淺談物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

鐘方偉++周平++馬斌

摘要：該文主要闡述國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的情況；然后分析了物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)；最后總結(jié)現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的特征。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID；物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）30-0279-02

Analysis of the Development and Application of the Key Technologies of Internet of Things

ZHONG Fang-wei1， ZHOU Ping1， MA Bin2

（Xinjiang Informaition Industry Co.，Ltd， Urumqi 830026， China）

Abstract： This paper mainly expounds the development and application of technology related to Internet of things in China and abroad， and then analyzes the key technologies of Internet of things. Finally， it summarizes the characteristics of the development of Internet of things at this stage.

Key words： Internet of Things； Platform； OS

1 背景

物聯(lián)網(wǎng)作為信息通信技術(shù)的典型代表，在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)加速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。不同行業(yè)和不同類(lèi)型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及和逐漸成熟推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)的新時(shí)代，可穿戴設(shè)備、智能家電、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、智能機(jī)器人等，數(shù)以百億計(jì)的新設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)。萬(wàn)物互聯(lián)在推動(dòng)海量設(shè)備接入的同時(shí)，將在網(wǎng)絡(luò)中形成海量數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)價(jià)值的發(fā)掘?qū)⑦M(jìn)一步推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)，促進(jìn)生產(chǎn)生活和社會(huì)管理方式不斷向智能化、精細(xì)化、網(wǎng)絡(luò)化方向轉(zhuǎn)變。

研究物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

全球物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)明顯，萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代開(kāi)啟。當(dāng)今時(shí)代，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在孕育興起，信息通信技術(shù)以前所未有的速度轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，深刻改變著全球經(jīng)濟(jì)格局、利益格局、安全格局。物聯(lián)網(wǎng)作為信息通信技術(shù)的典型代表，在全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)加速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

在傳統(tǒng)行業(yè)智能化升級(jí)過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)正從淺層次的工具和產(chǎn)品深化為重塑生產(chǎn)組織方式的基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵要素。在工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)，工業(yè)傳感感知、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)等成為新型工業(yè)技術(shù)體系中不必可少的能力，其重要性不斷凸顯。在工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，越來(lái)越多的企業(yè)認(rèn)識(shí)到物聯(lián)網(wǎng)的通用性和重要性，也使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能力在工業(yè)技術(shù)體系中的位置正在不斷“下沉”，成為轉(zhuǎn)型升級(jí)所需的基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵要素。

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品在工業(yè)領(lǐng)域主要應(yīng)用在以下兩個(gè)方面：一是基于工廠內(nèi)部的傳感器實(shí)現(xiàn)的智能化生產(chǎn)。通過(guò)在生產(chǎn)線上裝配傳感器和通信模塊，動(dòng)態(tài)感知設(shè)施、材料、人員的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的智能決策和動(dòng)態(tài)優(yōu)化，顯著提升全流程生產(chǎn)效率、提高質(zhì)量、降低成本。例如海爾公司通過(guò)在自動(dòng)流水線上的托盤(pán)和關(guān)鍵位置安裝RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器，采集產(chǎn)品位置信息，打通從 PLC、WMS、MES 到 ERP 的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品配件生產(chǎn)的智能決策。二是實(shí)現(xiàn)服務(wù)化轉(zhuǎn)型。利用傳感器獲得的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合平臺(tái)側(cè)的大數(shù)據(jù)分析、建模與仿真等技術(shù)，提供預(yù)測(cè)性維護(hù)、性能優(yōu)化等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型。其中GE 公司通過(guò) Predix 平臺(tái)提供的一系列服務(wù)是這類(lèi)應(yīng)用的典型代表。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 平臺(tái)支撐能力

從功能框架來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)從底層到上層分別提供設(shè)備管理、連接管理、應(yīng)用使能和業(yè)務(wù)分析等主要功能。平臺(tái)匯聚海量端設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，利用大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)挖掘潛在價(jià)值，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)形成“數(shù)據(jù)衍生創(chuàng)新服務(wù)”的新業(yè)態(tài)，基于平臺(tái)提供遠(yuǎn)程故障診斷、生命周期管理等增值服務(wù)等，豐富服務(wù)內(nèi)容。利用共性能力覆蓋垂直行業(yè)，平臺(tái)整合不同行業(yè)分散的信息、用戶、設(shè)施等資源及外部的開(kāi)發(fā)資源，利用通用功能和接口開(kāi)發(fā)適用不同行業(yè)的應(yīng)用，降低投入成本，提升開(kāi)發(fā)效率，并實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨領(lǐng)域資源互通，推動(dòng)大規(guī)模開(kāi)環(huán)應(yīng)用的發(fā)展。推動(dòng)服務(wù)模式轉(zhuǎn)變。平臺(tái)吸引設(shè)備供應(yīng)商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)集成商、應(yīng)用開(kāi)發(fā)商等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)形成互利共贏的生態(tài)圈，既可以滿足用戶多樣化需求，也能夠利用快速迭代的開(kāi)發(fā)模式短時(shí)間響應(yīng)行業(yè)用戶的特定需求，實(shí)現(xiàn)向集成服務(wù)模式轉(zhuǎn)變。

3.2 連接能力

短距離技術(shù)與低功率廣域網(wǎng)的發(fā)展顯著提升物聯(lián)網(wǎng)的泛在連接能力。

1） LPWAN 在全球成為發(fā)展熱點(diǎn)，企業(yè)采取多種方式提供物聯(lián)網(wǎng)連接能力。

全球范圍內(nèi)廣域網(wǎng)連接技術(shù)出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，并形成了以 LPWAN 為核心的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)體系。目前全球范圍內(nèi)，面向物聯(lián)網(wǎng)的 LPWAN 技術(shù)可分為兩類(lèi)：一是授權(quán)頻段的廣域網(wǎng)技術(shù)，以3GPP 定義的 NB-IoT、LTE 演進(jìn)技術(shù) eMTC 等為代表；另一類(lèi)是非授權(quán)頻段的廣域網(wǎng)技術(shù)，包括 LoRa、PRMA、Sigfox 等技術(shù)。不同類(lèi)別的LPWAN 技術(shù)的主導(dǎo)方、部署方式、服務(wù)模式均存在差異。

2） 兩大模式推動(dòng)短距離連接能力發(fā)展，應(yīng)用框架加速整合

兩大核心構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)短距離連接服務(wù)。底層短距離通信協(xié)議和應(yīng)用框架成為短距離連接服務(wù)能力的兩大構(gòu)建核心。目前底層短距離通信協(xié)議連接生態(tài)封閉與開(kāi)放模式并存發(fā)展，其中以 Z-wave 聯(lián)盟為代表的單一短距離連接協(xié)議為核心的封閉模式因具備互聯(lián)產(chǎn)業(yè)的先天優(yōu)勢(shì)，發(fā)展較為迅猛，已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)影響力；而以 Zigbee 聯(lián)盟為代表的不同短距離協(xié)議兼容為核心的開(kāi)放模式也在逐步發(fā)力，以更加開(kāi)放的姿態(tài)打造互聯(lián)互通，未來(lái)有望成為引領(lǐng)全球短距離連接服務(wù)的重要方式。應(yīng)用協(xié)議框架連接生態(tài)初期由英特爾、高通、微軟、通用等巨頭領(lǐng)銜并分頭推進(jìn)。endprint

3.3 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)面向可伸縮、互通性實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)兩種技術(shù)路徑，一是由智能手機(jī)操作系統(tǒng)剪裁而來(lái)，具備較強(qiáng)的應(yīng)用能力，同時(shí)獲得智能手機(jī)生態(tài)的強(qiáng)大支持，如蘋(píng)果的 WatchOS、安卓的 Android Wear 目前在智能可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的份額已突破 70%；該路線的缺點(diǎn)是很難保證對(duì)底層應(yīng)用的最優(yōu)化，也難以兼顧多種應(yīng)用場(chǎng)景。二是針對(duì)傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行功能優(yōu)化，直接針對(duì)底層硬件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，擁有更高的可靠性和更強(qiáng)的性能表現(xiàn)。如 ARM 的 mbed、華為的 LiteOS、ThingSquare 的Contiki 等；但這種技術(shù)路線需要打造全新的應(yīng)用生態(tài)體系，面臨多方面的挑戰(zhàn)。

目前物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)為解決應(yīng)用碎片化問(wèn)題以及各類(lèi)應(yīng)用差異化發(fā)展需求，操作系統(tǒng)軟件架構(gòu)趨于一致，側(cè)重實(shí)現(xiàn)伸縮性、互通性和可靠性。技術(shù)架構(gòu)均由內(nèi)核、外圍模塊、協(xié)同框架、智能引擎、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等組成，且具備物聯(lián)網(wǎng)獨(dú)有特點(diǎn)。內(nèi)核更具彈性，輕量級(jí)內(nèi)核保留任務(wù)調(diào)度和通信功能，重量級(jí)內(nèi)核通過(guò)重新編譯和二進(jìn)制模塊選擇加載線程調(diào)度、內(nèi)存管理、本地存儲(chǔ)等所需應(yīng)用。外圍功能模塊注重可伸縮性，將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等功能組件從內(nèi)核中獨(dú)立出來(lái)，并根據(jù)設(shè)備具體功能按需保留。此外，協(xié)同框架主要面向設(shè)備互聯(lián)提供云端接口或云應(yīng)用引擎；智能公共引擎則面向人工智能，提供語(yǔ)義識(shí)別，機(jī)器學(xué)習(xí)等接口。

未來(lái)由于可穿戴、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等物聯(lián)網(wǎng)終端形態(tài)功能各異，需針對(duì)不同終端進(jìn)行多次開(kāi)發(fā)，為提高應(yīng)用開(kāi)發(fā)效率，需要從操作系統(tǒng)入手解決跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)難題或需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行融合。

3.4 芯片智能化

物聯(lián)網(wǎng) MCU（微控制單元，Microcontroller Unit） 加速向高性能、低功耗、高集成度、智能化方向發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，對(duì)傳感器智能化、軟件算法上的要求也更高，單一功能的傳感器已經(jīng)不能滿足客戶的差異化需求。對(duì)終端芯片的計(jì)算、處理和傳輸能力提出了越來(lái)越高的要求，相關(guān)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境可以向下兼容，以提供更具彈性的開(kāi)發(fā)空間。物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的爆發(fā)式增長(zhǎng)促使人們關(guān)注設(shè)備的功耗和續(xù)航時(shí)間。芯片的長(zhǎng)供電，及遠(yuǎn)續(xù)航要求，對(duì) MCU 的功耗提出了非?？量痰囊?。SoC（系統(tǒng)級(jí)芯片，System on Chip）已成為集成電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，正向物聯(lián)網(wǎng)芯片領(lǐng)域滲透，高集成度的 MCU+成為趨勢(shì)。傳統(tǒng)分立無(wú)線通信芯片外掛 MCU的方案已被淘汰，各大設(shè)計(jì)廠商開(kāi)始將無(wú)線通信和 MCU 集成在一起，減少芯片面積，同時(shí)降低芯片價(jià)格。隨著 SoC 和 SiP 技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)傳感器、MCU 和無(wú)線模塊的單芯片集成的 MCU+方案正逐漸成為趨勢(shì)。

傳感器已經(jīng)從簡(jiǎn)單功能的分立器件生產(chǎn)制造不斷向高精度，自帶算法模型的智能化、模塊化的傳感器系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品集成制造發(fā)展，傳感器產(chǎn)品的價(jià)值不斷由硬件向軟件算法和應(yīng)用遷移，傳感器的功能也在不斷由“察覺(jué)與度量”向“詮釋”轉(zhuǎn)變。傳感器已經(jīng)進(jìn)入集傳感、智能與系統(tǒng)為一體的解決方案時(shí)代。

3.5 安全技術(shù)

由于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分布廣，數(shù)量多，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限，無(wú)法應(yīng)用常規(guī)的安全防護(hù)手段，使得物聯(lián)網(wǎng)的安全性相對(duì)脆弱。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在工業(yè)、能源、電力、交通等國(guó)家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)行業(yè)，一旦發(fā)生安全問(wèn)題，將造成難以估量的損失。因此需要從安全認(rèn)證、訪問(wèn)控制、身份管理、敏感數(shù)據(jù)保護(hù)、信用管理等方面進(jìn)行安全技術(shù)考慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展在經(jīng)歷概念驅(qū)動(dòng)、示范應(yīng)用引領(lǐng)之后，技術(shù)的顯著進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)的逐步成熟推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進(jìn)入新的階段。主要體現(xiàn)出以下特征：

平臺(tái)化服務(wù)。利用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)打破垂直行業(yè)的“應(yīng)用孤島”，促進(jìn)大規(guī)模開(kāi)環(huán)應(yīng)用的發(fā)展，形成新的業(yè)態(tài)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的增值化。同時(shí)利用平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的匯聚，在平臺(tái)上挖掘物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)價(jià)值，衍生新的應(yīng)用類(lèi)型和應(yīng)用模式。

泛在化連接。廣域網(wǎng)和短距離通信技術(shù)的不斷應(yīng)用推動(dòng)更多的傳感器設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，為物聯(lián)網(wǎng)提供大范圍、大規(guī)模的連接能力，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與動(dòng)態(tài)處理。在梅特卡夫定律的作用下，泛在化連接將不斷增大物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)價(jià)值。

智能化終端。物聯(lián)網(wǎng)端系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是傳感器等底層設(shè)備自身向著智能化的方向發(fā)展，另一方面通過(guò)引入物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)等軟件，降低底層面向異構(gòu)硬件開(kāi)發(fā)的難度，支持不同設(shè)備之間的本地化協(xié)同，并實(shí)現(xiàn)面向多應(yīng)用場(chǎng)景的靈活配置。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王凌強(qiáng). 淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用[J]. 信息通信， 2011（2）：110-111.

[2] 凌敏. 淺談物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及計(jì)算機(jī)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用[J]. 無(wú)線互聯(lián)科技， 2015（24）：56-57.

[3] 錢(qián)鈺. 淺析物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及其計(jì)算機(jī)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2015（10）：89-89.

[4] 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）：81-85.

[5] 王保云. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)， 2009， 23（12）：1-7.endprint