1.4 物聯網的技術體系框架
物聯網作為實現人與物理世界全面信息交互的全新網絡，在其感知、傳輸、處理3大核心環節中涉及眾多學科和跨領域的關鍵技術。物聯網的技術體系框架如圖1-4所示，它包括感知層技術、網絡層技術、應用層技術和公共技術。
圖1-4 物聯網的技術體系框架
1.4.1 感知層技術
感知層是物聯網發展和應用的基礎，數據采集與感知主要用于采集物理世界中發生的物理事件和數據，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數據，包括傳感器等數據采集設備，數據接入到網關前的傳感器網絡RFID技術、傳感控制技術、短距離無線通信技術是感知層涉及的主要技術。
（1）傳感器技術
物聯網技術的核心之一是信息的收集與反饋，而信息收集需要依靠大量的傳感器來完成。傳感技術、計算機技術與通信技術一起被稱為信息技術的3大技術。從仿生學觀點來看，如果把計算機看成處理和識別信息的“大腦”，把通信系統看成傳遞信息的“神經系統”的話，那么傳感器就是“感覺器官”。微型無線傳感技術及以此組建的傳感網是物聯網感知層的重要技術手段。現有的傳感器技術尚不能滿足物聯網廣泛應用的需要。新型傳感器具有低功耗、低成本、支持即插即用（PnP）、智能化（甚至傳感器本身具備一定的判斷能力）的特點。
（2）射頻識別技術
射頻識別（RFID）技術是通過無線電信號識別特定目標并讀/寫相關數據的無線通信技術。在國內，RFID技術已經在身份證、電子收費系統和物流管理等領域有了廣泛應用。RFID市場應用成熟，標簽成本低廉，但RFID一般不具備數據采集功能，多用來進行物品的甄別和屬性的存儲，且在金屬和液體環境下應用受限。RFID技術屬于物聯網的信息采集層技術。
（3）微機電系統
微機電系統（MEMS）是指利用大規模集成電路制造工藝，經過微米級加工，得到的集微型傳感器、執行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信電路和電源于一體的微機電系統。MEMS技術屬于物聯網的信息采集層技術。
（4）全球定位系統
全球定位系統（GPS）是具有海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。GPS作為移動感知技術，是物聯網延伸到移動物體并采集移動物體信息的重要技術，更是物流智能化、智能交通的重要技術。
（5）二維碼技術
二維碼技術是用特定的幾何圖形按一定規律在平面（二維方向）上分布的黑白相間的矩形方陣記錄數據符號信息的新一代條碼技術。二維碼由一個二維碼矩陣圖形、一個二維碼號以及下方的說明文字組成。通過專用讀碼設備或者智能手機，就能讀取二維碼中的大量信息。二維碼技術具有信息量大、糾錯能力強、識讀速度快、全方位識讀等特點。與RFID相比，從一維碼切換到二維碼除了印刷成本以外，幾乎不需要增加成本。
（6）無線傳感器網絡技術
無線傳感器網絡（WSN）的基本功能是將一系列空間分散的傳感器單元通過自組織的無線網絡進行聯接，從而將各自采集的數據通過無線網絡進行傳輸匯總，以實現對空間分散范圍內的物理或環境狀況的協作監控，并根據這些信息進行相應的分析和處理。傳感器網絡需要支持靈活的網絡管理和靈活的路由機制，支持多種類型設備的協同工作，支持帶寬管理，支持節能管理，支持特定設備的QoS管理等。無線傳感器網絡技術是實現物聯網廣泛應用的重要底層網絡技術，可以作為移動通信網絡、有線接入網絡的神經末梢網絡，進一步延伸網絡的覆蓋。WSN技術貫穿物聯網的3個層面，是結合了計算、通信、傳感器3項技術的一門新興技術。它具有較大范圍、低成本、高密度、靈活布設、實時采集及全天候工作的優勢，且對物聯網其他產業具有顯著帶動作用。
（7）藍牙技術
作為一種開放性的、短距離（10～100m）無線通信的技術標準，藍牙（Bluetooth）技術可以提供近距離的語音和數據通信，包括在移動電話、掌上計算機（PDA）、無線耳機、筆記本計算機、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換，其提供的數據傳輸速率最高可達720kbit/s。藍牙技術使用全方位的無線微波進行傳輸，支持點到點、點到多點的通信，而不需要像紅外傳輸協議那樣要求進行傳輸的設備之間必須對準。藍牙技術還具有以下特點：工作在2.4GHz ISM（Industrial Scientific Medical，工業、科學、醫學）頻段，這個頻段的通信設備無須再申請頻段的使用權；采用時分雙工/跳頻方式（TDD/H）（將信道劃分成多個連續的時隙）及正向糾錯編碼（FEC）技術和頻率調制（FM）方式；設備體積小，便于攜帶或移動，成本低廉。基于藍牙技術的藍牙網無須預設基礎設施這一特點，可自動臨時組網，不涉及多跳路由的問題，因此能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網之間的通信，從而使數據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路，構建智能化的網絡。
（8）無線通信技術
無線通信技術（ZigBee）是一種介于RFID和藍牙之間的新興的短距離、低速率、低功耗、低復雜度、低成本的雙向無線通信技術。它是由IEEE 802.15.4無線個人區域網工作組定義的一種適于固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速無線聯接技術。完整的ZigBee協議棧是由物理層、媒體接入控制層、網絡層、安全層和應用層組成的。其無線裝置減少了施工費用，解決了現場安裝困難的問題，消除了無線接入技術的不可靠性及其他技術問題，主要用于距離短、功耗低且在傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。
1.4.2 網絡層技術
物聯網的網絡層一般建立在現有的移動通信網或互聯網的基礎之上，實現更加廣泛的互聯功能，能夠把感知到的信息無障礙、高可靠性、高安全性地進行傳送。感知數據管理與處理技術包括傳感網數據的存儲、分析、理解、挖掘及感知數據庫的決策和行為的理論與技術。目前，高速發展的云計算平臺將會成為物聯網發展的一大助力。云計算平臺作為海量感知數據的存儲、分析平臺，將是物聯網網絡層的重要組成部分，也是應用層眾多應用的基礎。網絡層的感知數據管理與處理技術是實現以數據為中心的物聯網的核心技術，需要傳感器網絡與移動通信技術、互聯網技術相融合。經過十余年的快速發展，移動通信、互聯網等技術已比較成熟，基本能夠滿足物聯網數據傳輸的需要。
（1）互聯網
Internet，中文正式譯名為互聯網，又叫作國際互聯網。它是由那些使用公用語言互相通信的計算機聯接而成的全球網絡。互聯網是一組全球信息資源的總匯。有一種粗略的說法，認為互聯網是由許多小的網絡（子網）互聯而成的一個邏輯網，每個子網中聯接著若干臺計算機（主機）。互聯網以相互交流信息資源為目的，基于一些共同的協議，并通過許多路由器和公共互聯網組成，它是一個信息資源和資源共享的集合。
（2）通信網
通信網是一種使用交換設備、傳輸設備，將地理上分散的用戶終端設備互聯起來實現通信和信息交換的系統。通信最基本的形式是在點與點之間建立通信系統，但這不能稱為通信網，只有將許多的通信系統（傳輸系統）通過交換系統按一定拓撲結構組合在一起才能稱之為通信網。也就是說，有了交換系統才能使某一地區內任意兩個終端的用戶相互接續，才能組成通信網。
1）移動電話網絡（GPRS/CDMA/GSM/3G/4G/5G網絡）。通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）網絡、全球移動通信系統（Global System for Mobile Communication，GSM）網絡、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）網絡、3G（the 3rd Generation）/4G/5G網絡已覆蓋大量的區域，使實現數據的無線傳輸成為可能。通過GPRS、CDMA網絡進行數據傳輸，并通過傳輸控制協議/互聯協議（TCP/IP）進行數據封包，而且其簡便性、靈活性、易操作性及低成本的特點很好地解決了偏遠無網絡無電話線路地區的數據傳輸難題。5G網絡是第五代移動通信技術，是最新一代蜂窩移動通信技術，是4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統的延伸。5G的性能目標是提高數據傳輸速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模設備連接。峰值速率達到Gbit/s的標準，以滿足高清視頻、虛擬現實等大數據量的傳輸；空中接口時延水平需要在1ms左右，滿足自動駕駛、遠程醫療等實時應用；超大網絡容量，提供千億設備的連接能力，滿足物聯網通信；頻譜效率比LTE提升10倍以上；連續廣域覆蓋和高移動性下，用戶體驗速率達到100Mbit/s；流量密度和連接數密度大幅度提高；系統協同化、智能化水平提升，表現為多用戶、多點、多天線、多攝取的協同組網，以及網絡間靈活的自動調整。
2）廣電網絡。廣電網絡通常是各地有線電視網絡公司負責運營的，通過光纖+同軸電纜混合網（HFC）向用戶提供寬帶服務及電視服務網絡，寬帶可通過電纜調制解調器（Cable Modem）連接到計算機，理論到戶最高速率達38Mbit/s，實際速度要視網絡情況而定。
3）NGB廣域網絡。中國下一代廣播電視網（NGB）是以有線電視數字化和移動多媒體廣播（CMMB）的成果為基礎，以自主創新的“高性能帶寬信息網”核心技術為支撐，構建的適合我國國情的、三網融合的、有線無線相結合的、全程全網的下一代廣播電視網絡。
1.4.3 應用層技術
應用層主要包含應用支撐平臺子層和應用服務子層。其中應用支撐平臺子層用于支撐跨行業、跨應用、跨系統的信息協同、共享、互通的功能。應用服務子層包括智能交通、智能醫療、智能家居、智能物流、智能電力等行業應用。
（1）機器對機器（Machine to Machine，M2M）
M2M技術將多種不同類型的通信技術有機地結合在一起，如機器之間通信、機器控制通信、人機交互通信、移動互聯通信。M2M技術讓機器、設備應用處理過程與后臺信息系統共享信息，并與操作者共享信息。它提供了設備實時地在系統之間、遠程設備之間或與個人之間建立無線聯接和傳輸數據的手段。M2M技術綜合了數據采集、GPS、遠程監控、電信、信息技術，是計算機、網絡、設備、傳感器及人類等的生態系統，能夠使業務流程自動化，集成公司IT系統和非IT設備的實時狀態，并創造增值服務。這一平臺可在安全監測、自動抄表、機械服務和維修業務、自動售貨機、公共交通系統、車隊管理、工業流程自動化、電動機械、城市信息化等環境中運行，并提供廣泛的應用和解決方案。
（2）云計算
云計算概念是由Google公司提出的，這是一個“美麗”的網絡應用模式，是指IT基礎設施的交付和使用，通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需的資源。云計算是并行計算、分布式計算和網格計算的發展，或者說是這些計算機科學概念的商業實現。云計算代表了手提計算機（HPC）從科學計算到大眾化商業應用的變遷，使以前最“燒錢”和不賺錢的超級計算產業變成了最賺錢和省錢（充分利用現成的CPU的計算能力）的生意。云計算使以前的“計算中心”邊緣化，而使“數據中心”成為主流。
（3）人工智能
人工智能是研究讓計算機來模擬人的某些思維過程和智能行為（如學習、推理、思考、規劃等）的學科，主要包括計算機實現智能的原理、制造類似于人腦智能的計算機，使計算機能實現更高層次的應用。人工智能涉及計算機科學、心理學、哲學和語言學等學科，可以說涉及自然科學和社會科學的幾乎所有學科，其范圍遠遠超出了計算機科學的范疇。人工智能與思維科學的關系是實踐和理論的關系，人工智能是處于思維科學的技術應用層次，是它的一個應用分支。從思維觀點看，人工智能不只限于邏輯思維，更要考慮形象思維、靈感思維，才能促進人工智能的突破性的發展。數學常被認為是多種學科的基礎科學，數學也進入語言、思維領域，人工智能學科也必須借用數學工具。數學不僅在標準邏輯、模糊數學等范圍發揮作用，而且進入人工智能學科，它們將互相促進而更快地發展。
（4）數據挖掘
在人工智能領域，數據挖掘習慣上又被稱為數據庫中的知識發現（Knowledge Discovery in Database，KDD），也有人把數據挖掘視為數據庫中知識發現過程的一個基本步驟。知識發現過程由3個階段組成，即數據準備、數據挖掘及結果表達和解釋。數據挖掘可以與用戶或知識庫交互。
并非所有的信息發現任務都被視為數據挖掘。例如，使用數據庫管理系統查找個別的記錄，或通過互聯網的搜索引擎查找特定的Web頁面，則是信息檢索（Information Retrieval）領域的任務。雖然這些任務是重要的，可能涉及使用復雜的算法和數據結構，但是它們主要依賴傳統的計算機科學技術和數據的明顯特征來創建索引結構，從而有效地組織和檢索信息。盡管如此，數據挖掘技術也已用來增強信息檢索系統的能力。
（5）RFID中間件
RFID中間件是系統獲取信息、處理信息和傳遞信息的核心部分，是聯接讀寫器和企業應用程序的紐帶，在物聯網初期提出時被稱作Savant（一種分布式網絡軟件）。它主要對標簽數據進行過濾、分組、計數、轉發，以提高發往信息網絡系統的數據質量，防止誤讀、漏讀、多讀信息。RFID中間件的核心組成是事件管理器和信息服務器。事件管理器負責采集、過濾讀寫器收集的EPC（設計、采購、施工）相關信息，并轉發給其他應用；信息服務器提供事件管理器與企業信息系統之間的集成，存儲事件管理器提交的數據信息，提供訪問接口。
RFID中間件技術拓展了基礎中間件的核心設施和特性，將企業級中間件技術延伸到了RFID領域，是RFID產業鏈的關鍵技術。RFID中間件屏蔽了RFID設備的多樣性和復雜性，能夠為后臺業務系統提供強大的支撐，從而驅動更廣泛、更豐富的RFID應用。RFID中間件技術重點研究的內容包括并發訪問技術、目錄服務技術和定位技術、數據和設備監控技術、遠程數據訪問和安全及集成技術、進程和會話管理技術等。
應用層主要是根據行業特點，借助互聯網技術手段，開發各類的行業應用解決方案，將物聯網的優勢與行業的生產經營、信息化管理、組織調度結合起來，形成各類的物聯網解決方案，構建智能化的行業應用。如交通行業，涉及的是智能交通技術；電力行業采用的是智能電網技術；物流行業采用的智慧物流技術等。行業的應用還要更多地涉及系統集成技術、資源打包技術等。