1.1.2 物联网的体系结构

认识任何事物都要有一个从整体到局部的过程，尤其对于结构复杂、功能多样的系统更是如此，物联网也不例外。首先，需要了解物联网的整体结构；然后，讨论其中的细节。物联网具有一个开放性体系结构，由于处于发展阶段，因此不同的组织和研究群体，针对物联网提出了不同的体系结构。但不管是三层体系结构还是四层体系结构，其关键技术都是相通和类同的。下面介绍一种物联网四层体系结构，在此基础上进行组合即可实现物联网三层体系结构。

目前，国内外的研究人员在描述物联网的体系结构时，多将国际电信联盟电信标准分局（ITU-T）在2002年提出的建议中描述的泛在传感器网络（Ubiquitous Sensor Network，USN）结构作为基础，它自下而上分为感知网络层、泛在接入层、中间件层、泛在应用层4个层次，如图1-1所示。

USN结构的一大特点是依托下一代网络（Next Generation Network，NGN）结构，各种传感器在最靠近用户的地方组成无所不在的网络环境，用户在此环境中使用各种服务，NGN则作为核心基础设施为USN提供支持。

显然，基于USN的物联网体系结构主要描述了各种通信技术在物联网中的作用，不能完整反映出物联网系统实现中的功能集划分、组网方式、互操作接口、管理模型等，不利于物联网的标准化和产业化。因此需要进一步探索实现物联网系统的关键技术和方法，设计一个通用的物联网系统结构模型。

图1-2给出了一种通用的物联网四层体系结构。该结构侧重物联网的定性描述而不是协议的具体定义。因此，物联网可以定义为一个包含感知控制层、数据传输层、数据处理层、应用决策层的四层体系结构。

该体系结构借鉴了ITU的物联网的USN结构思想，采用了自下而上的分层结构。各层的功能描述如下。

感知控制层：感知控制层简称感知层，它是物联网发展和应用的基础，包括条形码识别器、各种类型的传感器（如温湿度传感器、视频传感器、红外探测器等）、智能硬件（如电表、空调等）和网关等。各种传感器通过感知目标环境的相关信息，自行组网以将信息传递到网关接入点，网关再将收集到的数据通过数据传输层提交到数据处理层进行处理。数据处理的结果可以反馈到感知控制层，作为实施动态控制的依据。

数据传输层：数据传输层负责接收感知控制层传来的数据，并将其传输到数据处理层，随后将数据处理结果再反馈回感知控制层。数据传输层包括各种网络与设备，如短距离无线网络、移动通信网络、互联网等，并可实现不同类型网络间的融合，以及物联网感知与控制数据的高效、安全和可靠传输。此外，数据传输层还提供路由、格式转换、地址转换等功能。

数据处理层：数据处理层可进行物联网资源的初始化，监测资源的在线运行状况，协调多个物联网资源（如计算资源、通信设备和感知设备等）之间的工作，实现跨域资源间的交互、共享与调度，实现感知数据的语义理解、推理、决策以及数据的查询、存储、分析与挖掘等。数据处理层利用云计算（Cloud Computing）、大数据（Big Data）和人工智能（Artificial Intelligence，AI）等技术，实现感知数据的高效存储与深度分析。

应用决策层：应用决策层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供多种不同类型的服务，如检索、计算和推理等。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控）、控制型（智能交通、智能家居）、扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。应用决策层可针对不同类别的应用，制定与之相适应的服务内容。

此外，物联网在每一层中还应包括安全、容错等技术，用来贯穿物联网系统的各个层次，为用户提供安全、可用和可靠的应用支持。在物联网的四层体系结构中，数据处理层和应用决策层可以合二为一，统称为应用决策层，这样物联网四层体系结构就变成了三层体系结构，即感知控制层、数据传输层、应用决策层。