原文：Internet of Things: Architectures, Protocols, and Applications
地址：www.hindawi.com/journals/je...
作者：Pallavi Sethi , Smruti R. Sarangi
本文是上述论文译文，笔者为了让文章简练并成体系，对内容做了部分删增，但绝大部分与原文保持一致。
摘要
物联网(IoT) 被定义为一种范式，该范式包括有配备传感器、执行器及设备间的通讯模块等设备。在本文中，我们概述了这一新兴领域中最先进的方法、协议和应用。这篇调查论文提出了一种新的物联网技术分类法，重点介绍了一些最重要的技术及有可能对人类生活产生重大影响的应用，尤其是对能力受限人，特别是老年人。与该领域的类似调查文件相比，本文的覆盖范围要全面得多，详尽地涵盖了从传感器到应用程序的大多数主要技术。
介绍
如今，互联网已经无处不在，几乎覆盖了全球的每一个角落并以难以想象的方式影响着人类生活。然而，这段旅程远未结束，我们即将进入一个连接更加普及时代，各类电器都将出现在网络上并相互连接。这个时代我们称之为"物联网"(简称为IoT)。
什么是物联网
通俗的说，物联网是指将互联网的概念扩展到物理设备和日常对象之间的连接中。这些设备嵌入了传感器、执行器、处理器和收发器等硬件设备，而拥有者们可以通远程操控这些设备来完成高度智能与复杂的任务，比如通过网络与他人通信和交互，远程控制机器开关等。
物联网的设备组成
物联网不是一种单一的技术，而是各种技术的集合与协同。
传感器和执行器：帮助物理环境达成交互。传感器收集的数据需要被智能存储和处理，用于从这些数据中得出有用的推断。关于传感器一词我们定义的很宽泛；比如一部移动电话甚至微波炉可以算作传感器，只要它提供对其当前状态(内部状态+环境)的输入即可。执行器是一种用于实现环境变化的装置，例如空调的温度控制器。
数据的存储和处理：是在网络的边缘设备或在远程服务器中完成。如果数据需要做预处理，典型的做法是在传感器或某个其他邻近设备处完成，并将处理后的数据通常发送到远程服务器。物联网对象的存储和处理能力也受到可用资源的限制，通常它受限于尺寸、能量、功率和计算能力的限制。
物联网设备的两大挑战：一是该领域研究的主要挑战是按所需的精度能获取我准确的数据。另一个挑战是通信方面。物联网设备因它们通常安装在地理位置分散的地方，其通信方式主要是无线为主。而无线信道通常存在高失真率并且是不可靠的缺点。在这种情况下，在没有太多重传的情况下可靠地通信数据是一个重要问题，因此通信技术是物联网设备研究不可或缺的一部分。
软件设施：传感器、执行器、计算服务器和通信网络构成了物联网框架的核心基础设施。然而，还有许多软件方面需要考虑。首先，我们需要一个可以用来连接和管理所有这些异构组件的中间件。我们需要大量的标准化配置来连接许多不同的设备。
应用领域: 物联网在医疗保健、健身、教育、娱乐、社交生活、节能、环境监测、家庭自动化和交通系统中都有各种应用。而且在这些应用领域中，物联网技术已经达到了可以显著减少人类的辛苦，提高生活质量。
物联网架构
关于物联网的架构，目前并没有达成统一的标识与共识。不同的研究人员提出了不同的体系结构。
三层架构
三层体系结构是最基本的体系结构，如下图所示。它是在该领域研究的早期阶段引入的。它有三层，即感知层、网络层和应用层。
感知层 也就是物理层，它感测和收集环境信息的传感器。
网络层 负责与其他智能事物、网络设备和服务器的连接，以及传输和处理传感器数据。
应用层负责向用户提供特定于应用的服务。例如智能家居、智能城市和智能健康。
混合云雾计算的物联网架构
云计算
在一些系统架构中，数据处理是由云计算机以大型集中式方式完成的。云计算的架设是以云为中心的架构将云放在中心，将应用程序放在上面，将智能事物网络放在下面，如下图。
云计算提供核心基础架构、平台、软件和存储等服务。开发人员可以通过云提供他们的存储工具、软件工具、数据挖掘和机器学习工具以及可视化工具。
雾计算
在雾计算中传感器和网络网关承担部分数据处理和分析。雾体系结构提供了一种分层方法，如下图所示，它在物理层和传输层之间插入了监控、预处理、存储和安全层。
- 监控层监控电源、资源、响应和服务。
- 预处理层对传感器数据进行过滤、处理和分析。
- 临时存储层提供存储功能，如数据复制、分发和存储。
- 最后，安全层执行加密/解密，并确保数据的完整性和隐私。在将数据发送到云之前，在网络边缘进行监测和预处理。
云雾架构
通过在物联网网关部署雾节点，在物联网边缘形成一个雾计算的平台，该平台具备一定的数据分析及逻辑处理能力，同时雾节点可以通过云端进行集中管理，简化本地节点的运维复杂度。
雾层的物联网网关与云端的物联网平台实现对接，雾层可以将本次处理的数据上传给物联网平台进行深层次处理，以获得更好的分析结果，为大数据分析提供数据支撑。
最后，协议体系结构和系统体系结构之间的区别不是很清晰。协议和系统通常是代码签名的。对于雾和云架构，我们将使用通用的5层物联网协议栈。
传感器与执行器
所有物联网应用程序都需要有一个或多个传感器来从环境中收集数据。传感器是智能物体的重要组成部分。物联网传感器大多体积小、成本低、功耗低。它们受到电池容量和易部署性等因素的限制。
传感器分类
- Mobile Phone Based Sensors：基于手机的传感器
- Medical Sensors：医用传感器
- Neural Sensors：神经传感器
- Environmental and Chemical Sensors：环境与化学传感器
- Radio Frequency Identification (RFID)：RFID
- ...
执行器：Actuators
执行器是一种设备，它可以通过将电能转换为某种形式的有用能量来影响环境的变化。例如加热或冷却元件、扬声器、灯、显示器和电机。
执行器根据其操作可分为三类，即电动、液压和气动致动器。液压致动器利用流体或液压动力促进机械运动。气动执行机构使用压缩空气的压力，而电动执行机构使用电能。
物联网中使用的执动器的一个复杂例子是数字手指，它用于打开/关闭开关（或任何需要小动作的东西），并由无线控制。
预处理
由于智能设备收集了大量的传感器数据，因此需要计算和存储资源来分析、存储和处理这些数据。最常见的计算和存储资源是基于云的，因为云提供了大量的数据处理、可扩展性和灵活性。
底层网络和云之间可以使用智能网关来实现雾计算。而雾可以被视为靠近地面的云。数据可以在网络边缘存储、处理、过滤和分析，然后通过昂贵的通信介质发送到云端。雾和云计算是物联网应用程序的最佳性能所必需的。
通信设备与协议
随着物联网的快速发展，有大量异构的智能设备连接到互联网。物联网设备由电池供电，计算和存储资源最少。由于其受约束的性质，涉及到各种通信挑战。
- 物联网设备通常通过IP（互联网协议）堆栈连接到互联网。
- 物联网设备还可以通过耗电较少的非IP网络进行本地连接，并通过智能网关连接到互联网。比如现在相当流程的 蓝牙、RFID和NFC等非IP通信信道，但其范围有限(可达几米)。适用并流于小型个人区域网络(PAN),如连接到智能手机的可穿戴设备。
6LoWPAN协议
个人区域网络（PAN）正被广泛用于物联网应用，为了增加这种本地网络的范围，需要修改IP堆栈以便于使用IP堆栈进行低功率通信。6LoWPAN提供了一种解决方案，将IPv6与低功耗个人局域网相结合。具有6LoWPAN的PAN的范围类似于局域网，并且功耗低得多。
其他领先的通信技术
物联网世界中使用的领先通信技术是IEEE 802.15.4、低功耗WiFi、6LoWPAN、RFID、NFC、Sigfox、LoraWAN和其他用于无线网络的专有协议。
- Near Field Communication (NFC): 近场通信（NFC）
- Wireless Sensor Networks (WSN) Based on IP for Smart Objects: 基于IP的智能对象无线传感器网络
- IoT Network Protocol Stack：物联网网络协议栈
- Bluetooth Low Energy (BLE)：低功耗蓝牙技术
- Low Power WiFi：低功耗WiFi
- Zigbee:无线通信
- integration of RFID and WSN:RFID与无线传感器网络的集成
- Low Power Wide-Area-Networks (LPWAN)：低功耗广域网
- Lightweight Application Layer Protocols：轻量级应用层协议
物联网中间件
物联网的中间件对硬件进行了抽象，并为通信、数据管理、计算、安全和隐私提供了应用编程接口（API）。
有许多可用于物联网的中间件解决方案，他们都支持互操作性和抽象性。例如：Oracle的Fusion中间件、OpenIoT、MiddleWhere和Hydra等。
现阶段国内有一些不错的商有物联网中间件平台
物联网的应用场景
智能应用程序的开发领域多种多样。研究表明，物联网在提高我们社会生活质量方面具有潜力。物联网应用的一些用途包括家庭自动化、健康跟踪、健康监测、环境保护、智能城市和工业环境。
- Home Automation: 家庭自动化
- Smart Cities：智慧城市
- 智慧水系统
- 健身与减肥
- 智慧环境与农业
- 供应链与物流
- 能源节能
[参考]
www.cnblogs.com/newstart/p/...
www.hindawi.com/journals/je... (原论文内的所有参考）