物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)與核心技術(shù)

張海濤， 張永奎

（山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西太原 030031）

0 引 言

“物聯(lián)網(wǎng)”（Internet of Things，IOT）顧名思義中文意思就是物體聯(lián)接的網(wǎng)絡(luò)，英文意思就是物體的互聯(lián)網(wǎng)，指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，方便識別和管理［1］。之所以稱物聯(lián)網(wǎng)將會成為全球信息產(chǎn)業(yè)的第三次科技與經(jīng)濟(jì)浪潮，是有理論依據(jù)的。IBM前首席執(zhí)行官郭士納提出一個重要的觀點(diǎn)：計算模式每隔15年發(fā)生一次變革。這是一個被普遍接受的重要觀點(diǎn)，人們把它稱為“十五年周期定律”，這一判斷就像摩爾定律一樣準(zhǔn)確［2］。1965年以后是以系統(tǒng)性為特征的大型機(jī)時代；1980年以后是以獨(dú)立性為特征的個人機(jī)時代；1995年以后是以共同性為特征的互聯(lián)網(wǎng)時代；2010年以后將以擬人性為特征的物聯(lián)網(wǎng)時代。由以上時間段不難看出，每隔15年IT領(lǐng)域都會有質(zhì)的進(jìn)展和突破，同時在應(yīng)用領(lǐng)域也會發(fā)生巨大的變化。物聯(lián)網(wǎng)正是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的下一個巨大的變革。各國政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界都對物聯(lián)網(wǎng)采取非常重視的態(tài)度，而且已經(jīng)有很多國家、組織很早就開展了物聯(lián)網(wǎng)的研究并持續(xù)到現(xiàn)在。預(yù)計到2020年物聯(lián)網(wǎng)會達(dá)到一個前所未有的成熟階段，到那時會引發(fā)怎樣的社會變革，我們拭目以待。

1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的起源

1998年，美國麻省理工大學(xué)（MIT）的Sarma，Brock，Siu創(chuàng)造性地提出將信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與RFID技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，即利用全球統(tǒng)一的物品編碼EPC（Electronic Product Code）作為物品標(biāo)識，利用RFID實(shí)現(xiàn)自動化的“物品”與internet的聯(lián)接，無需借助特定系統(tǒng)，即可在任何時間、任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對任何物品的管理。1999年，由美國統(tǒng)一代碼委員會（UCC）吉列和寶潔等組織和企業(yè)共同出資，在美國麻省理工大學(xué)成立Auto－ID Center，在隨后的幾年中，英國、澳大利亞、日本、瑞士、中國、韓國等6所大學(xué)相繼加入Auto－ID Center，對“物聯(lián)網(wǎng)”相關(guān)研究進(jìn)行分工合作，開展系統(tǒng)化研究，提出最初物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)：射頻標(biāo)簽、識讀器、Savant軟件、對象名稱解析服務(wù)（ONS）、實(shí)體標(biāo)記語言服務(wù)器（PML－Server）。2003年11月1日，國際物品編碼組織（GS1）出資正式接管EPC系統(tǒng)，并組成EPC Global進(jìn)行全球推廣和維護(hù)。與此同時，原6所大學(xué)的Auto－ID實(shí)驗室轉(zhuǎn)到EPC Global下的技術(shù)組，作為EPC實(shí)驗室，繼續(xù)對EPC系統(tǒng)的應(yīng)用提供技術(shù)支持，提出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)：EPC編碼、EPC標(biāo)簽、讀寫器、中間件、對象名稱解析服務(wù)（ONS）、EPC信息服務(wù)（EPCIS）［3］。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的定義

1．2．1 物聯(lián)網(wǎng)概念的由來

1999年在美國召開的移動計算和網(wǎng)絡(luò)國際會議上首先提出物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）這個概念。1999年MIT Auto－ID中心的Ashton教授在研究RFID時最早提出了結(jié)合物品編碼、RFID和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的解決方案，這個方案就是物聯(lián)網(wǎng)概念的雛形?；诨ヂ?lián)網(wǎng)、RFID技術(shù)、EPC標(biāo)準(zhǔn)，在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識別技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等構(gòu)造了一個實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時共享的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)“Internet of Things”（簡稱物聯(lián)網(wǎng)）?，F(xiàn)在較為普遍的理解是，物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。廣義的物聯(lián)網(wǎng)含義是利用條碼、射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物在任何時間、任何地點(diǎn)的連接（anything，anytime，anywhere），從而進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的龐大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1．2．2 物聯(lián)網(wǎng)名詞術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)化

為了更好地認(rèn)識和研究物聯(lián)網(wǎng)，有必要搞清楚泛在網(wǎng)、傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系。

泛在網(wǎng)是指基于個人和社會的需求，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進(jìn)行的信息獲取、信息傳遞、信息存儲、信息處理，具有環(huán)境感知、內(nèi)容感知能力和智能性，為個人和社會提供泛在的、無所不含的信息服務(wù)和應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)是指通過部署具有一定感知、計算、執(zhí)行和通信等能力的各種設(shè)備，獲得物理世界的信息，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸、協(xié)同和處理，從而實(shí)現(xiàn)廣域的人與物、物與物之間信息交換的互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。

傳感網(wǎng)通過有線或近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相互連接、交換傳送傳感數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)。

泛在網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 泛在網(wǎng)、傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

泛在網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)的特征

全面感知、可靠傳輸、智能處理是物聯(lián)網(wǎng)的主要特征。全面感知是指利用RFID、傳感器、二維碼等能夠隨時隨地采集物體的動態(tài)信息。包括對物體靜態(tài)數(shù)據(jù)及屬性的感知：RFID、紅外感應(yīng)器、激光掃描、二維碼等；對物體固定屬性的動態(tài)感知：傳感器網(wǎng)、GPS等；對環(huán)境模糊信息的感知：視頻探頭等。RFID、無線傳感網(wǎng)、視頻探測三者均屬于應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的末端感知環(huán)節(jié)，且具有很強(qiáng)的協(xié)作性和互補(bǔ)性，而這種協(xié)作性和互補(bǔ)性將不僅實(shí)現(xiàn)更為透徹的感知，而且將極大提高更加準(zhǔn)確的信息感知［4］?？煽總鬏斒侵竿ㄟ^網(wǎng)絡(luò)將感知的各種信息進(jìn)行實(shí)時傳達(dá)。智能處理是指利用計算機(jī)技術(shù)，及時地對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息控制，真正達(dá)到人與物、物與物的溝通。

物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 泛在網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖3 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的四層體系結(jié)構(gòu)自上而下為：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、信息采集層、編碼層。應(yīng)用層是構(gòu)建在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)之上的應(yīng)用系統(tǒng)，包括商業(yè)貿(mào)易、物流、農(nóng)業(yè)、軍事等不同的應(yīng)用系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)層即進(jìn)行信息交換的通信網(wǎng)絡(luò)，包括有Internet，WIFI網(wǎng)以及無線通信網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)。信息采集層的主要任務(wù)是通過包括條碼、射頻識別、無線傳感器、藍(lán)牙等在內(nèi)的自動識別與近場通信技術(shù)獲取物品編碼。編碼是物品、設(shè)備、地點(diǎn)、屬性等的數(shù)字化名稱。編碼層是物聯(lián)網(wǎng)的基石，是物聯(lián)網(wǎng)信息交換內(nèi)容的核心和關(guān)鍵字［5］。中國物聯(lián)網(wǎng)有四大產(chǎn)業(yè)支柱群，各有側(cè)重。

RFID：物聯(lián)網(wǎng)概念是1999年MIT Auto－ID中心主任Ashton教授提出來的，中國股票市場橫空出世的物聯(lián)網(wǎng)概念股5虎都是做RFID或智能卡的公司。

傳感網(wǎng)：以研究人員為主體，也包括一些儀器儀表業(yè)界的公司，這也是溫總理“感知中國”提法的主要依據(jù)。

M2M：中國三大通訊運(yùn)營商早已開展M2M業(yè)務(wù)，關(guān)注末端設(shè)備的互聯(lián)和集控管理。

兩化融合：自動控制、工業(yè)信息化行業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)群。

業(yè)界以上四類人群對物聯(lián)網(wǎng)解讀不同，但對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈劃分趨于一致，即DCM三層體系，或三層架構(gòu)（感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層）。感知層包括上面提到的信息采集層和編碼層［6］。

物聯(lián)網(wǎng)在智慧星球中所處的位置如圖4所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)在智慧星球中所處的位置

2 物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)（RFID）

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別過程不需要人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。RFID技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享。RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、閱讀器和天線3個模塊組成。電子標(biāo)簽（tag）由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象。閱讀器（Reader）：讀?。ㄓ袝r還可以寫入）標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。天線（Antenna）：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。RFID技術(shù)的工作原理不太復(fù)雜。標(biāo)簽進(jìn)入系統(tǒng)激發(fā)的磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，利用感應(yīng)電流所獲得的能量輻射出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理［7］。由于電子標(biāo)簽主要負(fù)責(zé)存儲物品的相關(guān)信息，在制造工藝上應(yīng)保證存儲芯片的穩(wěn)定和可靠。有時標(biāo)簽的工作環(huán)境比較惡劣，如在蔬菜大棚里，需要考慮溫度、濕度、光照等因素對存儲芯片的影響，保證數(shù)據(jù)不會丟失。RFID技術(shù)可同時識別多個標(biāo)簽，要保證每個標(biāo)簽都要被檢測和識別出來，不能遺漏。同時還要保證同一個標(biāo)簽不會被識別二次以上，否則勢必會帶來錯誤的結(jié)果。無源標(biāo)簽是非常重要的一個特點(diǎn)。如果給每個物體都裝上無源電子標(biāo)簽，必定會節(jié)省巨大的能源。在全球能源日益短缺的形勢下，無源標(biāo)簽是大勢所趨。即使有源標(biāo)簽也要保證要有足夠長的續(xù)航時間。天線負(fù)責(zé)收發(fā)各種有用信號，如何在低功耗的前提下，有效收發(fā)信息成為天線技術(shù)研究的重點(diǎn)。RFID的工作頻率按照由低到高可分為低頻、高頻、超高頻和微波。每個頻率段都有不同的標(biāo)準(zhǔn)及特性，從而有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。安全問題一直就是信息領(lǐng)域非常重要的問題，RFID技術(shù)也不例外。如何保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸呀?jīng)成為一個必須要克服的難題。

綜上所述，RFID的技術(shù)難點(diǎn)與問題可以概括為如下4個方面：

1）RFID反碰撞防沖突問題；

2）RFID天線研究；

3）工作頻率的選擇；

4）安全與隱私問題。

RFID系統(tǒng)工作示意圖如圖5所示。

圖5 RFID系統(tǒng)工作示意圖

2.2 物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)（WSN）

傳感器是機(jī)器感知物質(zhì)世界的感覺器官，就像人類的五官、四肢和皮膚一樣，可以感知熱、力、光、聲、位移等非電信號，并將這些非電信號轉(zhuǎn)換為電信號，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸、處理、分析和反饋提供最原始的信息。

WSN（Wireless Sensor Network）即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式組成的一個可以自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是配合感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感應(yīng)對象的信息，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用。自組織是WSN的一個重要特點(diǎn)，因為WSN有大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，而且傳感器狀態(tài)、位置、數(shù)量等都可能隨時發(fā)生變化，甚至有些傳感器節(jié)點(diǎn)工作在惡劣的環(huán)境下極有可能損壞，也就是說網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時可能發(fā)生變化。這就對網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性或自組織能力提出較高的要求。理想的WSN應(yīng)該是在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時，在沒有人工干預(yù)的情況下能自動、快速、合理地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的重組，保證數(shù)據(jù)信息的傳輸和交換。通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動的，傳感器具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等十分有限。如何讓全部的傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，最大地發(fā)揮出WSN信息傳輸和處理的能力也是需要解決的技術(shù)難題。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要目標(biāo)是提高服務(wù)質(zhì)量和提高帶寬利用效率，其次才考慮節(jié)約能源；而WSN的首要目標(biāo)是能源的高效利用，這也是WSN和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。由以上分析可知，WSN是一個大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)、可靠的網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)［8］。

WSN在無線通信框架中的位置如圖6所示。

圖6 WSN在無線通信框架中的位置

RFID側(cè)重于識別，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的標(biāo)識和管理，同時RFID系統(tǒng)具有讀寫距離有限、抗干擾性差、實(shí)現(xiàn)成本較高的不足；WSN側(cè)重于組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，具有部署簡單，實(shí)現(xiàn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但一般WSN并不具有節(jié)點(diǎn)標(biāo)識功能。RFID與WSN的結(jié)合存在很大的契機(jī)。RFID與WSN可以在兩個不同的層面進(jìn)行融合：1）物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下RFID與WSN的融合；2）傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下RFID與WSN的融合。

3 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)研究對于我國物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和下一代信息技術(shù)發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會價值。文中從物聯(lián)網(wǎng)的概念引出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，詳細(xì)介紹了物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和面臨的5個主要技術(shù)問題，以及物聯(lián)網(wǎng)的兩個核心技術(shù)：RFID（射頻識別技術(shù)）和WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）。文中主要從學(xué)術(shù)研究的角度對物聯(lián)網(wǎng)的概念，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中一些重要共性問題進(jìn)行了思考。指出當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)和尚需研究的問題，為我國物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展提供參考。

［1］ 鄔賀銓．物聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)和綜述［J］．重慶郵電大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，22（5）：526－527．

［2］ 寧煥生，張瑜，劉芳麗，等．中國物聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)系統(tǒng)研究［J］．電子學(xué)報，2006，34（12A）：2515－2517．

［3］ 王保云．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述［J］．電子測量與儀器學(xué)報，2009，23（12）1－5．

［4］ 石軍．“感知中國”促進(jìn)中國物聯(lián)網(wǎng)加速發(fā)展［J］．通信管理與技術(shù)，2009（5）：1－3．

［5］ 寧煥生，張彥．與物聯(lián)網(wǎng)－射頻、中間件、解析與服務(wù)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2008．

［6］ 寧煥生，王炳輝．RFID重大工程與國家物聯(lián)網(wǎng)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［7］ 劉志峰，張宏海．基于RFID技術(shù)的EPC全球網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建［J］．計算機(jī)應(yīng)用，2005，25（s1）：14－15，19．

［8］ 孫利民，李建中，陳渝，等．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005．