物联网体系结构
物联网体系结构
物联网体系结构物联网（Internet of Things）是指通过各种传感器和通信设备连接物体，使之能够互相沟通和交互，从而实现信息的收集、传输和处理。
物联网的核心组成部分是其体系结构，即通过各个层次和组件的有机组合，构建一个完整的物联网系统。
本文将介绍物联网体系结构的基本架构和主要组成部分。
一、边缘层边缘层是物联网体系结构的最底层，也是最接近物体的一层。
它包括各类传感器、执行器以及相关的通信、存储和处理设备。
传感器负责感知环境中的各种参数和状态，并将其转化为数字信号；执行器则负责根据指令执行相应的操作。
边缘设备通过无线或有线网络与上层网关进行通信，传输采集到的数据和接收控制指令。
二、网关层网关层是连接边缘设备和核心网络的桥梁，在整个物联网体系结构中起到重要的作用。
它负责实现不同通信协议之间的转换和数据格式的处理，以便边缘设备能够与上层的网络进行交互。
网关层还可以具备一定的存储和计算能力，用于边缘数据的缓存和预处理。
同时，网关层也承担着数据安全和隐私保护的责任，通过身份验证和加密等手段保护物联网系统的安全。
三、核心网络层核心网络层是物联网的中间层，负责连接各个网关和云平台、应用程序等核心组件。
它采用各种通信协议和网络技术，实现不同设备之间的互联互通。
核心网络层也具备一定的路由和转发能力，用于数据的分发和传输。
此外，核心网络层还要满足物联网系统对带宽、延迟和可靠性等性能指标的要求，保证数据的快速和可靠传输。
四、云平台层云平台层是物联网的上层，负责数据的存储、处理和分析。
它提供了丰富的云服务和应用程序接口（API），使开发者可以基于物联网数据进行应用开发和创新。
云平台层具备强大的计算和存储能力，可以处理和分析海量的数据，并提供实时的决策支持。
同时，云平台还提供了对物联网系统进行远程管理和监控的功能，方便用户对设备进行集中控制和维护。
五、应用层应用层是物联网体系结构的最顶层，是向用户提供服务和功能的界面。
物联网体系结构
物联网体系结构物联网（Internet of Things，简称IoT）是指通过互联网将各种物理设备、传感器、软件和网络连接在一起，形成一个庞大的网络系统。
物联网的发展和应用已经渗透到了各个领域，改变着人们的生活方式和工作方式，成为了新时代的核心技术之一。
在物联网的基础上，一个良好的体系结构是非常重要的，它能够帮助我们更好地理解和应用物联网技术。
本文将围绕物联网体系结构展开讨论，探索其特点和重要性。
一、物联网体系结构的概念物联网体系结构是指构成物联网的各种组成部分和其相互之间的关系。
它可以看作是一个框架，为物联网的设计和实施提供了指导原则和方法。
合理的物联网体系结构可以提高系统的可靠性、安全性和性能，同时也方便后续的扩展和升级。
二、物联网体系结构的特点1. 分层结构：物联网体系结构通常采用分层的设计，将整个系统划分为多个层次。
每一层都有特定的功能和任务，实现了数据的流动和处理。
分层结构使得物联网系统更加灵活和可靠。
2. 概念清晰：物联网体系结构应该具有概念清晰、模块化的特点。
各个组件和功能应该明确定义，并且相互之间关联紧密。
这可以帮助开发人员更好地理解和应用物联网技术。
3. 标准化：物联网体系结构应该与国际标准相一致。
只有符合标准化的体系结构才能够实现互操作性，使得各种设备和系统能够相互通信和交互。
标准化还可以促进物联网技术的发展和推广。
4. 弹性和可扩展性：物联网体系结构应该具有弹性和可扩展性。
随着物联网的发展，系统需要不断地进行扩展和升级，以适应新的需求和技术。
一个良好的体系结构可以使得这一过程更加简单和高效。
三、物联网体系结构的重要性1. 增强系统安全性：物联网体系结构可以帮助设计人员识别系统中的安全隐患，并提供相应的解决方案。
合理的体系结构可以实现数据的加密和身份验证，防止未经授权的访问和信息泄露。
2. 提高资源利用效率：物联网体系结构可以合理分配和利用系统中的资源。
通过分层的设计和组件的优化，可以提高数据的收集、传输和处理效率，降低能源的消耗。
物联网-第2章 物联网体系架构-物联网——体系结构、协议标准与无线通信-高泽华-清华大学出版社
2.2 网络传输层
➢ IPv6
➢ 地址空间巨大 ➢ 地址层次丰富 实现 IP 层网络安全 无状态自动配置
2.2 网络传输层
➢ 传输网与传感网的融合
2.3 应用层
➢ 应用层是物联网运行的驱动力，提供服务是物联网建设的价值所在。应用 层的核心功能在于站在更高的层次上管理、运用资源。感知层和传输层将 收集到的物品参数信息，汇总在应用层进行统一分析、挖掘、决策，用于 支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、控制、共享、互通，提升 信息的综合利用度。应用层是对物联网的信息进行处理和应用,面向各类 应用,实现信息的存储、数据的分析和挖掘、应用的决策等,涉及到海量信 息的智能分析处理、分布式计算、中间件等多种技术。 网络传输层 2.3 应用层 2.4 物联网体系构架
第2章 物联网体系架构
➢ 物联网是互联网向世界万物的延伸和扩展， 是以实现万物互联的一种网络。万物互联是 实现物与物、人与人、物与人之间的通信。 物联网系统架构和标准的技术体系包括：感 知层、传输层、应用层。
（1）感知网用于采集与传输环境信息 （2）接入网由一些网关或汇聚节点组成，为感知网与外部网络或控制中心之间的通信提
供基础通信接入设施 （3）网络基础设施是指下一代互联网NGN （4）中间件由负责大规模数据采集与处理的软件组成 （5）应用平台涉及未来各个行业，它们将有效使用物联网提供服务以提高生产和生活的
➢ 业务模式和流程
➢ 1.业务模式
➢ 业务定制模式 ➢ 公共服务模式 ➢ 灾害应急模式
➢ 2.业务描述语言
➢ XML ➢ UML ➢ BPEL
➢ 3.业务流程
2.3 应用层
➢ 服务资源
➢ 1.标识
物联网体系结构
物联网体系结构
物联网体系结构由终端设备、数据处理平台、通信支持服务和应用层服务组成。
终端设备是物联网系统中最基本的部分，其功能是采集环境变量，如温度、湿度、压力、电流等，并把相应的信息处理成数据发送给数据处理平台或直接与应用端通信。
我们
可以使用传感器获取实时信息并将其发送给终端设备，终端设备负责收集、处理和发送信息。
数据处理平台的功能是存储和管理来自物联网系统的数据，一般使用数据库技术去进
行储存和处理工作。
同时，它还提供软件接口供下游应用端调用。
通信支持服务为物联网系统提供连接，包括宽带技术、无线技术等。
它主要负责提供
下行和上行数据通信服务，以及服务订阅，数据流控制，安全传输，等技术支持服务。
应用层服务是物联网系统最高层，它是系统的最终使用者和物联网系统的操作者。
应
用服务提供的功能包括数据可视化、数据分析、设备管理等，以及应用程序开发平台。
应用层服务提供了一个统一的界面，用户可以通过界面交互控制物联网系统中的设备，并获取设备的实时数据，进行自动化控制和管理。
另外，应用层还提供了一个开放平台，
开发者可以在平台上快速开发，部署和发布他们的应用程序，创造了丰富的应用场景。
上述是物联网体系结构的基本架构，它提供了系统的实时控制能力和数据分析能力，
为物联网的发展和研究提供了可能和帮助。
物联网体系结构(共74张PPT)
1.2 物联网定义
• 物联网中的“物〞的涵义要满足以下条件才能够被纳 入“物联网〞的范围：
一个Zigbee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备 节点组成。
WIFI无线网络
• Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备〔如PDA、 〕 等终端以无线方式互相连接的技术。
•WIFI突出优势：
•其一，无线电波的覆盖范围广 •其二，传输速度非常快
•其三，厂商进入该领域的门槛比较低
WIFI无线网络
1.1 物联网概念
• 物联网的概念是由麻省理工学院Auto-ID研究中心于 1999年提出的。当时基于互联网、RFID技术、EPC 标准，在计算机互联网的根底上，利用射频识别技 术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物 品信息实时共享的实物互联网。
1.2 物联网定义
目前较为公认的物联网的定义是： 通过射频识别〔RFID〕装置、红外感应器、 全球定位系统GPS、激
2.3 物联网感知层关键技术
1. RFID技术 2. 条形码
3. 传感器技术 4. 无线传感器网络技术 5. 产品电子代码EPC
RFID技术
• RFID(Radio Frequency Identification)， 即射频识别，俗称电 子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，可识
具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象； • 2〕阅读器(Reader)或读写器：读取(有时还可以写入
物联网体系架构
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：
• 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)
• BOSS：统一管理客户集团信息，业务受理、
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。
• 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。
• 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
物联网的结构体系
物联网的结构体系物联网（Internet of Things，简称IoT）是指通过将传感器、无线通信技术、云计算、大数据等技术与物体连接起来，实现物理世界与数字世界的互联互通。
物联网的快速发展使得各行各业都纷纷应用其技术，从而构建起复杂而庞大的结构体系。
本文将从物联网的组成部分、网络架构、数据处理和应用层面等方面进行论述，揭示物联网的结构体系。
一、物联网的组成部分物联网的组成部分包含物体、传感器、网络和应用四个主要方面。
1. 物体物体是指连接到网络中的实体，包括各类设备、传感器、智能终端等。
这些物体能够感知、收集和处理数据，并通过网络与其他物体进行通信。
2. 传感器传感器是物联网中的关键技术之一，用于感知物理世界的各种信息，如温度、湿度、光强等。
传感器能够将感知到的数据转换成可传输的数字信号，并通过网络发送到其他设备进行处理。
3. 网络物联网的网络是实现物体之间互联互通的基础设施。
它包括传输介质、通信协议和网络拓扑结构等要素。
常用的物联网网络包括无线传感网、蜂窝网络、以太网等。
4. 应用物联网应用是物联网的核心价值所在，它通过对感知数据的分析和处理，实现对物体的远程监控、智能控制和数据分析。
物联网应用广泛应用于智慧城市、智能交通、农业环保等领域。
二、物联网的网络架构物联网的网络架构是指物体之间的连接方式和关系。
常见的物联网网络架构有集中式架构、边缘计算架构和分布式架构。
1. 集中式架构集中式架构是指物联网中心节点负责接收、处理和分发感知数据。
这种架构适用于规模较小、数据量较少的场景，但缺点是中心节点容易成为单点故障。
2. 边缘计算架构边缘计算架构是指将计算任务从云端下沉到网络边缘，实现数据近端处理和响应。
这种架构具有低延迟、高可靠性的优势，并适用于物联网应用对实时性和隐私保护要求较高的场景。
3. 分布式架构分布式架构是指将计算和存储任务分发到多个节点中进行处理。
这种架构具有高可伸缩性和高容错性的特点，能够满足大规模物联网应用的需求。
物联网的结构
物联网的结构物联网的价值在于让物体也拥有了“智慧”，从而实现人与物、物与物之间的沟通，物联网的特征在于感知、互联和智能的叠加。
因此，物联网由三个部分组成：感知部分，即以二维码、RFID、传感器为主，实现对“物”的识别；传输网络，即通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现数据的传输，智能处理，即利用云计算、数据挖掘、中间件等技术实现对物品的自动控制与智能管理等。
目前在业界物联网体系架构也被公认为有三个层次：泛在化末端感知网络、融合化网络通信基础设施与普适化应用服务支撑体系，也可以通俗地将它们称为感知层、网络层和应用层。
(1)泛在化末端感知网络泛在化末端感知网络的主要任务是信息感知。
物联网的一个重要特征是“泛在化”，即“无处不在”的意思。
这里的“泛在化”主要是指无线网络覆盖的泛在化，以及无线传感器网络、RFID标识与其他感知手段的泛在化。
“泛在化”的特征说明两个问题：第一，全面的信息采集是实现物联网的基础第二，解决低功耗、小型化与低成本是推动物联网普及的关键。
“末端网络”是相对于中间网络而言的。
大家知道，在互联网中如果我们在中国访问欧洲的一个网络时，我们的数据需要通过多个互联的中间网络转发过去。
“末端网络”是指它处于网络的端位置，即它只产生数据，通过与它互联的网络传输出去，而自身不承担转发其他网络数据的功能。
因此我们可以将“末端感知网络”类比为物联网的末梢神经。
泛在化末端感知网络的另一个含义是物联网的感知手段的“泛在化”。
通常我们所说的RFID、传感器是感知网络的感知结点。
但是，目前仍然有大量应用的IC卡、磁卡、一维或二维的条形码也应该纳入感知网络,成为感知结点。
(2)融合化网络通信基础设施融合化网络通信基础设施的主要功能是实现物联网的数据传输。
目前能够用于物联网的通信网络主要有互联网、无线通信网与卫星通信网、有线电视网。
目前我国正在推进计算机网络、电信网与有线电视网的三网融合。
三网融合的结果将会充分发挥国家在计算机网络、电信网与有线电视网基础设施建设上多年投入的作用，推动网络应用，也为物联网的发展提供了一个高水平的网络通信基础设施条件。
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互操作性——支持相互异构的信息能够相互 访问。
IOT的体系架构将包含以下内容： 从各种物联网的应用中总结出的元件、组
件、模块和功能的共性与区别。 构建出的分层结构、接口、数据类型、连
接关系等。 在物联网领域中需要统一的和已经存在的
无线技术
频率
距离/m
功耗
传输速率/kbps
Bluetooth
2.4GHz
10
低
10000
传感器就是把非电量转换成电量的装置。 如可以将物理量、化学量、生物量等转换成 电量。
传感器的基本构造
传感器是由敏感元件、转换元件和测量 电路（信号转换电路）组成，如图1-1所示。
敏感元件(sensing element)： 直接感受被 测量的变化，并输出与被测量成确定关系 的某一物理量的元件，它是传感器的核心。
第2章 物联网体系结构
2.1 物联网体系结构
统一标准体系结构建立的重要性 有效集成新的设备、软件和服务到现有的物
联网中。 建立不同网络融合的桥梁。 使未来物联网的设计和应用更加高效。
可与其他组织和应用领域的关系者共享系统 数据。
可使用共享数据提供更多的目标应用。
1、面向服务的体系架构（service-oriented architecture ，SOA）
标准。 物联网的共性要求和经营理念。 不同应用的共同点。 现在通用物联网架构和未来通用的物联网
架构。 根据开发者的兴趣提供设计、分析与裁剪
物联网的体系结构
行业应用导向，完整解决方案交付
智能家居 智能交通 智能城管 智能电力
网
络
连
物联网
接
应用层
统
一
IP
物联网
协
网络层
议
关
注
物联网
IP
感知层
v6
我们最熟悉的HTTP协议就是一个非常典型的SOA 架构设计 。
1) 客户端，通常是通过浏览器，向服务器端以文本的 方式发送一个请求，索取一个Web页面；
2) 服务器端接收到这个请求之后，根据请求的内容进 行处理并且返回一个符合HTML语法的文本；
3) 客户端接收到服务器端的响应文本后调用本地的程 序，通常还是浏览器，把返回的HTML文本的内容 展现出来。
感知层处于三层架构的最底层，是物联 网发展和应用的基础，具有物联网全面感知 的核心能力。作为物联网的最基本一层，感 知层具有十分重要的作用。
感知层由具有感知、识别、控制和执行 等能力的多种设备组成，一般包括数据采集、 数据短距离传输与数据编码两部分
此处的短距离传输技术，尤指像蓝牙、 ZigBee这类传输距离小于100m，速率低于 1Mbit/s的中低速无线短距离传输技术。数据 编码关键技术为RFID、条形码等。
物联网使用SOA的优势
可以使物联网上的各项服务之间通过简 单、精确定义的接口进行通信，可以不涉及 底层编程接口和通信模型，使用户在不触及 复杂的物联网本身的情况下，就能够真正实 现随时、随地的与任何人、任何物进行有效 的感知、互联与协调控制。
IOT体系架构设计的要点
模块化——可重复使用，对不同的环境都适 用。
转换元件(transduction element)： 将敏感 元件输出的物理量转换成适于传输或测量 电信号的元件。
测量电路(measuring circuit)： 将转换元件 输出的电信号进行进一步转换和处理的部 分，如放大、滤波、线性化、补偿等，以 获得更好的品质特性，便于后续电路实现 显示、记录、处理及控制等功能。
ZigBee节点的构成
1、数据处理模块
对于数据处理模块的设计，主要考虑如下五个方面 的问题：
(1) 节能设计 (2) 处理速度的选择 (3) 低成本 (4) 小体积 (5) 安全性
2、存储单元 随机存储器（RAM），只读存储器（ROM）。 电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪存
（FLASH）等。 3、传感器模块
——是一个组件模型，它将应用程序的不同功 能单元（称为服务）通过这些服务之间定义 良好的接口和契约联系起来。
——是一种粗粒度、松耦合服务架构。
松耦合系统的好处有两点，一点是它的 灵活性，另一点是，当组成整个应用程序的 每个服务的内部结构和实现逐渐地发生改变 时，它能够继续存在。
服务请求者不需要知道服务提供者实现 的技术细节，例如程序语言、底层平台等等。
智能医疗
行业应用 系统
行业应用 平台
业务支撑 平台
核心网络 接入网络
定位授时 摄像监控 传感器网 M2M终端 RFID读写
IT 和 应 用 统 产业链 一 各环节 架 定位， 构 通用产 品提供 关 注 云 计 算
物联网是一个以应用为导向，分工日渐清晰的产业，IPv6和云计算是核心基础架构发展方向
2.2 感知层
4、电源模块
5、无线通信模块
无线通信模块由无线射频电路和天线组成，目前采用的传 输介质主要包括无线电、空气、红外、激光和超声波等，它 是传感器节点中最主要的耗能模块，是传感器节点的设计重 点。
传感器网络应用的无线通信技术通常包括IEEE 802.11b、 IEEE 802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、RFID等，还有很多 芯片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在 ISM免费频段。
2.2.1、感知现实物理世界
感知层通过RFID、WSNs、GPS、M2M、 二维码等采集到人们所需要的现实物理世界 的信息，通过处理后获得人们所需要的信息 与知识。
如实时的监测城区干、支路道路的车速、 车流量等信息，判断各条道路的交通畅通、 拥堵情况等。
1、传感器与环境感知
传感器（Transducer/Sensor）是一种能 感受规定的被测量并按照一定的规律转换成 可用量的器件和装置。
物联网在传统网络的基础上，从原有 网络用户终端向“下”延伸和扩展，扩大 通信的对象范围，即通信不仅仅局限于人 与人之间的通信，还扩展到人与现实世界 的各种物体之间的通信。
感知层是IOT的基础，解决的就是人类 世界和物理世界的数据获取问题。
主要通过各类信息采集、执行设备和识 别设备，采用多种网络通信技术、信息处理 技术、物化安全可信技术、中间件及网关技 术等。实现物理空间与信息空间的感知互动。