有源CPS节点与有源CPS节点互连结构如图1.5所示，有源CPS节点之间通过物理层、数据链路层和应用层的协议交互，实现有源CPS节点之间的信息采集、传递和查询。考虑到大部分有源CPS节点资源限制十分严格，有源CPS节点不适合配置已有的IP协议；配置的数据链路协议也应该是面向物联网的数据链路层协议，可以保证可靠、高效、节能地采集、传递和查询信息，满足物联网节点交互的应用需求。有源CPS节点之间的信息转发和汇聚可以通过应用协议实现。也就是说，这样可以按照应用需要，设计灵活的信息采集和转发协议，不需要采用通用的、低效的互联网中的IP协议。 图1.5 有源CPS节点与有源CPS节点互连结构 有源CPS节点与互联网CPS节点互连结构如图1.6所示，有源CPS节点需要通过CPS网关，才能连接互联网节点。CPS网关实际上是一个有源CPS节点与互联网CPS节点的组合，其中实现了完整的互联网协议栈。通过CPS网关，可以在应用层与互联网连接，实现物联网与互联网之间的信息传递，以及物联网应用与互联网应用之间的互通、互联和互操作。这种互连结构允许不同类型的物联网采用满足自身需要的联网结构，简化不必要的联网功能，降低网络系统的复杂性。不同的物联网技术，如汽车电子联网技术、环境监测联网技术等，可以采用适用于各自应用领域的有源CPS节点之间连接的协议结构，只需通过CPS网关就可与互联网连接。 （点击查看大图）图1.6 有源CPS节点与互联网CPS节点互连结构 在上述三种互连中，物理层协议提供在物理信道上采集和传递信息的功能，具有一定的安全性和可靠性控制能力；数据链路层协议，提供对物理信道访问控制、复用，在链路层安全、可靠、高效传递数据的功能，具有较为完整的可靠性、安全性控制能力，可以提供服务质量的保证；应用层协议，提供信息采集、传递、查询功能，具有较为完整的用户管理、联网配置、安全管理、可靠性控制能力。
1.5.3 物联网通用设计原则
1.5.3 物联网通用设计原则
物联网的设计应该遵循一定的原则，而设计体系结构是设计物联网必不可少的环节，其原则具体包括：
（1）多样性原则，物联网体系结构必须根据物联网节点类型的不同，分成多种类型的体系结构；
（2）时空性原则，物联网体系结构必须能够满足物联网的时间、空间和能源方面的需求；
（3）互联性原则，物联网体系结构必须能够平滑地与互联网连接； （4）安全性原则，物联网体系结构必须能够防御大范围内的网络攻击； （5）坚固性原则，物联网体系结构必须具备坚固性和可靠性。
基于这5条基本原则，构建物联网可以分成标识物品、建立物品联网系统、建立物联网应用平台和建立物联网应用系统几个环节，下面逐一进行介绍。
1．标识物品
构建物联网系统的第一步是标识物品，也就是标识世界上所有的物品，需要利用电子标签和传感器技术。世界上所有的物品可以简单分成人造物品和自然物品，人造物品包括食品、
纺织品、其他日用品、货物、道路、桥梁、楼房、汽车、飞机、轮船、生产线等。通常在人造物品上贴上电子标签或者传感装置，就可以把人造物品改造成CPS节点。自然物品包括动物、植物、山峰、河流、湖泊等，这些自然物品也可以贴上电子标签或配置传感装置，改造成为CPS节点。例如牛角上贴上电子标签，奶牛也成为一个CPS节点，可以智能化管理奶牛的喂养和挤奶等操作；盲人穿着具有电子标签的鞋子，也可以成为一个CPS节点，与盲道上的电子标签读写器协同操作，就可以指导盲人的行走。标识物品所用到的核心技术之一是电子标签和传感器的材料技术，这是属于物联网最为基础的技术，其突破将会带来物联网产业的大幅度发展。标识物品的另外一项技术就是世界统一的物品编码技术。目前还没有针对物联网的全球物品编码技术。 2．建立物品联网系统 在完成物品标识之后，就可以建立、验证和采集被标识物品的物联网节点，即有源CPS节点。为了实现有源CPS节点，首先需要设计和实现有源CPS节点与无源CPS节点、有源CPS节点与有源CPS节点之间的无线通信机制，以及基于信息编解码技术的物品识别机制；其次必须设计和实现通信信道复用机制，使得在一条信道上可以同时完成多个无源或者有源CPS节点的通信，例如同时识别100多个具有RFID标签的物品；然后设计和实现通信信道上的可靠传输机制和实时传输机制，满足物联网对可靠性和实时性的要求。前两部分可以构成物联网系统中的联网系统，如图1.7所示。 3．建立物联网应用平台
物联网应用系统建立在物联网应用平台之上。在建立有源CPS节点的联网系统之后，就需要设计和实现有源CPS节点的网络配置、用户管理、节点控制、信息采集、信息传输和信息查询等功能，建立一个基本的物联网应用平台，即面向某个具体应用领域的物联网中间件（参见图1.7）。由于不同的应用领域对于节点控制的可靠性、实时性、安全性有不同的要求，因此需要针对不同应用领域，设计和实现不同控制力度的应用中间件。设计和实现物联网应用的中间件，可以隔离物联网特定联网系统，满足快速应用开发的需求。在设计和
实现物联网应用中间件过程中，需要参照物联网相关领域的应用平台服务接口标准。如果是一个全新的物联网应用领域，可以在设计和实现物联网应用中间件过程中，提取与实现无关的部分，形成该领域的物联网应用平台服务接口技术规范。 4．建立物联网应用系统 在建立物联网应用中间件之后，就可以进一步设计和实现物联网应用系统，包括基本应用系统和特定应用系统，如图1.8所示。基本应用系统包括物品命名管理系统、物品身份真伪验证系统、物联网系统管理等，特定应用系统包括仓储管理系统、楼宇监控系统、环境监测系统等。 物联网应用系统需要区分应用系统的物联网端和互联网端，如图1.9所示。应用系统物联网端部署在有源CPS节点上，可以作为应用系统的客户端（客户机/服务器），也可作为应用系统的对等端应用模式（P2P，Peer-to-Peer，对等），但是必须要求功能简捷可靠；应用系统互联网端部署在互联网CPS节点上，可以作为应用系统的服务器端（客户机/服务器），也可以作为应用系统的P2P应用模式，但都需要提供较为强大的存储和后端处理能力，满足物联网应用需求。 图1.9 物联网应用系统部署结构 1.6.1 物联网应用1.6 物联网应用发展及挑战 1.6.1 物联网应用 物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、农业管理、老人护理、个人健康等多个领域。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。一旦物联网大规模普及，无数的物品需要加装更加小巧智能的传感器，用于动物、植物、机器等物品的传感器与电子标签及配套的接口装置数量将大大超过目前的手机数量。按照目前对物联网的需求，在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签。专家预计，2011年，内嵌芯片、传感器、无线射频的\智能物件\将超过1万亿个，物联网将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，这将大大推进信息技术元件的生产，给市场带来巨大商机。物联网目前已经在行业信息化、家庭保健、城市安防等方面有实际应用。图1.10展示了未来物联网的应用场景。 （点击查看大图）图1.10 物联网的应用 1．交通领域
通过使用不同的传感器和RFID可以对交通工具进行感知和定位，及时了解车辆的运行状态和路线；方便地实现车辆通行费的支付；显著提高交通管理效率，减少道路拥堵。上海移动的车务通在2010年世博会期间全面运用于上海公共交通系统，以最先进的技术保障世博园区周边大流量交通的顺畅。上海浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆