陳紅霞，趙俊鈺

（華信郵電咨詢設計研究院有限公司 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。

物聯(lián)網(wǎng)技術體系架構分為感知層、網(wǎng)絡層、應用層3個層次。感知層由各種具有感知能力的設備組成，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)絡層包括各種通信網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)形成的承載網(wǎng)絡，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 （如2G/3G/4G網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)等）上傳給應用層，完成感知層和應用層之間的信息通信；應用層包括業(yè)務支撐平臺和應用，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，而標準體系架構的研究和實現(xiàn)是完善物聯(lián)網(wǎng)感知層功能的基礎，因此，感知層標準體系架構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、通信、信息處理、傳感器、安全、服務技術、標識、定位、同步等傳統(tǒng)技術，還涉及到協(xié)同處理等新技術，覆蓋范圍較寬。國際國內(nèi)相關標準化組織已開始進行物聯(lián)網(wǎng)感知層的標準架構研究，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用的提煉，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)感知層的標準體系。

2 物聯(lián)網(wǎng)感知層標準體系架構

物聯(lián)網(wǎng)感知層標準體系如圖1所示，分為兩個層面：基礎平臺標準和應用層面。

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

2.1 技術術語

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鍵技術給予明確定義，形成業(yè)界統(tǒng)一的技術術語。

2.2 需求分析

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

·對感知層應用模型和應用場景進行分析。

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

·對感知層的發(fā)展前景和相關的標準化項目進行分析。

2.3 參考架構

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

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)一的傳感器接口標準?，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

傳感器種類和應用場景的不同會導致傳感器數(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用場景中出現(xiàn)數(shù)據(jù)不匹配的情況，提高感知層的應用效率。

2.5 通信和網(wǎng)絡標準

感知層的網(wǎng)絡協(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)應用的通信標準分別包含了以上特點。根據(jù)對已有標準的補充和剪裁，將感知層基礎平臺的通信和網(wǎng)絡標準分為4層：物理層、MAC層、網(wǎng)絡層和主干網(wǎng)接入層。

（1）物理層

物理層定義了感知層設備間在物理連接上進行原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。根?jù)感知層的不同應用需求，物理層包含的技術手段略有差別，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準已經(jīng)比較成熟，包括RS-232、RS-422、RS-423、RS-485、PLC、HFC、CAN、Ethernet等有線標準和IEEE 802.15.3、IEEE 802.15.4、藍牙、CDMA、WLAN 等無線標準。針對感知層特點的通信和網(wǎng)絡技術不斷涌現(xiàn)，需要把這些技術都考慮進來，根據(jù)感知層各種應用的共性需求，制定出最合適的物理層標準，實現(xiàn)感知層設備之間、網(wǎng)關之間、企業(yè)網(wǎng)之間的互連。

（2）MAC 層

MAC層保證了感知層設備間的邏輯連接，通過尋址和信道接入控制實現(xiàn)設備之間的通信。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，實現(xiàn)了設備之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸。與其他網(wǎng)絡實體相比，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層標準必須實現(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、設備休眠策略、信道接入控制技術、流量和差錯控制技術、多路復用技術的研究制定適用于物聯(lián)網(wǎng)感知層的MAC層標準。

（3）網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層位于物理層和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)絡層標準提出了更大的挑戰(zhàn)，需要結合以下技術才能有效解決這些問題：網(wǎng)絡信息的自配置、網(wǎng)絡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、感知層設備和網(wǎng)關的時間同步和自定位、不同協(xié)議網(wǎng)絡的協(xié)同工作、路由策略。

（4）主干網(wǎng)接入層

無論是網(wǎng)絡間的通信，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)關的發(fā)送接收和應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)感知層各種應用的實現(xiàn)起到了決定性的作用。

2.6 網(wǎng)絡管理

與現(xiàn)有網(wǎng)絡相比，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)絡管理協(xié)議(如SNMP、ZigBee等)的基礎上進行拓展，研究新的網(wǎng)絡管理協(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)關移動、設備移動、用戶移動、環(huán)境移動。每種移動方式都需要提供相應的支持。

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

感知層內(nèi)的設備移動可以通過設備本身的特性實現(xiàn)，也可以通過把設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)絡的通信能耗，增加設備的覆蓋面積，減少設備的布設數(shù)量，從而降低整個網(wǎng)絡的布設成本。設備移動可以分為網(wǎng)絡內(nèi)移動和網(wǎng)絡間移動。IP網(wǎng)絡中，網(wǎng)內(nèi)移動的設備可以根據(jù)新位置更改內(nèi)網(wǎng)IP，實現(xiàn)新的對應關系；網(wǎng)間移動的設備需要同時更改網(wǎng)關IP和內(nèi)網(wǎng)IP，建立與新網(wǎng)絡內(nèi)部設備的通信。

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備的移動。用戶作為終端的移動會導致與用戶進行通信的網(wǎng)關發(fā)生變化，需要動態(tài)切換技術的支持；用戶作為設備的移動與設備移動情況類似。

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)絡應用起到了關鍵作用，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)絡參數(shù)、網(wǎng)絡協(xié)議的定義實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層中的信息共享。

2.9 信息服務支持

信息服務支持包含信息描述、信息存儲、信息標識、目錄服務。

（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

由于感知層設備本地存儲能力不足，限制了很多應用，自適應數(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）信息標識

感知層的信息標識包含傳感器設備標識、設備類型標識、信息標識、信息類型標識、應用類型標識等，可以通過已有的一些標準(如OID、URI等)對這些信息進行標識。

（4）目錄服務

在感知層數(shù)據(jù)庫中，每個感知層設備對應一個目錄，通過對目錄的查找可以更迅速快捷地找到感知層設備的相應信息。感知層目錄服務標準的制定可以參考ISO/IEC 9594標準中的目錄服務標準。

2.10 服務質(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，是否滿足了應用需求，判斷的依據(jù)是服務質(zhì)量的衡量。制定合適的服務質(zhì)量衡量方法對感知層的功能評估十分重要。

應用場景不同，使用的服務質(zhì)量衡量方法也不同。根據(jù)應用服務模式，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)動型應用是指感知層以某一確定時間為周期完成相應的信息感知和信息提供任務，如一些環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)應用提供較為典型的時間驅(qū)動型服務；事件驅(qū)動型應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，完成相應的信息感知和信息提供任務，是安防物聯(lián)網(wǎng)應用需要提供的關鍵服務類型之一；查詢驅(qū)動型應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，是基于感知層的分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所提供的核心服務之一。

對于以上3種應用服務模式，可以從兩個角度進行服務質(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)絡延時、網(wǎng)絡抖動、網(wǎng)絡帶寬、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。

中間件功能位于應用層面和基礎功能層面之間，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、通用服務子層和區(qū)域特定服務子層，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、應用層面和基礎層面的接口進行明確定義。

2.12 網(wǎng)絡安全與隱私

對于物聯(lián)網(wǎng)感知層的很多應用來說，網(wǎng)絡安全是實現(xiàn)其功能的基本保障?，F(xiàn)階段感知層安全技術的研究主要集中在網(wǎng)絡加密技術、分布式密鑰管理、安全路由協(xié)議(如DSDV、DSR、SEAD等)、設備協(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)有安全技術的使用實現(xiàn)，需要滿足部署和應用方便、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和安全管理手段，在選擇設備、構建感知層、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應用的需求。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，通過測試結果對感知層目標應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)絡協(xié)議正確性的評估。

2.14 應用層面

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

3 結束語

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，感知層標準體系的搭建無疑是感知層各種技術研究的前提和基礎，對感知層功能的有效實現(xiàn)至關重要。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，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)感知層的標準體系架構，對感知層標準體系的搭建和統(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。標準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)絡安全策略的標準化等，是下一步的研究方向。

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2 楊倩.物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術及應用.電信科學,2010,26(8A):139～142

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

4 李健.物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術和標準化分析.通信管理與技術,2010,17(3):17～20