物联网的关键技术

物联网的关键技术摘要物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，是新一代信息技术的重要组成部分，近年来发展迅速，具有广阔的应用前景［1］。作为动态的全球网络基础设施，它的根本是物与物、人与物之间的信息传递与控制。物联网技术是一项综合性的技术,涵盖了从信息获取、传输、存储、处理直至应用的全过程，其关键在于传感器和传感网络技术的发展和提升，根据侧重点不同物联网技术的划分标准也不同，国际电信联盟的报告分为四大关键性技术：标签物品的RFID、感知事物的传感网络技术、思考事物的智能技术、微缩事物的纳米技术［2］。本文首先介绍这些技术的基本原理和发展，并就其中的几个核心技术进行详细的认识和探究,同时分析技术应用背后面临的问题和挑战，为物联网的发展提出更具前瞻性的建议。关键词：物联网关键技术RFID#第1章引言物联网是将无处不在的末端设备和设施，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、数控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”的，如贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”，通过各种无线/有线的长距离/短距离通讯网络实现互联互通（M2M）、应用大集成、以及基于云计算的SaaS营运等模式，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。从1999年Ashton教授在研究RFID时最美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网（InternetofThings）这个词，2005年在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟正式提出了物联网的概念，到现如今各国政府重视下一代的技术规划，纷纷将物联网作为信息技术发展的重点。IBM更是提出“智慧的地球”的最新策略，并且希望在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，从而带动经济的发展和社会的进步，希望以此掀起“互联网”浪潮之后的又一次科技产业革命［3］。一般而言，可以将物联网从技术架构上来分为三层［4］：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。技术的发展与进步促成了物联网的快速发展，而其中的关键技术对物联网更是具有不同凡响的影响和意义。第2章物联网关键技术2.1感知技术感知技术也可以称为信息采集技术，它是实现物联网的基础。目前，信息采集主要采用电子标签和传感器等方式完成。在感知技术中，电子标签用于对采集的信息进行标准化标识，数据采集和设备控制通过射频识别读写器、二维码识读器等实现。2.1.1RFID射频识别(RFID)即射频识别技术，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，即是一种非接触式的自动识别技术［5］。由三部分组成：标签一一由耦合元件及芯片组成，具有存储与计算功能，可附着或植入手机、护照、身份证、人体、动物、物品、票据中，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上用于唯一标识目标对象。根据标签的能量来源，可以将其分为：被动式标签、半被动式标签和主动式标签。根据标签的工作频率，又可将其分为：低频(LowFrequency,LF)(30-300kHz)、高频(HighFrequency,HF)(3-30MHz)、超高频(UltraHighFrequency,UHF)(300-968MHz)和微波(MicroWave,MW)(2.45-5.8GHz)。阅读器一一读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式，阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。天线——在标签和读取器间传递射频信号。RFID技术的基本工作原理⑹：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者由标签主动发送某一频率的信号，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。前向佶逍图1RFID技术原理图RFID面临的问题⑺：数据安全：由于任何实体都可读取标签，因此敌手可将自己伪装成合法标签，或者通过进行拒绝服务攻击，从而对标签的数据安全造成威胁。隐私：将标签ID和用户身份相关联，从而侵犯个人隐私。未经授权访问标签信息，得到用户在消费习惯、个人行踪等方面的隐私。和隐私相关的安全问题主要包括信息泄漏和追踪。复制：约翰斯霍普金斯大学和RSA实验室的研究人员指出RFID标签中存在的一个严重安全缺陷是标签可被复制。2・1・2传感器传感器是机器感知物质世界的“感觉器官”，用来感知信息采集点的环境参数；它可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为物联网系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。随着电子技术的不断进步，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化；同时，我们也正经历着一个从传统传感器到智能传感器再到嵌入式Web传感器不断发展的过程。2.2网络通信技术在物联网的机器到机器、人到机器和机器到人的信息传输中，有多种通信技术可供选择，他们主要分为有线（如DSL、PON等）和无线（如CDMA、GPRS、IEEE802.11a/b/gWLAN等）两大类技术，这些技术均已相对成熟。在物联网的实现中，格外重要的是无线传感网络技术。2・2・1M2M即机器对机器通信，M2M重点在于机器对机器的无线通信，存在以下三种方式：机器对机器，机器对移动电话（如用户远程监视），移动电话对机器（如用户远程控制）。在M2M中，GSM/GPRS/UMTS是主要的远距离连接技术，其近距离连接技术主要有802.11b/g、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB。此外，还有一些其他技术，如XML和Corba，以及基于GPS、无线终端和网络的位置服务技术。2.2.2无线传感网络传感网络的定义为随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。借助于节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的速度和方向等物质现象。集分布式信息采集，传输和处理技术与一体的网络信息系统，以其低成本，微型化，低功耗和灵活的组网方式、铺设方式以及适合移动目标等特点受到广泛重视。M2M中，GSM/GPRS/UMTS是主要的远距离连接技术，其近距离连接技术主要有802.llb/g、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB。此外，还有一些其他技术，如XML和Corba,以及基于GPS、无线终端和网络的位置服务技术。目前，面向物联网的传感网，主要涉及以下几项技术，测试及网络化测控技术、智能化传感网络节点技术、传感网络组织结构及底层协议、对传感网络自身的检测与自组织、传感网络安全。2.3数据融合与智能技术物联网是由大量传感网络节点构成的，在信息感知的过程中，采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法是不可行的。因为网络存在大量冗余信息，会浪费大量的通信带宽和宝贵的能量资源。此外，还会降低信息的收集效率，影响信息采集的及时性，所以需要采用数据融合与智能技术［8］进行处理。所谓数据融合是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效且符合用户需求的数据的过程。海量信息智能分析与控制是指依托先进的软件工程技术，对物联网的各种信息进行海量存储与快速处理，并将处理结果实时反馈给物联网的各种“控制”部件。智能技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识分析后所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可以使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动的实现与用户的沟通，这也是物联网的关键技术之一。根据物联网的内涵可知，要真正实现物联网需要感知、传输、控制及智能等多项技术。物联网的研究将带动（或者说推动）整个产业链的共同发展。信息感知技术、网络通信技术、数据融合与智能技术、云计算等技术的研究与应用，将直接影响物联网的发展与应用，只有综合研究解决了这些关键技术问题，物联网才能得到快速推广，造福于人类社会，实现智慧地球的美好愿望。2.4纳米技术纳米技术是研究尺寸在0.1〜100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能实际应用中的技术。目前，纳米技术在物联网技术中的应用主要体现在RFID设备，感应器设备的微小化设计，加工材料和微纳米加工技术上。第3章物联网现存问题技术标准的统一与协调我们都知道互联网发展到今天，有一件事是解决的非常好，就是标准化问题解决的非常好，全球进行传输的协议TCP/IP协议，路由器协议，终端的构架与操作系统，这些都解决的非常好，因此，我们可以在全世界任何一个角落，使用每一台电脑连接到互联网中去，可以很方便的上网。物联网发展过程中，传感、传输、应用各个层面会有大量的技术出现，可能会采用不同的技术方案。如果各行其是，那结果是灾难的，大量的小而破的专用网，相互无法连通，不能进行联网，不能形成规模经济，不能形成整合的商业模式，也不能降低研发成本。因此，尽快统一技术标准，形成一个管理机制，这是物联网马上就要面对问题，开始时，这个问题解决得好，以后就很容易，开始解决不好，积重难返，那么以后问题就很难解决。地址问题每个物品都需要在物联网中被寻址，就需要解决地址问题。物联网需要更多的IP地址，IPV4资源即将耗尽，而向IPV6过渡过程较漫长，同时存在与IPV4的兼容性问题。3.3多种技术融合问题物联网的价值不是一个可传感的网络，而是必须各个行业参与进来进行应用，不同行业，会有不同的应用，也会有各自不同的要求，这些必须根据行业的特点，进行深入的研究和有价值的开发。这些应用开发不能依靠运营商，也不能仅仅依靠所谓物联网企业，因为运营商和技术企业都无法理解行业的要求和这个行业具体的特点。很大程度上，这是非常难的一步，也是需要时间来等待。需要一个物联网的体系基本形成，需要一些应用形成示范，更多的传统行业感受到物联网的价值，这样才能有更多企业看清楚物联网的意义，看清楚物联网有可能带来的商业价值，也会把自己的应用与业务与物联网结合起来3.4安全问题物联网目前的传感技术主要是RFID,植入这个芯片的产品，是有可能被任何人进行感知的，它对于产品的主人而言，有这样的一个体系，可以方便的进行管理。但是，它也存在着一个巨大的问题，其他人也能进行感知，比如产品的竞争对手，那么如何做到在感知、传输、应用过程中，这些有价值的信息可以为我所用，却不被别人所用，尤其不被竞争对手所用。这就需要在安全上下功夫，形成一套强大的安全体系。现在应该说，会有哪些安全问题出现，如何应对这些安全问题，怎么进行屏蔽都是一些非常复杂的问题，甚至是不清晰的。但是这些问题一定值得注意，尤其是这个管理平台的提供者。安全问题解决不好，有一天可能有价值的物联网会成为给竞争对手提供信息方便的平台，那么它的价值就会大大的打折扣，也不会有企业愿意和敢于去使用。第4章结束语物联网技术被称为继计算机、互联网之后世界信息产业第三次浪潮，据估计在五到十年内将会有超过1000亿件设备连接入互联网［9］，组成更为庞大的物联网络。物联网的发展是信息社会发展的必然，技术的进步与应用是决定其发展的关键因素，同时在发展的道路上，也面临不少困难，这些困难有标准上的、技术上的、更有产业链上的，如何克服这些困难，需要社会各个层面在物联网关键技术和业务应用上取得突破。参考文献L.Atzoriaetal,“TheInternetofThings:Asurvey,”ComputerNetworks,vol.54,no.15,2010,pp.2787-2805CommissionoftheEuropeanCommunities(2009-06-18)，Things—刘化君，物联网体系结构研究[J],中国新通信,2010.5杨会彩，樊延虎，RFID技术及其在ETC系统中的应用，现代电子技术.2008.31(15):42-45KevinAshto