物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術與發(fā)展

黃兵（安徽工貿職業(yè)技術學院，安徽淮南 232007）

物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術與發(fā)展

黃兵
（安徽工貿職業(yè)技術學院，安徽淮南 232007）

物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術與普適計算、泛在網(wǎng)絡的融合應用，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)通過RFID系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡、多媒體傳感器網(wǎng)絡等設備，從任何時間、任何地點連接任何人，發(fā)展到連接任何物體，將具有身份和虛擬個性的物體與社會、環(huán)境和用戶內容連接并通信。剖析當前在物聯(lián)網(wǎng)領域存在的關鍵性理論問題，研究物聯(lián)網(wǎng)的體系結構，闡述現(xiàn)階段的解決方案所使用的相關技術，探索未來可能的發(fā)展方向。

物聯(lián)網(wǎng)；射頻識別；無線傳感器網(wǎng)絡；普適計算；對象名服務

一、簡介

近年來，“物聯(lián)網(wǎng)”（Internet of Things）這一概念及其應用受到了國際社會的廣泛關注。以移動技術為代表的普適計算、泛在網(wǎng)絡被稱為繼計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)技術之后信息技術的第三次革命。而物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術與普適計算、泛在網(wǎng)絡的融合應用，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。目前對物聯(lián)網(wǎng)的定義仍然具有模糊性。有多個組織分別提出了自己的定義。當前，我們基本可以認為物聯(lián)網(wǎng)的定義是以下三種主流觀點的融合：一、國際電信聯(lián)盟（ITU）在2005年年度報告中從Internet角度對物聯(lián)網(wǎng)的闡釋是：從任何時間、任何地點連接任何人，發(fā)展到連接任何物體，而萬物的連接即為物聯(lián)網(wǎng)；二、歐洲委員會-歐洲智能系統(tǒng)集成技術平臺(EPoSS）的RFID工作組[2]從“物”的角度提出：使用智能接口，在智能空間中將具有身份和虛擬個性的物體與社會、環(huán)境和用戶內容連接并通信;三、歐洲委員會-歐洲智能系統(tǒng)集成技術平臺(EPoSS）的RFID工作組同時給出了語義角度的定義：基于標準通信協(xié)議將被唯一標識的物體相互連接的世界范圍的網(wǎng)絡。而在我國，中國移動對物聯(lián)網(wǎng)的定義是：“物體具有全面感知能力，對信息具有可靠傳送和智能處理能力的連接物體與物體的信息網(wǎng)絡?！?/p>

二、物聯(lián)網(wǎng)的體系結構

IBM、中國移動、中國電信等組織都將物聯(lián)網(wǎng)的三大基本要素歸納為：全面感知、可靠傳遞、智能處理。根據(jù)這一描述，一般專家都將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)劃分為三個層次：感知層、網(wǎng)絡層、應用層，并依此概括地描繪物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構，如圖1所示：

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構

三、物聯(lián)網(wǎng)的技術基礎和發(fā)展趨勢

物聯(lián)網(wǎng)思想可以看作是對普適計算（Ubiquitous Com-puting）思想的擴展，普適計算意指無處不在的、隨時隨地可以進行計算的一種方式；無論何時何地，只要需要，就可以通過某種設備訪問所需的信息。在此基礎上日韓提出了泛在網(wǎng)絡（U-biquitous Network），歐盟提出了環(huán)境感知智能（Ambient Intelligence）等概念。雖然這些概念與物聯(lián)網(wǎng)不盡相同，但理念相當一致。EPoSS提出了物聯(lián)網(wǎng)將擁有如下的技術發(fā)展趨勢，其中理論方向主要包括：智能化（Intelligence），物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點要具有自主性質，可實現(xiàn)自配置、自適應、自治愈，要具有“智能”，節(jié)點要擁有內容感知能力、集成內存和處理能力。這是實現(xiàn)“智能家庭”、“智能工廠”等的前提；通訊（Communication），設計新的更低能耗的通訊協(xié)議和網(wǎng)絡路由算法，統(tǒng)一傳感器節(jié)點和Internet的數(shù)據(jù)交換標準；標準化（Standards），當前物聯(lián)網(wǎng)具有兩個主要標準，Ubiquitous ID和EPC Global標準，標準的不統(tǒng)一極大地阻礙了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。要設計出有效的安全的使用兼容協(xié)議的標準并在國家層面上予以應用；互操作性（Interoperability），要求兼容不同標準、不同工作頻率、不同體系結構，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中設備與設備的通信，并具有互操作能力；隱私和安全（Privacy and Security），對用戶隱私數(shù)據(jù)的保護是物聯(lián)網(wǎng)的關鍵挑戰(zhàn)之一，這關系到用戶對物聯(lián)網(wǎng)的接受度。

四、物聯(lián)網(wǎng)的具體關鍵理論問題

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的體系結構，我們分三個層次來分別討論存在于物聯(lián)網(wǎng)不同層次中的具體關鍵理論問題。

（一）感知層

感知層一般包含數(shù)據(jù)采集設備和設備之間的組網(wǎng)網(wǎng)絡，由RFID系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡、人工智能器件等有機結合而成。

（1）射頻識別（RFID）系統(tǒng)。RFID系統(tǒng)工作原理如圖2。與傳統(tǒng)的識別技術相比，RFID系統(tǒng)的優(yōu)點包括可識別高速運動物體、可同時識別多個標簽、非接觸式、壽命長和信息存儲量大。

圖2 RFID系統(tǒng)工作原理

RFID系統(tǒng)現(xiàn)存的理論問題主要包括反碰撞算法、移動RFID技術、安全性問題等。反碰撞算法包括標簽反碰撞和讀取器反碰撞算法。由于實際環(huán)境的復雜性和多樣性，可能經(jīng)常出現(xiàn)以下兩種場景：第一，在一個小區(qū)域中同時存在多個RFID標簽，這樣當RFID讀取器試圖讀取其中一個標簽時，會出現(xiàn)多個標簽同時響應讀取器的讀取信號，它們的反饋信號彼此沖突導致讀取失敗；第二，在一個小區(qū)域中同時存在多個RFID讀取器，存在的讀取器空間密度可能很高，標簽無法辨識是哪一個讀取器發(fā)出的讀取信號。這統(tǒng)稱為RFID系統(tǒng)的碰撞問題。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術于一體的網(wǎng)絡信息系統(tǒng)。當前在物理層上主要應用ultra wide band(UWB）傳輸技術。物聯(lián)網(wǎng)中存在大量物聯(lián)網(wǎng)的基礎節(jié)點，這些節(jié)點會實時產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。當前這一方向熱點的技術包括Synopsis diffusion技術和q-Digest技術。為降低需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，傳統(tǒng)編碼技術基于利用源的統(tǒng)計信息降低源編碼器生成的比特率，采用幀內幀間壓縮編碼和預測編碼/運動估計技術，編碼器復雜，能耗高，嚴重影響基礎節(jié)點的生命周期，不適合物聯(lián)網(wǎng)的應用。現(xiàn)階段研究采用分布式源編碼，在解碼段應用源的統(tǒng)計信息，編碼段簡單，解碼段復雜，較為適合物聯(lián)網(wǎng)應用。網(wǎng)絡內預處理從環(huán)境中采集的原始數(shù)據(jù)，盡可能減少對帶寬的需求。無線網(wǎng)絡中的時間同步對于路由和節(jié)能具有重要意義，考慮到物聯(lián)網(wǎng)中終端節(jié)點的分布范圍極為廣泛，如何劃分子網(wǎng)進行時間同步就成為需要考慮的問題?，F(xiàn)存時間同步算法的主要作用是精確估計時間的不確定性并將每個節(jié)點的局部時鐘與網(wǎng)絡相同步，主要分為兩大類：基于應用特征和同步方式。需要考慮如何劃分子網(wǎng)進行時間同步，設計新的算法以進一步減少因為時間累積而造成的不確定性錯誤等。

（3）智能器件。智能器件和RFID系統(tǒng)、無線自組織網(wǎng)絡是相互融合在一起的。智能器件使得RFID系統(tǒng)、無線自組織網(wǎng)絡的每個節(jié)點具有智能，整體系統(tǒng)具有自主性，例如自組織、自適應、自治愈能力。

目前智能器件的關鍵技術包括：不引人注目的硬件：小型化、納米技術、智能設備等；無縫移動/固定通信和計算基礎結構：互操作性，有線和無線網(wǎng)絡，面向服務的體系結構，語義網(wǎng)絡；易于控制和編程的動態(tài)海量分布式設備網(wǎng)絡；以人為中心的計算機接口：智能agent，多模型交互，內容感知等；可靠的安全系統(tǒng)和設備：自修復和自測試軟件，隱私保護技術等。

（二）網(wǎng)絡層

因“物”的所有權特性，物聯(lián)網(wǎng)應用在相當一段時間內都將主要在內網(wǎng)（Intranet）和專網(wǎng)（Extranet）中運行，形成分散的眾多“物連網(wǎng)”，但最終會走向互聯(lián)網(wǎng)（Internet），形成真正的“物聯(lián)網(wǎng)”，如Google Power Meter。網(wǎng)絡層中的主要理論問題包括：地址標識問題，數(shù)據(jù)交換標準，網(wǎng)絡傳輸協(xié)議問題等。

（1）互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的兼容標識。當前RFID系統(tǒng)/無線傳感器網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)的IPV6協(xié)議采用不同的標準。IPV6地址使用128 bits來表示，可以定義1038個地址。然而，根據(jù)EPCglobal制定的標準，RFID標簽使用64～96位作為身份標識。需要將RFID節(jié)點/傳感器節(jié)點集成進IPV6網(wǎng)絡。

（2）對象名服務。物聯(lián)網(wǎng)中引入對象名服務ONS（Object Name Service），它建立對特定物體的描述和相應的節(jié)點之間的對應關系，即節(jié)點標識和節(jié)點名字之間的映射。

（3）數(shù)據(jù)交換標準問題。在物聯(lián)網(wǎng)中存在大量不同類型的終端節(jié)點，如RFID標簽/傳感器/攝像頭等，收集到的信息可能包括多種形式：圖像/音頻/視頻/二進制數(shù)據(jù)等。這些信息可能在物聯(lián)網(wǎng)中混合傳輸，它們可能使用的是不同的數(shù)據(jù)格式標準。

（4）網(wǎng)絡協(xié)議。網(wǎng)絡傳輸層的目標是保證端對端傳輸可靠性和擁塞控制?，F(xiàn)階段的互聯(lián)網(wǎng)TCP傳輸協(xié)議并不適合物聯(lián)網(wǎng)。其原因有：數(shù)據(jù)緩存（Data Buffering），TCP需要雙方緩存數(shù)據(jù)，這對物聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點來說無論是從處理能力和存儲容量，還是需要的能量來說都存在問題；建立連接（Connection Setup），互聯(lián)網(wǎng)中是通過三次握手協(xié)議來建立連接，在物聯(lián)網(wǎng)中如果也用此方法，在傳輸數(shù)據(jù)量較小的情形下（RFID系統(tǒng)經(jīng)常如此），建立連接階段的時間開銷就不可忽略，而且因為受到能量和通信能力的限制，建立連接階段的數(shù)據(jù)處理和傳輸也是需要考慮的問題；擁塞控制（Congestion Control），TCP負責端到端的擁塞控制，在無線通信媒介中性能可能受到影響，而且如果單次通信傳輸數(shù)據(jù)量過小則TCP擁塞控制不會發(fā)生作用；服務質量（QoS），因為物聯(lián)網(wǎng)包括的范圍非常廣，存在多種不同的需求，服務跨越有線網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡、RFID系統(tǒng)等，所以滿足各種應用的服務質量是一個很大的挑戰(zhàn)。

（三）應用層

（1）數(shù)據(jù)清潔。物聯(lián)網(wǎng)中大量基礎節(jié)點處于環(huán)境因素復雜多變地區(qū)，受到外界因素干擾，傳感器設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能不可靠，因此我們需要對接收到的數(shù)據(jù)進行預處理。Jeffery等人提出了ESP（Extensible Sensorstream Processing）體系結構，這一體系結構提出在將傳輸過來的數(shù)據(jù)轉交給應用程序之前加入一個數(shù)據(jù)清潔層次。這一層相當于一個管道，數(shù)據(jù)通過這個管道進行預處理，研究這個管道中使用的預處理技術，包括基于小波擴散技術研究圖像去噪、基于he等人的暗通道理論研究戶外圖像去霧、基于馬爾科夫鏈的概率模型的物體位置判定修正等。

（2）海量數(shù)據(jù)處理。物聯(lián)網(wǎng)要求部署的基礎節(jié)點規(guī)模極其巨大，采集到的信息量也是巨大的，被稱為“data deluge”。如在“智慧鐵路”車站的視頻監(jiān)控方面，監(jiān)控攝像頭的數(shù)量以及所獲得的視像數(shù)據(jù)呈幾何級數(shù)增加，因此要求解決方案對海量視頻具有實時處理能力。傳統(tǒng)的視頻分析方法對視頻結構分割、特征提取和語義匹配等操作，無法滿足這樣的要求。

（3）云計算。物聯(lián)網(wǎng)具有實時感應、高度并發(fā)、海量數(shù)據(jù)、自主協(xié)同和涌現(xiàn)效應等特征。中國移動總裁王建宙提出，物聯(lián)網(wǎng)的一大特征是智能處理，利用云計算等智能計算技術，對海量的數(shù)據(jù)和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制，具有可行性和必然性。云計算中心對接入網(wǎng)絡的終端的普適性，最終解決了物聯(lián)網(wǎng)的M2M應用的廣泛性。當前階段中科院計算所提出了以服務為核心的cSi(client-Service-infrastructure）體系結構。

（4）人機交互。人機交互（Human-Computer Interaction）泛指與應用程序相連的各種設備與人的反饋，是研究人、計算機以及它們間相互影響的技術。目前人機計算領域的研究熱點包括：自然、高效、無障礙的多通道交互技術；新的交互設備、智能技術、交互軟件和平臺；無縫的不同網(wǎng)絡互聯(lián)；以認知科學為基礎的交互模型和設計方法；上下文感知的計算模型。

（四）安全與隱私問題

安全性和隱私問題是貫穿于整個物聯(lián)網(wǎng)體系中的關鍵性問題，涉及到物聯(lián)網(wǎng)應用領域的各個方面。在感知層的RFID系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡中，都需要考慮安全隱私問題；在網(wǎng)絡層，要考慮標識符管理、反嗅探、數(shù)據(jù)偽造等；在應用層，進行海量數(shù)據(jù)挖掘時也要考慮到隱私保護問題。

TP393

A

1009-9530（2012）03-0039-03

2011-11-28

黃兵(1970-)，男，安徽工貿職業(yè)技術學院講師。