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1.2 物联网技术架构

2018年,AIoT的概念问世。AIoT推进了“物联网+云计算+5G+边缘计算+大数据+智能+控制”技术的深度融合与创新发展,将物联网技术、应用与产业发展推向一个新的阶段。

图1-3给出了AIoT技术架构示意图。AIoT技术架构是由感知层、接入层、边缘层、核心交换层、应用服务层与应用层这6层组成。

感知层是物联网的基础,能够实现感知、控制用户与系统交互的功能。感知层包括传感器与执行器、RFID标签与读写设备、智能手机、GPS、智能家电与智能测控设备、可穿戴计算设备与智能机器人等移动终端设备,涉及嵌入式计算、可穿戴计算、智能硬件、物联网芯片、物联网操作系统、智能人机交互、深度学习和可视化技术。在有些文献中,感知层又称为设备层。

接入层担负着将海量、多种类型、分布广泛的物联网设备接入物联网应用系统的责任。接入层采用的接入技术可以分为有线接入与无线接入两类。有线接入技术包括:以太网、电话交换网、有线电视网、现场总线与工业以太网、光纤与光纤传感网、电力线接入等。无线接入技术包括:近场通信NFC、UWB,近距离无线通信网ZigBee、BLE蓝牙、6LoWPAN、NB-IoT,无线Wi-Fi接入,5G云无线接入网C-RAN、异构云无线接入网H-CRAN,以及无线自组网Ad hoc、无线传感网接入等。

边缘层又称为边缘计算层,它将计算与存储资源(如边缘云、微云或雾计算节点)部署在更贴近于移动终端设备或传感器的网络边缘,构成边缘云平台,将对于实时性、带宽与可靠性有很高需求的计算任务迁移至边缘云中处理,以减小服务响应延时、满足实时性应用需求,优化与改善终端用户体验。边缘云与核心云协作,形成“端-边-云”的三级数据处理模式。

图1-3 AIoT技术架构示意图

作为提供行业性、专业性服务的物联网核心交换层的广域主干网,承担着让接入网与分布在不同地理位置的业务网络实现互连互通的功能。对网络安全要求高的核心交换网分为内网与外网两大部分,内网与外网通过安全网关连接。核心交换网的内网可以采用IP专网、虚拟专网(VPN)或5G核心网技术构建。

应用服务层软件运行在云计算平台之上。应用服务层为物联网应用层需要实现的功能提供服务。提供的共性服务主要包括对物联网多传感器数据的融合技术;从数据中挖掘知识的大数据技术;根据智能决策要求,向用户提供可视化的辅助决策技术;通过对系统的闭环智能控制功能,数字孪生将大大提升物联网系统闭环控制智能化水平。区块链将为构建物联网信任体系提供重要的技术支持。

应用层包括智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能医疗与智能家居等行业物联网应用,以及消费物联网应用。无论是哪类应用,从系统功能实现的角度,都是要将代表系统预期目标的核心功能分解为多个简单和易于实现的功能。每个功能的实现都需要经历复杂的信息交互过程,每个信息交互过程都需要制定一系列的通信协议。因此,应用层是实现某类物联网应用的功能、运行模式与协议的集合。软件研发人员将依据通信协议,根据任务需要来调用应用服务层的提供不同服务的软件模块,通过协同工作来实现物联网应用系统的总体功能。

综合对AIoT技术架构与跨层共性服务的讨论,我们可以给出由“六个层次”与“四个跨层共性服务”构成的AIoT层次结构参考模型(如图1-4所示)。

图1-4 AIoT层次结构参考模型

理解物联网接入层的基本功能,需要注意以下几个问题:

● 接入层的主要功能是将感知层的传感器、执行器与用户终端设备接入物联网应用系统中;

● 接入层需要根据具体的接入设备类型、功能需求与数据类型,有针对性地选择不同的接入网;

● 接入网在物联网系统的设计与实现中,需要考虑网络安全、网络管理、对象名字解析与QoS/QoE的问题。

物联网产业界人士,如系统架构师与系统设计工程师、软件开发人员习惯用更为简洁的“端-边-网-云-用”或“端-边-云”来表述物联网应用系统层次结构,其中的“端”包括感知层与接入层。 wU7Dr7UDG2l9y37DgFUioIA4DLalS5RaZXeLsq7q8QmxRr5Lx7/cDHJlsG7hiPUc

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