物联网感知层结构关键技术及应用分析

1 物联网感知层结构研究及应用的现状

随着国内信息化产业的发展,物联网成为整个信息产业过程中发展最为迅速的产业之一,物联网崛起同时也成为相关产业的驱动基础,在“感知中国”的国家战略计划指导下,成为信息化产业一个新的科技导向,在一系列创新经济的产业变革中发挥了巨大推动力[1]。我国从最初的技术引进吸收到逐步实现“智慧地球”信息化战略,目前物联网已经成为信息通信行业亿元级新兴产业,2019年中国国际物联网大会数据统计表明:截至2019年全球物联网设备连接数量达到110亿,2025年将达250亿,年平均增长率达15%。具体到我国,截至2019年三季度授权频段蜂窝物联网终端连接数量达到9.2亿,2025年这一数据将达18.9亿。物联网发展的态势将引领信息化技术发展方向。

为此政府管理机构出台了一系列鼓励物联网产业发展的重大科技专项政策,在这一政策导向性作用下,新一代物联网技术的研究与国内信息技术、材料技术、集成系统技术等进行整合利用,逐步构建新一代物联网体系架构,在行业具体技术应用上取得的一系列重大进展推动了国内整体物联网产业技术进步,同时也带动了其它新兴产业发展。如在智能电网的应用中,将电网终端智能电表通过无线或电力线连接进行数据存储与分析,即时性地掌握民用、工业、生产流通等行业电力消费状况,进行科学合理的电力调节与分配,提高了电网管理效率。物联网技术正呈现出多元化以及整体嵌入化的智能特征。

物联网时代已经突破了传统人与物和物与物间的沟通维度,在相关科学技术发展基础上如分布式计算技术、无线射频技术、传感器、嵌入式智能技术、无线传输及实时数据交换技术等技术进行整合利用,技术逐步成熟。物联网通过对这些技术进行借鉴和利用,在这一基础上逐步建立了一个全新的“物与物”相连的网络,从而完成了新的技术变革与创新,对新的信息渠道进行拓展与信息利用,对即时性的数据读取、信息交换、远程控制等进行数据分析、存储与运用,为社会的发展提供智决策应用分析,极大地提升了现代人的生活质量[2]。

2 物联网感知层标准体系架构的建立与应用

纵观现代物联网技术体系架构建立过程,从无到有、从小到大、从局部到整体是个循序发展的过程,从整体上可分为感知层、网络层、应用层三个应用层次。作为物联网运用的基础技术设备部分,感知层主要是对信息感知功能的运用,负责对信息的感知、收集与分析,为控制平台建立数据库并实时评估数据的效度与信度,对数据进行有效感知,这一基础功能决定了物联网的科学管理与作用。目前国际与国内感知层技术标准有着一定差异性,正在制定和完善相关技术标准体系的建立,这对物联网国际化发展有着重大意义。感知层的基础技术设备经过多年发展和应用相对成熟,主要包括网络、通信、信息处理、传感器、安全、服务技术、标识、定位、同步等传统技术,还涉及到协同处理等新技术应用,技术范畴较广,覆盖的行业范围较宽。网络层则包括目前国内已完成和建立的各种信息通信网络、有线无线网络、物联渠道网络等承载网络,通过对不同网络间的数据进行精准分析与有效传送,在应用区域内快速完成感知层和应用层间的信息通信,应用层通过业务支撑平台的信息获取,对信息进行汇总、分析、判断、共享等进行实践应用[3]。

2.1 物联网感知层标准体系框架结构

目前国内对于物联网感知层标准体系框架中的技术要求主要包括:技术术语、接口、通信与网络、协同信息处理、信息服务支持、一致性和互用性测试等技术,对此主要技术构成的模块进行分别探讨与研究。

2.1.1 传感器接口

现行传感器接口存在多种不同技术标准,在实际应用中给工作带来诸多不便,业内对此进行了广泛地信息收集与分析,出台和制定了传感器接口标准技术参数指标,实际工作中分为模拟和数字两大类接口种类,应用最为广泛的技术指标接口包括4-20mA、0-5V、SPI、RS-232等,这些接口标准还需进一步制定规范化的技术标准以满足社会工业化发展需求。国内不同生产厂家传感器品类众多,不同品牌的传感器格式也存在差异化,这就导致应用场景不同传感器数据类型难以兼容,由于传感器的格式存在多样化,在具体应用领域过程中必须进行必要的规范化、系统化地制定标准措施,常用的数据类型包括音频数据、视频数据、图像数据、文本数据等,编码和压缩后的数据格式包括MPEG、JPEG、ASN.1、XML等。首要解决的技术难题是对不同数据类型进行分类处理,对不同格式进行归纳统一,尽快制定和完善统一的行业体系标准,使不同品牌传感器在应用场景中出现的数据得到兼容,提升感知层的应用范围与效率。

2.1.2 通信和网络标准

目前国内传感器生产商在感知层网络协议的组织、配置、技术要求等都进行了预先设定,众多品牌的技术兼容性成为急需解决的问题,为此国家信息化管理相关部门出台了一系列相关标准,如对应用通信标准的设定成为首要解决的技术问题。同时要求国内品牌生产厂家对已有标准进行改进,要求符合相应的国标体系,对已使用的品牌兼容技术进行必要补充和剪裁,依据现有国家相关技术参数及标准将感知层基础平台的通信和网络标准分为物理层、MAC层、网络层和主干网接入层。

感知层设备在原始数据传输的方法上存在不同传输方法,需对原始数据传输方法进行分配。同时针对不同感知层的市场需要进行技术等级分配,对技术等级和技术手段进行分级设定,对不同技术等级要求制定相应的标准,使感知层技术存在着一定差异化,主要包括对发送频率、调制方法、短距离通信策略、长距离通信策略、低速率传输、高速率传输等技术等级的要求。目前正在使用的有线和无线通信技术标准已相对成熟,主要包括RS-232、RS-422、RS-423、RS-485、PLC、HFC、CAN、Ethernet等有线标准和IEEE802.15.3、IEEE802.15.4、蓝牙、CDMA、WLAN等无线标准。随着通信和网络技术的飞速发展,产品技术的升级换代,实现设备间、企业网间互连,对感知层各种应用技术的共性需求进行兼容使用,对物理层标准体系的制定成为目前需解决的首要技术问题。

在感知层的多种设备之间,MAC层确保各种设备间实现技术兼容与连接,同时为提高工作效率相应减少设备间的数据交换,在减少数据丢失的同时进行数据流量与方向控制,对错误数据进行检测并作出纠正。现有的一些MAC层协议需进行必要的技术升级,通过对现有MAC层协议如SMA/CA、动态TDMA、S-MAC等的扩展性、信道接入控制技术、流量和差错控制技术等研究制定,逐步提高MAC层标准。

网络层中所包含的流量控制、差错检测、中继等技术是网络层的核心技术组成部分,随着网络技术的不断革新,上述技术的选择与应用版本也在不断升级,网络层通过有线与无线两种方式的信息传输,实现感知层设备和网关时间的同步和自定位,使不同协议网络的配置能够协同工作,再进一步完善信息通信、消息存储、计算能力等一系列关键技术难题,最终实现感知层与主干网的接入。

2.2 物联网感知层标准体系架构的应用

在现有网络的基础上,物联网感知层技术也随着信息技术的不断发展而增加了众多新功能。目前通用的信息网络管理协议没有设定相关技术对新功能的应用支持,因此在物联网感知层不断升级换代过程中,在现有网络管理协议基础上对几个技术层面进行提升和改进,如对SNMP、ZigBee等进行拓展,实时制定业内新网络管理协议标准,对不同管理协议如何实现协同工作等专业技术标准进行具体制定。

2.2.1 移动支持

物联网感知层的移动支持技术应用范围较宽,从总体上可分为即网关移动、设备移动、用户移动、环境移动。由于在实际应用过程中每一种移动方式都有相应技术支持,因此涵盖技术种类多,涉及技术范围较广,因此每一种移动支持都具有自身技术特点。在充分考虑网络布设的数量及成本基础上,在区域内更改网关IP和内网IP建立新的移动支持。为实现远距离通信,感知层内部设备与网关则需经过多层技术的链接,为此而产生的信息能耗较大,可通过网关移动在设定区域内增加网关覆盖面积,这样可大大缩短区域内缩网关与设备间的距离,同时把感知层的设备与可移动的物体通信载体相配套使用,降低网络通信所产生的能量消耗。

2.2.2 协同信息处理

物联网中的能量、通信、存储、计算能力等技术是一个综合应用过程,必须将上述技术进行技术整合,也就是协同信息处理技术的应用,使网络效率等到最大化的应用。现行的实际应用过程中通常从三方面进行建模使用,即性能公告实体CDE、协同策略规划实体CSPE、通信需求定义实体CRSE,三个模块技术的支持点分工明确,对应的技术层面重点各有不同。性能公告实体主要是在物联网感知层中对感知层设备自身性能的技术应用,而协同策略规划实体主要体现在技术应用过程中对技术能源消耗的均衡性,同时实时计算出最佳的协同处理方案,通信需求定义实体主要是通过信息共享设置技术对不同的信息交换接口进行通信标准设定,同时对网络接口的不同参数进行设置,在工作区域内满足不同的通信需求,主要包括对信息描述、信息存储、信息标识、目录服务等技术服务。如何动态地对信息进行采样、数据压缩,最大限度地减少和降低数据存储量,必须对信息进行有效标识,在目前已有的一些技术标准基础上如OID、URI等技术对信息进行标识。

3 物联网感知层应用服务

对物联网感知层的应用服务可从两方面进行界定:一是物联网的系统配置管理是否满足了应用需求,二是是否提升了物联网感知层的应用服务质量,对此制定相应的服务质量标准对感知层服务质量进行科学评估。由于应用场景存在差异性,判断评估方法应有所差异,从而要求在制定评估体系的标准既有共性评估标准又要有所差异,制定科学合理的评估体系来满足对物联网感知层应用服务的评估。感知层应用服务模式可分为时间驱动型、事件驱动型和查询驱动型。在一定时间内对物联网感知层应用服务进行评估,及时修正改善应用服务的不足之处,或在一定周期内进行评测,在这一周期内进行数据的收集、分析与评估,对信息感知制定新的服务内容,如在环境监测物联网的应用中感知层应用服务即以时间驱动型为主。事件驱动型通常是以特定事件发生为触发点进行事件驱动型感知层应用服务,为相应的信息感知提供任务是目前物联网应用关键服务类型之一。数据库的建立是查询驱动型应用服务的基础,在这一基础上利用数据库的功能及时为用户查询提供信息感知服务[4,5]。

针对三种应用服务模式的综合评估应从通信质量和信息处理质量两方面加以评估。现代物联网不仅是需要处理一个信息种类众多存储的数据库系统,同时还要求物联网要及时准确地将这些信息进行有效传输,完善信息处理的正确率,减少信息误差,加强网络安全与隐私,对应用服务质量进行综合评估的一个过程。在实际应用中由于物联网感知层的应用服务存在多种服务形式与种类,而每一个特殊应用需求所对应的服务形式和种类都存在着差异,所以需对具体感知层的服务特征、处理函数、接口程序、运作属性等进行具体定义。

4 结语

目前国内对于物联网感知层还有待于深入化、系统化地开展研究,随着信息技术、计算机技术以及互联网技术的飞速发展,在这一基础上需业内技术及相关人员不断去实践总结。本文通过对物联网感知层结构关键技术的共性进行总结,为推动物联网产业的发展与同行进行有益的探讨。

（编辑：威海站长网）

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