物联网架构

 

物联网目前处于发展的初期，大家从不同的维度解读什么是物联网，还没有形成一个标准的定义。正如中国工程院孙玉院士在第九届中国物联网产业与智慧城市发展年会说讲的：物联网什么样，大家都不知道，它长成啥样就啥样。

 

 

目前大家普遍接受的说法是物联网在技术层面分五层：物联网终端、通讯传输、云平台、认知分析、应用服务。

 

 

物联网物体是前提，联网是重点。物联网终端是物联网的感知执行终端，是供物联网和现实物理世界交互的智能硬件接口。物联网终端一般为智能硬件设备。

物联网终端设备具体的功能是物联网中连接传感网络层和传输网络层，实现采集数据及向网络层发送数据的设备。它担负着数据采集、初步处理、加密、传输等多种功能。物联网终端基本由外围感知(传感)接口，中央处理模块和外部通讯接口三个部分组成，通过外围感知接口与传感设备连接，如RFID读卡器、红外感应器、环境传感器、MEMS等，将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后，按照网络协议，通过外部通讯接口，如：GPRS模块、以太网接口、WIFI、NB-IOT等方式发送到以太网的指定中心处理平台。

物联网操作系统是在物联网终端智能硬件上运行的操作系统。物联网操作系统（IOT OS）由系统内核，外围功能组件，物联网协同框架，通用智能引擎，集成开发环境等几个大的子系统组成。这些子系统之间相互配合，共同组成一个完整的面向各种各样物联网应用场景的软件基础平台。物联网操作系统提供物联网终端和物联网云平台之间提供连接、协同、智能的功能。物联网操作系统把持着物联网数据的入口，成为各大巨头抢占的领域，目前正处于跑马圈地的阶段。目前市场上有如下的物联网操作系统：

 

 

物联网传感器(Sensor)是检测和响应来自物理环境某些类型的输入的装置，传感器能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是获取现实社会和生产领域中信息的最重要途径和手段。传感器早已渗透到我们生活的各个领域。比如工业生产、环境保护、医学诊断、资源勘探、海洋探测、宇宙开发、文物保护、生物工程等等。传感器是整个物联网信息收集的节点，是整个物联网发展的基础。根据被测量参数，传感器可以分为温度、湿度、压力、流量、速度、加速度、位移、粘度等传感器，除了这些模拟量以外，有些传感器还包含一些离散量（开关等）。根据测量原理来分，传感器可分为根据电阻定律的电位计式、应变式传感器，据变磁阻原理的电感式、差动变压器式、电涡流式传感器，根据半导体理论的半导体力敏、热敏、光敏、气敏等固态传感器。传感器目前有如下种类：

 

MEMS即微型电子机械系统(Micro Electromechanical System)，利用传统的半导体工艺和材料，集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS传感器具有微信化、集成化、智能化、低成本、高效能。 MEMS传感器正逐步取代传统机械传感器，普遍用于消费电子、汽车工业、航空航天、机械、化工、医疗等行业。MEMS传感器可以大批量生产，全自动化生产可实现高产能、良品率高、低成本。

通讯传输层为物联网终端和云平台之间提供数据传输服务，是物联网最初定义所在。物体通过互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。感知层收集到的物联网数据，经过有线网络或者无线网络进行汇总和传输到物联网平台。

物联网通讯解决两个层面的通讯传输，一个是物体和物联网云平台之间的信息传输，另一个是物体和物体之间的信息传输。物联网通讯的实现方式多样性，有近距离的蓝牙、家用办公环境下的WIFI、也有长距离的NB-IOT／LoRA、甚至可以通过卫星无人机汽艇等手段进行数据传输。其中NB-IoT协议被采纳为5G中物联网标准协议。常用的物联网协议有如下几种：

 

云平台层是指为物联网应用提供通用计算、存储、安全等功能的IaaS层服务。应用服务层是物联网结合工业制造、农业、医疗、物流、电力、智慧地球等行业的特点，提供行业通用功能服务。认知分析层是物联网利用人工智能、大数据等技术，对连接入物联网的设备进行分析管理的服务。目前的行业的趋势是整合云平台、应用服务和认知分析等服务，构建一个功能强大的物联网云平台。物联网平台是物联网网络架构和产业链条中的关键环节，通过它不仅实现对终 端设备和资产的“管、控、营”一体化，向下连接感知层，向上面向应用服务提供商提供应 用开发能力和统一接口。并为各行各业提供通用的服务能力，如数据路由、数据处理与挖掘、仿真与优化、业务流程和应用整合、通信管理、应用开发、设备维护服务等。

 

物联网云平台建设可以强化企业物联网使用能力，可以提升企业智能设备应用能力、提升企业传感器处理能力、提升企业大数据认知分析能力。物联网云平台是每个提供物联网服务必须建设的基础架构。

物联网平台一般具有的功能：

l 设备连接管理，设备管理服务

l 行业应用服务

l 收集，可视化和数据业务分析

l 处理不同的通讯协议，如MQTT

l 为设备和用户提供安全和身份验证

l 提供API接口，和业务系统进行集成

 

连接管理平台 CMP(Connectivity Management Platform):CMP 平台应用于运 营商网络上，实现对物联网连接配臵和故障管理、保证终端联网通道稳定、网络资源用量管 理、连接资费管理、账单管理、套餐变更、号码/IP 地址/Mac 资源管理，更好的帮助移动运 营商做好物联网 SIM 的管理，CMP 连接管理平台与移动运营商网络中连接，帮助运营商管理物联网 M2M，CMP 平台供 应商参与运营商物联网移动收入分成。CMP 平台与移动运营 商合作，CMP 参与运营商的移动收入分成,业务模式简单明确。考虑到跨国大企业企业与 CMP 平台对接时，更希望一点接入，全球通用，因此具有全球化的 CMP 平台在服务大型企 业中更加具有竞争力。目前全球 CMP 有三大阵营:Jasper 平台、爱立信 DCP 平台和沃达 丰 GDSP 平台。 Jasper 作为 CMP 领导者，和全球超过 100 家运营商、3500 家企业客户 展开合作，爱立信 DCP 和沃达丰 GDSP 平台客户数量都和 Jasper 有差距。国内三大运营 商的 CMP 平台:中国联通和 Jasper、宜通世纪合作，采取运营收入分成模式;中国移动和华为在 CMP、M2M 模块和终端销售都展开合作;中国电信刚刚与爱立信 DCP 签订《谅解 备忘录》，在 CMP、终端销售终展开合作。

设备管理平台 DMP(Device Management Platform): DMP 平台对物联网终端进行远程 监控、设臵调整、软件升级、系统升级、故障排查、生命周期管理等功能。同时可实时提供 网关和应用状态监控告警反馈，为预先处理故障提供支撑，提高客户服务满意度;开放的 API 调用接口则能帮助客户轻松地进行系统集成和增值功能开发;所有设备的数据可以存储在云端。设备管理平台 DMP 集成在整套端到端 M2M 设备管理解决方案中。解决方案提供商联 合合作伙伴一起，提供通讯网关、通信模块、传感器、设备管理云平台 DMP、设备连接软 件，并开放接口给上层应用的开发商，提供端到端的解决方案。 DMP 部署在整套设备管理解决方 案中，整体报价收费;也有少量单独提供设备管理云端服务的厂商，每台设备每个月收取一 定运营管理费用。

应用支持平台 AEP (Application Enablement Platform):AEP 平台是提供应用开发和 统一数据存储两大功能的 PaaS 平台，架构在 CMP 平台之上。具体来看 AEP 平台具体功能 有提供成套应用开发工具(大部分能提供图形化开发工具，甚至不需要开发者编写代码)、 中间件、数据存储功能、业务逻辑引擎、对接第三方系统 API 等。物联网应用开发者在 AEP 平台上快速开发、部署、管理应用，而无需考虑下层基础设施扩展、数据管理和归集、通信 协议、通信安全等问题，降低开发成本、大大缩短开发时间。AEP 平台帮助企业极大节省物联网应用开发时间和费用，同时上层应用大规模扩张时无需担 心底层资源扩展问题。目前 AEP 平台主要根据应用开发完成后激活设备数量收费。建立完 整的 IoT 解决方案(从底层设备管理系统、网络到上层应用)对任何企业来说都是浩大的工 程，且需要众多不同领域专业技术人员联合开发搭建，建设周期长、ROI 较低。AEP 平台帮 助企业极大节省物联网应用开发时间和费用，据 Aeris 测算，开发者使用 AEP 平台开发应用， 可以节省 70%的时间，使应用更快能推向市场，同时为企业节省了雇佣底层架构技术人员的费用。AEP 平台解决的另一个重大问题时随上层应用灵活扩展问题，即使企业 M2M 管理规模迅猛增加，使用 AEP 平台无需担心底层资源跟不上连接设备扩展速度。

业务分析平台 BAP(Business Analytics Platform):业务分析平台包含基础大数据分 析服务和机器学习两大功能。大数据服务:平台在集合各类相关数据后，进行分类处理、分 析并提供视觉化数据分析结果(图标、仪表盘、数据报告);通过实时动态分析，监控设备 状态并予以预警。平台的机器学习:通过对历史数据(结构化和非结构化数据)进行训练生 成预测模型或者客户根据平台提供工具自己开发模型，满足预测性的、认知的或复杂的分析 业务逻辑。未来 IoT 平台上的机器学习将向人工智能过度，比如 IBM Watson 拥有 IBM 独特 的 DeepQA 系统，结合了神经元系统，模拟人脑思考方式总结出来逐步强大的问答系统， 未来将帮助企业解决更多商业问题。目前机器学习收取建模费用和预测费用两项费用。建模期间:按照数据分析、模型训练和评 估的时间收费即执行这些操作所需的计算小时数收费;建模完成进行计算和预测时，通过数 据结果的信息量或者计算需要的内存容量收费。

物联网的五层分层描述了物联网如何感知处理物联世界的信息。其实物联网作为人类的一个伟大发明创造，物联网一定要为人类服务，所以物联网一定要和人类进行交互。

 

物联网智能终端提供物理世界的声像热等信息数字化的转变，以及通过机器人等操作物理世界的功能，物联网五层架构实现了现实世界的数字化翻译，数字世界中物体的处理、存储等工作。而作为物联网的使用者人类，也需要和数字世界进行交互，这就是人机交互层。目前人类可以通过视觉听觉来感知数字世界中的物体，也可以通过鼠标键盘遥控器等设备对数据世界中的物体进行操作。所以从系统的角度来看，物联网五层架构还需要加上人机交互层。

人机交互现在也是行业的热点，各大公司重金投入。人机交互除了传统的TFT-LCD到现在的AMOLED；从VR到AR；体感游戏柄到亚马逊的Echo音响，甚至将来的脑机交互系统。人机交互把持做人与物联网系统的端口，市场巨大。