浅析物联网的感知层、网络层与应用层

物联网的概念在很早以前就已经被提出，20世纪末期在美国召开的移动计算和网络国际会议就已经提出了物联网(Internet of Things)这个概念。

最先提出这个概念的是MIT Auto-ID中心的Ashton教授，他在研究RFID技术时，便提出了结合物品编码、互联网技术和RFID的解决方案。

当时的提法是基于RFID技术、互联网、EPC标准，基于计算机互联网的基础，利用无线数据通信技术、射频识别技术，构造一个实现全球物体信息实物共享的互联网，这种概念也是2003年第一轮物联网热潮的基础。

在2005年物联网的定义和范围已经发生了变化，物联网的覆盖范围也有了较大的拓展，已不仅仅是基于RFID技术的物联网。虽然目前我国对物联网还没有一个统一的标准定义，但从本质上来看，物联网是现代化信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、人工智能和现代网络技术与自动化技术聚合与集成的应用，使人与物品进行智慧对话，从而创造一个智慧的世界。

物联网应用技术被称为是信息产业的第三次革命性创新。物联网的本质可以用三个方面进行概括：首先是互联网的特征，即物品的互联互通需要通过互联网络进行连接，其次是识别与通信的特征，即纳入物联网概念中的“物品”一定要具备自动识别实现物与物通信（M2M）的功能；三是智能化特征，即网络系统应具有智能控制、自动化与自我反馈的特点。

从技术架构上来观察，物联网可以分为三层：感知层、网络层与应用层，具体情形可查看下图。

感知层的作用包括:

1. 数据采集:感知层通过各种传感器和数据采集设备采集现实世界中的信息,如温度、湿度、光照、声音、位置、视频等,这些信息被转化为标准的电子数据格式并共享到物联网系统的其他层面。数据采集是实现物联网感知的基础。

2. 设备控制:感知层不仅能够采集数据,还可以根据上层的控制指令控制各种执行设备实现对实物的控制,如控制家用电器、工控设备等。这实现了物联网系统与物理世界的交互。

3. 数据预处理:感知层在采集数据后会对这些数据进行必要的预处理,如格式转换、去噪、数据校验等,以产生更清晰和标准化的数据,方便上层应用系统使用。这属于数据的初步提炼和加工。

4. 事件检测:感知层可以基于采集的数据检测和识别现实世界中的各类事件,如车辆通行、声音异常、温度超标等,并及时上报到应用层或网络层。这是实现物联网系统智能监控与感知的手段之一。

5. 信息汇聚:不同类型和不同来源的信息在感知层汇聚在一起,如声光电信息的融合,为上层应用提供更丰富和综合的信息,实现交互式智能应用。这也增强了物联网系统的智能处理能力。

所以,感知层起到连接现实物理世界和网络信息世界的桥梁作用。通过数据采集、设备控制和信息汇聚等功能,感知层可以实现准确而广泛的环境感知,并结合一定的信息提炼与处理为上层网络层和应用层提供关键基础信息,这是构建智能化物联网系统的前提条件。感知层的性能直接影响物联网系统的可感知范围和精确度。

网络层的主要作用包括:

1. 信息传输:网络层负责将感知层采集的数据和信息传输至应用层和其他网络节点,同时也传输应用层的控制指令至感知层和执行层。它实现了物联网系统各层级和网络节点之间的信息交换和共享。

2. 网络互联:网络层通过网状网络将大量节点连接起来,实现节点之间的互联互通,构成广泛的物联网系统网络平台。网络互联是实现物联网广域覆盖和系统扩展的基础。

3. 信息路由:在网状网络中,网络层负责正确路由信息至目标节点或层级。路由算法和协议是实现信息交换的关键手段,直接影响信息传输的效率和物联网系统性能。

4. 信息安全:网络层还需负责物联网系统的信息安全工作,如身份认证、加密传输、防火墙等,保证节点和信息的安全可靠访问与交换。这也是构建物联网系统的重要环节之一。

5. QoS保障:网络层需要提供服务质量保障机制,如资源预留、优先级设置等,满足物联网不同应用对信息交换服务质量的要求。这也属于实现物联网系统性能保障的手段之一。

6. 协议转换:物联网系统网络层可能采用多种网络协议,需要实现不同协议之间的转换,保证各系统可以实现互联互通和信息交换,如4G、3G与2G网络之间的接口等。这增强了物联网系统的兼容与扩展能力。

所以,网络层作为物联网系统架构的重要组成层,主要通过构建信息网络来实现系统节点资源的互联共享和信息的高效交换。 通过路由选择、QoS保障和协议转换等功能手段,使得庞大复杂的物联网系统得以广泛覆盖和顺畅运作。网络层的性能直接影响物联网系统的互联互通能力和信息交换效率。

应用层的主要作用有:

1. 数据采集:物联网应用层可以通过各种传感器和终端设备采集现实世界中的数据,如环境温度、视频图像、位置信息等,这些数据是物联网系统运作的基础。

2. 数据存储和管理:物联网应用层需要存储和管理海量的采集数据,需要有强大的数据存储和管理能力。这些数据可以支持后续的分析应用和智能应用。

3. 数据交互和共享:物联网应用层需要实现不同终端和系统之间的数据交互、共享和集成,满足物联网应用的跨域数据融合需求。这需要标准数据格式和统一的数据交换接口。

4. 数据分析和挖掘:物联网应用层需要从海量数据中挖掘出有价值的信息和知识,需要有强大的大数据分析和挖掘能力,这些分析结果可以推动智能应用的发展。

5. 智能应用:基于数据分析的结果,物联网应用层可以开发各类智能应用来满足不同行业和领域的需求,如智慧城市、智能家居、智能制造等。这些应用实现了数据到知识、知识到价值的转化。

6. 系统集成:物联网应用层还需要将多个异构系统如传感网络、通信网络、数据中心等集成到一起,实现跨系统的数据交互和资源共享, vérit这是构建广泛物联网系统的基础。

7. 可视化展示:物联网应用层需要将复杂的数据和分析结果进行可视化处理,方便用户查询、监控和分析,这也是物联网系统的重要接口之一。

所以,物联网应用层扮演着连接物理层、网络层与用户层的角色,主要作用是采集数据、存储数据、共享数据、分析数据和展示数据,并最终通过各类智能应用为用户和企业创造价值。它是实现物联网功能的关键。

审核编辑：刘清