物联网LoRa系列-1：物联网系统分层架构

本文将阐述物联网总体的系统组成以及分层架构：系统架构图、感知层、网络层、平台层、应用层。

本系列将全面、详细的拆解5G物联网的内部架构、主要技术原理、开发环境搭建、代码实现等，同时还将手把手的一步步构建自己的物联网系统。

系统架构图：

物联网有两种分层方法：

第一种：感知层、网络层、应用层

第二种：感知层、网络层、平台层、应用层

1. 感知层——感知信息

承担感知信息作用的传感器，一直是工业领域和信息技术领域发展的重点，传感器不仅感知信号、标识物体。

还具有处理控制功能。

感知层是整个物联网系统的数据基础。它利用传感器获得被测量(物理量、化学量或生物量)的模拟信号，并负责把模拟信号量转换成数字，也包括从电子设备（如串口设备）中采集到的直接的数字，最终由传输层转发到应用层。

感知层又分为：

（1）信息采集与控制：

信息采集与控制的主要功能：把模拟的信号，转换成单片机MCU能够处理的数字信息。

这里包括各种传感器和执行器：温度传感器、湿度传感器、压力传感器、液压传感器、三轴传感器、GPS定位、摄像头、电机

传感器主要是读取数据

控制器主要是写入数据

（2）物联网无线终端：

物联网无线终端由MCU和无线收发器组成，MCU读取传感器的数字信息，并把读取到数字信息通过无线信号传送给物联网的网络层设备。

这是涉及到的无线技术有：

LoRa协议、sigfox、2G GRPS、4G IoT、5G eMTC

RFID、蓝牙、ZigeBee、WiFi

伴随着物联网产业的快速发展，对新型传感器、芯片的需求逐渐增大，因此对其尺寸和功耗提出了更高的要求。

而MCU（Micro Control Unit ，微控制单元）和MEMS（Micro-Electro-Mechanical System ，微机电系统）由于其高性能、低功耗和高集成度的优势，得到了全面发展，成为感知层发展最重要的两项技术。

2. 网络层——传输信息

网络层也可以叫做传输层。

物联网的传输层主要负责传递和处理感知层获取的信息。

分为：有线传输和无线传输两大类，其中无线传输是物联网的主要应用。

无线传输技术按传输距离可划分为两类：

（1）低功耗、短距离、局域网通信技术（几米-几百米）：LP-LAN（low-power Local-Area Network）

包括Zigbee、 WiFi、蓝牙等为代表的短距离传输技术。

（2）低功耗、长距离、广域网通信技术（几千米到几十千米）：LP-WAN（low-power Wide-Area Network）

LPWAN又可分为两类：

一类是工作于未授权免费频谱：如LoRa、 Sigfox等技术；
一类是工作于授权收费频谱下： 3GPP支持的2/3/4/5G蜂窝通信技术，比如eMTC（enhanced machinetype of communication ，增强机器类通信）、 NB-IoT（Narrow Band Internet of Things ，窄带物联网）

下面是这两类无线传输技术的对比。

有线：

主要是IP/以太网数据传输网，有以太网交换机和路由器组成，物理接口包括SFP光口和RJ45电口、Modulbus等。

3. 平台层：

平台层在整个物联网体系架构中起着承上启下的关键作用，它不仅实现了底层终端设备的“管、控、营”一体化，为上层提供应用开发和统一接口，构建了设备和业务的端到端通道，同时，还提供了业务融合以及数据价值孵化的土壤，为提升产业整体价值奠定了基础。

从历史形成成因来看，平台层是由于社会分工分行形成的产物。有了平台层的存在，企业就可以专心于构建自己的应用或者组建自己的产品网络，而不费心与如何让设备联网。

各大公司都构建了自己的物联网平台，比如：

中国移动的OneNet、华为的OceanConnect、腾讯的QQ物联、阿里云物联网套件、百度IoT Hub、京东微联、微软的Azure、亚马逊的AWS IoT。

在物联网中，平台层也有类似的分层关系，按照逻辑关系由分为：

连接管理平台CMP（Connectivity Management Platform）、

设备管理平台DMP（Device Management Platform）、

应用使能平台AEP（Application Enablement Platform）

业务分析平台BAP（Business Analytics Platform）等四部分。

这四个平台的组成关系如下图所示

在现今的物联网行业中，几乎没有单一类型的物联网平台，大部分都集成了这四种类型的2-3种（不含BAP，可以没有CMP），比如BAT和华为的IOT平台。

（1）连接管理平台CMP

连接管理平台通常指基于电信运营商网络（蜂窝，LTE等）提供可连接性管理、优化以及终端管理，维护等方面的功能的平台。其功能通常包括：

号码/IP地址/Mac资源管理、SIM卡管控、连接资费管理、套餐管理、网络资源用量管理、账单管理、故障管理等。

物联网连接具备M2M连接数大、单个物品连接ARPU值低（人类连接客户ARPU值的3%-5%）的特点，直接结果就是多数运营商将放弃自建CMP平台，转与专门化的CMP平台供应商合作。

典型的连接管理平台包括思科的Jasper平台、爱立信的DCP、沃达丰的GDSP，Telit的M2M平台、PTC的Thingworx和Axeda。

目前全球化的CMP主要有三家：Jasper平台、爱立信DCP平台和沃达丰GDSP平台，其中Jasper最大，与全球超过100家运营商、3500家企业客户展开合作，国内的中国联通也通过宜通世纪与Jasper平台进行合作。

在国内三大运营商中，

中国移动选择自研One NET连接管理平台，

中国联通与Jasper战略合作，选择其Control平台提供物联网连接服务；

中国电信也先后自研及与爱立信合作建立两套连接管理平台。

需要注意的是，在国内几乎没有纯粹的CMP平台，这个CMP平台是在物联网早期时运营商需要对物联卡进行大量管理时才出现的。无论是中国联通的Jasper还是中国移动的Onenet，本质上至少一个CMP+AEP平台。

故一般CMP平台的提供商多半都属于运营商，其它的的IOT平台更多是CMP平台的使用方（如果牵涉到物联卡，比如2G/3G/4G，eMTC和NB-IOT）。

（2）设备管理平台DMP

物联网设备管理平台DMP往往集成在端到端的全套设备管理解决方案中，进行整体报价收费。DMP功能包括用户管理以及物联网设备管理，例如配置、重启、关闭、恢复出厂、升级/回退等，设备现场产生的数据的查询，以及基于现场数据的报警功能，设备生命周期管理等。

典型的DMP平台包括：

BOSCHIoTSuite、IBMWatson、DiGi、百度云物接入IoTHub、三一重工根云、GEPredix等。

以百度云为例，百度云物接入IoTHub是建立在IaaS上的PaaS平台，提供全托管的云服务，帮助建立设备与云端之间的双向连接，支撑海量设备的数据收集、监控、故障预测等各种物联网场景。

一些垂直领域巨头本身就是设备提供商，业务外延至平台层面，通常能够提供整体解决方案，部分能够集成CRM、ERP、MES等信息系统。

大部分DMP平台提供商本身也是通信模组、通信设备提供商，比如DiGi、Sierra Wireless、Bosch等，本身拥有连接设备、通信模组、网关等产品和设备管理平台，因此能帮助企业实现设备管理整套解决方案。一般DMP部署在整套设备管理解决方案中，整体报价收费；

也有少量单独提供设备管理云端服务的厂商，每台设备每个月收取一定运营管理费用，比如早期的Ablecloud（按接入设备数量收费）。

（3）应用使能平台AEP

应用使能平台AEP是提供快速开发部署物联网应用服务的PaaS平台。它为开发者提供了大量的中间件、开发工具、API接口、应用服务器、业务逻辑引擎等，此外一般都还需要提供相关硬件（比如计算、存储、网络接入环境等）。它的存在，极大地降低了软件开发复杂度和开发门槛。

典型的AEP平台提供商包括PTCThing worx，艾拉物联，Ablecloud，机智云，Comulo city，AWS IoT，Watson IoT Platform等。

（4）业务分析平台BAP

业务分析平台BAP主要通过大数据分析和机器学习等方法，对数据进行深度解析，以图表、数据报告等方式进行可视化展示，并应用于垂直行业。

由于这个平台涉及到大量的数据和业务场景，故绝大部分都是由企业把控，另外由于人工智能技术及数据感知层搭建的进度限制，目前BAP平台发展仍未成熟。

4. 应用层——处理信息

丰富的应用是物联网的最终目标，未来基于政府、企业、消费者三类群体将衍生出多样化物联网应用，创造巨大社会价值。根据企业业务需要,在平台层之上建立相关的物联网应用,例如: 城市交通情况的分析与预测；城市资产状态监控与分析；环境状态监控、分析与预警(例如：风力、雨量、滑坡)；健康状况监测与医疗方案建议等等。

一般而言，物联网的十大应用产业是：

智能交通、智能家居、智慧建筑、智能安防、智能零售、智慧能源、智慧农业、智慧医疗、智能制造、智慧物流