万物共享的物联网架构

前言

作为物联网领域最贴近用户的一个分支，智能家居行业在这两年持续火热。但是，除了智能家居外，物联网领域还有很多重要的组成部分：车联物流、智慧医疗、智慧社区、公共基础服务、智慧农业等。由于物联网的第一批先驱者往往都是从某个具体子行业转型过来的，对于物联网的认知也如盲人摸象，管中窥豹，很难有全局性的眼光。

基于国外物联网大神Daniel Karzel, Hannelore Marginean, Tuan-Si Tran的文章《A Reference Architecture for the Internet of Things》http://www.infoq.com/articles/internet-of-things-reference-architecture，结合作者在实际工作中的几个物联网项目，本文将描述一种物联网领域的层次结构，希望能帮助大家对物联网这个概念有更清晰的了解。

 

什么是物联网？

物联网的英文名称是”Internet of Things”，也就是我们经常看到的IOT，从字面意思上来看是“物物相连的互联网”。互联网解决的是人人互联的问题，而物联网解决的不仅是物物互联，还有人物互联。

物（Thing）是一个抽象的概念，它既可以代表一个温度传感器、一个开关面板，也可以代表一部空调、一台挖掘机，甚至可以代表一个小区、一座城市：物的定义取决于我们的用例。

在作者看来，物联网是一个现实世界与虚拟世界的交叉口，它从本质上解决的是虚拟操作和现实联动的行为映射关系。

 

物联网的基本对象

1.从功能属性上来看，物联网的基本对象是物的行为：

物(Thing) = n * 行为(Action)

行为是用来衡量物能力的重要参数，它决定了物本身可以实现什么、可以为其他物提供什么、可以从外界获取什么。

行为(Action) = n * 情境(Situation) + 目标(Goal)

情境是在特定环境下，物表现出的自然属性，目标则表述了这个自然属性的意义，如2016年4月19日星期二，在杭州市西湖区XXX街道XXX号的王麻子家中，温度传感器显示25℃；而单纯一个温度传感器显示25℃的信息是没有任何的参考价值的。

正是由于行为概念的引入，我们实现了虚拟和现实的第一次映射。

 

2.从自然属性上来看，物联网的基本对象是构成物的设备：

物(Thing) = n * 设备(Device)

设备大致分为传感器(Sensor)、控制器(Controller)、运算器(Calculator)、存储器(Memory)和标志(Tag)五种，它们以某种的方式进行组合，组成了一个完整的物。

设备是物联网的起点和终点，所有行为的发生和完成都离不开设备——情境就是设备在一定条件下的表现。

 

物联网的层次结构

图描述的是一种“两头开放，纵向分层，横向管理”的物联网层次结构，可以描绘出非常多元化的业务场景。

设备接入层、设备管理层和数据仓库一般发生在网关或者是PAAS服务器上，主要用途是数据采集；行为管理层、物物互联层一般位于SAAS服务器上，用来实现某些具体的数据模型；服务集成层是对数据进行变现，可以是一个APP也可以是一个O2O服务。

为了方便理解，可以将这个模型嵌套在智能家居行业上，人－>物的流程可以认为是单控，物－>物物互联层－>物的流程可以认为是场景联动。

 

1.设备接入层

设备管理层主要是解决最底层的接入和通讯问题，包含设备发现、设备驱动和设备通讯三大组件。

设备发现又分为两个部分：主动发现，接到高层次下发的搜索设备指令，在当前环境下搜索附近的设备；被动发现，设备通过某种协议向设备接入层发送入网请求。智能家居系统的添加设备基本是两种方式的混编：设备上电或者重置后向系统发送入网请求，并等待用户确认；网关或者手机也主动或定时扫描附近设备。

设备驱动是负责定义特定的通讯协议和控制协议，以保证设备可以正常运行。在某些使用云端透传技术的系统中，设备驱动只需要定义通讯协议。

设备通讯起到了设备接入层和设备管理层交互的桥梁作用，同时需要与设备组建交互，对通讯内容进行解析。

对于大多数的物来讲，往往是多个设备通过内部的预处理统一了接口，所以接入过程较为简单。

 

2.设备管理层

设备管理层主要负责控制设备和获取设备状态，并转化为标准数据，由设备注册、设备通讯和协议转换三大组件组成。

设备注册是在系统中注册已连接上的设备，包括分配空间、添加描述和基本信息等。

设备通讯用以下达控制指令和获取设备状态。

协议转换是一个非常重要的组件，负责将设备元数据转化为标准数据，用作上层组织业务、数据分析等。协议转换需要跟透传模块结合，在PAAS云配置脚本解析模块，采用Wifi/GPRS方式联网，是目前最普适、轻量的设备智能化解决方案。

设备管理层是物联网系统中最重要的一层，直接决定了系统的强度。这一层在实现上通常会带来一个问题：云核心还是网关核心？这个答案要根据具体要实现的业务决定：对于智能家居来说，用户所希望的一种更方便的生活方式，网关系统的局域网集群控制、基于机器学习的自动化等特性会带来更好的体验；对于车联物流来说，车与车之间的空间距离较大，车本身产生的内容有限，云核心无论从成本还是效果都是一个不错的解决方案。

对于市面上多数的云服务提供商，实际上解决的也是设备管理层的问题，并提供了一些简单的业务处理逻辑，帮助厂商进行简单的智能化改造。

 

3.数据仓库

数据仓库存储着关于物的所有数据，既包括设备数据又包括行为数据。

从实现角度上，数据仓库可以不唯一：设备数据一个仓库，行为数据一个仓库。设备数据作为物联网系统的基本数据，可以供多个行为甚至是服务进行调用，具有唯一性；而行为数据更多是根据业务需求所设定的，具有多元性。例，三合一传感器的移动传感器数据，可以作为回家模式的联动条件、也可以作为安防模式的触发条件。

 

4.行为管理层

行为管理层定义了系统的核心业务逻辑，由规则定义、情境定义、情境池、行为定义和行为池组成。

规则定义明确了创建情境、行为的标准，并评估各情境、各行为之间是否可以集成。

情境定义创建了一个具体的情境，并存入数据仓库，发布到情境池中。

情境池保存着已经创建成功的情境，供其他情境集成组成行为。

行为定义创建了一个具体的行为，行为中可以包含多个情境，但只能有一个目标。例，冰箱冷藏室温度调到6度，需要温度传感器和制冷机的配合。

行为池保存着已经穿件成功的行为，供物物互联组成具体的业务逻辑。

到了这一层，我们可以完整的描述一个物的形态、能力和运作模式，为物物互联提供了基础。对于一个物来说，规则定义衡量了其智能化的水平，对于简单的传感、开关类物，规则定义只需要定义其控制点和传感点；而对于复杂的物比如冰箱、汽车等，规则定义就会相对繁琐；对于更高级的物，如机器人等，规则定义甚至需要人工智能、数据发掘等高级算法。

对于智能家居行业来说，行为既可以包括单控、又可以包括联动。无论是单控还是联动，都是描述物本身能力的属性，特别是体现于功能较为复杂的黑白电上。

 

5.物物互联层

物物互联层解决了物物之间的发现和通信问题，从本质上来讲是实现管理维度。包含物物通讯、行为匹配、发现机制和标签系统四大组件。

发现机制负责找到其他物并建立关联。

行为匹配用以判定物物之间的集成深度。

物物通讯负责进行物和物之间的通信，并进行协议转化。

标签系统提供了管理物的多种维度，通过自定义标签达到对物的分类和管理，如位置标签、时间标签、功能标签等，。

物物互联层是真正实现物联网概念的一层，这层以下可以完整的实现物物互联的概念，甚至对于及其简单的物和业务需求来说，这一层就可以解决问题。但是，物联网的最终目的是服务于人，所以实际上还需要实际的人机交互进行内容的变现。

 

6.     服务集成层

服务集成层解决了人和物的互联，分为人机界面、实体服务和服务模型三大组件。

服务模型定义了物进行内容变现的方式，如为人机界面提供借口、数据提供给某个实体服务等。

人机界面提供了一种与用户交互的方式，可以是一个APP、一个公众号或是一个网页。

实体服务是用户实际上最希望得到变现模式，通过感知发现用户需求，并直接选择合适的实体服务，省区了繁琐的用户交互过程，一步到位：如感知到牛奶没了，自动联系生鲜配送。

如同互联网诞生了B2C，O2O，D2C等先进的商业模式一样，物联网本身只有一个平台属性，没有服务模型的落地物联网只是一纸空谈，所以炒物联网的概念是没有意义的。

 

7.安全机制

安全机制需要贯穿在整个物联网系统里，但是在各个层级的实现方式是不同的：

设备接入层：体现在设备本身的处理能力上，如果一个设备本身就计量就是一个不准确的，也无法承担加解密所需的计算能力，那么安全根本无从可谈。

设备管理层：体现在通信的安全，如通道加密、数据加密、密钥、心跳连接和验证、授权流程的复杂性。

数据仓库：体现在数据的真实性，如数据同步、SQL注入等。

行为管理层：体现在情境和行为的可行性，如死循环检测、互斥条件检测、模糊条件等。

物物互联层：体现在管理的有效性，如恶意设备的加入、行为交互深度（无限执行某联动，触发其他物的性能极限）。

服务集成层：体现在用户行为和逻辑服务的严谨性，如钓鱼攻击、数据堵塞、反向编译代码、抓包等。

安全是阻碍物联网发展的最核心因素之一，不仅关乎到用户信任关系的建立，还直接影响到开发和运营的成本。安全机制的设置需要综合权衡可行性、商业价值和实际需求等多方面因素。

 

8.管理机制

管理机制的目的是提高系统的性能，各层对管理机制的大体思路是一致的：

采用“池”结构：采用数据池、连接池等缓存常用的数据，优化创建和使用的逻辑。

统一标准：通过协议转化统一元数据的标准，优化数据解析和封装的时间，精简数据结构。

连接复用：合并常用的接口，减少数据请求的浪费；将一个小生命周期的多个短链接请求合并为一个长链接，减少建立连接的时间。

缓存机制：消息缓存、图片缓存、IO缓存等。

管理机制是一个长期迭代的过程，性能标准会随着系统的更新而不断提高。

 

一种物联网的云平台产品架构

上图描述了一个物联网的云平台产品结构，产品的模式是采用网关和云端的双核心，网关直接管理PAAS服务器上注册过的智能硬件产品，以原生的方式展现在超级APP上；第三方的智能硬件可以采取云端透传的方式发送到SAAS服务器解析，以HTML5的方式展现在超级APP上。

此产品结构的设计基本遵从物联网的层次结构，同时根据眼下的市场和技术条件进行了一些优化，具体的设计和实现将在下一篇文章中描述。

 

小结

虽然智能家居、车联物流、智慧医疗等行业十分火热，但是实际落地的项目却不是很多，相关的关联也基本没有，似乎众多厂商的终点还是在争夺入口和标准上面。

物联网的价值在于利用海量的数据给人服务，需要数据的共享才能发挥更大的价值，这是一场服务之争而不是标准之争。

作者的架构就是基于一种共享的理念建立的。