物聯網關鍵技術及應用

楊 倩

（北京郵電大學 北京 100876）

物聯網關鍵技術及應用

楊 倩

（北京郵電大學 北京 100876）

本文敘述了物聯網的構架以及所涉及的關鍵技術，并提出了關鍵技術的研究熱點和研究方向，并舉例描述了物聯網的實際應用。

物聯網；關鍵技術；研究熱點

1 引言

物聯網是目前各界追捧的熱點。有人說它是空中樓閣，有人說它將引領下一次的科技革命，孰是孰非，尚無定論。但是，它的誕生是在一定的實踐基礎上提出的，也說明它存在一定的可行性，讓我們一起來客觀地分析一下。

2 物聯網構架

2.1 從互聯網到物聯網

人們可以把物聯網看作傳統互聯網的自然延伸，因為它的信息傳輸基礎仍然是互聯網。物聯網（The internet of things)是“萬物溝通”的，具有全面感知、無縫互聯、智能處理特征的連接物理世界的網絡，實現任何時間、任何地點及任何物體的連接。

互聯網主要解決人與人的互聯，連接了虛擬與真實的空間；物聯網主要解決的是物與物之間的互聯，連接了現實與物理世界。物聯網是以互聯網的發展為前提的。

2.2 物聯網架構

在業界，物聯網大致被公認為有三個層次，底層是用來感知數據的感知層，第二層是數據傳輸的網絡層，最上面則是內容應用層。

（1）感知層

感知層是通過RFID移動終端、M2M終端、匯接節點、感知節點等獲取相關數據及信息，以便網絡的傳輸。它的特點是：嵌入智能、標識感知、協同互動。感知層是實現物聯網全面感知的核心能力；感知節點隨時隨地感知、測量、捕獲和傳遞信息，匯接節點匯聚、分析、處理和傳送數據；各種形態的終端完成不同的功能，包括M2M終端、RFID移動終端、通信網和傳感網之間的網關、感知信息的末梢傳感器等。

（2）網絡層

網絡層解決的是感知層在一定范圍內所獲得的數據，通常是長距離的傳輸問題。這些數據可以通過移動通信網、國際互聯網、企業內部網、各類專網、小型局域網等網絡傳輸。網絡層所需要的關鍵技術包括長距離有線和無線通信技術、網絡技術等。

網絡層為建立網絡連接和為上層提供服務，具備以下主要功能：路由選擇和中繼；激活,終止網絡連接；在一條數據鏈路上復用多條網絡連接,多采取分時復用技術；差錯檢測與恢復；排序,流量控制；服務選擇；網絡管理；信息存儲查詢。

（3）應用層

應用層解決的是信息處理和人機界面的問題，主要是利用經過分析處理的感知數據，為用戶提供豐富的特定服務。物聯網發展的根本目標是提供豐富的應用，將物聯網技術與個人、家庭和行業信息化需求相結合，實現廣泛智能化應用的解決方案集。其應用可分為監控型（物流監控、污染監控災害監控）、查詢型（智能檢索、遠程抄表）、控制型（智能交通、智能家居、路燈控制遠程醫療綠色農業）、掃描型（手機錢包、高速公路不停車收費）等。

3 物聯網關鍵技術研究

物聯網體系架構中三個層次所涉及的關鍵技術是物聯網最終實現并得以實施的重要保證。物聯網中涉及的關鍵技術包括標識技術、無線傳感網（傳感器網關、傳感器）、中間件、客戶端軟件、用戶卡鑒權和安全、遠距通信（移動網/互聯網等）、安全和隱私、智能處理技術（云計算等）。

3.1 關鍵技術1——標識技術

RFID為物體貼上電子標簽，實現高效靈活管理，是物聯網最關鍵的一個技術。典型的RFID系統由電子標簽、讀寫器和信息處理系統組成，如圖1所示。在射頻識別技術（RFID）中要實現任何物體之間的互聯就必須給每件物體一個識別編碼，也就是用于身份驗證的ID。每個產品或事物出現在這個世界就得獲得一個惟一的編碼來證明它的惟一性，而且單個物品可以擁有多個標識號，復合物體的每個組件可以都有標識號；而且屬于一類的物品要有證明類屬的特殊標識ID，而單個物品同時要有區別于同類其他物品的ID。另外，對于一些特殊物品要考慮到它們的安全隱私要求。針對這些需求，可以看出標識結構設計、標識映射機制、匿名標識技術將是推進RFID技術發展的熱點研究問題。在這些問題研究過程中建議盡量采用已有的物品標識體系并進一步研究RFID和WMMP協議中標識的演進以及對TD網絡的影響，從而更好地推動物聯網的發展。

3.2 關鍵技術2——無線傳感網

無線傳感網是由大量部署在監測區域內的傳感器節點構成的多個、自組織的無線網絡系統。通常被用來監測在不同地點的物理或者環境參量，如光、溫度、濕度、聲音、振動、壓力、運動或者污染等。它主要是通過各節點相互協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域的監測信息，并發布給觀察者。

物聯網的快速發展依賴于終端的大規模、大范圍的部署，而物聯網終端的多形態和泛在化既是物聯網業務發展的特點，也是其面臨的重點和難點；具體研究對象為傳感器、傳感器適配器、傳感器網絡網關等。而在未來，無線傳感網絡技術的拓撲控制、定位技術、時間同步、數據融合處理技術以及終端設備的能量獲取和存儲技術、設備小型化/低成本/低功耗等問題將引領無線傳感網絡的熱點研究。

3.3 關鍵技術3——中間件

物聯網的理念是要實現任何時間、任何地點及任何物體的連接，這個特點就決定了屏蔽底層硬件的多樣性和復雜性以及與上層信息交換的復雜應用性。中間件為底層與上層之間的數據傳遞提供了很好的交互平臺，實現各類信息資源之間的關聯、整合、協同、互動和按需服務等。所以現在中間件的研究熱點應著重于：基于遠程控制的應用管理方式；支持多種傳感設備的管理、數據采集和處理功能，從而降低應用與硬件的耦合性；具備符合多種應用通用需求的API集合；具有跨平臺的靈活性移植。而我們下一步要做的就是進一步優化，向上層應用提供終端能力調用接口，從現有的應用程序中間件發展至架構中間件，形成物聯網終端應用孵化環境，拓展現有中間件應用范疇。

3.4 關鍵技術4——安全和隱私

物聯網的絕大多數應用都涉及個人隱私或機構內部秘密,物聯網必須提供嚴密的安全性和可控性。這是由于任意一個標簽的標識(ID)或識別碼都能在遠程被任意的掃描,且標簽自動地、不加區別地回應閱讀器的指令并將其所存儲的信息傳輸給閱讀器,這就需要保證國家及企業的機密不被泄露還要確保標簽物的擁有者個人隱私不受侵犯，這些也就導致安全和隱私技術成為物聯網識別技術的關鍵問題之一。

由于物聯網的每個層的性質和功能不同，每層的安全問題也各不相同，具體見表1。

表1 物聯網的每個層的性質和功能

除此之外，終端安全管理、感知節點的物理安全也要給予相當的重視。這其中包括用戶卡/可信模塊的安全（如認證、加密等）、設備軟硬件完整性安全問題（如信息采集、存儲的安全問題，設備硬件）以及防止非法移動的安全問題。

由于物聯網現在還處于初級發展階段，更多的時候還只是一種概念；所以物聯網的安全機制在業界還是空白，但是我們的研究的目標應該是明確的。下一步我們應該把研究的重點放在研究物聯網引入的安全需求和研究WMMP協議和WSN相關標準的安全機制上，進而提出符合物聯網需求的安全技術方案，推進物聯網的快速發展。

3.5 關鍵技術5——智能用戶卡

物聯網是社會信息化的一種延伸與發展，因此物聯網的發展將為信息化的前沿產品——智能卡，帶來新的發展機遇。在物聯網全面感知、可靠傳遞、智能處理等主要環節中，智能卡讓采集設備能夠登錄網絡并起到鑒權作用，從而使采集設備擁有了數據采集和收集功能。可以說，智能卡是物聯網應用中不可或缺的環節。

在智能卡迎來新的機遇時，新的挑戰也隨之而來。物聯網的應用涉及覆蓋各個行業，因此智能卡必須滿足各行業的各種應用環境。這些需求就對SIM卡及其工藝提出了新的要求，包括卡片的溫度、濕度、腐蝕、抗震動、模塊附著力、抗靜電、抗電磁等技術指標以及物聯網SIM卡的產品形態標準化，包括觸點位置、觸點功能、產品體積等。面對廣大的用戶端，智能用戶卡的需求量也就可想而知，這就要求設計出適合物聯網產業鏈的智能卡管理方案；制定出嚴格的發卡流程以及號碼管理系統，包括可能的商務流程、物流管理、測試認證、號碼分配、號碼激活、號碼回收、號碼規劃等。除此之外，我們還需要研究物聯網SIM卡的測試技術，制定檢測標準，具備對新形態SIM卡的測試能力，填補業界對物聯網SIM卡檢測能力的空白，推動物聯網SIM卡技術和檢測的標準化。

伴隨著物聯網的發展，我們下一步要做的主要就是推進智能用戶卡在物理特征、外形以及檢測技術方面的分級與國際、國內標準化，推動卡商盡快滿足量產要求，制定低成本、低能耗的技術方案。

3.6 其他關鍵技術

物聯網的終端都需要以某種方式連接起來，發送或者接收數據，考慮到方便性(需要數據線連接)、信息基礎設施的可用性以及一些應用場景本身需要隨時監控的目標就是在活動狀態下，因此移動網絡將是最主要的接入手段。

物聯網在感知層獲得大量數據后要進行遠距離的傳輸，實現不同終端的互聯互通就要借助于互聯網；它們是物聯網的通道，要保證信息有序正確的流送，就依賴于安全可靠的中間傳輸機制。所以物聯網概念的提出也在一定程度上推進了互聯網向成熟化發展。

隨著物聯網應用的發展、終端數量的增長，會產生非常龐大的數據流，這時就需要一個非常強大的信息處理中心。傳統的信息處理中心是難以滿足這種計算需求的，在應用層就需要引入云計算中心處理海量信息，進行輔助決策。云計算作為一種虛擬化、硬件/軟件運營化的解決方案，可以為物聯網提供高效的計算、存儲能力，為泛在鏈接的物聯網提供網絡引擎。

4 物聯網典型應用研究

4.1 智慧電力

長期以來靠人的自覺性節能，不能根據實際需求的量度，有針對性地進行能源供應；而且還要靠人的積極性進行需求的管理。

而在未來的物聯網時代，使人們在生活質量不受影響甚至更舒適的情況下，靠信息技術進步將能源節約下來。將需求管理融入到每一個電器產品設計上和系統的構建上，并使終端與電網及分布式能源進行響應和交流，在互聯網式的分布式能源系統構筑的智能電網中，用戶可以通過調節用電秩序，關閉或啟動燃氣、小水電等靈活機組，控制需求側和蓄電設備（電動汽車）調節等多樣化手段，解決分布式可再生能源的自由接入。

4.2 智能家居

家是每個人活動的主要場所，所以智能家居將是物聯網技術應用實現最廣泛的地方。當前家居只存在一些簡單的智能應用，例如電燈的自動開關，電暖氣的溫度自動調節等。在未來，各種家庭設備將通過智能家庭網絡聯網實現自動化，用戶可以通過電信寬帶、固話和3G無線網絡實現對家庭設備的遠程管理和控制；像空調、照明燈等設備會自動感知學習主人生活習慣，自動調節室溫、光線的明暗，減少能源浪費智能家居將為人們提供舒適宜人且高品位的家庭生活空間，實現更智能的家庭安防系統并提供全方位的信息交互功能。

4.3 智能城管

長期以來靠城管人員巡查公共設施損壞、違章攤位查處等，不能有規律的智能獲取公共設施狀態，無法智能管理、調配資源；如果利用物聯網技術，各種傳感器設備就能及時監測公共設施狀態、故障發生時間和地點等數據，進而實現對城市管理問題的精確定位，現場問題的實時發現、實時報送，及時解決。如此一來，就能增加城管執法的快速、高效、可靠性。譬如說當某物品被取走后，監控系統會發遺失指令給后臺，后臺將物品的位置信息和遺失情況返回給前臺，這樣就會減少偷竊犯罪率。

5 結束語

物聯網不是空中樓閣，不是科技狂想，是人類社會高度發展的產物，是新紀元世界經濟發展的技術驅動力。在其發展初期必然會面臨各方的質疑，前進的道路漫長、曲折；然而它以實現人類隨時、隨地、隨物自由的交流為目標，并輔以豐富的理論、實踐為基礎，所以一旦相關技術和配套系統得以發展完善，物聯網市場一定會以爆炸式增長。物聯網前景是廣闊的，它將會為我們帶來全新的生活方式，“智慧地球”的理念最終也會變成現實。

1 物聯網體系結構，http://blog.csdn.net/dengta_snowwhite/archive/2009/12/23/5061168.aspx

2 王曉靜,張晉．物聯網研究綜述．遼寧大學學報自然科學版，2010，37（1）

3 移動網絡將成物聯網主要接入方式.中國電子報,2010年01月

2010-07-25)