物聯網關鍵技術研究

蘇濤 李文強 孫聰

［摘要］ 首先給出了物聯網的定義，建立了物聯網分別基于RFID、傳感網絡、M2M的三種體系架構模型，詳細論述了嵌入式系統技術、傳感器技術、RFID技術、網絡通信技術等物聯網關鍵技術，最后提出了六點物聯網發展建議。

［關鍵詞］ 物聯網； 體系架構； 嵌入式系統； 傳感器網絡； 無線射頻識別

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 18. 051

［中圖分類號］TP393 ［文獻標識碼］A［文章編號］1673 - 0194（2012）18- 0090- 03

１引言

“物聯網”被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮，被看作信息領域一次重大的發展和變革機遇，世界各國爭相制定發展戰略［１］。物聯網歐盟委員會認為，物聯網的發展應用將在未來５～１５年中為解決現代社會問題帶來極大貢獻，一些發達國家紛紛出臺物聯網發展計劃，進行相關技術和產業的前瞻布局［２］。２００９年１１月，物聯網被確定為我國今后７大戰略性新興產業之一。北京已啟動物聯網５年規劃，規劃建成首個物聯網應用資源共享服務、信息交換、傳感信息網絡、超級計算和云計算中心等共性基礎支撐平臺，完成政府、社會、企業三方面幾十個示范應用園區。同時，上海、杭州、成都、南京等市，山東、廣東、河南、東北三省、福建等地政府也表示，將全力進軍物聯網。國內專家預測，“物聯網產業將是下一個萬億元級規模的產業，甚至超過互聯網３０倍，潛力無窮”［３］。

然而整體而言，目前無論國內還是國外，物聯網的研究和開發都還處于起步階段，還沒有進入成熟商用階段。我國物聯網的研究和發展更是偏重于應用方案和終端設備等上層應用上，包括國家級示范基地的無錫，還有上海、杭州、蘇州等地，都局限在應用領域，如高鐵物聯網應用等；與發達國家相比，我國主要的差距是在硬件方面，如傳感器、微電子機械系統（ＭＥＭＳ）及傳感器網絡領域的基礎技術創新，對物聯網系統模型、體系架構和關鍵技術也還缺乏清晰化的界定和研究。因此，本文綜述了物聯網領域目前的研究狀況，從物聯網概念、體系架構、關鍵技術等方面，對物聯網研究的技術基礎以及關鍵問題進行論述和研究。

２物聯網概念

１９９９年美國麻省理工學院（ＭＩＴ）的自動識別中心（Ａｕｔｏ－ＩＤＬａｂｓ）首先提出物聯網的概念——把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。２００５年國際電信聯盟ＩＴＵ在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（ＷＳＩＳ） 上正式確定了“物聯網”的概念，并隨后發布了《ＩＴＵ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｒｅｐｏｒｔｓ ２００５——ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ ｔｈｉｎｇｓ》，介紹了物聯網的特征、相關的技術、面臨的挑戰和未來的市場機遇［4］。

對比物聯網的最初概念以及不同的物聯網定義，本文認為：任何物體依靠嵌入式系統技術擁有智能處理能力，借助傳感器技術獲得感知能力，利用ＲＦＩＤ技術具有智能識別和信息交互能力，通過互聯網和網絡通信技術實現人與物、物與物的自主信息溝通和交互，從而形成的可以連接萬物的智能網絡，就是物聯網。

３物聯網關鍵技術

３．１物聯網體系架構

體系架構是指導具體系統設計的首要前提。 物聯網應用廣泛，系統規劃和設計極易因角度的不同而產生不同的結果，因此本文從物聯網應用的三大類別來描述其體系架構。

３．１．１基于ＲＦＩＤ的體系架構

ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）是能夠把“物”改變成為“智能物”的技術，它的主要應用是給移動和非移動物體貼上電子標簽，實現各種跟蹤和管理［5］。它是穿孔卡、鍵盤和條碼等應用技術的延伸，但比條碼等技術自動化、智能化程度高。基于ＲＦＩＤ 的體系架構由五大技術組成，分別是ＥＰＣ（電子產品碼）標簽、ＲＦＩＤ 標簽閱讀器、ＡＬＥ中間件實現信息的過濾和采集、ＥＰＣＩＳ 信息服務系統，以及信息發現服務（包括ＯＮＳ 和ＰＭＬ），體系架構圖見圖１。該體系架構中ＯＮＳ（即對象命名服務Ｏｂｊｅｃｔ Ｎａｍｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ）主要處理電子產品碼與對應的ＥＰＣＩＳ 信息服務器地址的查詢和映射管理類似于互聯網絡中已經很成熟的域名解析服務（ＤＮＳ）。ＥＰＣ產品電子碼識別只是“標簽”，所有關于產品有用的信息都用ＰＭＬ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍａｒｋｕｐ Ｌａｎｇｕａｇｅ）來描述。基于ＯＮＳ和ＰＭＬ，企業對ＲＦＩＤ 技術的應用將由企業內部的閉環應用過渡到供應鏈的開環應用上，實現真正的“物聯網”。

３．１．２基于傳感網絡的體系架構

無線傳感網絡ＷＳＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）由分布在自由空間里的一組“自治的”無線傳感器組成，共同協作完成對特定周邊環境狀況的監控，包括溫度、濕度、化學成分、壓力、聲音、位移、振動、污染顆粒等［6］。ＷＳＮ中的一個節點（或叫Ｍｏｔｅ）一般由一個無線收發器、一個微控制器和一個電源組成。ＷＳＮ 的研究大多還專注于網絡底層（包括非ＩＰ 協議的ＺｉｇＢｅｅ、ＴｉｎｙＯＳ 和基于ＩＰ的６ＬｏＷＰＡＮ 等），以及電源的持久性等問題，按照其目前的發展，ＷＳＮ離真正的“物聯網”還有一定距離，對像基于ＲＦＩＤ架構中的ＯＮＳ和ＰＭＬ 等物聯網層面問題的研究還不夠。因此，商用的基于傳感網絡的應用架構還不成熟。

３．１．３基于Ｍ２Ｍ的體系架構

Ｍ２Ｍ（Mａｃｈｉｎｅ ｔｏ Mａｃｈｉｎｅ）表示機器與機器之間的通信，也即非信息技術（ＩＴ）機器設備通過移動通信網絡與其他設備或ＩＴ系統的通信，廣義來講也包括人與機器（Mａｎ ｔｏ Mａｃｈｉｎｅ）的通信，是以機器智能交互為核心的網絡化的應用與服務。Ｍ２Ｍ 和ＷＳＮ一樣，都是物聯網的表現形式［7］。從概念內涵角度，物聯網包含了萬事萬物的信息感知和信息傳送；Ｍ２Ｍ則主要強調機器與機器之間的通信， 偏重于實際應用，是現階段物聯網最普遍的應用形式，典型的基于Ｍ２Ｍ 的體系架構如圖２所示。Ｍ２Ｍ同ＷＳＮ一樣缺乏類似ＯＮＳ 和ＰＭＬ的“物聯網”標準規范和統一體系架構。

物聯網應用廣泛，系統規劃和設計極易因角度的不同而產生不同的結果，另外，隨著應用需求的不斷發展，各種新技術將逐漸納入物聯網體系中，體系架構的設計也將決定物聯網的技術細節、應用模式和發展趨勢。整體而言，與物聯網的概念類似，目前還沒有一個規范化的物聯網體系架構模型，完整反映物聯網系統實現中的功能集劃分、組網方式、互操作接口、管理模型等，不利于物聯網的標準化和產業化。

３．２嵌入式系統技術

嵌入式系統技術是按照物聯網對設備功能、性能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合要求，根據不同應用定制裁剪的嵌入式計算機技術，包括嵌入式芯片技術、嵌入式操作系統技術、嵌入式應用軟件和系統集成技術，是實現感知層物體、通信及信息處理設備智能的重要基礎［8］。嵌入式芯片方面，通信領域ＡＲＭ核具有統治地位，工業領域則以瑞薩、ＮＥＣ、飛思卡爾為主。嵌入式操作系統方面，智能手機以Ｓｙｍｂｉａｎ、Ｗｉｎｄｏｗｓ Ｍｏｂｉｌｅ、Ａｎｒｏｉｄ、Ｌｉｎｕｘ為主，工業領域ＶｘＷｏｒｋｓ使用最廣泛。整體而言，嵌入式系統正朝著微型化和專業化發展。我國在嵌入式操作系統方面已經取得一定突破，研發出ＤｅｌｔａＣｏｒｅ、Ｈｏｐｅｎ等系統，但與國外技術存在差距。目前我國企業仍主要以嵌入式應用軟件研發和系統集成為主。

３．３傳感器技術

傳感技術利用傳感器和自組織傳感器網絡，協作感知、采集網絡覆蓋區域中被感知對象的信息。傳感器將物理世界中的物理量、化學量、生物量轉化成數字信號，從而為感知物理世界提供最初的信息來源。感知的對象包括溫度、濕度、壓力、流量、黏度、濃度、物位、位移、速度、加速度、轉速、力矩等。傳感器技術依附于敏感機理、敏感材料、工藝設備和計測技術，對基礎技術和綜合技術要求非常高。技術原理包括電阻、電容、感應、霍爾、壓電、熱電、光電等。傳感器種類超過2萬，低成本、低功耗、微型化、智能化、網絡化是傳感器的主要發展方向。新材料新功能的新型傳感器、智能傳感器、多功能傳感器是未來發展的重點。美、日、德等發達國家在技術方面整體領先，在中高端傳感器方面處于統治地位。我國雖在ＭＥＭＳ傳感器、光纖傳感器等方面取得了一定突破，但在材料、靈敏度、精度、可靠性等方面與國外仍有較大差距［9］。 目前，傳感器在還沒有達到規模應用水平，是物聯網產業化發展的重要瓶頸之一。

傳感器網是包含互聯的傳感器節點的網絡，這些節點通過有線或無線通信交換傳感數據。傳感器節點是由傳感器和可選的能檢測處理數據及聯網的執行元件組成的設備，具有數據采集、處理、通信能力。物聯網正是通過遍布在各個角落和物體上的形形色色的傳感器以及由它們組成的傳感網絡，來感知整個物質世界的。目前，面向物聯網的傳感網，主要涉及測試及網絡化測控技術、智能化傳感網節點技術、傳感網組織結構及底層協議技術、對傳感網自身的檢測與自組織技術、傳感網安全技術等。

３．４ＲＦＩＤ技術

ＲＦＩＤ電子標簽是近幾年發展起來的新型產品，也是替代條形碼走進物聯網時代的關鍵技術之一。識別技術主要實現物聯網中物體標識和信息的獲取。物體識別以采用ＲＦＩＤ技術為主。ＲＦＩＤ通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別過程無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。ＲＦＩＤ 技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。ＲＦＩＤ涉及無線通信、芯片、天線、標簽封裝、系統集成、信息安全等技術。現階段應用以低頻和高頻為主，超高頻技術具有遠距離識別的優勢，有望成為未來主流。目前國際研發重點集中在超高頻和微波ＲＦＩＤ芯片設計與制造、低成本標簽封裝和天線、多功能ＲＦＩＤ讀寫器、讀寫器協調與組網等方面。超高頻和微波ＲＦＩＤ方面基本為國外壟斷，美國在芯片、讀寫器、系統軟件方面優勢巨大。低頻和高頻技術我國已基本掌握，超高頻和微波ＲＦＩＤ是今后攻關方向。

３．５網絡通信技術

網絡是物聯網信息傳遞和服務支撐的基礎設施，通過泛在的互聯功能，實現信息高可靠性、高安全性傳送。物聯網的網絡技術涵蓋泛在接入和骨干傳輸等多個層面的內容，主要分為有線和無線兩大類技術，其中適應機器通信需求的蜂窩移動通信增強技術和滿足傳感器網絡低速率、低功耗、低配置的近距離無線通信與組網技術將是物聯網的研究重點。

機器通信與人的通信有很多不同，有低速率、低移動性、高并發、省電等方面的要求。現有面向人與人通信設計的二代、三代、四代移動通信技術需要進行一定的改造才能更好適應物物通信的新需求。世界上主要的電信設備制造商和運營商正在進行面向機器通信的蜂窩移動通信增強技術的研發和標準化。我國華為、中興等公司也進行大量研究，技術和產品與世界保持同步。

近距離無線通信和組網技術是傳感網、個域網、家庭網、工控網等延伸網的底層通信基礎，包括藍牙、超寬帶（ＵＷＢ）、低速低功耗通信（８０２．１５．４）等物理層和鏈路層技術以及ＺｉｇＢｅｅ、ＩＳＡ１００、Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＨＡＲＴ、基于ＩＰｖ６的ＷＰＡＮ等低速低功耗無線通信組網技術，這些技術還是國外主導［１0］。在８０２．１５．４方面，我國提出的無線頻率（７８０兆）和調制方式（ＭＰＳＫ）的支持作為可選項寫入ＩＥＥＥ標準。ＵＷＢ方面已研發出試驗芯片，還未實現規模生產。總體上，我國企業還是以芯片外圍設計與集成為主。

４物聯網發展建議

物聯網的發展建設是一個循序漸進、逐步成熟的過程，不可能一蹴而就。中國工程院副院長鄔賀銓說：“現在全國是一片物聯網熱，一頭是政府熱，各地政府紛紛上馬物聯網項目；一頭是小企業熱，趁機倒賣傳感設備，物聯網是個好東西，但決不能一哄而上。在低碳概念的號召下，我國風電、光伏等產業一哄而上，重復建設、產能迅速過剩。物聯網是信息化發展的大勢所趨，但是物聯網項目的上馬要注意避免重蹈覆轍，避免泡沫化。”對于我國物聯網的發展應注意以下幾點：

（１） 統籌規劃。建議由發改委組織工信部、測繪局、科學院、能源局、交通部等開展我國物聯網建設的規劃和頂層設計，避免重復建設和盲目發展。

（２） 示范推進。在統籌規劃的基礎上，挑選具有較好基礎的部門開展物聯網建設和智慧行業的示范工程。

（３） 形成協調機制。建議由相關政府部門組成國家物聯網和智慧中國建設的協調委員會，促進分建共享機制的形成。

（４） 加強硬件基礎研究。在物聯網技術體系中，我國最薄弱的就是微電子技術、微細加工技術、系統級芯片ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－Ｃｈｉｐ）設計技術、納米材料與技術等基礎技術，應加大研究投入和規劃。

（５） 加強智能技術研究。物聯網超出了單計算機的范圍，從量變走向了質變。云計算給它提供了巨大的計算能力，互聯網給它提供了海量的信息，傳感網給了它“主動”收集所需信息的能力……傳感器網絡中具有計算能力的各個網絡節點，就能夠模仿人腦神經系統的神經元，提供經過智能加工的信息給整個大智能系統進行更深層的綜合加工利用。

（６） 探索新型舉國體制。科技舉國體制是實施“大科學項目”的必然選擇，即對推動科技發展和社會進步，對國計民生和國家安全具有重要意義的大項目。在市場經濟環境下，由國家領導的科技創新舉國體制是戰略性產業取得迅速趕超突破的最佳（甚至是唯一的）途徑。

５結語

在物聯網的發展建設過程中，機遇和挑戰是并存，通過對物聯網及相關領域的研究可以發現，一方面，目前對物聯網的研究尚處于起步階段，這對于我們來說是機會，要勇于抓住機會迎頭而上；另一方面，在物聯網領域，我國主要的差距是在硬件基礎方面，要敢于面對挑戰刻苦攻關取得技術突破和創新。

主要參考文獻

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