引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things） 技術(shù)是通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息的分析處理、交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，被公認為是繼PC、Internet 后推動IT 產(chǎn)業(yè)革命第三次浪潮的引擎。物聯(lián)網(wǎng)覆蓋了信息技術(shù)和通信技術(shù)的眾多領(lǐng)域，包括 RFID、傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、嵌入式、移動通信等。

對物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)目前還處于研究和開發(fā)階段。在國際上，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）2010 年7 月前完成體系架構(gòu)的設(shè)計，國際電信聯(lián)盟（ITU-T）的SG13 主要完成物聯(lián)網(wǎng)的功能需求與構(gòu)架設(shè)計，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO/IEC 數(shù)據(jù)通信分技術(shù)委員會JTC1 SC6 成立傳感網(wǎng)研究組（SGSN），對物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)進行研究。在國內(nèi)，傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組（WGSN）下設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系與系統(tǒng)架構(gòu)項目組負責(zé)系統(tǒng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的制定，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）也已先后啟動了《無線泛在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)》等標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定。因此，目前還沒有一種完整的國際通用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

1 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

國際電信聯(lián)盟給出了物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。圖1 所示是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)示意圖。

感知層主要用于物品標(biāo)識和信息的智能采集，它由基本的感應(yīng)器件（由RFID 標(biāo)簽和讀寫器、各類傳感器、攝像頭、GPS、二維碼標(biāo)簽等基本標(biāo)識和傳感器件組成）及感應(yīng)器件組成的網(wǎng)絡(luò)（如RFID 網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等）兩大部分組成。

該層的核心技術(shù)包括電子射頻技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)等，涉及的核心產(chǎn)品包括傳感器、電子標(biāo)簽、傳感器節(jié)點、無線路由器、無線網(wǎng)關(guān)等。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層主要用于實現(xiàn)感知層各類信息進行廣域范圍內(nèi)的應(yīng)用和服務(wù)所需要的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)，包括移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、廣電網(wǎng)、行業(yè)專網(wǎng)及形成的融合網(wǎng)絡(luò)等。

應(yīng)用層主要是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專業(yè)系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)廣泛的物物互聯(lián)的應(yīng)用解決方案，主要包括業(yè)務(wù)中間件和行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

2 物聯(lián)網(wǎng)的C3SD 技術(shù)架構(gòu)

與體系結(jié)構(gòu)相對應(yīng)， 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也應(yīng)該包括三個方面：其一是物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)（Sensor network）， 對應(yīng)體系結(jié)構(gòu)的感知層；其二是通信系統(tǒng)（Communication）和數(shù)據(jù)海（Data Ocean），對應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層；其三是計算系統(tǒng)（Computation）和控制系統(tǒng)（Control），對應(yīng)體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層。這三個部分五大技術(shù)互相聯(lián)系，就可以形成一個統(tǒng)一的整體對物聯(lián)網(wǎng)有效的技術(shù)支撐，從而構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的C3SD技術(shù)架構(gòu)，如圖2 所示。

2.1 感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)技術(shù)主要是指傳感器技術(shù)、物品標(biāo)識技術(shù)（RFID和二維碼）、短距離無線傳輸技術(shù)（ZigBee 和藍牙）等。

傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它是物聯(lián)網(wǎng)中不可缺少的信息采集手段。傳感器又分為物理量傳感器（如壓力傳感器、溫度傳感器、電流傳感器、噪聲傳感器等）、化學(xué)量傳感器（如離子傳感器、氣體傳感器、濕度傳感器等）、生物量傳感器（如免疫血型傳感器、微生物傳感器、體溫傳感器等）等不同的類型，傳感器要求感知類型齊全，精度和可靠性高，成本和功耗低。

物品標(biāo)識技術(shù)主要有射頻標(biāo)識RFID、二維碼等。RFID是物聯(lián)網(wǎng)感知系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)。RFID 系統(tǒng)主要由三部分組成：電子標(biāo)簽（Tag）、讀寫器（Reader）和天線（Antenna）。

RFID 具有無需接觸、自動化程度高、耐用可靠、識別速度快、適應(yīng)各種工作環(huán)境、可實現(xiàn)高速和多標(biāo)簽同時識別等優(yōu)勢，因此可用于廣泛的領(lǐng)域。二維碼技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層實現(xiàn)過程中最基本和關(guān)鍵的技術(shù)之一。二維碼也叫二維條碼或二維條形碼，是用某種特定的幾何形體按一定規(guī)律在平面上分布（黑白相間）的圖形來記錄信息的應(yīng)用技術(shù)。與 RFID 相比，二維碼最大的優(yōu)勢在于成本較低，一條二維碼的成本僅為幾分錢，而 RFID 標(biāo)簽因其芯片成本較高，制造工藝復(fù)雜，價格較高。

短距離無線傳輸技術(shù)包括ZigBee、藍牙等技術(shù)。ZigBee是一種基于IEEE 802.15.4 協(xié)議的短距離、低功耗的無線傳輸技術(shù)，采用分組交換和跳頻技術(shù)，主要應(yīng)用在短距離范圍并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。由于ZigBee 技術(shù)具有成本低、組網(wǎng)靈活等特點，可以嵌入各種設(shè)備，在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。ZigBee 可應(yīng)用于PC 外設(shè)、消費類電子設(shè)備、家庭內(nèi)智能控制（照明、煤氣計量控制及報警等）、玩具、醫(yī)護（監(jiān)視器和傳感器）、工控（監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備）等領(lǐng)域。

2.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)技術(shù)主要包括互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、通信和接口的標(biāo)準(zhǔn)化等相關(guān)技術(shù)問題。

互聯(lián)網(wǎng)以相互交流信息資源為目的，基于一些共同的協(xié)議，并通過許多路由器和公共互聯(lián)網(wǎng)連接而成，它是一個信息資源和資源共享的集合。物聯(lián)網(wǎng)也被認為是互聯(lián)網(wǎng)的進一步延伸。

互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)主要的傳輸網(wǎng)絡(luò)之一。現(xiàn)逐步引入 IPv6 技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)不僅可以為人類服務(wù)，還將服務(wù)于眾多硬件設(shè)備。

移動通信網(wǎng)由無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)三部分組成。

移動通信網(wǎng)絡(luò)以其覆蓋廣、建設(shè)成本低、部署方便、終端具備移動性等特點將成為物聯(lián)網(wǎng)重要的接入手段和傳輸載體，為人與人之間通信、人與網(wǎng)絡(luò)之間的通信、物與物之間的通信提供服務(wù)。在移動通信網(wǎng)中，當(dāng)前比較熱門的接入技術(shù)有3G、Wi-Fi 和WiMAX.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的基本功能是將一系列空間分散的傳感器單元通過自組織的無線網(wǎng)絡(luò)進行連接，從而將各自采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸匯總，以實現(xiàn)對空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控，并根據(jù)這些信息進行相應(yīng)的分析和處理。傳感器網(wǎng)絡(luò)是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)是能源的高效利用，涉及節(jié)能技術(shù)、定位技術(shù)、時間同步等關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)海系統(tǒng)

數(shù)據(jù)海系統(tǒng)主要有海量多媒體數(shù)據(jù)存取系統(tǒng)、跨媒體搜索、數(shù)據(jù)融合與知識發(fā)掘、安全和保密技術(shù)、數(shù)據(jù)格式和標(biāo)準(zhǔn)化等。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)技術(shù)包括人工智能技術(shù)、新型調(diào)節(jié)與執(zhí)行機構(gòu)（如電機、開頭等）、無人裝備、管道系統(tǒng)控制技術(shù)等。

人工智能（Artificial Intelligence）是探索研究使各種機器模擬人的某些思維過程和智能行為（如學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等），使人類的智能得以物化與延伸的一門學(xué)科。

2.5 計算系統(tǒng)

計算系統(tǒng)技術(shù)主要有云計算服務(wù)、共性服務(wù)軟件中間件、超級計算機硬件系統(tǒng)、嵌入式計算機支撐系統(tǒng)一體化開發(fā)平臺、軟硬件的I/O 等標(biāo)準(zhǔn)化。

云計算（Cloud Computation）是分布式計算（DistributedComputing）、并行計算（Parallel Computing）和網(wǎng)格計算（GridComputing）的發(fā)展。云計算通過共享基礎(chǔ)資源（硬件、平臺、軟件）的方法，將巨大的系統(tǒng)池連接在一起以提供各種IT 服務(wù)，這樣企業(yè)與個人用戶無需再投入昂貴的硬件購置成本，只需要通過互聯(lián)網(wǎng)來租賃計算力等資源。

中間件是為了實現(xiàn)每個小的應(yīng)用環(huán)境或系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化以及它們之間的通信，在后臺應(yīng)用軟件和讀寫器之間設(shè)置的一個通用的平臺和接口。在物聯(lián)網(wǎng)中，中間件作為其軟件部分，有著舉足輕重的地位。物聯(lián)網(wǎng)中間件是在物聯(lián)網(wǎng)中采用中間件技術(shù)，以實現(xiàn)多個系統(tǒng)或多種技術(shù)之間的資源共享，最終組成一個資源豐富、功能強大的服務(wù)系統(tǒng)，最大限度地發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的作用。具體來說，物聯(lián)網(wǎng)中間件的主要作用在于將實體對象轉(zhuǎn)換為信息環(huán)境下的虛擬對象，因此數(shù)據(jù)處理是中間件最重要的功能。同時，中間件具有數(shù)據(jù)的搜集、過濾、整合與傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到后端的應(yīng)用系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)中間件的實現(xiàn)依托于中間件關(guān)鍵技術(shù)的支持，這些關(guān)鍵技術(shù)包括 Web 服務(wù)、嵌入式 Web、Semantic Web 技術(shù)、上下文感知技術(shù)、嵌入式設(shè)備及 Web of Things 等。

以上五大模塊分別與國際電信聯(lián)盟給出的物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)。五大模塊中的各種技術(shù)相互影響、相互融合、相互促進，各種技術(shù)之間的綜合集成和共同發(fā)展將會為物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)進步和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展提供巨大的空間。

3 結(jié)語

本文分析了國內(nèi)外對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的研究現(xiàn)狀，介紹了物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，對由感知系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)海、計算系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五大技術(shù)系統(tǒng)作為技術(shù)支撐的物聯(lián)網(wǎng)C3SD技術(shù)架構(gòu)進行深入的研究，對C3SD 技術(shù)架構(gòu)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行闡述，最后得出C3SD 所涉及的五大模塊的綜合集成和共同發(fā)展將會為物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)進步和快速發(fā)展提供巨大的空間，C3SD 技術(shù)架構(gòu)具有合理性。