iot体系结构及核心技术概述「什么是IOT」

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1 什么是物联网

物联网（The Internet of things，简称IoT）是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网技术的核心和基础是互联网技术及传感技术，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。物联网将传感器技术、NFC、zigbee、蓝牙、wife、IC集成电路、web界面和服务器后台连接等各种应用技术结合在一起。

物联网可以构成很多智能的应用，应用领域十分广泛，几乎可以包括任何行业，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。

因特网是把人与人、人与物连接起来，而物联网将人与人、人与物、物与物连接起来。

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2 IoT体系结构

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。 ​

感知层由各种传感器构成，包括温湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、gps等感知终端。感知层是物联网识别物体、采集信息的来源。

网络层由各种网络，包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成，是整个物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。 ​ 应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

其中感知层由传感层和实体层组成，实际上两者是一体，通过传感器感知、采集实体的一些自身或者环境信息。

3 物联网基本功能

物联网的最基本功能特征是提供“无处不在的连接和在线服务”，其具备十大基本功能。 ​ （1）在线监测：这是物联网最基本的功能，物联网业务一般以集中监测为主、控制为辅。

（2）定位追溯：一般基于GPS（或其他卫星定位，如北斗）和无线通信技术，或只依赖于无线通信技术的定位，如基于移动基站的定位、RTLS等。

（3）报警联动：主要提供事件报警和提示，有时还会提供基于工作流或规则引擎（Rule’s Engine）的联动功能。

（4）指挥调度：基于时间排程和事件响应规则的指挥、调度和派遣功能。 （5）预案管理：基于预先设定的规章或法规对事物产生的事件进行处置。 ​

（6）安全隐私：由于物联网所有权属性和隐私保护的重要性，物联网系统必须提供相应的安全保障机制。

​ （7）远程维保： 这是物联网技术能够提供或提升的服务，主要适用于企业产品售后联网服务。

​ （8）在线升级：这是保证物联网系统本身能够正常运行的手段，也是企业产品售后自动服务的手段之一。

​ （9）领导桌面： 主要指Dashboard或BI个性化门户，经过多层过滤提炼的实时资讯，可供主管负责人实现对全局的“一目了然”。

​ （10）统计决策： 指的是基于对联网信息的数据挖掘和统计分析，提供决策支持和统计报表功能。

4 物联网五大核心技术

物联网的核心关键技术主要包括RFID技术、传感器技术、无线网络技术、人工智能技术、云计算技术等。

1.RFID技术

射频识别，即RFID是Radio Frequency Identification的缩写，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

2.传感器技术 ​

传感器技术在物联网中，传感器主要负责接收对象的“语音”内容。传感器技术是从自然源中获取信息并对其进行处理、转换和识别的多学科现代科学与工程技术。它涉及传感器的规划、设计、开发、制造和测试，信息处理和识别，改进活动的应用和评估。

3.无线网络技术 ​

在物联网中，要与人无障碍地通信，必然离不开能够传输海量数据的高速无线网络。无线网络不仅包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，还包括短距离蓝牙技术、红外线技术和Zigbee技术。

4.人工智能技术 ​

人工智能是一种用计算机模拟某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考和规划等）的技术。关于人的。在物联网中，人工智能技术主要是对物体的“语音”内容进行分析，从而实现计算机自动处理。

5.云计算技术

物联网的发展离不开云计算技术的支撑。物联网终端的计算和存储能力有限，云计算平台可以作为物联网的大脑，实现海量数据的存储和计算。

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5 常用的物联网通信技术及协议MQTT协议

MQTT协议（Message Queue Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper于1999年为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求，MQTT协议在设计之初就包含了以下几个特点：实现简单、提供数据传输的QoS、轻量、占用带宽低。 MQTT协议是基于发布和订阅的通信协议，由Broker和连接到Broker的多个Client组成，如图所示。​​

2. MQTT-SN协议

MQTT-SN（MQTT for Sensor Network）协议是MQTT协议的传感器版本。MQTT协议虽然是轻量的应用层协议，但是MQTT协议是运行于TCP协议栈之上的，TCP协议对于某些计算能力和电量非常有限的设备来说，比如传感器，就不太适用了。 MQTT-SN运行在UDP协议上，同时保留了MQTT协议的大部分信令和特性，如订阅和发布等。MQTT-SN协议引入了MQTT-SN网关这一角色，网关负责把MQTT-SN协议转换为MQTT协议，并和远端的MQTT Broker进行通信。MQTT-SN协议支持网关的自动发现。MQTT-SN协议的通信模型如图所示。

3. CoAP协议

CoAP（Constrained Application Protocol）协议是一种运行在资源比较紧张的设备上的协议。CoAP协议通常也是运行在UDP协议上的。 CoAP协议设计得非常小巧，最小的数据包只有4个字节。CoAP协议采用C/S架构，使用类似于HTTP协议的请求-响应的交互模式。设备可以通过类似于coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature的URL来标识一个实体，并使用类似于HTTP的PUT、GET、POST、DELET请求指令来获取或者修改这个实体的状态。 同时，CoAP提供一种观察模式，观察者可以通过OBSERVE指令向CoAP服务器指明观察的实体对象。当实体对象的状态发生变化时，观察者就可以收到实体对象的最新状态，类似于MQTT协议中的订阅功能。CoAP协议的通信模型如图所示。

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4. Lw协议

LwM2M（ Lightweight Machine-To-Machine ）协议是由Open Mobile Alliance（OMA）定义的一套适用于物联网的轻量级协议。它使用RESTful，提供设备的接入、管理和通信功能，也适用于资源比较紧张的设备。LwM2M协议的架构如图所示。

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LwM2M协议底层使用CoAP协议传输数据和信令。而在LwM2M协议的架构中，CoAP协议可以运行在UDP或者SMS（短信）之上，通过DTLS（数据报传输层安全）来实现数据的安全传输。

5. HTTP协议

HTTP是一种使用统一资源标识符（Uniform Resource Identifiers, URI）来传输数据和建立连接，从万维网(www)服务器传输超文本到浏览器(客户端）的传送协议。在一些计算和硬件资源比较充沛的设备上，比如运行安卓操作系统的设备，可以使用HTTP协议上传和下载数据，就好像在开发移动应用一样。设备也可以使用运行在HTTP协议上的WebSocket主动接收来自服务器的数据。

6.LoRaWAN协议

LoRaWAN协议是由LoRa联盟提出并推动的一种低功率广域网协议，它和我们之前介绍的几种协议有所不同。MQTT协议、CoAP协议都是运行在应用层，底层使用TCP协议或者UDP协议进行数据传输，整个协议栈运行在IP网络上。而LoRaWAN协议则是物理层/数据链路层协议，它解决的是设备如何接入互联网的问题，并不运行在IP网络上。

LoRa（Long Range Radio,远距离无线电），是一种线性调频扩频的无线通信技术，它具有使用距离远、功耗低的特点。可以通过在工程设备上安装支持LoRa的模块，使用LoRaWAN技术进行组网，通过LoRa的中继设备将数据发往其他的有互联网接入的LoRa网关设备，LoRa网关再将数据封装成可以在IP网络中通过TCP协议或者UDP协议传输的数据协议包（比如MQTT协议），然后发往云端的数据中心。LoRa通信模型如下图所示：

7.NB-IoT协议

NB-IoT是指窄带物联网(Narrow Band Internet of Things)技术，是一种低功耗广域(LPWA)网络技术标准，基于蜂窝技术，用于连接使用无线蜂窝网络的各种智能传感器和设备，聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。 NB-IoT协议和LoRaWAN协议一样，是将设备接入互联网的物理层/数据链路层的协议。与LoRA不同的是，NB-IoT协议构建和运行在蜂窝网络上，消耗的带宽较低，可以直接部署到现有的GSM网络或者LTE网络。设备安装支持NB-IoT的芯片和相应的物联网卡，然后连接到NB-IoT基站就可以接入互联网。而且NB-IoT协议不像LoRaWAN协议那样需要网关进行协议转换，接入的设备可以直接使用IP网络进行数据传输。

NB-IoT协议相比传统的基站，增益提高了约20dB，可以覆盖到地下车库、管道、地下室等之前信号难以覆盖的地方。通信结构如图：

8、Zigbee

Zigbee是一种短距离网状组网无线通信技术，常用于连接10-100米范围内的设备，不通过LPWAN直接接入网络，需要通过集中器和网关接入。通过其网状拓扑，Zigbee设备可以通过中间设备在一定距离上传输数据。它的出现弥补了蓝牙、WiFi等通信协议高复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等缺陷。

Zigbee主要使用的标准有IEEE 802.15.4。ZigBee可工作在三个频段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz，其中最后一个频段世界范围内通用，16个信道，为免付费、免申请的无线电频段。三个频段传输速率分别为20kbps、40kbps以及250kbps。Zigbee组网结构如图：

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9、其他通信技术：基于WiFi、蓝牙、RFID、无线USB、红外通信等的短距离通信；SigFox、eMTC等长距无线通信技术。

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