物联网系统的四种物理模型

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物联网的三层概念模型影响广泛，这对于理解物联网与互联网的不同之处很有帮助，不过具体到开发的时候，从物理视图看物联网的架构，更容易看到组成物联网系统的软件模块，硬件模块，更容易理解如何架构和开发物联网系统。

这里抽象出四种最基础的最典型的物联网系统的物理模型。在这些模型里，云表示物联网系统中所有会部署在云上应用程序；端，表示物联网化的物体，包括了硬件实体和其上部署的软件；App，特殊表示运行在移动手机或者平板上的应用，典型地有IOS应用，安卓应用和Windows应用；网关（Gateway）又称网间连接器、协议转换器，本质是一个特殊的终端，不过网关在网络层以上实现网络互连，较少承担终端那样的应用功能，因此单独列出来，也包括了硬件实体和其上部署的软件。

1. 物联网系统的云+端物理模型

云+端模型是指物联网系统就分成云平台和终端两个部分，实际上，在物理视图下物联网层次模型也就是云+端模型，因为网络层最终实现为一些终端和云平台功能，这种分法忽视了系统的功能而强调了物理形态。云+端模型是最简单的网络类型。

1.1 技术实现

云平台需要实现一个BS架构的网站，以供人通过网页方式进行管理；云平台还需要实现一个通信接口，以便和物进行通信。

端，即物联网终端。广义的概念，物联网终端也包括了手机和计算机，相似地，直接连接的物联网终端，硬件上应该包含了传感器，运算器，存储器等以实现本地的业务功能；还需要通过网线连接到互联网，或者是通过2G、3G，4G这样方式移动地连接到互联网；软件上，传统的客户端-服务器架构开发就可以满足大多数物联网系统的应用需求。

1.2 优缺点

云+端结构的优点是结构简单，技术成熟，系统实现也相对简单。缺点也很明显：终端成本高，难以大规模部署；如果是使用无线方式连接，可能产生较高的运营费用。

1.3 应用与实例

本书第一章提到的第一台物联网设备，那台名为“The Only”的可乐自动售卖机，传统的较为大型的嵌入式系统，如Atm机为代表的有线连接设备，移动Pos机为代表的移动连接设备，机器人为代表的智能终端，以及其对应的应用系统都是这种网络结构的例子。

2. 物联网系统的云+App+端三角模型

随着智能手机的发展，移动互联网的发展极大地改变了人们是生活，也改变了大多数的行业应用。移动性已经成为当前应用系统设计必须考虑的要素，物联网系统也不例外。

移动App作为不可或缺的部分加入到云+端模型中，从而进化成了云+App+端的三角模型。云+App+端模型的示意图如下：

2.1 技术实现

云，端，App的开发工具以及所需知识与技能都有较大差别，通常都是分成三个部分分别进行开发。

云部分的开发除了考虑和端部分的通信之外，还需要考虑和App的通信。端的开发比“云端模型”下端的开发可能会简单一点，因为App的存在，部分的人机交互功能可以转移到App上实现。终端设计成只有非常简单的人机交互的“哑”终端，大部分的人机交互功能在App上实现也是一种流行的设计。App的开发常见的是IOS平台和Android平台下的应用开发，后台连接到物联网云平台，App则运行在智能手机上。

2.2 优缺点

云+App+端模型的优点是结构较为简单，技术成熟，由于App的加入，复杂对系统资源要求高的功能可以放在App上，人机交互使用体验也可以设计得较好，同时由于降低了对端的资源的消耗，整个系统的成本相比“云端模式”可能更低一点。

缺点是：系统复杂度提高，研发成本较高；要保证App和端之间通信的实时性，以及安全性要求，需要在App和端之间建立多种交互方式，例如二维码，RFID，蓝牙通信等。

2.3 应用与实例

敬请等待后续文章介绍的实例。

3. 物联网系统的云+App+网关+端模型

云+端模型以及云+App+端三角模型都有重要的不足，就是端要直接和云平台通信，目前的技术手段要求端是通过网口与互联网相连，或者通过2G/3G/4G和互联网相连，前者的移动性不好，而后者则有较高的运维费用，不利于系统的推广。

一个较好的解决办法就是在系统中增加网关这个部分，终端通过网关和云平台通信，如下图中标记的1部分所示：

3.1 技术实现

云+App+网关+端模型最大的变化是增加了网关这个部分。

物联网网关通常被设计成“中间件”，用来连接终端进入到物联网，向上它能通过光纤，以太网，拨号，WiFi或者2G/3G/4G的方式接入互联网，向下通过WiFi，蓝牙，ZigBee，载波，485等通信手段连接物联网终端。

所以通信功能是网关的第一大功能。此外，物联网网关还常有消息处理功能，业务处理功能等等。复杂的物联网网关甚至是一个小的服务器，运行较为复杂的应用程序，以独立支持终端在本地（在局域网内）正常工作。

3.2 优缺点

网关的加入，使得终端可以通过一些短距的通信协议连接到物联网，尤其是短距无线协议，如蓝牙，WiFi等，能够在提高使用和安装的便利性的同时，有效地降低终端成本；另外网关在其短距离范围内，建立了一个小型局域网，局域网内的各个本地终端可以协同工作，这样丰富了物联网的应用功能。当然网关的加入带来的好处不限于此，网关还可以充当局域网的计算中心，或者服务器，分担终端的运算、存储功能；甚至可以建立热点，直接跟手机建立连接，这样在不连接到云服务器的情况下，手机应用也可以直接和局域网的物联网系统进行交互，如上图中2所示，手机可以和终端直接交互。

由于网关在物联网系统中起着重要的作用，它也被认为是物联网的重要入口，自2010年以来，从传统的路由器，到新型的物联网网关开发都受到高度重视，也有了较大发展。

云+App+网关+端模型的缺点是，物联网系统的开发较为复杂：即包括了局域网的开发，又包含了广域网的开发；物联网系统的层次进一步增多，使得系统的整体性能受到挑战；最后物联网系统开始更多地考虑局域网内的各个终端的协同工作，这样需求也变得复杂很多。

3.3 应用与实例

智能家居系统是本模型的典型的例子：智能家居系统通常提供多种分立的传感器，如红外，温湿度，烟感等；以及多种控制器，如门磁，开关，报警器等；所有的终端都连接到一个家庭网关上；家庭网关始终保持和云平台的连接；智能家居系统还配置了移动App以方便用户远程操控终端以及获得终端的事件消息。

云+App+网关+端模型还存在多种变形情况，例如智能手机可以作为特殊的网关，终端通过手机连接到物联网。又如网关是一台“感知设备”，终端通过感知连接到物联网等等。

智能手机作为特殊的网关 
智能手机资源丰富，支持的硬件众多，是理想的网关。终端可以是一个传感器或者包括了传感器的实物，在辅之以通信模块；在连接上，可以利用音频线或者USB线连接到手机，也可以通过蓝牙或者Wifi的方式连接到手机。在软件上，终端要实现传感器采集数据的处理，以及和手机的通信功能，而在手机上，则至少包括了对应的通信功能，以及终端管理，以及作为物的代理，和云平台进行交互。

“感知设备”作为一台网关 
“感知设备”和终端只有临时的，非固定的连接，这种特点使得感知设备可以接入不限量的终端。一个示例实现是，终端上需要增加一个可以被感知的传感器，例如RFID标签，而在物联网网关上，增加对应的识读设备，就可以将大量的终端都连接到物联网了。在终端到网关的连接上，识读技术如射频，红外等。在网关软件上，需要实现终端的识读，处理，以及转发。

4. 物联网系统的传感器网络模型

传感器网络就是由传感器节点组成的网络，其中又以无线传感器网络（WSN）为主要的发展方向。符合本模型的系统是指那些通过WSN来采集数据的物联网系统，由于WSN的复杂性，通常都要通过物联网网关接入物联网云平台。如下图所示。

4.1 技术实现

传感器网络模型接入的不是单个终端，WSN作为一个子网络，在通信协议，网络拓扑，网络管理等方面和IP网络均不同。WSN组网协议有6LoWPAN，ZigBee，Z-Wave等。从网络拓扑结构上看，WSN研究最多的是多跳自组织网络，在实际应用中，还可能有点对点，星状和链状等拓扑。大多数WSN网络的节点都有休眠机制，以做到低功耗甚至微功耗。WSN是一个比较专业的领域，涉及的内容也较多，关于WSN的书籍也有很多了，这里不多重复。

在软件方面，我们还是强调移动App的重要性，不过在这种模型中的移动App，如果是在行业应用里，常常是运行在手持终端上的。移动App可以通过网络查看/控制物联网网关，尤其在工业领域，移动App还要求具有现场管理功能：功能需求包括，现场识别网关，直接通信，控制物联网网关，过网关间接管理WSN网终端等等功能。

云的实现方面，和前面几种模型下云的实现非常接近，多了WSN网络的配置管理，以及节点的休眠带来的一些实现上的变化，这在后面章节会展开叙述。

4.2 优缺点

2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一 ，传感器网络结构有着其突出优点。

节点可以是大量的廉价的微型传感器，从成本上，技术条件上都适合大规模部署。

自组织的网络一般能主动适应节点位置变动，具有较好的稳定性，以及适应恶劣环境的能力。

低功耗特性，低功耗是WSN中的重要研究内容，传感器节点的低功耗特性使得网络的可用性大大加强，实现良好的传感器节点可以做到几年不用更换电池，这样不但彻底摆脱电力线的束缚，降低了维护成本，符合某些特殊业务需求，例如，不可更换电池的场景。

传感器网络结构的缺点，从技术上看，传感器网络还处于发展期；在实现上，存在难度较大的部分和有待研究的点；从产业上看，产业处于上升阶段，以通信协议为标志（6LoWPAN，ZigBee，Z-Wave等），市场上并存几个不同技术阵营，互相之间不兼容，还有一些相关的国际标准还在完善当中；最后，一些主要的硬件产品价格（如芯片）还没有降低到支持大规模应用的程度。

4.3 应用与实例

无线传感器网络出于节能的目的，通常被设计的传输速率较低，下行控制很难做到实时，另外，从协议上看，无线传感协议网基本都不是基于IP的，所以在接入到平台的过程中，存在的协议转换的工作，应用上也复杂不少。由于这两个方面的限制，无线传感器网络更多地应用在监测类的系统中，如在农林业，WSN网络可以用来监测农作物生长环境，温度，湿度等等；环境监控领域，WSN网络可以监控河流，海洋的各种参数；智能交通领域，WSN网络可以控制路灯等等。

随着技术的发展，例如ZigBee协议开始全面支持IpV6，越来越多的支持Ip的协议的出现，低功率芯片，安全，能源技术等方面技术的发展，还会持续推动无线传感器网络在更多领域更广泛的应用。