简介：
物联网（IoT）应能够透明无缝地结合大量不同和异构的终端系统，同时提供开放获取数据数据的开放数据，用于开发大量的数字服务。因此，构建物联网的通用架构是一项非常复杂的任务，主要是因为设备种类繁多，链路层技术和可能涉及到这种系统的服务。在本文中，我们专注于一个城市物联网系统，尽管它仍然是一个广泛的类别，其特点是具体的应用领域。实际上，城市物联网旨在支持智慧城市的愿景，旨在利用最先进的通信技术来支持城市管理和公民的增值服务。因此，本文对城市物联网的启用技术，协议和架构进行了全面的调查。此外，本文将介绍和讨论帕多瓦智慧城项目中采用的技术解决方案和最佳实践指南，该项目是意大利帕多瓦市的IoT岛概念部署概念，与市政府合作进行。
 
 
第一节

介绍

物联网（IoT）是一种最近的通信范式，它预见近期将日常生活中的对象装备有微控制器，数字通信收发器以及使其能够相互通信的合适的协议栈并与用户成为互联网的组成部分[1]。因此，物联网的概念旨在使互联网更加身临其境，无处不在。此外，通过实现与诸如家用电器，监控摄像机，监视传感器，致动器，显示器，车辆等各种设备的容易的访问和交互，IoT将促进许多应用的开发利用这些对象产生的潜在巨大数量和多样的数据为公民，公司和公共行政部门提供新的服务。这种模式确实在许多不同的领域应用，例如家庭自动化，工业自动化，医疗辅助，移动医疗，老年援助，智能能源管理和智能电网，汽车，交通管理等[2]。
然而，这样一个异构的应用领域使得能够满足所有可能的应用场景要求的解决方案的识别成为一个巨大的挑战。这种困难导致了实际实现物联网系统的不同的，有时是不相容的建议的扩散。因此，从系统的角度来看，IoT网络的实现以及所需的后端网络服务和设备，由于其新颖性和复杂性，仍然缺乏既定的最佳实践。除了技术上的困难之外，由于缺乏明确和广泛接受的商业模式，可以吸引投资来促进这些技术的部署，也使得物联网范式的采用受到阻碍[3]。
在这种复杂的情况下，将物联网范式应用于城市环境是特别有意义的，因为它响应了许多国家政府在管理公共事务中采用ICT解决方案的强大推动力，从而实现了所谓的智慧城市概念[4]。虽然“智慧城市”尚未得到正式广泛接受的定义，但最终目标是更好地利用公共资源，提高向公民提供的服务质量，同时降低公众的经营成本主管部门。这个目标可以通过部署城市物联网来实现，即通信基础设施，能够统一，简单，经济地获得大量的公共服务，从而释放出潜在的协同作用，增加公民的透明度。城市物联网确实可以为传统公共服务的管理和优化带来诸多好处，如交通运输和停车场，照明，公共区域的监视和维护，文物保护，垃圾收集，医院卫生等。学校。1此外，还可以利用广泛的城市物联网收集的不同类型的数据，提高透明度，促进地方政府对公民的行动，提高人们对城市地位的认识，激励公民积极参与公共行政管理，并激励对物联网提供的新服务的创造[5]。因此，将物联网范式应用于智慧城市对于可能成为早期采用此类技术的地方和区域主管部门特别有吸引力，从而作为更广泛采用物联网范式的催化剂。
本文的目的是讨论城市物联网设计的一般参考框架。我们描述城市物联网的具体特征，以及可能推动地方政府采用城市物联网的服务。然后，我们将介绍基于Web的IoT服务设计方法，以及相关协议和技术，讨论其对Smart City环境的适用性。最后，我们通过报告我们在“帕多瓦智慧城市”项目中的经验，证实了这一讨论，该项目是意大利帕多瓦市的IoT岛概念部署概念，并与城市自治市的数据网络相互连接。在这方面，我们描述了为实现物联网而采用的技术方案，并报告了系统在第一个工作日内收集的一些测量结果。
本文的其余部分安排如下。第二部分概述了通常与智能城市愿景相关的服务，并且可以通过部署城市IoT来实现。第三部分概述了城市物联网的系统架构。更详细地说，本节将介绍用于实现物联网业务的Web服务方式，以及相关的数据格式和通信协议以及链路层技术。最后，第四部分介绍了“帕多瓦智慧城市”项目，其中举例说明了城市物联网的可能实施，并提供了可以采用这种结构收集的数据类型的例子。


第二节

智能城市概念与服务

根据派克研究智能城市，2智能城市市场预计到2020年，在数百十亿美元，每年的开支达到了近16亿。这个市场源自智能治理，智能移动，智能公用事业，智能建筑和智能环境等重点行业和服务行业的协同互连。这些部门在欧洲智慧城市项目中也被考虑，以确定可用于评估欧洲城市“智慧”水平的排名标准。尽管如此，智能城市市场还没有真正起飞，因为一些政治，技术和财政障碍[6]。
在政治层面上，主要的障碍是决策权归属于不同的利益相关方。消除这一障碍的一个可能办法是将整个决策和执行过程制度化，将智能城市方面的战略规划和管理集中到一个单一的专门部门[7]。
在技​​术方面，最相关的问题在于目前在城市和城市发展中使用的异构技术的不可互操作性。在这方面，物联网愿景可以成为实现统一的城市ICT平台的基石，从而发挥智能城市愿景的潜力[8]，[9]。
最后，关于财务方面，仍然缺乏明确的商业模式，尽管最近已经采取了弥补这一差距的一些举措[10]。全球经济形势恶化，导致公共服务投资普遍缩减，情况恶化。这种情况阻碍了潜在巨大的智慧城市成为现实。摆脱这种僵局的一个可能办法是首先开发那些将社会效用与非常明显的投资回报（如智能停车和智能建筑物）相结合的服务，从而作为其他增值服务的催化剂[10]。
在本节的其余部分，我们将概述城市物联网范式可能实现的一些服务，这些服务在智慧城市的背景下具有潜在的兴趣，因为他们可以实现提高质量和增强服务的双赢局面提供给公民，同时在降低运营成本方面为城市管理带来经济优势[6]。为了更好地了解这些服务的使能技术的成熟度，我们在表1中报告了服务的建议类型，部署网络的预期流量，服务生成的预期流量，最大可容忍延迟设备供电，以及使用当前可用技术估计每项服务的可行性。从表中可以清楚地看到，一般来说，大多数这样的服务的实际实现并不会受到技术问题的阻碍，而是由于缺乏广泛接受的通信和服务架构，可以从单一的特定特征中抽象出来技术，并提供协调一致的服务。

表I帕多瓦智能城市项目的服务规范
 
建筑结构健康：妥善维护城市历史建筑物需要不断监测每座建筑物的实际情况，并确定最受外界代理人影响的地区。城市物联网可以提供建筑结构完整性测量的分布式数据库，由位于建筑物内的合适的传感器收集，例如振动和变形传感器，以监测建筑物应力，周围区域的大气代理传感器，以监测污染水平，以及温度和湿度传感器具有对环境条件的完整表征[11]。这个数据库应该减少对操作人员进行昂贵的周期性结构测试的需要，并且将允许有针对性和主动的维护和恢复操作。最后，可以组合振动和地震读数，以便更好地研究和了解轻型地震对城市建筑的影响。这个数据库可以公开访问，以使公民意识到保护城市历史遗产所采取的谨慎行动。然而，这种服务的实际实现需要在建筑物和周边地区安装传感器，并将其与控制系统的互连，这可能需要初始投资才能创建所需的基础设施。
废物管理：废物管理是许多现代城市的一个主要问题，由于服务成本和垃圾堆放垃圾问题。然而，ICT解决方案在这一领域的深入渗透可能会带来显着的节约和经济和生态优势。例如，使用智能废物容器来检测负荷水平并优化收集卡车路线，可以降低废物收集成本，提高回收质量[12]。3为了实现这种智能废物管理服务，物联网将终端设备即智能废物容器连接到优化软件处理数据的控制中心，确定集装箱车队的最佳管理。
空气质量：欧盟正式通过了“20-20-20可再生能源指令”，确定未来十年的气候变化减排目标。4目标要求到2020年温室气体排放量与1990年水平相比减少20％，通过到2020年提高能源效率可以节省20％的能源消耗，到2020年可再生能源的使用量将增加20％。在一定程度上，城市物联网可以提供监测拥挤地区，公园或健身路径空气质量的手段[13]。此外，可以提供通信设施，使跑步机设备上运行的健康应用程序可以连接到基础设施。以这种方式，人们总是能够找到最健康的户外活动之路，并且可以与他们首选的个人培训应用程序持续相连。实现这种服务要求在整个城市部署空气质量和污染传感器，并将传感器数据公开给公民。
噪声监测：噪声可以被看作是一种声像污染的形式，就像氧化碳（CO）一样，是空气。在这个意义上，市政府已经出台了具体的法律，在特定的时间内减少市中心的噪音。城市IoT可以提供噪声监测服务，以测量在采用该服务的地点任何给定时间产生的噪声量[14]。除了在该地区建造噪声污染的时空图之外，这种服务也可以用于通过可以识别玻璃碰撞或扰乱噪声的声音检测算法来实施公共安全。因此，尽管安装声音探测器或环境麦克风是非常有争议的，但是由于这种类型的监控对隐私的担忧是显而易见的，因此这项服务可以改善城市的夜晚安静和公共机构业主的信心。
交通堵塞：在同样的空气质量和噪声监测线上，可以通过城市轨道交通可以实现的智能城市服务，包括监测城市交通拥堵。即使基于摄像头的交通监控系统已经可以在许多城市部署，低功耗广泛的通信可以提供更密集的信息源。可以通过使用现代车辆上安装的感测能力和GPS来实现交通监控[15]，并且沿着给定的道路采用空气质量和声学传感器的组合。这些信息对于市政府和市民来说都是非常重要的：前者要交通管理，派出要员的人员，提前计划到达办公室的路线，或者更好地安排到市中心的购物行程。
城市能源消耗：与空气质量监测服务一起，城市物联网可以提供监测全市能源消耗的服务，使当局和市民能够清楚，详细地了解不同需求的能源需求量服务（公共照明，交通，交通信号灯，控制摄像机，公共建筑的供暖/制冷等）。反过来，这将有可能确定主要的能源消耗来源，并设定优先级以优化其行为。这在欧洲指令中指出了未来几年能源效率的提高。为了获得这样的服务，电力监控设备必须与城市电网相结合。此外，还可以通过有源功能来增强这些服务，以控制当地的电力生产结构（如光伏电池板）。
智能停车：智能停车服务是基于道路传感器和智能显示屏，可以将驾驶人员沿着城市停车的最佳路径引导[16]。这种服务带来的好处是多方面的：更快的时间找到停车位意味着更少的汽车排放CO，较少的交通拥堵和更快乐的公民。智能停车服务可以直接集成到城市IoT基础设施中，因为欧洲的许多公司正在为这一应用提供市场产品。此外，通过使用诸如射频识别器（RFID）或近场通信（NFC）等短距离通信技术，可以实现为居民或残疾人保留的时隙中的停车许可证的电子验证系统，从而提供更好的为可以合法使用这些插槽的公民提供服务，并提供有效的工具来快速查明违规行为。
智能照明：为了支持20-20-20指令，优化路灯效率是一个重要特征。特别是，这项服务可以根据一天中的时间，天气情况和人员的存在来优化路灯强度。为了正常工作，这样的服务需要将路灯包括在Smart City基础设施中。还可以利用增加的连接点数量向公民提供WiFi连接。此外，在路灯控制器的顶部容易实现故障检测系统。
公共建筑的自动化与可持续性：物联网技术的另一个重要应用是通过不同类型的传感器和控制灯的执行器来监测公共建筑（学校，行政办公室和博物馆）的能源消耗和环境的可持续性，温度和湿度。实际上，通过控制这些参数，可以提高生活在这些环境中的人们的舒适度，这也可以在生产率方面具有积极的回报，同时降低加热/冷却的成本[17]。
第三节

城市物联网体系结构

从第二部分描述的服务分析可以清楚地看出，大多数智能城市服务都是基于集中式架构，其中部署在城市地区的密集和异构的外围设备集合会生成不同类型的数据，然后通过将适当的通信技术传送到执行数据存储和处理的控制中心。
因此，城市IoT基础设施的主要特点是其将不同技术与现有通信基础架构相结合的能力，以支持物联网的逐步演进，其他设备的互连和新功能和服务的实现。另一个根本的方面是，有必要（部分）由城市物联网收集的数据容易被当局和公民访问，以增加当局对城市问题的响应能力，并提高公民对公共事务的认识和参与[ 9]。
在本节的其余部分，我们将描述城市IoT系统的不同组成部分，如图1所示。我们开始描述用于设计IoT服务的Web服务方法，其需要在网络的不同元件中部署合适的协议层，除了图1的关键要素之外，如图1所示的协议栈所示。然后，我们简要介绍可用于互连IoT的不同部分的链路层技术。最后，我们描述了符合城市物联网实现的异构设备集。

A.物联网服务架构的Web服务方法

虽然在物联网领域，许多不同的标准仍然在努力成为参考和最常用的标准，但在本节中，我们专注于IETF标准，因为它们是开放和免版税的，基于互联网最佳实践，可以依靠一个广泛的社区。


图。1。 基于Web服务方式的城市IoT网络的概念表示。

物联网的IETF标准涵盖了物联网服务的Web服务体系结构，这在文献中被广泛记载为一种非常有前途和灵活的方法。实际上，Web服务允许通过采用称为“代表性转移（ReST）”的基于Web的范例，实现一个灵活和可互操作的系统，可以扩展到物联网节点[18]。根据ReST范例设计的IoT服务与传统的Web服务非常相似，从而极大地促进了最终用户和服务开发人员对IoT的采用和使用，这将能够轻松地重用从传统网络获得的大量知识开发包含智能对象的网络服务的技术。Web服务方法也被国际标准化组织如IETF，ETSI和W3C，等等，以及对物联网欧洲研究项目，如SENSEI，促进了5物联网-A，6和SmartSantander。1
图2示出了涉及无约束和约束协议栈的城市IoT系统的参考协议架构。第一个包括当前是因特网通信的事实标准的协议，并且通常由诸如XML，HTTP和IPv4之类的常规互联网主机使用。这些协议通过其低复杂度的对应方（即高效XML交换（EXI），约束应用协议（CoAP））和6LoWPAN（即使对于非常受约束的设备也是合适的）而被镜像在约束协议栈中。可以以标准和低复杂度的方式执行图2中左和右堆栈中的协议之间的转码操作，从而保证IoT节点与因特网的容易的访问和互操作性。值得注意的是，不采用EXI / CoAP / 6LoWPAN协议栈的系统仍然可以无缝地包含在城市IoT系统中，只要它们能够与协议左侧的所有层进行接口架构在图2中。
 
图2。 无约束（左）和约束（右）IoT节点的协议栈。

在图2所示的协议架构中，我们可以区分三个不同的功能层，即（i）数据，（ii）应用/传输和（iii）网络，这可能需要专用实体来操作受限和无约束之间的转码格式和协议。在本节的其余部分中，我们更详细地规定了三个功能层中的每一个的要求，以保证系统不同部分之间的互操作性。

1）数据格式

如上所述，城市物联网范式在数据可访问性方面设定了具体要求。在基于Web服务的架构中，数据交换通常伴随着通过语义表示语言对传输内容的描述，其中可扩展标记语言（XML）可能是最常见的。然而，对于IoT的典型设备的容量有限，XML消息的大小通常太大。此外，XML表示的文本性质使得CPU受限设备的消息解析比二进制格式更复杂。由于这些原因，万维网联盟（W3C）7的工作组提出了EXI格式[19]，即使是非常受限制的设备，也可以使用与XML兼容的开放数据格式本机支持和生成消息。
EXI定义了两种类型的编码，即无模式和模式通知。尽管无模式编码直接从XML数据生成，并且可以被任何EXI实体解码而没有关于数据的任何先验知识，但是模式通知的编码假设两个EXI处理器在实际编码和解码之前共享XML模式发生。该共享模式使得可以在模式中为XML标签分配数字标识符，并在这样的编码时构建EXI语法。如[20]中所述，通用模式通知的EXI处理器即使在非常受限制的设备中也可以轻松集成，使其能够解读EXI格式，从而可以构建多用途IoT节点，甚至可以从非常受限制的设备中构建。然而，使用模式通知的方法需要在开发更高层应用程序时更加小心，因为开发人员需要为应用程序中涉及的消息定义XML模式，并使用支持此操作模式的EXI处理器。关于EXI和模式通知处理的更多细节可以在[20]中找到。
通过使用通常由高级应用程序创建和维护的数据库，可以将多个XML / EXI数据源集成到IoT系统中。事实上，IoT应用程序通常构建由应用程序控制的节点的数据库，并且通常由这些节点生成的数据构建数据库。数据库使得可以集成任何IoT设备接收到的数据，以提供应用程序构建的特定服务。在[21]中已经提出了根据本节描述的准则构建IoT Web应用程序的通用框架，其中作者还建议利用现代Web浏览器的异步JavaScript和XML（AJAX）功能，允许直接通信浏览器和最终的IoT节点，展示了协议栈的完全互联和所提出的方法的开放数据性质。

2）应用和运输层

跨越互联网的大多数流量现在通过HTTP over TCP在应用层承载。然而，本机HTTP的冗长和复杂性使其不适合在受约束的IoT设备上进行直接部署。对于这样的环境，事实上，HTTP的可读格式是传统网络成功的原因之一，由于大量相关（因此，冗余）数据。此外，HTTP通常依赖于TCP传输协议，但是在受限设备上不能很好地扩展，对于有损环境中的小数据流，性能较差。
CoAP协议[22]通过提出通过UDP传输的二进制格式来克服这些困难，仅处理严格要求提供可靠服务的重传。此外，CoAP可以轻松地与HTTP进行互操作，因为：（i）它支持HTTP（GET，PUT，POST和DELETE）的ReST方法，（ii）两个响应代码之间存在一一对应的关系协议，（iii）CoAP选项可以支持各种HTTP使用场景。
即使常规互联网主机本身可以支持CoAP直接与IoT设备进行通信，因此最通用和易于互操作的解决方案需要部署HTTP-CoAP中介，也称为交叉代理，可以直接转换两个协议之间的请求/响应，从而实现与本地HTTP设备和应用程序的透明互操作[23]。

3）网络层

IPv4是互联网主机支持的领先寻址技术。然而，IANA是在全球范围内分配IP地址的国际组织，最近宣布用尽IPv4地址块。IoT网络又将包含数十亿个节点，其中每个节点（原则上）都可以唯一寻址。IPv6标准[24]提供了一个解决这个问题的解决方案，它提供了一个128位地址字段，从而可以为IoT网络中的任何可能的节点分配唯一的IPv6地址。
一方面，IPv6的巨大地址空间使得可以解决物联网中的寻址问题; 另一方面，它引入了与受限节点的稀缺能力不兼容的开销。这个问题可以通过采用6LoWPAN的克服[25] ，[26] ，这是IPv6和在低功率受限的网络UDP报头建立的压缩格式。作为直接连接到6LoWPAN网络的设备的边界路由器透明地执行IPv6和6LoWPAN之间的转换，将用于6LoWPAN网络中的节点的任何IPv6数据包转换为具有6LoWPAN头压缩格式的数据包，并操作逆向转换在相反的方向。
虽然部署6LoWPAN边界路由器可实现IoT节点与Internet中任何IPv6主机之间的透明交互，但与仅IPv4主机的交互仍然是一个问题。更具体地说，问题在于找到使用IPv4地址和分组中可用的其他元数据来寻址特定IPv6主机的方法。在下文中，我们提出了不同的方法来实现这一目标。
v4 / v6端口地址转换（v4 / v6 PAT）。该方法将IPv4地址和TCP / UDP端口的任意对映射到IPv6地址和TCP / UDP端口。它类似于许多局域网当前支持的经典网络地址和端口转换（NAPT）服务，通过共享公共IPv4地址来提供对私有网络中的多个主机的Internet访问，该地址用于通过公共Internet 。当数据包返回到IPv4公用地址时，支持NATP业务的边缘路由器将拦截数据包，并将公用IPv4目标地址替换为预期接收方的（专用）地址，这是通过查找NATP表示与数据包携带的特定目标端口相关联的主机的地址。可以使用相同的技术将多个IPv6地址映射到单个IPv4公共地址，这允许在IPv4网络中转发数据报，并在仅IPv4主机上进行正确的管理。这种技术的应用需要低复杂度，而且端口映射确实是v4 / v6转换的一种已建立的技术。另一方面，这种方法引发了可扩展性问题，因为可以复用到单个IPv4地址中的IPv6主机数量受可用TCP / UDP端口数量的限制（65535）。此外，该方法要求IPv6节点启动连接，以便在NATP查找表中创建正确的条目。也可以实现从IPv4云开始的连接，但这需要更复杂的架构，本地DNS位于IPv6网络中，并与NATP转换表中的公共IPv4地址静态关联。
v4 / v6域名转换。最初在[23]中提出的这种方法类似于在HTTP 1.1中提供虚拟主机服务的技术，这使得可以通过利用所包含的信息来支持同一个Web服务器上的多个网站，共享相同的IPv4地址在HTTP Host头中标识用户请求的特定网站。类似地，可以以这样的方式对DNS服务器进行编程，使得在对IoT Web服务的域名的DNS请求时，DNS返回要接触的HTTP-CoAP交叉代理的IPv4地址以访问IoT节点。一旦通过HTTP请求寻址，代理就需要将HTTP Host头中包含的域名解析到IPv6 DNS服务器，IPv6 DNS服务器使用标识请求中涉及的最终IoT节点的IPv6地址进行回复。然后，代理可以通过CoAP将HTTP消息转发到预期的IoT。
URI映射。通用资源标识符（URI）映射技术也在[23]中描述。该技术涉及特定类型的HTTP-CoAP交叉代理，即反向交叉代理。该代理作为HTTP / IPv4客户端的最终Web服务器以及CoAP / IPv6 Web服务器的原始客户端。由于该机器需要放置在存在IPv6连接的网络的一部分，以允许直接访问最终的IoT节点，IPv4 / IPv6转换在内部由应用的URI映射功能来解决。

B.链路层技术

城市物联网系统由于其固有的大型部署区域需要一套链路层技术，可以轻松覆盖广泛的地理区域，同时支持由极高的聚合引起的可能的大量流量X-45454545 X-4545 X-4545 X-45 X-454545 X-45 X- 由于这些原因，能够实现城市IoT系统的链路层技术被分为无约束和约束技术。第一组包括以太网，WiFi，光纤，宽带电力线通信（PLC）以及诸如UMTS和LTE之类的蜂窝技术的所有传统LAN，MAN和WAN通信技术。它们通常具有高可靠性，低延迟和高传输速率（Mbit / s或更高的顺序）的特征，并且由于其固有的复杂性和能量消耗通常不适合于外围IoT节点。
相反，受限的物理和链路层技术通常具有低能耗和相对低的传输速率的特征，通常小于1Mbit / s。这个类别中更突出的解决方案是IEEE 802.15.4 [27]，[28]蓝牙和蓝牙低功耗，8 IEEE 802.11低功耗，PLC [29]，NFC和RFID [30]。这些链路通常会出现长时间延迟，主要是由于两个因素：1）物理层传输速率本身很低，2）节点实现的省电策略，以节省能源，通常涉及短时间内的负载循环。

C.设备

我们终于描述了实现城市物联网必不可少的设备，根据其在通信流中所占据的位置进行分类。

1）后端服务器

在系统的根部，我们发现位于控制中心的后端服务器，其中收集，存储和处理数据以产生附加值服务。原则上，后台服务器不是强制性的IoT系统正常运行，尽管它们成为城市IoT的基础组件，它们可以通过遗留网络基础设施促进对智能城市服务的访问和开放数据。通常考虑用于与IoT数据馈线接口的后端系统包括以下内容。
数据库管理系统：这些系统负责存储由IoT外围节点（如传感器）生成的大量信息。根据具体的使用情况，这些系统上的负载可能相当大，因此需要适当的后端系统尺寸。
网站：人们普遍认识到Web界面使他们成为实现物联网系统与“数据消费者”互操作的第一个选择，例如公共机构，服务运营商，公用事业提供商和普通公民。
企业资源规划系统（ERP）：ERP组件支持各种业务功能，是管理诸如城市管理等复杂组织的信息流的宝贵工具。将ERP组件与收集物联网生成的数据的数据库管理系统进行接口，可以更好地管理物联网收集的潜在大量数据，从而可以根据其性质和相关性分离信息流，并简化创建的新服务。

2）网关

走向物联网的“边缘”，我们发现网关，其作用是将终端设备与系统的主要通信基础架构相互连接。参考图2所示的概念协议架构，网关因此需要在非约束协议与受限对应方之间提供协议转换和功能映射，也就是说XML-EXI，HTTP-CoAP，IPv4 / v6- 6LoWPAN的。
请注意，虽然可能需要所有这些翻译才能实现与IoT外围设备和控制站的互操作性，但不必将其全部集中在单个网关中。相反，可以且有时方便地将翻译任务分配到网络中的不同设备上。例如，可以部署单个HTTP-CoAP代理来支持多个6LoWPAN边界路由器。
网关设备还应提供主要用于IoT网络核心的无约束链路层技术之间的互连以及在IoT外围节点之间提供连接的约束技术。

3）IoT外设节点

最后，在IoT系统的外围，我们发现负责生产要传送到控制中心的数据的设备，通常称为IoT外设节点，或者更简单的IoT节点。一般来说，这些设备的成本非常低，从10美元甚至更低，取决于安装在板上的传感器/执行器的种类和数量。IoT节点可以基于诸如供电模式，网络角色（继电器或叶片），传感器/致动器设备和支持的链路层技术等众多特性来分类。最受约束的IoT节点很可能是射频标签（RFtags），尽管它们的能力非常有限，但仍然可以在IoT系统中发挥重要作用，主要是因为它们的通信硬件成本极低，被动性质，不需要任何内部能源。RFtags的典型应用是通过近距离读取对象识别，可用于物流，维护，监控和其他服务。
移动设备，如智能手机，平板电脑和膝上型电脑，也可以是物联网城市的重要组成部分，提供其他方式与之交互。例如，集成在上一代智能手机中的NFC收发器可用于识别带标签的对象，而用于移动设备的大多数常见操作系统提供的地理位置服务可以丰富与该对象相关联的上下文信息。此外，移动设备可以以不同的方式提供对IoT的访问，例如，1）通过蜂窝数据链路服务提供的IP连接，或者2）使用短距离无线技术建立与某些对象的直接连接，例如作为蓝牙低功耗，低功耗WiFi或IEEE 802.15.4。此外，可以开发用于移动设备的特定应用，其可以简化与物联网对象的交互，并且整个系统。
第四节

实验研究：帕多瓦智慧城市

本文讨论的框架已经成功应用于IoT系统中的许多不同用例。举例来说，实验无线传感器网络测试平台，有超过300个节点，部署在帕多瓦大学[31] ，[32]根据这些准则已被设计，并成功地用于实现智能验证的概念示范网格[33]和医疗保健[34]服务。
在本节中，我们将描述在帕多瓦市实现的名为“帕多瓦智慧城市”的城市物联网的实际实施; 由于公共和私人双方之间的合作，如赞助该项目的帕多瓦市政府，帕多瓦大学信息工程系提供了该项目的理论背景和可行性分析，以及Patavina科技公司（PDI）9分离了帕多瓦大学，专门开发了创新的物联网解决方案，开发了物联网节点和控制软件。
帕多瓦智慧城市的主要目标是促进公共行政部门早日采用开放数据和ICT解决方案。目标应用包括通过无线节点收集环境数据和监控公共街道照明的系统，配备有不同种类的传感器，放置在路灯上，并通过网关单元连接到互联网。该系统可以收集有趣的环境参数，如CO水平，空气温度和湿度，振动，噪声等，同时提供一种简单而准确的机制，通过测量公共照明系统来检查公共照明系统的正确运行X- 即使这个系统是IoT概念的简单应用，它仍然涉及到许多不同的设备和链路层技术，因此代表了在设计城市IoT时需要处理的大多数关键问题。以下给出了系统中涉及的设备的类型和角色的高级概述。
帕多瓦智能城市组件：图3给出了帕多瓦智能城市系统架构的概念草图。在下文中，我们将详细介绍系统的不同硬件和软件组件。
 
图3。 “帕多瓦智慧城市”系统架构。

路灯：它是放置物联网节点的系统的叶子部分。每个路灯都在地理上位于城市地图上，并且与连接到其上的IoT节点唯一相关联，从而可以通过上下文信息来增强IoT数据。通过光度计传感器执行对灯泡正确操作的监视，该光度计传感器可以定期地或根据要求直接测量灯（或实际上由光到达传感器的任何光源）发出的光的强度。无线IoT节点还配备有温度和湿度传感器，提供有关天气条件的数据，一个节点还配备了苯（C6H6）传感器，监测空气质量。IoT节点通常由小型电池供电，尽管苯传感器需要连接到低功率电网。传感器节点的封装是通过考虑这种用例的具体要求而设计的。事实上，传感器节点已经被托置在透明的塑料屏蔽中，以保护电子零件免受大气现象（如雨或雪）的影响，同时允许空气和光的循环以正确测量湿度，温度和光强度。
约束链路层技术：使用IEEE 802.15.4约束链路层技术，安装在路灯极点上的IoT节点形成6LoWPAN多跳云。路由功能由低功耗和有损网络的IPv6路由协议（RPL）提供[35]。IoT节点被分配唯一的IPv6地址，根据6LoWPAN标准适当压缩。每个节点可以通过IPv6 / 6LoWPAN从互联网的任何地方单独访问。节点将它们的数据集中地传送到汇聚节点，这表示外部节点的单点联系。或者，每个节点可能通过运行CoAP服务器来发布自己的功能和数据，尽管此功能尚未在测试台中实现。在任一情况下，需要网关将6LoWPAN云桥接到Internet并执行上一节中描述的所有转码。
WSN网关：网关具有将传感器云中使用的受限链路层技术与用于提供到中央后端服务器的连接的传统WAN技术的接口。因此，网关扮演6LoWPAN边界路由器和RPL根节点的角色。此外，由于传感器节点不支持CoAP服务，所以网关也作为传感器云的汇聚节点运行，收集需要导出到后端服务的所有数据。与后端服务的连接由通用的无约束通信技术，光纤在这个具体的例子中提供。
HTTP-CoAP代理：HTTP-CoAP代理支持与CoAP设备的透明通信。可以扩展代理逻辑以更好地支持监控应用程序，并限制注入到IoT外设网络的流量。例如，可以指定需要监视的资源列表，以便服务器可以自主更新与这些设备相关的缓存中的条目。这种机制可以通过两种不同的方法来支持：1）主动轮询所选择的资源，从而能够在代理或网关上实现流量整形技术，以及2）通过使用“观察”功能订阅所选择的资源CoAP，因此只有当传感器测量的值超出一定范围时，节点上的服务器才能发送更新。该服务位于Padova Smart City系统的交换机网关上，尽管它也可以放置在后端服务器中，从而可以通过使用单个代理实例来控制多个网关。
数据库服务器：数据库服务器通过与HTTP-CoAP代理服务器通信来及时收集需要及时监控的资源的状态，而HTTP-CoAP代理服务器又负责从正确的源中检索所需的数据。存储在数据库中的数据可通过传统的Web编程技术访问。信息可以以网站的形式进行可视化，也可以使用动态Web编程语言以任何开放数据格式导出。在Padova Smart City网络中，数据库服务器在WSN网关内部实现，因此它代表一个即插即用模块，提供与外围节点的透明接口。
操作员移动设备：公共照明运营商将配备可以定位需要干预的路灯的移动设备，直接向连接到灯的IoT节点发出启动命令，并将干预结果发送到可以跟踪每个单灯柱，从而优化维护计划。
这样的系统可以被连续地扩展以包括其他类型的IoT节点或IoT节点的云，只要每个IoT外围系统支持基于HTTP的接口，这使得可以以开放，标准和技术独立的方式。

Padova Smart City收集的数据示例

图 4和5报告了可以用Padova Smart City系统收集的数据类型的示例。四幅图显示7天内的温度，湿度，光照和苯读数。细线显示实际读数，而粗线通过在1小时的时间窗（大约10个温度，湿度和光读数）以及苯传感器的120个读数（其采样率为较大，因为节点由网格供电）。可以观察对应于白天和黑夜的光线测量的常规图案。特别是在白天，测量值达到饱和值，而在夜间，由于车灯产生的反射，这些值更不规则。通过湿度和温度测量显示出类似的图案，然而它们比光的噪声要高得多。苯测量结果还显示，夜间交通量较轻，夜间苯含量下降，但令人惊讶的是，周末（10月26日至27日），白天苯含量没有明显变化。同时也注意到在10月29日下午测得的苯的峰值。在同一时间间隔内检查其他传感器的读数，我们可以注意到光强和温度的急剧下降以及湿度的增加。这些读数表明，快速暴雨暂时掩盖了阳光，同时在道路交通中产生拥挤，反过来也是空气中苯的高峰。

 
图4。 Padova Smart City收集的数据示例：（a）温度和（b）湿度。

 
图5。 Padova Smart City收集的数据示例：（a）轻质和（b）苯。

第五节

结论

在本文中，我们分析了目前可用于实施城市物联网的解决方案。所讨论的技术接近于标准化，行业参与者已经积极参与利用这些技术来实现利益的应用，例如第二部分所述的设备。事实上，虽然IoT系统的设计选项范围相当广泛，但是开放和标准化协议的集合显着更小。此外，启用技术已经达到了成熟度水平，从而实际上实现了物联网解决方案和服务，从实地试验开始，希望有助于清除仍然阻止大量采用物联网范式的不确定性。与意大利帕多瓦市合作部署的具体的概念证明实践也被描述为将物联网范式应用于智慧城市的相关例子。