物联网结构与传感器技术

1.物联网及其服务体系

由于物联网应用的对象特点千差万别，因而分类方式也各不同。类似于计算机网络，物联网可划分为专用物联网和公众物联网，其服务的结构也随对象的不同而变化。公众物联网是指为满足大众生活和信息的需求提供的物联网服务；而专用物联网就是满足企业、团体或个人特色的应用需求，有针对性地提供专业性的物联网业务应用。专用物联网可以利用公众网络（如Internet）、专用网络（局域网、企业网络或移动通信互联网的公用网络）中的专用资源等进行信息传送。按照接入方式，可分为简单接入和多跳接入两种；按照应用类型，可分为数据采集、自动控制、定位等多种，见表2-1。

表2-1 物联网分类

物联网提供常用的服务如下：

1）连网类服务：物品标识、通信和定位；

2）信息类服务：信息采集、存储和查询；

3）操作类服务：远程配置、监测、远程操作和控制；

4）安全类服务：用户管理、访问控制、事件报警、入侵检测和攻击防御；

5）管理类服务：故障诊断、性能优化、系统升级和计费管理服务。

在实际设计中，可以根据不同领域的物联网应用需求，针对以上服务类型进行相应的扩展或裁剪。物联网的服务类型是设计、验证物联网体系结构与物联网系统的主要依据。

2.物联网的节点和互连类型

构建物联网需要划分网络中节点的类型，物联网的节点分成无源CPS（信息物理系统）节点、有源CPS节点、互联网CPS节点等，其特征可从电源、移动性、感知性、存储能力、计算能力、连网能力以及连接能力等方面进行描述，具体见表2-2。

表2-2 物联网节点类型与特征

（1）无源CPS节点

无源CPS节点就是具有电子标签的物体，这是物联网中数量最多的节点。例如，携带电子标签的人可以成为一个无源CPS节点。无源CPS节点通常不带电源，可以具有移动性，具有被感知能力和少量的数据存储能力，不具备计算和连网能力，提供被动的T2T连接。

（2）有源CPS节点

有源CPS节点是具备感知、连网和控制能力的嵌入式系统，这是物联网的核心节点。例如，装备了可以传感人体信息的穿戴式电脑的人可以成为一个有源CPS节点。有源CPS带有电源，可以具有移动性、感知、存储、计算和连网能力，提供T2T、H2T、H2H连接。

（3）互联网CPS节点

互联网CPS节点是具备连网和控制能力的计算系统，这是物联网的信息中心和控制中心，例如，具有物联网安全性、可靠性要求的，能够提供时间和空间约束服务的互联网节点就是一个互联网CPS节点。互联网CPS节点不是一般的互联网节点，它是属于物联网系统中的节点，采用了互联网的连网技术相互连接，但具有物联网系统中特有的时间和空间的控制能力，配备了物联网专用的安全性和可靠性的控制体系。互联网CPS节点具有不间断电源，不具备移动性，可以具有感知能力，具有较强的存储、计算和连网能力，可提供H2T、H2H连接。

根据以上物联网节点的分类，节点之间可能存在的连接类型包括无源CPS节点与有源CPS节点、有源CPS节点与有源CPS节点，以及有源CPS节点与互联网CPS节点之间的连接。无源CPS节点与有源CPS节点互连结构如图2-1所示，两者通过物理层协议连接（如通过RFID协议），有源CPS节点可以获取无源CPS节点上电子标签的信息。

有源CPS节点与有源CPS节点互连结构如图2-2所示，有源CPS节点之间通过物理层、数据链路层和应用层的协议进行交互，实现有源CPS节点之间的信息采集、传递和查询。考虑到大部分有源CPS节点资源限制十分严格，有源CPS节点不适合配置已有的网间协议（IP）；配置数据链路协议也应该是面向物联网的数据链路层协议，可以保证可靠、高效、节能地采集、传递和查询信息，满足物联网节点交互的应用需求。有源CPS节点之间的信息转发和汇聚可以通过应用协议实现。

图2-1 无源CPS节点与有源CPS节点互连结构

(www.xing528.com)

图2-2 有源CPS节点与有源CPS节点互连结构

有源CPS节点需要通过CPS网关，才能连接互联网节点。CPS网关实际上是一个有源CPS节点与互联网CPS节点的组合，其中实现了完整的互联网协议栈。通过CPS网关，可以在应用层与互联网连接，实现物联网与互联网之间的信息传递，以及物联网应用与互联网应用之间的互通、互连和互操作。这种互连结构允许不同类型的物联网采用满足自身需要的连网结构，简化不必要的连网功能，降低网络系统的复杂性。不同的物联网技术，如汽车电子连网技术、环境监测连网技术等，采用适用于各自应用领域的有源CPS节点之间连接的协议结构，只需通过CPS网关就可以与互联网连接。有源CPS节点与互联网CPS节点互连结构如图2-3所示。

图2-3 有源CPS节点与互联网CPS节点互连结构

UDP—用户数据报协议

在上述3种互连中，物理层协议提供在物理信道上采集和传递信息的功能，具有一定的安全性和可靠性控制能力；数据链路层协议提供对物理信道访问控制、复用，具有在数据链路层安全、可靠、高效传递数据的功能，能提供较为完整的可靠性、安全性控制能力，可以提供服务质量的保证；应用层协议提供信息采集、传递、查询功能，具有较为完整的用户管理、连网配置、安全管理、可靠性控制能力。

3.设计的基本原则

物联网设计遵循以下原则：

多样性原则，物联网体系结构必须根据物联网节点类型的不同，分成多种类型的体系结构；

时空性原则，物联网体系结构必须能够满足物联网的时间、空间和能源方面的需求；

互连性原则，物联网体系结构必须能够平滑地与互联网连接；

安全性原则，物联网体系结构必须能够防御大范围内的网络攻击；

坚固性原则，物联网体系结构必须具备坚固性和可靠性。

构建物联网的步骤分成标识物品、建立物品连网系统、建立应用平台等。

（1）物体的标识

标识物体是构建物联网系统的第一步工作，通常的方法是利用电子标签和传感器技术对物体信息进行采集。对物体的分类有不同的方法，通常可按消费类型简单划分，如分成人造物体和自然物体，人造物体包括食品、纺织品、其他日用品、货物、道路、桥梁、楼房、汽车、飞机、轮船、生产线等。通常在人造物体上贴上电子标签或者传感装置，就可以把人造物体改造成CPS节点。自然物品包括动物、植物、山峰、河流、湖泊等，这些自然物体也可以贴上电子标签或配置传感装置，改造成为CPS节点。标识物体所用到的核心技术之一是电子标签和传感器的材料技术，这是属于物联网最为基础的技术，其突破将会带来物联网产业的大幅度发展。标识物体的另外一项技术就是世界统一的物体编码技术。目前还没有针对物联网的全球物体编码技术。

（2）物体间的连网

为实现物体之间的连网，首先要完成对每件物体的标识，在实现对物体的信息采集过程中，需要建立起对这些被标识物体信息采集的节点。通常的方法是：①根据需要来考虑无线通讯的基本机制，即设计出有源CPS节点与无源CPS节点、有源CPS节点与有源CPS节点之间的无线通信机制，以及基于信息编解码技术的物体识别机制。②根据多对象的特点，设计出系统可实现通信信道复用机制，可以在一条信道上同时完成多个无源或者有源CPS节点的通信；③设计和实现通信信道上的可靠传输机制和实时传输机制，满足物联网对可靠性和实时性的要求。前两部分可以构成物联网系统中的连网系统，典型的有源CPS节点实现系统如图2-4所示。

（3）物联网应用平台的建立

图2-4 有源CPS节点实现系统

在建立有源CPS节点的连网系统之后，就需要设计和实现有源CPS节点的网络配置、用户管理、节点控制、信息采集、信息传输和信息查询等功能，即需要建立一个基本的物联网应用平台。由于不同的应用领域对于节点控制的可靠性、实时性、安全性有不同的要求，因此需要针对不同应用领域，设计和实现不同控制力度的应用中间件。设计和实现物联网应用的中间件，可以隔离物联网特定连网系统，满足快速应用开发的需求。在设计和实现物联网应用中间件过程中，需要参照物联网相关领域的应用平台服务接口标准。对于一个全新的物联网应用领域，可以在设计和实现物联网应用中间件过程中，提取与实现无关的部分，形成该领域的物联网应用平台服务接口技术规范。

中间件是物联网应用系统中的一种重要支撑技术，在实际工程中，当对象明确后，就可构架出物联网的应用系统。最基本的应用系统包括物体命名管理系统、物体身份真伪验证系统、物联网系统管理等，特定应用系统包括仓储管理系统、楼宇监控系统、环境监测系统等。

物联网应用系统需要区分物联网端和互联网端。通常物联网端部署在有源CPS节点上，可以作为应用系统的客户端（客户端/服务器），也可作为应用系统的对等（Peer-to-Peer，P2P）端应用模式。应用系统互联网端部署在互联网CPS节点上，可以作为应用系统的服务器端（客户端/服务器），也可以作为应用系统的P2P应用模式，但这些都需要提供较为强大的存储和后端处理能力，以满足物联网应用需求。