物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用前景研究

陳 怡

（中國信息通信研究院西部分院 重慶 401336）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)并圍繞互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展與延伸的技術(shù)。它是利用大量的傳感技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，建立了一個更為精密的網(wǎng)絡(luò)，使信息能夠快速準(zhǔn)確地傳輸。現(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用已經(jīng)成了世界各國科技發(fā)展的關(guān)注焦點。但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行業(yè)、各領(lǐng)域中不斷的應(yīng)用，隨之也產(chǎn)生一系列問題。所以，物聯(lián)網(wǎng)能否真正掀起時代進(jìn)步的浪潮，仍需要開發(fā)人員與各行業(yè)專家投入更多的研究與關(guān)注[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)(loT)的定義最早是由美國麻省理工學(xué)院（MIT）的Kevin Ash-ton教授在1991年提出的。直到1999年，才由美國麻省理工學(xué)院正式建立出“自動識別中心（Auto-ID）”，提出“萬物皆可通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)”，闡明了物聯(lián)網(wǎng)的基本含義[2]。通常來講，物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)具有高靈敏度、高可靠性和高連接性3個特點。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)共由5個層級構(gòu)成，分別為應(yīng)用層、平臺層、傳輸層、感知層以及支撐層[3]。通信擴(kuò)展子層通過通信終端將物理實體直接連接到傳輸層和應(yīng)用層。傳輸層依靠電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)信息的傳輸、路由與控制。應(yīng)用層包括為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供處理和計算等基本服務(wù)的信息處理子層，以及實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)多個領(lǐng)域應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用子層。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)特點

物聯(lián)網(wǎng)不僅可以依靠傳感器使物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，而且由于物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點，物聯(lián)網(wǎng)本身可以智能地處理和控制物體[4]。傳感器可以收集獲取龐大的數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)可以依靠這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理。此外，依靠物聯(lián)網(wǎng)的能力與性質(zhì)，并結(jié)合傳感器和智能處理，可以使云計算、模式識別等智能技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，以滿足各行各業(yè)用戶的需求。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中存在的問題

（1）密鑰管理存在安全問題。首先，互聯(lián)網(wǎng)密鑰分發(fā)中心作為一種新型的集中管理模式，涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)的所有密鑰管理。當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到Internet時，密鑰中心和傳感器網(wǎng)絡(luò)將交互管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。其次，在以網(wǎng)絡(luò)為中心的管理模式下，對聚合點的要求非常高。雖然簇頭可以形成不同層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但由于簇頭選擇算法會消耗能量，簇頭與聚集節(jié)點之間需要完成密鑰協(xié)商，因此傳感器網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理逐漸成為需要解決的關(guān)鍵問題。

（2）功耗較大。隨著科技的高速發(fā)展，人類社會已步入數(shù)字化時代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，將人們之間編織出一個巨大的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了人與人的交互[5]，隨著需求的提高，人與物交互的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也因此應(yīng)運而生。而物聯(lián)網(wǎng)在實現(xiàn)其應(yīng)用價值時與對功耗對需求極大。物聯(lián)網(wǎng)依賴于大量的聯(lián)網(wǎng)電子設(shè)備，如傳感器、控制器、采集設(shè)備和開關(guān)等等。這些設(shè)備是由電力或其他能源驅(qū)動的，尤其是在工業(yè)設(shè)備中。因此，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過程中，其存在的功耗問題也不容忽視。在運作過程中，它們須消耗大量能源，因此也會提高企業(yè)能源方面對生產(chǎn)運營成本[6]。

（3）物聯(lián)網(wǎng)云平臺管理缺少標(biāo)準(zhǔn)化。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用過程中將會采集到大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)很有可能通過同一個網(wǎng)關(guān)，直接進(jìn)入云平臺。云平臺是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析的環(huán)節(jié)，云平臺也是體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)價值的關(guān)鍵技術(shù)。然而，隨著科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)了多元化、層次化的發(fā)展趨勢[7]，國內(nèi)涌現(xiàn)出大量水平不一的云平臺供應(yīng)商，以及衍生對云計算相關(guān)服務(wù)種類，致使出現(xiàn)云平臺供應(yīng)商的混亂環(huán)境，對于云平臺的設(shè)計又缺乏一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在企業(yè)應(yīng)用中難以選擇其適合的供應(yīng)商，因此對云平臺行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化整頓是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中仍待解決的大問題。

（4）物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全性問題。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中，系統(tǒng)安全性一直是該領(lǐng)域關(guān)注的焦點，而其安全性也直接影響著物聯(lián)網(wǎng)后續(xù)的應(yīng)用、推廣和發(fā)展趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各個領(lǐng)域和行業(yè)的專業(yè)設(shè)備不斷完善和更新，體現(xiàn)了智能化的大趨勢。然而，智能化的開發(fā)也面臨著許多安全問題，其中存在著許多安全隱患。解決硬件安全問題是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，這就要求開發(fā)人員投入更多的資源，在安全性和穩(wěn)定性上做到最好，并將先進(jìn)的安全產(chǎn)品集成到物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中，及時解決問題和漏洞，從而解決物聯(lián)網(wǎng)的安全缺陷，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的長遠(yuǎn)發(fā)展[8]。

（5）物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員經(jīng)驗不足。雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的誕生引發(fā)了世界科技技術(shù)發(fā)展的第三次浪潮，但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用仍然存在不足，其中物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員存在經(jīng)驗不足是其主要原因，導(dǎo)致目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)只能在具有科技技術(shù)行業(yè)背景的企業(yè)廣泛使用[9]。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展越來越被各國視為提高國家競爭力和綜合國力的關(guān)鍵，國家與各地方企業(yè)應(yīng)當(dāng)予以高度重視。針對開發(fā)人員存在經(jīng)驗不足的問題，應(yīng)制定相關(guān)的激勵政策，鼓勵物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員與各企業(yè)技術(shù)人員共同參與，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供豐富的人力與知識資源。

（6）傳感技術(shù)老化和過時。從每一個物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實例中可以發(fā)現(xiàn)，傳感技術(shù)是其中不可或缺的組成部分。在整個物聯(lián)網(wǎng)運行系統(tǒng)中，傳感器通常起著信息采集、信息傳輸?shù)淖饔茫诠?jié)點與云之間發(fā)送數(shù)據(jù)。然而，目前較多的傳感器設(shè)備仍然存在較多缺點，例如，一些設(shè)備為達(dá)到其低能耗的要求，降低了數(shù)據(jù)傳感的準(zhǔn)確性或功能性，可能會存在將數(shù)據(jù)傳輸錯誤的風(fēng)險，導(dǎo)致使用者無法及時有效獲取準(zhǔn)確信息。因此，為了保證和提高物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的效率，需要加大對傳感器設(shè)備創(chuàng)新的重視度，通過迭代引進(jìn)越來越完善的傳感器設(shè)備，及時淘汰老化和過時的傳感器設(shè)備，確保物聯(lián)網(wǎng)在發(fā)展過程中的應(yīng)用效果[10]。

2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

全面有效地提高物聯(lián)網(wǎng)的安全性，是充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)在社會各行各業(yè)發(fā)展中的作用和優(yōu)勢的重要前提。因此，應(yīng)不斷優(yōu)化和完善物聯(lián)網(wǎng)安全的關(guān)鍵技術(shù)，提高其應(yīng)用效果。

2.1 針對物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理系統(tǒng)局限性

在物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理系統(tǒng)的設(shè)計過程中，容易受到自身特點和特殊性的限制，因此在設(shè)計要求上存在很大差異。同時，它與不受限制的無線網(wǎng)絡(luò)也有很大不同。因此，我們應(yīng)該充分考慮網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點和無線傳感器的局限性和網(wǎng)絡(luò)特性。其安全性要求主要體現(xiàn)在以下幾個方面：生成密鑰和更新算法，以反映其安全性、隱私性和可擴(kuò)展性；根據(jù)實際需要，在密鑰管理過程中，基于對稱和非對稱密鑰系統(tǒng)的方法，從管理系統(tǒng)和分發(fā)模式上分為密鑰分發(fā)模式、預(yù)分發(fā)模式和集群模式。與非對稱密鑰系統(tǒng)相比，對稱密鑰系統(tǒng)在復(fù)雜計算中具有明顯的優(yōu)勢，但在密鑰管理和安全性方面仍存在許多不足，如節(jié)點不靈活、相鄰節(jié)點難以認(rèn)證等[11]。

2.2 安全路由協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)路由會涉及多種網(wǎng)絡(luò)類型，如網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、傳感網(wǎng)絡(luò)算法和移動通信網(wǎng)算法等。對于目前，常用的多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，其主要的設(shè)計目標(biāo)往往是將計算、通信、存儲過程進(jìn)行簡化，以便于快速完成數(shù)據(jù)傳輸。但其設(shè)計過程中，往往缺乏對于相關(guān)安全問題的考慮。因此，在物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用中，無線傳感器的計算能力、節(jié)點以及存儲容量相對有限，且大多布置在外部環(huán)境中，使用安全極易遭受威脅。

2.3 傳感技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的功能應(yīng)以信息收集為基礎(chǔ)。然而，目前的信息收集方式主要有傳感器、傳感器節(jié)點等。作為檢測設(shè)備和獲取信息傳感器的主要設(shè)備，環(huán)境往往很差，為了使物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮更好的作用，對傳感器提出了新的要求。物聯(lián)網(wǎng)要求傳感球在傳感信息方面不斷發(fā)展和突破，實現(xiàn)自身的智能化和網(wǎng)絡(luò)化[12]。

2.4 網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)

為了充分利用物聯(lián)網(wǎng)，需要短距離通信技術(shù)和遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)。短距離通信技術(shù)包括射頻識別技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等，遠(yuǎn)距離通信技術(shù)包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)關(guān)技術(shù)等[13-14]。為了提供信息傳輸和服務(wù)支持的基本通道，物聯(lián)網(wǎng)需要增強(qiáng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的專業(yè)性和互聯(lián)功能，以滿足低移動性和低數(shù)據(jù)速率的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，使信息能夠安全可靠地傳輸給信息的接收者。

3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用前景

從目前物聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用情況來看，其在各行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。未來物聯(lián)網(wǎng)將在以下幾個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3.1 在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用體現(xiàn)在醫(yī)院診療與治療的智能化。隨著近些年人口老齡化，與我國對醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的不斷改革，醫(yī)院越來越重視醫(yī)療過程中患者對療效、滿意度及護(hù)理質(zhì)量，而傳統(tǒng)的醫(yī)療系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的醫(yī)療需求。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用將能夠在醫(yī)院臨床診療過程體現(xiàn)極大的價值。其具體表現(xiàn)在，對醫(yī)療行業(yè)中的醫(yī)療器械衛(wèi)生管理、醫(yī)院藥品管理、門診診療、臨床醫(yī)療服務(wù)等方面提供智能化轉(zhuǎn)型。并且在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，對于提高醫(yī)院的醫(yī)療體系管理水平具有積極意義。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)疾病情況與患者病情數(shù)據(jù)的實時采集、記錄、傳輸、分析、處理。與此同時，患者的病歷信息可以在中國醫(yī)療體系平臺中存儲管理，使患者在各個醫(yī)院中均可調(diào)出以往病例為治療提供參考。

3.2 在物流行業(yè)的應(yīng)用

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們生活中對于物流的需求越來越大，這也促使了我國物流行業(yè)的高速發(fā)展。由于物流中心每天進(jìn)出的貨物數(shù)量龐大，并且數(shù)據(jù)極其復(fù)雜難以統(tǒng)計管理，傳統(tǒng)的物流管理體系已難以滿足現(xiàn)在我國物流行業(yè)的業(yè)務(wù)需求，因此有必要加強(qiáng)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特別適用于貨物從供應(yīng)商到客戶的運輸、轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)的控制與管理。目前，我國物流業(yè)的信息化程度仍較低，企業(yè)自身還缺乏合適對信息化系統(tǒng)解決方案，常導(dǎo)致無法及時、準(zhǔn)確、有效地滿足客戶的物流需求。因此，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到以后的工作中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的RFID技術(shù)對物流的各個產(chǎn)品以單位產(chǎn)品的方式進(jìn)行實時跟蹤，將整個物流流程數(shù)據(jù)可視化、物流管理智能化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對物流業(yè)的影響將越來越大，提升物流管理質(zhì)量對同時，減少該過程人力成本的堆積，進(jìn)而大大降低物流企業(yè)的物流成本，使物流效率得到提高。物聯(lián)網(wǎng)與物流行業(yè)的融合將成為未來物流行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

3.3 在節(jié)能減排中的應(yīng)用

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國各項基礎(chǔ)設(shè)施工程的建設(shè)也取得了較大成功。然而，在高速發(fā)展的同時，必然伴隨著對自然資源與環(huán)境的消耗。因此，形成了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境破壞對立的關(guān)系。隨著黨中央號召“既要金山銀山也要綠水青山”，各地方政府與建設(shè)企業(yè)積極響應(yīng)節(jié)能減排，以應(yīng)對近些年對氣候與環(huán)境的影響。雖然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對于節(jié)能減排缺乏針對性，但可以預(yù)見的是，物聯(lián)網(wǎng)的智能采集與對數(shù)據(jù)分析處理的技術(shù)將對未來我國控制節(jié)能減排的智能節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)提供極大的幫助[15]。目前，較為成熟的工業(yè)園區(qū)采用的自動采集數(shù)據(jù)的智能電表、智能水表、智能氣表、廢氣或廢液自動采集檢測儀器等等，均為節(jié)能減排事業(yè)提供了有效幫助。此外，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能節(jié)能系統(tǒng)采用反饋機(jī)制，節(jié)約能源。管理者可通過該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)對企業(yè)各項能源消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向與縱向的分析，對其中可能存在的問題及時發(fā)現(xiàn)并處理。

4 結(jié)語

目前，隨著我國將物聯(lián)網(wǎng)的RFID技術(shù)、信息安全技術(shù)、通信技術(shù)、云計算技術(shù)等關(guān)鍵性技術(shù)在各領(lǐng)域中不斷應(yīng)用，在人們的生活與工作中均得到了良好的價值體現(xiàn)，對于滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求提供了極大幫助[16-17]。但在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)滿足人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸钚枨蟮耐瑫r，我們?nèi)孕鑼ζ浯嬖诘膯栴}及風(fēng)險警惕，并對其進(jìn)行改善和規(guī)避，這樣才能使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個行業(yè)中得到更好的應(yīng)用。