淺析物聯網的感知層、網絡層與應用層

物聯網的概念在很早以前就已經被提出，20世紀末期在美國召開的移動計算和網絡國際會議就已經提出了物聯網(Internet of Things)這個概念。

最先提出這個概念的是MIT Auto-ID中心的Ashton教授，他在研究RFID技術時，便提出了結合物品編碼、互聯網技術和RFID的解決方案。

當時的提法是基于RFID技術、互聯網、EPC標準，基于計算機互聯網的基礎，利用無線數據通信技術、射頻識別技術，構造一個實現全球物體信息實物共享的互聯網，這種概念也是2003年第一輪物聯網熱潮的基礎。

在2005年物聯網的定義和范圍已經發生了變化，物聯網的覆蓋范圍也有了較大的拓展，已不僅僅是基于RFID技術的物聯網。雖然目前我國對物聯網還沒有一個統一的標準定義，但從本質上來看，物聯網是現代化信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術提升，將各種感知技術、人工智能和現代網絡技術與自動化技術聚合與集成的應用，使人與物品進行智慧對話，從而創造一個智慧的世界。

物聯網應用技術被稱為是信息產業的第三次革命性創新。物聯網的本質可以用三個方面進行概括：首先是互聯網的特征，即物品的互聯互通需要通過互聯網絡進行連接，其次是識別與通信的特征，即納入物聯網概念中的“物品”一定要具備自動識別實現物與物通信（M2M）的功能；三是智能化特征，即網絡系統應具有智能控制、自動化與自我反饋的特點。

從技術架構上來觀察，物聯網可以分為三層：感知層、網絡層與應用層，具體情形可查看下圖。

感知層的作用包括:

1. 數據采集:感知層通過各種傳感器和數據采集設備采集現實世界中的信息,如溫度、濕度、光照、聲音、位置、視頻等,這些信息被轉化為標準的電子數據格式并共享到物聯網系統的其他層面。數據采集是實現物聯網感知的基礎。

2. 設備控制:感知層不僅能夠采集數據,還可以根據上層的控制指令控制各種執行設備實現對實物的控制,如控制家用電器、工控設備等。這實現了物聯網系統與物理世界的交互。

3. 數據預處理:感知層在采集數據后會對這些數據進行必要的預處理,如格式轉換、去噪、數據校驗等,以產生更清晰和標準化的數據,方便上層應用系統使用。這屬于數據的初步提煉和加工。

4. 事件檢測:感知層可以基于采集的數據檢測和識別現實世界中的各類事件,如車輛通行、聲音異常、溫度超標等,并及時上報到應用層或網絡層。這是實現物聯網系統智能監控與感知的手段之一。

5. 信息匯聚:不同類型和不同來源的信息在感知層匯聚在一起,如聲光電信息的融合,為上層應用提供更豐富和綜合的信息,實現交互式智能應用。這也增強了物聯網系統的智能處理能力。

所以,感知層起到連接現實物理世界和網絡信息世界的橋梁作用。通過數據采集、設備控制和信息匯聚等功能,感知層可以實現準確而廣泛的環境感知,并結合一定的信息提煉與處理為上層網絡層和應用層提供關鍵基礎信息,這是構建智能化物聯網系統的前提條件。感知層的性能直接影響物聯網系統的可感知范圍和精確度。

網絡層的主要作用包括:

1. 信息傳輸:網絡層負責將感知層采集的數據和信息傳輸至應用層和其他網絡節點,同時也傳輸應用層的控制指令至感知層和執行層。它實現了物聯網系統各層級和網絡節點之間的信息交換和共享。

2. 網絡互聯:網絡層通過網狀網絡將大量節點連接起來,實現節點之間的互聯互通,構成廣泛的物聯網系統網絡平臺。網絡互聯是實現物聯網廣域覆蓋和系統擴展的基礎。

3. 信息路由:在網狀網絡中,網絡層負責正確路由信息至目標節點或層級。路由算法和協議是實現信息交換的關鍵手段,直接影響信息傳輸的效率和物聯網系統性能。

4. 信息安全:網絡層還需負責物聯網系統的信息安全工作,如身份認證、加密傳輸、防火墻等,保證節點和信息的安全可靠訪問與交換。這也是構建物聯網系統的重要環節之一。

5. QoS保障:網絡層需要提供服務質量保障機制,如資源預留、優先級設置等,滿足物聯網不同應用對信息交換服務質量的要求。這也屬于實現物聯網系統性能保障的手段之一。

6. 協議轉換:物聯網系統網絡層可能采用多種網絡協議,需要實現不同協議之間的轉換,保證各系統可以實現互聯互通和信息交換,如4G、3G與2G網絡之間的接口等。這增強了物聯網系統的兼容與擴展能力。

所以,網絡層作為物聯網系統架構的重要組成層,主要通過構建信息網絡來實現系統節點資源的互聯共享和信息的高效交換。 通過路由選擇、QoS保障和協議轉換等功能手段,使得龐大復雜的物聯網系統得以廣泛覆蓋和順暢運作。網絡層的性能直接影響物聯網系統的互聯互通能力和信息交換效率。

應用層的主要作用有:

1. 數據采集:物聯網應用層可以通過各種傳感器和終端設備采集現實世界中的數據,如環境溫度、視頻圖像、位置信息等,這些數據是物聯網系統運作的基礎。

2. 數據存儲和管理:物聯網應用層需要存儲和管理海量的采集數據,需要有強大的數據存儲和管理能力。這些數據可以支持后續的分析應用和智能應用。

3. 數據交互和共享:物聯網應用層需要實現不同終端和系統之間的數據交互、共享和集成,滿足物聯網應用的跨域數據融合需求。這需要標準數據格式和統一的數據交換接口。

4. 數據分析和挖掘:物聯網應用層需要從海量數據中挖掘出有價值的信息和知識,需要有強大的大數據分析和挖掘能力,這些分析結果可以推動智能應用的發展。

5. 智能應用:基于數據分析的結果,物聯網應用層可以開發各類智能應用來滿足不同行業和領域的需求,如智慧城市、智能家居、智能制造等。這些應用實現了數據到知識、知識到價值的轉化。

6. 系統集成:物聯網應用層還需要將多個異構系統如傳感網絡、通信網絡、數據中心等集成到一起,實現跨系統的數據交互和資源共享, vérit這是構建廣泛物聯網系統的基礎。

7. 可視化展示:物聯網應用層需要將復雜的數據和分析結果進行可視化處理,方便用戶查詢、監控和分析,這也是物聯網系統的重要接口之一。

所以,物聯網應用層扮演著連接物理層、網絡層與用戶層的角色,主要作用是采集數據、存儲數據、共享數據、分析數據和展示數據,并最終通過各類智能應用為用戶和企業創造價值。它是實現物聯網功能的關鍵。

審核編輯：劉清