物联网感知技术探讨

2011-04-10马海晶

制造业自动化 2011年11期

马海晶

MA Hai-jing

（广东技术师范学院自动化学院，广州 510635）

0 引言

百度搜索的物联网的定义是：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，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。国家传感网标准工作组给出的物联网的定义：就是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息获取、传输和处理，从而实现广域或大范围的人与人、人与物、物与物之间信息交换需求的互联。后者的观点更具体、更广义，可见物联网的理念在我国业界有共识、有发展。本文通过分析比较自动识别技术、传感技术等感知技术特性，探讨融合多种感知技术的物联网应用。

1 感知技术分析

物联网的架构分为感知层、网络层和应用层，本文将感知层涉及的相关技术统称为感知技术。感知技术是物联网的基础，它跟现在的一些基础网络设施结合能够为未来人类社会提供无所不在、全面的感知服务，真正实现所谓的物理世界无所不在，物联网联接的对象包括智能装置及通过传感器感知的整个物理世界。物联网感知层涉及的技术众多，这里对自动识别技术、传感技术、定位技术、传感网标准作简要分析。

1.1 自动识别技术

自动识别技术是以计算机技术和通信技术为基础的一门综合性科学技术，是数据编码、数据标识、数据采集、数据管理、数据传输的标准化手段。包括条码识别技术、射频识别技术、语音识别技术、生物特征识别技术、图象识别技术、OCR、磁识别技术等。自动识别技术要素是标识与识读，物联网中用标识代表连接对象，具有唯一数字编码或可辨特征，识别分别是数据采集技术和特征提取技术，标识编码和特征的唯一性、统一性对物联网应用至关重要。目前常用自动识别技术特性分析比较如表1所示。

每一中自动识别技术的固有特性都使应用具有优势和限制，许多情况下必须多种技术、多种手段并用，来满足实际应用需要，如：条码和RFID就经常联合采用。

1.2 传感技术

传感器将物理世界中的物理量、化学量、生物量转化成供处理的数字信号，从而为感知物理世界提供最初的信息来源。感知的对象包括温度、压力、流量、位移、速度等。物联网感知层除了有传感器，还有执行器和控制器，通过通信模块与网关互联或先行组网与网关互联，包括传感网、工业总线等。IEEE 1451传感器接口标准规定了智能传感器的通用接口命令和操合，一定程度上解决了当前工业总线标准不统一问题，降低了传感网应用集成开发的难度。目前市场上智能化、网络化的传感器种类和功能都有成长，随着技术进步体积和成本呈下降趋势。

1.3 定位技术

可应用于物联网的定位技术分为卫星定位、无线电波定位、传感定位等。

表1 自动识别技术特性分析

卫星定位技术有GPS、GLONASS、北斗等。美国GPS技术比较成熟，且广泛应用。我国的北斗卫星导航定位系统也已经取得较大进展，中国北斗导航定位系统预计2020年前后覆盖全球，但目前北斗系统的并发容量、定位精度和终端成本还有待进一步发展。俄罗斯的GLONASS也在从新布网，但竞争力还无从判断。

无线电波定位主要是蜂窝移动通信系统的小区定位技术，运营商提供小区定位服务，但定位精度与GPS有差距。

另外，可利用物联网感知层进行定位，如利用RFID传感、车牌/集装箱图像识别等也可感知物体的位置。

1.4 传感网标准

传感网就是是感知设备组网，通常是指由大量传感器节点构成的无线传感器网络，是物联网应用的重要技术和建设热点。传感网与通信网的融合，实现人与物、物与物的互联，形成物联网。如此多种类和数量的物理设备整合，需要相应的技术标准和行业标准。ITU是最早进行传感网标准化的组织之一。 ISO/IEC JTC1正式成立传感网标准化工组（WG7）。我国成立了国家传感器网络标准化工作组，积极参与国际传感网标准化工作，具有较高的话语权。作为物联网的关键技术之一，国际国内传感网技术标准工作正在进行当中，将不断有新标准出台，其对能建立什么样服务价值链的的产业链规模意义非凡。

2 物联网应用技术探讨

广义概念的物联网实现“物理世界无所不在的全面的感知服务”，各种感知技术分布在物联网感知层，感知层的传感器、执行器、智能装置以及通过RFID、条码等标识的各种物体通过通信模块连接网关，或感知层设备组网连接网关，形成了多种感知技术物联网。大量的感知层设备分布式连接和信息交互，感知层设备组网、中间件（连接感知设备和应用）、统一标识标准的解析服务、应用模式（专业物联网应用、公共服务物联网应用）都有必要进行技术讨论。本文通过案例分析和总结要点的方式进行探讨

2.1 案例分析

下面通过某大型港区物联网应用示范项目案例，分析探讨融合多种感知技术的物联网应用。

某大型港区拥有码头、加工区、高新区、保税区及生活设施，提供交通管理、基础设施管理、安防监控、港务、物流仓储及生活服务等众多公共服务功能。前期，该区已建设了专用车辆GPS系统、码头RFID门禁系统、保税区RFID及车牌识别门禁系统、保税区安防及视频监控系统、港区智能交通监控系统（具车牌抓拍识别功能）、环境监控及很多信息管理系统（港务、航务、仓储及生活服务等）项目。港区物联网综合应用解决方案面临的情况十分复杂。感知方面，涉及条码、RFID、接触式IC卡、GPS、地感线圈、红外感应、图像识别、环境传感器（大气、水等）各种智能设备（执行器、控制器、工业总线等）等多种感知技术，且自成体系。标识和感知设备编码方面，涉及车辆号牌、集装箱号、EAN·UCC编码、EPC编码及各种自定义编码，个别的有解析服务，组网后的解析服务十分困难，关键是没有统一的编码标准。支撑技术方面，连接各种感知设备的中间件更无从谈起。

以港区智能交通物联网应用为例，车辆调度功能目标设想情景之一是：船务公司向港务提交某车前往提柜请求，港务通过集装箱箱号图像识别确知该集装箱的场位，并预约时间为车吊柜装车，指示该车按时进入码头，门禁传感器感知或车载GPS监控该车辆进入码头，吊机进行吊箱作业，车、箱同时到位。避免交通拥堵和长时间排队，实现港区交通合理调度。这其中，将车、吊装设备、集装箱、船务公司、港务公司等人和物连接起来，分别采用RFID、GPS、车牌识别、集装箱号识别等感知设备。实现这样的目标情景面临很多难题，1）标识和识读设备分布在不同位置、不同系统中，如何将其组网；2）如此多数量和多种类的感知信息，怎样判断信息代表的属性，那些是冗余信息，如何统一编码及建立相应的解析服务体系，3）如此多数量和多种类的感知设备用什么软件连接，设计或选用什么中间件。等等。

2.2 物联网应用的技术关键

物联网天生就是为大系统、大应用而生的，暨“实现广域或大范围的人与人、人与物、物与物之间信息交换需求的互联”、“物理世界无所不在的全面的感知服务”、“感知中国”等，融合多种感知技术的物联网大系统、大应用才能寻找出巨大的服务价值链，从而打造形成有价值的产业链。在目前的条件下，某大型港区物联网综合应用解决方案只能是专有的、个异的应用，但从中可以总结出多种感知技术物联网应用的要点：

1）物联网是多网络和多技术协同工作的一个体系架构，融合多种感知技术的物联网应用，需要多方面的手段。上述案例分析描述了物联网应用面临的局面和现状。个异的自定技术标准的物联网应用和建立新技术标准的新布网新平台物联网应用，都不可回避整合、融合已存在各种应用，物联网应用发展阶段必然是由个异的自定技术标准的物联网示范应用向用新技术标准整合的物联网应用发展，其过程的长短即取决产业引导、标准制定，也和相关产业同步发展相关联。物联网应用模式会专业物联网应用与公共物联网应用服务并举，但重点是打造高起点的公共应用服务。

2）符合传感网新标准，能构成大量微型传感器节点的无线传感网，将成为传感技术的发展方向，也就是传感技术的智能化、网络化方向。应加大开发智能传感器，制定传感器新技术标准，专业组网和公共组网，实现传感组网暨“感知组网”。

3）EPC、UID、EAN/UCC都有自己的编码和解析体系，物联网中，解析服务是将传感设备的ID或感知对象ID解析成其对应的数据访问通道信息，如EPC 的ONS（Object Name Service）。应建立统一标识编码，制定唯一标识标准，融合已有编码标准，打造统一可解析的物联网系统。

4）强调中间件的作用。中间件是把传感网、通讯网和应用连接起来支撑技术，某种意义上讲，中间件就是平台加通信。如此大量的感知技术和设备互连，很难想象没有中间件的技术支撑能够实现。中间件是物联网的核心技术，掌握它，未来有可能成为物联网应用的一个最上游的产业链。