物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究

李兵元 司長征 陳琪瑋 馬忠光

[摘 ? ?要] 隨著科技的發(fā)展和社會的進步，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，這就需要人們充分認識物聯(lián)網(wǎng)的意義和作用，以更好地開展相關(guān)工作。文章對物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)類型進行分析，在相關(guān)理論的基礎(chǔ)上提出了目前在物聯(lián)網(wǎng)中存在的問題。

[關(guān)鍵詞] 物聯(lián)網(wǎng);體系結(jié)構(gòu);研究分析

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 19. 066

[中圖分類號] TP311 ? ?[文獻標識碼] ?A ? ? ?[文章編號] ?1673 - 0194（2019）19- 0155- 03

0 ? ? ?前 ? ?言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近些年新興的信息技術(shù)，其以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，主要應(yīng)用于現(xiàn)今的IT產(chǎn)業(yè)，并在產(chǎn)業(yè)的運行過程中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)機構(gòu)知識，以更好地促進IT產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展[1]。物聯(lián)網(wǎng)的概念與實際應(yīng)用過程經(jīng)過了多年的理論研究，已經(jīng)處于發(fā)展的黃金時期，但從產(chǎn)業(yè)的整體角度來說，還處在起步階段，階段應(yīng)用過程中依然存在一些問題。因此，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)定義以及概念還沒有一個準確的研究成果。我國通過對物聯(lián)網(wǎng)概念的深入研究，已經(jīng)在制定物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標準和架構(gòu)上取得了一定的進展，并已經(jīng)實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)概念的部分應(yīng)用。

1 ? ? ?物聯(lián)網(wǎng)的基本概念

物聯(lián)網(wǎng)從本質(zhì)上來說就是連接物與物之間的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，可以將其看作是人與人之間的交互過程，只是交互對象變?yōu)榱宋锱c物。目前，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模，但依舊沒有一個具體的定義。物聯(lián)網(wǎng)通過規(guī)定的協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)世界的任意物品與互聯(lián)網(wǎng)的連接，以便對于事物進行智能識別以及定位，從而形成一個全面的監(jiān)控管理網(wǎng)絡(luò)。

2 ? ? ?物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的框架體系

2.1 ? 自主體系結(jié)構(gòu)

2.1.1 ? 自主體系結(jié)構(gòu)特性

對于物聯(lián)網(wǎng)來說，較為重要的就是要滿足無線通信環(huán)境需要。因此，國外專家提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)概念為核心的自主體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的核心部分為自主件，能夠執(zhí)行在網(wǎng)絡(luò)控制面的新的任務(wù)或已存在的任務(wù)。再加上自主間具有保證通信系統(tǒng)穩(wěn)定性的特性，因此其能夠持續(xù)更新，在另一方面也保證了這種結(jié)構(gòu)的先進性。

2.1.2 ? “列”設(shè)計頁

“列”設(shè)計頁在整個自主體系結(jié)構(gòu)中的作用是最重要的，其決定了控件的顯示內(nèi)容以及“列”的類型。物聯(lián)網(wǎng)自主體系結(jié)構(gòu)涉及的內(nèi)容有很多，但整體分為四個“面”，包括控制面、知識面、數(shù)據(jù)面以及管理面。這幾個部分各有不同的功能，關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及數(shù)據(jù)信息的傳遞功能以及數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)面的作用是數(shù)據(jù)傳遞，決定了結(jié)構(gòu)的信息傳遞速度和方式;控制面主要是與數(shù)據(jù)面進行對接，在發(fā)送配置信息后根據(jù)實際情況優(yōu)化數(shù)據(jù)面的信息量，并保持信息的可靠性;知識面處于信息網(wǎng)絡(luò)過程的結(jié)構(gòu)頂部，決定著信息網(wǎng)絡(luò)的完整性。其主要是通過提供網(wǎng)絡(luò)視圖來整理分析得出網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)知識，這不僅能夠保證信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞及時性，也能夠?qū)刂泼孢M行適應(yīng)控制。由于結(jié)構(gòu)的涉及面較廣，因此自主體系結(jié)構(gòu)的協(xié)議棧非常復(fù)雜，給后續(xù)工作帶來了一定難度，需要應(yīng)用人員具有一定的專業(yè)能力[2]。同時，也要注意自主體系結(jié)構(gòu)的使用領(lǐng)域，其一般用于資源豐富的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，資源在這里指的是相對于互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的計算資源。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 ? EPC體系結(jié)構(gòu)

伴隨著信息時代的到來，對于物品的識別有著更高的要求。同時為了符合信息網(wǎng)絡(luò)化飛速發(fā)展的特點，滿足物品標識以及識別需求，美國的麻省理工實驗室在計算及互聯(lián)網(wǎng)的概念及其結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合無線通信技術(shù)，構(gòu)建了一個能夠覆蓋世界方方面面的=現(xiàn)今的系統(tǒng)，這也是電子產(chǎn)品代碼的概念核心。電子產(chǎn)品代碼的存在意義就是為了更好的識別事物，賦予每一個對象一個獨立的EPC，并由擁有無線射頻識別技術(shù)的先進的信息系統(tǒng)進行管理，在這個過程中要由EPC網(wǎng)絡(luò)建立各個環(huán)節(jié)之間的緊密聯(lián)系[3]。同時，數(shù)據(jù)存儲和實時傳輸功能的實現(xiàn)要通過EPC網(wǎng)絡(luò)來進行。也正是由于EPC體系結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點，被用于標識系統(tǒng)中，這也是首次將物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用在有著實際意義的領(lǐng)域中。通過將編碼體系與EPC概念的融合，使得EPC體系結(jié)構(gòu)更加完善，并在此基礎(chǔ)上更好地保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及可靠性。

2.2.1 ? EPC編碼體系

物聯(lián)網(wǎng)的根本目的在于使世界的每一個物品都能夠通過相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)實時共享的功能，而這個目標實現(xiàn)的前提條件就是要對物品進行統(tǒng)一編碼。無論是世界的任何一個地方，生產(chǎn)的物品都要被打上電子標簽。這種標簽中蘊含的信息非常多，包括生產(chǎn)地、生產(chǎn)公司、生產(chǎn)時間以及物品類型，能夠通過電子標簽很快的掌握物品信息[4]。這不僅大大方便了日常的數(shù)據(jù)整理，還極大減少了數(shù)據(jù)分析數(shù)量，目前主流應(yīng)用的電子產(chǎn)品編碼體系為歐美EPC編碼體系和日本UID編碼體系。

2.2.2 ? 射頻識別系統(tǒng)

射頻識別系統(tǒng)時EPC體系結(jié)構(gòu)的硬件主體，標簽的產(chǎn)生以及讀寫都需要依靠射頻識別系統(tǒng)。標簽主要作為商品信息的載體，其承擔著信息展示的作用。通過標簽與物品的緊密關(guān)聯(lián)（粘貼或嵌入），建立起一對一的映射關(guān)系。EPC作為電子標簽存在時，能夠通過讀寫器實現(xiàn)對于標簽內(nèi)數(shù)據(jù)的讀取[5]。在對電子碼讀取后，需要經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳遞環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)進行整理分析，并將信息儲存在數(shù)據(jù)庫中。而當物品的個人用戶或企業(yè)需要對電子標簽的信息進行查詢時，只要打開對應(yīng)的檢索網(wǎng)站，在網(wǎng)站上輸入產(chǎn)品名稱和電子碼的數(shù)據(jù)，就能夠?qū)Ξa(chǎn)品的生產(chǎn)過程以及供應(yīng)狀況等進行實時監(jiān)控。隨著信息化時代的到來以及科技技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的標準已經(jīng)建立，并隨著應(yīng)用范圍的擴大和應(yīng)用次數(shù)的增加逐漸被完善，從而進一步促進EPC體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

2.2.3 ? EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

EPC信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要分為三個部分，這三個部分都可以實現(xiàn)獨立的功能，包括EPC中間件、EPC信息服務(wù)以及發(fā)現(xiàn)服務(wù)。對于EPC中間件來說，最重要的就是要制定應(yīng)用環(huán)境標準，并規(guī)范系統(tǒng)流程，建立二者之間的通信[6]。同時，需要單獨設(shè)立一個基于通用平臺的接口，這就是中間件的概念;中間件主要起到信息傳遞以及交互作用，通過讀寫器以及應(yīng)用系統(tǒng)的配合，能夠?qū)崿F(xiàn)對于信息的實時捕捉功能，并在第一時間上傳到數(shù)據(jù)庫。由于EPC采用的是標準的協(xié)議以及通用接口，因此能夠很方便地連接讀寫器和信息系統(tǒng)，這也是EPC普及率大大增加的原因之一;信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的發(fā)現(xiàn)服務(wù)，能夠?qū)Ψ?wù)對象進行解析，并在電子產(chǎn)品代碼的基礎(chǔ)上，獲取到更多的EPC數(shù)據(jù)信息。目前，由于接口標準委托國外的公司進行制定，系統(tǒng)也是由國外公司進行運營維護，因此還沒有形成具體的接口標準;EPC信息服務(wù)是在軟件的支持下實現(xiàn)EPC信息交互的過程服務(wù)，接口標準目前也在制定和完善當中。

2.3 ? 層次性體系結(jié)構(gòu)

隨著對物聯(lián)網(wǎng)研究的逐漸深入，對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求也逐漸體現(xiàn)了出來。因此，需要在充分了解應(yīng)用系統(tǒng)知識的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有實用價值的通用模型。物聯(lián)網(wǎng)雖然在概念的提出階段以及使用過程中大量的應(yīng)用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其與互聯(lián)網(wǎng)之間的聯(lián)系較為密切。但不能說物聯(lián)網(wǎng)就是在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用過程中產(chǎn)生的，二者有著較大的區(qū)別?；ヂ?lián)網(wǎng)的意義在于計算機通信網(wǎng)絡(luò)的建立，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息互聯(lián);而物聯(lián)網(wǎng)主要是整合各種通信資源，并在此過程中利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)控制、傳輸以及感知等技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

2.3.1 ? 感知層

信息的收集與直接感受主要是通過感知層來實現(xiàn)的，因此其是物聯(lián)網(wǎng)的運作前沿。其主要的硬件設(shè)施大多為各種傳感器，包括溫度傳感器、壓力傳感器以及震動感應(yīng)器等。

2.3.2 ? 接入層

接入層的主體的作用主要是用于信息接收以及后續(xù)的應(yīng)用過程，基站節(jié)點和接入網(wǎng)關(guān)共同組成了接入層，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的整理和節(jié)點組網(wǎng)控制，并完成信息轉(zhuǎn)發(fā)過程。組網(wǎng)完成后，想要上傳數(shù)據(jù)就必須要通過末梢節(jié)點，通過末梢節(jié)點來連接基站節(jié)點，繼而將接入網(wǎng)關(guān)和承載網(wǎng)站連接在一起。接入層主要是為后續(xù)的應(yīng)用層級服務(wù)的，其功能的實現(xiàn)主要依賴于傳感器硬件以及各節(jié)點組成的傳感網(wǎng)，從而完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和分享[7]。

2.3.3 ? 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層依賴于通信技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)與之進行融合后，形成了具有二者優(yōu)勢的承載網(wǎng)絡(luò)。承載網(wǎng)絡(luò)的核心就是目前的通信網(wǎng)絡(luò)，包括2G、3G、4G，以及即將到來的5G網(wǎng)絡(luò)。另外，移動通信網(wǎng)絡(luò)、計算機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及企業(yè)內(nèi)外部信息交互網(wǎng)絡(luò)或企業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)，都能利用網(wǎng)絡(luò)層完成與物聯(lián)網(wǎng)的對接與信息共享等通信功能。

2.3.4 ? 應(yīng)用層

以上的層級功能都可以獨立存在，但最終的效果體現(xiàn)主要是在應(yīng)用層上，其主體為應(yīng)用服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，能完成對用戶數(shù)據(jù)的采集和分析，并使得應(yīng)用層級符合用戶層的應(yīng)用特點[8]。由于末梢節(jié)點獲取到了海量的數(shù)據(jù)，但只進行了初步的篩選，數(shù)據(jù)量的龐大使其只有經(jīng)過仔細的篩選甄別才能有實際利用的價值。在對數(shù)據(jù)進行篩選后，將有實效的數(shù)據(jù)通過用戶應(yīng)用的各種設(shè)備展現(xiàn)出來。另外，應(yīng)用層還能夠下發(fā)控制指令，并提供給用戶應(yīng)用新接口（物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用UI接口），這也是對大量的信息進行智能處理的一種關(guān)鍵方式。

3 ? ? ?結(jié) ? ?語

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，其諸多的應(yīng)用特性被越來越多的人所發(fā)現(xiàn)，同時也引起了國內(nèi)外各個領(lǐng)域的專家的重視，并加緊對于物聯(lián)網(wǎng)實際應(yīng)用的研究。由于物聯(lián)網(wǎng)涉及范圍廣、技術(shù)要求高的特點，再加上對于物聯(lián)網(wǎng)的研究還不夠深入。因此，需要找到一個研究切入點對其進行進一步的“發(fā)掘”。體系結(jié)構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)主體，人們對于體系結(jié)構(gòu)的定義以及實效性也有了較多的了解，因此可以選擇體系結(jié)構(gòu)作為關(guān)鍵點展開對于物聯(lián)網(wǎng)的研究，以促進物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的進一步完善以及物聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展。

主要參考文獻

[1]王建平，黃濤，李奇越，等.一種新型無線通信物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及其協(xié)議棧的設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2016，43（10）：1085-1090.

[2]鄭紀業(yè)，阮懷軍，封文杰，等.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與應(yīng)用領(lǐng)域研究進展[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，50（4）：657-668.

[3]魯一坤.面向智能交通系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究[J].電子測試，2017（4）：48-49.

[4]劉喬佳.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方法的研究[J].電子測試，2016（23）：101-102.

[5]許彧.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方法的比較研究[J].中國新通信，2018，20（9）：108-109.

[6]牛軍.面向智能交通系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究標準[J].中國標準化，2017，（14）：231-232.

[7]劉振山.對比分析物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)措施[J].絲路視野，2016（23）：154-155.

[8]荊學(xué)海.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方法的比較研究[J].甘肅科技，2018，34（4）：63-64.