Internet of Things for Smart Cities
Andrea Zanella, Senior Member, IEEE, Nicola Bui, Angelo Castellani,
Lorenzo Vangelista, Senior Member, IEEE, and Michele Zorzi, Fellow, IEEE
Abstract—The Internet of Things (IoT) shall be able to incorporate transparently and seamlessly a large number of different and heterogeneous end systems, while providing open access to selected subsets of data for the development of a plethora of digital services. Building a general architecture for the IoT is hence a very complex task, mainly because of the extremely large variety of devices, link layer technologies, and services that may be involved in such a system. In this paper, we focus specifically to an urban IoT system that, while still being quite a broad category, are characterized by their specific application domain. Urban IoTs, in fact, are designed to support the Smart City vision, which aims at exploiting the most advanced communication technologies to support added-value services for the administration of the city and for the citizens. This paper hence provides a comprehensive survey of the enabling technologies, protocols, and architecture for an urban IoT. Furthermore, the paper will present and discuss the technical solutions and best-practice guidelines adopted in the Padova Smart City project, a proof-of-concept deployment of an IoT island in the city of Padova, Italy, performed in collaboration with the city municipality.
Index Terms—Constrained Application Protocol (CoAP), Efficient XML Interchange (EXI), network architecture, sensor system integration, service functions and management, Smart Cities, testbed and trials, 6lowPAN.
I. INTRODUCTION
The Internet of Things (IoT) is a recent communication paradigm that envisions a near future, in which the objects of everyday life will be equipped with microcontrollers, transceivers for digital communication, and suitable protocol stacks that will make them able to communicate with one another and with the users, becoming an integral part of the Internet [1]. The IoT concept, hence, aims at making the Internet even more immersive and pervasive. Furthermore, by enabling easy access and interaction with a wide variety of devices such as, for instance, home appliances, surveillance cameras, monitoring sensors, actuators, displays, vehicles, and so on, the IoT will foster the development of a number of applications that make use of the potentially enormous amount and variety of data generated by such objects to provide new services to citizens, companies, and public administrations. This paradigm indeed finds application in many different domains, such as home automation, industrial automation, medical aids, mobile healthcare, elderly assistance, intelligent energy management and smart grids, automotive, traffic management, and many others [2].
However, such a heterogeneous field of application makes the identification of solutions capable of satisfying the requirements of all possible application scenarios a formidable challenge. This difficulty has led to the proliferation of different and, sometimes, incompatible proposals for the practical realization of IoT systems. Therefore, from a system perspective, the realization of an IoT network, together with the required backend network services and devices, still lacks an established best practice because of its novelty and complexity. In addition to the technical difficulties, the adoption of the IoT paradigm is also hindered by the lack of a clear and widely accepted business model that can attract investments to promote the deployment of these technologies [3].
In this complex scenario, the application of the IoT paradigm to an urban context is of particular interest, as it responds to the strong push of many national governments to adopt ICT solutions in the management of public affairs, thus realizing the so-called Smart City concept [4]. Although there is not yet a formal and widely accepted definition of “Smart City,” the final aim is to make a better use of the public resources, increasing the quality of the services offered to the citizens, while reducing the operational costs of the public administrations. This objective can be pursued by the deployment of an urban IoT, i.e., a communication infrastructure that provides unified, simple, and economical access to a plethora of public services, thus unleashing potential synergies and increasing transparency to the citizens. An urban IoT, indeed, may bring a number of benefits in the management and optimization of traditional public services, such as transport and parking, lighting, surveillance and maintenance of public areas, preservation of cultural heritage, garbage collection, salubrity of hospitals, and school. Furthermore, the availability of different types of data, collected by a pervasive urban IoT, may also be exploited to increase the transparency and promote the actions of the local government toward the citizens, enhance the awareness of people about the status of their city, stimulate the active participation of the citizens in the management of public administration, and also stimulate the creation of new services upon those provided by the IoT [5]. Therefore, the application of the IoT paradigm to the Smart City is particularly attractive to local and regional administrations that may become the early adopters of such technologies, thus acting as catalyzers for the adoption of the IoT paradigm on a wider scale.
The objective of this paper is to discuss a general reference framework for the design of an urban IoT. We describe the specific characteristics of an urban IoT, and the services that may drive the adoption of urban IoT by local governments. We then overview the web-based approach for the design of IoT services, and the related protocols and technologies, discussing their suitability for the Smart C
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摘要
物联网（IoT）可以透明且无缝地整合大量的复杂多样的终端系统，同时开发过多的数字服务提供对选定数据自己的开放访问。因此，为物联网构建一个通用架构是一项非常负载的任务，这主要是因为在这样一个系统中可能涉及的设备、链路层技术和服务的种类及其繁多。本文中，我们主要讨论城市物联网系统。虽然这仍然是一个相当广泛的范畴，但其特点是具有特定的应用领域。事实上，城市物联网旨在支持智慧城市愿景，这种远景意在探索最先进的通信技术来为城市管理和居民提供增值服务。因此，本文为城市物联网的启动技术、协议和架构提供了一个综合的研究。此外，本文将介绍和讨论帕多瓦智能城市项目中采用的技术解决方案和最佳实践指南，该项目是在意大利帕瓦多市与市政府合作实施的一个物联网岛屿的概念验证部署。
关键词：约束应用协议（CoAP）；有效的XML交换（EXI）；网络构架；传感器系统集成；服务功能与管理；智慧城市；测试平台和实验；6lowPAN
1 引言
物联网（IoT）是一种新出现的通信范式，在不久的将来，日常生活的对象将装有微控制器，数字通信收发器以及合适的协议栈，使得它们之间能相互通信并能与用户通信，变成互联网的完整的一部分[1]。因此，物联网的概念旨在使得互联网更加拟真和普遍。此外，通过授权容易访问和交互的各种各样的设备，比如家用电气、监控摄像头、监控传感器、执行器、显示器、汽车等，物联网将促进那些利用潜在的庞大数据的应用和由这些物体产生的各种各样的数据来为市民、公司和公共管理提供新的服务。这种范式事实上在许多不同的领域找到了应用，如家庭自动化、工业自动化、医疗辅助、移动医疗、老年人援助、智能能源管理和智能电网、汽车、交通管理以及许多其他的领域[2]。
然而，这样一个应用的异构领域使得识别的解决方案满足所有可能的应用场景的要求成为一个巨大的挑战。这一困难导致了差异的递增和物联网中有时候出现的提案与实际现实的相互矛盾。因此，从系统的角度来说，物联网网络的实现，以及所需的后端网络服务和设备，由于其新颖性和复杂性，仍然缺乏确定的最佳实践。除了技术上的困难，物联网范式的应用还因为缺乏一个清晰的、被广泛接受的业务模式的阻碍，该业务模式可以吸引投资促进这些技术[3]的部署。
在这个复杂的场景中，物联网范式在城市环境中的应用具有特殊的意义，因为其响应了许多国家政府在公共事务管理中采用ICT解决方案的强烈推动，从而实现了所谓的智慧城市概念[4]。虽然“智慧城市”还没有一个正式且被广泛接受的定义，但它的最终目标是更好地利用公共资源，提高市民服务的质量，同时降公共行政的运营成本。这一目标可以通过部署城市物联网来实现，即一个提供统一、简单、经济的公共服务的通信基础设施，从而释放潜在的协调效应，增加公民的透明度。的确，城市物联联网可能会给传统公共服务的管理和优化带来诸多好处，比如交通和停车、照明、公共区域的监视和维护、文化遗产的保护、垃圾收集、医院和学校的健康。此外，不同类型的数据的可用性，收集的一个普遍的城市物联网，也可以利用增加透明度，促进当地政府向公民的行为，增强人们对他们的城市地位的认识，刺激公民在公共行政管理中的参与度，同时也刺激由物联网提供的新服务的创建[5]。因此，在物联网范式在智慧城市的应用对于地方和区域管理部门是尤其有吸引力的，这可以作为在一个更加宽广的平台采用物联网范式的催化剂。
本文旨在探讨城市物联网设计的一般参考框架。我们描述了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，我们概述了基于web的物联网服务设计方法，以及相关的协议和技术，讨论了它们在智慧城市环境中的适用性。最后，我们通过报告我们在“帕多瓦智慧城市”项目中的经验来正式我们的讨论。“帕多瓦智慧城市”项目是在意大利帕多瓦市的一个物联网岛屿的概念验证部署，并与市政府当局的数据网络相连接。在这方面，我们描述了为实现物联网岛屿所采用的技术解决方案，并报告了系统在最初运行时收集的一些测量数据。
论文的其余部分结构如下：第二部分概述了和智慧城市的愿景有关的服务，这些服务可以通过部署城市物联网来实现。第三部分概述了城市物联网的系统构架。本节更详细地描述了实现物联网服务的web服务方法，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“帕瓦多智慧城市”项目。该项举例说明了城市物联网的可实现性，并提供了可用这种结构收集的数据类型的示例。
2 智慧城市的概念和服务
根据Pike对智慧城市的研究，预计到2020年，智慧城市市场规模将到达千亿美金，年支出近160亿美金。这一市场源于智能治理、智能移动、智能公用事业、智能建筑、智能环境等关键产业和服务领域的协同互联。欧洲智慧城市项目（http://www/smartcities.eu）也考虑了这些领域，来定义一个排名标准，用以评估欧洲城市的“智能”水平，但因为一些政治，技术和金融障碍并未正正开始[6]。
在政治维度下，主要的障碍是决策权归属于不同的利益相关者。消除这一障碍的一种可能的方法是将整个决策和执行过程替代，将智慧城市方面的战略规划和管理几种到城市[7]中的一个单独的、专门的部门。
在技术方面，目前最相关的问题是在城市和城市发展中使用的易购技术的不可交互性。在这方面，物联网愿景可以称为实现统一的城市规模ICT平台的基石，从而释放智慧城市愿景[8]、[9]的潜力。
表1 帕多瓦智能城市项目的服务规范
最后，在财务方面，虽然近期采取了一些行动来填补这一空白，但是仍然缺乏明确的商业模式。不利的全球经济形势使得这一情况更加恶化，这决定了公共服务方面的投资普遍减少。这种情况阻碍了潜在的巨大智慧城市市场的实现。走出这一僵局的一个可能的方法是，首先开发那些结合社会效用和非常明确的投资回报的服务，如智能停车场和智能建筑，并建将此作为其他增值服务的催化剂[10]。
在本节的其余部分，我们概述的一些服务可能可以被一个城市物联网范式和智慧城市环境潜在的利益所启用，因为他们可以实现提升质量和增强对市民提供的服务的双赢局面，同时减少运营成本从而为城市管理带来经济优势[6]。为更加重视这些服务的技术成熟水平，在表1中，我们报告了将开展的网络的建议类型方面的服务的概要，预计产生的交通服务、最大可容的延迟、装置效率和每项服务及目前达到的技术进行了可行性估计。表中显而易见，一般来说，此类服务的实际实现大多数不是因为技术问题，而是缺乏一个被广泛接受的沟通和服务构架，这种服务构架可以从单一技术的特定特点中提取出来，并为服务提供统一的访问。
3 城市物联网体系结构
从第二部分中对服务的描述分析，可以清楚地看出，大多数智慧城市服务是基于集中式架构，这些构架有一组密集且异构的外围设备部署在城市地区产生不同类型的数据，然后通过合适的通信技术传送到进行数据存储和处理的控制中心。
因此，主要城市物联网构架的特点是其整合不同技术的能力与现有的支持物联网逐渐进化的通信基础设施和其他设备的互联，能实现新的功能和服务。另一个基础方面是，有必要让当局和公民方便的访问城市物联网收集的（部分）数据，以增强当局对城市问题的反应能力，并促进公民对公共数物的意识和参与[9]。
图1 基于web服务方法的城市物联网网络概念表示
在本节其余部分，我们将描述城市物联网的不同组成部分，如图1所示，我们开始描述物联网服务设计的web服务方法，除了体系结构的关键元素外，还需要在网络的不同元素中部署合适的协议层，如图1所示。然后，我们简要概述了与城市物联网的实现相一致的异构设备集。
A.物联网服务架构的Web服务方法
虽然在物联网领域，许多不同的标准仍在努力成为参考标准和被采用最多的标准，但在本节中，我们特别关注IETF标准，因为他们是开发的、免版税的、基于互联网最佳实践的、可依赖于广泛社区的标准。
物联网IETF标准包含了物联网服务的web服务体系结构，这是一种非常有前途和灵活的方法，在文献中被广泛记录。事实上，通过采用基于web的范式，即代表性状态转移（Representational State Transfer, ReST）[18]，web服务允许实现可扩展到物联网节点的灵活且可互操作的系统。物联网服务设计按照ReST模式表现出与传统的web服务的强相似性，从而极大地促进了采纳和使用物联网终端用户和开发人员，能够容易地重用大部分来自传统web技术的知识来服务网络的发展包含智能对象。Web服务方法也得到了IETF、ITSI、W3C和其他国际标准化组织以及SENSEI、IOT-A和智慧城市等欧洲物联网研究项目的推广。
图2显示了城市物联网系统的参考协议架构，该架构包含一个无约束协议栈和一个约束协议栈。第一种协议是当前网络通信的实际标准，通常由常规网络主机，如XML、HTTP、IPv4使用，这些协议通过他们的低复杂度的对应协议，即高效XML交换（EXI）、受限应用协议（COAP）和6LoWPAN，它们甚至适用于非常受限的设备。图2中，在协议左右堆栈间的转码可以以一种标准的和低复杂度方式执行，从而保证物联网节点与互联网的轻松访问和互操作性。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物联网系统中，前提是它们能够与图2中协议架构左侧的所有层进行接口。
图2 无约束(左)和约束(右)物联网节点的协议栈
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（1）数据层、（2）应用/传输层和（3）网络层，它们可能需要专门的实体来操作受约束和不受约束格式和协议之间的转码。在本节的剩余部分中，我们将更详细地指定三个功能层中的每个层的需求，以保证不同部分之间的互通性。
1）数据格式：如前所述，城市物联网范式对数据可达性提出了具体要求。在基于web服务的体系结构中，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，对于物联网设备的有限容量来说，XML消息的大小通常太大了。此外，与二进制格式相比，XML消息的大小通常太大了。此外，与二进制格式相比，XML表示的文本性质使得CPU有限的设备解析消息时更加复杂。由于这些原因，万维网联盟（W3C）的工作组提供了EXI格式[19]，这使得即使是非常受限的设备也可以使用与XML兼容的开放数据格式本地支持和生成消息。
EXI定义了两种类型的编码，即无模式编码和模式通知编码。无模式编码直接从XML数据生成，可以由任何EXI实体解码，而不需要事先了解数据，但基于模式的编码假定两个EXI处理器在进行实际编码和解码之前共享一个XML模式。这种共享模式使得将数字标识符分配给模式中的XML标记并在这种编码的基础上构建EX语法成为可能。正如在[20]中所讨论的，一个通用的基于模式的EXI处理器可以很容易地集成到非常受限的设备中，使它们能够解释EXI格式，因此，即使在非常受限的设备中也可以构建多用途物联网节点。然而，使用基于模式的方法在开发更高层的应用程序时需要格外小心，因为开发人员需要为应用程序中涉及的消息定义XML模式，并使用支持这种操作模式的EXI处理器。有关EXI和基于模式的处理的详细信息可以在[20]中找到。
通常，通过使用由高级应用程序创建和维护的数据库，可以将多个XML/EXI数据源集成到物联网系统中。事实上,物联网应用程序通常会建立一个由应用程序控制的节点的数据库，通常还会建立由这些节点生成的数据的数据库。该数据库使集成任何物联网设备接收的数据成为可能，从而为应用程序提供特定的服务。在[21]中，根据本节中描述的指导方针提出了构建物联网的通用框架的web应用程序，作者还建议利用异步JavaScript和XML(AJAX)功能的现代web浏览器，允许浏览器和最后的物联网节点之间的直接沟通,为展示完整的网络互连协议栈和开放数据的性质提出了方法。
2）应用程序层和传输层:目前互联网上的大多数通信都是通过TCP上的HTTP在应用层进行的。然而，原生HTTP的冗长和复杂性使得它不适合直接部署在受限的物联网设备上。事实上，对于这样的环境，可读的HTTP格式，这个曾经在传统网络取得成功的原因之一，却成为了一个限制因素，因为它存在大量高度相关的(因此也冗余的)数据。此外，HTTP通常依赖于TCP传输协议，但是，TCP传输协议在受限的设备上不能很好地扩展，因此在有损耗的环境中，小数据流的性能很差。
CoAP协议[22]通过提出一种通过UDP传输的二进制格式克服了这些困难，只处理严格要求提供可靠服务的重发。此外，CoAP可以轻松地与HTTP进行互操作，因为(2)它支持HTTP的ReST方法(GET、PUT、POST和DELETE)，(2)这两个协议的响应代
码之间存在一对一的对应关系，(3)CoAP选项可以支持广泛的HTTP使用场景。
即使是普通互联网主机也可以支持CoAP直接与物联网设备通信,最普
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