隨著物聯(lián)網的不斷發(fā)展,物聯(lián)網的USN體系結構漸漸得到了權威部門和機構的規(guī)范,這將為物聯(lián)網未來的發(fā)展提供行業(yè)標準。2008年2月,ITU-T發(fā)布了第四期技術簡報《Ubiquitous Sensor Networks》,在該權威報刊上,專 家學者們對泛在傳感器網絡的體系結構進行了規(guī)范。該規(guī)范標準規(guī)定,從低級到高級的泛在傳感器網絡體系結構是:傳感器網絡、接入網絡、基礎骨干網絡、中間件、應用平臺。
泛在傳感器網絡體系其實就是傳統(tǒng)的USN物聯(lián)網體系結構,泛在傳感器網絡的概念與如今的物聯(lián)網概念相近,與傳統(tǒng)傳感器網絡的概念有較大區(qū)別。
2009年9月,我國信息技術標準化委員會為傳感器網絡做了定義,即“以物理世界的數據采集和信息處理為主要任務,以網絡為信息傳遞載體,實現物與物、物與人之間的信息交互,提供信息服務的智能信息系統(tǒng)。”該定義其實是對物聯(lián)網概念的相關闡述。
工業(yè)和信息化部門與江蘇省政府的《關于支持無錫建設國家傳感網創(chuàng)新示范區(qū)(國家傳感信息中心)情況的報告》,也對傳感器網絡做了相關定義,該定義為:“以感知為目的,實現人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網絡。其突出特性是通過傳感器等方式獲取物理世界的各種信息,結合互聯(lián)網、移動通信網等進行信息的傳送與交互,采用智能計算技術對信息進行分析處理,從而提升對物質世界的感知能力,實現智能化的決策與控制。”同樣,該定義也與物聯(lián)網的概念幾乎相同。由此可見,從某種意義上來說,傳感器網、互聯(lián)網、移動通訊網以某種方式結合后,便可實現我們夢寐以求的人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網絡。
目前,我國的權威科研機構以傳統(tǒng)的五層物聯(lián)網體系結構為基礎,通過不斷的實踐總結和產品創(chuàng)新,將物理網的體系結構濃縮成四層體系結構。與傳統(tǒng)的五層物聯(lián)網體系結構相比,四層物聯(lián)網體系結構更加精簡,它的不同在于:第一,增加了底層傳感器網絡的基礎成員,如一維碼、二維碼、射頻識別技術(RFID)以及GPS系統(tǒng)等,通過增加這些感知和識別技術,擴大了底層傳感器網絡的概念;第二,合并了五層物聯(lián)網體系結構中的第二層和第三層,也就是將接入網絡和基礎骨干網相結合,共稱為數據傳輸層;第三,將物聯(lián)網中間件對應稱為服務管理層,將應用平臺對應稱為應用層。于是,最新的物聯(lián)網USN體系結構是:感知層、傳輸層、服務管理層、應用層。
這四層物聯(lián)網體系結構都擁有強大的功能,簡單介紹為:
(1)感知層
感知層的主要功能是感知世界上的任何物品,并向更高層反饋物品的相關信息。感知層具有兩個重要節(jié)點,分別是基站節(jié)點(Base-station)和匯聚節(jié)點(Sink)。該層最核心的設備是信息感知設備以及信息采集設備,包括一維碼、二維碼、射頻識別標簽等標識設備,也包括讀寫器、攝像頭、執(zhí)行器等識別設備,還包括視覺傳感器、聽覺傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、氣敏傳感器等多種功能各異的傳感器。
在感知層網絡和核心承載網之間傳輸數據時,需要接入網關(Aces Gateway)對其傳輸過程進行有效控制,接入網關由基站節(jié)點(如傳感器網關)和匯聚節(jié)點(如RFID閱讀器)共同組成,利用這兩個節(jié)點組成的接入網關還可以融合數據、向下端傳達信息以及用于各末梢感知節(jié)點的組網控制等。
具體來說,如果某一個末梢節(jié)點要向上傳輸數據,就需要先將數據發(fā)給匯聚節(jié)點,當匯聚節(jié)點接受并整理好數據后,還要與核心承載網絡進行連接,而在連接的過程中,接入網關將起到紐帶的作用。如果應用層要向下傳輸某些數據,就需要先由核心承載網絡進行數據傳輸,再由接入網關接收數據,然后相關數據到達匯聚節(jié)點,最后末梢感知節(jié)點與匯聚節(jié)點相連,由末梢感知節(jié)點獲取匯聚節(jié)點的有關數據。通過末梢感知節(jié)點與核心承載網絡之間自上而下、自下而上的有機配合,便可實現物聯(lián)網相關數據的接收、傳輸以及互交。
(2)傳輸層
傳輸層的主體是物聯(lián)網的核心承載網,主要由兩個網絡組成,第一個是接入網,第二個是后ID網絡。
要實現物聯(lián)網的數據傳輸服務,就需要傳輸層的核心承載網發(fā)揮主要作用,而這種作用又分別體現在核心承載網的兩個基礎網絡上,即接入網和后IP網絡。傳輸數據時,感知層必須和后IP網絡進行無縫連接,這就需要利用接入網進行相關操作。接入網包括以下幾種:衛(wèi)星通信網、寬帶無線接入網(WiMAX)、寬帶無線移動通信網(LTE)、無線局域網(WiFi)、無線城域網(WMAN)、蜂窩移動通信網(GSM、CDMA、GRPS)、移動通信網絡(WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA)等等。
后IP網絡具有兩個特性,一種是可配置性,另一種是可控制性。從某種程度上說,后IP網絡是互聯(lián)網升級換代的產物,它繼承了互聯(lián)網的多種服務功能與特性優(yōu)點,又在多種系統(tǒng)和設備上得到了升級,具有了新一代的可靠功能。利用可配置性和可控性這兩種獨特的性質,后IP網絡在為物聯(lián)網提供數據傳輸服務的過程中將更加可靠、高效。
(3)服務管理層
作為物聯(lián)網系統(tǒng)的“中間件”層,服務管理層主要起到承上啟下的作用。具體來說,它主要包含以下幾種核心技術:一是海量數據存儲技術,即能夠存儲大量的數據;二是數據挖掘技術,也就是在已有數據的基礎上,利用相關技術手段將隱含的、不易被發(fā)覺的、容易遺失的信息數據挖掘出來,用于更深層次的數據開發(fā);三是信息處理技術,該技術主要依賴于互聯(lián)網領域的云計算機,利用云計算機的強大計算功能,可以高效處理所獲取的物聯(lián)網信息;四是數據安全與隱私保護技術,這種技術關系到人們的切身利益,是一種必備的重要技術。利用這些技術手段,物聯(lián)網的服務管理層既可以接收、匯聚以及轉換感知層數據的信息,又可以在分析和處理相關數據的基礎上控制用戶所發(fā)出的指令。同時,服務管理層除了能夠提供物聯(lián)網管理組件和共性的支撐軟件,還能提供公共的硬件計算平臺等。
(4)應用層
應用層是物聯(lián)網的最終目的層級,人們開發(fā)物聯(lián)網就是為了應用于人們的生活,使人們的生產、生活向更加美好的方向發(fā)展。應用層是服務管理層的上一層級,也是最貼近人類日常生活的一個層級,其主要結構是物聯(lián)網應用系統(tǒng)。物理網的應用系統(tǒng)所包含的內容十分廣闊,包括醫(yī)療檢測、養(yǎng)老護理、物流管理、環(huán)境監(jiān)測、市場評估、農業(yè)管理、災害預防、地質勘探等。除了具有物聯(lián)網應用系統(tǒng)的這些應用功能,應用層還要負責用戶界面的內容,設計出更加符合人們要求的良好用戶界面,使人們獲得更多驚喜體驗。這些界面包括多種用戶設備和軟件設備,用戶設備包含個人計算機、臺式電腦、智能手機、平板電腦等,軟件設備包括客戶端瀏覽器、應用下載軟件等。
利用這些設備用戶設備和軟件設備,人們可以在任何時間、任何地點、任何空間,快速、便捷地獲取世界萬物的信息,并可以對它們進行實時的監(jiān)控、管理和決策利用。同時,人們還能利用相關的控制信息,對萬事萬物進行有效的控制,讓整個物理世界都掌控在人類的手中。