物聯網技術與研究

韓金森，鄒 濤，張龍軍

（武警工程大學 陜西 西安 710086）

物聯網概念的起源于1999年在美國召開的移動計算和網絡國際會議上提出的“傳感網是下一個世紀人類面臨的有一個發展機遇”[1]。美國MIT Auto-ID Labs提出關于物聯網的定義：在互聯網的基礎上，利用RFID等無線通信技術將世界上的萬物入網相連（Internet of Things），完成物物之間的智能識別和信息互通。近年來，包括美國、歐盟、日本和中國在內的許多國家和地區都在對物聯網作積極地思考和研究，但是總體上說，都還徘徊在起步階段，沒有形成統一的定義和標準，結合各國的重視程度和技術的前景，對由多項信息技術融合而成的新型技術物聯網體系的研究有著舉足輕重的戰略性意義。

目前，關于物聯網較為多見的定義是ITU提出的：物聯網就是在計算機互聯網的基礎上，通過RFID、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。筆者認為物聯網的內涵主要體現在以下3個特點：聯，對需要聯網的H（人）和T（物）一定要能夠實現互聯互通；識，具備自動識別功能是H和T允許入網的前提；智，通過傳感采集做出反饋、判斷、動作，實現系統自動化、智能化和可控化。

1 物聯網的原理

1.1 物聯網的基本框架

根據ITU的建議，參考我國工業和信息化部電信研究院《物聯網白皮書（2011年）》，物聯網的基本架構自底向上可以表示為感知層、網絡層和應用層[2]，如圖1所示。

圖1 物聯網架構圖Fig.1 Structure diagram of IOT

感知層：主要完成信息的采集和將采集到的信息上傳的過程，就是要通過RFID、條碼、GPS、紅外感應器等信息傳感裝置隨時隨地將“物”的信息采集并上傳到上位端，做好信息傳輸前的準備工作。

網絡層：主要完成的是信息的全方位傳輸，在整個物聯網中起承上啟下的作用，就是通過各種接入設備與現有的互聯網、移動通信網等具有不同傳輸性質和通信協議的網相融合，將感知層采集的信息實時準確地通過網絡節點上傳到上層。

應用層：主要完成智能化識別、定位跟蹤、監控管理等各類實際應用，就是通過對感知層采集到的信息進行計算處理、科學決策，精確智能地實現面向各行各業客戶的服務。

1.2 物聯網的關鍵技術

與物聯網的基本框架相對應，其技術體系包括感知層技術、網絡層技術、應用層技術和公共技術，如圖所示。其中感知層技術主要包括傳感器技術、自動識別技術、無線傳輸技術、中間件技術、自組網技術和協同信息采集技術。網絡層技術包括移動通信網技術、互聯網技術、下一代承載網技術和M2M無線接入技術。應用層技術主要包括支撐平臺子層（公共中間件、云計算等）和應用服務子層（智能交通、智能物流、智能電力等行業應用）。公共技術是指貫穿于整個物聯網技術架構，與每層都有關的技術，包括物聯網安全技術、網絡管理技術、標識與解析技術和QoS管理技術。下面就主要的關鍵技術作一簡要介紹。

圖2 物聯網技術體系Fig.2 Technology system of IOT

1）傳感器[3]是物聯網系統的耳目，是能夠實時對當前狀態進行識別并向其他元件發出相應信號，傳遞信息的一種檢測裝置，能夠滿足信息的記錄、傳輸、處理、存儲等要求。傳感器和能檢測處理數據并聯網的元件組成傳感器節點，通過通信方式傳輸數據，由這些傳感器節點互聯構成的網絡就是傳感器網絡。

2）自動識別技術系統就是利用條碼和射頻等自動識別與數據采集技術和設備，讀取某一物品的電子身份信息，并上傳到上層元件作進一步處理，主要分為數據承載、數據采集和數據傳輸3個步驟。目前最常用的自動識別技術主要有條碼識別技術、RFID技術。條碼識別的原理是光學識別，將條碼反射光進行電信號處理，經過整形、AD轉換、譯碼獲得數據信息。條碼技術以其操作簡單、靈活實用、成本低廉和可靠性高等特點，在道路交通、商業零售、圖書管理等多個行業廣泛應用。RFID技術是一種非接觸式自動識別技術，它的原理是利用感應、無線電反射實現射頻標簽和射頻識讀器之間的雙向通信。基本的RFID系統由標簽、識讀器和讀寫器、天線3部分組成。因其具有非接觸、抗惡劣環境、無需人工干預、標簽數據存儲量大等特點，RFID技術在車輛自動識別、門禁系統、貨物跟蹤等方面廣泛應用。

3）無線傳輸技術就是利用無線電波實現數據傳輸，根據采集設備和傳輸節點距離的長短，其傳輸過程可以分為近距離傳輸和遠距離傳輸，在物聯網已有接入聯線以外，一般還可以采用以下幾種技術：

①WLAN，由美軍50年前首先使用于資料傳輸，是傳統有線網絡的替代和延伸，安裝便捷，維修方便，易于調整和擴展。Wi-Fi是WLAN中目前應用廣泛的一種，可靠性高，移動性好，組網靈活，價格低廉。

②Bluetooth無線通信技術，愛立信1994年就已進行研發，是用于短距離傳輸的無線通信技術，采用FHSS，可以提供實時的語音和數據通信業務。

③UWB技術，起源于20世紀50年代末的軍事技術應用，區別于傳統技術的一種無線通信技術，能夠實現LAN和PAN中無線接口的互聯和接入，功耗低，帶寬高，復雜度低，定位精度等達到厘米級，沖激無線電技術是其代表性技術。

④ZigBee是IEEE802.15.4協議的代名詞，是根據這個協議規定的一種短距離、低功耗的無線通信技術，其名稱來源于蜜蜂（bee）和翅膀抖動的嗡嗡（zig），具有近距離、低功耗、低數據速率、自組織、低成本的特點，可以嵌入各種設備。

4）下一代承載網技術指的是能統一承載 PSTN、Cable Modem、Internet 3種業務的網絡的融合。根據現有物聯網的發展趨勢，有望產生和發展一種專門為物聯網提供服務的專有網絡。

5）M2M是典型的物物通信模式之一，主要解決的是增強機器與機器之間的通信和網絡能力，實現機器與機器間的無線通信，早在2002年就由諾基亞開始推動其解決方案。

6）云計算[4]技術是屬于應用層面的一個概念，解決的是信息存儲與處理環節，是一種按需分配，按需服務的理想網絡共享應用模式，Amazon、Microsoft、IBM、SUN、Apple 等 IT 時代的行業巨頭都在積極研發，力爭主動。

7）網絡安全技術[5]就是指為了維護網絡安全，保護用戶隱私所采用的安全機制，主要包括認證和訪問控制、數據加密等。

8）標識與解析技術[6]包括實體標識和實體解析。標識是采用PML記錄網內實體所有有用的信息。解析主要表現為ONS。

1.3 物聯網與傳感網、泛在網之間的關系

傳感網顧名思義就是由傳感器構成的網絡，這是對傳感網狹義的理解。該類網絡利用各類傳感器的感知模塊，對所處環境因素進行信息采集，通過自組織網絡進行傳輸，但是該類網絡只是擅長于對信號進行采集而弱于對物進行標識，若要實現入網傳輸，也需要通過別的入網方式和模塊[7]。隨著科學技術的發展，人們認識事物能力的進步，如今，廣義的傳感網除了信息采集和處理的主要任務外，還能實現主體之間的互聯互通。而物聯網的采集信息方式比狹義的傳感網多，接入網的方式也比廣義傳感網靈活，信息處理能力也遠遠比狹義和廣義的傳感網強。可以說，傳感網屬于物聯網實現的其中一個環節。

泛在網，根據ITU-T Y.2002建議，指的是實現有權限的個人或設備在需要時都能盡快盡便地接入服務實現通信的網絡，簡言之無所不在的網絡，就是利用現有的各種傳感網、物聯網、互聯網、電信網等相互融合，集感知、識別、計算、控制、廣泛連接、深度通信于一體，實現 4A（Anytime，Anywhere，Anyone，Anything）化的互聯通信。

物聯網、傳感網、泛在網三者之間有著區別和聯系，有著依托和承載，如圖3所示[8]。

圖3 物聯網與傳感網、泛在網的關系Fig.3 Relationship of IOT and other webs

2 物聯網研究與發展

2.1 我國物聯網的研究與發展

我國的物聯網研究不僅在全球物聯網浪潮之初搶得了先機，是世界上為數不多的幾個研究較早的國家之一，與國際具有同發優勢，而且經過長期不懈的努力，于2009年10月宣布我國第一顆物聯網的中國芯——“唐芯一號”芯片研制成功，標志著我國已經攻克了物聯網的核心技術，進入國際先進水平，甚至部分技術已達到領先。我國也是世界上屈指可數的能將其產業化的國家，是傳感網領域國際標準制定的主導國之一。

2004年由北京航空航天大學寧煥生等人起草的“構建中國物流互聯網工程”建議書經完善后于次年3月提交兩會；2006年，我國開始著手考察、制定傳感網標準；2007年，國內外學者合作出版了 《The Internet of Things:From RFID to the Next-Generation Pervasive Networked Systems》；2009 年 1 月在中科院和江蘇省院合作框架下成立無錫物聯網產業研究院，從事物聯網的研究、設計和生產；2009年9月由我國工業和信息化部牽頭成立了傳感器網絡標準化工作小組，加快建設我國物聯網技術標準；2009年11月由中國科學院軟件研究所、同方股份有限公司、清華大學、北京郵電大學、中國移動通信集團等40余家具有行業優勢的物聯網相關機構共同發起組建物聯網產業聯盟，攜手共促資源合理利用，推進物聯網行業發展；2010年1月，“物聯網體系、理論建模與軟件設計方法”在2010年度“科技部九七三計劃、重大科學研究計劃”項目申請指南中發布；2010年6月，由江南大學信息工程學院和通信與控制工程學院合并組建成立我國第一所物聯網工程學院“物聯網工程學院”，整合資源，為我國物聯網產業發展輸送人才。

2.2 國外物聯網的研究與發展

包括美國在內許多國家和地區欲將物聯網作為走出經濟低谷的拐杖，將其提高到了國家發展的戰略高度，納入國家發展戰略計劃。如今，物聯網發展伴隨著其越來越智能化、精細化，對世界經濟和人類社會的影響初見端倪，這使得越來越多的國家和科技主體關注和研究物聯網。

在美國，奧巴馬政府和IBM著力打造“物聯網+互聯網=智慧地球”，就是把感應器裝備和嵌入到公路、鐵路、機場、橋梁、管道、大壩、隧道、建筑等各種物體中，加之互聯互通，形成“物物相連相通之網”，依托“云計算”和現有互聯網，將人類的地球和社會整合成一個繁雜有序的有機整體，實現智慧化。

在歐洲，歐盟制定物聯網行動計劃，旨在構建新型物聯網管理框架，把握物聯網發展方向，規劃發展路線。歐盟在物聯網的技術和應用方面不乏創新，許多優秀公司和企業定位M2M，確立戰略方向，例如Docomo關注協議，沃達豐研究服務平臺等，推動了M2M的發展。

在日本，“e-Japan”、“u-Japan”、“i-Japan” 等一系列發展戰略應運而生，大規模展開信息化建設。以政策的形式調動產業、地區、生活3個領域與ICT（Information Communication Technology）深入融合和舉步發展，關注傳感網建設，著力打造“智慧泛在”，確保日本在信息領域有一席之地。

另外，在韓國、澳大利亞、新加坡等國家，物聯網的部署和建設也都在加緊進行。

3 物聯網的應用與展望

將各種感應器，嵌入各種實物中，依托網絡，實現人與物整合，我們將進入“物聯網時代”。

1）智能家居 由智能化家電、智能化保安系統和智能化照明加盟的智能家居已是唾手可得。只要將各種家居的開關改頭換面，入網遙控，那么在千里之外的你就能在回家之后甩掉疲憊，享受美食和沐浴，安心地進入夢鄉而第二天可以穿上干凈舒適的衣服，享受完早餐去打拼。2010年1月，由海爾推出的物聯網冰箱標志著我國智能家居進入快速發展階段。

2）智能交通 我國的智能交通網已成雛形，無處不在的監控網絡減少了違規違章，從未踏足的地方已被導航系統變得不再陌生。ETC系統的使用大大地提高了道路橋梁的通行能力和車輛的行駛效率，降低了車子的油耗和尾氣排放。

3）航空支撐物聯網 得利于物聯網，可視化空難模型改變了傳統的空難救援方式，2009年1月15日哈德遜河“空難奇跡”中因與飛鳥相撞的全美航空1549航班151名人員全部平安無事，也未發生燃油泄漏。物聯網可以提供飛機自身的各種飛行狀態，航線、機場以及周邊的環境數據，民航的乘客服務、機場運營和安全等。

4）環境監測 利用雷達和衛星等，可以構成對海洋、森林、山體、河流等的立體化監控，對各類災情、水質、林木生長、空氣污染等進行監測、評估和預警，構成環境監測物聯網。

5）軍事應用 物聯網的產生和發展，使得更加精確地感知戰場信息，更加智能地開發應用裝備，更加動態靈敏地實現后勤保障。物聯網對戰情的獲得、部隊的部署、戰局的把握、命令的上傳下達、戰場的開辟等等環節都產生了深遠的影響，拓寬了作戰的時域、空域和頻域。

物聯網應用廣泛，除了上述領域外還遍及辦公作業、公共安全、智能消防、工業監測、醫務護理、個人健康、花卉栽培、食品溯源、教育行業等多個領域。

4 物聯網存在的問題

物聯網的發展還處于起步階段，無論是在技術還是制度上都存在著諸多值得改進的地方：

1）安全問題 物聯網的安全問題包括兩個方面：設備安全和信息安全。物聯網的應用主要是方便人們的生產和生活，終端大都處于易被人觸碰的地方，設備的安全隱患不言而喻。同時，物聯網多數依托無線傳輸，信號暴露在公開大氣中，若不采取適當的措施，很容易被干擾和竊取，甚至篡改、攻擊。

2）規模問題 首先，物聯網是連接萬物的網，每個入網的終端都得有一個地址和身份，擺在面前的就是IPv4資源即將耗盡，而Ipv6還未成熟，過渡漫長。其次，龐大的網絡擁有龐大的節點數和數據通信量，何以解決擁塞問題、避免拒絕服務攻擊和應對高速計算也是關鍵問題。另外，如今的協議和通信規則是站在人的角度為實現H2H設計的，而并非適用于T2T的應用。

3）兼容問題 物聯網發展百家齊鳴，產品之間是否能兼容，依賴于是否有統一的標準和協議。也正是因為沒有統一的標準，在很多方面帶來了資源浪費、發展受限、各自為戰等問題。

4）用戶的權益保障問題 主要包括應用層面的安全和隱私保護。更加互聯的網絡和便捷的接入，各類物聯網信息幾乎暴露于空氣之中，雖然有著各類的安全加密機制，但是絕對安全言之尚早。如何保障用戶的權益，將是物聯網發展中的主要絆腳石之一。

5 結束語

對于物聯網的研究，國際上幾乎所有有實力的國家都有了自己的規劃和發展路線，我國也制定了適合我國國情和技術現狀的研究、建設計劃和戰略。各國對物聯網的研究都有自己獨到的見解，努力研發，加強合作，把握機遇，實現信息化向智能化轉變。而物聯網技術涉及的是一個跨學科、跨專業的綜合領域，要攻克的技術難關也是綜合性、多方面的。

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