智慧城市的支撑技术：物联网技术

文│ 北京邮电大学 芦效峰

中国电信昆山分公司 景培荣

1 物联网的概念

1999年提出的“物联网”（Internet of Things），指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件，实现人与物、物与物的信息交互和生产生活信息流的无缝链接，进而达到对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。智慧城市用物联网延伸到人与人、人与物、物与物的信息交互，而物联网让城市的信息获取随手可得。

“物联网”概念的问世，打破了传统思维，以往的概念一直是将物理基础设施和IT基础设施分开：一边是机场、公路、建筑物；而另一边是数据中心、个人电脑、宽带等。而在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施。在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。

2005年国际电信联盟（ITU）发布了《ITU报告2005：物联网》。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信息交换，射频识别技术（RFID）、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。

2009年2月24日IBM公司提出，IT产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且将之普遍连接，形成物联网。

2 物联网的网络体系与服务体系

物联网的架构通常认为有三个层次：底层是感知层，也就是传感网络；中间层是网络层，即数据传输的网络通道；上层则是应用层。实际上，将信息的传输和处理放在同一层次，或者将处理和应用放在同一层次，限制了信息的处理范围，构成了单点的闭环应用，不利于不同应用之间以及不同物品之间的资源共享和复用。因此，在当前阶段，人们更加倾向于将信息的传输和处理分开，将通用、公共的信息处理部分独立出来，作为物联网基础设施，可以供多个应用共同使用。这样，物联网架构被划分为四个层次：感知层、传输层、智能层和应用层，分别承担“感”、“传”、“智”、“用”的任务。

（1）感知层面。感知层主要负责识别物体，采集信息。感知层的工作需要依靠一些终端设备来完成，如二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、各种传感器等。以农业应用为例，常用的终端设备包括温度和湿度传感器、CO2探测传感器、光照度传感器、土壤养分传感器等。由于终端设备类型多样，各类设备输出的信号类型、使用的传输接口、生成的数据格式都不尽相同，而面对物联网所期望的物物相联，需要设备信息的共享和交换，因此如何规范化各种传感器的输出数据，让使用者能够识别这些数据是一项重要工作。

（2）传输层面。传输层主要负责信息传递。当前的主流技术包括：通信网络、无线专网、互联网及融合网络。以当前的农业物联网应用为例，传输网络的建设通常采用两种方式，一种是由电信、移动、联通三大运营商提出的3G+WLAN组网模式，另一种是利用Wi-Fi技术组建的无线宽带接入网络。传输层的目标是能够满足大量、实时传感数据的传输需求，而这也是传输层面临的一大挑战。据北京市智能交通应用的试验数据，面对200个节点的摄像头终端，传统的网络传输技术就已经不堪重负。因此，设计新型的网络体系结构，提高网络带宽，以保证大量数据的实时传输是一项重要工作。

（3）智能层面。智能层主要通过对传感信息的动态汇聚、分解、合并等处理和服务，在数字/虚拟空间内创建物理世界所对应的动态视图。一方面，对物联网建设中涉及的各类传感设备进行一体化管理，实现传感器技术标准的统一，提高传感器的共享利用程度，避免传感信息的重复采集；另一方面得到的数据和信息提供存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的基础服务。智能层的功能是融合在网络层与应用层之中。

（4）应用层。物联网技术可以应用到人们的生产与生活中，例如基于物联网的农业大棚种植、基于物联网的智能大厦、基于物联网的电力管理、基于物联网的智能家居、基于物联网的智能交通、基于物联网的远程医疗、公共监控、公共安全管理、城市管理等。

3 RFID技术

RFID（Radio Frequency Identification）是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。

RFID是一种能够让物品“开口说话”的技术，也是物联网感知层的一个关键技术。在物联网的应用中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过有线或无线的方式把它们自动采集到中央信息系统，实现物品的识别，通过通信网络或计算机网络实现信息汇聚和共享。

RFID系统主要由三部分组成：电子标签（Tag）、读写器（Reader）和天线（Antenna）。其中，电子标签芯片具有数据存储区，用于存储待识别物品的标识信息；读写器一般是一台内含天线和芯片解码器的读写设备，可设计为手持式或固定式；读写器将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中（写入功能），或在读写器的阅读范围内以无接触的方式将电子标签内保存的信息读取出来（读出功能），从而达到自动识别的目的。通常读写器与电脑相连，所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步处理。天线用于发射和接收射频信号，往往内置在电子标签和读写器中。

RFID是一种利用电磁能量实现自动识别和数据捕获技术，可以提供无人看管的自动监视与报告作业。当装有电子标签的物体接近微波天线时，阅读器受控发出微波查询信号。安装在物体表面的电子标签收到经微波天线发出的查询信号后，根据查询信号中的命令要求，将标签中的数据信息反射回微波天线。微波天线接收到电子标签反射回的微波合成信号后，经阅读器内部微处理器处即可将电子标签中的识别代码等信息分离出来。这些识别信息作为物体的特征数据被传送到控制计算机作进一步处理，从而完成与物体有关的信息查询、统计、管理等应用。

采用RFID的整个识别工作无须人工干预，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，并且阅读器能自行判断RFID标签是否被重复读取处理。RFID技术的这些功能特性很适合流水线上产品的控制，以实现流水作业管理，得以使整个流水线管理自动化。

4 无线传感器网络

传感器是机器感知物质世界的“感觉器官”，可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。

传感器是一种检测装置，能感受到被测的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在物联网系统中，对各种参量进行信息采集和简单加工处理的设备，被称为物联网传感器。传感器可以独立存在，也可以与其他设备以一体方式呈现，但无论哪种方式，它都是物联网中的感知和输入部分。在未来的物联网中，传感器及其组成的传感器网络将在数据采集前端发挥重要的作用。

随着科技技术的不断发展，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器（dumb sensor）→智能传感器（smart sensor）→嵌入式Web传感器（embedded web sensor）的内涵不断丰富的发展过程。智能传感器带有微处理器，本身具有采集、处理、交换信息的能力，具备数据精度高、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高分辨力、强自适应性、低价格性能比等特点。

具有无线传输能力的传感器可以组成无线传感器网络（WSN，wireless sensor network）。无线传感器网络是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于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，以及适合移动目标等特点受到广泛重视，是关系国民经济发展和国家安全的重要技术。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上形形色色的传感器以及由它们组成的无线传感器网络，来最终感知整个物质世界的。

无线传感器网络节点的基本组成包括如下几个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多条网络将数据传输至汇聚节点，汇聚节点将整个区域信息传送到远程控制管理中心。另一方面，远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。

5 二维码技术

二维条码/二维码（2-dimensional bar code）是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形来记录数据信息的。二维码在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的0、1比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。

二维码与一维条形码相比，二维码有着明显的优势，归纳起来主要有以下几个方面：数据容量更大，二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息；超越了字母数字的限制；条形码相对尺寸小；具有抗损毁能力。此外，二维码还可以引入保密措施，其保密性较一维码要强很多。