从云计算到海计算：论物联网的体系结构

　　2 物联网体系结构

　　除了获取、承载和处理超海量的感知信息这个显著特征外，物联网的另一个显著特征就是具有决策和控制功能，能够影响物体周围的环境或控制事件的进程；就是通过对物理世界的感知，对感知信息的传输和处理，到对事件的判断和决策，再回到控制执行器进行执行动作，从而对事件产生作用来影响事件的进程，形成从物理世界到信息空间再到物理世界的循环过程。

　　2.1 开放式循环结构

　　物联网形成人机物的协调环境系统，包含从感知、传输、处理和控制的循环过程。物联网由亿万种物体、设备和人参与形成或与物理环境共存，这些对象之间存在极其复杂的关系（或称为关系链）。一个事件往往受到多种因素影响，这些因素本身也是动态变化的。如移动车辆在移动过程中所处局部环境具有高度动态性，因为车况、路况、周围车辆、无线接入网络等一直在变化。多种因素均会影响车辆间产生碰撞，造成交通事件，通过智能的感知、通信和控制人们可以避免车辆碰撞。这使得物联网的信息循环不同于传统的闭环控制，而是开放式的循环过程［3］。物联网开放式循环结构如图2所示。传感设备的感知信息包括物理环境的信息和物理环境对系统的反馈信息，执行器改变物理实体状态和实现系统对物理环境的反馈。系统会预先设定控制语义。计算设备对物理信息进行计算和判断，当判断值在控制语义下满足一定的触发条件时，控制设备会发送命令给执行器。

　　由于物理环境、感知目标存在混杂性，信息设备存在一定的误差，以及其状态、行为存在不确定性等，对于循环结构而言，会带来获取的感知信息的不准确性，以及物体控制的不可靠性。因此，如何全面准确地获取感知信息，以及如何保证控制过程和结果符合设计要求，是开放式循环结构的两个重要方面。

　　2.2 智能前端

　　随着微电子、计算和通信等技术的发展，在物体中嵌入微型的感知、处理和通信等功能部件成为可能。越来越多的物体成为物联网的智能前端，带动物联网逐步应用和发展。智能前端兼有感知信息的获取、决策操作的执行，以及诸多的处理和交互功能，是局部自治环境中的终端实体，也是物联网的基本单元。

　　下面结合物联网的典型应用之一智能交通来说明前端的智能化。车辆安全系统能在人工干预或无需人工干预情况下，保证高速车辆的安全行驶，是智能交通的核心内容。图3所示是车辆安全协作系统架构［4］示意图。车辆通过传感器、全球定位系统（GPS）等设备收集车辆自身与周围环境的信息。计算模块中的消息产生机制产生车辆状态信息，并通过无线车载网络将状态消息广播给周围车辆。车辆通过专用短距离信道（DSRC）接收邻居车辆的状态信息，根据自身和多个邻居车辆的状态信息，预测车辆之间及车辆与周围环境之间的位置关系，以及可能发生的碰撞，及时调整车辆操作参数来提高车辆行驶的效率和保障安全。

　　图3所示的架构仅仅把车辆状态信息及时广播出去，在车辆多的情况下，有可能产生信息传输延迟较大，甚至信息丢失。Fallah［5］等人考虑无线网络的通信状态，给车辆赋予更智能的功能，如图4所示。与传统的车辆安全协作系统架构不同之处在于，传输控制单元根据无线车载网络的信道情况和状态信息，调整发送的频率和消息长度，根据自身位置估计模型和实际位置决定是否发送自身位置信息，从而提高了系统的鲁棒性和扩展性。

　　2.3 融合系统体系结构

　　体系结构是对系统的抽象描述。物联网系统既涉及规模庞大的智能电网，又包含智能医疗的医疗设备。目前世界各国都在结合具体行业推广物联网的应用，离形成全球的物联网系统还需要非常长的时间。提出面向全球物联网、适应各种行业应用的体系结构，与下一代互联网体系结构相比，具有更巨大的困难和挑战。现在研究人员通常只是从具体行业或小的系统去探索物联网的体系结构。

　　物联网与物理信息融合系统（CPS）［6-9］密切相关，这两个概念目前越来越趋向一致。Tan.Y［10］等人提出了一种CPS体系结构的原型，如图5所示。图5表示了物理世界、信息空间和人的感知的互动关系，给出了感知事件流、控制信息流的流程。

　　CPS体系结构原型的几个组件描述如下：

　　（1）物理世界

　　物理世界包括物理实体（诸如医疗器械、车辆、飞机、发电站）和实体所处的物理环境。

　　（2）传感器

　　传感器作为测量物理环境的手段，直接和物理环境或现象相关。传感器将相关的信息传输到信息世界。