物联网结构的探索与研究

邵泽华

摘 要：通过对物联网现有结构的分析和研究，指出了现有物联网体系结构的局限性，并以中国传统文化为理论基础，发现了物联网的客观存在和物联网信息世界的客观规律，揭示了物联网的本质，构建了物联网的世界观和方法论，并对物联网体系结构以及物联网产品的功能结构与实现方式进行了阐述。

关键词：物联网；体系结构；世界观；方法论；信息

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-00-08

0 引 言

物联网是由信息将物与物、物与人相联，通过感知实行控制的信息万维网，是一个信息网络世界，是客观存在的自然现象，是人与自然的和谐统一，是道法自然的真实体现。

人类在不断探索宇宙世界的过程中积累了大量的方法和技术，随着科技的发展，人类开发了互联网技术和信息技术，在互联网技术和信息技术的应用中触碰了物联网。物联网是由“物”和信息网组成的信息体系，信息网包括物理信息网、生物信息网、化学信息网等宇宙信息网，“物”加“互联网”是物联网的一种表现形式。

现有的物联网相关产品都是互联网产品的发展与升级，它们都来源于互联网，是利用云计算、大数据、信息安全管理、空间地理信息集成等新一代信息技术用以丰富互联网功能，提高互联网效率的产物。从应用发展角度来看，在目前阶段，普遍认为M2M（Machine to Machine）是物联网最主要的表现形式，M2M是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务，它与社会的发展和人们的生活、工作密切相关，目前，智能交通、智能家居、食品安全管理、环保监测、人员出入管理、仓储与供应链管理等应用已在国内外小范围内推广应用。但本质上M2M还是互联网的升级，是互联网+智能交通、互联网+食品安全管理、互联网+环保监测等的应用。

1 物联网结构的研究现状

目前普遍认为，物联网体系结构是对物联网系统的顶层全局性描述，它是各类具体物联网系统的抽象模型，是各行业物联网应用设计的指导性模型[1]。对物联网体系所涉及的感知设备、控制设备、通信设备等基础设施的建设和各类信息软件的开发具有方向性的指导作用。目前使用最多的结构是如图1所示的三层体系结构，该结构将物联网分为感知控制层、网络传输层、应用服务层三个层次。

图1 物联网的三层体系结构图

欧盟第七框架计划（Framework Program7，简称FP7）专门设立了两个关于物联网体系结构的项目，一个是SENSEI[2]，其目标是通过Internet将分布在全球的传感器与执行器网络（WS&AN）连接起来，组成一个真正的世界互联网，并定义开放的服务访问接口与相应的语义规范来提供统一的网络与信息管理服务，还能提供能量管理、安全、隐私保护、信任管理与记账机制，实现高能效、精准、可靠的环境信息获取以及与物理世界的交互；另一个是IoT-A[3]，其目标是建立物联网体系结构参考模型和定义物联网关键组成模块，并通过一个实验范例，采用仿真与原型系统验证体系结构的设计原理和设计准则，探索不同体系结构对物联网实现技术的影响.此外，近年来国内外的研究人员也对物联网体系结构进行了广泛深入的研究，提出了多种具有不同样式的体系结构。比如，由美国麻省理工学院和英国剑桥大学等7个高校组成的Auto-ID实验室提出的网络化自动标识系统（Networked Au-ID）体系结构[4]、由日本东京大学发起成立的uID中心提出的基于uID的物联网体系结构（uIDIoT）[5]、由韩国电子与通信技术研究所（ETRI）提出的泛在传感器网络（Ubiquitous Sensor Network，USN）体系结构[6]、由美国弗吉尼亚大学提出的Physical-net[7]、由欧洲电信标准组织（ETSI）提出的M2M体系结构[8]、由法国巴黎第六大学提出的自主体系结构（Autonomic Oriented Architecture，AOA）[9]以及由北京航空航天大学和苏州大学基于类人体神经网（Manlike Neutral Network，MNN））和社会组织架构（Social Organization Framework，SOF）提出的体系结构（MNN&SOF）[10]。

M2M是欧洲电信标准组织（ETSI）制订的一个关于机器与机器之间进行通信的标准体系结构，尤其是非智能终端设备通过移动通信网络与其他智能终端设备（Intelligence Terminal，IT）或系统进行通信，包括服务需求、功能架构和协议定义3个部分。M2M 的功能架构如图2所示。该结构在具有存储模块的设备、网关和网络域中部署M2M服务能力层（Service Capacity Layer，SCL）；设备和网关中的应用程序通过 dIa接口访问SCL ；网络域中的应用程序通过mIa接口访问SCL；设备或网关与网络域中的SCL交互由mId接口实现。

图2 M2M的功能体系结构

德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会（Fraunhofer-Gesellschaft）在其IoT—AD1.3中给出了如图3所示的功能模型和域模型。

任何产品结构的研究所导致的结果都应是网络结构简化，接口简化，协议的逻辑关系清晰。

经过分析，我们发现这些参考架构包含的体系结构都是物联网产品的功能结构，对功能进行不同的分类就会有不同的结构，而不同的国家、行业、组织都可能给出不同的结构。物联网产品的功能结构实质上是物联网信息的功能体现，没有发现物联网的本质，要发现物联网的本质首先要有对物联网的基本认识。

2 物联网的世界观和方法论

所谓世界观，是指人们对整个世界以及人与世界关系的总的看法和根本观点，具有实践性，人的世界观是不断更新、不断完善、不断优化的。物联网的世界观是对整个物联网世界的总体看法和根本观点， 建立在对自然界和人类社会方面科学的、系统的、丰富认识的基础上，是人类社会发展到一定阶段的产物，也会随着社会实践的发展不断更新、不断完善和不断优化。因此，物联网世界观的实质就是从根本上去理解物联网世界的本质和运动根源，解决的是物联网世界是“什么”的问题。

物联网是由具有感知和控制能力的“物”和实现物物通信交流的“联”而组成的信息网，是客观存在的。其中“物”是物联网的主体，物既可以是用户，也可以是对象，能够感知、控制、被感知或被控制；而“联”则是物物通信与交流的联系纽带，使物与物之间以各种各样的关联方式实现可靠通信与交流。物联网中“物”和“联”不能孤立存在，它们是相互依存、相互促进和发展、辩证统一的。

所谓方法论，是根据这种对世界的基本看法提出的改造世界的方法。世界观是方法论的理论基础，方法论是世界观在实践中的体现。

物联网的方法论是在物联网世界观的指导下去实现物联网产品功能的系统方法，是如何去证明物联网世界观的学说，解决的是“为什么”的问题。物联网世界观是物联网方法论的理论基础，物联网方法论是其世界观在实践中的体现。

物联网结构分为物联网体系结构和物联网产品功能结构。物联网体系结构是在实践中通过不断的探索和总结形成的，是对物联网结构的总体看法和观念，是物联网世界的客观规律，属于世界观的范畴。物联网体系结构按物联网信息存在的形式、表现的方式和运行的规律分为物联网概念模型、信息体系结构、信息运行体系结构三个部分。

物联网产品功能结构是以物联网世界观为理论基础，将物联网产品按功能进行分层、分组件，并描述这些层及组件之间的关系结构，是物联网世界观在实践中的体现，因此属于方法论的范畴。

3 物联网体系结构

3.1 物联网概念模型

物联网是人与物共存、共融、共发展的世界，是万物互联的万维网，物联网的概念模型结构就是一个物联网万维宇宙模型。中国传统文化《周易》对宇宙模型有非常简明扼要的创造性描述，“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦生万物”。太极在天地未分之前，元气混而为一；而两仪是指太极中分化出的阴和阳，也可指上与下，天与地；四象为天地之间四个方位，即，太阴、少阳、少阴、太阳，对应金、木、水、火四种宇宙信息的存在形式，对应东、西、南、北四个方位；两仪四象对应六合，形成六合宇宙概念模型，表达了各种宇宙信息浑然一体而又相生相克的基本逻辑关系。信息存在于整个物联网世界，浑然一体；物联网信息的始点与终点如两仪中的天与地，用户是天，对象是地；物联网信息的感知、管理、服务、控制是物联网世界信息存在的四种形式，感知与控制对应了太阴、太阳，管理与服务对应少阴、少阳；两仪四象对应六合，形成六合物联网概念模型，表达了各种物联网信息浑然一体而又相生相克的基本逻辑关系。

物联网是万物互联的通用型网络，其中信息是物联网连通以及发挥功能的主要载体，依据物联网应用实例中信息存在的形式不同，将物联网概念模型划分为如图5所示由用户合、对象合、感知合、服务合、管理合和控制合组成的六合模型。图4中上下两个合分别是用户合和对象合，中间的四个合分别是：感知合、服务合、管理合和控制合。

用户合可包括人、物、人和物，同样对象合也可包括人、物、人和物，是人和物的和谐统一。感知合与控制合是物联网世界信息存在的形式，感知与控制一阴一阳，相生相克。通过管理合和服务合实现了感知与控制信息在用户、对象间的转化，形成了完整的体系。图5所示的物联网概念模型是对物联网信息及信息间关系在系统层面的高度抽象和模型化表现，它屏蔽了物联网表象间的差异。

图4 物联网概念模型

图5 物联网信息体系结构图

3.2 物联网信息体系结构

中国传统文化中“八卦”为天、地、雷、风、水、火、山、泽，表明了各种宇宙信息存在的八种方式，对应“乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑”或“西北、西南、东、东南、北、南、东北、西”八个方位，象征世界万物的变化与循环，是对宇宙六合概念模型延伸和扩展而形成的宇宙体系模型。卦，本意为象征自然现象和人事变化的一套符号，在物联网信息体系中为物联网信息的存在方式。物联网信息体系结构与宇宙体系结构具有一致性，物联网信息存在的八种方式“用户、对象、感知信息通信、感知信息管理、感知信息服务、控制信息服务、控制信息管理、控制信息通信”，对应了用户卦、对象卦、感知信息通信卦、感知信息管理卦、感知信息服务卦、控制信息服务卦、控制信息管理卦、控制信息通信卦”，形成八卦物联网信息体系结构，图5所示是对六合物联网概念模型的延伸与扩展，表达了物联网信息的不确定性及抽象的关系。

用户卦是信息以为用户服务的方式存在。对象卦是信息以为对象感知和控制的方式存在，对象卦是对对象进行感知和控制的信息的集合。感知信息通信卦是信息以感知信息通信的方式存在。感知信息管理卦是信息以感知信息管理的方式存在，感知信息管理卦是对感知信息进行管理功能的卦。感知信息服务卦是信息以感知信息服务的方式存在，感知信息服务卦面向用户卦中的用户，为用户提供信息服务，供用户使用与决策。控制信息服务卦是信息以控制信息服务的方式存在。控制信息管理卦是信息以控制信息管理的方式存在，控制信息管理卦是对控制信息进行管理的区域。控制信息通信卦是信息以控制信息通信的方式存在，对控制信息进行通信的区域。

3.3 物联网信息运行体系结构

在物联网结构中，物联网信息运行有着必然的逻辑关系及运行方向的确定性，根据信息运行的客观规律和信息存在的表现方式，发现了物联网信息运行体系结构，如图6所示。图6中的域分别为对象域、通信域、管理域、服务域、用户域。对象域是对象信息存在的表现方式，通信域是感知信息通信、控制信息通信存在的表现方式，管理域是感知信息管理、控制信息管理存在的表现方式，服务域是感知信息服务、控制信息服务存在的表现方式，用户域是用户信息存在的表现方式。

图6 信息运行体系结构图

信息通过三种运行轨迹进行流转：

运行轨迹一：对象→感知信息通信→感知信息管理→感知信息服务→用户→控制信息服务→控制信息管理→控制信息通信→对象

对象域中的对象获取的感知信息通过通信域进行感知信息通信后进入管理域中进行感知信息管理，再进入服务域中获取感知信息服务后传输至用户，用户将感知信息进行分析、处理，转换为相应的控制信息，控制信息进入服务域中获取控制信息服务后传输至管理域进行控制信息管理，再通过通信域进行控制信息通信，将控制信息传输至对象。

运行轨迹二：对象→感知信息通信→感知信息管理→感知信息服务→控制信息服务→控制信息管理→控制信息通信→对象

对象域中的对象获取的感知信息通过通信域进行感知信息通信后进入管理域中进行感知信息管理，再进入服务域获取感知信息服务后对感知信息进行分析、处理，转换为相应的控制信息，获取控制信息服务后传至管理域进行控制信息管理，再通过通信域进行控制信息通信，将控制信息传输至对象。

运行轨迹三：对象→感知信息通信→感知信息管理→控制信息管理→控制信息通信→对象

对象域中的对象获取的感知信息通过通信域进行感知信息通信后进入管理域中进行感知信息管理，对感知信息进行分析、处理，转换为相应的控制信息，并进行控制信息管理，再通过通信域进行控制信息通信，将控制信息传输至对象。

4 物联网产品功能体系结构

物联网世界中的万物通过各种有形的、无形的信息通道联系在一起。物联网的核心是“物”，“物”包括对象与用户，重点是如何提升“用户”感知与控制“对象”的能力，如何提升“对象”被管理的能力，如何提升“用户”管理能力；物联网的信息通道是“联”，重点是如何将“物”联系在一起，理清相互之间的网状联系。当今的互联网，实质上是一个电子信息传输网，现有的物联网相关产品是物+互联网，是物联网的一种表现形式。运用物联网概念模型、物联网信息体系结构、物联网信息运行体系结构研究出物联网产品功能体系结构如图7所示。

图7 物联网产品功能体系结构图

根据信息运行方式和物理连接方式，物联网可分为信息体系结构和物理体系结构。

4.1 信息体系结构

根据物联网各信息系统所拥有的各种功能，在物联网世界观与方法论的指导下，构建出物联网产品信息体系结构如图8所示，图8根据不同层次分别为：对象平台、传感网络通信平台、运营商管理平台、公共服务平台、用户平台。各平台间组合形成一个层状信息系统结构。

图8 信息体系结构图

4.1.1 功能平台

（1）对象平台

对象平台包括感知信息系统和控制信息系统。感知信息系统是获取对象感知信息的系统，一般有压力传感器、温度传感器、湿度传感器、光传感器、磁性传感器等传感器系统，标签自动识别系统，位置信息系统，音视频信息采集系统，智能设备接口系统等。控制信息系统是通过控制信息对对象实行控制的系统，一般有智能设备接口系统、控制信息处理系统、控制信息执行系统等。对于具有智能功能的对象，感知信息系统与控制信息系统能进行定向通信，即感知信息传输至控制信息系统后，控制系统的智能设备自动实现对感知信息的处理和响应，实现部分功能信息的自我感知与控制。

（2）传感网络通信平台

传感网络通信平台是对感知信息和控制信息进行通信的功能实体集合，包含感知信息通信系统、控制信息通信系统。对应物联网信息运行体系的通信域。感知信息通信系统是实现感知信息系统与其它物联网功能系统通信的功能实体。控制信息通信系统是实现控制信息系统与其它物联网功能系统通信的功能实体。

（3）运营商管理平台

运营商管理平台是对感知信息和控制信息实行管理的功能实体的集合，包含感知信息管理系统、控制信息管理系统、信息安全管理系统。对应物联网信息运行体系的管理域。感知信息管理系统是对感知信息实行管理的系统，对感知信息进行处理、共享、存储、分类、标识解析等管理，为服务系统提供支撑服务，包括感知信息接入系统、感知信息存储系统、感知信息处理系统、感知信息统计分析系统。控制信息管理系统是对控制信息实行管理的系统，对控制信息进行处理、存储、标识解析等管理，为通信系统提供信息资源，包括控制信息接入系统、控制信息存储系统、控制信息处理系统、控制信息分发系统。

（4）公共服务平台

公共服务平台是向用户提供感知信息和控制信息服务的功能实体的集合，包含感知信息服务系统、公共感知信息服务系统、公共控制信息服务系统、控制信息服务系统、信息安全管理系统。对应物联网信息运行体系的服务域。感知信息服务系统是为用户提供感知信息服务的功能实体，将感知信息管理系统的感知信息传输至公共感知信息服务系统，再进一步传递给用户。感知信息服务系统包括感知信息服务融合系统和感知信息服务存储系统。公共感知信息服务系统包括信息资源交换系统，市场资源交换系统，法规监管系统，运行维护系统，公共数据融合系统，公共数据存储系统，公共数据处理系统，公共数据接入系统，标识管理服务系统，地理信息服务系统，服务管理系统，用户服务管理系统；公共控制信息服务系统包括公共控制信息服务存储系统和公共控制信息服务分发系统。公共感知信息服务系统将公共服务信息传递给用户，用户的控制信息通过公共控制信息服务系统传输至控制信息服务系统，再进一步下传至控制信息管理系统。公共感知信息服务系统和公共控制信息服务系统是提供公共信息服务的功能实体，感知信息服务系统传输给用户的感知信息和用户传输给控制信息服务系统的控制信息分别要经过公共感知信息服务系统和公共控制信息服务系统，以保证信息传递的安全性。公共控制信息服务系统中的控制信息公共服务信息来源有两种：一种是来自用户；一种来自公共服务平台。

（5）用户平台

用户平台中包含一个用户系统，用户系统就是为用户提供物联网服务的系统，用户系统包括公众用户系统、企业用户系统、政府用户系统等。

4.1.2 信息流程

从物联网信息系统结构图可以看出，物联网信息感知与控制路径包括以下五种：

信息流程一：感知信息系统→ 控制信息系统

该流程是针对具有智能功能的对象，实现智能设备自我控制的智能功能。感知信息系统与控制信息系统进行单向通信，将感知信息传输至控制信息系统，由智能设备自动实现对感知信息的处理和响应，实现部分功能信息自我感知与控制。

信息流程二：感知信息系统→感知信息通信系统→感知信息管理系统→控制信息管理系统→控制信息通信系统→控制信息系统

该流程不需要通过公共服务平台，直接由运营商管理平台对感知信息和控制信息进行处理。对象平台的感知信息系统中的感知信息通过传感网络通信平台中的感知信息通信系统传输至运营商管理平台中的感知信息管理系统，由运营商管理平台将感知信息进行分析、处理，并转换为相应的控制信息，通过传感网络通信平台中的控制信息通信系统将控制信息传输至对象平台中的控制信息系统。

信息流程三：感知信息系统→感知信息通信系统→感知信息管理系统→感知信息服务系统→公共感知信息服务系统→用户系统→公共控制信息服务系统→控制信息服务系统→控制信息管理系统→控制信息通信系统→控制信息系统

对象平台的感知信息系统中的感知信息通过传感网络通信平台中的感知信息通信系统传输至运营商管理平台中的感知信息管理系统，再由运营商管理平台对感知信息进行相应的处理，传输至公共服务平台中的感知信息服务系统，然后通过公共感知信息服务系统将感知信息传输至用户系统。用户系统对收到的感知信息进行分析，并转换为相应的控制信息，通过公共服务平台中的公共控制信息服务系统传输给控制信息服务系统，控制信息服务系统再将控制信息传输给运营商管理平台中的控制信息管理系统，对控制信息进行相应处理后，通过传感网络通信平台中的控制信息通信系统将控制信息传输至对象平台中的控制信息系统。

信息流程四：公共感知信息服务系统→用户系统→公共控制信息服务系统→控制信息服务系统→控制信息管理系统→控制信息通信系统→控制信息系统

公共服务平台中的公共感知信息服务系统将公共感知信息传输给用户系统。用户系统对收到的公共感知信息进行分析，并转换为相应的控制信息，通过公共服务平台中的公共控制信息服务系统将控制信息传输至控制信息服务系统，再进一步传输至运营商管理平台中的控制信息管理系统，对控制信息进行相应处理后，通过传感网络通信平台中的控制信息通信系统将控制信息传输至对象平台中的控制信息系统。

信息流程五：公共感知信息服务系统→公共控制信息服务系统→控制信息服务系统→控制信息管理系统→控制信息通信系统→控制信息系统

公共服务平台中的公共感知信息服务系统与公共控制信息服务系统进行单向通信，将公共感知信息传输至公共控制信息服务系统，对公共感知信息进行分析，并转换为相应的控制信息，传输至控制信息服务系统，并进一步将控制信息传输给运营商管理平台中的控制信息管理系统，对控制信息进行相应处理后，通过传感网络通信平台中的控制信息通信系统将控制信息传输至对象平台中的控制信息系统。

4.2 物理体系结构

实体包含5个部分：传感器，传感网、运营商管理设备、公共服务设施、用户端，其物理体系结构如图9所示。

4.2.1 传感器

传感器包括通信模块和感知控制装置。

（1）感知控制装置是由控制芯片和传感器单元组成的，控制芯片采集传感单元获知的外部信息并转换成电信号；

（2）通信模块是把电信号按照既有的数据协议格式调制到射频频段，通过射频电路和天线发送出去，与物联网网关进行信息交互或进行反向的信号接收和解调功能。

图9 物理体系结构图

4.2.2 传感网

传感网包括电信运营商网络、物联网网关。

（1）物联网网关承接了传感器的信息数据格式到电信运营商网络数据格式的转换。传感器数据格式满足专用传感领域的协议要求，运营商网络的数据格式需要满足当前运营商无线网络的数据协议，譬如GPRS，WCDMA等传输协议。

（2）电信运营商网络仅作为信息交互的一个通道，通过无线方式和运营商管理设备进行信息交互。在该节点，信号数据协议不做改变，其仅仅是无线信号的一个中继过程。其属于公众网络范畴，本文不予重点讨论。

4.2.3 运营商管理设施

运营商管理设施包括通信服务器、管理服务器、应用服务器以及网络设施。

（1）通信服务器（CM）可实现和电信运营商网络的接口，是对电信运营商网络信号的调制和解调，是传感器感知信息的获取和传感器控制信息的上传和下发，承接了专用传感领域的协议和Internet IP协议之间的转换。

（2）管理服务器（MG）主要是对感知信息进行处理、共享、存储、标识解析等管理；

（3）应用服务器（App）是对上下层信息的分类和筛选。

4.2.4 公共服务设施

公共服务设施包括数据服务器（DB）、管理服务器（MG）、公共服务器（CS）以及公共网络设施。

（1）数据服务器包括政府基础资源库和感知信息资源库；

（2）管理服务器（MG）包括政府运维管控和监督系统系统以及运营商的管控系统；

（3）公共服务器（CS）包括公共服务平台。在公共服务网络平台内部，数据服务器（DB）为管理服务器（MG）和公共服务器（CS）提供数据支撑和存储服务。

（4）在公共服务网络平台外部，通过用户接口和用户端实现双向通信，为用户提供感知信息服务和控制信息服务，通过管理接口和管理平台实现双向通信，存储、处理和下发用户及本平台的信息。

4.2.5 用户端

用户端包括移动通信终端、专用终端、互联网终端、无线局域网终端。

（1）移动通信终端包括手机、PAD等设备；

（2）专用终端包括专用的手持设备；

（3）互联网终端包括接入到Internet的PC设备；

（4）无线局域网终端是指连接在局域网的各终端设备能够通过局域网出口到互联网。

用户端的接入方式多种多样，可以通过App软件作为接入口，也可以通过Internet网页方式作为接入口，也可以多用户通过局域网统一出口作为接入口。接入口直接接入公共网络，可满足公共网络的协议要求。

5 物联网产品功能系统结构与实现方式

物联网涉猎的领域很多，目前主要应用的领域有六大类，包括智能电网、智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能安防。

智能家居是以家居电器及家电设备为主要控制对象，利用综合布线技术、网络通信技术、 安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将与家居生活有关的设施进行高效集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的控制管理系统，提升家居的智能、安全、便利、舒适程度，并实现环保节能的综合智能家居网络控制系统平台。

为了进一步探讨物联网的产品功能系统结构和方法，我们以智能家居为例进行阐述。

智能家居的五个平台为对象平台、通信平台、运营商管理平台、服务平台、用户平台。各平台的物理实体分别表现为传感器、传感网、运营商管理设施、公共网络设施、用户端。智能家居的物理结构如图10所示。

图10 智能家居的物理结构图

5.1 传感器

传感器是物联网对象域的实体。智能家居的传感器实体包含了家庭中各种设备，比如窗帘控制器、照明开关控制器、人体感应器、空调控制器、门锁检测器、花草自动浇灌控制、宠物照管终端、远程家庭成员护理、远程家庭医疗、天然气表抄送、水表电表抄送等，这些传感器都可以采用物联网的传感器， 组成家庭物联网传感器。

传感器承载了对智能家居各种信息的采集和控制。

5.2 通信网

通信网是物联网通信域的实体。通过无线传感网把这些M2M的终端设备连接起来，即通过M2M的无线模块接入到通信网的移动通信网络。通信网包括无线传感网和移动通信网，无线传感网采用的技术较多，包括射频（RF）技术、IrDA红外线技术、ZigBee 技术、Z-Wave 技术、Z-world 技术、蓝牙技术、WiFi技术等把家庭各个传感器采集的信息传输给移动通信网。移动通信网泛指既有的公众移动通信网，移动通信网包括了GSM/GPRS，CDMA，WCDMA，LTE等演进网络，包括了移动通信基站和核心网。移动通信网通过网关把数据转换成Internet的数据格式。

通信网把家居采集信息通过无线的形式上传给运营商管理设施。

5.3 运营商管理设施

运营商管理设施是物联网管理域的实体。运营商管理设备是包含了各个具体应用的运营商，每个运营商管理的三个服务器分别为通信服务器、管理服务器、应用服务器。

通信服务器实现和电信运营商网络的接口，是对电信运营商网络信号的调制和解调，将采集到的智能家居信息上传或者远程下发控制信息。通信服务器承接了专用传感领域的协议和Internet IP协议之间的转换。数据库服务器是对感知信息进行处理、共享、存储、标识解析等管理。应用服务器（CS）是上下层信息的分类和筛选。

5.4 公共网络服务设施

公共网络服务平台是物联网服务域的实体。包括三大平台数据服务器（DB）、管理服务器（MG）、应用服务器（CS）。

在公共服务网络平台内部，数据服务器（DB）为管理服务器（MG）和应用服务器（CS）提供数据支撑和存储服务。

在公共服务网络平台外部，通过用户接口和用户端实现双向通信，为家庭用户、运营用户、政府管理用户提供感知信息服务和控制信息服务，通过管理接口和管理平台实现双向通信，存储、处理和下发用户及本平台的信息。

5.5 用户端

用户端是物联网用户域的实体，用户端包含移动通信终端、专用终端、互联网终端、无线局域网终端。个人用户的接入是多样的，可以通过App软件作为接入口，也可以通过Internet网页方式作为接入口。运营管理用户的接入方式与个人用有所不同，应采取通过局域网统一出口作为接入口。公共管理部门用户端可以直接接入公共网络和局域网接入，满足公共网络的协议要求。

6 具体的物联网产品功能结构和实现方法

家庭智慧燃气是智能家居系统的重要子系统，家庭智慧燃气的物联网智能燃气表系统包括对象平台（物联网智能燃气表）、物联网智能燃气表通信平台、燃气公司管理平台、公共服务平台、用户平台五个功能实体，智能燃气表产品的功能结构如图11所示。

图11 物联网智能燃气表系统产品功能结构图

6.1 对象平台

物联网智能燃气表包含了感知系统和控制系统，是物联网智能燃气表系统的核心。感知系统可实现计量感知、电池电量感知、磁环境感知、故障感知、流量感知、燃气泄漏感知、压力感知等智能感知功能，控制系统可实现智能控制、智能管理以及安全切断等控制管理功能。

6.2 物联网智能燃气表网络通信平台

通信网络包含感知信息通信系统和控制信息通信系统。两个系统共用同一个通信实载体，包括燃气表通信单元、集中器通信单元、移动通信单元、服务器通信单元四个部分。通信平台组网如图12所示。

6.3 燃气公司管理平台

管理平台主要由燃气公司燃气综合管理系统软件和硬件组成。可实现运营维护、通信设备管理、远程抄表管理、远程阀控管理、阶梯气价管理、实时流量监控、表端状态监控等管理。

6.4 公共服务平台

服务平台是向管理平台和用户提供物联网智能燃气表感知信息服务、控制信息服务和增值服务的公共平台，包含感知信息服务系统、公共信息服务系统、控制信息服务系统。它可与政府公共服务平台实现兼容，实现大数据、云计算等功能，为用户服务提供支撑。

6.5 用户平台

用户通过物联网智能燃气表系统可实现网络查询燃气表状态包括燃气用气信息、累计用气信息、剩余用气量等信息；支持24小时网络支付，方便用户随时缴费；支持在线业务申报，不需要到营业厅办理，方便用户；支持网络预警，燃气公司通过对燃气使用的实时监控，发现用气安全隐患可及时通知用户，保证用气安全。

图12 通信平台组网图

7 结 语

为了揭示物联网的本质， 通过不断的探索和研究，结合中国传统文化，建立了物联网的世界观，从概念模型、信息体系结构和信息运行体系结构三个层次描述了物联网的体系结构，是对物联网的总体看法和根本观点，发现了物联网概念模型、物联网信息体系结构、物联网信息运行体系结构。

在物联网世界观的指导下，探索和研究出实现物联网产品功能的系统方法，构造了物联网产品功能结构体系，从信息体系结构和对应的物理体系结构两方面进行了阐述。

以物联网产品功能体系结构为基础，以物联网重点领域中智能家居为例，分类阐述了物联网产品功能系统结构与实现方式，同时以智能家居的重要组成部分-物联网智能燃气表系统为例，从物联网智能燃气表、物联网智能燃气表通信网络、燃气公司管理系统、公共服务平台、用户端等方面阐述了具体的物联网产品的功能结构和实现方法。

为了能更好地指导物联网相关产品的研究与开发，笔者建议在本文阐述的物联网结构的框架下制定物联网体系结构标准和物联网产品技术标准。

参考文献

[1]陈海明，崔莉，谢开斌.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报，2013，36（1）：168-185.

[2] Presser M，Barnaghi P M， Eurich M， et al. The SENSEI project ： Integrating the physical world with the digital world of the network of the future[J].Global Communications Newsletter，2009，47（4）：1-4.

[3] Walewski J W.Initial architectural reference model for IoT[Z].EU FP7 Project，Deliverable Report：D13，2011.

[4] Sarma S，Brock D L，Ashton K.The network physical world：Proposals for engineering the next generation of computing ，commerce & automatic-identification[Z].MITAuto-ID Center，White Paper ：MIT-AUTOID-WH-001，2010.

[5] Koshizuka N，Sakamura K. Ubiquitous ID：Standards for Ubiquitous computing and the Internet of Tings[J].IEEE Prevasive Computing，2010，9（4）：98-101.

[6] Electronics and Telecommunication Research Institute（ETRI）of the Republic of Korea. Requirements for support of USN applications and services in NGN environment[Z].Proceedings of the ITU NGN Glogal Standards Initiative （NGG-GSI）Rapporteur Group Meeting. Geneva，Switzerland，2007：11-21.

[7] Vicaire P A，Xie Z， Hoque E，et al. PhysicalnetA generic framework for managing and programming across pervasive computing networks[R]. University of Virginia： Technical Report CS-2088-2，2008.

[8] ETSI. Machine-to-Machine communications（M2M）：Functional architecture. ETSI， Technical Specification[Z].2011.

[9] Pujolle G.An autonomic-oriented for the Internet of Things[J].Proceeding of IEEE John Vincent Atanasoff 20069 International Symposium on Modern Computing（JVA）.Sofia，Bulgaria，2006：163-168.

[10] Ning H，Wang Z.Future Internet of Things architecture：Like mankind neural system or social organization framework[Z].IEEE Communications Letters.