物联网体系架构

第2章物联网体系架构陈业纲感知节点•传感单元•处理单元•通信单元•电源/供电部分末梢网络•末梢网络即完成应用末梢感知节点的组网控制和数据汇聚，或完成向感知节点发送数据的转发功能。核心承载网络•主要承担接入网与信息服务之间的数据通信任务。信息服务系统硬件设施•由各种应用服务器组成，还包括用户设备、客户端等，主要用于对采集数据的融合/汇聚、转换、分析以及对用户呈现的适配和事件的触发。数据感知系统软件•主要完成物品的识别和物品EPC编码的采集和处理，主要由企业生产的物品、物品电子标签、传感器、读写器、控制器、EPC等组成物联网中间件系统软件•中间件是位于数据感知设备与后台应用软件之间的一种应用系统软件。中间件具有两个关键特征：一是为系统应用提供服务平台，二是需要连接到网络操作系统，并且保持运行工作系统。中间件为物联网应用提供了一系列计算和数据处理功能，主要任务是对感知系统采集的数据进行捕获、过滤、汇聚、计算、校对、解调、传送、存储和任务管理，减少从感知层到应用层数据量。同时，中间件还可提供与其他RFID支撑软件系统进行互操作等功能。•一般中间件系统由读写器接口、事件管理器、应用程序接口、目标信息服务和对象名解析服务等功能模块。网络操作系统•物联网通过互联网实现物理世界的任何物品的互联，在任何地方、任何时间可识别任何物品，使物品成为附有动态信息的“智能产品”,并使物品信息流和物流完全同步，从而为物品信息共享提供一个高效、快捷的网络通信与云计算平台物联网信息管理系统•物联网管理机构包括企业物联网信息管理中心、国家物联网信息管理中心以及国际物联网信息管理中心。•企业物联网信息管理中心负责管理本地物联网，它是最基本的物联网信息服务管理中心，为本地用户提供管理、规划及解析服务。•国家物联网信息管理中心负责制定和发布国家总体标准，负责与国际物联网互联，并且对现场物联网中心进行管理。•国际物联网信息管理中心负责制定和发布国际框架性物联网标准，负责与各个国家或地区的物联网互联，并且对各个国家物联网信息管理中心进行协调、指导、管理等工作•身份相关业务应用主要利用RFID、二维码、条码等可以标志身份的技术，并且身份所提供的各类服务。•按照终端是去识别其他身份信息还是被识别，可以分为主动模式和被动模式，按照服务提供给个人还是提供给企业，又可以分为个人应用和企业业务两大类。•对于不同应用实现的方式可能有不同，下图是基于标签的信息获取类服务的一个基本原理图。信息汇聚业务•主要由物联网终端采集、处理，经通信网络上报数据，由物联网平台处理，提交给具体的应用和服务，由物联网平台统一对物联网终端、数据、应用和服务以及第三方进行管理。具体的如自动抄表、电梯管理、物流和交通管理等。协同感知型业务•在信息汇聚型业务中，物联网的终端只需接受物联网平台管理，执行数据采集、简单处理、上报等功能，物联网的终端之间不需要进行通信。泛在服务•泛在服务以无所不在、无所不包、无所不为为基本特征，以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能畅通地通信为目标，是人类通信服务的极致。物联网体系架构•1、泛在网体系框架•ITU-T在Y.2002中分为：•底层传感网络、泛在传感网接入网络、泛在传感网络中间件、泛在传感网络基础骨干网络、泛在传感网络应用平台。如下图：ETSI制定的M2M体系结构•M2m是现阶段物联网最普遍的应用形式，m2m在欧洲、韩国、中国已进入部分商业应用，主要用于安全检测，公共交通、物流系统、车队管理、工业流程自动化、城市信息化等。•M2M体系架构分为3层：•感知层：包括M2M终端、WSN局域网络、M2M网关、M2M能力和M2M应用•网络层：包括接入网、核心网两大部分和网络管理、终端管理功能。•应用层：包括各种各样的行业应用和用户配置接口。•中国移动M2M定义：M2M是通过在机器内部嵌入移动通信模块，以SMS/USSD/GPRS等为接入手段，为客户提供的信息化解决方案，为满足客户对生产监控，指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化需求。•USSD（UnstructuredSupplementaryServiceData）即非结构化补充数据业务，是一种新型基于GSM网络的交互式数据业务。当你使用手机键盘输入一些网络已预先制定的数字或者符号比如*#等，再按send也就是拨号键就可以向网络发送一条指令，网络根据你的指令选择你需要的服务提供给你。中国移动制定的M2M体系架构•M2M平台提供统一的M2M终端管理、终端设备鉴权，并对目前行业网关尚未实现的接入方式进行鉴权；支持多种网络接入方式，提供标准化的接口使得数据传输简单直接；提供数据路由、监控、用户鉴权等管理功能。•行业网关：是承载信息上报、参数配置、终端状态检测、终端注册等业务的短信上下行通道。•BOSS：统一管理客户集团信息，业务受理、计费和结算、业务信息变更由BOSS完成。•行业终端监控平台：M2M平台提供FTP服务，将每月统计文件存放在FTP服务器中，供行业终端监控平台下载，以同步M2M平台的终端管理数据。•上级网管系统：通过网管接口完成网管功能。物联网的体系架构•通用物联网体系结构：感知层、网络层、数据智能处理层和应用层。•感知层就像人的皮肤和五官，用来识别物体，采集信息；包括信息采集和末梢网络两个子层，传感器、二维码、条形码、RFID、智能装置等作为数据采集设备，将采集到的数据通过末梢网络上传给网络层。末梢网络包括传感网、无线传感网、工业控制网络、无线个域网、家庭网以及各种短距离无线通信网络。•网络层就像人的神经系统，将信息传送到大脑进行处理；网络层由各种无线/有线网关、接入网和核心网实现感知层数据和控制信息的双向传送、路由和控制。接入网包括IAD、OCT、DSLAM、交换机、射频接入单元、2G/3G蜂窝移动接入、卫星接入等，核心网主要由各种光纤传送、IP承载网、下一代网络(NGN),下一代互联网(NGI)、下一代广电网（NGB）等公众电信网和互联网，也可以依托行业或企业的专业。•数据智能处理层是实现以数据为中心的核心技术，包括数据汇聚、存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。数据汇聚包括实时、非实时物联网业务数据汇总后存放到数据库中，方便后续数据挖掘、专家分析、决策支持和智能处理。•应用层包括应用支撑子层和各种具体物联网应用。支撑子层为物联网应用提供通用的支撑服务和能力调用接口。物联网的应用可分为监控型（物流监控、环境监测）、查询型（智能检索、远程抄表）、控制型（智能交通、智能家居、路灯控制）、扫描型（手机钱包、ETC）等，既有行业专业的应用，也有公共平台为基础的公共应用。•物联网标准：•标准不统一•2010年6月，物联网标准联合工作组成立，力争成为制定物联网国际标准的组织。•物联网的安全机制：通过鉴权、授权、访问控制、机密性、完整性等安全机制，在业务安全、网络安全和用户隐私安全3个方面提供安全保障措施。业务安全包括拥有权限的用户才能接入网络，只要拥有此权限才能使用该业务。网络安全包括网络应该能够保证业务的正常运营，能够针对灾难、故障和紧急事件提供相应的处理手段。•用户隐私安全包括对用户个人资料等信息进行有效保障，不能泄露用户隐私信息。业务需要采用加密机制，保证设计隐私的业务数据不外泄。•物联网的运营可以分成两大类：面向公众提供的物联网服务和面向行业提供的物联网专用服务。面向公众提供的物联网服务是建设一张面向公众服务的广域物联网，网络建设和网络维护需要长期投入人力和物力，从集约化和节省全社会的角度看，通信运营商凭借丰富的专业经验、较低的人员维护成本、一体化维护优势，是最佳的建设方和维护方。面向行业提供的物联网专用服务主要指某些行业单独设立的通信专网，只为本行业服务。行业公网服务主要指向面向一种行业，只为此行业的各种人员和机构提供服务。•物联网的管理架构：包括国家、行业/区域、企业3个方面。•鉴权包括两个方面：•用户鉴权，网络对用户进行鉴权，防止非法用户占用网络资源。•网络鉴权，用户对网络进行鉴权，防止用户接入了非法的网络，被骗取关键信息。•这种双向的认证机制，就是AKA（AuthenticationandKeyAgreement，鉴权和密钥协商）鉴权。•除了AKA鉴权，也可以使用其它鉴权方式。在IMSAKA鉴权广泛实施之前，或在特定的条件下（例如通过固定网络ADSL连接方式接入IMS），可以使用HTTP摘要鉴权等其他鉴权方式。•传感器也称为换能器、变换器、变送器、探测器等，根据国家标准GB7665-1987。传感器的定义为：•能够感受规定的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，由敏感元件、转换元件、测量电路3部分组成，有时还加上辅助电源。•敏感元件是指能直接感受或响应被测量并输出与被测量成确定关系的其他量部分•转换元件是指传感器中能将敏感元件中感受或响应的被测量转换成适合传输或测量的可用输出信号的部分传感器的分类•1、按传感器的检测信息分•光敏、热敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏、射线敏等•2、按转换原理分•物理、化学、生物传感器•3按输出的信号分•数字、模拟、开关传感器•4、按材料分•半导体、陶瓷、复合材料、金属材料、高分子材料、超导体材料、光纤材料、纳米材料传感器•5、按能量分•能量转换型、能量控制型传感器•6、按制造工艺•集成传感器、薄膜传感器、厚膜、陶瓷•基于双绞线铜缆的xDSL技术•1、电话网铜线(DSL)•2、高比特率数字用户线(HDSL)•3、高速数字用户线(VDSL)•DSL的中文名是数字用户线路，是以电话线为传输介质的传输技术组合。DSL技术在传递公用电话网络的用户环路上支持对称和非对称传输模式，解决了经常发生在网络服务供应商和最终用户间的“最后一公里”的传输瓶颈问题。由于DSL接入方案无需对电话线路进行改造，可以充分利用可以已经被大量铺设的电话用户环路，因此被大量应用。最初的DSL技术提供的网速非常慢，因此随着人们的需求增长，DLS技术也在不断发展DSL包括ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine，非对称数字用户线)、RADSL、HDSL和VDSL等等。•ADSL属于DSL技术的一种，全称AsymmetricDigitalSubscriberLine（非对称数字用户线路），亦可称作非对称数字用户环路。是一种新的数据传输方式，因为其提供的上行和下行带宽不对称，因此称为非对称数字用户线路。ADSL技术采用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、上行和下行三个相对独立的信道，从而避免了相互之间的干扰。用户可以边打电话边上网，不用担心上网速率和通话质量下降的情况，因此网速也快了很多。ADSL技术至今在我国某些地区仍在使用。光纤接入网技术•光纤接入网是指在接入网中用光纤作为主要传输介质来实现传送的网络形式。光纤接入网的组网方式可以有总线结构、环形结构、星型结构。它的主要特点：•1、可以传输宽带交换型业务和多种业务，且传输质量好，可靠性高•2、网径一般较小，不需中继器•3、具有V5接口•4、提供无人值守条件。无线接入技术•1、无线本地环路（WLL）利用无线方式把固定用户接入到固定电话网的交换机，其包括DECT、PHS、CDMA、SCDMA等，具有部署灵活、建网速度快、适应能力强、网络配置简单等优点。•2、本地多路分配业务接入（LMDS）利用地面转接站而不是卫星转发数据，通过射频RF频带LMDS最多可提供10mbit/s的数据流量，它采用蜂窝单元，以毫米波28GHz的带宽向用户提供VOD、广播和电视会议、视频家庭购物等宽带业务，其缺点是存在来自其他小区的同道信道干扰和覆盖区域有限。•3、数字直播卫星接入（DBS）传送网技术•1、SDH传送网•是一种以同步时分复用和光纤技术为核心的传送网结构，它由分插复用、交叉连接、信号再生放大等网元设备组成，具有容量大、对承载信号语义透明，以及在通道层上实现保护和路由的功能。•具有3个优点：•1、标准统一的光接口•2、采用同步复用和灵活的复用映射结构•3、强大的网管功能。2、光传送网•光传送