物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

楊 倩

（北京郵電大學(xué) 北京 100876）

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

楊 倩

（北京郵電大學(xué) 北京 100876）

本文敘述了物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架以及所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了關(guān)鍵技術(shù)的研究熱點和研究方向，并舉例描述了物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)；關(guān)鍵技術(shù)；研究熱點

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是目前各界追捧的熱點。有人說它是空中樓閣，有人說它將引領(lǐng)下一次的科技革命，孰是孰非，尚無定論。但是，它的誕生是在一定的實踐基礎(chǔ)上提出的，也說明它存在一定的可行性，讓我們一起來客觀地分析一下。

2 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架

2.1 從互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)

人們可以把物聯(lián)網(wǎng)看作傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的自然延伸，因為它的信息傳輸基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)（The internet of things)是“萬物溝通”的，具有全面感知、無縫互聯(lián)、智能處理特征的連接物理世界的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)任何時間、任何地點及任何物體的連接。

互聯(lián)網(wǎng)主要解決人與人的互聯(lián)，連接了虛擬與真實的空間；物聯(lián)網(wǎng)主要解決的是物與物之間的互聯(lián)，連接了現(xiàn)實與物理世界。物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為前提的。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

在業(yè)界，物聯(lián)網(wǎng)大致被公認(rèn)為有三個層次，底層是用來感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，最上面則是內(nèi)容應(yīng)用層。

（1）感知層

感知層是通過RFID移動終端、M2M終端、匯接節(jié)點、感知節(jié)點等獲取相關(guān)數(shù)據(jù)及信息，以便網(wǎng)絡(luò)的傳輸。它的特點是：嵌入智能、標(biāo)識感知、協(xié)同互動。感知層是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力；感知節(jié)點隨時隨地感知、測量、捕獲和傳遞信息，匯接節(jié)點匯聚、分析、處理和傳送數(shù)據(jù)；各種形態(tài)的終端完成不同的功能，包括M2M終端、RFID移動終端、通信網(wǎng)和傳感網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)、感知信息的末梢傳感器等。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層解決的是感知層在一定范圍內(nèi)所獲得的數(shù)據(jù)，通常是長距離的傳輸問題。這些數(shù)據(jù)可以通過移動通信網(wǎng)、國際互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、各類專網(wǎng)、小型局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸。網(wǎng)絡(luò)層所需要的關(guān)鍵技術(shù)包括長距離有線和無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

網(wǎng)絡(luò)層為建立網(wǎng)絡(luò)連接和為上層提供服務(wù)，具備以下主要功能：路由選擇和中繼；激活,終止網(wǎng)絡(luò)連接；在一條數(shù)據(jù)鏈路上復(fù)用多條網(wǎng)絡(luò)連接,多采取分時復(fù)用技術(shù)；差錯檢測與恢復(fù)；排序,流量控制；服務(wù)選擇；網(wǎng)絡(luò)管理；信息存儲查詢。

（3）應(yīng)用層

應(yīng)用層解決的是信息處理和人機界面的問題，主要是利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根本目標(biāo)是提供豐富的應(yīng)用，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與個人、家庭和行業(yè)信息化需求相結(jié)合，實現(xiàn)廣泛智能化應(yīng)用的解決方案集。其應(yīng)用可分為監(jiān)控型（物流監(jiān)控、污染監(jiān)控災(zāi)害監(jiān)控）、查詢型（智能檢索、遠(yuǎn)程抄表）、控制型（智能交通、智能家居、路燈控制遠(yuǎn)程醫(yī)療綠色農(nóng)業(yè)）、掃描型（手機錢包、高速公路不停車收費）等。

3 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中三個層次所涉及的關(guān)鍵技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)最終實現(xiàn)并得以實施的重要保證。物聯(lián)網(wǎng)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括標(biāo)識技術(shù)、無線傳感網(wǎng)（傳感器網(wǎng)關(guān)、傳感器）、中間件、客戶端軟件、用戶卡鑒權(quán)和安全、遠(yuǎn)距通信（移動網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)等）、安全和隱私、智能處理技術(shù)（云計算等）。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)1——標(biāo)識技術(shù)

RFID為物體貼上電子標(biāo)簽，實現(xiàn)高效靈活管理，是物聯(lián)網(wǎng)最關(guān)鍵的一個技術(shù)。典型的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。在射頻識別技術(shù)（RFID）中要實現(xiàn)任何物體之間的互聯(lián)就必須給每件物體一個識別編碼，也就是用于身份驗證的ID。每個產(chǎn)品或事物出現(xiàn)在這個世界就得獲得一個惟一的編碼來證明它的惟一性，而且單個物品可以擁有多個標(biāo)識號，復(fù)合物體的每個組件可以都有標(biāo)識號；而且屬于一類的物品要有證明類屬的特殊標(biāo)識ID，而單個物品同時要有區(qū)別于同類其他物品的ID。另外，對于一些特殊物品要考慮到它們的安全隱私要求。針對這些需求，可以看出標(biāo)識結(jié)構(gòu)設(shè)計、標(biāo)識映射機制、匿名標(biāo)識技術(shù)將是推進(jìn)RFID技術(shù)發(fā)展的熱點研究問題。在這些問題研究過程中建議盡量采用已有的物品標(biāo)識體系并進(jìn)一步研究RFID和WMMP協(xié)議中標(biāo)識的演進(jìn)以及對TD網(wǎng)絡(luò)的影響，從而更好地推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)2——無線傳感網(wǎng)

無線傳感網(wǎng)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點構(gòu)成的多個、自組織的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通常被用來監(jiān)測在不同地點的物理或者環(huán)境參量，如光、溫度、濕度、聲音、振動、壓力、運動或者污染等。它主要是通過各節(jié)點相互協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的監(jiān)測信息，并發(fā)布給觀察者。

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展依賴于終端的大規(guī)模、大范圍的部署，而物聯(lián)網(wǎng)終端的多形態(tài)和泛在化既是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的特點，也是其面臨的重點和難點；具體研究對象為傳感器、傳感器適配器、傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)等。而在未來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的拓?fù)淇刂啤⒍ㄎ患夹g(shù)、時間同步、數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)以及終端設(shè)備的能量獲取和存儲技術(shù)、設(shè)備小型化/低成本/低功耗等問題將引領(lǐng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的熱點研究。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)3——中間件

物聯(lián)網(wǎng)的理念是要實現(xiàn)任何時間、任何地點及任何物體的連接，這個特點就決定了屏蔽底層硬件的多樣性和復(fù)雜性以及與上層信息交換的復(fù)雜應(yīng)用性。中間件為底層與上層之間的數(shù)據(jù)傳遞提供了很好的交互平臺，實現(xiàn)各類信息資源之間的關(guān)聯(lián)、整合、協(xié)同、互動和按需服務(wù)等。所以現(xiàn)在中間件的研究熱點應(yīng)著重于：基于遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用管理方式；支持多種傳感設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)采集和處理功能，從而降低應(yīng)用與硬件的耦合性；具備符合多種應(yīng)用通用需求的API集合；具有跨平臺的靈活性移植。而我們下一步要做的就是進(jìn)一步優(yōu)化，向上層應(yīng)用提供終端能力調(diào)用接口，從現(xiàn)有的應(yīng)用程序中間件發(fā)展至架構(gòu)中間件，形成物聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)用孵化環(huán)境，拓展現(xiàn)有中間件應(yīng)用范疇。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)4——安全和隱私

物聯(lián)網(wǎng)的絕大多數(shù)應(yīng)用都涉及個人隱私或機構(gòu)內(nèi)部秘密,物聯(lián)網(wǎng)必須提供嚴(yán)密的安全性和可控性。這是由于任意一個標(biāo)簽的標(biāo)識(ID)或識別碼都能在遠(yuǎn)程被任意的掃描,且標(biāo)簽自動地、不加區(qū)別地回應(yīng)閱讀器的指令并將其所存儲的信息傳輸給閱讀器,這就需要保證國家及企業(yè)的機密不被泄露還要確保標(biāo)簽物的擁有者個人隱私不受侵犯，這些也就導(dǎo)致安全和隱私技術(shù)成為物聯(lián)網(wǎng)識別技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。

由于物聯(lián)網(wǎng)的每個層的性質(zhì)和功能不同，每層的安全問題也各不相同，具體見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)的每個層的性質(zhì)和功能

除此之外，終端安全管理、感知節(jié)點的物理安全也要給予相當(dāng)?shù)闹匾?。這其中包括用戶卡/可信模塊的安全（如認(rèn)證、加密等）、設(shè)備軟硬件完整性安全問題（如信息采集、存儲的安全問題，設(shè)備硬件）以及防止非法移動的安全問題。

由于物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在還處于初級發(fā)展階段，更多的時候還只是一種概念；所以物聯(lián)網(wǎng)的安全機制在業(yè)界還是空白，但是我們的研究的目標(biāo)應(yīng)該是明確的。下一步我們應(yīng)該把研究的重點放在研究物聯(lián)網(wǎng)引入的安全需求和研究WMMP協(xié)議和WSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的安全機制上，進(jìn)而提出符合物聯(lián)網(wǎng)需求的安全技術(shù)方案，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。

3.5 關(guān)鍵技術(shù)5——智能用戶卡

物聯(lián)網(wǎng)是社會信息化的一種延伸與發(fā)展，因此物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將為信息化的前沿產(chǎn)品——智能卡，帶來新的發(fā)展機遇。在物聯(lián)網(wǎng)全面感知、可靠傳遞、智能處理等主要環(huán)節(jié)中，智能卡讓采集設(shè)備能夠登錄網(wǎng)絡(luò)并起到鑒權(quán)作用，從而使采集設(shè)備擁有了數(shù)據(jù)采集和收集功能?？梢哉f，智能卡是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中不可或缺的環(huán)節(jié)。

在智能卡迎來新的機遇時，新的挑戰(zhàn)也隨之而來。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用涉及覆蓋各個行業(yè)，因此智能卡必須滿足各行業(yè)的各種應(yīng)用環(huán)境。這些需求就對SIM卡及其工藝提出了新的要求，包括卡片的溫度、濕度、腐蝕、抗震動、模塊附著力、抗靜電、抗電磁等技術(shù)指標(biāo)以及物聯(lián)網(wǎng)SIM卡的產(chǎn)品形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化，包括觸點位置、觸點功能、產(chǎn)品體積等。面對廣大的用戶端，智能用戶卡的需求量也就可想而知，這就要求設(shè)計出適合物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的智能卡管理方案；制定出嚴(yán)格的發(fā)卡流程以及號碼管理系統(tǒng)，包括可能的商務(wù)流程、物流管理、測試認(rèn)證、號碼分配、號碼激活、號碼回收、號碼規(guī)劃等。除此之外，我們還需要研究物聯(lián)網(wǎng)SIM卡的測試技術(shù)，制定檢測標(biāo)準(zhǔn)，具備對新形態(tài)SIM卡的測試能力，填補業(yè)界對物聯(lián)網(wǎng)SIM卡檢測能力的空白，推動物聯(lián)網(wǎng)SIM卡技術(shù)和檢測的標(biāo)準(zhǔn)化。

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我們下一步要做的主要就是推進(jìn)智能用戶卡在物理特征、外形以及檢測技術(shù)方面的分級與國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化，推動卡商盡快滿足量產(chǎn)要求，制定低成本、低能耗的技術(shù)方案。

3.6 其他關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的終端都需要以某種方式連接起來，發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，考慮到方便性(需要數(shù)據(jù)線連接)、信息基礎(chǔ)設(shè)施的可用性以及一些應(yīng)用場景本身需要隨時監(jiān)控的目標(biāo)就是在活動狀態(tài)下，因此移動網(wǎng)絡(luò)將是最主要的接入手段。

物聯(lián)網(wǎng)在感知層獲得大量數(shù)據(jù)后要進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸，實現(xiàn)不同終端的互聯(lián)互通就要借助于互聯(lián)網(wǎng)；它們是物聯(lián)網(wǎng)的通道，要保證信息有序正確的流送，就依賴于安全可靠的中間傳輸機制。所以物聯(lián)網(wǎng)概念的提出也在一定程度上推進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)向成熟化發(fā)展。

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展、終端數(shù)量的增長，會產(chǎn)生非常龐大的數(shù)據(jù)流，這時就需要一個非常強大的信息處理中心。傳統(tǒng)的信息處理中心是難以滿足這種計算需求的，在應(yīng)用層就需要引入云計算中心處理海量信息，進(jìn)行輔助決策。云計算作為一種虛擬化、硬件/軟件運營化的解決方案，可以為物聯(lián)網(wǎng)提供高效的計算、存儲能力，為泛在鏈接的物聯(lián)網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)引擎。

4 物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用研究

4.1 智慧電力

長期以來靠人的自覺性節(jié)能，不能根據(jù)實際需求的量度，有針對性地進(jìn)行能源供應(yīng)；而且還要靠人的積極性進(jìn)行需求的管理。

而在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代，使人們在生活質(zhì)量不受影響甚至更舒適的情況下，靠信息技術(shù)進(jìn)步將能源節(jié)約下來。將需求管理融入到每一個電器產(chǎn)品設(shè)計上和系統(tǒng)的構(gòu)建上，并使終端與電網(wǎng)及分布式能源進(jìn)行響應(yīng)和交流，在互聯(lián)網(wǎng)式的分布式能源系統(tǒng)構(gòu)筑的智能電網(wǎng)中，用戶可以通過調(diào)節(jié)用電秩序，關(guān)閉或啟動燃?xì)狻⑿∷姷褥`活機組，控制需求側(cè)和蓄電設(shè)備（電動汽車）調(diào)節(jié)等多樣化手段，解決分布式可再生能源的自由接入。

4.2 智能家居

家是每個人活動的主要場所，所以智能家居將是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)最廣泛的地方。當(dāng)前家居只存在一些簡單的智能應(yīng)用，例如電燈的自動開關(guān)，電暖氣的溫度自動調(diào)節(jié)等。在未來，各種家庭設(shè)備將通過智能家庭網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)自動化，用戶可以通過電信寬帶、固話和3G無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和控制；像空調(diào)、照明燈等設(shè)備會自動感知學(xué)習(xí)主人生活習(xí)慣，自動調(diào)節(jié)室溫、光線的明暗，減少能源浪費智能家居將為人們提供舒適宜人且高品位的家庭生活空間，實現(xiàn)更智能的家庭安防系統(tǒng)并提供全方位的信息交互功能。

4.3 智能城管

長期以來靠城管人員巡查公共設(shè)施損壞、違章攤位查處等，不能有規(guī)律的智能獲取公共設(shè)施狀態(tài)，無法智能管理、調(diào)配資源；如果利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，各種傳感器設(shè)備就能及時監(jiān)測公共設(shè)施狀態(tài)、故障發(fā)生時間和地點等數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)對城市管理問題的精確定位，現(xiàn)場問題的實時發(fā)現(xiàn)、實時報送，及時解決。如此一來，就能增加城管執(zhí)法的快速、高效、可靠性。譬如說當(dāng)某物品被取走后，監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)遺失指令給后臺，后臺將物品的位置信息和遺失情況返回給前臺，這樣就會減少偷竊犯罪率。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)不是空中樓閣，不是科技狂想，是人類社會高度發(fā)展的產(chǎn)物，是新紀(jì)元世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的技術(shù)驅(qū)動力。在其發(fā)展初期必然會面臨各方的質(zhì)疑，前進(jìn)的道路漫長、曲折；然而它以實現(xiàn)人類隨時、隨地、隨物自由的交流為目標(biāo)，并輔以豐富的理論、實踐為基礎(chǔ)，所以一旦相關(guān)技術(shù)和配套系統(tǒng)得以發(fā)展完善，物聯(lián)網(wǎng)市場一定會以爆炸式增長。物聯(lián)網(wǎng)前景是廣闊的，它將會為我們帶來全新的生活方式，“智慧地球”的理念最終也會變成現(xiàn)實。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，http://blog.csdn.net/dengta_snowwhite/archive/2009/12/23/5061168.aspx

2 王曉靜,張晉．物聯(lián)網(wǎng)研究綜述．遼寧大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2010，37（1）

3 移動網(wǎng)絡(luò)將成物聯(lián)網(wǎng)主要接入方式.中國電子報,2010年01月

2010-07-25)