物聯網技術探討

郗大江 文曉東

【摘?要】介紹物聯網架構及感知層和應用場景，針對物聯網幾種技術進行對比。

【關鍵詞】物聯網;NB-IOT;條碼;二維碼;RFID M2M

Discussion on Internet of Things Technology

Xi Da-jiang，Wen Xiao-dong

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， Ltd?Xi'an?Shanxi?710000）

【Abstract】Introduce the IoT architecture， sensing layer and application scenarios， and compare several technologies of the Internet of Things.

【Key words】Internet of Things;NB-IOT;Barcode;Two-dimensional code;RFID M2M

1. 引言

（1）在通信發展的歷史中，從1875年6月世界第一部電話（貝爾）誕生到百年后1973年4月世界第一臺手機——摩托羅拉手機面世，再到2007年1月第一臺蘋果誕生，無論是通信技術還是移動終端都是圍繞人與人之間的通信展開。

（2）隨著3G/4G蜂窩網絡部署和工業自動化、智能化的發展這個狀況正在改變，一方面是人的通信問題已經基本解決，另一方面物的功能和智能正在增強，隨著5G未來蜂窩網絡研究的開啟，物聯網可以說是迎來了真正的春天。

2. 萬物互聯開啟未來新世界

物聯網的英文名稱為“Internet of Things”，其核心和基礎是互聯的網絡，在互聯網基礎上進行延伸和擴展的網絡，按照約定的協議，把任何物品和互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

2.1?物聯網是如何感知的。

物聯網分為：感知層、網絡層、應用層。感知層位于物聯網的最底層，通過傳感網識別來獲取信息，感知層包括條碼、二維碼和掃描器、射頻識別技術（RFID）和解讀器、攝像頭、北斗或GPS、溫度、濕度等傳感器和終端（見圖1）。

2.1.1?條碼。

條形碼（barcode）是將寬度不等的多個黑條和空白，按照一定的編碼規則排列，用以表達一組信息的圖形標識符。常見的條形碼是由反射率相差很大的黑條（簡稱條）和白條（簡稱空）排成的平行線圖案（見圖2）。

2.1.2?二維碼。

二維碼又稱二維條碼，常見的二維碼為QR Code，QR全稱Quick Response，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記錄數據符號信息的;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：它具有條碼技術的一些共性：每種碼制有其特定的字符集;每個字符占有一定的寬度;具有一定的校驗功能等。同時還具有對不同行的信息自動識別功能、及處理圖形旋轉變化點（見圖3）。

2.1.3?RFID。

（1）射頻識別，RFID（Radio Frequency Identification）技術，又稱無線射頻識別，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。無線電的信號是通過調成無線電頻率的電磁場，把數據從附著在物品上的標簽上傳送出去，以自動辨識與追蹤該物品。某些標簽在識別時從識別器發出的電磁場中就可以得到能量，并不需要電池;也有標簽本身擁有電源，并可以主動發出無線電波（調成無線電頻率的電磁場）。

（2）RFID技術中所衍生的產品大概有三大類：無源RFID產品、有源RFID產品、半有源RFID產品（見圖4）。

應答器：由天線，耦合元件及芯片組成，一般來說都是用標簽作為應答器，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。

閱讀器：由天線，耦合元件，芯片組成，讀取（有時還可以寫入）標簽信息的設備，可設計為手持式rfid讀寫器或固定式讀寫器。

應用軟件系統 ：是應用層軟件，主要是把收集的數據進一步處理，并為人們所使用。

2.1.4?傳感器。

（1）傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，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。

（2）傳感器的特點包括：微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的存在和發展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

（3）常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬：

光敏傳感器——視覺

聲敏傳感器——聽覺

氣敏傳感器——嗅覺

化學傳感器——味覺

壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺。

（4）敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關系的物理量信號;轉換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號;變換電路負責對轉換元件輸出的電信號進行放大調制;轉換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電（見圖5）。

2.1.5?物聯網終端。

（1）M2M是Machine-to-Machine簡稱，以機器終端智能交互為核心的、網絡化的應用和服務，M2M終端是一種典型的物聯網終端。廣義上，M2M可代表機器對機器、人對機器、機器對人、移動網絡對機器之間的連接和通信，涵蓋了所有實現在人、機器、系統之間建立通信連接的技術和手段。

（2）M2M應用市場正在全球范圍快速增長，隨著包括通信設備、管理軟件等相關技術的深化，M2M產品成本的下降，M2M業務將逐漸走向成熟。目前，在美國和加拿大等國已經實現安全監測、機械服務、維修業務、自動售貨機、公共交通系統、車隊管理、工業流程自動化、電動機械、城市信息化等領域的應用（見圖6）。

2.1.6?應用系統構成。

（1）智能化機器。

“智能化”，所謂使機器“開口說話”，讓機器具有信息感知、信息加工及無線加工的能力。

（2）M2M硬件。

使機器可具備聯網能力和遠程通信的部件，進行信息提取，從不同設備內汲取需要的信息，傳輸到分析部分。

（3）通信網絡。

包括廣域網（無線移動通訊網絡、衛星通訊網絡、互聯網和公眾電話網），局域網（以太網、無線局域網、藍牙、wifi），個域網（Zigbee、傳感器網絡），通過上述網絡將M2M硬件傳輸的信息送達指定位置，是出于M2M技術框架的核心的地位。

（4）中間件。

M2M網關完成在不同協議之間的轉換，在通信網絡和IT系統之間建立橋梁。

2.2?物聯網的應用。

互聯網應用層負責提供豐富的應用，將物聯網技術與行業信息化需求相結合，是智能處理，即利用云計算、數據挖掘、中間件等技術和行業需求結合，實現廣泛智能化的應用解決方案。物聯網通過網絡層將感知層的物件連接起來，由應用層提供豐富的應用（見圖7）。

2.2.1?智慧城市。

智慧城市應用體系：智慧物流體系、智慧制造體系、智慧貿易體系、智慧能源應用體系、智慧公共服務、智慧社會管理體系、智慧交通體系、智慧健康保障體系、智慧安居服務體系、智慧文化服務體系。

（1）智慧公共服務：建設智慧公共服務和城市管理系統。通過加強就業、醫療、文化、安居等專業性應用系統建設，通過提升城市建設和管理的規范化、精準化和智能化水平，有效促進城市公共資源在全市范圍共享，積極推動城市人流、物流、信息流、資金流的協調高效運行，在提升城市運行效率和公共服務水平的同時，推動城市發展轉型升級。

（2）智慧城市綜合體：采用視覺采集和識別、各類傳感器、無線定位系統、RFID、條碼識別、視覺標簽等頂尖技術，構建智能視覺物聯網，對城市綜合體的要素進行智能感知、自動數據采集，涵蓋城市綜合體當中方方面面，將采集的數據可視化和規范化，讓管理者能進行可視化城市綜合體管理。

（3）智慧政務城市綜合管理運營平臺：括指揮中心、計算機網絡機房、智能監控系統、和平區街道圖書館和數字化公共服務網絡系統四個部分內容，并統一數據、統一網絡，建設數據中心、共享平臺，從根本上有效的將政府各個部門的數據信息互聯互通，并對車流、人流、物流實現全面的感知。

（4）智慧安居服務。融合應用物聯網、互聯網、移動通信等各種信息技術，發展社區政務、智慧家居系統、智慧樓宇管理、智慧社區服務、社區遠程監控、安全管理、智慧商務辦公等智慧應用系統，使居民生活“智能化發展”。

（5）智慧教育文化服務：教育綜合信息網、網絡學校、數字化課件、教學資源庫、虛擬圖書館、教學綜合管理系統、遠程教育系統等資源共享數據庫及共享應用平臺系統。

（6）智慧服務應用。①智慧物流：配合綜合物流園區信息化建設，推廣射頻識別（RFID）、多維條碼、衛星定位、貨物跟蹤、電子商務等信息技術在物流行業中的應用。②智慧貿易：支持企業通過自建網站或第三方電子商務平臺，開展網上詢價、網上采購、網上營銷，網上支付等電子商務活動。

（7）智慧健康保障體系建設。建立衛生服務網絡和城市社區衛生服務體系，促進各醫療衛生單位信息系統之間的溝通和交互。以實現醫院服務網絡化為重點，推進遠程掛號、電子收費、數字遠程醫療服務、圖文體檢診斷系統等智慧醫療系統建設，提升醫療和健康服務水平。

（8）智慧交通。通過監控、監測、交通流量分布優化等技術，完善公安、城管、公路等監控體系和信息網絡系統，建立以交通誘導、應急指揮、智能出行、出租車和公交車管理等系統為重點的、統一的智能化城市交通綜合管理和服務系統建設，實現交通信息的充分共享、公路交通狀況的實時監控及動態管理，全面提升監控力度和智能化管理水平，確保交通運輸安全、暢通。

（9）“智慧城市”是IBM“智慧的地球”策略中的一個重要方面。“智慧的地球”提出以更智慧的方法，通過新一代信息技術改變人們交互的方式，提高實時信息處理能力及感應與響應速度，增強業務彈性和連續性，促進社會各項事業的全面和諧發展。

2.2.2?車聯網。

車聯網（Internet of Vehicles）是由車輛位置、速度和路線等信息構成的巨大交互網絡（見圖8）。

（1）第一層（端系統）：端系統是汽車的智能傳感器，負責采集與獲取車輛的智能信息，感知行車狀態與環境;是具有車內通信、車間通信、車網通信的泛在通信終端;同時還是讓汽車具備IOV尋址和網絡可信標識等能力的設備。

（2）第二層（管系統）：解決車與車（V2V）、車與路（V2R）、車與網（V2I）、車與人（V2H）等的互聯互通，實現車輛自組網及多種異構網絡之間的通信與漫游，在功能和性能上保障實時性、可服務性與網絡泛在性，同時它是公網與專網的統一體。