物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應用

敬如雪 高玉琢

摘要：物聯(lián)網(wǎng)作為第三次信息產(chǎn)業(yè)革命的引爆者。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)研究再次出現(xiàn)熱潮，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣與應用將對未來智能化社會以及“智慧地球”產(chǎn)生極其深刻而重要的影響。在介紹物聯(lián)網(wǎng)基本概念、特征及演變史的基礎上，歸納了物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，從倉儲物流、遠程醫(yī)療、假冒產(chǎn)品防范、智能電網(wǎng)等總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)在社會中的應用，旨在為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供參考與啟示。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；區(qū)塊鏈；關(guān)鍵技術(shù)

中國分類號：TP3-0 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）22-0024-03

Abstract： As the initiator of the third information industry revolution， the internet of things has re-emerged with the continuous emergence of new technologies such as big data， cloud computing， and blockchain. The popularization and application of Internet of things technology will have a profound and important impact on the future intelligent society and "intelligent earth". Based on the introduction of the basic concept， characteristics and history of evolution of the Internet of things， this paper summarizes the key technologies of the Internet of things and summarizes the application of the Internet of things in the society including warehouse logistics， telemedicine， counterfeit products prevention， smart grid and so on. The aim is to provide reference and inspiration for the development of the Internet of things.

Key words： Internet of things； block chain； key technologies

1引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet Of Things，IoT）顧名思義，將一切泛在物體接入互聯(lián)網(wǎng)，這不僅包括簡單的物物相連（Thing to Thing，T2T），而且還包含人人相連（Human to Human，H2H）以及人物相連（Human to Thing，H2T）。物聯(lián)網(wǎng)是多學科領(lǐng)域技術(shù)交叉所產(chǎn)生的創(chuàng)新技術(shù)，作為自動化和智能化的融合體，它的核心是互聯(lián)網(wǎng)+傳感網(wǎng)，是現(xiàn)實世界、數(shù)字虛擬世界與人類社會三者實時通信的一架橋梁。于2020年，美國權(quán)威預測機構(gòu)FORRESTER曾對全球的“H2H”人類自身信息交互與“T2T”泛在物品數(shù)據(jù)交互業(yè)務量做出預測，它們之間的比值將會達到1：30。因此，強大的市場前景推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷創(chuàng)新，從而帶動農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)、氣象、環(huán)境檢測、物流追蹤、智能醫(yī)療、智能建筑、智能汽車以及海洋探索等領(lǐng)域的發(fā)展。

中國早在20世紀90年代就已開始研究傳感網(wǎng)，21世紀初，溫家寶在傳感網(wǎng)中心基地無錫考察時，提出“感知中國”并要求建設“感知中國”項目，中國現(xiàn)已成為物聯(lián)網(wǎng)國際標準制定的五大主導國之一。武漢高壓研究院及中國電科院等科研單位研發(fā)了雷電定位系統(tǒng)以及微氣象監(jiān)測系統(tǒng)等，這為“智能電網(wǎng)”的實踐和“智能中國”工程提供了很好的行業(yè)應用示范，2009年4月，中國的“智能家居”作為對IBM大中華區(qū)首席執(zhí)行官錢大群提出“智慧地球”最新策略的響應。我國政府著重推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，目前物聯(lián)網(wǎng)已逐漸融入各行各業(yè)，對于車位管理，我們將具有更簡單高效的管理手段；對于共享終端，管理人員統(tǒng)一運營和精準控制；對于城市消防檢測，可以做到提前發(fā)現(xiàn)以及快速有效的響應；對于水產(chǎn)養(yǎng)殖遠程自動監(jiān)測，可以節(jié)省人力，減少養(yǎng)殖風險和提高養(yǎng)殖安全，隨時隨地監(jiān)測水質(zhì)情況。對于它們的實現(xiàn)，使得我們的生活更智能，信息流通更快捷，時間更高效。

2物聯(lián)網(wǎng)的基本概念、特征及演變史

根據(jù)國際電信聯(lián)盟的定義[1]，物聯(lián)網(wǎng)主要是泛在物品身上的射頻識別標簽、傳感器、全球定位系統(tǒng)及地理信息系統(tǒng)等各類信息傳感設備通過無線傳感網(wǎng)絡互組，然后作為一個整體被接入互聯(lián)網(wǎng)中，自組網(wǎng)主要解決對物理世界中物品的數(shù)據(jù)采集和信息交換及通訊，（數(shù)據(jù)采集不僅包括物品自身實時狀態(tài)的數(shù)據(jù)獲取，還有對其周圍環(huán)境的各項參數(shù)進行收集；自組網(wǎng)中的信息交換和通訊指的是各節(jié)點間數(shù)據(jù)流動。）互聯(lián)網(wǎng)針對搜集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，進而支持決策，從而對物品實現(xiàn)智能識別、地理定位、物流跟蹤、環(huán)境檢測和高效管理的一種網(wǎng)絡。在沈蘇彬的文章[2-3]中已經(jīng)明確區(qū)分物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的不同，探討物聯(lián)網(wǎng)所屬的學術(shù)研究范疇，歸納了物聯(lián)網(wǎng)建模與分析方法專題論文，并且總結(jié)出物聯(lián)網(wǎng)的服務類型、節(jié)點分類、體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)模型，提出物聯(lián)網(wǎng)是作為互聯(lián)網(wǎng)的短板補充。

從物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)中得出，其基本特征簡要概括為全面感知、可靠傳送、智能處理。全面感知是指通過溫度、濕度、水分等各類傳感器對外界物體的狀態(tài)行為信息全面獲取和收集，并對信息進行有效存儲和傳輸?？煽總鬏斒侵赣捎谖锫?lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎之上被延伸和擴展的網(wǎng)絡，因此IP協(xié)議也是物聯(lián)網(wǎng)的基礎，采用類似于互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的分層網(wǎng)絡通信協(xié)議可以為上層的各種應用提供服務，同時該協(xié)議允許IP協(xié)議下的各種異構(gòu)網(wǎng)絡可以在優(yōu)化網(wǎng)絡上運行；由感知層各節(jié)點采集匯總的數(shù)據(jù)，會通過基于IPv6和IP為中心的網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸給應用層。智能處理是首先數(shù)學建模，然后根據(jù)高性能計算和數(shù)據(jù)挖掘去對數(shù)據(jù)進行處理，已期望得到的結(jié)果可以預測目標未來的發(fā)展趨勢。

如“摩爾定律”一般，IBM前首席執(zhí)行官郭士納認為計算模式每隔15年將發(fā)生一次變革，即十五年周期定律。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展史中的關(guān)鍵事件如表1所示。計算機、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)被人類認為是先后三次全球信息產(chǎn)業(yè)的先驅(qū)者，物聯(lián)網(wǎng)的基本思想首次出現(xiàn)于20世紀90年代，在1995年，Bill Gates在《未來之路》中提出“物物相連”的理念，描述未來我們的微型手機/PC可以與日常生活用品、汽車等相互連接，使得我們可以“不出戶而知天下事”；1999年麻省理工（MIT，Massachusetts Institute of Technology）的AUTO-ID實驗室提出“萬事萬物都可由網(wǎng)絡連接在一起”，同年，該校教授發(fā)現(xiàn)為物品統(tǒng)一標準識別的電子編碼EPC；2005年，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunications Union，ITU）在世界會議中正式發(fā)表《互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，闡述物聯(lián)網(wǎng)的思想和應用前景，吸引更多的國家和政府的參與物聯(lián)網(wǎng)的研究；2008年，美國計算機公司IBM提出項目計劃“智慧地球”，這被美國政府認為會對本國經(jīng)濟產(chǎn)生巨大推動力；2009年8月，在溫家寶提出《國家中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006-2020）》中的“新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)”將成為我國信息技術(shù)發(fā)展的主方向，將其與人的神經(jīng)網(wǎng)絡作類比，“感知中國”之名由此而來；2011年11月，歐盟專家在北京召開的全球物聯(lián)網(wǎng)大會講解了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動計劃》，其意在于推動物聯(lián)網(wǎng)的全球發(fā)展；2014年2月，IEEE的終身院士John A.Stankovic在IEEE的新刊《物聯(lián)網(wǎng)學報》發(fā)表了第一篇以“物聯(lián)網(wǎng)研究方向”為專題的論文[4]，論文簡介了IoT的技術(shù)、網(wǎng)絡通訊、管理基礎架構(gòu)、服務與應用程序開發(fā)以及人機交互五個方面；網(wǎng)站Statista由2016年接入物聯(lián)網(wǎng)設備的176億，推測2020年，設備數(shù)會成長為300+億。

3物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)以成本低廉、密集覆蓋、隨機分布的節(jié)點（無源節(jié)點、有源節(jié)點、網(wǎng)絡節(jié)點）組成，自組織性、高冗余性、強的容錯能力使得個別節(jié)點因攻擊或外界環(huán)境干擾而失效時，則整個系統(tǒng)不會發(fā)生癱瘓。物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后各種技術(shù)的聚合產(chǎn)物，是各種傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和人工智能和自動化技術(shù)的集成和應用。程曼等人[5]概括了傳感網(wǎng)、射頻技術(shù)、電子產(chǎn)品編碼、地理信息系統(tǒng)和智能技術(shù)，其中傳感網(wǎng)技術(shù)包括傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)、基于ZigBee技術(shù)的傳感網(wǎng)絡的安全。劉愛軍等人[6]概括了射頻識別技術(shù)（RFID，Radio Frequence Identification）和電子產(chǎn)品代碼技術(shù)（EPC，Electronic Product Code）、傳感控制技術(shù)、中間件技術(shù)和人工智能技術(shù)。李志宇等人[7]概括了物聯(lián)網(wǎng)感知與標識技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信和網(wǎng)絡技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)安全和隱私技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要組成部分是感知層、傳輸層、應用層[8]。圍繞系統(tǒng)的主要組成，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)有感知層關(guān)鍵技術(shù)、傳輸層關(guān)鍵技術(shù)和應用層關(guān)鍵技術(shù)。如圖1所示。

3.1 感知層關(guān)鍵技術(shù)

感知層作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最底層的構(gòu)成部分，其存在多個數(shù)據(jù)輸入點，要求在感知層對特定目標的所需參數(shù)數(shù)據(jù)進行獲取和短期存儲。感知層關(guān)鍵技術(shù)分為信號采集技術(shù)和信號處理技術(shù)。在信號采集技術(shù)中包括傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、操作系統(tǒng)及各類物理設備和核心芯片。其中傳感技術(shù)由最初只能收集簡單、低復雜的數(shù)據(jù)量正在向可以獲取視頻、音頻和圖像等復雜數(shù)據(jù)的無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡的出現(xiàn)，使得對物理世界的刻畫不再停留在靜態(tài)的數(shù)據(jù)標量，而是通過各種動態(tài)矢量進行真正的人類社會與物理世界的溝通。無線傳感技術(shù)與納米技術(shù)是緊密聯(lián)系的，通過納米技術(shù)使得無限傳感器的體積向微型化、超微型化變化，未來的無線傳感器如同塵埃一般廣泛存在。ZigBee是傳感技術(shù)中的典型代表，ZigBee因其簡單、低成本、低功耗、高效率和高靈敏特性而被廣泛用于現(xiàn)階段。其中RFID包括電子標簽和閱讀器、EPC傳感器、GPS、自組織網(wǎng)絡、短距離無線通信等技術(shù)都為感知層的核心技術(shù)。

3.2 傳輸層關(guān)鍵技術(shù)

傳輸層以電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為重要基礎，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的傳輸通道，其核心技術(shù)包括網(wǎng)絡接入、數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡協(xié)議。網(wǎng)絡分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩部分，GSM、TD-SCDMA、Internet、無線網(wǎng)絡和異構(gòu)網(wǎng)絡都是網(wǎng)絡接入技術(shù)的一部分，其中異構(gòu)網(wǎng)絡是一種將不同生產(chǎn)商制造的硬軟件，可以運行在不同的協(xié)議上支持不同功能的多種重疊融合網(wǎng)絡；通過數(shù)據(jù)安全技術(shù)、數(shù)據(jù)安全協(xié)議、密鑰建立及分發(fā)機制、數(shù)據(jù)加密算法設計和認證技術(shù)可以保證信號傳輸?shù)陌踩煽浚痪W(wǎng)絡協(xié)議的重要組成部分MAC協(xié)議、組網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡跨層優(yōu)化技術(shù)、自適應優(yōu)化通信協(xié)議及輕量級高能協(xié)議。侯陳達等人[9]提出的EasiDEF是一種新型水平化輕量級物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議，此協(xié)議有效提升了數(shù)據(jù)的壓縮效果，且在資源不足的情況下支持數(shù)據(jù)交換。

3.3 應用層關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉脤雍螅ㄟ^高性能計算、數(shù)據(jù)挖掘以及數(shù)學建模等信息處理方法和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，挖掘出有效數(shù)據(jù)，然后直接用于決策系統(tǒng)的管理應用中，去解決客戶的需求，為客戶提供服務。如智能生態(tài)系統(tǒng)、智能金融、智能工業(yè)和自動化控制?！叭旨夹g(shù)，七分管理”，應用層的關(guān)鍵技術(shù)主要是管理技術(shù)，其包括能量管理、拓撲管理、Qos及移動控制、網(wǎng)絡及遠程管理和管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫。首先是對物理節(jié)點的管理，節(jié)點有傳感單元、處理單元、通信單元、電源部分，當節(jié)點處于休眠狀態(tài)會比工作狀態(tài)更耗能量，因此在不考慮外界因素下，休眠狀態(tài)和工作狀態(tài)的閾值將會直接影響此節(jié)點的使用壽命；大型分布式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、DB2、Oracle、SQL Server等數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的管理，一直以來就是各行各業(yè)的管理重點，在數(shù)據(jù)庫中進行的增刪改查四種數(shù)據(jù)處理，是對數(shù)據(jù)的管理。

4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用

自物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)以來，隨著各國政府的大力支持和政策鼓勵，以及日新月異的技術(shù)不斷出現(xiàn)和成熟，強有力地推動物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域廣泛，涉及人類社會生產(chǎn)生活的各方各面。倉儲物流[10]是最早引用物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)，通過對貼有類似條形碼的RFID目標掃描閱讀，就可以讀出追蹤目標的原產(chǎn)地、運輸路線以及最終目的地；英國薩里大學認為，如果將區(qū)塊鏈[11]應用到食物的物流跟蹤中，配送過程的各項數(shù)據(jù)透明化，就可以減少食物浪費的比例。軟件公司Provenance實現(xiàn)了“傳感器+區(qū)塊鏈”的實現(xiàn)，傳感器中的數(shù)據(jù)信息會被記錄在區(qū)塊鏈中，在全網(wǎng)進行廣播，從而驗證日本餐館里的金槍魚是否是來自印度尼西亞。作為無線感應器的生產(chǎn)商Filament，通過區(qū)塊鏈存儲傳感器采集的農(nóng)作物信息，最終將數(shù)據(jù)傳輸給觀察者。醫(yī)療護理[12]實現(xiàn)醫(yī)院精細化管理，實現(xiàn)院內(nèi)機器人服務、智能導航、專家遠程實時就診；智能電網(wǎng)[13]在遇到險情時，已經(jīng)可以做到自我預警、自我處理；假冒產(chǎn)品防范[14]在一定程度有效保證產(chǎn)品正規(guī)合格性和降低詐騙可能性；環(huán)境檢測以檢測目的為根據(jù)，基本可劃分為生物生長環(huán)境檢測、生物生命信息檢測、生物質(zhì)量品質(zhì)檢與安全追溯。目前，由陳華凌等開發(fā)了以ZigBee為基礎的無線傳感網(wǎng)絡的水環(huán)境檢測系統(tǒng)，已經(jīng)可以實時有效地進行大范圍的水域檢測；YITAKVMAR等研發(fā)的水質(zhì)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要監(jiān)測參數(shù)是水溫、PH值、導電率、溶解氧等，通過網(wǎng)絡不僅可以監(jiān)測參數(shù)，還可以處理數(shù)據(jù)；譚昌偉等為快速獲取小麥生長數(shù)據(jù)，通過對各項關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系研究，設計了參數(shù)遙感反演模型[15]。

根據(jù)EPOSS<>所描述的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展四階段，目前正處于“半智能化”的第三階段且正在向全智能化過渡，在全智能化的物聯(lián)網(wǎng)時代圖景，處于物聯(lián)網(wǎng)中的車輛可以在駕駛員操作不當時，車輛可以自動報警并提示駕駛員如何矯正失誤；當溫室農(nóng)作物被接入物聯(lián)網(wǎng)時，可以根據(jù)農(nóng)作物實時生長情況和周身環(huán)境自動調(diào)節(jié)水量、氧氣量、二氧化碳量等；在接入物聯(lián)網(wǎng)的冰箱，會依據(jù)食物的新鮮程度，自動更改溫度；物聯(lián)網(wǎng)中的物流跟蹤，當目標軌跡偏離原計劃路線時，目標會有語音提醒物流員“朋友，本人XXX號已偏離回家路線”。

5 結(jié)束語

據(jù)統(tǒng)計，以物聯(lián)網(wǎng)為關(guān)鍵字查閱IEEE圖書館，截至2018年，相關(guān)學術(shù)期刊篇幅由2014年的“400+”上升到“3000+”，證實，全球致力于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)視為推動經(jīng)濟發(fā)展的新技術(shù)動力，中國作為研究物聯(lián)網(wǎng)的先行者，制訂其國際標準的參與者，在面對機遇的同時，同時認識到物聯(lián)網(wǎng)的不足，包括傳感器節(jié)點雖能耗低，但易受到外界環(huán)境的影響以及其他電磁信號干擾，而且自身計算通信能力等關(guān)鍵技術(shù)有待突破；由于各機構(gòu)研究的側(cè)重點和方向不一樣，物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和標準至今未統(tǒng)一；隨著信息技術(shù)的不斷進步，對于數(shù)據(jù)的信息安全和隱私保護日益重要；后期對采集到的數(shù)據(jù)的如何存儲和處理，才能挖掘出更具有現(xiàn)實意義的實驗結(jié)果，以及物聯(lián)網(wǎng)示范系統(tǒng)構(gòu)建和部署的調(diào)整等，都值得深思。物聯(lián)網(wǎng)在一定程度上改變了各行各業(yè)的發(fā)展軌跡，這不僅對現(xiàn)存的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟效益，而且加強了人與物之間的通信，“智慧地球”離人類更近，對于物聯(lián)網(wǎng)應用的潛在價值，需要政府政策的扶持引導和越來越多的科研學者參與到物聯(lián)網(wǎng)的研究。

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