物聯網發展與關鍵技術研究綜述

馬巧梅

0 引言

物聯網被看作信息領域一次重大的發展和變革機遇。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。2009年以來，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，我國也將物聯網作為戰略性的新興產業予以重點關注和推進。

本文綜述了物聯網技術領域目前的研究狀況，從物聯網概念、基本特征、關鍵技術等方面，對物聯網技術的發展以及亟待需要解決的問題進行論述，以進一步探討物聯網未來的研究發展。

1 物聯網概念的提出與發展現狀

物聯網作為一個新興的信息技術領域，引起了各國政府、學者和相關企業的極大關注，其基本思想出現于20世紀90年代末。

1.1 概念的提出

物聯網的最初概念來源于美國麻省理工學院(MIT)，在1999年建立的自動識別中心(Auto-ID Labs)[1]提出的無線射頻識別(RFID)系統——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》[2]，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。

ITU在報告中指出，我們正站在一個新的通信時代的邊緣，信息與通信技術(ICT)的目標已經從滿足人與人之間的溝通，發展到實現人與物、物與物之間的連接，無所不在的物聯網通信時代即將來臨。物聯網使我們在信息與通信技術的世界里，對所有的物體得到一個重新的溝通方式，它將所有物品（商品）在任何地點、任何時間、連接任何人，即將萬物連接而就形成了物聯網[2]，如圖1所示：

圖1 物聯網結構圖

1.2 物聯網的基本特征

從通信對象和通信過程角度來看，物聯網技術的核心是物與物以及人與物之間的信息交互。物聯網的基本特征可概括為全面感知、可靠傳送和智能處理。

全面感知，指利用無線射頻識別、二維碼、傳感器等感知、捕獲、測量技術隨時隨地對物體進行信息采集和獲取。

可靠傳送，指通過將物體接入信息網絡，通過各種通信網絡，隨時隨地進行可靠的信息交互和共享。

智能處理，指利用各種智能計算技術，對海量的感知數據和信息進行分析并處理，實現智能化的決策和控制。

為了更清晰地描述物聯網的關鍵環節，按照信息科學的視點[3]，圍繞信息的流動過程，抽象出物聯網的信息功能模型，如圖2所示：

圖2 信息功能模型

1）信息獲取，指包括信息的感知和識別，信息感知，指對事物狀態及其變化方式的敏感和知覺；信息識別，指能把所感受到的事物運動狀態及其變化方式表示出來。

2）信息傳輸，指包括信息發送、傳輸和接收等環節，最終完成把事物狀態及其變化方式從空間(或時間)上的一點傳送到另一點的任務，這就是一般意義上的通信過程。

3）信息處理，指對信息的加工過程，其目的是獲取知識，實現對事物的認知以及利用已有的信息產生新的信息，即制定決策的過程。

4）信息施效，指信息最終發揮效用的過程，具有很多不同的表現形式，其中最重要的就是通過調節對象事物的狀態及其變換方式，使對象處于預期的運動狀態。

1.3 物聯網在國內外的發展現狀

ITU報告的推出，使得物聯網的發展被看作信息領域一次重大的發展和變革機遇，在全球范圍內得到了重視。一些發達國家紛紛將物聯網作為新興產業，并出臺戰略措施予以落實。

1)發達國家加快物聯網相關技術和產業的前瞻布局

2009年6 月18 日，歐盟執委會發表了《Internet of things—an action plan for Europe》[4]，描述了物聯網的發展前景，在世界范圍內首次系統地提出了物聯網發展和管理設想，并提出了12 項行動保障物聯網加速發展，標志著歐盟已經將物聯網的實現提上日程。

2009年10月13日，韓國通信委員會通過了《物聯網基礎設施構建基本規劃》[5]，將物聯網市場確定為新增長動力，提出了“通過構建世界最先進的物聯網基礎實施，打造未來廣播通信融合領域超一流信息通信技術強國”的目標，并確定了構建物聯網基礎設施、發展物聯網服務、研發物聯網技術、營造物聯網擴散環境4大領域和12項詳細課題。

以歐盟和韓國為代表的上述物聯網行動計劃的推出，標志著物聯網相關技術和產業的前瞻布局已在全球范圍內展開。2)我國將物聯網作為戰略性新興產業予以重點關注和推進

2009年8月7日，溫家寶總理視察無錫時提出“感知中國”理念，由此推動了物聯網概念在國內的重視，成為繼計算機、互聯網和移動通信之后引發新一輪信息產業浪潮的核心領域。2010年3月5日，溫家寶總理在《政府工作報告》將“加快物聯網的研發應用”明確納入重點產業振興。國務院、發展和改革委員會、工業和信息化部、科學技術部等都在研究制定促進物聯網產業發展的扶持政策，由此，推動了中國物聯網建設從概念推廣、政策制定、配套建設到技術研發的快速發展。

但是整體而言，中國的物聯網發展尚未走出“概念”階段，缺乏頂層藍圖規劃，科技與產業主攻方向不明。一些利益相關方爭相進行基于自身利益的解讀，可能使政府對物聯網技術和產業的支持方向和力度產生偏差，需盡快在國家層面盡快制定物聯網發展戰略和路線圖。

2 物聯網關鍵技術

物聯網是在計算機互聯網的基礎上,利用射頻自動識別(RFID,radio frequency identification)、無線數據通信等技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”，其核心技術之一就是RFID 技術。其實質是利用RFID技術，通過計算機互聯網實現物品(商品)的自動識別和信息的互聯與共享。在“物聯網”的基本構想中，標簽中存儲著規范而具有互用性的信息，通過無線數據通信網絡把它們自動采集到中央信息系統，實現物品(商品)的識別，進而通過開放性的計算機網絡實現信息交換和共享，實現對物品的“透明”管理。

2.1 物聯網的組成及工作原理

典型的物聯網由RFID系統、中間件Savant 系統和Internet系統組成，如圖3所示：

圖3 物聯網的組成

其中，RFID系統，包括RFID標簽(tag)、閱讀器(reader)及數據交換和管理系統(processor)軟件；中間件savant系統，包括Savant服務器、ONS(object naming service)服務器、PML(physical markup language)服務器及相應的數據軟件；Internet系統通常由計算機系統和網絡服務器等組成。

物聯網工作原理：物聯網系統中的RFID閱讀器可控制射頻模塊向標簽發射讀取信號，并接收標簽的應答信號，同時可對標簽的對象標識信息進行解碼，從而將對象標識信息連帶標簽上的其他相關信息傳輸到Savant系統以供處理。通常其工作頻段和標簽上頻率是一致的。

2.2 RFID 系統組成及工作原理

2.2.1 RFID系統組成

RFID技術是一種非接觸式的自動識別技術，通過無線射頻信號可以自動識別移動目標對象并獲取相關數據。它廣泛應用于交通、物流、安全、防偽等重要領域。

由于應用不同，RFID系統的組成會各有不同，但多數都由3部分組成，即標簽、閱讀器和后端數據庫。標簽，由耦合元件及芯片組成，其中包含帶加密邏輯；閱讀器，由射頻接口和控制單元組成，是負責讀取或寫入標簽信息的電子設備；后端數據庫，主要完成數據信息的存儲及管理。

2.2.2 RFID系統工作原理

RFID系統可以在標簽與閱讀器之間傳送數據。其工作原理，如圖4所示：

圖4 RFID系統工作原理

當標簽進入有效工作區域時產生感應電流，由閱讀器通過發射天線發送特定頻率的射頻信號，從而獲得能量被激活，使得標簽將自身編碼信息通過內置射頻天線發送出去；閱讀器的接收天線接收到從標簽發送來的調制信號，經天線調節器傳送到閱讀器信號處理模塊，經調解和解碼后將有效信息送至后端數據庫進行相關處理；數據庫系統根據邏輯運算識別該標簽的身份，針對不同的設定做出相應的處理和控制，最終發出指令信號控制閱讀器完成不同的讀寫操作。

3 物聯網的未來發展及待解決問題

隨著物聯網技術的進步和它的典型應用的逐步展開，我國的物聯網最有可能在標準化方面取得快速進步，典型應用領域不斷拓展[6]，如最可能從防入侵系統、智能交通系統、移動物聯網綜合應用系統、物流監控平臺等開始并不斷向其他領域擴展。關鍵技術逐漸成熟，管理機制得到規范，隱私保護與信息安全同步推進，商業模式借助應用成本降低等而合理化，信息無障礙取得階段性成果，最后實現理想的物聯網狀態。國內的物聯網將從“感知中國”開始，但“感知”只是第一步，其目的還在于感知后信息的應用，因此，“智慧中國”應是國內的物聯網下一階段更適宜的發展目標。目前北京郵電大學、南京郵電大學、東北大學等知名院校是物聯網研究的高校聚焦點。南京郵電大學還成立了物聯網與傳感網研究院和物聯網學院。

雖然物聯網技術在我國已經取得一些進步，但是還存在一些不足。

3.1 安全不易保證

在物聯網技術中，由于物體與物體之間的相互聯系緊密，甚至物體和人也相互連接在一起，所以如何保護好大量的數據及用戶隱私是我們需要亟待解決的問題。對于只讀標簽中的數據信息，如果沒有可靠安全機制，將無法很好的保密。對于可讀可寫標簽，還存在另一個隱患：標簽上的信息可能被攻擊者惡意篡改。如果標簽中的信息被竊取甚至惡意篡改，將帶來無法估量的損失。更好地研究標簽的加密技術是解決這些安全問題的唯一途徑。但目前只有少數RFID芯片才能夠處理復雜的安全加密技術。從國家安全的利益和角度考慮，應積極研制適合RFID芯片的加密技術。

3.2 標準不易制定

物聯網技術像其他各種技術一樣，也需要統一的標準或協議進行規范，也許不同的國家會有不同標準，如，目前移動通信具有3個國際標準。在目前還很難形成全世界統一的物聯網標準，也許物聯網發展今后只是一個區域或者是某些國家的物聯網。

3.3 規模不易形成

物聯網作為一個新型的技術，目前，雖然它的前景廣闊、發展相當快，但是其技術研發和應用都還處于初級階段，且成本還較高。雖然在一些小范圍也已實現了物聯網的技術應用實踐，如國內在上海建設的浦東機場防入侵系統、停車收費系統等重要項目，但是物聯網本身還沒有形成成熟的商業模式和廣泛的推廣應用，在完善政策環境、打破行業壁壘、降低成本、探索共贏模式等方面需要做出更多的努力。

4 總結

物聯網技術作為一個智能項目，世界各國都極為重視。我們相信當“物聯網”的構想成為現實的時候,世界上的萬事萬物無論何時、何地都能夠彼此相關、互相進行“交流”，那時整個世界的面貌就會為之煥然一新。正如2009年11月3日溫家寶總理在我國科技戰略會議上指出那樣：盡快實現物聯網關鍵技術的突破，將是實現我國在未來信息產業由戰略意義邁向產業領域的當務之急。

[1]Auto-ID Labs homepage.Http://www.autoidlabs.org/.

[2]International Telecommunication Union，Internet Reports 2005:The Internet of things［R］.Geneva:ITU，2005.

[3]鐘義信,周延泉,李蕾.信息科學教程［M］.北京:北京郵電大學出版社,2005:16-18.

[4]Commission of the European communities,COM (2009)278 final.Internet of things—an action plan for Europe,Brussels［EB/OL］.［2010-05-12］.http://ec.europa.eu/information_society/policy/rfid/documents/commiot20 09.pdf.

[5]韓國信息通信.韓國計劃至2012年構建“物聯網”基礎設施［EB/OL］.［2010-05-18］.http://www.c114.net/news/17/a450913.html.

[6]樊雪梅..物聯網技術發展的研究與綜述[J].計算機測量與控制,2011:19(5).