基于云的物联网体系结构

魏平平

湖南工艺美术职业学院，湖南益阳 650217

1 物联网

物联网（the Internet of Thing, IOT）是近几年提出的一个由多项信息技术融合而成的新型技术体系。在实际应用中，通常把感应器、处理器和无线通信模块嵌入或者装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑物等各种物体中，使他们能够相互连接，组成一个无所不在的网络。物联网可以理解为具有两层含义：第一，物联网是以互联网为基础，进行延伸和扩展的一种网络；第二，是以客户端为基础，从客户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络。

我们正处于一个新的通信时代的边缘，信息与通信（ICT）的目标已经从满足人与人之间的沟通，发展到人与物、物与物之间的交流，一个无所不在的物联网通信时代即将来临。在产业界，IBM在2008年底提出了“智慧地球”概念。国际上多个国家和地区都已经启动了相应的研究计划，如日本的U-Japan计划、韩国的U-Korea计划等。在我国，从上世纪90年代末就开始了传感网的研究。2009年8月，温家宝在无锡视察的时候提出了“感知中国”理念。

2 云计算

随着互联网时代信息与数据的急剧增长，科学、工程和商业计算领域需要处理大规模、海量的数据，对于计算能力的需求远远超出了自身IT架构的计算能力，这时就需要不断加大系统硬件投入来实现系统的可扩展性，云计算应运而生。云计算（Cloud Computing）是新近提出的一种计算模式，是分布式计算、并行计算和网格计算的发展。 是一种基于互联网的超级计算方式。

云计算具有支持虚拟化、提供服务质量保证（QoS）、高可靠性、自治性等特征。云计算现已经成为下一代IT发展的趋势，产业界已经投入了大量的人力物力着手进行云计算的各种研究和应用开发。

3 物联网体系结构

对物联网的研究必然要对物联网的体系结构进行深入理解，要研究物联网的体系结构，就必须从物联网已有的应用系统和应用实例着手。物联网目前已经在仓储物流、智能楼宇、路灯管理、智能电表、城市自来水网灯基础设施以及医疗护理等领域得到了应用。在安防监控、物品防伪鉴定、智能交通、工业控制等方面也将大有作为。目前很多的物联网应用实例基本上都围绕着这些领域展开。物联网已有的体系结构有：物联网的自主体系结构、物联网的EPC体系结构、物联网的UID技术体系。当前，较具代表性的物联网架构有欧美支持的EPC Global物联网体系架构和日本的Ubiquitous ID（UID）物联网系统等。我国也积极参与了物联网体系结构的研究，正在积极制订符合社会发展实际情况的物联网标准和架构。

4 一种基于云的物联网体系结构

联网已有的体系结构无法构成一个通用的物联网系统。以下是从物联网数据传送、物联网安全、数据处理等方面讨论物联网的体系结构。

物联网中数据是有各种信息感知设备，如温度传感器、湿度传感器、光感应器、压力感应器、震动感应器、摄像头等，来完成各种数据的感知。感知的数据通过第三方提供的云存储服务，实时存储于云中。各种应用从云中提取数据，并进行相应的业务逻辑处理，同时可以向相应的传感器请求应用所需的具体数据。管理层负责数据的验证，传感设备的控制，物联网应用的认证。主要结构如图1所示。

图1 基于云计算的物联网体系结构

1）感知层：主要功能是信息的感知，数据的收集，主要包括各种感应设备，RFID标签，二维码，读卡器等。物联网通过这些设备来完成信息的采集。由于云平台具有无限的存储能力，感应数据通过相应的网络协议转换网关经互联网存储到云中，物联网应用通过云服务可以在任何地方任何时间都能读取所需的第一手数据资料；

2）管理层：管理是对感知数据进行数据挖掘，如温度传感器，在某一个区域内所部署的多个温度传感器，因传感器工艺以及敏感度的差异，在某一时刻上传的温度数据就可能存在误差，这时就必须要有一个合理的值传给物联网应用，此时就需要对多个温度数据进行处理，或去均值，或者按权去值；同时管理层还害负责物联网应用对数据读取的合法性进行认证，没有通过的物联网应用将不能得到所需要的所有信息，对物联网的安全起着至关重要的作用。管理层还可以向感应设备发送控制指令，比如固件升级指令，设备的电量查询，以及设备是否工作正常等。

因云平台具有超强的计算能力，管理层通过相关组件大部分的业务逻辑交由云代为处理，解放了物联网的计算压力；

3）应用层：应用层主要是由各种物联网的应用组成。物联网应用首先向管理层申请相关的服务，得到管理层认可后应用层就可以从接入的网络上获取所需要的信息，同时可以向感知层发送符合相关协议的信息获取感应设备的信息以及可以控制相关的感应设备。

4）云服务：云主要提供数据的存储，高性能计算服务。物联网感知的数据具有很大的异构性，如温度传感器感应的数据是温度值，湿度传感器感应的是湿度值，摄像头获取的是视频信息，同时感应设备在管理层的控制下不断的向外传送数据，从而将有海量的数据需要存储和进行实时处理。因此数据的存储和实时处理成为物联网发展的一大难题。而云计算提供了大量的服务器集群，具有无限的存储能力和超级计算能力，将物联网从数据存储和计算能力有限中解脱出来。

图2 基于云服务的物联网体系结构整体架构

整个运行的流程可以这样描述。感应设备感应的数据通过接入网关，根据网络转换协议，将数据存储到云服务上，管理层通过相关逻辑组件（中间件）对数据进行加工处理，物联网应用通过管理层认证后，通过应用层组件（中间件）获取信息。应用层也可以同过相应的组件向管理层请求所需数据信息和对感应设备的控制，管理层通过向感应层发送指令，判断感应设备的运行状况。整个体系的整体架构如图2所示。

5 结论

将云服务的物联网体系结构，将云服务的无限存储能力和超强的实时计算能力融入到物联网应用中，和物联网的任意地方，任意时间，任意服务，任意网络，任意对象以及融合、内容、计算、通信、连接等特征相结合，依靠强大的云计算能力，让物联网从海量数据存储和处理中解脱出来，给物联网减压，使得整个物联网的研究主要放在相关协议的制定和物联网应用的开发，为物联网的发展提供一点建议。

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