IoT體系結構及核心技術概述（IoT體系結構及核心技術概述）

2023-09-20 07:31:08

物聯網（The Internet of things，簡稱IoT）是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、雷射掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與網際網路相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網技術的核心和基礎是網際網路技術及傳感技術，是在網際網路基礎上的延伸和擴展的網絡。物聯網將傳感器技術、NFC、zigbee、藍牙、wife、IC集成電路、web界面和伺服器後臺連接等各種應用技術結合在一起。

物聯網可以構成很多智能的應用，應用領域十分廣泛，幾乎可以包括任何行業，遍及智能交通、環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、環境監測、路燈照明管控、景觀照明管控、樓宇照明管控、廣場照明管控、老人護理、個人健康、花卉栽培、水系監測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領域。

網際網路是把人與人、人與物連接起來，而物聯網將人與人、人與物、物與物連接起來。

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從技術架構上來看，物聯網可分為三層：感知層、網絡層和應用層。 ​

感知層由各種傳感器構成，包括溫溼度傳感器、二維碼標籤、RFID標籤和讀寫器、攝像頭、gps等感知終端。感知層是物聯網識別物體、採集信息的來源。

網絡層由各種網絡，包括網際網路、廣電網、網絡管理系統和雲計算平臺等組成，是整個物聯網的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。 ​ 應用層是物聯網和用戶的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。

其中感知層由傳感層和實體層組成，實際上兩者是一體，通過傳感器感知、採集實體的一些自身或者環境信息。

物聯網的最基本功能特徵是提供「無處不在的連接和在線服務」，其具備十大基本功能。 ​ （1）在線監測：這是物聯網最基本的功能，物聯網業務一般以集中監測為主、控制為輔。

（2）定位追溯：一般基於GPS（或其他衛星定位，如北鬥）和無線通信技術，或只依賴於無線通信技術的定位，如基於移動基站的定位、RTLS等。

（3）報警聯動：主要提供事件報警和提示，有時還會提供基於工作流或規則引擎（Rule’s Engine）的聯動功能。

（4）指揮調度：基於時間排程和事件響應規則的指揮、調度和派遣功能。 （5）預案管理：基於預先設定的規章或法規對事物產生的事件進行處置。 ​

（6）安全隱私：由於物聯網所有權屬性和隱私保護的重要性，物聯網系統必須提供相應的安全保障機制。

​ （7）遠程維保： 這是物聯網技術能夠提供或提升的服務，主要適用於企業產品售後聯網服務。

​ （8）在線升級：這是保證物聯網系統本身能夠正常運行的手段，也是企業產品售後自動服務的手段之一。

​ （9）領導桌面： 主要指Dashboard或BI個性化門戶，經過多層過濾提煉的實時資訊，可供主管負責人實現對全局的「一目了然」。

​ （10）統計決策： 指的是基於對聯網信息的數據挖掘和統計分析，提供決策支持和統計報表功能。

物聯網的核心關鍵技術主要包括RFID技術、傳感器技術、無線網絡技術、人工智慧技術、雲計算技術等。

1.RFID技術

射頻識別，即RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標並讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。

2.傳感器技術 ​

傳感器技術在物聯網中，傳感器主要負責接收對象的「語音」內容。傳感器技術是從自然源中獲取信息並對其進行處理、轉換和識別的多學科現代科學與工程技術。它涉及傳感器的規劃、設計、開發、製造和測試，信息處理和識別，改進活動的應用和評估。

3.無線網絡技術 ​

在物聯網中，要與人無障礙地通信，必然離不開能夠傳輸海量數據的高速無線網絡。無線網絡不僅包括允許用戶建立遠距離無線連接的全球語音和數據網絡，還包括短距離藍牙技術、紅外線技術和Zigbee技術。

4.人工智慧技術 ​

人工智慧是一種用計算機模擬某些思維過程和智能行為（如學習、推理、思考和規劃等）的技術。關於人的。在物聯網中，人工智慧技術主要是對物體的「語音」內容進行分析，從而實現計算機自動處理。

5.雲計算技術

物聯網的發展離不開雲計算技術的支撐。物聯網終端的計算和存儲能力有限，雲計算平臺可以作為物聯網的大腦，實現海量數據的存儲和計算。

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MQTT協議（Message Queue Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議）是IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper於1999年為了一個通過衛星網絡連接輸油管道的項目開發的。為了滿足低電量消耗和低網絡帶寬的需求，MQTT協議在設計之初就包含了以下幾個特點：實現簡單、提供數據傳輸的QoS、輕量、佔用帶寬低。 MQTT協議是基於發布和訂閱的通信協議，由Broker和連接到Broker的多個Client組成，如圖所示。​​

2. MQTT-SN協議

MQTT-SN（MQTT for Sensor Network）協議是MQTT協議的傳感器版本。MQTT協議雖然是輕量的應用層協議，但是MQTT協議是運行於TCP協議棧之上的，TCP協議對於某些計算能力和電量非常有限的設備來說，比如傳感器，就不太適用了。 MQTT-SN運行在UDP協議上，同時保留了MQTT協議的大部分信令和特性，如訂閱和發布等。MQTT-SN協議引入了MQTT-SN網關這一角色，網關負責把MQTT-SN協議轉換為MQTT協議，並和遠端的MQTT Broker進行通信。MQTT-SN協議支持網關的自動發現。MQTT-SN協議的通信模型如圖所示。

3. CoAP協議

CoAP（Constrained Application Protocol）協議是一種運行在資源比較緊張的設備上的協議。CoAP協議通常也是運行在UDP協議上的。 CoAP協議設計得非常小巧，最小的數據包只有4個字節。CoAP協議採用C/S架構，使用類似於HTTP協議的請求-響應的交互模式。設備可以通過類似於coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature的URL來標識一個實體，並使用類似於HTTP的PUT、GET、POST、DELET請求指令來獲取或者修改這個實體的狀態。 同時，CoAP提供一種觀察模式，觀察者可以通過OBSERVE指令向CoAP伺服器指明觀察的實體對象。當實體對象的狀態發生變化時，觀察者就可以收到實體對象的最新狀態，類似於MQTT協議中的訂閱功能。CoAP協議的通信模型如圖所示。

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4. Lw協議

LwM2M（ Lightweight Machine-To-Machine ）協議是由Open Mobile Alliance（OMA）定義的一套適用於物聯網的輕量級協議。它使用RESTful，提供設備的接入、管理和通信功能，也適用於資源比較緊張的設備。LwM2M協議的架構如圖所示。

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LwM2M協議底層使用CoAP協議傳輸數據和信令。而在LwM2M協議的架構中，CoAP協議可以運行在UDP或者SMS（簡訊）之上，通過DTLS（數據報傳輸層安全）來實現數據的安全傳輸。

5. HTTP協議

HTTP是一種使用統一資源標識符（Uniform Resource Identifiers, URI）來傳輸數據和建立連接，從全球資訊網(www)伺服器傳輸超文本到瀏覽器(客戶端）的傳送協議。在一些計算和硬體資源比較充沛的設備上，比如運行安卓作業系統的設備，可以使用HTTP協議上傳和下載數據，就好像在開發移動應用一樣。設備也可以使用運行在HTTP協議上的WebSocket主動接收來自伺服器的數據。

6.LoRaWAN協議

LoRaWAN協議是由LoRa聯盟提出並推動的一種低功率廣域網協議，它和我們之前介紹的幾種協議有所不同。MQTT協議、CoAP協議都是運行在應用層，底層使用TCP協議或者UDP協議進行數據傳輸，整個協議棧運行在IP網絡上。而LoRaWAN協議則是物理層/數據鏈路層協議，它解決的是設備如何接入網際網路的問題，並不運行在IP網絡上。

LoRa（Long Range Radio,遠距離無線電），是一種線性調頻擴頻的無線通信技術，它具有使用距離遠、功耗低的特點。可以通過在工程設備上安裝支持LoRa的模塊，使用LoRaWAN技術進行組網，通過LoRa的中繼設備將數據發往其他的有網際網路接入的LoRa網關設備，LoRa網關再將數據封裝成可以在IP網絡中通過TCP協議或者UDP協議傳輸的數據協議包（比如MQTT協議），然後發往雲端的數據中心。LoRa通信模型如下圖所示：

7.NB-IoT協議

NB-IoT是指窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things)技術，是一種低功耗廣域(LPWA)網絡技術標準，基於蜂窩技術，用於連接使用無線蜂窩網絡的各種智能傳感器和設備，聚焦於低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯網(IoT)市場，是一種可在全球範圍內廣泛應用的新興技術。 NB-IoT協議和LoRaWAN協議一樣，是將設備接入網際網路的物理層/數據鏈路層的協議。與LoRA不同的是，NB-IoT協議構建和運行在蜂窩網絡上，消耗的帶寬較低，可以直接部署到現有的GSM網絡或者LTE網絡。設備安裝支持NB-IoT的晶片和相應的物聯網卡，然後連接到NB-IoT基站就可以接入網際網路。而且NB-IoT協議不像LoRaWAN協議那樣需要網關進行協議轉換，接入的設備可以直接使用IP網絡進行數據傳輸。

NB-IoT協議相比傳統的基站，增益提高了約20dB，可以覆蓋到地下車庫、管道、地下室等之前信號難以覆蓋的地方。通信結構如圖：

8、Zigbee

Zigbee是一種短距離網狀組網無線通信技術，常用於連接10-100米範圍內的設備，不通過LPWAN直接接入網絡，需要通過集中器和網關接入。通過其網狀拓撲，Zigbee設備可以通過中間設備在一定距離上傳輸數據。它的出現彌補了藍牙、WiFi等通信協議高複雜、功耗大、距離近、組網規模太小等缺陷。

Zigbee主要使用的標準有IEEE 802.15.4。ZigBee可工作在三個頻段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz，其中最後一個頻段世界範圍內通用，16個信道，為免付費、免申請的無線電頻段。三個頻段傳輸速率分別為20kbps、40kbps以及250kbps。Zigbee組網結構如圖：

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9、其他通信技術：基於WiFi、藍牙、RFID、無線USB、紅外通信等的短距離通信；SigFox、eMTC等長距無線通信技術。

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