2.2 分层来看物联网

任何一个复杂系统都有其较为稳定的结构，物联网也不例外，但随着物联网不断地吸纳新的技术，拓展新的应用，其体系结构的划分也会不断发展。但是，不论是系统设计的研究，还是物联网的应用场景和类型研究，都需要一个相对稳定的物联网体系结构作为指导。同时，物联网由于应用的广泛性，特别是网络接入具有很强的异构性，各种设备需要在不同的网络中进行信息的互通，因此需要一个规范的、开放的体系结构。

目前，物联网体系结构的划分有多种方法。根据国际电信联盟ITU的相关规范，物联网结构可以分为：物理接触感知层、网关、信息处理系统及网络层。如图2-2所示，其中，物理接触感知层，主要通过传感器、RFID等技术对各种状态信息进行监测、采集，并将收集到的信息递交给上层进行处理；网关层主要负责将底层物联网感知设备接入到网络中，同时还兼备对底层数据的汇聚功能；信息处理系统可以对收集到的信息进行局部或集中的处理；网络层主要负责信息的传递，包括各种接入和传输网络。

如果从信息系统的分层结构来看，依据信息的获取、传输、处理和应用的不同环节，物联网的体系结构由低到高分可为四层，即感知识别层、网络传输层、管理服务层和综合应用层。这种分层方法符合图2-2中的物联网结构划分，为研究者们所普遍接受。

（1）感知识别层，简称感知层，主要功能是感知和识别物体。由各种具有感知能力的设备组成，包括传感器、定位器、读写器、摄像头等随时随地通过感知、测量、监控等途径获取物体信息的设备；还包括GPS/GIS（全球定位系统／地理信息系统）、T2T等多种（物到人、物到物）终端、传感器网络和传感器网关等无线接入设备。所以说，感知层是直接强调物联网中“物”的层面，“物”可以定义成可获取各类信息的终端，可以是传感器、二维码标签和识读器、RFID、手机、PC、摄像头、电子望远镜、GPS终端等。最终，随着技术的发展，可以感知到人类所需各种信息的终端，都会被纳入感知层。

感知层可进一步划分为两个子层，首先是在数据采集、执行控制子层通过传感器、数码相机等设备采集外部物理世界的数据，然后在信息采集中间件子层通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。也可以只有数据的短距离传输这一层，特别是当仅传递物品的唯一识别码的情况。实际上，这两个子层有时很难以明确区分开。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离有线和无线通信技术等。

（2）网络传输层，简称网络层，主要功能是实现感知数据和控制信息的通信功能。将感知层获取的相关数据信息通过各种具体形式的物联网，实现信息存储、分析、处理、传递、查询和管理等多种功能。物联网不仅包括有线、无线、卫星与互联网等形式的全球语音和数据网络，也包括实现近距离无线（有线）连接的通信技术。最终，随着技术的发展，感知信息都被纳入到一个融合了现在和未来的各种网络，如固网、无线移动网、互联网、广电网和各种其他专网等网络的融合承载，为物联网奠定坚实的网络基础。值得一提的是，LoRa、SigFox，甚至是卫星网络等物联网专网承载正蓬勃兴起；这些技术之间为了互相取长补短，融合承载是大趋势。

网络层解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，通常是长距离的传输问题。网络层数据传输并不局限于现在的移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网，以及三网融合后的有线电视网，随着物联网建设的加快推进，未来可能会有更适合物联网承载的网络形式（例如移动虚拟网）。在这些融合了现在和未来的网络中最终能够实现把各种物（不只是终端）和人联系在一起。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。

（3）管理服务层也被称作应用支撑层，位于网络传输层和综合应用层之间，对网络层传输而来的数据在各类信息系统中进行处理，作为支撑物联网各种各样应用的信息处理平台，紧密衔接网络传输和综合应用。例如能够屏蔽软硬件环境差异的中间件，将在第5章详述，另外还有SOA、云计算、大数据、LBS等数据的分析、处理和平台应用。

（4）综合应用层，简称应用层，主要功能是利用经过分析处理的感知数据为用户提供丰富的特定服务。通过物联网的综合应用层平台与各行业专业应用的结合，可以实现广泛智能化的解决方案。应用层是物联网发展的最终目的，在应用层将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。不断发展成熟的感知层、网络层技术，正在为物联网应用的多样化和规模化开辟道路。物联网应用将覆盖各行各业，并逐渐影响和改变人类生产、生活方式。

应用层不仅能够解决信息处理和人机界面的问题，而且能够针对行业需求实现具体的应用。这一层也可按形态直观地划分为两个子层：应用支撑子层对网络层传输而来的数据在各类信息系统中进行处理，并通过各种设备与人进行交互；具体应用子层将处理后的数据应用于各个领域，包括电力、医疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理、家居生活等，涉及支付、监控、安保、定位、盘点、预测等。

还有一种流行的分层方法，可以将物联网体系划分为三层：感知层、网络层和应用层，如图2-3所示。

如果按照物联网的四层结构模型来看图2-3，三层结构中的应用层对应四层结构中的管理服务层和综合应用层；三层结构中的感知层对应四层结构中的感知识别层；三层结构中的网络层对应四层结构中的网络传输层。

四层结构中，管理服务层不仅能够解决信息处理和人机界面的问题，而且能够针对行业具体需求实现基于行业信息处理的应用支撑平台，既可以描述为图2-3中的泛化的“应用支撑中间件”，又可以描述为图2-4中应用层的应用支撑子层。

需要说明的是，在图2-4所示的接入和承载技术中，部分技术可以通过自建专网实现广域覆盖。而2G/3G/4G/5G的移动网络承载之所以列得这么全，是因为5G时代物联网移动网络承载将会有基于2G的升级、基于3G的升级、基于4G和面向5G的升级，这将由不同国家和地区的具体情况与发展路线决定。其中面向5G的移动网络承载将在第4章中详述。

这里不去纠结物联网具体是三层、四层，甚至是五层的结构。本书在第3～6章将按照感知识别层、网络传输层、管理服务层和综合应用层的顺序来探讨物联网。图2-4中，每层之间都有过渡层，例如感知层与网络层中的本地信息采集与接入，网络层与应用层之间的管理与应用支撑。部分学者将物联网看作五层结构，只不过是单独独立划分过渡层而已。

各层之间的信息传递不仅是单向的，还可有反馈、交互、控制等；也不仅是纵向的，还可有跨系统、跨平台的信息共享和应用。所传递的信息多种多样，其中的物品信息仅仅是基础信息，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码、物品的静态与动态信息。

总之，信息的自由融动将人类世界和物理世界紧密地联系在物联网中，也使物理世界第一次获得了与人类对话的参与权。