物联网开放平台及接入技术

CommandInformationSystemandTechnology

指挥信息系统与技术

Vol. 8 No. 3

Jun. 2017

•理论与探索• doi: 10. 15908/j. cnki. cist. 2017. 03. 007

物联网开放平台及接入技术

汤浩李兆峰

(中国电子科技集团公司第二十八研究所南京210007)

摘要：物联网已广泛应用于智能家居、智能交通、营区管理、环境监测、物流快递、食品溯源、工业 监测和健康护理等领域，为提高物联网应用效率和打造物联网应用生态环境，亟需一种以公共服务 为导向的物联网开放平台，适配各种网络环境和协议类型，支持各类传感器和智能硬件的快速接

入，提供丰富的应用程序编程接口（API)和应用模板以支撑应用快速开发与部署。介绍了物联网 开放平台的基本功能，并从智能终端适配、智能网关代理和智能平台接入角度，讨论了物联网开放 平台的接入技术，实现了传感器数据的统一处理，最终为上层应用提供标准化信息服务。关键词：物联网；开放平台；接入技术中图分类号；E919 文献标识码：A

文章编号：1674-909X(2017)03-0038-05

Internet of Things Public Platform and Its Access Technology

TANG Hao LI Zhaofeng

(The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China)

Abstract: The Internet of things (IoT) has been widely used in many areas, such as smart home, intelligent transportation, camp management, environmental test, logistics express, food tracea­bility, industrial test, and health care. To increase the application efficiency and establish the in­dustrial chain of IoT, a public-service-oriented platform of IoT is needed for supporting different network environments and protocols. Meanwhile, it can sustain different types of sensor and smart devices，and provide many application programming interface (API) functions and applica­tion templates. The function and the access technology of IoT public platform are introduced. From the view of the intelligent terminal adaptation, the intelligent gateway agent and the intelli­gent platform access, a access technology for IoT public platform is discussed, helping to process sensor data effectively and provide standardization information services.Key words： Internet of things (IoT)； public platform； access technology

i

发展现状

物联网指通过部署具有一定感知、计算、执行和

3个特征：1)泛在化感知与精确控制能力；2)智能 化分析和信息处理能力；3)新一代网络信息基础设 施。随着物联网技术的发展与融合，物联网已逐渐 深人生产生活的各个方面，如智能家居、智能交通、 营区管理、环境监测、物流快递、食品溯源、工业监 测、酒店管理和健康护理等领域[2—6]。

物联网系统包括后端集中式和前端分布式2种

通信等能力的设备，按约定协议将物与物、人与物、 人与人连接起来，进行信息交换、通信、协同和处理， 以实现智能化识别、定位、跟踪、管理和控制的网 络[1 ]。与已有各类信息系统相比，物联网具有以下

收稿日期：2017-04-13

引用格式：汤浩，李兆峰.物联网开放平台及接人技术[

J].指挥信息系统与技术,2017,8(3) :38-42.

TANG Hao,LI Zhaofeng. Internet of things public platform and its access technology[J]. Command Informa­tion System and Technology, 2017,8(3) ：38-42.

第8卷第3期汤浩，等:物联网开放平台及接入技术39

系统架构。物联网后端集中式系统架构如图1所

示，具体分为以下4层：1)感知层：实现对物理世界 的识别感知、信息采集和处理控制d)网络层：通过 控制网关将感知终端构成的末梢网络与现有的互联 网、通信网或下|代通信网相连，实现信息的可靠传 递、路由和控制；3)服务层：主要由计算和存储设备 及其建立的各类服务组成，完成对采集数据的汇聚、 转换和分析，以及为应用层呈现合理的适配和事件 触发等|4)应用层：基于物联网开放平台提供的各 种信息支撑服务，实现行业应用的快速开发与部署。 上述4层结构中，服务层对应的物联网开放平台能 提供简单的存取通道，支持多种协议的感知设备接 入，并为上层应用软件屏蔽感知终端复杂的接入手 段和数据格式，提供行业应用定制化开发服务，因此 成为各行业研究热点，许多主流软件和通信服务厂 商均推出了各自的物联网开放乎台产品。前段分布 式系统架构与行业应用紧密耦合，其架构设计与应 用实际场景相关，要求数据处理和操作在感知终端 间完成，但缺乏广泛采纳的架构类型。

基于上述的功能需求和行业发展现状，本文采 用后端集中式系统架构，描述了物联网开放平台功 能和结构，分析了智能终端适配、智能网关代理和智 能平台接入3种接入技术的特点及适用场景，并提 出在物联网应用发展的现阶段，物联网开放平台应 融合上述3种接入技术，从而有效推动物联网生态 产业的形成与发展9

应用 I

智能家---居 I

丨智能交---通

I丨环境监---测丨 丨食品溯源---丨

层丨智能消防I

I

工业监测

I

丨物流快递I丨健康护理

I

服

物联网开放平台

务层

丨接入服务II信息服务II应用集成II解析服务II网络管理

llWeb服务L

电信网/互联网/专用网络

网

络层

一一感知层

图1物联网后端集中式系统架构

2开放平台

在涉及信息自动采集或状态自动监测领域中，

上层行业应用希望专注于行业应用开发，无需自底 向上全套构建信息系统，并避免同一行业和业务中

存在多套物联息系统导致的数据不统一、无法 复用和资源浪费等问题。因此，需建立一种物联网 开放乎台，自动获取业务所需各种感知信息，并以统 表达与封装调用各类物联网资源。

物联网开放平台采用后端集中式系统架构，位 于系统架构的服务层，服务层主要功能包括对采集 数据的汇聚、转换和分析，以及为应用层呈现的适配 和事件触发等[73，服务层通过建立网络化计算设备 和虚拟存储空间，为各类物联网上层应用系统提供 通用的、基础的数据计算和存储能力，实现信息、软 件和计算等资源灵活共孚和按需获取；服务层将计 算后的感知数据和信息进行处理封装，以服务方式 提供给用户，通过建立统一的按需服务体系，为各类 座用软件服务提供数据存储、数据计算、数据搜索、 用户门户、综合管理、系统安全和应用支撑等基础服 务™。与传统信息系统不同，物联网开放平台需拥 有数据接入、设备管理、信息安全和数据融合与分析 4个核心功能。

1) 数据接入:是物联网开放平台能够拓展到数 百万甚至数十亿设备节点接入的基础，也是物联网 开放乎台能够支持多样化上层行业应用的关键。数 据接入功能要求物联网开放平台能够动态接入资源 并对资源进行适配，能够正确使用和解释资源[9\\ 由于感知层传感器设备存在异构性，不同设备接入 物联网的方式和解析消息协议均不同，实际应用中， 要求物联网开放平台能够识别任何接入设备，并通 过对资源进行适配，寻找正确的协议对信息进行解 析。因此，物联网开放平台应能支持动态接入方式， 确保上层应用屏蔽外部设备的变化，而无需了解设 备详细信息。物联网开放平台应对解析数据进行进 一

步解释，即数据格式转换，将对应传感器的标识和

值转换成统一的且上层应用能够理解的实体观测 值，使上层应用无需关注感知层传感器的详细信息。

2) 设备管理：是物联网开放平台重要功能之 一，确保平台能有效维护与其连接的各种设备，跟踪 设备运行状态以及固件配置或软件更新，并提供设 备级错误报告和处理方案。物联网设备部署可通过 物联网开放平台远程进行引导启动和配置，并提供

在各种应用场景中对无线设备进行注册验证的方 法，通过具有验证功能的注册服务模块，确保各种物 联网设备能够安全接入物联网无线应用场景，获得 相应配置信息，并在使用过程中提供必要的bug修 复、功能升级以及终端感知设备维护等功能。接入 物联网的终端数量巨大，无法依靠人工方式进行现 场维护，针对物联网终端网络带宽狭窄和低功耗等 特点，设备管理功能应具备终端更新特点，只传输需

40指挥信息系统与技术2017年6月

现各类数据信息的格式统一与接入。物联网开放平 更新的最少软件，尽可能减少软件流量。

台接入示意图如图2所示。3) 信息安全：是物联网开放平台应具备的能 力。由于平台应用的开放性和接入设备与数据的复

杂性，因此需严格控制应用与服务可接触的设备与 数据范围，避免数据窃取，并以加密机制保障物联网 设备和物联网软件平台间的网络。物联网系统架构 包含信源、信道和本源3个加密级别，分别对应感知 层、网络层和服务层3个层次。物联网开放平台应 采用本源加密方式，通过改变数据原内容的形式实 现安全防护。即使数据被窃取，窃取者也需花费大 量时间强行破译加密数据，从而为数据持有者发现 安全问题并及时修复提供条件。

4) 数据融合与分析:是物联网开放平台的增值 服务，依据多种信息对现实世界进行认知加工处理， 并从数据实时性和相关性等角度分析挖掘物联感知 数据，包括实时分析、批处理分析、预测分析和交互 式分析等。与互联网数据应用中的综合分析挖掘相 比，物联网开放平台的数据分析功能更专注于挖掘 数据的时效价值。物联网应用中，多数应用服务用 户仅关心监测对象的当前状态或测量結果，而无需 关注大量的原始数据。数据融合和分析技术均需人 工智能理论支撑，包括智能信息获取的形式化方法、 海量数据处理理论和方法、智能信号处理与特征识 别技术以及机器学习等基础理论，从而有针对性地 获得用户所需数据。同时，为了进一步提高数据时 效性，物联网开放平台需将一部分智能处理功能前 置，并与终端直接连接，赋予终端实体以“智能”，例 如，将后台数据分析结果与前端智能机器人相连通， 完成诸如运动轨迹控制、目标精确定位及追踪等一 系列复杂任务。3

接入技术

物联网开放平台中的数据接入功能是实现物联

网共性服务的基础*主要包括智能终端适配、智能网 关代理和智能平台接入3种技术，分别依托终端、网 关和平台为主体实现数据格式与协议的统一，并最 终将数据接入物联网开放平台0智能终端适配技术 要求物联网系统中的感知终端具备智能信息处理能 力，能够将自身感知的数据转换成平台认证的标准 形式，从而通过普通网关将数据接入物联网开放乎 台。智能网关代理技术要求网关具备智能信息处理 能力，能够适应不同类型的接入终端，将接入终端上 传的信息转换成平台认证的标准形式，并最终接入 物联网开放平台。智能平台接入技术对终端和网关 的智能化水平无具体要求，仅依赖平台自身功能实

智能终端适配

智能网关代理

智能平台接入

图2物联网开放平台接入示意图

3.1智能终端适配

智能终端适配要求处于感知层的感知终端具备 相应处理能力，能将自身感知的信息自动封装成物 联网开放平台认证和识别的数据格式通常采

用以下2种方式使终端具备自动适配能力：

1)

终端设备在生产制造时就嵌入硬件设备，照乎台标准约定其输出的数据格式。该方式属于定 制化智能感知终端，采用一对一适配模式，要求物联 网开放平台能制定具体详尽的行业应用标准规范，

且被业界接受。因为如果相应标准规范未被广泛接 受，定制化智能感知终端就该终端在不同物联 网平台间的通用性，导致终端产品应用场景狭小，厂 商参与意愿不强，最终将物联网开放平台的使 用和产业链形成。

2) 终端设备基于Web服务连接物联网开放乎 台的终端适配软件(APP)商店，下载相座插件，并对 输出数据格式进行封装。该方式属于服务化智能感 知终端，采用多对一适配模式，要求物联网开放平台 能针对不同终端操作系统软件和数据源类型，提供 不同版本插件，或向r商和开发者提供开放的二次 编程接口与环境，允许其自主开发符合平台要求的 终端控制插件，满足数据接入要求。

上述2种方式均要求物联网开放平台能够提供 标准规范的支撑，但通过不同方式转嫁了智能终端 适配的难度成本。定制化智能感知终端将适配成本 集中于厂商一方，其必要条件是对应平台需是市场 上主流产品；服务化智能感知终端要求终端智能化 程度高于定制化终端，但大部分成本由平台本身及 其能够涵盖的开源开发者承担。在物联网技术迅速 发展、各技术标准的物联网开放平台不断推出的背 景下，服务化智能感知终端无疑是最佳选择。借助

按

第8卷第3期汤浩，等：物联网开放平台及接人技术41

服务化智能感知终端，物联网开放平台应进一步吸 引并分配客观收益给开源的开发者，并有效利用在

校学生竞赛和开源活动参与者等资源，促台推 广及其相关产业链形成。与之相对应，在产业发展 后期和平台产品趋于稳定状态下，定制化智能感知 终端将成为平台和生产厂商双赢的终端适配方案。

3.2智能网关代理

感知层采集的数据包括静态和动态2种信息， 针对物联网传递信息的类型将数据抽象为传感器、

视频、音频和控制信号4大类。传感器采集可感知 的测量数据信息，并将其转化为电信号或其他类型 信号进行输出，使用场景如抄表和读数等，传感器数 据通常为格式化类型，如文本等，以超文本传输协议 (HTTP)等进行传输和采集。视频数据属于流媒体 类型，以实时视频传输协议传输和采集，包括将采集 物联网技术体系中，智能网关的作用是将感知 终端的末梢网络转接至骨干网络，从而最终连接物

联网开放平台[12]。为了满足物联网行业应用需求， 末梢网络组网方式多种多样，包括低功耗广域网、蓝 牙等非传统互联网技术以及Wi-Fi、无线局域网鉴 别和保密基础结构（WAPI)等局域互联网技术[13]。 因此，物联网网关产品均需单独研发。由于单独研 发的网关产品的集成化和智能化水平均较高，可实 现智能网关代理或基于网关的终端接人控制，例如 中兴的LoRa网关、华为的通信基站NB-I〇T网关加 载模块以及各类智能路由器等，因此导致网关厂家 (或其运营商级别客户）牢牢掌握了物联网主要接人 通道，控制了接人数据，从而使规模化数据升值并最 终带来巨大商业利益。

由于物联网网关对应特定的末梢组网协议，因 此根据不用技术类型，智能网关代理方式分为以下 2种：1)基于末梢组网技术，制定相应技术联盟准 人机制，规范终端类型和接人方式；2)网关运行特 定的操作系统软件与物联网开放平台对接，并负责 给接人终端下发接人控制插件和统一数据格式。上 述2种方式采用的技术手段不同，由不同应用场景 对数据采集的频率和类型等要求决定，彼此不对立， 且均以控制网关作为接人标准的关键点。由于网关 设备研发前期投人较大，且占据了物联息传输 的管道位置，很多网关研发厂商均提供云管端一体 化的物联网解决方案。其中，云为物联网开放平台； 管为物联网智能网关；端为各类感知终端设备。网 关设备研发厂商依托标准化和规范化的末梢通信组 网芯片，兼容泛在化的感知终端，并统一接人相应的 物联网网关，进而将信息传输至各自的物联网开放 平台，完成数据的汇聚、分发与共享。

3.3智能平台接入

智能平台接人指所有信息接人与数据格式统一 功能均由物联网开放平台完成，从而满足无信息处 理能力的感知终端和物联网网关相组合后的接人需 求％15]。智能平台接人是最基本的物联网接人方 式，需兼容市场上主流数据采集格式，满足大部分终 端接人需求。因此，需先梳理物联网开放平台接人 需求，随后完成接人感知数据的统一格式转换。

到的图像转换为电信号的摄像头等视频采集设备， 视频数据由于对实时性要求较高且数据量巨大，市 场上存在大量成熟的流媒体传输协议。音频数据同 属于流媒体数据，以实时视频传输协议传输和采集， 包括可采集声音的拾音器、麦克风等感知设备。控 制信号指控制信息以终端厂商设定的格式传输，包 括发送给物联网终端的控制信息和需传递到网络的 控制信息。

由此可见，传感器、视频设备和音频设备均有成 熟的商用接人技术，信息接人物联网开放平台后，可 借助成熟的数据格式转换技术进行转换。因此，不 同控制信号的兼容性与规格化程度决定了物联网开 放平台接人功能的实际效用。通常情况下，终端控 制信号由终端厂商自行设定，这就要求平台开发时 能够以特定的格式封装控制信号，并将数据的解析 交予实际控制的上层应用完成。

需特别指出的是，即便感知终端和物联网网关 均实现了智能化代理接人，智能平台接人方式仍不 可缺少。因为智能平台接人不仅提供了数据接人的 接口和数据流转通道，而且提供了终端和网关接人 的身份解析功能。智能平台在接人各种感知信息 时，需给予每个感知设备一个的可识别的身份 信息，用以确定信息来源，同时用以实现上层对底层 的精确控制。感知终端和物联网网关的智能化代理 功能可减少物联网开放平台工作量和提高平台运行 效率，但仍无法在采用后段集中式物联网体系架构 背景条件下，完全替代智能平台的接人功能。4

结束语

物联网开放平台是物联网体系架构的重要组成 部分，已广泛接人各类物联感知终端，并为上层应用 提供算法能力、支撑软件和数据管理等基础信息服 务。物联网开放平台接人技术是实现将感知层连接 至服务层的关键技术，是物联网开放平台发挥作用 的基础。本文从终端、网关和平台3个角度总结了 主要接人技术，讨论了不同接人技术的特点和适用 场景，可见，终端和网关的智能化发展趋势使得接人

42指挥信息系统与技术2017年6月

技术从服务层向感知层迁移，有助于降低物联网开 放平台的工作复杂度并提高服务支撑效率，但平台 本身仍需提供实用端口作为各类数据基本接人通 道。同时，物联网开放平台需提供相应的标准规范、 开放的二次开发端口及灵活的插件配置下载等，以 支持智能化终端和网关的自动配置与接人。目前， 各种不同技术体系的平台产品层出不穷，但均未建 立完整的、贯穿顶层和底层的物联网产业链，本文提 出的3种接人方式较适用于物联网开放平台。后续 研究将关注不同后端集中式物联网系统间信息共享 与接人技术，以及前端分布式物联网系统与后端集 中式物联网系统的连通技术。

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作者简介：

汤浩，男（1978—），高级工程师，研究方向为指挥信 息系统总体设计。李兆峰，男（1987 —），工程师，研究方向为指挥信息 系统总体设计。

(本文编辑：马岚）