物联网关键技术研究

2012-04-29苏涛李文强孙聪

中国管理信息化 2012年18期

关键词：体系架构嵌入式系统物联网

苏涛李文强孙聪

［摘要］首先给出了物联网的定义，建立了物联网分别基于RFID、传感网络、M2M的三种体系架构模型，详细论述了嵌入式系统技术、传感器技术、RFID技术、网络通信技术等物联网关键技术，最后提出了六点物联网发展建议。

［关键词］物联网；体系架构；嵌入式系统；传感器网络；无线射频识别

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 18. 051

［中图分类号］TP393 ［文献标识码］A［文章编号］1673 - 0194（2012）18- 0090- 03

１引言

“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，被看作信息领域一次重大的发展和变革机遇，世界各国争相制定发展战略［１］。物联网欧盟委员会认为，物联网的发展应用将在未来５～１５年中为解决现代社会问题带来极大贡献，一些发达国家纷纷出台物联网发展计划，进行相关技术和产业的前瞻布局［２］。２００９年１１月，物联网被确定为我国今后７大战略性新兴产业之一。北京已启动物联网５年规划，规划建成首个物联网应用资源共享服务、信息交换、传感信息网络、超级计算和云计算中心等共性基础支撑平台，完成政府、社会、企业三方面几十个示范应用园区。同时，上海、杭州、成都、南京等市，山东、广东、河南、东北三省、福建等地政府也表示，将全力进军物联网。国内专家预测，“物联网产业将是下一个万亿元级规模的产业，甚至超过互联网３０倍，潜力无穷”［３］。

然而整体而言，目前无论国内还是国外，物联网的研究和开发都还处于起步阶段，还没有进入成熟商用阶段。我国物联网的研究和发展更是偏重于应用方案和终端设备等上层应用上，包括国家级示范基地的无锡，还有上海、杭州、苏州等地，都局限在应用领域，如高铁物联网应用等；与发达国家相比，我国主要的差距是在硬件方面，如传感器、微电子机械系统（ＭＥＭＳ）及传感器网络领域的基础技术创新，对物联网系统模型、体系架构和关键技术也还缺乏清晰化的界定和研究。因此，本文综述了物联网领域目前的研究状况，从物联网概念、体系架构、关键技术等方面，对物联网研究的技术基础以及关键问题进行论述和研究。

２物联网概念

１９９９年美国麻省理工学院（ＭＩＴ）的自动识别中心（Ａｕｔｏ－ＩＤＬａｂｓ）首先提出物联网的概念——把所有物品通过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。２００５年国际电信联盟ＩＴＵ在突尼斯举行的信息社会世界峰会（ＷＳＩＳ）上正式确定了“物联网”的概念，并随后发布了《ＩＴＵＩｎｔｅｒｎｅｔｒｅｐｏｒｔｓ２００５——ｔｈｅＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓ》，介绍了物联网的特征、相关的技术、面临的挑战和未来的市场机遇［4］。

对比物联网的最初概念以及不同的物联网定义，本文认为：任何物体依靠嵌入式系统技术拥有智能处理能力，借助传感器技术获得感知能力，利用ＲＦＩＤ技术具有智能识别和信息交互能力，通过互联网和网络通信技术实现人与物、物与物的自主信息沟通和交互，从而形成的可以连接万物的智能网络，就是物联网。

３物联网关键技术

３．１物联网体系架构

体系架构是指导具体系统设计的首要前提。物联网应用广泛，系统规划和设计极易因角度的不同而产生不同的结果，因此本文从物联网应用的三大类别来描述其体系架构。

３．１．１基于ＲＦＩＤ的体系架构

ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）是能够把“物”改变成为“智能物”的技术，它的主要应用是给移动和非移动物体贴上电子标签，实现各种跟踪和管理［5］。它是穿孔卡、键盘和条码等应用技术的延伸，但比条码等技术自动化、智能化程度高。基于ＲＦＩＤ的体系架构由五大技术组成，分别是ＥＰＣ（电子产品码）标签、ＲＦＩＤ标签阅读器、ＡＬＥ中间件实现信息的过滤和采集、ＥＰＣＩＳ信息服务系统，以及信息发现服务（包括ＯＮＳ和ＰＭＬ），体系架构图见图１。该体系架构中ＯＮＳ（即对象命名服务ＯｂｊｅｃｔＮａｍｅＳｅｒｖｉｃｅ）主要处理电子产品码与对应的ＥＰＣＩＳ信息服务器地址的查询和映射管理类似于互联网络中已经很成熟的域名解析服务（ＤＮＳ）。ＥＰＣ产品电子码识别只是“标签”，所有关于产品有用的信息都用ＰＭＬ（ＰｈｙｓｉｃａｌＭａｒｋｕｐＬａｎｇｕａｇｅ）来描述。基于ＯＮＳ和ＰＭＬ，企业对ＲＦＩＤ技术的应用将由企业内部的闭环应用过渡到供应链的开环应用上，实现真正的“物联网”。

３．１．２基于传感网络的体系架构

无线传感网络ＷＳＮ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ）由分布在自由空间里的一组“自治的”无线传感器组成，共同协作完成对特定周边环境状况的监控，包括温度、湿度、化学成分、压力、声音、位移、振动、污染颗粒等［6］。ＷＳＮ中的一个节点（或叫Ｍｏｔｅ）一般由一个无线收发器、一个微控制器和一个电源组成。ＷＳＮ的研究大多还专注于网络底层（包括非ＩＰ协议的ＺｉｇＢｅｅ、ＴｉｎｙＯＳ和基于ＩＰ的６ＬｏＷＰＡＮ等），以及电源的持久性等问题，按照其目前的发展，ＷＳＮ离真正的“物联网”还有一定距离，对像基于ＲＦＩＤ架构中的ＯＮＳ和ＰＭＬ等物联网层面问题的研究还不够。因此，商用的基于传感网络的应用架构还不成熟。

３．１．３基于Ｍ２Ｍ的体系架构

Ｍ２Ｍ（Mａｃｈｉｎｅｔｏ Mａｃｈｉｎｅ）表示机器与机器之间的通信，也即非信息技术（ＩＴ）机器设备通过移动通信网络与其他设备或ＩＴ系统的通信，广义来讲也包括人与机器（Mａｎｔｏ Mａｃｈｉｎｅ）的通信，是以机器智能交互为核心的网络化的应用与服务。Ｍ２Ｍ和ＷＳＮ一样，都是物联网的表现形式［7］。从概念内涵角度，物联网包含了万事万物的信息感知和信息传送；Ｍ２Ｍ则主要强调机器与机器之间的通信，偏重于实际应用，是现阶段物联网最普遍的应用形式，典型的基于Ｍ２Ｍ的体系架构如图２所示。Ｍ２Ｍ同ＷＳＮ一样缺乏类似ＯＮＳ和ＰＭＬ的“物联网”标准规范和统一体系架构。

物联网应用广泛，系统规划和设计极易因角度的不同而产生不同的结果，另外，随着应用需求的不断发展，各种新技术将逐渐纳入物联网体系中，体系架构的设计也将决定物联网的技术细节、应用模式和发展趋势。整体而言，与物联网的概念类似，目前还没有一个规范化的物联网体系架构模型，完整反映物联网系统实现中的功能集划分、组网方式、互操作接口、管理模型等，不利于物联网的标准化和产业化。

３．２嵌入式系统技术

嵌入式系统技术是按照物聯网对设备功能、性能、可靠性、成本、体积、功耗等综合要求，根据不同应用定制裁剪的嵌入式计算机技术，包括嵌入式芯片技术、嵌入式操作系统技术、嵌入式应用软件和系统集成技术，是实现感知层物体、通信及信息处理设备智能的重要基础［8］。嵌入式芯片方面，通信领域ＡＲＭ核具有统治地位，工业领域则以瑞萨、ＮＥＣ、飞思卡尔为主。嵌入式操作系统方面，智能手机以Ｓｙｍｂｉａｎ、ＷｉｎｄｏｗｓＭｏｂｉｌｅ、Ａｎｒｏｉｄ、Ｌｉｎｕｘ为主，工业领域ＶｘＷｏｒｋｓ使用最广泛。整体而言，嵌入式系统正朝着微型化和专业化发展。我国在嵌入式操作系统方面已经取得一定突破，研发出ＤｅｌｔａＣｏｒｅ、Ｈｏｐｅｎ等系统，但与国外技术存在差距。目前我国企业仍主要以嵌入式应用软件研发和系统集成为主。

３．３传感器技术

传感技术利用传感器和自组织传感器网络，协作感知、采集网络覆盖区域中被感知对象的信息。传感器将物理世界中的物理量、化学量、生物量转化成数字信号，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、湿度、压力、流量、黏度、浓度、物位、位移、速度、加速度、转速、力矩等。传感器技术依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术，对基础技术和综合技术要求非常高。技术原理包括电阻、电容、感应、霍尔、压电、热电、光电等。传感器种类超过2万，低成本、低功耗、微型化、智能化、网络化是传感器的主要发展方向。新材料新功能的新型传感器、智能传感器、多功能传感器是未来发展的重点。美、日、德等发达国家在技术方面整体领先，在中高端传感器方面处于统治地位。我国虽在ＭＥＭＳ传感器、光纤传感器等方面取得了一定突破，但在材料、灵敏度、精度、可靠性等方面与国外仍有较大差距［9］。目前，传感器在还没有达到规模应用水平，是物联网产业化发展的重要瓶颈之一。

传感器网是包含互联的传感器节点的网络，这些节点通过有线或无线通信交换传感数据。传感器节点是由传感器和可选的能检测处理数据及联网的执行元件组成的设备，具有数据采集、处理、通信能力。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的形形色色的传感器以及由它们组成的传感网络，来感知整个物质世界的。目前，面向物联网的传感网，主要涉及测试及网络化测控技术、智能化传感网节点技术、传感网组织结构及底层协议技术、对传感网自身的检测与自组织技术、传感网安全技术等。

３．４ＲＦＩＤ技术

ＲＦＩＤ电子标签是近几年发展起来的新型产品，也是替代条形码走进物联网时代的关键技术之一。识别技术主要实现物联网中物体标识和信息的获取。物体识别以采用ＲＦＩＤ技术为主。ＲＦＩＤ通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。ＲＦＩＤ技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。ＲＦＩＤ涉及无线通信、芯片、天线、标签封装、系统集成、信息安全等技术。现阶段应用以低频和高频为主，超高频技术具有远距离识别的优势，有望成为未来主流。目前国际研发重点集中在超高频和微波ＲＦＩＤ芯片设计与制造、低成本标签封装和天线、多功能ＲＦＩＤ读写器、读写器协调与组网等方面。超高频和微波ＲＦＩＤ方面基本为国外垄断，美国在芯片、读写器、系统软件方面优势巨大。低频和高频技术我国已基本掌握，超高频和微波ＲＦＩＤ是今后攻关方向。

３．５网络通信技术

网络是物联网信息传递和服务支撑的基础设施，通过泛在的互联功能，实现信息高可靠性、高安全性传送。物联网的网络技术涵盖泛在接入和骨干传输等多个层面的内容，主要分为有线和无线两大类技术，其中适应机器通信需求的蜂窝移动通信增强技术和满足传感器网络低速率、低功耗、低配置的近距离无线通信与组网技术将是物联网的研究重点。

机器通信与人的通信有很多不同，有低速率、低移动性、高并发、省电等方面的要求。现有面向人与人通信设计的二代、三代、四代移动通信技术需要进行一定的改造才能更好适应物物通信的新需求。世界上主要的电信设备制造商和运营商正在进行面向机器通信的蜂窝移动通信增强技术的研发和标准化。我国华为、中兴等公司也进行大量研究，技术和产品与世界保持同步。

近距离无线通信和组网技术是传感网、个域网、家庭网、工控网等延伸网的底层通信基础，包括蓝牙、超宽带（ＵＷＢ）、低速低功耗通信（８０２．１５．４）等物理层和链路层技术以及ＺｉｇＢｅｅ、ＩＳＡ１００、ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ、基于ＩＰｖ６的ＷＰＡＮ等低速低功耗无线通信组网技术，这些技术还是国外主导［１0］。在８０２．１５．４方面，我国提出的无线频率（７８０兆）和调制方式（ＭＰＳＫ）的支持作为可选项写入ＩＥＥＥ标准。ＵＷＢ方面已研发出试验芯片，还未实现规模生产。总体上，我国企业还是以芯片外围设计与集成为主。

４物联网发展建议

物联网的发展建设是一个循序渐进、逐步成熟的过程，不可能一蹴而就。中国工程院副院长邬贺铨说：“现在全国是一片物联网热，一头是政府热，各地政府纷纷上马物联网项目；一头是小企业热，趁机倒卖传感设备，物联网是个好东西，但决不能一哄而上。在低碳概念的号召下，我国风电、光伏等产业一哄而上，重复建设、产能迅速过剩。物联网是信息化发展的大势所趋，但是物联网项目的上马要注意避免重蹈覆辙，避免泡沫化。”对于我国物联网的发展应注意以下几点：

（１）统筹规划。建议由发改委组织工信部、测绘局、科学院、能源局、交通部等开展我国物联网建设的规划和顶层设计，避免重复建设和盲目发展。

（２）示范推进。在统筹规划的基础上，挑选具有较好基础的部门开展物联网建设和智慧行业的示范工程。

（３）形成协调机制。建议由相关政府部门组成国家物联网和智慧中国建设的协调委员会，促进分建共享机制的形成。

（４）加强硬件基礎研究。在物联网技术体系中，我国最薄弱的就是微电子技术、微细加工技术、系统级芯片ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－Ｃｈｉｐ）设计技术、纳米材料与技术等基础技术，应加大研究投入和规划。

（５）加强智能技术研究。物联网超出了单计算机的范围，从量变走向了质变。云计算给它提供了巨大的计算能力，互联网给它提供了海量的信息，传感网给了它“主动”收集所需信息的能力……传感器网络中具有计算能力的各个网络节点，就能够模仿人脑神经系统的神经元，提供经过智能加工的信息给整个大智能系统进行更深层的综合加工利用。

（６）探索新型举国体制。科技举国体制是实施“大科学项目”的必然选择，即对推动科技发展和社会进步，对国计民生和国家安全具有重要意义的大项目。在市场经济环境下，由国家领导的科技创新举国体制是战略性产业取得迅速赶超突破的最佳（甚至是唯一的）途径。

５结语

在物联网的发展建设过程中，机遇和挑战是并存，通过对物联网及相关领域的研究可以发现，一方面，目前对物联网的研究尚处于起步阶段，这对于我们来说是机会，要勇于抓住机会迎头而上；另一方面，在物联网领域，我国主要的差距是在硬件基础方面，要敢于面对挑战刻苦攻关取得技术突破和创新。

主要参考文献

［１］刘强，崔莉，陈海明．物联网关键技术与应用［Ｊ］．计算机科学，２０１０，３７（６）：１－４．

［２］Ｄｏｌｉｎｒａ．ＤｅｐｌｏｙｉｎｇｔｈｅＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆ Tｈｉｎｇｓ［Ｃ］／／ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅＩｎｔｅｒｎｅｔ．２００６．

［３］雁鸣．科技创新举国体制——兼谈中国物联网的突破之路［Ｊ］．中国数字电视，２０１０（７）．

［４］ＩＴＵＳｔｒａｔｅｇｙ，ＰｏｌｉｃｙＵｎｉｔ（ＳＰＵ）．ＩＴＵＩｎｔｅｒｎｅｔＲｅｐｏｒｔｓ２００５：ＴｈｅＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ［Ｒ］．Ｇｅｎｅｖａ：ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＵｎｉｏｎ（ＩＴＵ），２００５．

［５］刘化君．物联网关键技术研究［Ｊ］．计算机时代，２０１０（７）：４－６．

［６］马海晶．物联网感知技术探讨［Ｊ］．制造业自动化，２０１１，３３（６）：７６－７８．

［７］晁世伟，杨元，李静毅．物联网Ｍ２Ｍ的安全分析及策略［Ｊ］．计算机科学，２０１１，３８（１０）：７－９．

［８］李健．物联网关键技术和标准化分析［Ｊ］．通信管理与技术，２０１０，６（３）：１７－２０．