陳紅霞，趙俊鈺

（華信郵電咨詢設(shè)計研究院有限公司 杭州310014）

1 引言

信息產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年的高速發(fā)展，經(jīng)歷了計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)兩次浪潮，2000年后步入疲軟階段，在此背景下，物聯(lián)網(wǎng)概念的提出立即得到全球的熱捧，被稱為世界信息產(chǎn)業(yè)的第3次浪潮，代表了下一代信息發(fā)展技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層3個層次。感知層由各種具有感知能力的設(shè)備組成，主要用于感知和采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)層包括各種通信網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)形成的承載網(wǎng)絡(luò)，可以將感知層感知和采集的數(shù)據(jù)信息通過現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò) （如2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等）上傳給應(yīng)用層，完成感知層和應(yīng)用層之間的信息通信；應(yīng)用層包括業(yè)務(wù)支撐平臺和應(yīng)用，可以實現(xiàn)物品信息的匯總、協(xié)同、共享、互通、分析、決策等功能。

作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的最前端，感知層的信息感知和采集效果對于物聯(lián)網(wǎng)功能的有效實現(xiàn)有著決定性的作用，而標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)的研究和實現(xiàn)是完善物聯(lián)網(wǎng)感知層功能的基礎(chǔ)，因此，感知層標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)的研究是必要且緊迫的。物聯(lián)網(wǎng)感知層不但包含網(wǎng)絡(luò)、通信、信息處理、傳感器、安全、服務(wù)技術(shù)、標(biāo)識、定位、同步等傳統(tǒng)技術(shù)，還涉及到協(xié)同處理等新技術(shù)，覆蓋范圍較寬。國際國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織已開始進行物聯(lián)網(wǎng)感知層的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)研究，但各自的定義不統(tǒng)一，針對性也不同。本文通過對物聯(lián)網(wǎng)感知層共性需求和特定應(yīng)用的提煉，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)感知層的標(biāo)準(zhǔn)體系。

2 物聯(lián)網(wǎng)感知層標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)感知層標(biāo)準(zhǔn)體系如圖1所示，分為兩個層面：基礎(chǔ)平臺標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用層面。

基礎(chǔ)平臺標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)感知層的共同特征和技術(shù)需求提煉出來的，包含技術(shù)術(shù)語、接口、通信與網(wǎng)絡(luò)、協(xié)同信息處理、信息服務(wù)支持、網(wǎng)絡(luò)安全與隱私、一致性和互用性測試等模塊。應(yīng)用層面中的典型應(yīng)用可以通過對基礎(chǔ)平臺標(biāo)準(zhǔn)的剪裁進行定制。下面對物聯(lián)網(wǎng)感知層標(biāo)準(zhǔn)體系的各模塊分別進行說明。

2.1 技術(shù)術(shù)語

為了方便各國以及各組織在物聯(lián)網(wǎng)感知層研究方面的交流，促進研究發(fā)展，需要對物聯(lián)網(wǎng)感知層中的專用名詞和關(guān)鍵技術(shù)給予明確定義，形成業(yè)界統(tǒng)一的技術(shù)術(shù)語。

2.2 需求分析

需求分析是對各種感知層應(yīng)用、服務(wù)的特征和功能需求進行提煉，需要從以下3個方面入手。

·對感知層應(yīng)用模型和應(yīng)用場景進行分析。

·通過物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等對感知層的服務(wù)特征和功能需求進行分析。

·對感知層的發(fā)展前景和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化項目進行分析。

2.3 參考架構(gòu)

由于物聯(lián)網(wǎng)感知層的各種應(yīng)用和服務(wù)利用了不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、中間件和應(yīng)用函數(shù)，對各種應(yīng)用和服務(wù)的兼容性影響很大，需要建立物聯(lián)網(wǎng)感知層的參考架構(gòu)。

2.4 接口

（1）傳感器接口

傳感器之間存在多種不同傳感器接口，這對感知層的兼容性十分不利，因此需要對市場上已有和正在研究的各種傳感器接口信息進行調(diào)研和搜集，制定統(tǒng)一的傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在比較常用的傳感器模擬和數(shù)字接口包括：4～20 mA、0～5 V、SPI、RS-232 等。

（2）數(shù)據(jù)類型和格式

傳感器種類和應(yīng)用場景的不同會導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)類型和格式的多樣化，現(xiàn)在比較常用的數(shù)據(jù)類型包括音頻數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等，編碼和壓縮后的數(shù)據(jù)格式包括MPEG、JPEG、ASN.1、XML等。通過對不同的數(shù)據(jù)類型和格式進行劃分，制定明確的接口定義可以避免在不同傳感器和應(yīng)用場景中出現(xiàn)數(shù)據(jù)不匹配的情況，提高感知層的應(yīng)用效率。

2.5 通信和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

感知層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要具備自組織、自配置、魯棒性強、可升級等特點，一些已經(jīng)應(yīng)用的通信標(biāo)準(zhǔn)分別包含了以上特點。根據(jù)對已有標(biāo)準(zhǔn)的補充和剪裁，將感知層基礎(chǔ)平臺的通信和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)分為4層：物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和主干網(wǎng)接入層。

（1）物理層

物理層定義了感知層設(shè)備間在物理連接上進行原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。根?jù)感知層的不同應(yīng)用需求，物理層包含的技術(shù)手段略有差別，一般包含發(fā)送頻率、調(diào)制方法、短距離通信策略、長距離通信策略、低速率傳輸、高速率傳輸?shù)仁侄巍８兄獙釉O(shè)備可以通過有線或無線互連?，F(xiàn)有的很多有線和無線通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)比較成熟，包括RS-232、RS-422、RS-423、RS-485、PLC、HFC、CAN、Ethernet等有線標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 802.15.3、IEEE 802.15.4、藍牙、CDMA、WLAN 等無線標(biāo)準(zhǔn)。針對感知層特點的通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，需要把這些技術(shù)都考慮進來，根據(jù)感知層各種應(yīng)用的共性需求，制定出最合適的物理層標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)感知層設(shè)備之間、網(wǎng)關(guān)之間、企業(yè)網(wǎng)之間的互連。

（2）MAC 層

MAC層保證了感知層設(shè)備間的邏輯連接，通過尋址和信道接入控制實現(xiàn)設(shè)備之間的通信。為了彌補物理層數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢煽啃?，MAC層還提供了流量控制、差錯檢測、差錯控制等服務(wù)，實現(xiàn)了設(shè)備之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸。與其他網(wǎng)絡(luò)實體相比，物聯(lián)網(wǎng)感知層受到能量、通信、存儲、計算能力等的限制，因此MAC層標(biāo)準(zhǔn)必須實現(xiàn)較高的能效性和較少的數(shù)據(jù)交互?，F(xiàn)有的一些MAC層協(xié)議并沒有考慮到這些限制，所以并不能有效應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)感知層中，可以通過對現(xiàn)有MAC層協(xié)議 (如CSMA/CA、動態(tài)TDMA、S-MAC等)的擴展性、設(shè)備休眠策略、信道接入控制技術(shù)、流量和差錯控制技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)的研究制定適用于物聯(lián)網(wǎng)感知層的MAC層標(biāo)準(zhǔn)。

（3）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層位于物理層和MAC層之上，實現(xiàn)了流量控制、差錯檢測、中繼和路由選擇等功能。與有線傳輸相比，無線傳輸在能量、通信、存儲、計算能力等方面的限制對網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)提出了更大的挑戰(zhàn)，需要結(jié)合以下技術(shù)才能有效解決這些問題：網(wǎng)絡(luò)信息的自配置、網(wǎng)絡(luò)地址和物理地址之間的地址解析、點到點的數(shù)據(jù)單元傳輸協(xié)議、端到端的數(shù)據(jù)單元傳輸協(xié)議、感知層設(shè)備和網(wǎng)關(guān)的時間同步和自定位、不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作、路由策略。

（4）主干網(wǎng)接入層

無論是網(wǎng)絡(luò)間的通信，還是與人的交互，物聯(lián)網(wǎng)感知層都需要接入通信主干網(wǎng)實現(xiàn)其應(yīng)用。感知層與主干網(wǎng)的接入可以分為有線(如 Ethernet等)和無線(如 GSM、3G、4G 等)兩種接入方式。主干網(wǎng)接入層協(xié)議通過對網(wǎng)關(guān)的發(fā)送接收和應(yīng)用程序接口進行定義，實現(xiàn)與主干網(wǎng)的互連，對物聯(lián)網(wǎng)感知層各種應(yīng)用的實現(xiàn)起到了決定性的作用。

2.6 網(wǎng)絡(luò)管理

與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相比，物聯(lián)網(wǎng)感知層包含了新的功能單元，而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議并沒有對這些功能單元提供支持，可以從以下幾個方面著手制定適合物聯(lián)網(wǎng)感知層的管理協(xié)議：在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(如SNMP、ZigBee等)的基礎(chǔ)上進行拓展，研究新的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議、拓撲管理協(xié)議、不同管理協(xié)議協(xié)的同工作。

2.7 移動支持

物聯(lián)網(wǎng)感知層的移動性可以分為4類：網(wǎng)關(guān)移動、設(shè)備移動、用戶移動、環(huán)境移動。每種移動方式都需要提供相應(yīng)的支持。

感知層內(nèi)部設(shè)備與網(wǎng)關(guān)距離較遠時，需要通過多跳實現(xiàn)通信，能耗很大。通過網(wǎng)關(guān)移動可以增加網(wǎng)關(guān)的覆蓋面積，縮短網(wǎng)關(guān)與設(shè)備之間的距離，有效降低網(wǎng)絡(luò)的通信能耗。

感知層內(nèi)的設(shè)備移動可以通過設(shè)備本身的特性實現(xiàn)，也可以通過把設(shè)備固定在可移動的物體上實現(xiàn)，無論是通過何種方式實現(xiàn)，都可以降低網(wǎng)絡(luò)的通信能耗，增加設(shè)備的覆蓋面積，減少設(shè)備的布設(shè)數(shù)量，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)成本。設(shè)備移動可以分為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動和網(wǎng)絡(luò)間移動。IP網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)內(nèi)移動的設(shè)備可以根據(jù)新位置更改內(nèi)網(wǎng)IP，實現(xiàn)新的對應(yīng)關(guān)系；網(wǎng)間移動的設(shè)備需要同時更改網(wǎng)關(guān)IP和內(nèi)網(wǎng)IP，建立與新網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的通信。

用戶移動可以分為兩種情況：用戶作為終端的移動和用戶作為設(shè)備的移動。用戶作為終端的移動會導(dǎo)致與用戶進行通信的網(wǎng)關(guān)發(fā)生變化，需要動態(tài)切換技術(shù)的支持；用戶作為設(shè)備的移動與設(shè)備移動情況類似。

環(huán)境移動是指感知層周圍的環(huán)境在某些情況下會發(fā)生變化，如天氣、空氣密度等，感知層的傳輸、處理等參數(shù)也需要隨之動態(tài)調(diào)整。

2.8 協(xié)同信息處理

在能量、通信、存儲、計算能力受限的物聯(lián)網(wǎng)感知層中，協(xié)同信息處理對于有效實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用，可以通過3個方面建模：性能公告實體(CDE)、協(xié)同策略規(guī)劃實體(CSPE)、通信需求定義實體(CRSE)。

性能公告實體在物聯(lián)網(wǎng)感知層中通過廣播公告感知層設(shè)備自身的性能；協(xié)同策略規(guī)劃實體通過均衡資源消耗和應(yīng)用效果尋求最優(yōu)的協(xié)同處理方案；通信需求定義實體作為信息交換的接口，通過對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的定義實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層中的信息共享。

2.9 信息服務(wù)支持

信息服務(wù)支持包含信息描述、信息存儲、信息標(biāo)識、目錄服務(wù)。

（1）信息描述

對感知層中傳輸?shù)男畔⑦M行明確定義和描述是感知層協(xié)同工作的基本要求，可以利用現(xiàn)有的一些語言和符號(如ASN.1等)描述信息。

（2）信息存儲

由于感知層設(shè)備本地存儲能力不足，限制了很多應(yīng)用，自適應(yīng)數(shù)據(jù)分解的方法可以有效解決這個問題。感知層根據(jù)特定應(yīng)用的需求，動態(tài)地通過信號降采樣、數(shù)據(jù)壓縮、減少冗余信息等數(shù)據(jù)分解方法降低數(shù)據(jù)存儲量，在數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)精度之間進行折衷。

（3）信息標(biāo)識

感知層的信息標(biāo)識包含傳感器設(shè)備標(biāo)識、設(shè)備類型標(biāo)識、信息標(biāo)識、信息類型標(biāo)識、應(yīng)用類型標(biāo)識等，可以通過已有的一些標(biāo)準(zhǔn)(如OID、URI等)對這些信息進行標(biāo)識。

（4）目錄服務(wù)

在感知層數(shù)據(jù)庫中，每個感知層設(shè)備對應(yīng)一個目錄，通過對目錄的查找可以更迅速快捷地找到感知層設(shè)備的相應(yīng)信息。感知層目錄服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的制定可以參考ISO/IEC 9594標(biāo)準(zhǔn)中的目錄服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.10 服務(wù)質(zhì)量

物聯(lián)網(wǎng)感知層的配置管理是否合理，功能實現(xiàn)是否有效，是否滿足了應(yīng)用需求，判斷的依據(jù)是服務(wù)質(zhì)量的衡量。制定合適的服務(wù)質(zhì)量衡量方法對感知層的功能評估十分重要。

應(yīng)用場景不同，使用的服務(wù)質(zhì)量衡量方法也不同。根據(jù)應(yīng)用服務(wù)模式，可以把感知層分為3類：時間驅(qū)動型、事件驅(qū)動型和查詢驅(qū)動型。時間驅(qū)動型應(yīng)用是指感知層以某一確定時間為周期完成相應(yīng)的信息感知和信息提供任務(wù)，如一些環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供較為典型的時間驅(qū)動型服務(wù)；事件驅(qū)動型應(yīng)用是指感知層以物理世界某一特定事件發(fā)生為觸發(fā)點，完成相應(yīng)的信息感知和信息提供任務(wù)，是安防物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要提供的關(guān)鍵服務(wù)類型之一；查詢驅(qū)動型應(yīng)用是指感知層以來自用戶的查詢?yōu)橛|發(fā)點，依據(jù)用戶查詢需求完成后續(xù)的信息感知和信息提供任務(wù)，是基于感知層的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所提供的核心服務(wù)之一。

對于以上3種應(yīng)用服務(wù)模式，可以從兩個角度進行服務(wù)質(zhì)量的衡量：通信角度和信息處理角度。由于物聯(lián)網(wǎng)感知層不僅是一個信息傳輸系統(tǒng)，更加是一個信息獲取、處理、提供系統(tǒng)，所以如果僅僅從傳統(tǒng)的通信角度衡量感知層的服務(wù)質(zhì)量是不夠的，信息處理角度的評估也是不可或缺的。從通信角度看，可以從網(wǎng)絡(luò)延時、網(wǎng)絡(luò)抖動、網(wǎng)絡(luò)帶寬、丟包率等方面評估；從信息處理角度看，可以從誤警率、目標(biāo)分類正確率、定位誤差等角度評估。圖2給出了這兩個角度具體的一些評估方法。

2.11 中間件功能

中間件功能表示的是物聯(lián)網(wǎng)感知層的一個功能集，包括信息獲取、信息過濾、數(shù)據(jù)比較和分析、數(shù)據(jù)挖掘、背景建模、背景感知處理、背景感知估計和決策、傳感器信息綜合管理等功能。

中間件功能位于應(yīng)用層面和基礎(chǔ)功能層面之間，起到了承上啟下的作用，可以把中間件功能層面分為3個功能子層：支持功能子層、通用服務(wù)子層和區(qū)域特定服務(wù)子層，不同層面實現(xiàn)不同功能，如圖3所示。在明確定義了中間件功能層面各種功能的同時，還需要對中間件功能層面、應(yīng)用層面和基礎(chǔ)層面的接口進行明確定義。

2.12 網(wǎng)絡(luò)安全與隱私

對于物聯(lián)網(wǎng)感知層的很多應(yīng)用來說，網(wǎng)絡(luò)安全是實現(xiàn)其功能的基本保障。現(xiàn)階段感知層安全技術(shù)的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)、分布式密鑰管理、安全路由協(xié)議(如DSDV、DSR、SEAD等)、設(shè)備協(xié)作和自私機制、惡意資源消耗、入侵檢測模型等幾個方面。安全管理通過對現(xiàn)有安全技術(shù)的使用實現(xiàn)，需要滿足部署和應(yīng)用方便、減少手動操作、降低能耗等幾個方面的要求。通過分析感知層采用的安全技術(shù)和安全管理手段，在選擇設(shè)備、構(gòu)建感知層、接入主干網(wǎng)之前必須對物聯(lián)網(wǎng)感知層進行安全評估，以確定網(wǎng)絡(luò)的安全性能。

2.13 一致性和互用性測試

物聯(lián)網(wǎng)感知層要通過測試驗證是否滿足目標(biāo)應(yīng)用的需求。測試包括一致性測試和互用性測試，根據(jù)互操作協(xié)議制定測試用例，通過測試結(jié)果對感知層目標(biāo)應(yīng)用的需求滿足情況進行評估。

一致性測試是對感知層在特定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下接收測試用例后輸出數(shù)據(jù)的一致性進行測試，根據(jù)測試結(jié)果對感知層的一致性進行評估；互用性測試是通過在網(wǎng)絡(luò)互用環(huán)境下對感知層各執(zhí)行實體間協(xié)議正確性、功能實現(xiàn)性、互用可行性的測試進行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議正確性的評估。

2.14 應(yīng)用層面

由于物聯(lián)網(wǎng)感知層的每一個實際應(yīng)用都有其特殊的應(yīng)用需求，所以需要對感知層的各種應(yīng)用提供各自的應(yīng)用層面，以對服務(wù)特征、處理函數(shù)、接口程序、運作屬性等作出定義。

3 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)感知層的研究還處于起步階段，需要研究和解決的問題很多，感知層標(biāo)準(zhǔn)體系的搭建無疑是感知層各種技術(shù)研究的前提和基礎(chǔ)，對感知層功能的有效實現(xiàn)至關(guān)重要。本文通過對物聯(lián)網(wǎng)感知層共性需要和特定需要的總結(jié)，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)感知層的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，對感知層標(biāo)準(zhǔn)體系的搭建和統(tǒng)一意義重大，對推動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了積極作用。標(biāo)準(zhǔn)體系中還有一些需要深入研究和細化的問題，如協(xié)同信息處理模型的進一步細化、中間件功能的進一步明確、網(wǎng)絡(luò)安全策略的標(biāo)準(zhǔn)化等，是下一步的研究方向。

1 韋樂平.物聯(lián)網(wǎng)的特征、發(fā)展策略和挑戰(zhàn).電信科學(xué),2011,27(5):1～5

2 楊倩.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用.電信科學(xué),2010,26(8A):139～142

3 趙俊鈺,諸旻,左建等.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支撐平臺方案研究.電信科學(xué),2011,27(5):126～130

4 李健.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化分析.通信管理與技術(shù),2010,17(3):17～20