智慧城市的支撐技術：物聯網技術

文│ 北京郵電大學 蘆效峰

中國電信昆山分公司 景培榮

1 物聯網的概念

1999年提出的“物聯網”（Internet of Things），指的是將各種信息傳感設備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等種種裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡。其目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起，系統可以自動地、實時地對物體進行識別、定位、追蹤、監控并觸發相應事件，實現人與物、物與物的信息交互和生產生活信息流的無縫鏈接，進而達到對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。智慧城市用物聯網延伸到人與人、人與物、物與物的信息交互，而物聯網讓城市的信息獲取隨手可得。

“物聯網”概念的問世，打破了傳統思維，以往的概念一直是將物理基礎設施和IT基礎設施分開：一邊是機場、公路、建筑物；而另一邊是數據中心、個人電腦、寬帶等。而在“物聯網”時代，鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統一的基礎設施。在此意義上，基礎設施更像是一塊新的地球工地，世界的運轉就在它上面進行，其中包括經濟管理、生產運行、社會管理乃至個人生活。

2005年國際電信聯盟（ITU）發布了《ITU報告2005：物聯網》。報告指出，無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網主動進行信息交換，射頻識別技術（RFID）、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將得到更加廣泛的應用。

2009年2月24日IBM公司提出，IT產業下一階段的任務是把新一代IT技術充分運用在各行各業之中，具體地說，就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道等各種物體中，并且將之普遍連接，形成物聯網。

2 物聯網的網絡體系與服務體系

物聯網的架構通常認為有三個層次：底層是感知層，也就是傳感網絡；中間層是網絡層，即數據傳輸的網絡通道；上層則是應用層。實際上，將信息的傳輸和處理放在同一層次，或者將處理和應用放在同一層次，限制了信息的處理范圍，構成了單點的閉環應用，不利于不同應用之間以及不同物品之間的資源共享和復用。因此，在當前階段，人們更加傾向于將信息的傳輸和處理分開，將通用、公共的信息處理部分獨立出來，作為物聯網基礎設施，可以供多個應用共同使用。這樣，物聯網架構被劃分為四個層次：感知層、傳輸層、智能層和應用層，分別承擔“感”、“傳”、“智”、“用”的任務。

（1）感知層面。感知層主要負責識別物體，采集信息。感知層的工作需要依靠一些終端設備來完成，如二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、各種傳感器等。以農業應用為例，常用的終端設備包括溫度和濕度傳感器、CO2探測傳感器、光照度傳感器、土壤養分傳感器等。由于終端設備類型多樣，各類設備輸出的信號類型、使用的傳輸接口、生成的數據格式都不盡相同，而面對物聯網所期望的物物相聯，需要設備信息的共享和交換，因此如何規范化各種傳感器的輸出數據，讓使用者能夠識別這些數據是一項重要工作。

（2）傳輸層面。傳輸層主要負責信息傳遞。當前的主流技術包括：通信網絡、無線專網、互聯網及融合網絡。以當前的農業物聯網應用為例，傳輸網絡的建設通常采用兩種方式，一種是由電信、移動、聯通三大運營商提出的3G+WLAN組網模式，另一種是利用Wi-Fi技術組建的無線寬帶接入網絡。傳輸層的目標是能夠滿足大量、實時傳感數據的傳輸需求，而這也是傳輸層面臨的一大挑戰。據北京市智能交通應用的試驗數據，面對200個節點的攝像頭終端，傳統的網絡傳輸技術就已經不堪重負。因此，設計新型的網絡體系結構，提高網絡帶寬，以保證大量數據的實時傳輸是一項重要工作。

（3）智能層面。智能層主要通過對傳感信息的動態匯聚、分解、合并等處理和服務，在數字/虛擬空間內創建物理世界所對應的動態視圖。一方面，對物聯網建設中涉及的各類傳感設備進行一體化管理，實現傳感器技術標準的統一，提高傳感器的共享利用程度，避免傳感信息的重復采集；另一方面得到的數據和信息提供存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數據決策和行為的基礎服務。智能層的功能是融合在網絡層與應用層之中。

（4）應用層。物聯網技術可以應用到人們的生產與生活中，例如基于物聯網的農業大棚種植、基于物聯網的智能大廈、基于物聯網的電力管理、基于物聯網的智能家居、基于物聯網的智能交通、基于物聯網的遠程醫療、公共監控、公共安全管理、城市管理等。

3 RFID技術

RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動識別技術，它利用射頻信號通過空間電磁耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實現物體識別。

RFID是一種能夠讓物品“開口說話”的技術，也是物聯網感知層的一個關鍵技術。在物聯網的應用中，RFID標簽中存儲著規范而具有互用性的信息，通過有線或無線的方式把它們自動采集到中央信息系統，實現物品的識別，通過通信網絡或計算機網絡實現信息匯聚和共享。

RFID系統主要由三部分組成：電子標簽（Tag）、讀寫器（Reader）和天線（Antenna）。其中，電子標簽芯片具有數據存儲區，用于存儲待識別物品的標識信息；讀寫器一般是一臺內含天線和芯片解碼器的讀寫設備，可設計為手持式或固定式；讀寫器將約定格式的待識別物品的標識信息寫入電子標簽的存儲區中（寫入功能），或在讀寫器的閱讀范圍內以無接觸的方式將電子標簽內保存的信息讀取出來（讀出功能），從而達到自動識別的目的。通常讀寫器與電腦相連，所讀取的標簽信息被傳送到電腦上進行下一步處理。天線用于發射和接收射頻信號，往往內置在電子標簽和讀寫器中。

RFID是一種利用電磁能量實現自動識別和數據捕獲技術，可以提供無人看管的自動監視與報告作業。當裝有電子標簽的物體接近微波天線時，閱讀器受控發出微波查詢信號。安裝在物體表面的電子標簽收到經微波天線發出的查詢信號后，根據查詢信號中的命令要求，將標簽中的數據信息反射回微波天線。微波天線接收到電子標簽反射回的微波合成信號后，經閱讀器內部微處理器處即可將電子標簽中的識別代碼等信息分離出來。這些識別信息作為物體的特征數據被傳送到控制計算機作進一步處理，從而完成與物體有關的信息查詢、統計、管理等應用。

采用RFID的整個識別工作無須人工干預，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，并且閱讀器能自行判斷RFID標簽是否被重復讀取處理。RFID技術的這些功能特性很適合流水線上產品的控制，以實現流水作業管理，得以使整個流水線管理自動化。

4 無線傳感器網絡

傳感器是機器感知物質世界的“感覺器官”，可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號，為網絡系統的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。在物聯網系統中，對各種參量進行信息采集和簡單加工處理的設備，被稱為物聯網傳感器。傳感器可以獨立存在，也可以與其他設備以一體方式呈現，但無論哪種方式，它都是物聯網中的感知和輸入部分。在未來的物聯網中，傳感器及其組成的傳感器網絡將在數據采集前端發揮重要的作用。

隨著科技技術的不斷發展，傳統的傳感器正逐步實現微型化、智能化、信息化、網絡化，正經歷著一個從傳統傳感器（dumb sensor）→智能傳感器（smart sensor）→嵌入式Web傳感器（embedded web sensor）的內涵不斷豐富的發展過程。智能傳感器帶有微處理器，本身具有采集、處理、交換信息的能力，具備數據精度高、高可靠性與高穩定性、高信噪比與高分辨力、強自適應性、低價格性能比等特點。

具有無線傳輸能力的傳感器可以組成無線傳感器網絡（WSN，wireless sensor network）。無線傳感器網絡是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術于一體的網絡信息系統，以其低成本、微型化、低功耗和靈活的組網方式，以及適合移動目標等特點受到廣泛重視，是關系國民經濟發展和國家安全的重要技術。物聯網正是通過遍布在各個角落和物體上形形色色的傳感器以及由它們組成的無線傳感器網絡，來最終感知整個物質世界的。

無線傳感器網絡節點的基本組成包括如下幾個基本單元：傳感單元（由傳感器和模數轉換功能模塊組成）、處理單元（包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等）、通信單元（由無線通信模塊組成）以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統、移動系統以及電源自供電系統等。在傳感器網絡中，節點可以通過飛機布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知對象內部或者附近。這些節點通過自組織方式構成無線網絡，以協作的方式實時感知、采集和處理網絡覆蓋區域中的信息，并通過多條網絡將數據傳輸至匯聚節點，匯聚節點將整個區域信息傳送到遠程控制管理中心。另一方面，遠程管理中心也可以對網絡節點進行實時控制和操縱。

5 二維碼技術

二維條碼/二維碼（2-dimensional bar code）是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形來記錄數據信息的。二維碼在代碼編制上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的0、1比特流的概念，使用若干個與二進制相對應的幾何形體來表示文字數值信息，通過圖象輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息自動處理。

二維碼與一維條形碼相比，二維碼有著明顯的優勢，歸納起來主要有以下幾個方面：數據容量更大，二維碼能夠在橫向和縱向兩個方位同時表達信息，因此能在很小的面積內表達大量的信息；超越了字母數字的限制；條形碼相對尺寸小；具有抗損毀能力。此外，二維碼還可以引入保密措施，其保密性較一維碼要強很多。