物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究

李明 陳龍文

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的前沿技術(shù)，它的出現(xiàn)將掀起一次新的科技革命。物聯(lián)網(wǎng)的目的是實現(xiàn)萬物的互聯(lián)，以識別、管理和控制。本文著重介紹了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的歷程、體系結(jié)構(gòu)和用到的關(guān)鍵技術(shù)并對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用作了簡介。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)感知；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；云計算

1 物聯(lián)網(wǎng)簡介

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是指通過各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目是實現(xiàn)對“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮堋⒖?、營”一體化。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間進(jìn)行信息交換和通訊。

2 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成

物聯(lián)網(wǎng)是融合了傳感器、計算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、半導(dǎo)技術(shù)的物與物之間的互聯(lián)通信。從技術(shù)支撐角度來說，它叫傳感網(wǎng)。在整個大網(wǎng)絡(luò)的范疇中，物聯(lián)網(wǎng)包含了傳感網(wǎng)，而傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個網(wǎng)絡(luò)模型，與物聯(lián)網(wǎng)一起完成各種事物間的相互通信，如在民用的車速監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測中，物聯(lián)網(wǎng)依靠傳感網(wǎng)實現(xiàn)對信息的檢查以及對事物的監(jiān)控。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)的流向及處理方式，物聯(lián)網(wǎng)可分為三個層次：即網(wǎng)絡(luò)感知層、傳輸網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用服務(wù)層。

2.1 感知層

感知層由數(shù)據(jù)采集子層、短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層組成。數(shù)據(jù)采集子層通過各種類型的傳感器獲取物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)信息，例如各種物理量、標(biāo)識、音頻和視頻多媒體數(shù)據(jù)。短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層將采集到的數(shù)據(jù)在局部范圍內(nèi)進(jìn)行協(xié)同處理，以提高信息的精度，降低信息冗余度。感知層中間件技術(shù)旨在解決感知層數(shù)據(jù)與多種應(yīng)用平臺間的兼容性問題，包括代碼管理、服務(wù)管理、狀態(tài)管理、設(shè)備管理、時間同步、定位等。在有些應(yīng)用中還需要通過執(zhí)行器或其他智能終端對感知結(jié)果做出反應(yīng)，實現(xiàn)智能控制。感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體，采集信息的來源，其主要功能是完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制功能，還包括數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)關(guān)之前的傳感器網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器采集數(shù)據(jù)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的向上傳輸。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。網(wǎng)絡(luò)層可以細(xì)分為承載網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用控制層，其中由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的承載網(wǎng)絡(luò)是業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)應(yīng)用需求，可作為透明傳送的網(wǎng)絡(luò)層，也可升級以滿足未來不同內(nèi)容傳輸?shù)囊蟆＝?jīng)過十余年的快速發(fā)展，移動通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)已比較成熟，基本能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

2.3 應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用服務(wù)層由各種服務(wù)器組成，主要功能包括對采集數(shù)據(jù)的匯集、轉(zhuǎn)換、分析，以及用戶層呈現(xiàn)的適配和事件的觸發(fā)等。針對不同的應(yīng)用，將設(shè)置不同的應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)層主要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專業(yè)系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)廣泛的物物互聯(lián)的應(yīng)用解決方案，主要包括業(yè)務(wù)中間件和行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。其中，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)支撐子層用于支撐跨行業(yè)、 跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享、互通的功能。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)子層包括智能交通、 智能醫(yī)療、智能家居、智能物流、智能電力等行業(yè)應(yīng)用。

3 物聯(lián)網(wǎng)的部分網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器到機(jī)器、人到機(jī)器和機(jī)器到人的信息傳輸中，有多種通信技術(shù)可供選擇，他們主要分為有線和無線兩大類技術(shù)，這些技術(shù)均已相對成熟。在物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)中，格外重要的是無線傳感網(wǎng)技術(shù)。無線傳感網(wǎng)（WSN）是集分布式信息采集、傳輸和處理技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，以其低成本、微型化、低功耗和靈活的組網(wǎng)方式、鋪設(shè)方式以及適合移動目標(biāo)等特點受到廣泛重視。物聯(lián)網(wǎng)正是通過遍布在各個角落和物體上的形形色色的傳感器以及由它們組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，來感知整個物質(zhì)世界的。

根據(jù)目前物聯(lián)網(wǎng)所涵蓋的概念，其工作范圍可以分成兩大塊：一塊是體積小、能量低、存儲容量小、運(yùn)算能力弱的智能小物體的互聯(lián)，即傳感網(wǎng)；另一塊是沒有上述約束的智能終端的互聯(lián)，如智能家電、視頻監(jiān)控等。對于智能小物體網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)目前有兩項：一是基于Zig Bee聯(lián)盟開發(fā)的Zig Bee協(xié)議進(jìn)行傳感器節(jié)點或者其他智能物體的互聯(lián)；另一技術(shù)是IPSO聯(lián)盟所倡導(dǎo)的通過IP實現(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)點或者其他智能物體的互聯(lián)。Zig Bee技術(shù)是基于底層IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，用于短距離范圍、低傳輸數(shù)據(jù)速率的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)，它定義了網(wǎng)絡(luò)/安全層和應(yīng)用層。Zig Bee技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)體系已相對成熟，并已形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

4 物聯(lián)網(wǎng)與云計算

隨著互聯(lián)網(wǎng)時代信息與數(shù)據(jù)的快速增長，有大規(guī)模、海量的數(shù)據(jù)需要處理。當(dāng)數(shù)據(jù)計算量超出自身IT架構(gòu)的計算能力時，一般是通過加大系統(tǒng)硬件投入來實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。另外，由于傳統(tǒng)并行編程模型應(yīng)用的局限性，客觀上還需要一種易學(xué)習(xí)、使用、部署的并行編程框架來處理海量數(shù)據(jù)。為了節(jié)省成本和實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴(kuò)放性，云計算的概念因此應(yīng)運(yùn)而生。云計算最基本的概念是通過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計算處理程序自動分拆成無數(shù)個較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)處理。通過云計算技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在數(shù)秒之內(nèi)，處理數(shù)以千萬計甚至億計的信息，提供與超級計算機(jī)同樣強(qiáng)大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。云計算作為一種能夠滿足海量數(shù)據(jù)處理需求的計算模型，將成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石。

5 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、老人護(hù)理、個人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中，具體地說，就是把傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合，在這個整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在能力超級強(qiáng)大的中心計算機(jī)群，能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實施實時的管理和控制，在此基礎(chǔ)上，人類可以以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。科技創(chuàng)新改變生活，物聯(lián)網(wǎng)以及延伸的人工智能必將為未來帶來自便利的美好生活。

6 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展及其蘊(yùn)藏的智能信息服務(wù)空間預(yù)示著新的變革的到來。物聯(lián)網(wǎng)帶動的不僅僅是技術(shù)進(jìn)步，而是通過應(yīng)用創(chuàng)新進(jìn)一步帶動社會經(jīng)濟(jì)形態(tài)、創(chuàng)新形態(tài)的變革。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈將創(chuàng)造巨大的產(chǎn)值，成為后3G時代最大的市場熱點。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵可知，要真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)需要感知、傳輸、控制及智能等多項技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的研究將帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈或者說推動產(chǎn)業(yè)鏈的共同發(fā)展。信息感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)、云計算等技術(shù)的研究與應(yīng)用，將直接影響物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用，只有綜合研究解決了這些關(guān)鍵技術(shù)問題，物聯(lián)網(wǎng)才能得到快速推廣，造福于人類社會，實現(xiàn)智慧地球的美好愿望。

參考文獻(xiàn)

[1]楊剛，沈沛意，鄭春紅等.物聯(lián)網(wǎng)理論與技術(shù).科學(xué)出版社，2010

[2]云計算應(yīng)用直通車.重慶大學(xué)出版社，2010

作者簡介

李明（1978-）女，工程師，本科，籍貫：天津，研究方向：計算機(jī)。