物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)研究

廣州華立科技職業(yè)學(xué)院 利桂梅

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)研究

廣州華立科技職業(yè)學(xué)院 利桂梅

本文以物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，介紹了物聯(lián)網(wǎng)的概念和特征，分析了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)中的RFID技術(shù)， 重點(diǎn)介紹了基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)組成及其工作原理，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，最后重點(diǎn)分析了物聯(lián)網(wǎng)存在的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、價(jià)格高昂、信息安全及數(shù)據(jù)處理等方面問題。

物聯(lián)網(wǎng) 關(guān)鍵技術(shù) RFID 體系結(jié)構(gòu)

1　物聯(lián)網(wǎng)的概念及關(guān)鍵技術(shù)

1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)、紅外感應(yīng)技術(shù)及無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，采集物品信息(如生產(chǎn)信息、包裝信息、位置信息等)，利用互聯(lián)網(wǎng)或無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，由后臺(tái)數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)處理中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)物品的互聯(lián)互通、識(shí)別、定位、跟蹤、查詢等管理。因此，物聯(lián)網(wǎng)是基于“物物互聯(lián)”的網(wǎng)絡(luò)，物品之間能夠?qū)崿F(xiàn)智能化信息交換和共享。

物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)特征主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是互聯(lián)網(wǎng)特征，物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心仍是互聯(lián)網(wǎng)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)物品互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)；二是識(shí)別與通信特征，物聯(lián)網(wǎng)一定要具備自動(dòng)識(shí)別與通信功能，利用射頻識(shí)別技術(shù)、紅外感應(yīng)技術(shù)采集物品信息，利用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品信息的傳遞和通信；三是智能化特征，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)[1]。

1.2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)主要有射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。RFID技術(shù)主要是標(biāo)記和識(shí)別目標(biāo)物體；傳感器技術(shù)作為“感覺器官”，主要是采集和提供原始數(shù)據(jù)信息；無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)負(fù)責(zé)傳輸和處理各種數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的傳遞和共享。作為物聯(lián)網(wǎng)上游技術(shù)之一的射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的重要前提和保證。各國(guó)政府及世界零售業(yè)巨頭(如沃爾瑪)投入巨資推動(dòng)RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的快速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)也是基于RFID技術(shù)的傳感網(wǎng)，下面重點(diǎn)介紹RFID的組成及工作原理。

RFID技術(shù)是利用射頻信號(hào)通過空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的技術(shù)。它是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息采集處理技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信技術(shù)等綜合應(yīng)用為一體的技術(shù)。RFID技術(shù)無需人工干預(yù)，不需要直接接觸，不需要光學(xué)可視化即可完成信息輸入和處理，可工作于各種惡劣環(huán)境，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便，實(shí)現(xiàn)了無源和免接觸操作。RFID技術(shù)作為快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)，在生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個(gè)行業(yè)有著廣闊的應(yīng)用前景[2]。

一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀寫器、天線、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)等組成。

(1)電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，附著在物體上以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。電子標(biāo)簽一般分為有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽，有源標(biāo)簽為主動(dòng)式標(biāo)簽，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，但使用壽命受到限制；無源標(biāo)簽為被動(dòng)式標(biāo)簽，識(shí)讀距離近，可永久使用。(2)讀寫器。讀寫器是射頻識(shí)別系統(tǒng)的重要組成部分，一般用于對(duì)電子標(biāo)簽存儲(chǔ)信息進(jìn)行讀或?qū)懙牟僮?。通過射頻信號(hào)采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)再進(jìn)行處理。(3)天線。天線在電子標(biāo)簽和讀寫器的數(shù)據(jù)通信過程中起關(guān)鍵作用，是電子標(biāo)簽與讀寫器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收裝置。(4)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)在射頻識(shí)別系統(tǒng)中通常用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，完成數(shù)據(jù)通信和傳輸功能。讀寫器可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)連接，以便實(shí)現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸功能。

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)質(zhì)就是利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)物品自動(dòng)識(shí)別和信息處理。RFID系統(tǒng)工作時(shí)，電子標(biāo)簽存儲(chǔ)著物品詳細(xì)信息，電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器范圍時(shí)，讀寫器可無接觸地讀取并識(shí)別電子標(biāo)簽中所保存的物品電子數(shù)據(jù)信息，然后通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息傳輸至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，通過儲(chǔ)存物品信息的中央信息系統(tǒng)處理，可以實(shí)現(xiàn)物品的識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控等管理，最后根據(jù)不同需要進(jìn)行物品信息的查詢和應(yīng)用。

2　物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)總體上劃分為三個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，利用各種感知手段和設(shè)備(如RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)等)隨時(shí)采集物品信息，將物品信息最大程度數(shù)據(jù)化；網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)信息傳遞的可靠保證，通過無線網(wǎng)絡(luò)通信與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，將感知層采集的數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行傳遞和通信；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施智能處理和控制的結(jié)果，利用現(xiàn)代化智能技術(shù)和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫處理中心，將網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行整理、加工、分析和處理，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化控制[3]。物聯(lián)網(wǎng)通過各種技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)物品之間的全面感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸和實(shí)際應(yīng)用。

3　物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展存在的問題

3.1標(biāo)準(zhǔn)問題

目前物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要問題之一就是標(biāo)準(zhǔn)化問題，一是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括RFID電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息編碼規(guī)范、編碼方法等協(xié)議，電子標(biāo)簽與讀寫器接口協(xié)議，讀寫器與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，RFID工作頻段標(biāo)準(zhǔn)等；二是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)問題，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的保證，但是現(xiàn)階段各行業(yè)并沒有形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，由于世界各國(guó)存在不同標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)國(guó)家之間標(biāo)準(zhǔn)的制定，確定標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一化是物聯(lián)網(wǎng)急需解決的問題。

3.2價(jià)格問題

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用除了需要解決標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化問題之外，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一的RFID電子標(biāo)簽及其他組件的價(jià)格問題也值得考慮。物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是把所有物品都互聯(lián)互通，在所有物品內(nèi)附著可被標(biāo)記和識(shí)別的芯片，如果芯片的價(jià)格過高，那么很多低價(jià)格的物品將不會(huì)被植入芯片。因此，提高物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)水平，降低芯片及各組件價(jià)格將有力推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

3.3安全問題

物聯(lián)網(wǎng)面臨的又一難題是數(shù)據(jù)信息的安全保護(hù)工作。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息安全主要包括RFID電子標(biāo)簽信息安全、數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)傳輸安全、信息儲(chǔ)存處理安全等。對(duì)于RFID電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息無法進(jìn)行保密，存儲(chǔ)于電子標(biāo)簽上的信息就會(huì)被泄漏甚至被惡意篡改，在數(shù)據(jù)信息傳輸過程中也有可能被攔截，這些將會(huì)造成巨大的損失。因此，解決安全問題的途徑包括研究RFID電子標(biāo)簽加密防偽技術(shù)，加密技術(shù)可以防止標(biāo)簽信息泄漏或被篡改，再加上防偽技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的安全防護(hù)；使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的網(wǎng)絡(luò)通信；加強(qiáng)數(shù)據(jù)信息的訪問控制，實(shí)現(xiàn)信息儲(chǔ)存處理的安全等。在實(shí)際應(yīng)用特別是特殊領(lǐng)域的應(yīng)用過程中，如軍事物流領(lǐng)域、工業(yè)物流領(lǐng)域、智能交通控制領(lǐng)域等，需要保護(hù)數(shù)據(jù)信息的機(jī)密安全，防止電子標(biāo)簽信息的泄漏或被其他系統(tǒng)攻擊，確保數(shù)據(jù)信息安全準(zhǔn)確進(jìn)行傳輸和應(yīng)用[4]。

3.4數(shù)據(jù)管理平臺(tái)問題

真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用必須依靠強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，才能實(shí)現(xiàn)所有物品數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)和應(yīng)用。因此，需要建立具有強(qiáng)大存儲(chǔ)和處理能力的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，包括后臺(tái)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序、信息處理中心和監(jiān)控中心等。該平臺(tái)存儲(chǔ)RFID電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)RFID數(shù)據(jù)信息的讀寫操作，可以實(shí)現(xiàn)所有物品實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)查詢和監(jiān)控等。為了確保數(shù)據(jù)信息安全，必須設(shè)定不同用戶的訪問權(quán)限，數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密防偽處理，數(shù)據(jù)管理平臺(tái)統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證協(xié)議、數(shù)據(jù)交換接口、安全防護(hù)系統(tǒng)等。因此，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用必須強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的安全有效性，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確查詢和監(jiān)控。

4　結(jié)語

目前世界各國(guó)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用都處于一個(gè)積極探索和研究階段，證明物聯(lián)網(wǎng)具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。因此，重點(diǎn)研究物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，著力解決物聯(lián)網(wǎng)面臨的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、價(jià)格昂貴、數(shù)據(jù)信息安全等問題，這將會(huì)促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通。

[1] 李航，陳后金．物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用前景[J]．中國(guó)科技論壇，2011(1)．

[2] 羅春彬．RFID技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用綜述[J]．通信技術(shù)，2009(12)．

[3] 張捍東，朱林．物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011(5)．

[4] 李如年．基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)研究[J]．中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)：射頻綜合專題，2009，12(6)．

F201

A

2096-0298(2016)11(b)-149-02