物聯(lián)網技術研究現狀及其體系結構分析

唐 琳

（赤峰學院 計算機與信息工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

2009年，物聯(lián)網在我國迅速升溫，物聯(lián)網概念亦不斷演進，傳感器技術、通信技術、無線技術、網絡技術等共同構成了智慧物聯(lián)網絡.從普適計算思想到智慧地球構想，物聯(lián)網概念越發(fā)清晰，逐步由概念模型向實踐應用推進.隨著物聯(lián)網技術的深入研發(fā)，亞里士多德的名句“給我一個支點我可以撬起地球”也被更新為“給我一個物聯(lián)網我能感知地球”.在物聯(lián)網的構建中主要遵循以下三個原則：一是可以全天候實時自動進行大范圍的全面感知；二是通過通信網絡與互聯(lián)網等異構網絡融合進行信息的可靠有效傳遞；三是利用云計算、模糊識別等智能計算技術進行海量數據的智能處理，最終實現對物體的智能控制.以上三點也是物聯(lián)網所具備的典型特征，由此所聯(lián)動的物聯(lián)網技術也層出不窮.

雖然物聯(lián)網是一個全新產業(yè)，但我國對其技術研發(fā)和產業(yè)化水平并未落后于其他國家，龐大的市場空間優(yōu)勢讓我國在一定程度上掌握了主動權并擁有了物聯(lián)網世界的話語權.當前由政府主導、產學研企相結合共同推進物聯(lián)網發(fā)展的良好態(tài)勢正在國內形成，物聯(lián)網產業(yè)鏈市場規(guī)模逐漸擴大，物聯(lián)網用途日益寬泛.以上都對我國物聯(lián)網發(fā)展在更深、更廣的基礎上提出了更高的技術要求.

1 國際物聯(lián)網技術研究現狀

全球針對物聯(lián)網的研究和應用尚處于起步階段，對物聯(lián)網概念和特征的認知可謂百家爭鳴，并沒有形成統(tǒng)一共識，尤其是物聯(lián)網的體系結構沒有標準模型，對物聯(lián)網的研發(fā)屬于起步期到發(fā)展期的試探性過渡，在基礎研究領域以及技術開發(fā)上仍存在諸多挑戰(zhàn).很大一部分業(yè)界人士普遍認為，物聯(lián)網的產生在一定程度上取決于傳感網的發(fā)展，更有人將物聯(lián)網定義為傳感網的延伸和發(fā)展.伴隨著信息處理技術、微處理器和計算機技術的高速發(fā)展，傳感器的開發(fā)和應用應時而出并且發(fā)展勢頭強勁.美國早在20世紀80年代就宣布世界進入傳感器時代，而傳感網的研究起步于20世紀90年代末，早期主要用于采集戰(zhàn)場信息.進入21世紀傳感網受到各界廣泛關注，歐美各國相繼啟動無線傳感網研究計劃，并投入巨資支持傳感網研究.2002年美國NSF、DARPA、NASA等12個研究機構專門召開“未來傳感系統(tǒng)”國家級研討會，隨后，加利福尼亞州大學伯克利分校成立了多個無線傳感網絡研究實驗室，國外各大知名企業(yè)也相繼開展了無線傳感網絡研究.

在傳感網走向商業(yè)化發(fā)展道路的同時，“物聯(lián)網”這一概念如璀璨明星一般迅速升起，世界各國先后提出了以物聯(lián)網為核心的發(fā)展戰(zhàn)略，物聯(lián)網研究進入了高速增長階段.然而在物聯(lián)網技術研究快速增長的同時，物聯(lián)網發(fā)展仍然受到統(tǒng)一標準缺失的限制.一些國際公司和組織正在抓緊制定的M2M國際數據標準（一種基于XML的M2M行業(yè)應用設備和應用平臺的數據標準）影響力微弱，導致采用不同數據標準的軟硬件設備兼容性不強.物聯(lián)網其他標準仍以各企業(yè)自行設計為主，不同企業(yè)因其M2M系統(tǒng)結構不同，從而采用的設備也不盡相同，由此導致設備間接口標準無法統(tǒng)一.目前M2M應用也缺少專門的達到行業(yè)標準程度的安全標準，進而導致物聯(lián)網安全問題的重要性日益突出.如今，物聯(lián)網技術研究正在由基于RFID應用的單體互聯(lián)階段向基于無線傳感網絡的物體互聯(lián)階段演進.

2 中國物聯(lián)網技術研究現狀

我國早在1999年就已啟動物聯(lián)網核心傳感網技術研究，研究水平已處于世界前列，現已成為世界傳感網領域標準主導國之一，專利研究成果豐富，同時也是世界上少數幾個能夠實現物聯(lián)網完整產業(yè)鏈的國家之一.無線通信網絡和寬帶覆蓋率也足夠為物聯(lián)網發(fā)展提供堅實的基礎設施支持，作為世界第三大經濟體，國家支持物聯(lián)網發(fā)展的經濟實力也較為雄厚，以上這些都為我國物聯(lián)網的迅速崛起創(chuàng)造了良好的優(yōu)勢.

但是，在一片大好的形勢下我們也不能盲目樂觀，據物聯(lián)網產業(yè)界權威雜志M2MMagazine2009年統(tǒng)計結果顯示，全球物聯(lián)網發(fā)展100強企業(yè)中81個在北美，18個在歐洲，而亞太地區(qū)僅有一個且還不在中國，即使我國最大的物聯(lián)網公司也沒有達到上億規(guī)模.因此，物聯(lián)網在我國發(fā)展速度雖然很快，但是同其他發(fā)達國家相比，我國物聯(lián)網產業(yè)發(fā)展仍比較落后，具體表現為：①關鍵技術落后，如傳感器技術薄弱，超高頻RFID技術、嵌入式系統(tǒng)、基礎軟件、芯片技術及生產工藝等均落后于其他國家；②缺乏統(tǒng)一完善的標準體系，各種標準比較分散，標準組織之間協(xié)調性差；③物聯(lián)網領域整體規(guī)劃落后，政府推動力量不均衡，政策支持區(qū)域偏向性明顯，行業(yè)帶動性較差，導致規(guī)?；l(fā)展難以形成.

與以上不足相反，我國物聯(lián)網技術中，低/高頻RFID技術比較成熟，通信服務與通信制造基礎較強，中國移動將于2013年投資1800億建設18萬個4G信號基站，國家成立了傳感器網絡工作組、網絡技術工作組、物聯(lián)網標準聯(lián)合工作組等組織機構對物聯(lián)網標準組織進行協(xié)調統(tǒng)一，各地政府紛紛開展物聯(lián)網戰(zhàn)略發(fā)展調研為物聯(lián)網規(guī)劃及政策制定提供科學依據.

總之，我國物聯(lián)網技術研究仍處于起步階段，關鍵技術亟待創(chuàng)新和突破，核心技術更需進一步完善、延伸和拓展，物聯(lián)網應用和市場有待進一步發(fā)展，未來十年內我國物聯(lián)網技術及應用必將取得長足進步.

3 物聯(lián)網技術體系結構分析

目前我國物聯(lián)網普遍使用的是基于M2M體系的三層體系結構模型，從物聯(lián)網的體系結構研究中可以發(fā)現，雖然沒有統(tǒng)一的架構，但各個國家的體系結構都已形成，國際以及我國主流的物聯(lián)網體系架構都是以三層體系結構為模型，在此基礎上進一步演繹和深入最終形成統(tǒng)一的標準.在我國使用的三層體系結構模型中將物聯(lián)網分為感知層、網絡層及應用層三個層級.如同計算機網絡體系結構一樣，物聯(lián)網各層之間都有著自己所需的獨特的關鍵技術和核心技術，物聯(lián)網技術體系如圖1所示.

圖1 物聯(lián)網技術體系結構組成模型

在物聯(lián)網技術體系結構各層之間，信息并不是只進行單一方向傳遞，也有交互、控制、雙向互傳等，所傳遞的信息多種多樣，這其中關鍵是物品的信息，包括在特定應用系統(tǒng)范圍內能唯一標識物品的識別碼和物品的靜態(tài)與動態(tài)信息.此外，軟件、現場總線和集成電路技術也都是各層所需的關鍵技術.在圖1中所列的公共技術，并不屬于物聯(lián)網技術體系中的某個特定層面，而是與物聯(lián)網技術體系結構的三個層級都有聯(lián)系，它主要包括了應用業(yè)務需求、通信及計算合集網絡架構、標識與解析服務、物聯(lián)網安全技術、服務質量管理和網絡管理等.從技術體系來看，物聯(lián)網是一個極其先進的集綜合性和復合型為一體的系統(tǒng)工程，其最終目標是為單個事物建立全球的、開放的標識標準，并實現基于全球網絡連接的信息共享.物聯(lián)網在互聯(lián)網技術基礎上通過數據通信方式，構造一個多姿多彩的智能網絡.它是通過標準協(xié)議，靠自動識別技術，利用計算機及互聯(lián)網實現物體的自動識別和信息的互聯(lián)與共享.

4 物聯(lián)網關鍵技術群與核心技術群分類及分析

物聯(lián)網技術從體系結構上劃分，可以劃歸為感知層關鍵技術群、感知層核心技術群、網絡層關鍵技術群、網絡層核心技術群、應用層關鍵技術群、應用層核心技術群六大類別.從技術重要性及攻堅難度角度劃分，可以劃歸為物聯(lián)網關鍵技術群和物聯(lián)網核心技術群兩大類別.下文主要從物聯(lián)網技術體系結構三個層次六大技術群類別進行闡述.

感知層關鍵技術主要有物聯(lián)網編碼技術、檢測技術、中低速無線/有線短距離傳輸技術等.該層核心技術主要包括傳感器技術、射頻識別技術、微機電系統(tǒng)、嵌入式計算技術、全球定位技術、智能組網技術、無線通信技術、分布式信息處理技術等.

網絡層關鍵技術主要有物聯(lián)網名稱解析服務、物聯(lián)網信息發(fā)布服務、物聯(lián)網中間件、物聯(lián)網安全等.網絡層是遠距離有線/無線通信、計算機網絡、Ipv6、2G/3G/4G、Wi-Fi等通信技術的綜合運用.該層核心技術主要包括無線傳感器網絡技術、無線保真技術、通用分組無線服務、通信網、3G/4G網絡、GPRS網絡、廣電網絡、NGB廣域網路及三網融合技術等.

應用層關鍵技術主要有公共中間件、信息開放平臺、云計算、服務支撐平臺等.具體表現為：智能信息處理、信息融合、數據挖掘、海量數據科學數值計算及海量數據存儲等.該層核心技術主要集中在企業(yè)資源計劃及專家系統(tǒng)的設計與實現，具體表現在物聯(lián)網技術在各行業(yè)領域應用中所需的實際操作標準和協(xié)議，在不同的應用平臺，所需攻堅的技術難題亦不相同.在各類物聯(lián)網應用領域都會產生各種物聯(lián)網應用技術：如風力發(fā)電、現代物流、現代農業(yè)、現代化工業(yè)等產業(yè)中的物聯(lián)網技術應用，因其針對面向不一而呈現出千姿百態(tài)的形式，其表現與特征也存有很大的差別.

5 結論

從上述分析并結合技術體系圖1可以看出，物聯(lián)網各層間的關鍵技術群與核心技術群并非是獨立存在只服務于本層功能的.各層級技術之間既相互獨立又緊密聯(lián)系，并在一定程度上可以互通使用、越層調用，比如感知層、網絡層、應用層三層中都需要用到中間件技術，只是因網絡形態(tài)差異而在中間件實際工作表征上有所差別，其根本依賴的仍然都是最基本的中間件技術.再比如智能信息處理技術，在感知層及應用層中都有涉及.此外，有線/無線傳輸技術、組網技術等在感知層和網絡層中都是必不可少的核心技術.由此可見，物聯(lián)網技術體系中各層之間技術交叉性很強，技術重疊現象很多，這就要求物聯(lián)網標準必須完整和統(tǒng)一，以適應物聯(lián)網多種技術融合后通用性要求極高的軟硬件兼容性.

〔1〕王毅.物聯(lián)網技術及應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

〔2〕彭揚，蔣長兵.物聯(lián)網技術與應用基礎[M].北京：中國物資出版社，2011.

〔3〕唐琳.戰(zhàn)略新興產業(yè)—物聯(lián)網的產生及發(fā)展[J].赤峰學院學報，2011，27（3）：30-32.

〔4〕唐琳.戰(zhàn)略性新興產業(yè)—物聯(lián)網概念探究[J].才智，2012（5）：30-31.

〔5〕唐琳.物聯(lián)網體系結構與組成模型研究[J].赤峰學院學報，2013（1）：25-27.