编辑导语:2020年,“新基建”得到了进一步的发展,5G基站、工业互联网、数据中心等领域加快建设。而物联网作为新型基础设施的重要组成部分,同样得到快速发展。本文作者从产品设计的角度出发,为我们解读了物联网的四层架构。

从产品设计角度,解读物联网四层架构

本文以物联网四层架构为基础,从物联网产品设计的角度来解读每层架构的功能以及主要内容,旨在为物联网产品设计以及实现思路感兴趣的物联网产品或研发人员有些帮助。

通过互联网,人和人之间可以传递和交流信息。物联网,IoT,Internet of Things,顾名思义就是物和物之间也可以传递和交流信息,人人互联和物物互联两者最大的区别体现在人与物的差别上。

人有五官和皮肤接收和采集数据,经过大脑加工处理,然后形成想法,最后通过网络传递出去,达到跟别人交流的目的。与人相比,物缺少需要交流的信息,即物缺少采集数据的抓手,以及将信息进行整合形成具有交流价值的大脑。

那信息采集技术和嵌入式程序在物联网领域就显得尤为重要,信息采集技术代替了人的五官和皮肤,进行数据收集。

嵌入式程序主要代替了大脑的整个决策最后输出信息,物联网很早就在市场上出现但是一直没有产生可观的影响力,所以大众对它的关注度不是很高。

但是近十年来,物联网发展迅速,这不仅得益于国家政策的支持-在2010年将其列为国家发展战略,还得益于物联网配套技术,比如数据采集技术、微处理器、通讯模组、通讯网络、大数据、云计算等迅猛发展 。

物联网再次进入大众视野,并成功取得了大众的瞩目和追逐,且有望掀起下一波浪潮。物联网技术体系可以分成四层:感知层、网络层、平台层和应用层。每一层都担任了不同的职责,这种类似于专人专责的分工,可以提高工作质量和工作效率。

从产品设计角度,解读物联网四层架构

 图1:物联网四层架构

一、感知层

感知层的主要功能就是采集物理世界的数据,其是人类世界跟物理世界进行交流的关键桥梁。

感知层的数据来源主要有两种:

一种就是主动采集生成信息,比如传感器、多媒体信息采集、GPS等,这种方式都需要主动去记录或跟目标物体进行交互才能拿到数据,存在一个采集数据的过程,且信息实时性高。

比如在智能喝水领域会采用一种流量传感器,只要用户喝水,流量传感器就会立即采集到本次的喝水量是多少,这就存在一个长期交互采集数据的过程。

另一种是接受外部指令被动保存信息,比如射频识别(RFID)、IC卡识别技术、条形码、二维码技术等,这种方式一般都是通过事先将信息保存起来,等待被直接读取。

比如现在有的小区用的门禁卡就是用了IC卡识别技术,先将用户信息录入中央处理系统,然后用户每次进门的时候直接刷卡就行。

二、网络层

网络层主要功能就是传输信息,将感知层获得的数据传送至指定目的地。

在物联网领域,嵌入式程序相当于人的大脑,在信息采集完成之后,大脑就会给通讯模块发布指令说把这个信息传给某某某,网络层会涉及到你选用什么样的通讯网络以及采用什么样的通讯机制来传送你的信息。

物联网中的“网”字其实包含了2个部分:接入网络、互联网。

以前的互联网只是打通了人与人之间的信息交互,但是没有打通人与物或物与物之间的交互,因为物本身不具有联网能力。

后来发展出将物连接入网的技术,我们称其为设备接入网,通过这一网络可以将物与互联网打通,实现人与物和物与物之间的信息交互,大大增加了信息互通的边界,更有利于通过大数据、云计算、AI智能等先进技术的应用来增加物理和人类世界的丰富度。

那目前主要有两种方式的接入网,一种是有线网络接入,一种是无线网络接入。

从产品设计角度,解读物联网四层架构

图2:物联网网络结构

有线主要包括以太网、串行通信(RS-232、RS485等)和USB等。

无线又分为近距离无线、短距离无线和长距离无线通讯。近距离无线通讯主要包括NFC、RFID 、IC等,短距离无线通讯主要包括Wifi、ZigBee、蓝牙等,长距离无线通讯主要包括GSM(2G、3G、4G、5G等)、eMTS、Lora、NB-IoT等。

面对众多的入网方式,我们需要考虑应用场景以及设备本身的特征来选择合适的接入方式,各种接入网的特征详见下表。

从产品设计角度,解读物联网四层架构

从产品设计角度,解读物联网四层架构

从产品设计角度,解读物联网四层架构

从产品设计角度,解读物联网四层架构

选好了适合使用的网络,相当于数据传输的物理承载道路打通了,现在就需要确定以什么样的机制来传递信息,这就涉及到通讯协议。

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