智慧城市:物联网体系架构及应用
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1.3 物联网的组成

从1.2节可以看出,中国的物联网不同于国外的IoT、传感网络、EPC系统,是属于“中国创造”范畴。众多的国内专家、学者加入了物联网的建设。同时,大量的高学历、高层次的海归科学家和企业家也加入这个朝阳产业中,分别从事传感器、通信网络及软件中间件等相关行业的研发、标准化和产业化等工作。

物联网宏观上包含三个层次,分别是:底层——用来感知世界的感知层,中间层——用来传输数据的网络层,上层——用来处理数据的应用层,如图1-6所示。

图1-6 物联网宏观上包含的三个层次

1.3.1 感知层

感知层的作用是感知和采集信息。从仿生学来看,感知层为“感觉器官”,可以感知自然界的各种信息。感知层包含传感器、全球定位系统、气体感应器、激光扫描器、红外感应器和射频识别技术等各种设备和技术。传感器及其相关装置是物联网的底层,它们是整个产业链中最基础和需求最多的组件。在中国,大量的企业和高校研究机构在从事相关芯片、通信协议、材料、智能节点供电等领域的研究和开发工作。

在国内,感知层的主要从业方向包括RFID、传感器和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)芯片。RFID在国内已经大量应用,如身份证、门票、电子收费,物流管理等。目前,RFID标签已经可以印刷,成本低廉,但是由于其物理特征,RFID标签不能在金属及液体环境下使用。传感器在2009年以前主要以仪器仪表为主,在2009年温家宝提出“感知中国”后,国家对传感器的研发投入加大,江苏省无锡市已经建立了中国首个传感中心。通过国家高层次海外人才的引进,纳米传感器在医学上已经应用到临床。传感器技术是一门多学科交叉的工程技术,它涉及信息处理、开发、制造和评价等许多方面。制造小型、低廉、高识别度、稳定的传感器是公司和科研院校研发人员的目标。全球定位系统除了在导航方面的应用之外,更广泛地应用于基于位置的服务(Location Based Service,LBS)。在物联网中,GPS同样扮演着重要的角色。GPS的从业人员正在开发更小、更加灵敏和更加节电的GPS芯片。

1.3.2 网络层

网络层的任务是将感知层的数据进行传输。网络层是根据现在已经建设好的通信网和互联网建立的。网络层将感知层获得的数据通过移动通信网、企业内部网、各类专网、小型局域网、各种无线网络进行传输,尤其是互联网、有线电视网和电信网三网融合之后,有线电视网也提供廉价的宽带数据传输功能,这极大地推进了物联网的发展。网络层的实现涉及了现有的通信技术,如移动通信技术、下一代网络技术、有线宽带技术等。

网络层的研发主要由高校和大型企业完成。在学术界,随着IPv6的诞生,北京交通大学张宏科教授领导的下一代互联网研究中心已经完成了部分“973”和“863”重大项目,旨在使中国突破IP地址稀缺的局限性。为了解决多网融合问题,北京邮电大学张平教授所在的泛在网络研究中心已经对网络的异构问题进行了大量的研究,并完成了相关“973”和“863”项目。在企业界,中国移动、华为等已经加入了3GPP长期演进(Long Term Evolution,LTE)项目。LTE是以频分多路复用/频分多址联接(FDM/FDMA)及多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Out-put,MIMO)为核心的准4G(Fourth Generation of Mobile Phone Mobile Communications Standards)技术,在速率、功耗、小区边缘用户的性能、延迟、激活、高速移动等性能指标方面取得了质的突破。但是,LTE依然和下一代网络的“以用户为中心”的理念存在着巨大的差距,终端无法在多重异构无线网络里自由切换(Handover)。

1.3.3 应用层

应用层的任务是对网络层传输过来的数据进行处理,并通过终端设备与人进行交互。应用层可划分为两个子层:一个是云应用层,进行数据挖掘、存储、计算和处理;另一个是终端人机界面,主要负责信息的显示。物联网的应用层涵盖自然界的方方面面,比如工业、农业、物流、环保、交通、银行、医疗等国民经济和社会领域。物联网虽然是物物相连的网,但最终是要以人为本,需要人的操作与控制。物联网的终端与系统的交互已不仅是以前的人与计算机的交互,而是应用程序中的所有设备与人的交互。应用层的实现涉及软件的各种数据处理技术、云计算技术、智能控制技术等。

物联网的应用层属于软件范畴。2003年后,中国已经成为全世界最具实力的软件大国。在学术方面,由于没有硬件壁垒,企业级应用、分布式、网格计算、云计算等课题得到了大量的研究。例如,南京理工大学率先提出了物联网的高层架构;清华大学提出的物联网中间件,通过基于负反馈和指数平滑预测的负载均衡技术,可以有效地提高吞吐量。在产业方面,各个省份分别创建了软件园,比如江苏省为位于雨花软件大道的“中国软件谷”提供了大量的优惠政策,旨在建立中国排名第一的软件园。该软件园有超过50%的企业都直接或间接地为物联网的应用层服务。在北京,清华同方公司已经开发完成了“M2M物联网业务基础平台”,目前正在从事“车联网”的物联网中间件研发工作。