物联网业务特征及业务模型研究

1、物联网业务特征及业务模型研究【摘 要】： 本文介绍了物联网多种应用方式，特别对车联网、智能家居等物联网应用的网络通信方式、资源消耗等通信特征及参数进行重点分析，得出普遍适用的物联网应用网络层通信模型分析方法。【关键词】：物联网 业务模型 特征分解 网络通信模型1 项目研究背景及意义物联网经过十多年的发展，从最早的射频识读扩展到广泛的各类应用，定义和标准化进程也更加清晰。从网络角度定义其包括传感网、网络层通信网，物联网从应用的全程来看，除了传感网子网和网络通信外，还有类似于工业控制或者遥控遥测等互控操作。近几年，中国移动网中已承载大量m2m业务，如视频监控等，由于物与物间的通信模式不同于人与人间

2、的通信，且不同的应用，业务特点差异较大，其业务模型与现有用于人与人间通信的模型有差异，但目前在工程设计中尚无通用的物联网业务模型可供参考。本课题将通过分析物联网业务的业务特征，研究符合物联网业务的业务模型及关键参数。本课题的意义在于为移动网络建设中配置满足物联网业务应用的资源提供有效的参考依据。2 研究内容及目标物联网是一个非常广泛的范畴，研究分析物联网的应用模式与业务模型相关性，需要对大量的物联网应用进行有效地分解和梳理，这就需要首先建立一种有效的分类和网络通信分级方法，本课题将已知的物联网应用以传感网方式分类，再以传感网对网络层通信的需求进行网络层通信的参数分级。本课题的初步成果是提交物联

3、网应用的网络通信模型表，用于物联网业务网络资源配置计算。3 研究思路及采用的方法物联网业务模型指的是某种物联网应用的具体模式，涉及到感知网实现方式、网络的资源负荷参数、业务网络、组网方式以及业务流程等特性。鉴于本文研究目标，课题关注重点放在业务应用对网络层通信产生的负荷特性方面。对物联网不同应用采用了一套针对不同网层特性的分析方法，根据应用类别或应用功能集对传感网通信和网络层通信进行特性分解和要素分解。3.1 传感网通信特性物联网包含了繁杂多样的应用，如何对物联网的通信方式进行合理的分解分析，并对各类特点进行合理梳理是分析的必要手段。繁杂的物联网应用主要体现在传感网（感知网）内部的控制、通信的

4、技术选择和应用方式的多样性，其特征分解表现为6个特性或参数：静止参数特性、移动参数特性、读写或识别特性、位置或无线网特性、控制驱动特性、视频及图像应用特性。3.2 网络层通信特点对物联网业务分析时需考虑的与通信相关的基本要素有6个：附着特性、触发特性、流量特性、移动性、可靠性和实时性、忙时特性，这些特性与网络层通信基本业务模型的对应关系如表3.2-1所示。表3.2-1 网络层通信基本模型表基本要素要素特点附着特性附着率触发特性pdp激活频率（次/天）流量特性单次数据包（kbyte）平均带宽需求（kbit/s）移动性移动速度（公里/小时）位置精度能力可靠性和实时性qos服务等级通信连续性忙时特性

5、忙时集中系数忙时时段3.3 特性组合分析物联网应用种类繁杂，有些应用属于复合型应用，只有对典型复合型应用进行深入分析才能得到普遍适用的分析法。每种不同的业务应用都可以分解为子应用，每个子应用都有相应的传感网通信特性以及传感网特性对应的网络层通信特性，不同应用的传感层通信特性并不能确定地影响网络层通信，但采用性能更强的传感网通信技术可以支持更大的传感网通信能力，它对汇聚节点可能会提出更高的处理负荷要求，对信息存储和网络交互可能也可能会产生更高的要求，复杂和功能的丰富的应用都要依托网络层和业务节点参与才能实现，就是说依托更强大的传感网通信能力与网络层通信能力，同时依托业务平台的处理能力才能实现功能

6、更丰富、性能更强大的物联网应用。针对物联网的不同子应用的传感网特性，都需要对对应的网络层通信特性进行研究，这样才能得到该类子应用的业务模型（通信特性）完整的描述。3.4 物联网应用案例分析本文对若干物联网应用进行了深入分析，采用感知网和网络层通信区分对待的方法，将物联网的某个应用子集先梳理成若干感知网应用，再由感知网应用对应到其产生的网络层通信特性，形成通信参数对照表。3.4.1 车联网案例分析车联网定义还是比较模糊的，也有多种的名词，比如智能交通系统等，但其实质就是以交通工具（运载器械、路桥网络）为主体的陆地交通体系的物联网应用集。车联网不仅仅是对人的安全需求，还有参与交通运输所有主、客体安

7、全的需求以及交通综合效能（包括能效、执法等）的需求。车联网或者叫城市智能交通（公路网络），本身就是复杂的城市体系，物联网应用和所有事物有着发展共性，从初级阶段到成熟阶段，其涉及的应用种类丰富程度、应用深度、智能化程度、网络的复杂性都在不断地进化过程中趋于完善。由于车联网应用比较复杂，所以本文作为一个典型的物联网应用门类案例重点分析。公交系统车联网应用公交系统车联网应用是城市智能交通的一个组成部分，公交车辆有基本确定运行时间段、基本固定的行走线路、基本固定的停靠站点、乘客上下方式的等特点。它对传感网的应用需求大体为：车况、运载负荷、站点达到预报等多类信息的处理、存储、丢弃、转发、交互。一般来讲车

8、联网的公交智能系统应用中的传感网涉及6类特性如下：1-静止参数特性：汽车工况、部件参数、载重负荷、电子围栏开关门辅助。2-移动参数特性：司售人员的生理参数、生理状态。3-读写或识别特性：车辆身份鉴别、乘客刷卡购票、乘员负荷辅助、车内其它信息交互或结算。4-位置或无线网特性：导航信息、路径规划及管控、进站预报、停靠监管、多线路复合统筹管理、驾驶员人车安全。5-控制驱动特性：安全协助的强制速向控制、未来智能交通的控制导航驾驶辅助。6-视频、图像应用特性：人员图像分析、图像围栏成员数核算、安全行车助理、公共视频监控。将车联网的以上六种特性均等效为各自独立的用户终端进行分析，即对于每一个车联网用户，相

9、当于6个物联网终端使用，其各自的业务模型参数如下表所述。由于这些特性不一定同时产生通信需求，因此在取定业务模型时，要根据实际情况来选择，对于同一忙时需网络传送的信息，业务参数应迭加；忙时不在同一时段的，则只选择其中最大的参数值即可。表3.4-1车联网的公交智能系统六种特性产生的网络通信参数特性表参数指标参数值静止参数特性移动参数特性读写或识别特性位置或无线特性控制驱动特性视频应用特性附着率100%100%100%100%100%100%pdp激活频率（次/天）事件触发12次/天12次/天12次/天36次/天无人工介入12次/天50次/天4次/天500次/天12次/天310次/天单次数据包（kb

10、yte）5010005010001050501000105010000平均带宽需求（kbit/s）50384503841000503841000移动速度（公里/小时）050050050050050050位置精度能力无关无关无关米10米010厘米010厘米qos服务等级中中高中很高很高通信连续性否否否否是是忙时集中系数0.670.670.540.670.670.67忙时时段622622922622622622注：上述特性仅考虑汽车工况、部件参数检测需要网络传输的信息。其它种类运载工具的车联网应用各具特色，简单分析如下。家庭轿车更加侧重的传感网应用以及网络通信需要考虑的参数还包括：车厢环境监控、车

11、辆身份（关卡etc）、距离探测控制、远程开解锁或启动、防非法入侵、防盗报警装置等。智能物流系统则侧重于货运车辆的车辆身份、路径规划、驾驶员生理监控、中距离物品标签识读等。大型工程机械：车辆身份、路径规划、车载工具检测、机械的工作协同等。车联网的不同种类运载工具产生的网络层特性各有不同，但总的特性分类基本一致，只是各个参数的取定要根据其工作特性分别对待。3.4.2 智能家居案例分析智能家居是一个综合性的物联网应用集，其应用主要包含几个大类：静态参数采集类（空气温度、气压、流动、灰尘、有害气体）、移动物体参数（病残老幼、宠物）、非接触识别（近场通信门禁、图像识别、电子防护门栏）、触控及驱动（电器操

12、控、水汽暖、门窗、警告触发、报警触发、宠物养饲、移动装置管理）、视频或图像（安防、视频电话互通），它的集中控制和通信一般由一台家用电脑来完成，可以实现互联网远程操控。智能家居系统应用中的传感网涉及以下5类特性如下：1-静止参数特性：空气温度、气压、流动、二氧化碳浓度、灰尘、有害气体等。2-移动参数特性：病残老幼、宠物。3-读写或识别特性：近场通信门禁、图像识别、电子防护门栏。4-控制驱动特性：电器操控、水汽暖、门窗、警告触发、报警触发、宠物养饲、移动装置管理。5-视频、图像应用特性：安防、视频电话互通。将智能家居系统的以上五种特性均等效为各自独立的用户终端进行分析，即对于每一个智能家居用户，相

13、当于5个物联网终端使用，其各自的业务模型参数如下表所述： 表3.4-2智能家居系统五种特性产生的网络通信参数特性表参数指标参数值静止参数特性移动参数特性读写或识别特性控制驱动特性视频应用特性附着率80%100%100%80%100%pdp激活频率（次/天）事件触发12次/天12次/天10次/天12次/天12次/天人工介入480次/天480次/天50次/天50次/天30次/天单次数据包（kbyte）5010001050105050100010000平均带宽需求（kbit/s）505050503841000移动速度（公里/小时）无关无关无关无关无关位置精度能力无关无关无关无关无关qos服务等级很低

14、中中高高通信连续性否否否否否忙时集中系数1110.670.67忙时时段0240240246226223.4.3 蔬菜大棚案例分析蔬菜大棚的物联网应用是泛指农林牧渔的各类现场封闭或开放的养殖区域现场的互联网专家指导系统，现场养殖设施布置传感网与互联网的组合应用，其应用包括：静态参数（土壤参数、水质、空气、阳光、湿度）、图像或视频采集几交互（作物生长、病虫害、农业知识），远程农业专家通过图像、现场数据进行综合信息分析，通过互联网进行远程指导。将蔬菜大棚的两种特性均等效为各自独立的用户终端进行分析，各类传感网特征对网络层通信产生的负荷参数和特性要求如下：1-静止参数特性：土壤参数、水质、空气、阳光、

15、湿度等监测2-视频、图像应用特性：作物生长、病虫害、农业知识互通。将蔬菜大棚的以上两种特性均等效为各自独立的用户终端进行分析，即对于每个蔬菜大棚用户，相当于两个物联网终端使用，其各自的业务模型参数如下表所述。表3.4-3 蔬菜大棚两种特性产生的网络通信参数特性表参数指标参数值静止参数特性视频应用特性附着率80%20%pdp激活频率（次/天）事件触发12次/天人工介入310次/天12次/天单次数据包（kbyte）105010000平均带宽需求（kbit/s）503841000移动速度（公里/小时）无关无关位置精度能力无关无关qos服务等级很低高通信连续性否是忙时集中系数0.50.25忙时时段61

16、8911、1317蔬菜大棚研究的不是种植技术和实施，主要是放在参数监测和农业知识互联网教授方面。3.4.4 电梯卫士案例分析电梯卫士即电梯远程监控系统。该系统通过安装在电梯轿顶、机房的传感器，采集电梯冲顶、蹲底、停电、关人故障和电梯维保信息，并通过gprs传输模块将数据传输到电梯运行管理平台，从而由系统平台实现电梯安全管理的各种功能，帮助电梯安全管理部门、电梯厂商、维护单位和使用单位实现电梯监控的信息化管理，极大地提高了电梯安全性及电梯安全管理效率。电梯监控终端通过外界传感器将电梯运行、故障和维保参数通过gprs网络，传送至后台服务器，电梯管理员用电脑通过互联网登录电梯运行管理系统便可以进行电

17、梯运行安全管理，管理员也可以通过手机wap登录电梯运行管理系统的手机网站进行相关信息的查询和管理，进而实现对运行的电梯进行实时监控。以小区内垂直升降的厢式电梯为例，“它含有其他类型电梯管理的共性特点，电梯卫士”不但可以实现远程监控、还可以及时报警救援和强化维保等信息化管理，比如：1-静止参数特性：电梯的具体地址、总楼层、生产厂家、物业公司、维保公司、下次维护时间、下次年检时间和维护联系人电话等内容，以及对电梯各部件故障监测参数指标、载重负荷、电梯内环境配置。 2-读写或识别特性：乘载人身份鉴别、乘载负荷感应、电梯运行方向、到达楼层、速度、开门状态以及电梯内其它信息交互。3-控制驱动特性：电梯停

18、电备份启动，电梯各种功能开关控制，电梯故障实时检测，报警系统启动以及电梯故障后播放语音安抚.4-视频、图像应用特性：电梯运行状况实时监测；电梯乘客人脸识别、公共视频监控。将电梯卫士的以上四种特性均等效为各自独立的用户终端进行分析，各类传感网特征对网络层通信产生的负荷参数如下表所示：表3.4-4 电梯卫士四种特性产生的网络通信参数特性表参数指标参数值静止参数特性读写或识别特性控制驱动特性视频应用特性附着率100%100%100%100%pdp激活频率（次/天）事件触发020次/天1次/天0人工介入1次/天5次/天01次/天单次数据包（kbyte）010010010000100100平均带宽需求（

19、kbit/s）0100010001001001000移动速度（公里/小时）01001010501050位置精度能力无关01001010厘米米qos服务等级高高高高通信连续性否是否是忙时集中系数0.1250.62511忙时时段89、1719722全天全天说明：电梯故障实时检测：不但可以查看电梯故障的历史记录，正在运行的电梯无论出现任何故障都可以实时进行报警，及时自动传递报警短信至维修人员和小区管理者手机上，及时告知维护管理员故障类型及具体位置，让抢险救援人员第一时间赶到事故现场，故障排除后，给出故障恢复信息给维保人员。电梯故障后语音安抚：电梯发生故障，有人被关在电梯中时，除了进行故障报警，在电梯

20、内还可以自动播放语音安抚，提示被关人员电梯安全常识，告知乘客电梯故障已报告给相关维修人员，让大家耐心等待、缓解乘客焦虑、不安的情绪。3.4.5 路灯管理案例分析路灯管理系统是基于物联网技术的无线传感网络应用于路灯管理，以实现节能、减低维护成本、实现科学管理、降低运营成本的目的。将无线传感器网络的节点与路灯检测、调光、控制集成在一起，实现对每个路灯的单独控制。路灯控制和管理中心通过gprs方式与分布在各地的路灯控制和管理单元，并通过无线传感网络与每一个路灯节能控制器通信，实现各路段路灯的控制，现场测控终端控制和监视每一个路灯的亮、灭，并与路灯监控终端和路灯监控管理系统构成路灯监控和节能控制系统，

21、实现控制、监测和管理的功能。路灯管理系统可应用于对各大城市及乡镇路灯、旅游景点及小区照明路灯的监控，通过实时的遥测、遥控，对各路段路灯进有效的管理和维护，以及通过灵活的控制手段，实现节能的效果，比如能够实现一些重要场合和特殊天气对即时开关路灯的要求；另外，由于可实时监控每盏路灯、每个路段及亮化工程点工作状态，计算机可以即时发现路灯及路灯管理设备的故障，即时进行维护和管理，路灯管理系统的报警功能包括白天灯亮、晚上熄灯，远程控制器过热，配电箱门开关不正常打开，电压、电流越限和供电线路停电等故障；也可以利用动态实时模拟显示屏，监视全区路灯，值班员在中央控制室就可以概览路灯现场运行情况，从而减少巡灯的

22、维护成本和减轻巡检人员工作强度，大大提高工作效率。同时，路灯管理系统可进行时控法控制方式进行照明控制，实现预约控制和分时控制；开关灯可以自动和手动遥控，实现实时控制和点对点控制；也可远程设置开关灯时间表，从而实现分组控制功能。系统实时采集各种现场信号，采集的数据，立即进行数据处理，实时数据库保存着各个监测点采集上来的实时数据，周期扫描后自动进行更新。同时，路灯管理系统的应用，可在深夜行人稀少和交通量减少的情况下，执行“隔一亮一”、“隔二亮一”、“隔三亮一”的照明方式，既给夜间出行的行人带来主便又能节约大量的电费支出。另外，在恶劣天气时，根据各路灯控制智能终端采集的数据情况加以分析，采取相应紧急

23、措施，即时打开各路段路灯，避免交通事故的发生。以应用最广泛的市区道路两旁路灯为例，它具有郊区及旅游景点、小区等路灯的共性特点，比如：1-静止参数特性：每个路灯的亮灯功耗、使用寿命预测，路灯、供电线路及管理设备故障监测、用电量记录，灯亮时长。2-控制驱动特性：路灯停电备份启动，路灯开关控制，路灯故障自检测启动，路灯故障告知系统启动。将路灯管理系统的以上两种特性均等效为各自独立的用户终端进行分析，各类传感网特征对网络层通信产生的负荷参数和特性要求如下：表3.4-5 路灯管理系统两种特性产生的网络通信参数特性表参数指标参数值静止参数特性控制驱动特性附着率100%20%pdp激活频率（次/天）事件触发

24、025次/天人工介入1次/天0单次数据包（kbyte）01000100平均带宽需求（kbit/s）01000100移动速度（公里/小时）0101050位置精度能力无关010qos服务等级高高通信连续性否否忙时集中系数0.1250.25忙时时段89、1719063.4.6 千里眼案例分析千里眼是一款无线实时图像监控终端，在通信运营商gsm/gprs网络覆盖区域下的任何地点，配合手机使用，通过无线网络提供图像和各种报警信号，实现对家居、企业、仓库、车库、医院等环境的图像监控、异常情况实时告警、触发现场即时拍照、即时发送告警信息，告警信息异地即时查看等功能。千里眼的应用能够满足传统安防视频监控需求；

25、中小企业视频监控平台需求；企业内部培训、活动、会议直播点播需求；学校、医院、家庭等亲情探视视频需求。以医院病房应用背景为例，它具有家居、企业、仓库、车库等环境千里眼应用的共性特点：1-静止参数特性：每个病床的空闲信息，病房内电器等使用情况,每个病床的病人治疗方案及病例史，家人联系方式，用药清单等医疗信息，负责每个病人的医生及护士信息。2-移动参数特性：病人生理状况及病情。3-控制驱动特性：病房内停电备份启动，病房内暖气、空调等电器开关控制，病房内电器故障告知系统启动，病人突发状况呼救启动。4-视频、图像应用特性：病人实时状况、探病人员视频监控，病人点滴进展情况。将医院病房千里眼的以上四种特性均

26、等效为各自独立的用户终端进行分析，各类传感网特征对网络层通信产生的负荷参数和特性要求如下：表3.4-6 千里眼四种特性产生的网络通信参数特性表参数指标参数值静止参数特性移动参数特性控制驱动特性视频应用特性附着率70%70%70%50%pdp激活频率（次/天）事件触发3次/天01次/天12次/天人工介入1次/天2次/天02次/天单次数据包（kbyte）0100010001001000平均带宽需求（kbit/s）0100010001001000移动速度（公里/小时）0000位置精度能力无关无关无关无关qos服务等级低中高高通信连续性是否是是忙时集中系数0.2920.54210.542忙时时段912

27、、1418720全天9203.4.7 水资源远程监控系统案例分析水资源远程监控系统的应用可以包括以下几个方面：大坝安全监测系统，主要包括大坝变形、大坝位移、大坝压力、大坝渗流等坝体部分进行监测，以及对水位、容量等水体部分进行监测；水质监测系统，即对水站/水厂的水质监测，包括污染因子监测、水质量达标监测、对水站/水厂水质及时进行取样、化验；防汛/防旱调度指挥系统，根据气象信息、水文信息、容量、汛/旱实时信息、历史灾情分析、地理信息，实现汛/旱水调度信息统一管理；水环境监测系统，应用于水库/湖泊水环境监测，主要包括水库/湖泊水区域气象监测、水量监测、生态因子监测、网络视频；洪水预警报警系统，根据实

28、时气象信息、雨量信息、水位信息、流量信息等，并在此基础上进行雨水情分析、预测和预警，同时对排水设施的监测和控制，做出退水预报和管理；取水监测控制系统，主要是对用水单位的取水量和用水效率进行监测和控制，同时对地下水信息进行测量，根据需要对取水设备进行控制，从而达到对地下水资源的水费管理和开采控制；地下水监测系统，通过地下水监测设备，对地下水的水位、水质和地下水文信息进行测量，并且对测量数据进行分析；污染监测系统，河道污染监测系统，主要完成对河道水质有影响的参数监测。以防汛/防旱调度指挥系统为例对水资源远程监控系统进行特点分析：1-静止参数特性：监测的河流历史灾情记录、流经地区地理信息等基本情况。2-控制驱动特性：超预警水位触发报警。将防汛/防旱调度指挥系统的以上两种特性均等效