物联网关键技术及应用

杨 倩

（北京邮电大学 北京 100876）

物联网关键技术及应用

杨 倩

（北京邮电大学 北京 100876）

本文叙述了物联网的构架以及所涉及的关键技术，并提出了关键技术的研究热点和研究方向，并举例描述了物联网的实际应用。

物联网；关键技术；研究热点

1 引言

物联网是目前各界追捧的热点。有人说它是空中楼阁，有人说它将引领下一次的科技革命，孰是孰非，尚无定论。但是，它的诞生是在一定的实践基础上提出的，也说明它存在一定的可行性，让我们一起来客观地分析一下。

2 物联网构架

2.1 从互联网到物联网

人们可以把物联网看作传统互联网的自然延伸，因为它的信息传输基础仍然是互联网。物联网（The internet of things)是“万物沟通”的，具有全面感知、无缝互联、智能处理特征的连接物理世界的网络，实现任何时间、任何地点及任何物体的连接。

互联网主要解决人与人的互联，连接了虚拟与真实的空间；物联网主要解决的是物与物之间的互联，连接了现实与物理世界。物联网是以互联网的发展为前提的。

2.2 物联网架构

在业界，物联网大致被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容应用层。

（1）感知层

感知层是通过RFID移动终端、M2M终端、汇接节点、感知节点等获取相关数据及信息，以便网络的传输。它的特点是：嵌入智能、标识感知、协同互动。感知层是实现物联网全面感知的核心能力；感知节点随时随地感知、测量、捕获和传递信息，汇接节点汇聚、分析、处理和传送数据；各种形态的终端完成不同的功能，包括M2M终端、RFID移动终端、通信网和传感网之间的网关、感知信息的末梢传感器等。

（2）网络层

网络层解决的是感知层在一定范围内所获得的数据，通常是长距离的传输问题。这些数据可以通过移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等网络传输。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。

网络层为建立网络连接和为上层提供服务，具备以下主要功能：路由选择和中继；激活,终止网络连接；在一条数据链路上复用多条网络连接,多采取分时复用技术；差错检测与恢复；排序,流量控制；服务选择；网络管理；信息存储查询。

（3）应用层

应用层解决的是信息处理和人机界面的问题，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。物联网发展的根本目标是提供丰富的应用，将物联网技术与个人、家庭和行业信息化需求相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集。其应用可分为监控型（物流监控、污染监控灾害监控）、查询型（智能检索、远程抄表）、控制型（智能交通、智能家居、路灯控制远程医疗绿色农业）、扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。

3 物联网关键技术研究

物联网体系架构中三个层次所涉及的关键技术是物联网最终实现并得以实施的重要保证。物联网中涉及的关键技术包括标识技术、无线传感网（传感器网关、传感器）、中间件、客户端软件、用户卡鉴权和安全、远距通信（移动网/互联网等）、安全和隐私、智能处理技术（云计算等）。

3.1 关键技术1——标识技术

RFID为物体贴上电子标签，实现高效灵活管理，是物联网最关键的一个技术。典型的RFID系统由电子标签、读写器和信息处理系统组成，如图1所示。在射频识别技术（RFID）中要实现任何物体之间的互联就必须给每件物体一个识别编码，也就是用于身份验证的ID。每个产品或事物出现在这个世界就得获得一个惟一的编码来证明它的惟一性，而且单个物品可以拥有多个标识号，复合物体的每个组件可以都有标识号；而且属于一类的物品要有证明类属的特殊标识ID，而单个物品同时要有区别于同类其他物品的ID。另外，对于一些特殊物品要考虑到它们的安全隐私要求。针对这些需求，可以看出标识结构设计、标识映射机制、匿名标识技术将是推进RFID技术发展的热点研究问题。在这些问题研究过程中建议尽量采用已有的物品标识体系并进一步研究RFID和WMMP协议中标识的演进以及对TD网络的影响，从而更好地推动物联网的发展。

3.2 关键技术2——无线传感网

无线传感网是由大量部署在监测区域内的传感器节点构成的多个、自组织的无线网络系统。通常被用来监测在不同地点的物理或者环境参量，如光、温度、湿度、声音、振动、压力、运动或者污染等。它主要是通过各节点相互协作地感知、采集和处理网络覆盖区域的监测信息，并发布给观察者。

物联网的快速发展依赖于终端的大规模、大范围的部署，而物联网终端的多形态和泛在化既是物联网业务发展的特点，也是其面临的重点和难点；具体研究对象为传感器、传感器适配器、传感器网络网关等。而在未来，无线传感网络技术的拓扑控制、定位技术、时间同步、数据融合处理技术以及终端设备的能量获取和存储技术、设备小型化/低成本/低功耗等问题将引领无线传感网络的热点研究。

3.3 关键技术3——中间件

物联网的理念是要实现任何时间、任何地点及任何物体的连接，这个特点就决定了屏蔽底层硬件的多样性和复杂性以及与上层信息交换的复杂应用性。中间件为底层与上层之间的数据传递提供了很好的交互平台，实现各类信息资源之间的关联、整合、协同、互动和按需服务等。所以现在中间件的研究热点应着重于：基于远程控制的应用管理方式；支持多种传感设备的管理、数据采集和处理功能，从而降低应用与硬件的耦合性；具备符合多种应用通用需求的API集合；具有跨平台的灵活性移植。而我们下一步要做的就是进一步优化，向上层应用提供终端能力调用接口，从现有的应用程序中间件发展至架构中间件，形成物联网终端应用孵化环境，拓展现有中间件应用范畴。

3.4 关键技术4——安全和隐私

物联网的绝大多数应用都涉及个人隐私或机构内部秘密,物联网必须提供严密的安全性和可控性。这是由于任意一个标签的标识(ID)或识别码都能在远程被任意的扫描,且标签自动地、不加区别地回应阅读器的指令并将其所存储的信息传输给阅读器,这就需要保证国家及企业的机密不被泄露还要确保标签物的拥有者个人隐私不受侵犯，这些也就导致安全和隐私技术成为物联网识别技术的关键问题之一。

由于物联网的每个层的性质和功能不同，每层的安全问题也各不相同，具体见表1。

表1 物联网的每个层的性质和功能

除此之外，终端安全管理、感知节点的物理安全也要给予相当的重视。这其中包括用户卡/可信模块的安全（如认证、加密等）、设备软硬件完整性安全问题（如信息采集、存储的安全问题，设备硬件）以及防止非法移动的安全问题。

由于物联网现在还处于初级发展阶段，更多的时候还只是一种概念；所以物联网的安全机制在业界还是空白，但是我们的研究的目标应该是明确的。下一步我们应该把研究的重点放在研究物联网引入的安全需求和研究WMMP协议和WSN相关标准的安全机制上，进而提出符合物联网需求的安全技术方案，推进物联网的快速发展。

3.5 关键技术5——智能用户卡

物联网是社会信息化的一种延伸与发展，因此物联网的发展将为信息化的前沿产品——智能卡，带来新的发展机遇。在物联网全面感知、可靠传递、智能处理等主要环节中，智能卡让采集设备能够登录网络并起到鉴权作用，从而使采集设备拥有了数据采集和收集功能。可以说，智能卡是物联网应用中不可或缺的环节。

在智能卡迎来新的机遇时，新的挑战也随之而来。物联网的应用涉及覆盖各个行业，因此智能卡必须满足各行业的各种应用环境。这些需求就对SIM卡及其工艺提出了新的要求，包括卡片的温度、湿度、腐蚀、抗震动、模块附着力、抗静电、抗电磁等技术指标以及物联网SIM卡的产品形态标准化，包括触点位置、触点功能、产品体积等。面对广大的用户端，智能用户卡的需求量也就可想而知，这就要求设计出适合物联网产业链的智能卡管理方案；制定出严格的发卡流程以及号码管理系统，包括可能的商务流程、物流管理、测试认证、号码分配、号码激活、号码回收、号码规划等。除此之外，我们还需要研究物联网SIM卡的测试技术，制定检测标准，具备对新形态SIM卡的测试能力，填补业界对物联网SIM卡检测能力的空白，推动物联网SIM卡技术和检测的标准化。

伴随着物联网的发展，我们下一步要做的主要就是推进智能用户卡在物理特征、外形以及检测技术方面的分级与国际、国内标准化，推动卡商尽快满足量产要求，制定低成本、低能耗的技术方案。

3.6 其他关键技术

物联网的终端都需要以某种方式连接起来，发送或者接收数据，考虑到方便性(需要数据线连接)、信息基础设施的可用性以及一些应用场景本身需要随时监控的目标就是在活动状态下，因此移动网络将是最主要的接入手段。

物联网在感知层获得大量数据后要进行远距离的传输，实现不同终端的互联互通就要借助于互联网；它们是物联网的通道，要保证信息有序正确的流送，就依赖于安全可靠的中间传输机制。所以物联网概念的提出也在一定程度上推进了互联网向成熟化发展。

随着物联网应用的发展、终端数量的增长，会产生非常庞大的数据流，这时就需要一个非常强大的信息处理中心。传统的信息处理中心是难以满足这种计算需求的，在应用层就需要引入云计算中心处理海量信息，进行辅助决策。云计算作为一种虚拟化、硬件/软件运营化的解决方案，可以为物联网提供高效的计算、存储能力，为泛在链接的物联网提供网络引擎。

4 物联网典型应用研究

4.1 智慧电力

长期以来靠人的自觉性节能，不能根据实际需求的量度，有针对性地进行能源供应；而且还要靠人的积极性进行需求的管理。

而在未来的物联网时代，使人们在生活质量不受影响甚至更舒适的情况下，靠信息技术进步将能源节约下来。将需求管理融入到每一个电器产品设计上和系统的构建上，并使终端与电网及分布式能源进行响应和交流，在互联网式的分布式能源系统构筑的智能电网中，用户可以通过调节用电秩序，关闭或启动燃气、小水电等灵活机组，控制需求侧和蓄电设备（电动汽车）调节等多样化手段，解决分布式可再生能源的自由接入。

4.2 智能家居

家是每个人活动的主要场所，所以智能家居将是物联网技术应用实现最广泛的地方。当前家居只存在一些简单的智能应用，例如电灯的自动开关，电暖气的温度自动调节等。在未来，各种家庭设备将通过智能家庭网络联网实现自动化，用户可以通过电信宽带、固话和3G无线网络实现对家庭设备的远程管理和控制；像空调、照明灯等设备会自动感知学习主人生活习惯，自动调节室温、光线的明暗，减少能源浪费智能家居将为人们提供舒适宜人且高品位的家庭生活空间，实现更智能的家庭安防系统并提供全方位的信息交互功能。

4.3 智能城管

长期以来靠城管人员巡查公共设施损坏、违章摊位查处等，不能有规律的智能获取公共设施状态，无法智能管理、调配资源；如果利用物联网技术，各种传感器设备就能及时监测公共设施状态、故障发生时间和地点等数据，进而实现对城市管理问题的精确定位，现场问题的实时发现、实时报送，及时解决。如此一来，就能增加城管执法的快速、高效、可靠性。譬如说当某物品被取走后，监控系统会发遗失指令给后台，后台将物品的位置信息和遗失情况返回给前台，这样就会减少偷窃犯罪率。

5 结束语

物联网不是空中楼阁，不是科技狂想，是人类社会高度发展的产物，是新纪元世界经济发展的技术驱动力。在其发展初期必然会面临各方的质疑，前进的道路漫长、曲折；然而它以实现人类随时、随地、随物自由的交流为目标，并辅以丰富的理论、实践为基础，所以一旦相关技术和配套系统得以发展完善，物联网市场一定会以爆炸式增长。物联网前景是广阔的，它将会为我们带来全新的生活方式，“智慧地球”的理念最终也会变成现实。

1 物联网体系结构，http://blog.csdn.net/dengta_snowwhite/archive/2009/12/23/5061168.aspx

2 王晓静,张晋．物联网研究综述．辽宁大学学报自然科学版，2010，37（1）

3 移动网络将成物联网主要接入方式.中国电子报,2010年01月

2010-07-25)