【图解物联网】第2章 物联网的架构

物联网的架构

物联网（IoT，Internet of Things）是通过互联网将各种信息传感设备与网络连接起来，实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络技术。物联网的架构通常分为以下几个层级：感知层、网络层、应用层。

1. 感知层

感知层是物联网的最底层，主要负责收集各种数据。这一层的设备包括传感器、执行器、智能设备等。例如，温度传感器可以实时监测环境的温度数据，摄像头可以接收并传输视频信息。以下是一个简单的温度传感器数据采集示例（假设使用Arduino开发板）：

#include <DHT.h>

#define DHTPIN 2     // DHT传感器连接到数字引脚2
#define DHTTYPE DHT11   // DHT11传感器类型

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  dht.begin();
}

void loop() {
  // 延迟2秒钟获取新数据
  delay(2000);

  // 读取湿度和温度
  float h = dht.readHumidity();
  float t = dht.readTemperature(); // 摄氏温度
  // 检查读取是否成功
  if (isnan(h) || isnan(t)) {
    Serial.println("读取DHT传感器失败!");
    return;
  }

  // 打印输出温度和湿度
  Serial.print("湿度: ");
  Serial.print(h);
  Serial.print(" %\t");
  Serial.print("温度: ");
  Serial.print(t);
  Serial.println(" *C");
}

2. 网络层

网络层负责将感知层收集到的数据传输到云端或者本地服务器。网络层技术包括WiFi、蓝牙、Zigbee、LoRa等。通过这些网络协议，感知层的设备能够无缝连接到网络，实现数据传输。例如，使用MQTT协议将传感器数据发送到服务器。以下是一个Python示例，使用paho-mqtt库将数据发送到MQTT代理：

import paho.mqtt.client as mqtt
import time
import json

# MQTT连接配置
broker = "broker.hivemq.com"
port = 1883
topic = "iot/temperature"

client = mqtt.Client()

# 连接到MQTT代理
client.connect(broker, port, 60)

while True:
    # 模拟读取温度
    temperature_data = {
        "temperature": 25 + (3 - 6) * random.random()  # 随机生成温度数据
    }

    # 将温度数据转换为JSON格式
    payload = json.dumps(temperature_data)

    # 发布消息
    client.publish(topic, payload)
    print(f"发送: {payload}")

    time.sleep(5)  # 每5秒发送一次数据

3. 应用层

应用层是物联网架构的最顶层，负责用户交互和数据处理。它接收来自网络层的数据，并进行分析、处理，把结果反馈给用户或控制设备。应用层可以是手机应用、网页应用或云服务等。比如，用户可以通过手机应用查看实时温度数据，设置温度阈值，如果超出阈值，自动发送报警信息。

例如，假设我们用Flask构建一个简单的Web应用来显示温度数据：

from flask import Flask, jsonify

app = Flask(__name__)

# 假设数据存储在这个全局变量中
temperature_data = {"temperature": 0}

@app.route('/temperature', methods=['GET'])
def get_temperature():
    return jsonify(temperature_data)

if __name__ == '__main__':
    app.run(host='0.0.0.0', port=5000)

总结

物联网的架构通过感知层、网络层和应用层的结合，实现了智能化的信息收集与管理。感知层负责数据采集，网络层负责数据传输，应用层则处理和展示数据。通过进一步的技术发展，物联网将在很多领域产生重大影响，如智能家居、智慧城市、工业4.0等。