1.1.4 物联网架构

物联网体系结构作为物联网系统的顶层全局性描述，指导各行业物联网应用系统设计，对梳理和形成物联网体系具有重要指导意义，是物联网标准制定和应用发展的基础。

在国际方面，有许多国际标准化组织或联盟研究物联网体系结构，包括国际标准化组织/国际电工委员会/物联网及相关技术分技术委员会（International Organization for Standardization/International Electrotechnical Commission JTC1/ SC41，ISO/IEC JTC1/SC41）、国际电信联盟物联网和智慧城市研究组（ITU Telecommunication Standardization Sector，ITU-T SG20）、电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）、工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC）、物联网领域国际标准化组织（OneM2M）、欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）等。这些组织研究的物联网体系结构虽然表现形式不同，但本质基本一致，区别主要与描述物联网的视角有关。ITU-T SG20提出了泛在网和物联网的架构，ETSI对M2M体系结构进行分析，ISO/IEC JTC1专门成立了SC41开展物联网相关的标准化工作，发布了物联网体系结构标准ISO/IEC 30141: 2018 Internet of Things （IoT） - Reference Architecture。IEEE 开展了物联网架构方面的标准研制。OneM2M需求工作组研究M2M的业务需求，架构工作组研究了M2M的功能架构。

IIC、IEEE、IoT-A（Internet of Things Application）这些组织都从不同侧面研究物联网及相关行业应用的体系结构。IIC发布了《工业互联网的体系结构技术》报告，从工业互联网行业领域剖析物联网的关键系统属性，给出了业务、功能、使用、实现等视角的架构模型，在系统结构设计上更注重控制、计算、实时性、安全性等方面的要求。IEEE P2030研究智能电网体系结构，从应用系统、通信、信息3个角度给出了详细的体系结构设计，从3个视角描述系统主要实体和实体之间的接口。IoT-A在欧盟第七框架计划下，联合NEC、Siemens、SAP等相关公司开展了物联网架构研究项目，该组织发布了一系列物联网的研究报告，从域模型、信息模型、功能模型和通信、安全等角度开展参考模型研究，给出了应用、功能、信息、布设和运行等不同架构研究视角。

在国内方面，国家标准化管理委员会、国家发展和改革委员会于2010年11月联合成立了国家物联网基础标准工作组，该工作组的主要职责是研究和制定物联网基础领域的标准，包括研究物联网标准体系，制定物联网基础性和通用性技术标准，于2016年12月发布了GB/T 33474—2016《物联网 参考体系结构》。2019年11月，全国信息技术标准化技术委员会物联网分技术委员会（SAC/TC 28/SC41）成立大会暨第一次全体会议在北京召开，SAC/TC 28/SC41同国际ISO/IEC JTC1/SC41对口，负责我国物联网标准制定和修订工作并推进物联网国际标准化工作。中国通信标准化协会泛在网技术工作委员会（TC10）开展了泛在网/物联网术语、需求、总体框架与技术要求等标准研究项目。

1.1.4.1 物联网三层架构

物联网三层体系结构如图1-4所示，图1-4中将物联网的主要技术分为感知层、网络层和应用层技术。

图1-4 物联网三层体系结构

感知层是感知体系结构的根本基础，是实体世界和信息世界的衔接层。主要采集传感器、条码/RFID、执行器、工业控制器、多媒体、位置等信息，应用资源管理、设备管理、数据分析、数据存储、协议适配、协议解析等处理技术，实现物理空间和信息空间的感知互动。

网络层主要实现信息的传送和通信。网络层建立在现有的远距离通信和近距离通信的基础上，将采集的信息通过网关设备汇聚到网络中，最后将感知信息汇聚到应用层。

应用层主要将感知技术与行业专业系统相结合，提供设计、生产、管理、服务等分析处理服务，提供农业、林业、公共安全、交通、环保、纺织、电力等行业的应用解决方案。

1.1.4.2 物联网六域架构

GB/T 33474—2016《物联网 参考体系结构》作为物联网系统的顶层架构设计规范，基于物联网概念模型，为物联网应用系统设计者提供了系统分解参考依据，也为不同物联网应用系统之间的相互兼容、互操作和资源共享提供了重要基础。在开发不同物联网应用系统时，开发者可选择体系结构所定义的部分或全部业务功能域和实体，也可对不同的业务功能域或实体进行组合或拆分后使用。同时，开发者也可根据自身特定的需求，调整体系结构中未涉及的相关业务功能域或实体[9]。

该标准定义了物联网体系结构相关术语，给出了物联网概念模型，并基于概念模型给出了物联网体系结构。物联网概念模型、体系结构和应用系统的关系如图1-5所示。一方面，物联网体系结构可指导不同物联网应用体系结构的设计，从而规范物联网应用系统的实现；另一方面，通过物联网应用系统的抽象、演绎，可得到通用的物联网概念模型和体系结构。

图1-5 物联网概念模型、体系结构和应用系统的关系

物联网概念模型由用户域、目标对象域、感知控制域、服务提供域、运行维护管控域和资源交换域组成。域之间的关联表示域之间存在逻辑关联或者物理连接。基于物联网概念模型，从物联网体系结构中功能系统组成的角度，给出物联网系统各业务功能域中主要实体及实体之间的接口关系如图1-6所示。

图1-6 物联网系统各业务功能域中主要实体及实体之间的接口关系

（1）用户域

用户域是不同类型物联网用户和用户系统的实体集合。用户系统是支撑用户接入物联网、使用物联网服务的接口系统。从物联网用户总体类别来划分，物联网用户系统可分为政府用户系统、企业用户系统、公众用户系统等。

（2）目标对象域

目标对象域是物联网用户期望获取相关信息或执行相关操控的对象的实体集合，可包括感知对象和控制对象。感知对象是物联网用户期望获取信息的对象，控制对象是物联网用户期望执行操控的对象。感知对象和控制对象可与感知控制域中的实体（如传感器网络、标签识别系统、智能化设备接口系统等）相关联，实现实体世界和虚拟世界的接口绑定。

（3）感知控制域

感知控制域是各类获取感知对象信息与操控控制对象的软/硬件系统的实体集合。感知控制域可实现针对实体世界对象的本地化感知、协同和操控，是为其他域提供远程管理和服务的接口。感知控制系统通过不同的感知和执行功能单元实现对关联对象的信息采集和控制操作，可实现本地协同信息处理和融合。感知控制系统可包括传感器网络、标签识别系统、位置信息系统、音/视频信息采集系统和智能化设备接口系统等。物联网网关是支撑感知控制系统与其他系统互联，并实现感知控制域本地管理的实体。物联网网关可提供协议转换、地址映射、数据处理、信息融合、安全认证、设备管理等功能。

（4）服务提供域

服务提供域是实现物联网基础服务和业务服务的软/硬件系统的实体集合。服务提供域可实现对感知数据、控制数据及服务关联数据的加工、处理和协同，是为物联网用户提供对实体世界对象的感知和操控服务的接口。

业务服务系统是面向某类特定用户需求，提供物联网业务服务的系统，业务服务类型包括但不限于对象信息统计查询、分析对比、告警/预警、操作控制、协调联动等。

基础服务系统是为业务服务系统提供物联网基础支撑服务的系统，包括数据接入、数据处理、数据融合、数据存储、标识管理服务、地理信息服务、用户管理服务、服务管理等系统。

（5）运行维护管控域

运行维护管控域是实现物联网运行维护和法规符合性监管的软/硬件系统的实体集合。运行维护管控系统是管理和保障物联网中设备和系统可靠、安全运行，并保障物联网应用系统符合相关法律法规的系统，根据功能划分可分为运行维护系统和法规监管系统。运行维护系统可实现系统接入管理、系统安全认证管理、系统运行管理、系统维护管理等功能。法规监管系统可实现相关法律法规查询、监督、执行等功能。

（6）资源交换域

资源交换域是实现物联网系统与外部系统间信息资源的共享与交换，以及实现物联网系统信息和服务集中交易的软/硬件系统的实体集合。资源交换系统根据功能划分可分为信息资源交换系统和市场资源交换系统。资源交换域可获取物联网服务所需的外部信息资源，也可为外部系统提供其所需的物联网系统的信息资源，以及为物联网系统的信息流、服务流、资金流的交换提供保障。信息资源交换系统是为满足特定用户服务需求，在获取其他外部系统必要的信息资源，或为其他外部系统提供信息资源的前提下，实现系统间的信息资源交换和共享的系统。市场资源交换系统是为有效提供物联网应用服务，实现物联网相关信息流、服务流和资金流的交换的系统。

1.1.4.3 三层架构与六域架构的关系

三层架构和六域架构的表现形式不同，但本质基本一致，区别主要与描述物联网的视角有关。三层架构与六域架构的映射关系如图1-7所示。

图1-7 三层架构与六域架构的映射关系

（1）感知技术

感知技术指通过直接与对象绑定或与对象连接的数据采集器、控制器技术，完成对对象的属性数据识别、采集和控制操作，包括以下技术。

① 传感器技术，根据传感器使用的敏感元件技术划分，可以分为物理类、化学类、生物类等。

② RFID技术，包括RFID标签的附着技术和读写器技术。

③ 接口技术，其核心是数据协议转换技术。

④ 多媒体信息采集技术，包括音/视频的采集技术、编/解码技术等。

⑤ 位置信息采集技术，包括全球定位系统（Global Positioning System，GPS）技术、北斗卫星导航系统定位技术、移动通信网络定位技术等。

⑥ 执行器技术，是指接收控制数据并操控控制对象（如改变位置和形态等）的技术，根据执行器类别差异，采用不同的机械或电子等执行器技术。

对感知数据和控制数据的加工处理技术，包括以下技术。

① 传感器网络技术，使用自组织网络技术、总线网络技术等近距离网络技术，或使用移动通信网络技术，将一定范围内的若干传感器网络节点构成网络，以满足数据处理和网络管理的需要。

② 模/数转换技术，将感知数据从模拟数据转化为数字数据，从而提高精度、降低信息冗余度。

③ 网关技术，实现传感器网络和其他类型网络连接，并实现数据汇聚、控制数据生成和分发，可采用近场的闭环控制、数据存储、人机界面等技术。

④ M2M终端技术，是指支持M2M相关通信协议的网关技术。

⑤ 传感器网络中间件技术，是指保障感知数据与多种应用服务的兼容性的技术，包括代码管理、状态管理、设备管理、时间同步、定位等。

（2）网络技术

网络技术是为感知系统提供通信支撑的技术，在概念模型的域内和域间均需依靠网络技术实现实体之间的通信连接和信息交换。不同的网络技术可支持不同的域内和域间通信，如自组织网络技术、总线网络技术等近距离网络技术主要应用于感知控制域，域间一般使用广域网络技术，各种局域网技术主要用于域内，移动通信技术在域间和域内都可以使用。

（3）应用技术

应用技术实现对感知数据的深度处理，形成满足需求的各种感知应用服务，通过人机交互平台供用户使用。应用技术分为应用设计技术、应用支撑技术、终端设计技术3个子类。

① 应用设计技术，是进行行业或专业感知应用系统分析和建模，构造行业或专业感知应用系统框架的软件技术。

② 应用支撑技术，是为感知应用提供基础数据和业务服务的技术，通过海量存储、数据挖掘、分布式数据处理、人工智能、M2M平台、媒体分析等，对感知数据进行数据深度处理，形成与应用业务需求相适应、实时更新、可共享的动态基础数据资源库。使用面向服务的架构（ServiceOriented Architecture，SOA）中间件技术，形成规范、通用、可复用的业务服务。

③ 终端设计技术，利用计算机终端、手机终端、专用终端、显示系统、人机工程、输入/输出技术等构造友好、高效、可靠的用户终端。