可运营管理的通用物联网体系结构研究

1、2010 年 11 月西安邮电学院学报N ov. 2010第 15 卷 第 6 期JO U RN AL O F XI A N U NI VERSIT Y O F P OST S A N D T EL ECO M M U N ICA T IO NS可运营管理的通用物联网体系结构研究屈军锁, 朱志祥( 西安邮电学院 物联网与两化融合研究院, 陕西 西安710061)Vo l 15 No 6摘要 : 讨论物联网概念的由来和发展, 对比分析物联网、传感器网络 、机器到机器( M 2M ) 、以及泛在网之间的差异 和关系; 在研究泛在网、M 2M 结构模型的基础上, 提出一种 可运营、管 理的通用 物联

2、网 体系结 构模型, 并给 出一个 基于该结构的企业物联网的应用实例。关键词: 物联网; 泛在网; M 2M ; 体系结构中图分类号: T P3文献 标识码: A文章编号: 1007 3264( 2010) 06 0068 050物联网概念通信, 以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网( Internet o f Thing s, IOT ) 作为新 兴的信息网络技术, 被看作信息领域的又一次重大发展1物联网、传感网、泛在网的关系和变革机遇, 将对社会、经济等多个领域的发展起到巨大推动作用。物联网最初的定义是把所有物品通过射频识别标签( RFID) 等信息传感设备与互联网连

3、接, 实现物 1系统为背景提出的, 以 RFID 技术作为条码识别的替代品, 实现物流系统的智能化管理。 2技术的目标已经从满足人与人之间的沟通, 发展到连接任何物品( 即人与物、物与物之间的连接) 的阶段, 而万物的连接就形成了物联网。2009 年欧盟 第七框架下 RFID 和物联网 研究ITU T Y. 2221 建议 5 中定义传感器网是包含互联的传感器节点的网络, 这些节点通过有线或无线通信交换传感数据。传感器节点是由传感器、数据处理、联网功能的执行元件组成的设备。ITU T Y. 2002 建议 6 中将泛在网络 描述为,在服务预订的情况下, 个人和/ 或设备无论何时、何地、何种方式

4、都能以最少的技术限制接入到服务和通信的能力。泛在网 以 无所 不在#、 无所不包#、 无所不能#为基本特征, 帮助人类实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信。项目簇在 物联网战略研究路线图!报告 3中提出了新的物联网概念, 物联网是未来 Inter net 的一个组成部分, 是基于标准的、可互操作的通信协议且具有自配置能力的动态的全球网络基础架构。2010 年, 我国的政府工作报告 4 所附的注释中对物联网有如下说明: 物联网是通过传感设备按照约定的协议, 把各种网络连接起来, 进行信息交换和图 1 传感网、物联网、泛在网的关系物联网与传感网、泛在网的关系可以概括为, 泛在网络

5、包含物联网, 物联网包 含传感网, 如图 1 所示。表 1 从通信对象、末端信息采集模式、基础网络三个方面对传感网、物联网、泛在网进行了比较。收稿日期: 2010 10 28基金项目: 2009 国家重大科技专项( 2009ZX0304 003)作者简介: 屈军锁( 1969 ) , 陕 西澄城人, 西安邮电学院物联网与两化融合研究院副 教授;朱志祥( 1959 ) , 天 津人, 西安邮电学院物联网与两化融合研究院教授。品的智能化识别和管理 。早期的物联网是以物流IT U 2005 年发布的报告 中认为, 信息与通信第 6 期传感网屈军锁, 等: 可运营管理的通用物联网体系结构研究表 1-1

6、4传感网、物联网 、泛在网比较物联网泛在网 69 通信对象末端信息采集基础网络物- 物传感 器 + 近 距 离 无 线通信( 低速、低功耗)不包括物- 物人- 物传感器网+ 近距离无线通信RFID、二维码近距离 中高速通信内置移动通信模块各种终端一个或几个网络初期: 传输后期: 融合, 协同网络、多技 术异构协同智能:跨技术、跨 网络、跨行业、跨应用传感器网+ 近距离无线通信RF ID、二维码近距离中高速通信内置移动通信模块各种终端通信终端: 手机、上网卡等多网络、多 技术异构协同智能:跨技术、跨 网络、跨行业、跨应用22. 1泛在网、M 2M 体系结构泛在网体系框架目前研究物联网的体系框架时

7、, 大多采用 ITUT 在 Y. 2002 建议中描述的泛在网分层体系架构,自下而上分为 5 个层次: 底层传感器网络、泛在传感器网络接入网络、泛在传感器网络基础骨干网络、泛在传感器网络中间件、泛在传感器网络应用平台, 如图 2 所示。图 3 ET SI 制定的 M 2M 分层体系结构中国移动 M2M 定义: M2M 是通过在机器内部嵌入移动通信模块, 以 SMS/ U SSD/ GPRS 等为接入手段, 为客户提供的信息化解决方案, 满足客户对生产监控、指挥调度、数据采集和测量等方面的信息化 8M 2M 平台提供统一的 M 2M 终端管理、终端设图 2 泛在网分层体系架构2. 2 M2M 体

8、系结构M2M 是现 阶 段 物 联 网 最 普 遍 的 应 用形 式。M2M 在欧洲、韩国、中 国已进入部分 商用, 主 要应用于安全监测、公共交通、物流系统、车队管理、工业流程自动化、城市信息化等。ETSI 制定的 M 2M 体系架构 7 分为三层( 如图3) : 感知层、网络层、应用层。感知层包括 M 2M 终端、WSN 局域网络、M 2M 网关、M 2M 能力和 M2M应用; 网络层包括接入网和核心网两大部分和网络管理、终端管理功能; 应用层包括各种各样的行业应用和用户配置接口。备鉴权, 并对目前行业网关尚未实现的接入方式进行鉴权。支持多种网络接入方式, 提供标准化的接口使得数据传输简单

9、直接。提供数据路由、监控, 用户鉴权等管理功能。行业网关: 是承载信息上报、参数配置、终端状态检测、终端注册等业务功能的短信上下行通道。BOSS: 统一管理集团客户( Enterprise Customer EC) 信息, 业务受理, 计费和结算, 业务信息( 包括产品信息) 变更由 BOSS 完成。行业终端监控平台: M 2M 平台提供 FT P 服务,将每月统计文件存放在 FT P 服务, 供行业终端监控需求。中国移动 M2M 业务系统结构 如图 4 所示。 70 西安邮电学院学报2010 年 11 月平台下载, 以同步 M2M 平台的终端管理数据。上级网管系统: 通过网管接口完成网管功能

10、。图 4中国移动制定的 M 2M 业务系统结构3通用物联网体系架构控制。接入网包括 IAD、OLT 、DSLAM 、交换机、射频接入单元、2G/ 3G 蜂窝移动接入、卫星接入等, 核目前通用的、可运营、管理的物联网体系架构的研究都处于初期阶段, 我们先提出通用原则和总体需求, 然后对基本架构做进一步详细划分, 定义通用框架和功能结构模型。图 5 是作者经过分析、归类、梳理的基础上提出的一种通用物联网体系结构, 包括感知层、网络层、数据智能处 理层和应用层 四个层次。心网主要由各种光纤传送网、IP 承 载网、下一代网络 NGN、下一代互 联网 NGI、下 一代广电网 N GB等公众电信网和互联网

11、, 也可以依托行业或企业的专网。数据智能处理层: 该层是实现以数据为中心的物联网的核心技术。包括数据汇聚、存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。数据汇聚包括实时、非实时物联网业务数据汇总后存放到数据库中, 方便后续数据挖掘、专家分析、决策支持和智能处理。应用层: 包括应用支撑子层和各种具体物联网应用。支撑子层为物联网应用提供通用支撑服务和能力调用接口。物联网的应用可分为监控型( 物流监控、环境监测) 、查询型( 智能检索、远程抄表) 、控制型( 智能交通、智能家居、路灯控制) 、扫描型( 手机钱包、高速公路不停车 收费) 等。既有 行业专业应用, 也有以公共平台为

12、基础的公共应用。图 5一种物联网体系结构物联网标准: 物联网的现状与互联网初期的现感知层: 包括信息采集和通信子网两个子层。传感器、二维码、条形码、RFID、智能装置等作为数据采集设备, 将采集到的数据通过通信子网的通信模块和延伸网络与网络层的网关交互信息。延伸网包括传感网、无线个域网( WPAN) 、家庭网、工业总线等。网络层由各 种无线/ 有线网 关、接 入网和核 心网, 实现感知层数据和控制信息的双向传送、路由和状基本类似, 集中研发优势, 参与国际物联网标准的制定, 力争掌握物联网的话语权。无论是国际还是国内, 物联网标准都还处在初期阶段: 每个标准组织都还是针对物联网的某一方面或者自

13、己擅长的部分进行研究, 国内的研究也是零散的, 缺乏系统化的研究。2010 年 6 月物联网标准联合工作组正式成立,明确方向、突出重点、统一部署、分步实施, 稳步推进第 6 期屈军锁, 等: 可运营管理的通用物联网体系结构研究 71 物联网标准的制定, 加强与欧、美、日、韩等国家和地区的交流和合作, 力争成为制定物联网国际标准的主导力量之一。物联网的安全机制: 通过鉴权、授权、访问控制、机密性、完整性等安全机制, 在业务安全、网络安全和用户隐私安全三个方面提供安全保障措施。业务安全包括只有拥有权限的用户才能接入网络, 只有拥有权限才能使用该业务。网络安全包括网络应该能够保证业务的正常运营, 能

14、够针对灾难、故障和紧急事件提供相应的处理手段。用户隐私安全包括对与发布, 并对二级物联网管理中心进行管理。行业/ 区域层: 包括行业/ 区域物联网管理中心和公共服务平台。行业/ 区域物联网管理中心是国内二级管理中心, 存储各行业、各领域、各区域内部的相关数据, 并将部分数 据上传给国家管 理中心。行业/ 区域公共服务平台为本行业或者区域的企业和政府提供公共的物联网服务。企业层: 包括 企业 及单 位 内部 的 RFID、传感器、GPS 等 信 息 采 集 系 统 以 及 局 域 物 联 网 应 用系统。用户个人资料等信息进行有效保障, 不能泄露用户隐私信息。业务需要采取加密机制, 保证涉及用户

15、4企业物联网架构应用实例隐私的业务数据不外泄。物联网的运营可以分成两大类: 面向公众提供的物联网服务和面向行业提供的物联网专用服务。面向公众提供的物联网服务是建设一张面向公众服务的广域物联网, 网络建设和网络维护需要长期的投入人力和物力, 从集约化和节省全社会成本的角度来看, 通信运营商凭借丰富的专业经验、较低的人员维护成本、一体化维护优势是最佳的建设方和维护方。面向行业提供的物联网专用服务又分为两种我们为某工业集团企业设计了一套企业物联网架构, 包括安全生产、经营管理、工业监控、专业化供应链/ 物流、机电装备制造 5 个部分, 每个部分通过传感数据采集、数据处理、工业网络传输、汇总数据资源和

16、中间件层, 进行数据提 取分析挖掘、应用平台、专家分析系统、决策支持系统, 然后提交集团经营管理、安全生产, 宽带 移动嵌入提供 移动生产监控、移动办公、移动物流管理, 形成一个庞大的物联网应用体系如图 7 所示。类型: 行业专网服务和行业公网服务。行业专网服务主要指某些行业单独设立的通信专网, 只为本行业服务, 不面向社会公众提供服务。行业公网服务主要指面向一种行业, 但是为与此行业相关的各种人员和机构提供服务的网络。物联网的管理架构: 包括国家层面、行业/ 区域层面、企业层面三个方面, 如图 6 所示。图 7 企业物联网应用实例整个集团企业物联网架构分为两个平面: 集团层面和每个具体生产单

17、元层面, 集团层面包括经营管理、安全生产、物流管理、装备制造; 生产单元从系统逻辑构架角度出发, 纵向可分为 5 个不同层次: 传感数据采集接入、工业传输网络、支撑网、数据资源和中间件、宽带移动嵌入应用, 安全生产、经营管理、物流管理、装备制造贯穿整个纵向 5 个层次。安全生产: 在机械化、自动化基础上提升信息化图 6全国性的物联网管理架构水平, 实现企业人财物、产供销过程全 息一体化管国家层: 国家物联网管理中心是一级管理中心,负责与国际物联网互联, 负责全局相关数据的存储理, 打造自动化、网络化、数字化、走向智能化、无人化( 少人) 安全生产模式; 72 西安邮电学院学报2010 年 11

18、 月经营管理: 利用广域网络和无线网络实现集团用实例。企业的本地、远程、固定、移动的立体管理平台。构建新型国际化现代企业运营管理模式, 提高管理效参考文献率、降低管理成本, 形成跨地区、跨省、跨国集团企业的网络化管理新模式。供应链与物 流管 理: 建立 完整 的供 应 链管 理( SCM ) 系统 ( 物料 信息 RFID 采集、条 形码 识别、GPS 车辆调度) , 大力发展电子商务, 拓展 B2B、B2C等模式在工业企业的应用, 推广在线交易、支付及物流的一体化集成, 提升企业采购和营销效率。机械装备制造: 基于云计算的机电装备制造, 销售的每一台设备通过云网络连接到集团云服务器,可以实时

19、监测到售出设备的运行状态、在线诊断、专 1 2 3 4 5AutoI D Labs homepag e. http: / / w w w. auto idlabs. o rgIT U , Inter net Report s 2005: T he Inter net of T hings.Genev a, IT U , 2005.Euro pean Research Pro jects o n the Internet o f T hing s( CERP Io T ) Strateg ic Research Ag enda ( SRA ) , Inter net of T hings Str

20、ateg ic Resear ch R oadmap,Brussels, ET SI, 2009.温家 宝, 2010 年政 府工 作 报告, ( 2010 03 05) , 201003 15 , http: / / w ww . china. com. cn/ policy/ t xt/ 201003/ 15/ content_19612372. htmIT U T Y . 2221, requir ements fo r support o f ubiquitous家系统、远程维护、在线升级, 提供给客户使用方的决策系统支持, 提高装备制造的信息化程度。 6sensor netw or

21、k applications and ser vices in N GN env ir onment S . Genev a, IT U , 2010.I T U T Y. 2002, Ov erv iew of ubiquitous netw orking5结束语and of it s suppo rt in N GN S . G eneva, IT U , 2010.物联网是一个十分庞大复杂的系统, 目前对物联网的研究尚处于起步阶段, 本文对通用、可运营的物联网体系结构做了初步研究, 提出了一种包含感知层、网络层、智能 处理层和应用 层的 4 层体 系结 7 8M 2M A ctiv ities in ET SI. ( 2009 07 09) , 2010 05 12htt p: / / docbox . etsi. o rg / M 2M / Open/ Info rmation /M 2M _presenta tion. ppt中 国移 动 通信 集 团 企业 标 准, M 2M 平 台 设 备规 范,V1. 1. 0, 北京, 中国移动通信集团, 2007.构, 最