物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)摘要物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)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(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，近年來(lái)發(fā)展迅速，具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。作為動(dòng)態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它的根本是物與物、人與物之間的信息傳遞與控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的技術(shù),涵蓋了從信息獲取、傳輸、存儲(chǔ)、處理直至應(yīng)用的全過(guò)程，其關(guān)鍵在于傳感器和傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和提升，根據(jù)側(cè)重點(diǎn)不同物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)也不同，國(guó)際電信聯(lián)盟的報(bào)告分為四大關(guān)鍵性技術(shù)：標(biāo)簽物品的RFID、感知事物的傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、思考事物的智能技術(shù)、微縮事物的納米技術(shù)［2］。本文首先介紹這些技術(shù)的基本原理和發(fā)展，并就其中的幾個(gè)核心技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的認(rèn)識(shí)和探究,同時(shí)分析技術(shù)應(yīng)用背后面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提出更具前瞻性的建議。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)RFID#第1章引言物聯(lián)網(wǎng)是將無(wú)處不在的末端設(shè)備和設(shè)施，包括具備“內(nèi)在智能”的傳感器、移動(dòng)終端、工業(yè)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、家庭智能設(shè)施、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等和“外在使能”的，如貼上RFID的各種資產(chǎn)、攜帶無(wú)線終端的個(gè)人與車輛等“智能化物件或動(dòng)物”或“智能塵埃”，通過(guò)各種無(wú)線/有線的長(zhǎng)距離/短距離通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通（M2M）、應(yīng)用大集成、以及基于云計(jì)算的SaaS營(yíng)運(yùn)等模式，提供安全可控乃至個(gè)性化的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、定位追溯、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維保、在線升級(jí)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、決策支持、領(lǐng)導(dǎo)桌面等管理和服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)“萬(wàn)物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮?、控、營(yíng)”一體化。從1999年Ashton教授在研究RFID時(shí)最美國(guó)召開的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議首先提出物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）這個(gè)詞，2005年在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)上，國(guó)際電信聯(lián)盟正式提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念，到現(xiàn)如今各國(guó)政府重視下一代的技術(shù)規(guī)劃，紛紛將物聯(lián)網(wǎng)作為信息技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。IBM更是提出“智慧的地球”的最新策略，并且希望在基礎(chǔ)建設(shè)的執(zhí)行中，植入“智慧”的理念，從而帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，希望以此掀起“互聯(lián)網(wǎng)”浪潮之后的又一次科技產(chǎn)業(yè)革命［3］。一般而言，可以將物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)架構(gòu)上來(lái)分為三層［4］：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體、采集信息的來(lái)源，其主要功能是識(shí)別物體，采集信息。網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無(wú)線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步促成了物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，而其中的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)更是具有不同凡響的影響和意義。第2章物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)2.1感知技術(shù)感知技術(shù)也可以稱為信息采集技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。目前，信息采集主要采用電子標(biāo)簽和傳感器等方式完成。在感知技術(shù)中，電子標(biāo)簽用于對(duì)采集的信息進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)識(shí)，數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制通過(guò)射頻識(shí)別讀寫器、二維碼識(shí)讀器等實(shí)現(xiàn)。2.1.1RFID射頻識(shí)別(RFID)即射頻識(shí)別技術(shù)，是一種通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸，即是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［5］。由三部分組成：標(biāo)簽一一由耦合元件及芯片組成，具有存儲(chǔ)與計(jì)算功能，可附著或植入手機(jī)、護(hù)照、身份證、人體、動(dòng)物、物品、票據(jù)中，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上用于唯一標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。根據(jù)標(biāo)簽的能量來(lái)源，可以將其分為：被動(dòng)式標(biāo)簽、半被動(dòng)式標(biāo)簽和主動(dòng)式標(biāo)簽。根據(jù)標(biāo)簽的工作頻率，又可將其分為：低頻(LowFrequency,LF)(30-300kHz)、高頻(HighFrequency,HF)(3-30MHz)、超高頻(UltraHighFrequency,UHF)(300-968MHz)和微波(MicroWave,MW)(2.45-5.8GHz)。閱讀器一一讀取(有時(shí)還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式，閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)不同可以是讀或讀/寫裝置，是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應(yīng)答器之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，同時(shí)閱讀器通過(guò)耦合給無(wú)源應(yīng)答器提供能量和時(shí)序。在實(shí)際應(yīng)用中，可進(jìn)一步通過(guò)Ethernet或WLAN等實(shí)現(xiàn)對(duì)物體識(shí)別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。天線——在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。RFID技術(shù)的基本工作原理⑹：標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，或者由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)，解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。前向佶逍圖1RFID技術(shù)原理圖RFID面臨的問(wèn)題⑺：數(shù)據(jù)安全：由于任何實(shí)體都可讀取標(biāo)簽，因此敵手可將自己偽裝成合法標(biāo)簽，或者通過(guò)進(jìn)行拒絕服務(wù)攻擊，從而對(duì)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)安全造成威脅。隱私：將標(biāo)簽ID和用戶身份相關(guān)聯(lián)，從而侵犯?jìng)€(gè)人隱私。未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)標(biāo)簽信息，得到用戶在消費(fèi)習(xí)慣、個(gè)人行蹤等方面的隱私。和隱私相關(guān)的安全問(wèn)題主要包括信息泄漏和追蹤。復(fù)制：約翰斯霍普金斯大學(xué)和RSA實(shí)驗(yàn)室的研究人員指出RFID標(biāo)簽中存在的一個(gè)嚴(yán)重安全缺陷是標(biāo)簽可被復(fù)制。2?1?2傳感器傳感器是機(jī)器感知物質(zhì)世界的“感覺(jué)器官”，用來(lái)感知信息采集點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)；它可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號(hào)，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的傳感器正逐步實(shí)現(xiàn)微型化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化；同時(shí)，我們也正經(jīng)歷著一個(gè)從傳統(tǒng)傳感器到智能傳感器再到嵌入式Web傳感器不斷發(fā)展的過(guò)程。2.2網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器到機(jī)器、人到機(jī)器和機(jī)器到人的信息傳輸中，有多種通信技術(shù)可供選擇，他們主要分為有線（如DSL、PON等）和無(wú)線（如CDMA、GPRS、IEEE802.11a/b/gWLAN等）兩大類技術(shù)，這些技術(shù)均已相對(duì)成熟。在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)中，格外重要的是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2?2?1M2M即機(jī)器對(duì)機(jī)器通信，M2M重點(diǎn)在于機(jī)器對(duì)機(jī)器的無(wú)線通信，存在以下三種方式：機(jī)器對(duì)機(jī)器，機(jī)器對(duì)移動(dòng)電話（如用戶遠(yuǎn)程監(jiān)視），移動(dòng)電話對(duì)機(jī)器（如用戶遠(yuǎn)程控制）。在M2M中，GSM/GPRS/UMTS是主要的遠(yuǎn)距離連接技術(shù)，其近距離連接技術(shù)主要有802.11b/g、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB。此外，還有一些其他技術(shù)，如XML和Corba，以及基于GPS、無(wú)線終端和網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)技術(shù)。2.2.2無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳感網(wǎng)絡(luò)的定義為隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微小節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的傳感器測(cè)量周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào),從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的速度和方向等物質(zhì)現(xiàn)象。集分布式信息采集，傳輸和處理技術(shù)與一體的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，以其低成本，微型化，低功耗和靈活的組網(wǎng)方式、鋪設(shè)方式以及適合移動(dòng)目標(biāo)等特點(diǎn)受到廣泛重視。M2M中，GSM/GPRS/UMTS是主要的遠(yuǎn)距離連接技術(shù)，其近距離連接技術(shù)主要有802.llb/g、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB。此外，還有一些其他技術(shù)，如XML和Corba,以及基于GPS、無(wú)線終端和網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)技術(shù)。目前，面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)，主要涉及以下幾項(xiàng)技術(shù)，測(cè)試及網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)、智能化傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)及底層協(xié)議、對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)自身的檢測(cè)與自組織、傳感網(wǎng)絡(luò)安全。2.3數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)是由大量傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，在信息感知的過(guò)程中，采用各個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)傳輸數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)的方法是不可行的。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)存在大量冗余信息，會(huì)浪費(fèi)大量的通信帶寬和寶貴的能量資源。此外，還會(huì)降低信息的收集效率，影響信息采集的及時(shí)性，所以需要采用數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)［8］進(jìn)行處理。所謂數(shù)據(jù)融合是指將多種數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出高效且符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過(guò)程。海量信息智能分析與控制是指依托先進(jìn)的軟件工程技術(shù)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的各種信息進(jìn)行海量存儲(chǔ)與快速處理，并將處理結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給物聯(lián)網(wǎng)的各種“控制”部件。智能技術(shù)是為了有效地達(dá)到某種預(yù)期的目的，利用知識(shí)分析后所采用的各種方法和手段。通過(guò)在物體中植入智能系統(tǒng)，可以使得物體具備一定的智能性，能夠主動(dòng)或被動(dòng)的實(shí)現(xiàn)與用戶的溝通，這也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵可知，要真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)需要感知、傳輸、控制及智能等多項(xiàng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的研究將帶動(dòng)（或者說(shuō)推動(dòng)）整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的共同發(fā)展。信息感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)、云計(jì)算等技術(shù)的研究與應(yīng)用，將直接影響物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用，只有綜合研究解決了這些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，物聯(lián)網(wǎng)才能得到快速推廣，造福于人類社會(huì)，實(shí)現(xiàn)智慧地球的美好愿望。2.4納米技術(shù)納米技術(shù)是研究尺寸在0.1?100nm的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)。目前，納米技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在RFID設(shè)備，感應(yīng)器設(shè)備的微小化設(shè)計(jì)，加工材料和微納米加工技術(shù)上。第3章物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)存問(wèn)題技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一與協(xié)調(diào)我們都知道互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到今天，有一件事是解決的非常好，就是標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題解決的非常好，全球進(jìn)行傳輸?shù)膮f(xié)議TCP/IP協(xié)議，路由器協(xié)議，終端的構(gòu)架與操作系統(tǒng)，這些都解決的非常好，因此，我們可以在全世界任何一個(gè)角落，使用每一臺(tái)電腦連接到互聯(lián)網(wǎng)中去，可以很方便的上網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，傳感、傳輸、應(yīng)用各個(gè)層面會(huì)有大量的技術(shù)出現(xiàn)，可能會(huì)采用不同的技術(shù)方案。如果各行其是，那結(jié)果是災(zāi)難的，大量的小而破的專用網(wǎng)，相互無(wú)法連通，不能進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，不能形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，不能形成整合的商業(yè)模式，也不能降低研發(fā)成本。因此，盡快統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成一個(gè)管理機(jī)制，這是物聯(lián)網(wǎng)馬上就要面對(duì)問(wèn)題，開始時(shí)，這個(gè)問(wèn)題解決得好，以后就很容易，開始解決不好，積重難返，那么以后問(wèn)題就很難解決。地址問(wèn)題每個(gè)物品都需要在物聯(lián)網(wǎng)中被尋址，就需要解決地址問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)需要更多的IP地址，IPV4資源即將耗盡，而向IPV6過(guò)渡過(guò)程較漫長(zhǎng)，同時(shí)存在與IPV4的兼容性問(wèn)題。3.3多種技術(shù)融合問(wèn)題物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值不是一個(gè)可傳感的網(wǎng)絡(luò)，而是必須各個(gè)行業(yè)參與進(jìn)來(lái)進(jìn)行應(yīng)用，不同行業(yè)，會(huì)有不同的應(yīng)用，也會(huì)有各自不同的要求，這些必須根據(jù)行業(yè)的特點(diǎn)，進(jìn)行深入的研究和有價(jià)值的開發(fā)。這些應(yīng)用開發(fā)不能依靠運(yùn)營(yíng)商，也不能僅僅依靠所謂物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商和技術(shù)企業(yè)都無(wú)法理解行業(yè)的要求和這個(gè)行業(yè)具體的特點(diǎn)。很大程度上，這是非常難的一步，也是需要時(shí)間來(lái)等待。需要一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的體系基本形成，需要一些應(yīng)用形成示范，更多的傳統(tǒng)行業(yè)感受到物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值，這樣才能有更多企業(yè)看清楚物聯(lián)網(wǎng)的意義，看清楚物聯(lián)網(wǎng)有可能帶來(lái)的商業(yè)價(jià)值，也會(huì)把自己的應(yīng)用與業(yè)務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)3.4安全問(wèn)題物聯(lián)網(wǎng)目前的傳感技術(shù)主要是RFID,植入這個(gè)芯片的產(chǎn)品，是有可能被任何人進(jìn)行感知的，它對(duì)于產(chǎn)品的主人而言，有這樣的一個(gè)體系，可以方便的進(jìn)行管理。但是，它也存在著一個(gè)巨大的問(wèn)題，其他人也能進(jìn)行感知，比如產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，那么如何做到在感知、傳輸、應(yīng)用過(guò)程中，這些有價(jià)值的信息可以為我所用，卻不被別人所用，尤其不被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手所用。這就需要在安全上下功夫，形成一套強(qiáng)大的安全體系?，F(xiàn)在應(yīng)該說(shuō)，會(huì)有哪些安全問(wèn)題出現(xiàn)，如何應(yīng)對(duì)這些安全問(wèn)題，怎么進(jìn)行屏蔽都是一些非常復(fù)雜的問(wèn)題，甚至是不清晰的。但是這些問(wèn)題一定值得注意，尤其是這個(gè)管理平臺(tái)的提供者。安全問(wèn)題解決不好，有一天可能有價(jià)值的物聯(lián)網(wǎng)會(huì)成為給競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提供信息方便的平臺(tái)，那么它的價(jià)值就會(huì)大大的打折扣，也不會(huì)有企業(yè)愿意和敢于去使用。第4章結(jié)束語(yǔ)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，據(jù)估計(jì)在五到十年內(nèi)將會(huì)有超過(guò)1000億件設(shè)備連接入互聯(lián)網(wǎng)［9］，組成更為龐大的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是信息社會(huì)發(fā)展的必然，技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用是決定其發(fā)展的關(guān)鍵因素，同時(shí)在發(fā)展的道路上，也面臨不少困難，這些困難有標(biāo)準(zhǔn)上的、技術(shù)上的、更有產(chǎn)業(yè)鏈上的，如何克服這些困難，需要社會(huì)各個(gè)層面在物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用上取得突破。參考文獻(xiàn)L.Atzoriaetal,“TheInternetofThings:Asurvey,”ComputerNetworks,vol.54,no.15,2010,pp.2787-2805Commission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