解析、分類、轉(zhuǎn)化等處理，再以控制傳感信息的形式下發(fā)至對(duì)象域，從而完成控制信息在傳感域中的運(yùn)行。

2.2 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的物理實(shí)體支撐

傳感域?yàn)閭鞲芯W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)提供了有效的信息運(yùn)行方式，而傳感網(wǎng)絡(luò)層則為傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)提供可靠的物理實(shí)體支撐，其物理實(shí)體構(gòu)成及連接關(guān)系如圖4所示。

圖4 傳感網(wǎng)絡(luò)層的物理實(shí)體構(gòu)成及連接關(guān)系

傳感網(wǎng)絡(luò)層的物理實(shí)體主要包括物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器通信模塊、本地通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)以及運(yùn)營商通信服務(wù)器，共同為傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)提供物理實(shí)體支撐。

物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器通信模塊安裝在對(duì)象層物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器中，方便物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器對(duì)外通信。物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器通信模塊能夠接收物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器感知單元所獲取的感知信息，并傳輸給物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)，同時(shí)也能夠接收物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)下發(fā)的控制指令，并傳輸給對(duì)象層的物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器控制單元。

本地通信網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器通信模塊與物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)之間組成的通信網(wǎng)絡(luò)，可采用不同的通信技術(shù)，如有線通信（M-BUS，RS 485，PLC 等）、近距離無線通信技術(shù)（ZigBee，藍(lán)牙，WiFi，紅外線等）以及低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN，典型的有LoRa，NB-IoT，Sigfox等）無線通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)智能傳感器通信模塊與物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)之間的雙向通信。

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)是物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行體系中傳感網(wǎng)絡(luò)層的核心設(shè)備，不僅具有通信功能，還可實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換等。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)具有南向接口和北向接口，南向接口與智能傳感器通信模塊通過本地通信網(wǎng)絡(luò)連接，北向接口則與運(yùn)營商通信服務(wù)器通過遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)連接。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)能夠接收物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器通信模塊上傳的感知信息，并傳輸給運(yùn)營商通信服務(wù)器，同時(shí)也能夠接收運(yùn)營商通信服務(wù)器下發(fā)的控制指令并傳輸給物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器通信模塊。

遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)與運(yùn)營商通信服務(wù)器間的通信網(wǎng)絡(luò)，典型的有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（如2G，3G，4G等）、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等。

運(yùn)營商通信服務(wù)器用以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)與管理層運(yùn)營商管理服務(wù)器的通信，能夠接收物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)上傳的感知信息并傳輸給運(yùn)營商管理服務(wù)器，也能夠接收運(yùn)營商管理服務(wù)器下發(fā)的控制指令并傳輸給物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)。

3 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的組網(wǎng)方式

傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)組建網(wǎng)絡(luò)的方式稱為組網(wǎng)方式，是指?jìng)鞲芯W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)各物理實(shí)體的選擇及其排列方式。在實(shí)際組網(wǎng)過程中，根據(jù)具體需要，傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的組網(wǎng)方式分為如下兩種：

（1）物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)位于智能傳感器外部，一個(gè)網(wǎng)關(guān)連接多個(gè)智能傳感器；

（2）物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)位于智能傳感器內(nèi)部，一個(gè)網(wǎng)關(guān)連接一個(gè)智能傳感器。

傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)組網(wǎng)方式如圖5所示。

組網(wǎng)方式一：物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)位于智能傳感器外部，一個(gè)網(wǎng)關(guān)連接多個(gè)智能傳感器；

組網(wǎng)方式二：物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)位于智能傳感器內(nèi)部，一個(gè)網(wǎng)關(guān)連接一個(gè)智能傳感器。

組網(wǎng)方式一中，智能傳感器的感知單元和控制單元通過智能傳感器通信模塊與物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線連接，物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)可直接接入互聯(lián)網(wǎng)或通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與運(yùn)營商通信服務(wù)器之間的連接。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)作為中心傳感節(jié)點(diǎn)，能夠同時(shí)接入多個(gè)智能傳感器，實(shí)現(xiàn)多個(gè)智能傳感器的集中通信和管理。

組網(wǎng)方式二中，物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)位于智能傳感器內(nèi)部，與智能傳感器通信模塊集成，具有智能傳感器對(duì)外通信及相應(yīng)的信息處理功能。這種組網(wǎng)方式可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器之間一對(duì)一的關(guān)系，即一個(gè)網(wǎng)關(guān)連接一個(gè)智能傳感器。

傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)組網(wǎng)方式的科學(xué)合理性和先進(jìn)性是影響傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)傳感通信功能的重要因素，直接決定物聯(lián)網(wǎng)中的對(duì)象平臺(tái)與管理平臺(tái)之間是否能夠可靠、高效地雙向通信。傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的組網(wǎng)方式因領(lǐng)域或行業(yè)具體需求的不同而不同。例如，家用能源物聯(lián)網(wǎng)智慧管理系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)采用的組網(wǎng)方式為星型無線組網(wǎng)方式，如圖6所示。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)位于物聯(lián)網(wǎng)智能能源表外部，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)接入多個(gè)同一類型或不同類型的物聯(lián)網(wǎng)智能能源表。例如，一個(gè)網(wǎng)關(guān)可同時(shí)連接多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智能水表、智能燃?xì)獗?、智能電表及智能熱量表，也可以同時(shí)連接水、電、氣、熱等多個(gè)不同的物聯(lián)網(wǎng)智能能源表，這些物聯(lián)網(wǎng)能源表可以屬于同一廠商或不同廠商。物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)各物聯(lián)網(wǎng)智能能源表與能源管理商雙向通信的核心設(shè)備，應(yīng)具有廣泛兼容接入能力、一定的接入容量和數(shù)據(jù)處理能力，不同行業(yè)或不同廠商的物聯(lián)網(wǎng)智能能源表上傳的感知信息經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換、解析、分類等一系列處理后，通過遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給能源管理商管理平臺(tái)。

圖5 傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的組網(wǎng)方式

圖6 家用智慧能源物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行體系傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的組網(wǎng)方式

家用能源物聯(lián)網(wǎng)智慧管理系統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)置RF通信模塊和GPRS通信模塊。

（1）RF通信模塊用于物聯(lián)網(wǎng)智能能源表與物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)之間的本地通信，能夠接收、識(shí)別物聯(lián)網(wǎng)智能能源表RF通信模塊上傳的感知信息，并將控制信息下發(fā)至表端RF通信模塊；

（2）GPRS模塊用于物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)與能源管理商之間的遠(yuǎn)程雙向通信。在遠(yuǎn)程通信方面，物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)主要通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，但隨著物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)以及4G，5G等移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，未來的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品將會(huì)通過4G，5G等網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，或者直接接入互聯(lián)網(wǎng)，在物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)與運(yùn)營商之間實(shí)現(xiàn)更加高效、快捷、大數(shù)據(jù)量的遠(yuǎn)程通信。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)通過智能物體將人們從各種繁瑣的勞動(dòng)中逐步解放出來，使人們成為用戶而享受到舒適、便捷、高效的服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必將推動(dòng)人類社會(huì)向智能化、智慧化的時(shí)代邁進(jìn)。

物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)象終端與管理商、用戶之間有效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、安全的信息交互。通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)、信息運(yùn)行方式、物理實(shí)體支撐以及組網(wǎng)方式的介紹，為人們正確認(rèn)識(shí)物聯(lián)網(wǎng)和開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品提供參考。