物联网C3SD技术架构的结构与关键技术的研究介绍

引言

物联网（Internet of Things） 技术是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息的分析处理、交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络技术，被公认为是继PC、Internet 后推动IT 产业革命第三次浪潮的引擎。物联网覆盖了信息技术和通信技术的众多领域，包括 RFID、传感器、互联网、嵌入式、移动通信等。

对物联网的技术架构目前还处于研究和开发阶段。在国际上，欧洲电信标准化协会（ETSI）2010 年7 月前完成体系架构的设计，国际电信联盟（ITU-T）的SG13 主要完成物联网的功能需求与构架设计，国际标准化组织 ISO/IEC 数据通信分技术委员会JTC1 SC6 成立传感网研究组（SGSN），对物联网整体架构的标准进行研究。在国内，传感器网络标准工作组（WGSN）下设标准体系与系统架构项目组负责系统架构标准的制定，中国通信标准化协会（CCSA）也已先后启动了《无线泛在网络体系架构》等标准的研究与制定。因此，目前还没有一种完整的国际通用的物联网技术架构标准。

1 物联网的体系结构

国际电信联盟给出了物联网的三层体系结构，包括感知层、网络层和应用层。图1 所示是物联网体系结构示意图。

感知层主要用于物品标识和信息的智能采集，它由基本的感应器件（由RFID 标签和读写器、各类传感器、摄像头、GPS、二维码标签等基本标识和传感器件组成）及感应器件组成的网络（如RFID 网络、传感器网络等）两大部分组成。

该层的核心技术包括电子射频技术、传感器技术、无线网络组网技术等，涉及的核心产品包括传感器、电子标签、传感器节点、无线路由器、无线网关等。

物联网网络层主要用于实现感知层各类信息进行广域范围内的应用和服务所需要的基础承载网络，包括移动通信网、互联网、卫星网、广电网、行业专网及形成的融合网络等。

应用层主要是将物联网技术与行业专业系统结合，实现广泛的物物互联的应用解决方案，主要包括业务中间件和行业应用领域。

2 物联网的C3SD 技术架构

与体系结构相对应， 物联网技术也应该包括三个方面：其一是物联网感知系统（Sensor network）， 对应体系结构的感知层；其二是通信系统（Communication）和数据海（Data Ocean），对应系统结构中的网络层；其三是计算系统（Computation）和控制系统（Control），对应体系结构中的应用层。这三个部分五大技术互相联系，就可以形成一个统一的整体对物联网有效的技术支撑，从而构成物联网的C3SD技术架构，如图2 所示。

2.1 感知系统

感知系统技术主要是指传感器技术、物品标识技术（RFID和二维码）、短距离无线传输技术（ZigBee 和蓝牙）等。

传感器是摄取信息的关键器件，它是物联网中不可缺少的信息采集手段。传感器又分为物理量传感器（如压力传感器、温度传感器、电流传感器、噪声传感器等）、化学量传感器（如离子传感器、气体传感器、湿度传感器等）、生物量传感器（如免疫血型传感器、微生物传感器、体温传感器等）等不同的类型，传感器要求感知类型齐全，精度和可靠性高，成本和功耗低。

物品标识技术主要有射频标识RFID、二维码等。RFID是物联网感知系统的一个关键技术。RFID 系统主要由三部分组成：电子标签（Tag）、读写器（Reader）和天线（Antenna）。

RFID 具有无需接触、自动化程度高、耐用可靠、识别速度快、适应各种工作环境、可实现高速和多标签同时识别等优势，因此可用于广泛的领域。二维码技术是物联网感知层实现过程中最基本和关键的技术之一。二维码也叫二维条码或二维条形码，是用某种特定的几何形体按一定规律在平面上分布（黑白相间）的图形来记录信息的应用技术。与 RFID 相比，二维码最大的优势在于成本较低，一条二维码的成本仅为几分钱，而 RFID 标签因其芯片成本较高，制造工艺复杂，价格较高。

短距离无线传输技术包括ZigBee、蓝牙等技术。ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4 协议的短距离、低功耗的无线传输技术，采用分组交换和跳频技术，主要应用在短距离范围并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。由于ZigBee 技术具有成本低、组网灵活等特点，可以嵌入各种设备，在物联网中发挥重要作用。ZigBee 可应用于PC 外设、消费类电子设备、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等领域。

2.2 通信系统

通信系统技术主要包括互联网、移动通信网、传感网络、通信和接口的标准化等相关技术问题。

互联网以相互交流信息资源为目的，基于一些共同的协议，并通过许多路由器和公共互联网连接而成，它是一个信息资源和资源共享的集合。物联网也被认为是互联网的进一步延伸。

互联网是物联网主要的传输网络之一。现逐步引入 IPv6 技术，使网络不仅可以为人类服务，还将服务于众多硬件设备。

移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分组成。

移动通信网络以其覆盖广、建设成本低、部署方便、终端具备移动性等特点将成为物联网重要的接入手段和传输载体，为人与人之间通信、人与网络之间的通信、物与物之间的通信提供服务。在移动通信网中，当前比较热门的接入技术有3G、Wi-Fi 和WiMAX.

无线传感器网络（WSN）的基本功能是将一系列空间分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用，涉及节能技术、定位技术、时间同步等关键技术。

2.3 数据海系统

数据海系统主要有海量多媒体数据存取系统、跨媒体搜索、数据融合与知识发掘、安全和保密技术、数据格式和标准化等。

2.4 控制系统

控制系统技术包括人工智能技术、新型调节与执行机构（如电机、开头等）、无人装备、管道系统控制技术等。

人工智能（Artificial Intelligence）是探索研究使各种机器模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等），使人类的智能得以物化与延伸的一门学科。

2.5 计算系统

计算系统技术主要有云计算服务、共性服务软件中间件、超级计算机硬件系统、嵌入式计算机支撑系统一体化开发平台、软硬件的I/O 等标准化。

云计算（Cloud Computation）是分布式计算（DistributedComputing）、并行计算（Parallel Computing）和网格计算（GridComputing）的发展。云计算通过共享基础资源（硬件、平台、软件）的方法，将巨大的系统池连接在一起以提供各种IT 服务，这样企业与个人用户无需再投入昂贵的硬件购置成本，只需要通过互联网来租赁计算力等资源。

中间件是为了实现每个小的应用环境或系统的标准化以及它们之间的通信，在后台应用软件和读写器之间设置的一个通用的平台和接口。在物联网中，中间件作为其软件部分，有着举足轻重的地位。物联网中间件是在物联网中采用中间件技术，以实现多个系统或多种技术之间的资源共享，最终组成一个资源丰富、功能强大的服务系统，最大限度地发挥物联网系统的作用。具体来说，物联网中间件的主要作用在于将实体对象转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据处理是中间件最重要的功能。同时，中间件具有数据的搜集、过滤、整合与传递等特性，以便将正确的对象信息传到后端的应用系统。

物联网中间件的实现依托于中间件关键技术的支持，这些关键技术包括 Web 服务、嵌入式 Web、Semantic Web 技术、上下文感知技术、嵌入式设备及 Web of Things 等。

以上五大模块分别与国际电信联盟给出的物联网的三层体系结构相对应，构成了物联网的技术架构。五大模块中的各种技术相互影响、相互融合、相互促进，各种技术之间的综合集成和共同发展将会为物联网的技术进步和物联网的快速发展提供巨大的空间。

3 结语

本文分析了国内外对物联网技术架构的研究现状，介绍了物联网的体系结构，对由感知系统、通信系统、数据海、计算系统和控制系统五大技术系统作为技术支撑的物联网C3SD技术架构进行深入的研究，对C3SD 技术架构所涉及的关键技术进行阐述，最后得出C3SD 所涉及的五大模块的综合集成和共同发展将会为物联网的技术进步和快速发展提供巨大的空间，C3SD 技术架构具有合理性。