智慧城市离不开的四层数据“架构”

作者：CHANDRASHEKHAR DESHPANDE
译者：张新慧
原文地址：What are the 4 layers of data “architecture” needed for smart cities?
审校：贾维娣，关注 IoT 领域，寻求报道或者投稿请发邮件jiawd@csdn.net，技术之路，我们共同进步。

智慧城市中的智慧水资源/能源/交通/建筑管理等均是通过一个中央系统建立起来的。遍布城市的传感器网通过感测物理环境中的活动将数据馈送到该集中式系统或中央控制中心。在控制中心，数据被处理和存储为有意义的信息。这一信息由城市政府各部门共享，为各部门协调和科学决策提供数据依据。

听起来很简单，对吧？但操作起来绝非易事。

建设可持续、高效能的智慧城市面临的最大挑战便是将不同设备、技术和现存通信技术设施整合为一个有机整体。

智能城市的信息通信技术（ICT）架构有4层：传感层、通信层、数据层和服务层。

第一层：传感层

传感层拥有遍布城市各个角落的IoT节点，负责收集物理环境下各类活动的数据。一个IoT节点由传感器、微芯片、电源供应和网络组成，根据运行条件分为两类：

限制性节点：在低功率环境下运行，处理能力和数据传送速率较弱。
非限制性节点：能量功耗、处理速度和数据传送速率均无运行限制

节点根据运行环境和条件可自由切换于限制性和非限制性之间。举个例子：一个近距离传感器节点放在小型办公楼停车场里，则为限制性；放在大型停车场里，则为非限制性。

IoT节点通过传感器感应周围环境，将数据经数据层送往数据中心。数据交换时，非限制性节点以可扩展标示语言 (XML)格式发送数据，该格式由于传输数据解析复杂耗时，不适用于限制性节点。除此之外，XML的文本性质也不适用于CPU受限的节点。

为解决这一问题，万维网联盟(W3C)发布了高效XML交换(EXI)格式，由此一来，限制性检点就可以通过使用XML兼容的开放数据格式来实现本地支持和信息产出。

EXI有两种编码方式：

模式未知编码：XML数据直接编码，然后由EXI处理器解码，无需提前知晓被编码数据；
模式已知编码：编码/解码开始前，XML模式共享给两个EXI处理器。共享的模式允许EXI处理器为XML标签发放数字标识符，在此编码基础上构建EXI语法。

模式已知的EXI处理器可实现任何限制性IoT节点的无缝整合，由此一来限制性IoT节点不仅可读取EXO格式，还可切换为多功能IoT节点。

第二层：通信层

每个智能城市系统都有10亿个IoT节点，分布在整个城。提供128位地址的IPv6帮助实现了这一点。

但IPv6（给IoT节点分配地址）不适用于受限设备，所以采用6LoWPAN（低功率个人局域网）。

IPv6和6LoWPAN的无缝切换离不开连接在6LoWPAN网络上的桥接路由器。桥接路由器将某个节点的IPv6数据包转换为6LoWPAN，反之亦然。

由于大量的IoT节点分布在一个城市，因此建立需要一种可靠的通信技术，覆盖广阔的地理区域并且可以处理大量的数据流量。单一的通信技术无法兼顾限制性和非限制性节点，于是对于非限制性节点使用WiFi，光纤、以太网、宽频电力线等传统的LAN、MAN和WAN通信技术，以及UMTS和LTE等移动通信技术。这些技术可靠度高，传输速率快、延迟时间短。

另外，限制性节点的传输速率小于每秒1兆比特(1 mbit/sec)，用于限制性节点更可靠的通信技术是IEEE 802.11低功率，蓝牙低功耗，IEEE 802.15.4，蓝牙，PLC，RFID和NFC。

第三层：数据层

数据层相当于智慧城市的“智慧层”了。只要城市数据井然有序，即使是特大智慧城市也能高效、有效运行。要实现这一点，下列条目的数据库要分开维护：

所有IoT节点
所有控制节点的部门（比如控制水资源管理节点的部门）
向各部门传送部门对应的信息

数据层的根基是借助不同数据模型来处理数据的数据服务器。数据模型包括：

预测模型：属于数据挖掘技术，分析过去和当下的数据，从而预测未来；
描述模型：描述现实世界的动态及其影响因素之间的关系；
决策模型：在决策因素和可能的结果之间建立联系，预测决策的后果。

这些预测帮助市政府以数据为依据，推出前瞻性的决策。

数据层也包括企业资源规划(ERP)系统——主要控制市政府各部门之间的数据流。

第四层：服务层

服务层相当于跨部门指挥中心。水资源管理、电力供应、污染控制、交通运输等部门通过建立在这一层的网络门户/移动应用来共享信息。服务层不仅支持政府部门间的信息共享，还将部分重要信息公之于众，使得非政府实体也可以提高自身的服务质量，建设更好的智慧城市。

为维持发展，很多城市每天为各种问题搞得焦头烂额，最终才发现最完美的解决方案在于拥抱技术。巴塞罗那、特拉维夫、阿姆斯特丹、首尔和斯德哥尔摩的智慧城市项目可谓是拥抱技术的成功典范。