物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術及相關應用的研究

劉雅琪

（唐山市第一中學，河北 唐山 063000）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是信息領域的又一次重要的發(fā)展機會，是新一代的智能互聯(lián)技術。物聯(lián)網(wǎng)以無線傳感器和RFID架構(gòu)為根基，經(jīng)過融合互聯(lián)網(wǎng)完成數(shù)據(jù)傳遞和共享，運用計算機技術來實現(xiàn)對相關信息的處理和決策。物聯(lián)網(wǎng)作為一種全新的技術，已經(jīng)引起各國人民和政府較高程度的重視。這一技術可以實現(xiàn)物與網(wǎng)絡在任何時間地點的連接，識別物體，監(jiān)控物體的狀態(tài)和位置，以便使解決方案智能化。智能家居、智能醫(yī)療、智能學校、智慧城市、智慧地球等各種概念也就隨之產(chǎn)生，物聯(lián)網(wǎng)技術不斷地創(chuàng)新和突破發(fā)展，也必將引起社會生活領域的變革。

1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)，英文名LOT（Internet of things），按照字面意思也就是由物體和物體相連構(gòu)成的網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)技術是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上發(fā)展而來的，可實現(xiàn)各種物-物間的互聯(lián)互通，它也是互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)這3種互聯(lián)網(wǎng)技術將是未來網(wǎng)絡技術發(fā)展的3個主要方向，引領互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展?，F(xiàn)在許多發(fā)達國家都將物聯(lián)網(wǎng)視為戰(zhàn)略性發(fā)展行業(yè)并予以高度重視。物聯(lián)網(wǎng)技術通過一些特定的設備，將采集到的各種數(shù)據(jù)和信號，轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C可辨識的數(shù)字信號，信號經(jīng)過專用的數(shù)據(jù)通道傳送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對采集到的信號數(shù)據(jù)進行分析和判斷，將超出控制范圍的數(shù)據(jù)再通過控制系統(tǒng)進行相應的調(diào)整，這樣不斷地進行收集、處理和調(diào)整，就使得整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時、動態(tài)、可控的運行，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術將使我們以后的工作和生活實現(xiàn)具有非常高的智能化。

物聯(lián)網(wǎng)這一概念在20世紀末美國的移動算和網(wǎng)絡國際會議上第一次被提出，在21世紀初期逐漸有了一定的應用，近些年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷應用和普及，這一技術也越來越受到我國及歐美等國家的高度重視。在我國，物聯(lián)網(wǎng)技術也得到了迅速的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在各種行業(yè)得到了普遍的應用，例如零售業(yè)、物流業(yè)等行業(yè)都在積極推廣和使用物聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)在新興的共享單車、共享汽車也是物聯(lián)網(wǎng)技術應用的成功典范。有專家根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展速度和前景預測，到2020年我們將進入智能時代，物聯(lián)網(wǎng)技術將應用于我們生產(chǎn)生活中的每一個角落。

2 物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術

2.1 傳感器

傳感器是一種能夠?qū)⒂綔y量或測量收集的量轉(zhuǎn)變成電信號的裝置。當所探測的目標發(fā)生改變時，傳感器很快就能反映出來，并且能夠立即發(fā)出信號，告知系統(tǒng)所探測目標狀態(tài)發(fā)生變化。

傳感器的組成主要是3部分，分別是敏感元器件、轉(zhuǎn)換部件和信號控制電路。其中，敏感元器件是對被測量部位狀態(tài)變化進行直接測量的元件；轉(zhuǎn)換元件是把敏感元件測量到的信號變化轉(zhuǎn)換成電量信號輸出；信號控制電路就是把轉(zhuǎn)換部件輸出的電量信號轉(zhuǎn)換為受控的電信號的電路。

傳感器的種類繁多，分類方法也有很多，常見分類見表1。

表1

除上述分類外，常見的傳感器還有壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等、光敏傳感器。傳感器是實現(xiàn)自動化的監(jiān)測和實現(xiàn)自動化控制的第一步。它在社會各行各業(yè)和人們的日常工作生活中都會有比較廣泛的使用，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防軍事、機器人、資源開發(fā)、海洋勘探、醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測、交通和家電等。雖然它只是物聯(lián)網(wǎng)的基礎的一小部分，但它如同眼睛和耳朵一樣進行感知，為物聯(lián)網(wǎng)獲取有關信息。

2.2 RFID技術

RFID與條碼掃描比較相似，條形碼技術主要是將已經(jīng)編好碼的條形碼標記在物體上，然后用專用的掃描器進行掃描，將條形碼上的信息讀取到掃描器中。RFID使用的是自己專用的讀寫器，在目標物上的標記也是專用的標簽，RFID利用頻率信號讀取專用標簽的內(nèi)容。

一個RFID系統(tǒng)主要是由閱讀設備、電子標簽、天線、應用程序組成。標簽由一個芯片、一個天線和一個載體構(gòu)成，每個RFID標簽都有自己的電子編碼，附著到待識別的目標物體上。閱讀器是RFID系統(tǒng)內(nèi)非常重要的一部分，是讀取/寫入目標物體上附著信息的設備，閱讀器可以是靜止的，也可以是移動的。天線需要安裝在RFID標簽和讀取器上，作用是傳輸這兩者之間的射頻信號。應用系統(tǒng)是處理閱讀器錄入數(shù)據(jù)的設備，在其上可以運行軟件系統(tǒng)。

RFID根據(jù)不同的分類方法可以進行不同的分類，見表2。

表2

和別的自動識別技術比較，RFID技術有許多優(yōu)點。它具有數(shù)據(jù)的讀寫功能，可讀可寫。產(chǎn)品體積小，形狀多樣，使用起來靈活高效。它具有很強的抗污能力和耐久性，在惡劣環(huán)境下也能讀取數(shù)據(jù)。它的電子數(shù)據(jù)可以反復地編寫和重用。它的存儲容量比較大，足以滿足承載更多信息的需要。此外，RFID技術具有保密性強、抗干擾性強和壽命長等優(yōu)點。

現(xiàn)在，RFID技術應用范圍非常廣闊，應用的領域也越來越廣泛，如管理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計、安全防護防偽技術、物流系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、交通運輸?shù)?。因此RFID技術也被認為是21世紀最重要的技術之一，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心技術。因此隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，RFID技術也必將得到快速的發(fā)展和更為廣闊的應用。

2.3 Zig Bee技術

ZigBee技術，中文名稱為紫蜂，這個名字起源于蜜蜂之間的信息交流方式，因為蜜蜂（bee）是由蜜蜂發(fā)出的“嗡嗡”聲（zig）和翅膀“跳舞”的方式來傳遞花蜜的位置信息，也就是說，蜜蜂以自己的方式建立了一個通信網(wǎng)絡。ZigBee技術是小范圍無線傳輸信息的一種。ZigBee技術主要是在各種工業(yè)企業(yè)中使用，達到各種數(shù)據(jù)的自動化傳輸控制。ZigBee本身的各節(jié)點自己就可以作為監(jiān)測節(jié)點使用，例如對數(shù)據(jù)收集的傳感器進行監(jiān)測，也可以自動的傳輸其他網(wǎng)絡節(jié)點傳遞來的各種信息。

它的特點是功耗比較低、數(shù)據(jù)傳遞速率慢、成本比較低、傳遞距離近、延時時間比較短、安全性能高、數(shù)據(jù)傳輸可靠、使用頻段都是免執(zhí)照頻段。它主要應用于各種需要自動控制的領域和需要遠程控制的領域。ZigBee技術能夠支持許多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，自組網(wǎng)能力強，網(wǎng)絡容量大。

隨著中國物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，人們對ZigBee技術的接受和認可程度也在提高。ZigBee技術也被使用于一些需用智能傳感器情況中。在北京9號線地鐵的隧道建設過程中，使用的是ZigBee技術代替了傳統(tǒng)的無線射頻識別系統(tǒng)，使用ZigBee技術后，對隧道的位置和方向進行了精準的定位，能準確地確定隧道的軌跡，還能保留有記錄可供查詢，這大大地提高了隧道施工水平?，F(xiàn)在有一些服務水平比較高的老年寓所，也在使用ZigBee技術的無線定位系統(tǒng)，可以對一定范圍內(nèi)的老年人實現(xiàn)準確定位和提供幫助。 由于每個人都有手機報警設置，遇到應急情況，啟動報警設施發(fā)送報警信號，這既解決了安全監(jiān)測和救援等老問題，而且使用方法非常簡便，可靠性能還很強。

布線長度是影響電路通信開銷和能耗的重要因素[1]，文獻[12]將布局過程分為兩個部分，首先將芯片按區(qū)域進行劃分，目的在于降低資源浪費；然后在不改變占用資源總數(shù)量的前提下，通過調(diào)整布線長度來降低通信開銷.該方法雖然考慮了資源占用與通信開銷兩個方面，但是僅以單一因素作為約束進行優(yōu)化，并未考慮兩者之間的相互影響與共同作用.

2.4 M2M技術

M2M（Machine- to- Machine Communication，機器與機器間的通信）M2M的核心目標就是使生活中所有的機器設備都具備聯(lián)網(wǎng)和通信的能力，是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的基礎平臺。

M2M理解成設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，那就是錯誤的，它是兩個機器之間的一種智能化的聯(lián)通，不需要人的介入。即便設備沒有立刻收到信號，設備本身也會自主地按照設定好的程序進行信息傳遞，并且根據(jù)接得到的數(shù)據(jù)自主做出選擇，將命令向下一級傳輸。 由此可見，智能化、交互式、具有更多的“思想”和“智慧”是M2M最大的優(yōu)勢。

M2M系統(tǒng)由應用、網(wǎng)絡傳輸、設備端3層組成。應用層內(nèi)可以設置各種戶界面，也能存放大量的數(shù)據(jù)信息，是一個工作平臺。應用層連接到網(wǎng)絡傳輸層后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O備端。 設備端層用于通過無線通信技術向通信網(wǎng)絡發(fā)送設備數(shù)據(jù)，最后傳遞給終端服務器和用戶。網(wǎng)絡傳輸是將用戶的控制指令通過網(wǎng)絡發(fā)送到通信終端，通過控制系統(tǒng)來進行遠程控制和設備操作。 通信層是用來傳輸數(shù)據(jù)的通信網(wǎng)絡。 通信網(wǎng)絡包括各種各樣的網(wǎng)絡： 大到廣泛的區(qū)域網(wǎng)絡（世界范圍的衛(wèi)星通信、全國范圍的無線移動通信、互聯(lián)網(wǎng)、公共電話網(wǎng)等），小到一個近距離的小區(qū)域網(wǎng)絡（比如面對面的藍牙和小區(qū)域的WLAN連接）等。應用層分為用戶界面、中間件、數(shù)據(jù)存儲、業(yè)務分析等。 對于系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲可分為臨時存儲和永久存儲。業(yè)務分析主要是對信息數(shù)據(jù)進行分析以提供決策。用戶界面是為遠程監(jiān)控和管理提供的界面。

3 物聯(lián)網(wǎng)的應用

3.1 物聯(lián)網(wǎng)與智能交通

智能交通系統(tǒng)（英文全稱為Intelligent Transportation System）指的是在交通系統(tǒng)運行管理過程中，充分利用各種先進的物聯(lián)網(wǎng)技術，對車輛進行定位技術和導航技術、全面的圖像分析技術、數(shù)據(jù)的及時收集傳輸技術、數(shù)據(jù)信息的快速處理技術，通過網(wǎng)絡的自動控制技術等，建立一個全方位的高效迅捷的交通管理控制系統(tǒng)。

智能交通系統(tǒng)使用范圍非常廣闊，它與人們的出行生活密切相關，它包括現(xiàn)在各種交通方式，在城市內(nèi)的道路交通智能控制系統(tǒng)，高速公路網(wǎng)絡的智能監(jiān)控處理系統(tǒng)，汽車站火車站等的旅客、車輛引導系統(tǒng)，各種運營車輛集中管理調(diào)控系統(tǒng)等。通過行人、車輛、道路等各方面和諧緊密合作，能大幅度地提高運行效率，減少交通擁堵現(xiàn)象，提高道路網(wǎng)絡容量，并且能大幅度地降低交通事故發(fā)生，還能減少能源的損耗，能降低對環(huán)境的污染。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)與智慧校園

以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎的智慧校園，就是將在校園中學生的學習、老師的工作和校園內(nèi)的日常生活相互協(xié)調(diào)和諧一體的校園環(huán)境，將校園內(nèi)多種應用服務體系進行整合，將教學工作、科研工作、校園管理、校園內(nèi)的學習工作生活融合為一體。

智慧校園的宗旨是為提高校園的綜合應用、提高服務質(zhì)量和服務水平，建立一個引領創(chuàng)新意識的、開放透明的、協(xié)作互助的校園綜合網(wǎng)絡平臺。通過這個綜合網(wǎng)絡平臺，為學生、老師和學校管理人員根據(jù)不同的需求提供個性化的專項服務，使大家能夠既能共享資源，也能相互交流協(xié)作，為在校人員提供一個智能的學習、工作和生活環(huán)境，在智慧校園中能有效地收集各種教育信息資源，并進行統(tǒng)計和分析，最后為大家提供應用和服務。多功能的智能教室、校園一卡通等就是智慧校園的典型應用。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)與醫(yī)療保健

采用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為基礎的新型智能醫(yī)院，可將醫(yī)療技術和網(wǎng)絡技術進行完美的結(jié)合，對業(yè)務流程進行全面的整合并優(yōu)化，能夠極大地提高醫(yī)療系統(tǒng)的工作效率，提高醫(yī)療資源利使用效率，減少人力資源投入，降低成本，并且能減少醫(yī)療事故，整體提高醫(yī)療水平和醫(yī)院的服務水平。

在物聯(lián)網(wǎng)遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的技術支持下，充分利用傳感器技術進行探測診查，通過網(wǎng)絡通信技術盡心溝通指導，治療范圍可以擴大到任何網(wǎng)絡通信能夠延伸到的地方，能夠?qū)崿F(xiàn)病人和醫(yī)生以及醫(yī)院間關于醫(yī)療信息的傳輸和共享。 醫(yī)生通過網(wǎng)絡對患者的病程進行監(jiān)測，給患者提供必要的指導和及時處理， 而患者即使不在醫(yī)院，只要有網(wǎng)絡連接，足不出戶也能得到較大的醫(yī)院治療和指導。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)與智能家居

智能家居（SmartHome）也叫數(shù)字家庭、智能住宅。通俗地說，智能家居就是用計算機系統(tǒng)和網(wǎng)絡信息技術，將家中的各種設施（如家庭照明、安全設施、家用電器等），通過家庭網(wǎng)絡連接進行智能控制。智能家居是一戶住宅或一個家庭為智能控制對象，通過各種通信設施對住宅的建筑、家用電器、自動化設備等進行總體的監(jiān)測和控制，使家居內(nèi)的結(jié)構(gòu)設施、服務功能、管理功能整合為一體進行智慧控制，能夠?qū)崿F(xiàn)住宅更安全、更舒適、環(huán)保的更便捷的居住環(huán)境。

一方面，智能家居可以通過電話、互聯(lián)網(wǎng)等方式進行異地無線方式管理家庭設備，可以進行更多的操作，實現(xiàn)多種形式聯(lián)動裝置。另一方面，各種家用設備間也可以相互通信，在沒有用戶命令的前提下，各種設備會根據(jù)不同的狀態(tài)自動控制運行，它會讓我們的生活更加安全、舒適和方便。與傳統(tǒng)居家不同，智能家居更注重提供舒適的、安全的和便捷的家庭生活方式。智能家居從而使我們能更加便捷地安排生活，優(yōu)化生活方式。

結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是信息社會發(fā)展到一定程度的必然結(jié)果，隨著各個國家重視程度的提高，物聯(lián)網(wǎng)技術必將獲得突飛猛進的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術也會不斷地被突破，物聯(lián)網(wǎng)也會得到越來越廣泛的應用，更加貼近生活服務生活。例如新興的無人超市，就是物聯(lián)網(wǎng)技術的新應用，它已實現(xiàn)了自動結(jié)算，為人們的日常生活帶來更多的便利，相信在不久的將來，就會實現(xiàn)進貨、擺貨、售貨的無人化、智能化，實現(xiàn)真正的無人超市。物聯(lián)網(wǎng)技術是一種全新的前沿的科學技術，發(fā)展前景也必然非常廣闊。物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展也必將給人民帶來更便捷的生活，推動社會的不斷向前發(fā)展，掌握并不斷突破物聯(lián)網(wǎng)核心技術，將為國家發(fā)展提供新的動力，讓人民的生活質(zhì)量不斷提高。