编辑导语：2020年，“新基建”得到了进一步的发展，5G基站、工业互联网、数据中心等领域加快建设。而物联网作为新型基础设施的重要组成部分，同样得到快速发展。本文作者从产品设计的角度出发，为我们解读了物联网的四层架构。

本文以物联网四层架构为基础，从物联网产品设计的角度来解读每层架构的功能以及主要内容，旨在为物联网产品设计以及实现思路感兴趣的物联网产品或研发人员有些帮助。

通过互联网，人和人之间可以传递和交流信息。物联网，IoT，Internet of Things，顾名思义就是物和物之间也可以传递和交流信息，人人互联和物物互联两者**的区别体现在人与物的差别上。

人有五官和皮肤接收和采集数据，经过大脑加工处理，然后形成想法，**通过网络传递出去，达到跟别人交流的目的。与人相比，物缺少需要交流的信息，即物缺少采集数据的抓手，以及将信息进行整合形成具有交流价值的大脑。

那信息采集技术和嵌入式程序在物联网领域就显得尤为重要，信息采集技术代替了人的五官和皮肤，进行数据收集。

嵌入式程序主要代替了大脑的整个决策**输出信息，物联网很早就在市场上出现但是一直没有产生可观的影响力，所以大众对它的关注度不是很高。

但是近十年来，物联网发展迅速，这不仅得益于国家政策的支持－在2010年将其列为国家发展战略，还得益于物联网配套技术，比如数据采集技术、微处理器、通讯模组、通讯网络、大数据、云计算等迅猛发展 。

物联网再次进入大众视野，并成功取得了大众的瞩目和追逐，且有望掀起下一波浪潮。物联网技术体系可以分成四层：感知层、网络层、平台层和应用层。每一层都担任了不同的职责，这种类似于专人专责的分工，可以提高工作质量和工作效率。

 图1：物联网四层架构

一、感知层

感知层的主要功能就是采集物理世界的数据，其是人类世界跟物理世界进行交流的关键桥梁。

感知层的数据来源主要有两种：

一种就是主动采集生成信息，比如传感器、多媒体信息采集、GPS等，这种方式都需要主动去记录或跟目标物体进行交互才能拿到数据，存在一个采集数据的过程，且信息实时性高。

比如在智能喝水领域会采用一种流量传感器，只要用户喝水，流量传感器就会立即采集到本次的喝水量是多少，这就存在一个长期交互采集数据的过程。

另一种是接受外部指令被动保存信息，比如射频识别（RFID）、IC卡识别技术、条形码、二维码技术等，这种方式一般都是通过事先将信息保存起来，等待被直接读取。

比如现在有的小区用的门禁卡就是用了IC卡识别技术，先将用户信息录入中央处理系统，然后用户每次进门的时候直接刷卡就行。

二、网络层

网络层主要功能就是传输信息，将感知层获得的数据传送至指定目的地。

在物联网领域，嵌入式程序相当于人的大脑，在信息采集完成之后，大脑就会给通讯模块发布指令说把这个信息传给某某某，网络层会涉及到你选用什么样的通讯网络以及采用什么样的通讯机制来传送你的信息。

物联网中的“网”字其实包含了2个部分：接入网络、互联网。

以前的互联网只是打通了人与人之间的信息交互，但是没有打通人与物或物与物之间的交互，因为物本身不具有联网能力。

后来发展出将物连接入网的技术，我们称其为设备接入网，通过这一网络可以将物与互联网打通，实现人与物和物与物之间的信息交互，大大增加了信息互通的边界，更有利于通过大数据、云计算、AI智能等先进技术的应用来增加物理和人类世界的丰富度。

那目前主要有两种方式的接入网，一种是有线网络接入，一种是无线网络接入。

图2：物联网网络结构

有线主要包括以太网、串行通信（RS-232、RS485等）和USB等。

无线又分为近距离无线、短距离无线和长距离无线通讯。近距离无线通讯主要包括NFC、RFID 、IC等，短距离无线通讯主要包括Wifi、ZigBee、蓝牙等，长距离无线通讯主要包括GSM（2G、3G、4G、5G等）、eMTS、Lora、NB-IoT等。

面对众多的入网方式，我们需要考虑应用场景以及设备本身的特征来选择合适的接入方式，各种接入网的特征详见下表。

选好了适合使用的网络，相当于数据传输的物理承载道路打通了，现在就需要确定以什么样的机制来传递信息，这就涉及到通讯协议。

从本质上来说，通讯协议就是一套数据传输规范，就跟我们接触的英语、德语、中文等类似的语言一样，是通过一定规则组成的，易于物与物之间进行交流沟通。

物联网设备端资源受限，比如处理能力差、存储能力小、网络传输量小、网络不稳定等，很明显物联网和互联网在设备端提供的资源环境存在很大的差别。

所以为了更好地为物联网服务，对互联网的通讯协议进行了优化，发展出了目前被广泛使用的MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)和CoAP（Constrained Application Protocal ）两种物联网通讯协议。

MQTT协议是基于TCP协议的，可以确定接收方一定会受到设备端发出的信息。MQTT协议可以保持长连接，这可以使得设备端和云端进行实时通讯，所以其更适合实时控制交互的场景。

由于是基于TCP协议的，其通讯协议比较复杂，设备端要运行复杂机制的话，对性能就需要有一定的要求，比如存储、计算、网络质量等。

CoAP协议是基于UDP协议的，有两种数据传输机制：一种是接收方一定会收到设备端发送的数据，另一种是不管接收方有没有收到，设备只发送1次数据就结束了。

设备端在完成数据发送之后就进入休眠状态，所以低功耗是CoAP协议**的特点，其也更适合数据采集的场合，比如抄送电表、水表的数据。

由于是基于UDP协议的，其通讯协议复杂性想对简单一些，自然对设备端的性能要求会低一些。

三、平台层

物联网平台可为设备提供安全可靠的连接通信能力，向下连接海量设备，支撑数据上报至云端，向上提供云端API，服务端通过调用云端API将指令下发至设备端，实现远程控制。

物联网平台主要包含设备接入、设备管理、安全管理、消息通信、监控运维以及数据应用等。

图3：物联网管理平台基本架构

设备接入主要是指设备端如何跟物联网平台进行连接通信，主要表现在：

• 设备端开发：提供MQTT、CoAP、HTTP、HTTPS等多种协议的设备端SDK开发等，帮助不同设备轻松接入
• 设备网络接入管理：提供基于蜂窝（2G、3G、4G、5G）、NB-IoT、LoRaWAN、WI-FI等不同网络接入方案。