物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術研究及其應用

陳可睿

1 引言

21世紀以來，隨著全球一體化以及信息技術多元化的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)成為一面引領電子科技爆炸式時代的旗幟。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，使人們的生活和科技更好的聯(lián)系在了一起，有效改善了物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)以前生產(chǎn)力水平較低和信息交流困難的問題。2010年全國召開兩會并在會上明確說明要將物聯(lián)網(wǎng)作為重要的發(fā)展戰(zhàn)略之一以推動經(jīng)濟發(fā)展；2011年國家政府更是將物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展列入十二五規(guī)劃中。物聯(lián)網(wǎng)技術的問世，改變了人們對于信息交流的認知，打破了以前信息交流的障礙。

物聯(lián)網(wǎng)技術[1]指將物品的信息通過傳感器或射頻裝置或條形碼二維碼形式使物與物之間形成聯(lián)系，然后將這種聯(lián)系利用互聯(lián)網(wǎng)技術，形成一個智能網(wǎng)絡。基本原理是根據(jù)信息識別技術和空間耦合傳輸?shù)奶匦詠韺崿F(xiàn)對物品的識別和管理工作。依托RFID技術或傳感器技術，將傳統(tǒng)技術和新型IT技術有效的結合到了一起，從而實現(xiàn)更快速，更準確數(shù)據(jù)傳輸。同時，物聯(lián)網(wǎng)還憑借著其本身強大的處理能力，獲取信息能力和管理能力，實現(xiàn)了穩(wěn)定性更高，實時監(jiān)控，具有針對性的優(yōu)勢。

如今，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)應用在工作、生產(chǎn)等各個方面：處處可見的條形碼和二維碼，公路運輸網(wǎng)中被廣泛使用的ETC，主要利用了RFID技術的信息傳輸功能；智能家居，智能安防，航空航天，交通管理等部門中，物聯(lián)網(wǎng)也是扮演著必不可少的角色。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術將在目前發(fā)展的狀態(tài)下，進一步引領科技的浪潮，推動全球經(jīng)濟的發(fā)展。

2 物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術

信息技術的發(fā)展使得人們對物體的了解認知以及監(jiān)控管理有了更多的要求，這樣導致物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，其中最主要的是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術，物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術主要分為四類[2]，一是RFID技術，二是傳感器技術，三是M2M技術，四是云計算技術。

2.1 RFID技術

RFID是射頻識別技術，通過電磁波獲取信息并傳輸信息最終反饋到處理器上進行信息處理，從而快速的實現(xiàn)身份驗證和信息獲取[3]。RFID技術由三部分構成：閱讀器，電子標簽和天線。

（1）電子標簽是整個系統(tǒng)信息的主要載體，由芯片和耦合元器件組成。每個標簽都有它獨特的映射介質。而這些編碼都有它的容量。標簽一般展現(xiàn)于被檢測的物體的外表，當標簽進入讀寫器范圍時，就會根據(jù)電感耦合原理從讀寫器給標簽一個電信號，從而激活標簽工作。標簽再將信息傳送給讀寫器。

（2）閱讀器主要用來閱讀信息和改寫信息。其基本原理是將從電子標簽反饋過來的電子信號轉化為數(shù)字信號，然后再通過閱讀器中的處理單元對信號進行加工處理，最后通過交互將處理過的信號傳遞給上層應用層的應用軟件，實現(xiàn)信息的傳遞。閱讀器有兩種形式，一是手持式，應用實例就是超市掃碼器；二是固定式，應用實例就是公交車刷卡器。

（3）天線主要用來在閱讀器和標簽之間傳遞射頻信號。天線有的鑲嵌在RFID標簽中，有的以內置的方式存在于讀寫器間，或是可以直接與射頻輸出端口相連，從而實現(xiàn)信號的傳遞。

RFID技術主要體現(xiàn)在接收和發(fā)送兩種過程，如圖1所示。第一種，裸露在外的電子標簽在被掃描的時候主動向閱讀器發(fā)送信號，芯片負責進行邏輯運算，天線用于發(fā)送射頻信號和閱讀器通信，閱讀器收到信號后傳送數(shù)據(jù)給計算機系統(tǒng)進行解析和存儲。第二種，閱讀器從存儲器中獲取需要發(fā)送給標簽的詳細信息，然后由閱讀模塊和天線交互，通過天線發(fā)送射頻信號將具體信息發(fā)送給電子標簽。

圖1 RFID工作原理圖

2.2 傳感器技術

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術必不可少的技術之一，是新時代新需求對物體監(jiān)控管理重要的一部分。如果把處理系統(tǒng)比作人類的大腦，那么傳感器就是人的感官系統(tǒng)，將收到的信號經(jīng)過處理后發(fā)送到計算機上。其工作原理就是將傳感器大量的布置在需要監(jiān)測數(shù)據(jù)的環(huán)境中，它們之間會形成自組織的無線網(wǎng)絡[4]。將一個傳感器都被當做一個節(jié)點，它可以獨立地工作，也可以和其他節(jié)點共同構成網(wǎng)絡聯(lián)系，再將共同的信號傳輸?shù)郊Y點上。當外界條件發(fā)生改變時，傳感器就會感知到這些變化，進而將信號傳輸?shù)郊Y點上，然后信號從集結點被傳送到電子計算機上進行處理。

傳感器技術是多部門多學科結合到一起的高新科技技術，其將物理，化學，生物，統(tǒng)計，光熱，電信號等學科有效且高效地結合到一起，因此它被應用于多個領域，常被用來監(jiān)測不同環(huán)境下不同的物理量，化學量，生物量，比如濕度、溫度、光照、壓力、體內指標、溶液濃度等，它還具有隱蔽性高，廉價，容易部署等特點，因此也被廣泛的運用于軍事領域中。如今的傳感器技術，趨向于集成化，智能化，微型化，信息化，正在逐漸邁向更高深更智能的領域——生物傳感器。因此，傳感器技術的發(fā)展對于物聯(lián)網(wǎng)技術的廣泛應用起到推波助瀾的關鍵作用。

2.3 網(wǎng)絡通信技術

即使感知層多么發(fā)達，沒有一個好的傳輸通訊層也是發(fā)揮不了作用的。因此，作為信息在物物之間聯(lián)系的紐帶，網(wǎng)絡通訊技術應用而生。而它也分為很多種類，比如互聯(lián)網(wǎng)應用技術、無線傳感技術、2G，3G，4G網(wǎng)絡通信技術等。其中，最為關鍵的，就是M2M技術。

M2M是英文（Machine-To-Machine）的簡稱，就是實現(xiàn)機器與其他機器或人之間的溝通聯(lián)系互相交流。具體通過各種無線網(wǎng)絡技術，將機器和人組成一個巨大的網(wǎng)絡，這個網(wǎng)絡可以實現(xiàn)資源信息之間的共享，從而將信息從一個“物”上轉移到另一個“物”上。但M2M并不是簡單的人為地數(shù)據(jù)運輸，而是通過智能化交互化實現(xiàn)機器與機器之間的主動通訊[4]。

M2M有很廣闊的發(fā)展空間，如今其就被廣泛應用于智能查表、車載導航等行業(yè)，隨著計算機和移動設備越來越普及，M2M也會越來越科技化前衛(wèi)化。但如今需要解決的問題，就是如何保證網(wǎng)絡的覆蓋性和可靠性及如何創(chuàng)作出更標準的M2M平臺供人使用。

2.4 云計算技術

云計算(Cloud Computing)技術[5]是一種高效利用閑置資源的新型計算模式。用了虛擬化技術將物理資源虛擬成為軟件資源，形成了多種資源池，這樣可以提供按需交付、靈活彈性、集中規(guī)模、自由調度、安全管理等多種功能。適應了當代企業(yè)和用戶對大規(guī)模數(shù)據(jù)計算，復雜邏輯處理的迫切要求。通過利用云計算技術，可以大大降低對資源使用的成本，提高資源靈活性和可用性。

目前，國外的云計算公司有谷歌云、亞馬遜云、微軟云等，國內的有阿里云，百度云，騰訊云，華為云等，這些云計算廠商都已經(jīng)完全掌握云計算技術并已經(jīng)能夠達到商用的良好性能。目前開源的云計算也非常多，主要流行的是OpenStack。OpenStack開發(fā)速度非常快，社區(qū)也很活躍，發(fā)展非常順利。

根據(jù)上述RFID技術，傳感器技術，網(wǎng)絡通信技術，云計算技術四種技術，分析和總結其關鍵作用，特點，技術難點，應用領域，具體內容表1可見如下：

表1 物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術比較

3 物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧交通中的應用設計

隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計算的發(fā)展，將這兩方面的傳感技術、通信傳輸技術、信息網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)處理技術恰到好處的集成，并應用到整個城市交通中，會形成智慧交通的新局面。在交通網(wǎng)絡中，各種情況錯綜復雜，人為指揮難以應對及時，也很難處理得當。但是利用物聯(lián)網(wǎng)技術可以將各要素實現(xiàn)互聯(lián)，對所有交通信息的進行綜合處理，將道路、駕駛員、車輛、乘客及相關的交通服務部門等多種因素互連起來，使整個交通體系智能化。 接下來本文將會設計基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧交通的系統(tǒng)架構、智慧交通主要的系統(tǒng)模塊并設想相關應用場景。

3.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧交通系統(tǒng)架構

智能交通系統(tǒng)是利用先進的電子技術、通信技術、計算機控制技術進行信息的采集、處理、分析、交換、應用，提供多樣化的服務，通過移動計算、智能識別、數(shù)據(jù)融合、云計算等技術的應用解決海量數(shù)據(jù)存儲和處理等技術難題，從而形成智慧交通系統(tǒng)。智慧交通系統(tǒng)從整體架構上可以分為感知層、傳輸層、支撐層、應用層四個層次。

（1）感知層，感知層主要利用RFID技術、傳感器網(wǎng)絡、二維碼技術、實時定位和無線通信等技術進行數(shù)據(jù)采集、收集并實時、準確的監(jiān)測交通信息。

（2）傳輸層，傳輸層主要通過移動網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、Internet、衛(wèi)星等通信設施將感知層所采集信息運輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，供支撐層進行數(shù)據(jù)的處理和分析。

（3）支撐層，支撐層是在管理系統(tǒng)、智能處理、云計算及數(shù)據(jù)庫等資源下，實現(xiàn)海量信息的并行處理及優(yōu)化，存儲資源動態(tài)配置和部署。

（4）應用層，通過信息存貯與處理系統(tǒng)、綜合控制系統(tǒng)對信息進行管理，將信息以多樣化的方式展現(xiàn)到用戶面前，方便用戶進行決策和開展業(yè)務。

3.2 智慧交通主要系統(tǒng)模塊

（1）數(shù)據(jù)采集與收集系統(tǒng)

隨著射頻識別采集器、雷達檢測器、GPS導航等高新科技的應用，城市交通信息的采集更加快捷準確，這為交通高效調度和智慧交通控制系統(tǒng)提供了更加實時精確的信息數(shù)據(jù)。

所有交通信息采集裝置構成了交通信息采集系統(tǒng)。因為采集的信息包括車輛速度信息、音頻視頻信息、位置信息、車輛流量信息等多種形式，所以信息的收集、整合和處理是智慧交通最為基礎也是最為重要的一部分。

（2）信息傳輸系統(tǒng)

將采集來的交通信息，運用有線信息傳輸和無線信息傳輸方式，根據(jù)特定網(wǎng)絡情況（如電視網(wǎng)、通訊網(wǎng)、計算機網(wǎng)等）實現(xiàn)交通信息傳輸，此過程中要保證信息的及時性、準確性、安全性。

（3）交通信息存貯與處理系統(tǒng)

信息采集并傳輸過后，必須建立相應的存儲系統(tǒng)，并運用相關技術對信息進行分析、歸類、整理，并根據(jù)分析結果做出相應決策。

（4）信息發(fā)布與控制系統(tǒng)

根據(jù)信息收集、傳輸、處理、分析后的決策，為交通出行提供各種信息安全服務，如交通信息發(fā)布系統(tǒng)、最佳交通導引系統(tǒng)、停車庫空位信息系統(tǒng)、交通信號燈控制系統(tǒng)、交通安全控制系統(tǒng)、緊急事故處理系統(tǒng)等。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)在智慧交通中應用場景

（1）城市公共交通，城市公共交通是智慧交通的重要領域，建立城市交通”一卡通”系統(tǒng)，實現(xiàn)公交車、出租車、私家車多種城市交通消費一體化；建立智能公交調度系統(tǒng)，利用RFID、GPS、車內視頻監(jiān)控、人像識別等技術掌握實時信息，來合理規(guī)劃和調度交通資源，也方便乘客更高效的安排出行。

（2）電子收費，ETC（Electronic Toll Collection）即電子不停車收費系統(tǒng)，是目前世界上最先進的路橋收費方式，物聯(lián)網(wǎng)技術可以加快路橋收費站車輛通車速度，加快效率、減輕或避免車輛在收費用站口擁堵問題。

（3）物流信息化，物流領域是物聯(lián)網(wǎng)技術最具有現(xiàn)實意義的應用領域，通過道路運輸GIS系統(tǒng)定位跟蹤和運輸導航、4G網(wǎng)絡、RFID提供廣域移動車載通信手段實現(xiàn)貨物狀態(tài)位置動態(tài)管理；通過電子標簽及識別技術自動收集貨物信息，從而縮短作業(yè)時間，提高運輸效率。

（4）電子證照，IC卡電子證件嵌入了RFID邏輯加密芯片，具有高性價比、高可靠性、高安全性等特點，使得IC卡電子證件成為一張智能身份卡；基于射頻識別技術的汽車電子牌照會對于防止錯假牌證具有積極作用。

4 進一步設想

除了智慧交通之外，物聯(lián)網(wǎng)技術可以應用到更多方面，實現(xiàn)更多新奇的內容。

本人經(jīng)過分析前任研究以及目前的社會現(xiàn)狀，對于物聯(lián)網(wǎng)的應用提出以下應用設想：

（1）區(qū)塊鏈技術應用到物聯(lián)網(wǎng)上，解決安全問題。

區(qū)塊鏈是一種分布式的網(wǎng)絡結構，它可以提供一種機制，能保證物聯(lián)網(wǎng)設備之間保持共識而不需要與中心進行驗證，這樣就可以解決安全隱患、保護用戶的隱私。

（2）虛擬鍵盤徒手操作系統(tǒng)。

可以應用穿戴式眼鏡的投影以及智慧手表的感測技術，實現(xiàn)將實體系統(tǒng)介面向前延伸到手臂來操作，甚至還可以有一個虛擬鍵盤來直接打字輸入命令。這種模式可以解放人的雙手，未來不用帶著平板等工具出門就能完成工作了。

5 總結

本文簡單介紹了目前的物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展狀況，從其系統(tǒng)組成的角度介紹了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展必不可少的四大關鍵技術。重點研究了RFID技術的基本概念、基本工作原理和核心技術，簡單的說明傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術和云計算技術的功能和優(yōu)勢。近年來隨著技術的更新迭代，物聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)飛速發(fā)展并能夠應用在各大領域，對整個國家的經(jīng)濟社會發(fā)展和信息化水平提升有著重大意義。本文還根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術提出其在智慧交通方面的應用設計，并從系統(tǒng)架構、系統(tǒng)模塊、應用場景三方面重點分析物聯(lián)網(wǎng)技術的應用框架和具體價值。最后，對于物聯(lián)網(wǎng)的進一步應用提出了自己的設想。