2.2 物联网的形态结构
2.2.1 开放式物联网的形态结构
图2-9是开放式物联网形态结构示意图，传感设备的感知信息包括物理环境的信息和物理环境对系统的反馈信息，对这些信息智能处理后进行发布，为人们提供相关的信息服务（如PM2.5空气质量信息发布），或人们根据这些信息去影响物理世界的行为（如智能交通中的道路诱导系统）。由于物理环境、感知目标存在混杂性以及其状态、行为存在不确定性等，使感知的信息设备存在一定的误差，需要通过智能信息处理来消除这种不确定性及其带来的误差。开放式物联网结构对通信的实时性要求不高，一般来说通信实时性只要达到秒级就能满足应用要求。
图2-9 开环式物联网结构
最典型的开环式物联网结构是操作指导控制系统（见图2-10），检测元件测得的模拟信号经过A/D转换器转换成数字信号，通过网络或数据通道传给主控计算机，主控计算机根据一定的算法对生产过程的大量参数进行巡回检测、处理、分析、记录以及参数的超限报警等处理，通过对大量参数的统计和实时分析，预测生产过程的各种趋势或者计算出可供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员则根据计算机输出的信息去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。
图2-10 操作指导控制系统示意图
2.2.2 闭环式物联网的形态结构
闭环式物联网结构如图2-11所示，传感设备的感知信息包括物理环境的信息和物理环境对系统的反馈信息，控制单元根据这些信息结合控制与决策算法生成控制命令，执行单元根据控制命令改变物理实体状态或系统的物理环境（如：无人驾驶汽车）。一般来说，闭环式物联网结构主要功能都由计算机系统自动完成，不需要人的直接参与，且实时性要求很高，一般要求达到毫秒级，甚至微秒级。对此闭环式物联网结构要求具有精确时间同步、确定性调度功能，甚至要求很高的环境适应性。
图2-11 闭环式物联网结构
（1）精确时间同步：时间同步精度是保证闭环式物联网各种性能的基础，闭环式物联网系统的时序不容有误，时序错误可能给应用现场带来灾难性的后果。
（2）通信确定性：要求在规定的时刻对事件准时响应，并做出相应的处理，不丢失信息、不延误操作。闭环式物联网中的确定性往往比实时性还重要，保证确定性是对任务执行有严苛时间要求的闭环式物联网系统必备的特性。
（3）环境适应性：要求在高温、潮湿、振动、腐蚀、强电磁干扰等工业环境中具备可靠、完整的数据传送能力。环境适应性包括机械环境适应性、气候环境适应性、电磁环境适应性等。
最典型的闭环式物联网结构是现场总线控制系统（见图2-12），现场总线（Fieldbus）是随着数字通信延伸到工业过程现场而出现的一种用于现场仪表与控制室系统之间的全数字化、开放性、双向多站的通信系统，使计算机控制系统发展成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的网络化控制系统。现场总线控制系统实际上融合了自动控制、智能仪表、计算机网络和开放系统互联（OSI）等技术的精粹。
图2-12 现场总线控制系统
现场总线等控制网络的出现使控制系统的体系结构发生了根本性改变，形成了在功能上管理集中、控制分散，在结构上横向分散、纵向分级的体系结构。把基本控制功能下放到现场具有智能的芯片或功能块中，不同的现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路，使控制功能彻底分散，直接面对生产过程，把同时具有控制、测量与通信功能的功能块及功能块应用进程作为网络节点，采用开放的控制网络协议进行互连，形成现场层控制网络。现场设备具有高度的智能化与功能自治性，将基本过程控制、报警和计算等功能分布在现场完成，使系统结构高度分散，提高了系统的可靠性。同时，现场设备易于增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等，易于实现现场管理和控制的统一。
2.2.3 融合式物联网的形态结构
物联网系统既涉及规模庞大的智能电网，又包含智能家居、体征监测等小型系统。对众多单一物联网应用的深度互联和跨域协作就构成了融合式物联网结构（见图2-13），它是一个多层嵌套的“网中网”。目前世界各国都在结合具体行业推广物联网的应用，形成全球的物联网系统还需要非常长的时间。提出面向全球物联网、适应各种行业应用的体系结构，与下一代互联网体系结构相比，具有更巨大的困难和挑战。目前，研究人员通常是从具体行业或应用去探索物联网的体系结构。
图2-13 融合式物联网形态结构示意图
一个完整的智能电网作为电能输送和消耗的核心载体，包括发电、输电、变电、配电、用电以及电网调度六大环节（见图2-14），是最典型的融合式物联网结构。智能电网通过信息与通信技术对电力应用的各个方面进行了优化，强调电网的坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动，其技术集成达到新的高度。
图2-14 智能电网信息交互架构示意图
图2-15是内布拉斯加大学的Ying Tan等提出的一种CPS体系结构原型，表示了物理世界、信息空间和人的感知的互动关系，给出了感知事件流、控制信息流的流程。对比图2-13和图2-15可以发现，物联网与物理信息融合系统两个概念目前越来越趋向一致，都是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。
图2-15 一种CPS体系结构原型
CPS体系结构原型的几个组件描述如下。
（1）物理世界：包括物理实体（诸如医疗器械、车辆、飞机、发电站）和实体所处的物理环境。
（2）传感器：传感器作为测量物理环境的手段，直接与物理环境或现象相关。传感器将相关的信息传输到信息世界。
（3）执行器：执行器根据来自信息世界的命令，改变物理实体设备状态。
（4）控制单元：基于事件驱动的控制单元接受来自传感单元的事件和信息世界的信息，根据控制规则进行处理。
（5）通信机制：事件/信息是通信机制的抽象元素。事件既可以是传感器表示的“原始数据”，也可以是执行器表示的“操作”。通过控制单元对事件的处理，信息可以抽象地表述物理世界。
（6）数据服务器：为事件的产生提供分布式的记录方式，事件可以通过传输网络自动转换为数据服务器的记录，以便于以后检索。
（7）传输网络：包括传感设备、控制设备、执行设备、服务器，以及它们之间的无线或有线通信设备。