物聯網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展，物聯網技術已經成為一面引領電子科技爆炸式時代的旗幟。物聯網的出現，使人們的生活和科技更好的聯系在了一起，有效改善了物聯網出現以前生產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網作為重要的發展戰略之一以推動經濟發展；2011年國家政府更是將物聯網發展列入十二五規劃中。物聯網技術的問世，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。

物聯網技術[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系，然后將這種聯系利用互聯網技術，形成一個智能網絡。基本原理是根據信息識別技術和空間耦合傳輸的特性來實現對物品的識別和管理工作。依托RFID技術或傳感器技術，將傳統技術和新型IT技術有效的結合到了一起，從而實現更快速，更準確數據傳輸。同時，物聯網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，實現了穩定性更高，實時監控，具有針對性的優勢。

如今，物聯網技術已經應用在工作、生產等各個方面：處處可見的條形碼和二維碼，公路運輸網中被廣泛使用的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，物聯網也是扮演著必不可少的角色。因此，物聯網技術將在目前發展的狀態下，進一步引領科技的浪潮，推動全球經濟的發展。

2 物聯網的關鍵技術

信息技術的發展使得人們對物體的了解認知以及監控管理有了更多的要求，這樣導致物聯網的快速發展，其中最主要的是物聯網的核心技術，物聯網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，從而實現信號的傳遞。

RFID技術主要體現在接收和發送兩種過程，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送信號，芯片負責進行邏輯運算，天線用于發送射頻信號和閱讀器通信，閱讀器收到信號后傳送數據給計算機系統進行解析和存儲。第二種，閱讀器從存儲器中獲取需要發送給標簽的詳細信息，然后由閱讀模塊和天線交互，通過天線發送射頻信號將具體信息發送給電子標簽。

圖1 RFID工作原理圖

2.2 傳感器技術

傳感器是物聯網技術必不可少的技術之一，是新時代新需求對物體監控管理重要的一部分。如果把處理系統比作人類的大腦，那么傳感器就是人的感官系統，將收到的信號經過處理后發送到計算機上。其工作原理就是將傳感器大量的布置在需要監測數據的環境中，它們之間會形成自組織的無線網絡[4]。將一個傳感器都被當做一個節點，它可以獨立地工作，也可以和其他節點共同構成網絡聯系，再將共同的信號傳輸到集結點上。當外界條件發生改變時，傳感器就會感知到這些變化，進而將信號傳輸到集結點上，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，常被用來監測不同環境下不同的物理量，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，傳感器技術的發展對于物聯網技術的廣泛應用起到推波助瀾的關鍵作用。

2.3 網絡通信技術

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

M2M是英文（Machine-To-Machine）的簡稱，就是實現機器與其他機器或人之間的溝通聯系互相交流。具體通過各種無線網絡技術，將機器和人組成一個巨大的網絡，這個網絡可以實現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據運輸，而是通過智能化交互化實現機器與機器之間的主動通訊[4]。

M2M有很廣闊的發展空間，如今其就被廣泛應用于智能查表、車載導航等行業，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化。但如今需要解決的問題，就是如何保證網絡的覆蓋性和可靠性及如何創作出更標準的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、集中規模、自由調度、安全管理等多種功能。適應了當代企業和用戶對大規模數據計算，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完全掌握云計算技術并已經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開發速度非常快，社區也很活躍，發展非常順利。

根據上述RFID技術，傳感器技術，網絡通信技術，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 物聯網關鍵技術比較

3 物聯網技術在智慧交通中的應用設計

隨著物聯網和云計算的發展，將這兩方面的傳感技術、通信傳輸技術、信息網絡技術、數據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。但是利用物聯網技術可以將各要素實現互聯，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網的智慧交通的系統架構、智慧交通主要的系統模塊并設想相關應用場景。

3.1 基于物聯網的智慧交通系統架構

智能交通系統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、數據融合、云計算等技術的應用解決海量數據存儲和處理等技術難題，從而形成智慧交通系統。智慧交通系統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、傳感器網絡、二維碼技術、實時定位和無線通信等技術進行數據采集、收集并實時、準確的監測交通信息。

（2）傳輸層，傳輸層主要通過移動網絡、無線網絡、Internet、衛星等通信設施將感知層所采集信息運輸到數據中心，供支撐層進行數據的處理和分析。

（3）支撐層，支撐層是在管理系統、智能處理、云計算及數據庫等資源下，實現海量信息的并行處理及優化，存儲資源動態配置和部署。

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

3.2 智慧交通主要系統模塊

（1）數據采集與收集系統

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提供了更加實時精確的信息數據。

所有交通信息采集裝置構成了交通信息采集系統。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

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，根據特定網絡情況（如電視網、通訊網、計算機網等）實現交通信息傳輸，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

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

（4）信息發布與控制系統

根據信息收集、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，如交通信息發布系統、最佳交通導引系統、停車庫空位信息系統、交通信號燈控制系統、交通安全控制系統、緊急事故處理系統等。

3.3 物聯網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，實現公交車、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，利用RFID、GPS、車內視頻監控、人像識別等技術掌握實時信息，來合理規劃和調度交通資源，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，是目前世界上最先進的路橋收費方式，物聯網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，物流領域是物聯網技術最具有現實意義的應用領域，通過道路運輸GIS系統定位跟蹤和運輸導航、4G網絡、RFID提供廣域移動車載通信手段實現貨物狀態位置動態管理；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，物聯網技術可以應用到更多方面，實現更多新奇的內容。

本人經過分析前任研究以及目前的社會現狀，對于物聯網的應用提出以下應用設想：

（1）區塊鏈技術應用到物聯網上，解決安全問題。

區塊鏈是一種分布式的網絡結構，它可以提供一種機制，能保證物聯網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。

可以應用穿戴式眼鏡的投影以及智慧手表的感測技術，實現將實體系統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網的發展狀況，從其系統組成的角度介紹了物聯網發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、網絡通信技術和云計算技術的功能和優勢。近年來隨著技術的更新迭代，物聯網技術已經飛速發展并能夠應用在各大領域，對整個國家的經濟社會發展和信息化水平提升有著重大意義。本文還根據物聯網技術提出其在智慧交通方面的應用設計，并從系統架構、系統模塊、應用場景三方面重點分析物聯網技術的應用框架和具體價值。最后，對于物聯網的進一步應用提出了自己的設想。