物联网的关键技术及其应用前景.pdf

2011年1 月 第1期中国科技论坛 收稿日期 2010 10 09 作者简介 李航 1989 男 北京人 电子工程学士 研究方向 移动通信网络与终端 物联网的关键技术及其应用前景 李航 陈后金 北京交通大学电子信息工程学院 北京100044 Key Technology and Application Prospect of the Internet of Things Li Hang Chen Houjin School of Electronic and Information Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China Abstract The internet of things IoT is seen as the third wave of the information industry after the computer internet and mobile communication network IoT has been paid more and more attention by the many countries because of its application prospect This paper introduces the concept of IoT and its evolution It also describes the system structure and the key technologies of IoT Then the paper analyzes RFID wireless sensor the communication network and the computing of data transmission The application prospect of IoT were illustrated by its use in smart grid intelligent transportation and logistics management Key words internet of things key technology application prospect 摘要 物联网被视为继计算机 互联网和移动通信网络之后的第三次信息产业浪潮 因其广阔的行业 应用前景而受到了各国政府的重视 本文首先介绍了物联网的概念及其演进历程 然后分析了物联网 的架构体系和关键技术 并具体分析了射频识别技术 传感器技术 网络通信技术和云计算等 最后以 智能电网 智能交通 物流管理等应用案例说明了物联网广泛的应用前景 关键词 物联网 关键技术 应用前景 中图分类号 F062 3文献标识码 A 1引言 物联网是对当今各种新技术 新理念的高度融 合 它打通了电子技术 自动化技术 通信技术 生物 技术 机械技术 材料技术等以往关联不大的技术之 间的通道 使得这些技术真正融合为一个整体 从而 实现了通信从人与人向人与物 物与物的拓展 物联 网行业应用需求广泛 潜在市场规模巨大 据美国独 立市场研究机构Forrester预测 到2020年 物联网 业务与现有互联网业务之比将达到30 1 物联网 将成为全球下一个万亿元级规模的新兴产业 世界 各国政府都看好物联网的产业前景 把发展物联网 纳入国家整体信息化战略 将其提升到国家发展战 略层面 比如 美国奥巴马总统积极回应IBM提出 的 智慧地球 战略 欧盟提出了 物联网行动计划 Internet of Things An Action Plan for Europe 日 本提出了 U Japan 计划 韩国提出了 U Korea 计 划 等等 2010年3月5日 温家宝总理在 政府工 作报告 中也提出 加快物联网的研发应用 加大对 战略性新兴产业的投入和政策支持 1 目前 物联网 81 中国科技论坛 2011年1 月 第1期 技术发展已被列入我国国家级重大科技专项 可以 肯定 代表了下一代信息技术发展方向的物联网 将 会像互联网一样成为全球经济发展的又一个驱动 器 带领全球经济走出危机 2物联网的概念及其演进历程 2 1物联网的概念 目前 关于物联网 Internet of things 还没有统 一的标准定义 笼统来说 物联网就是将各种信息传 感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络 具体来说 物联网就是通过射频识别 RFID 红外 感应器 全球定位系统 激光扫描器等信息传感设 备 按约定的协议 把任何物品与互联网连接起来 进行信息交换和通讯 以实现智能化识别 定位 跟 踪 监控和管理的一种网络 由上述定义我们可以发现 物联网具有三个方 面的重要特征 1 互联网特征 物联网是解决物与物 人与物 之间通信的网络形态 它是在互联网基础之上延伸 和扩展的一种网络 尽管终端多样化 但其基础和核 心仍然是互联网 2 识别与通信特征 纳入物联网的 物 一定要 具备自动识别与物物通信 M2M 的功能 通过在各 种物体上植入微型感应芯片 使任何物品都可以变 得 有感受 有知觉 物联网的这一神奇功能是互 联网所不具备的 它主要依靠一种名为射频识别的 技术来实现 3 智能化特征 网络系统应具有自动化 自我 反馈与智能控制的特点 2 2物联网概念的演进历程 其实 物联网并非一个崭新的概念 而是已经拥 有了十多年的技术发展历史 如今的力量爆发是物 联网核心技术无线通信技术成熟发展并规模化商用 的必然结果 文献表明 比尔 盖茨于1995年在 未来之路 一书中就已经提出了物联网的理念 盖茨在书中写 道 当袖珍个人计算机普及之后 困扰着机场终端 剧院以及其他需要排队出示身份证或票据等地方的 瓶颈路段就可以被废除了 比如 当你走进机场大门 时 你的袖珍个人计算机与机场的计算机相联就会 证实你已经买了机票 开门你也无需用钥匙或磁卡 你的袖珍个人计算机会向控制锁的计算机证实你的 身份 2 受限于当时无线网络 硬件及传感设备的 发展水平 尽管物联网的形态已经存在 但没有成为 信息技术的主流 所以物联网的概念并未引起业界 的重视 1999年 主要研究联网无线射频识别技术和新 兴感应技术的麻省理工学院 MIT 的自动识别技术 中心 Auto ID Center 提出 可以把物品装上射频识 别等信息传感设备与互联网连接起来 实现智能化 识别和管理 3 这就是早期的 物联网 概念 2005年11月 在突尼斯举行的信息社会世界 峰会 WSIS 上 国际电信联盟 ITU 发布了 ITU 互 联网报告2005 物联网 使用了 物联网 的概念 报告指出 无所不在的物联网通信时代即将来临 世 界上所有的物体 从轮胎到牙刷 从房屋到纸巾 都 可以通过因特网主动进行交换 在这个过程中 射频 识别技术 传感器技术 纳米技术 智能嵌入技术将 得到更加广泛的应用 4 ITU的报告描绘了物联网广 泛应用后的新模式 对于物联网概念的兴起起到了 比较大的推动作用 但ITU的报告并未给物联网一 个清晰的定义 2009年1月 奥巴马总统就职后 与美国工商 界领袖举行了一次圆桌会议 作为仅有的两名代表 之一 IBM首席执行官彭明盛 Samuel Palmisano 提 出了 智慧地球 Smarter Planet 的概念 建议新政 府投资新一代的智慧型基础设施 并阐明其短期和 长期效益 对此 奥巴马给予了积极回应 经济刺激 资金将会投入到宽带网络等新兴技术中去 毫无疑 问 这就是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方 式 应该说 物联网作为一种较为成熟的概念被提 出来 主要是在IBM提出 智慧地球 概念之后 2009年8月7日 我国温家宝总理视察无锡微 纳物联网工程技术研发中心并发表了重要讲话 指 出 在物联网发展中 要早一点谋划未来 早一点攻 破核心技术 在国家重大科技专项中 加快推进物 联网发展 尽快建立中国的传感信息中心 或者叫 感知中国 中心 这充分强调了发展物联网的紧迫 性与战略重要性 正是在上述背景下 物联网概念成为2009年度 的热词 在全球范围内引起广泛关注 3物联网的架构体系与关键技术 3 1物联网的架构体系 学界通常将物联网系统划分为三个层次 感 知层 网络层 应用层 82 2011年1 月 第1期中国科技论坛 感知层的主要功能是全面感知 即利用RFID 传感器 二维码等随时随地获取物体的信息 RFID 技术 传感和控制技术 短距离无线通信技术是感知 层涉及的主要技术 其中包括芯片研发 通信协议研 究 RFID材料 智能节点供电等细分领域 网络层的主要功能是实现感知数据和控制信息 的双向传递 通过各种电信网络与互联网的融合 将 物体的信息实时准确地传递出去 物联网通过各种 接入设备与移动通讯网和互联网相连 如手机付费 系统中由刷卡设备将内置于手机的RFID信息采集 上传到互联网 网络层完成后台鉴权认证并从银行 网络划账 网络层还具有信息存储查询 网络管理等 功能 应用层主要是利用经过分析处理的感知数据 为用户提供丰富的特定服务 云计算平台作为海量 感知数据的存储 分析平台 既是物联网网络层的重 要组成部分 也是应用层众多应用的基础 物联网的 应用可分为监控型 物流监控 污染监控 查询型 智能检索 远程抄表 控制型 智能交通 智能家 居 路灯控制 扫描型 手机钱包 高速公路不停车 收费 等 应用层是物联网发展的目的 软件开发 智 能控制技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应 用 感知层是物联网发展和应用的基础 网络层是 物联网发展和应用的可靠保证 没有感知层和传输 层提供的基础 应用层也就成了无源之水 无本之 木 但未来的物联网发展将更加关注应用层 只有当 未来物联网接入互联网 普及应用 数据量越来越 大 应用需求日趋广泛 强烈之后 物联网才会迎来 大发展 人类才能真正迈入智慧地球时代 3 2物联网的关键技术 物联网涉及的新技术很多 其中的关键技术主 要有射频识别技术 传感器技术 网络通信技术和云 计算 传输数据计算 等 1 射频识别技术 射频识别技术 俗称 电子标签 是物联网中非 常重要的技术 是实现物联网的基础与核心 射频技 术是一项利用射频信号通过空间耦合 交变磁场或 电磁场 实现无接触信息传递并通过所传递的信息 达到识别目的的技术 这一技术由三个部分构成 1 标签 Tag 附着在物体上以标识目标对象 2 阅读器 Reader 用来读取 有时还可以写入 标签 信息 既可以是固定的也可以是移动的 3 天线 Antenna 其作用是在标签和读取器之间传递射频 信号 当然 在实际应用中还需要其他硬件和软件的 支持 该项技术的基本思想是 通过先进的技术手段 实现人们对各类物体或设备 人员 物品 在不同 状态 移动 静止或恶劣环境 下的自动识别和管理 由于射频识别无须人工干扰 可使用于各种恶劣环 境 可用来追踪和管理几乎所有物理对象 所以零售 商和制造商非常关心和支持这项技术的发展和应 用 比如 沃尔玛公司就成功地将射频技术应用于供 应链管理中 高速公路的自动收费系统更是这项技 术最成功应用之一 射频技术发展面临的主要问题和难点是 1 射 频识别的碰撞防冲突问题 2 射频天线研究 3 工 作频率的选择 4 安全与隐私问题 5 2 传感器技术 要产生真正有价值的信息 仅有射频识别技术 是不够的 还需要传感技术 由于物联网通常处于自 然环境中 传感器要长期经受恶劣环境的考验 因 此 物联网对传感器技术提出了更高的要求 作为摄取信息的关键器件 传感器是现代信息 系统和各种装备不可缺少的信息采集手段 如果把 计算机看做处理和识别信息的大脑 把通信系统看 做是传递信息的 神经 系统的话 则传感器就是感 觉器官 所谓传感器 是指那些对被测对象的某一确 定的信息具有感受 或响应 与检出功能 并使之按 照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件 或装置 离开了传感器对被测的原始信息进行准确 可靠的捕获和转换 一切准确的测试与控制都将无 法实现 即使是最现代化的电子计算机 假如没有准 确的信息 或转换可靠的数据 和不失真的输入 也 将无法充分发挥其应有的作用 传感器技术的发展与突破主要体现在两个方 面 一是感知信息方面 二是传感器自身的智能化和 网络化 未来传感器技术的发展趋势大致分为如下 几个方面 向检测范围挑战 集成化 多功能化 向未 开发的领域挑战 生物传感器 传感技术 智者为 尊 智能传感器 Smart sensor 发现和利用新材 料 传感器技术是一门综合的高新技术 它集光 机 电 生物医学于一身 可以毫不夸张地说 传感器 83 中国科技论坛 2011年1 月 第1期 技术的水平从一个侧面反映了微电子技术 MEMS 纳米技术 光电子技术 生物技术等高新技术的水 平 3 网络通信技术 无论物联网的概念如何扩展和延伸 其最基础 的物物之间的感知和通信是不可替代的关键技术 网络通信技术包括各种有线和无线传输技术 交换 技术 组网技术 网关技术等 其中M2M技术则是物联网实现的关键 M2M 技术是机器对机器 Machine To Machine 通信的简 称 指所有实现人 机器 系统之间建立通信连接的 技 术 和 手 段 同 时 也 可 代 表 人 对 机 器 ManToMachine 机器对人 MachineTo Man 移动 网络对机器 Mobile To Machine 之间的连接与通 信 M2M技术适用范围广泛 可以结合 GSM GPRS UMTS等 远 距 离 连 接 技 术 也 可 以 结 合Wifi BlueTooth Zigbee RFID和UWB等 近 距 离 连 接 技 术 此外还可以结合XML和Corba 以及基于GPS 无线终端和网络的位置服务技术等 用于安全监测 自动售货机 货物跟踪领域 目前 M2M技术的重点 在于机器对机器的无线通信 而将来的应用则将遍 及军事 金融 交通 气象 电力 水利 石油 煤矿 工 控 零售 医疗 公共事业管理等各个行业 短距离无 线通信技术的发展和完善 使得物联网前端的信息 通信有了技术上的可靠保证 通信网络技术为物联网数据提供传送通道 如 何在现有网络上进行增强 适应物联网业务的需求 低数据率 低移动性等 是该技术研究的重点 物 联网的发展离不开通信网络 更宽 更快 更优的下 一代宽带网络将为物联网发展提供更有力的支撑 也将为物联网应用带来更多的可能 4 云计算 云计算 Cloud Computing 是网格计算 分布式 计算 并行计算 效用计算 网络存储 虚拟化 负载 均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的产 物 云计算的基本原理是 通过使计算分布在大量的 分布式计算机上 而非本地计算机或远程服务器中 企业数据中心的运行将更与互联网相似 这使得企 业能够将资源切换到需要的应用上 根据需求访问 计算机和存储系统 它旨在通过网络把多个成本相 对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的 完美系统 并借助SaaS PaaS IaaS MSP等先进的商 业模式把这强大的计算能力分布到终端用户手中 云计算的一个核心理念就是通过不断提高 云 的处理能力 减少用户终端的处理负担 最终使用户 终端简化成一个单纯的输入输出设备 并能按需享 受 云 的强大计算处理能力 Google搜索引擎是云 计算的成功应用之一 4物联网技术的应用前景及策略建议 物联网被视为继计算机 互联网和移动通信网 络之后的第三次信息产业浪潮 对整个国家的经济 社会发展和信息化水平提升有着重大意义 可以成 为推动产业升级 迈向未来社会的发动机 时至今 日 物联网已不只是一个学术概念 而且有着非常广 泛的市场需求 实际上 物联网已经在很多领域有应 用案例 这些商业案例的成功是物联网获得大发展 的先决条件 目前 国内外物联网具有应用优势的领 域主要包括如下方面 4 1物联网的典型应用 1 智能电网 人类已进入新能源时代 如何创建一个既能保 证供电的可持续性 安全性 又能保护环境的智能电 网 已经成为各国能源政策的目标 美国业界主流意 见认为 新的能源革命更多的是智能电网或者智慧 能源的变革 能源行业的焦点已经转移到管理能源 需求和融合全部技术的网络 智能电网 6 智能电网 就是利用传感器 嵌入式处理器 数 字化通信和IT技术 构建具备智能判断与自适应调 节能力的多种能源统一入网和分布式管理的智能化 网络系统 可对电网与客户用电信息进行实时监控 和采集 且采用最经济与最安全的输配电方式将电 能输送给终端用户 实现对电能的最优配置与利用 提高电网运行的可靠性和能源利用效率 智能电网是物联网第一重要的运用 包括很多 电信企业开展的 无线抄表 应用 其实也是物联网 应用的一种 对于物联网产业甚至整个信息通信产 业的发展而言 电网智能化将产生强大的驱动力 并 将深刻影响和有力推动其他行业的物联网应用 2 智能交通 所谓智能交通 就是利用先进的通讯 计算机 自动控制 传感器技术 实现对交通的实时控制与指 挥管理 交通智能化是解决交通拥堵 提高行车安 全 提高运行效率的重要途径 我国交通问题的重点 和难点是城市道路拥堵 在道路建设跟不上汽车增 84 2011年1 月 第1期中国科技论坛 长的情况下 对车辆进行智能化管理和调配就成为 解决拥堵问题主要技术手段 目前 全国已经有20 多个省区市实现公路联网监控 交通事故检测 路况 气象等应用 路网检测信息采集设备的设置密度在 逐步加大 有些高速公路实现了全程监控 并可以对 长途客运危险货物运输车辆进行动态监管 21世纪将是公路交通智能化的世纪 人们将要 采用的智能交通系统 是一种先进的一体化交通综 合管理系统 在该系统中 车辆靠自己的智能在道路 上自由行驶 公路靠自身的智能将交通流量调整至 最佳状态 借助于这个系统 管理人员对道路 车辆 的行踪将掌握得一清二楚 3 物流管理 物流领域是物联网相关技术最有现实意义的应 用领域之一 通过在物流商品中引入传感节点 可以 从采购 生产制造 包装 运输 销售到服务的供应链 上的每一个环节做到精确地了解和掌握 对物流全 程传递和服务实现信息化的管理 最终减少货物装 卸 仓储等物流成本 提高物流效率和效益 物联网与现代物流有着天然紧密的联系 其关 键技术诸如物体标识及标识追踪 无线定位等新型 信息技术应用 能够有效实现物流的智能调度管理 整合物流核心业务流程 加强物流管理的合理化 降 低物流消耗 从而降低物流成本 减少流通费用 增 加利润 物联网将加快现代物流的发展 增强供应链 的可视性和可控性 4 医疗管理 在医疗领域 物联网在条码化病人身份管理 移 动医嘱 诊疗体征录入 药物管理 检验标本管理 病 案管理数据保存及调用 婴儿防盗 护理流程 临床 路径等管理中 均能发挥重要作用 例如 通过物联 网技术 可以将药品名称 品种 产地 批次及生产 加工 运输 存储 销售等环节的信息 都存于电子标 签中 当出现问题时 可以追溯全过程 同时还可以 把信息传送到公共数据库中 患者或医院可以将标 签的内容和数据库中的记录进行对比 从而有效地 识别假冒药品 在公共卫生方面 通过射频识别技术 建立医疗卫生的监督和追溯体系 可以实现检疫检 验过程中病源追踪的功能 并能对病