“智慧地球”——物联网技术探讨

龚 丽

武汉软件工程职业学院，湖北武汉 430205

地球是我们赖以生存的星球，这里有土地、山川、海洋、绿树、花草，以及各种与人类同呼吸的生物。人类是地球的主宰，人类创造出了建筑、家具、电器等等各种物品。这些物品虽然没有生命的，也没有思想，但是聪明的人类可以赋予物品智慧，让物品也能思想，让我们的地球成为“智慧地球”。“智慧地球”最早是由美国IBM2008年提出的。IBM认为，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，就是传感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，并且被普遍连接，形成物联网，并且在此类基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，形成一个成熟的智慧基础设施平台，也就是“智慧地球”。所以，“智慧地球”其实是以“物联网”为主要运行载体的一种新技术的总称。

1 物联网概念

“物联网”这个概念最早出现在1995年比尔·盖茨的图书《未来之路》中，1998年美国麻省理工学院Auto-ID实验室创造性地提出了被称作EPC系统的“物联网”构想，1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议正式提出物联网（Internet of Things）这个概念。最近这几年“物联网”的发展特别引起人们的重视，可以算是信息技术产业的一次新革命。什么是“物联网”？简单来说，就是物品也可以上网，通过网络进行信息传递和交换。这里的“物”可以是真实的存在，也可以是虚拟的存在，它能够在空间和时间上存在和移动，也能够被辨识。其核心和基础仍然是“互联网技术”，但互联网解决的是人与人的信息交流，物联网是把物品连入网络，是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术。具体来说，通过装置在各类物体上的SIM卡、传感器、二维条码等，经过接口与无线网络相连，给物体赋予智能，可实现人与物体间和物体与物体间的沟通和对话。

在中国，物联网技术的研发水平是处于世界前列的。中科院1999年就启动了物联网研究，当时称之为“传感网”。2009年8月温家宝总理在考察中国科学院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时，对该中心立志开辟“感知中国”（又称“智慧中国”）的创新之举，做出高度评价。物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”。

2 物联网层次结构

物联网包含3个层次结构：感知层、网络层、应用层。感知层就象人的眼睛、耳朵、鼻子，人通过眼睛看、耳朵听、鼻子闻来感知外部世界，接收外部信息，物联网则通过感知层来识别物体、采集信息，即利用射频识别（RFID）、传感器、二维码、摄像头、GPS等设备随时地获取物体的信息。

网络层则用于传递信息和处理信息，就象人的神经系统和大脑。当感知层获取信息后，网络层可以通过互联网、移动通信网、局域网以及各类专网传输这些数据，并能对数据进行存储、查询、分析、决策，这需要用户终端和数据中心（如云计算平台）的参与。云计算平台作为海量数据的存储、分析平台，将是物联网网络层的重要组成部分。

图1 物联网层次结构

应用层则是根据需求实现相应的智能化交互，就象人会根据自己的需要把感知到并通过大脑分析处理的信息以某种合适的方式反馈出来。在这个层次中，涵盖了电力、医疗、交通、物流、城市管理、家居生活等，其功能可包括监控、支付、定位、安保等。

3 物联网主要技术

按照物联网的3个层次结构，我们可以逐层地探讨一下物联网的主要技术。

3.1 感知层－射频识别技术、传感器技术

射频识别（RFID）技术，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象，并获取相关数据。其主要核心部件是一个电子标签。一个RFID系统一般由RFID电子标签、读写器和信息处理系统组成。当带有电子标签的物品接收到几厘米到几十米距离内读写器发射的电磁波信号时，会通过无线电波把电子标签中携带的信息传送到读写器，读写器读取信息并解码后，送至信息系统进行有关数据处理，完成信息的自动采集工作。

传感器是一种检测装置，负责物联网信息的采集，并能将采集到的信息，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、控制等要求。传感器是物联网的基础设备，是实现物联网服务和控制的基础。同时，为了感知和监测采集来的数据，相应地需要大容量的非易失性存储器，这就是半导体技术的重要性。

3.2 网络层－无线传感网技术

传感器仅仅感知到信号，要想实现物联及信息交换，则需要组成传感器网。传感器网是在一定作用范围内大量部署具有无线电通信与计算能力的传感器节点，这些节点通过自组织方式构成无线通信网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中任意地点任意时间的信息，包括温度、湿度、光强度、压力、噪声等，并将所感知的信息传送到用户终端。

无线传感网目前也有一些标准组织在做相关的规范，比如说ZigBee，它是IEEE802.15.4协议的实现，是一种短距离、低功耗的无线组网通信技术，其最大特点是采用动态路由的自组织网模式。还有IETF6overLOWPAN，这是基于802.15.4网络MAC的协议，采用IPv6地址。IPv6作为下一代网络协议，具有丰富的地址资源，支持动态路由机制，但IPv6帧头过长、复杂度高，不能直接应用到传感器设备中，需要精简。

3.3 应用层－安全与隐私技术

其实安全问题不是只有应用层需要面对的，而是物联网的各层都面临的问题，即如何保障网络信息安全。物联网规模大，大量信号都需要无线传输，既容易被干扰，也容易被窃取；而且物联网与人类社会紧密相连，其网络一旦受到病毒攻击，可能会造成比较严重的后果，比如大面积的交通瘫痪、银行系统错误、工厂停产等等。同时，由于物联网中我们的个人物品也会连上网络，随时随地被感知，可能会带来许多个人的隐私泄露。目前来讲，移动网络中的部分安全保障机制仍然适用物联网，比如认证机制、加密机制等。传统的网络认证，网络层和应用层是分开的，但在物联网中，应用层与网络层紧紧绑在一起，网络层的认证不可缺少，但应用层的认证则不是必需的。同样的道理，加密过程是采用逐跳加密还是端到端加密，也要根据物联网应用层的需要选择合适的方式。

3.4 物联网实例

中国移动推出的“宜居通”就是比较直接的物联网应用实例。“宜居通”是新一代智能安防预警系统，源自TD-SCDMA无线通信技术与物联网技术的完美结合，在具备G3无线移动座机功能之余，更从门窗告警、烟雾燃气监测、紧急呼叫等方面全方位提供安心居家，就此开启物联网智能生活，先享未来。广泛应用于家庭、小企业、小公司、小商铺，解决用户对于无线座机、智能安防、无线上网、无线视频监控等方面的需求。

4 结论

物联网是信息技术发展和信息社会需求到达一定阶段的必然结果，现在已经成为我国重点发展的战略性新兴产业之一。但目前尚属起步阶段，面临的困难不少，比如成本过高、技术不完善、标准缺失、体制落后、安全隐患等，即使如此，物联网仍然是信息网络未来的发展趋势，前景美妙。

[1]艾浩军，等编著.物联网技术与产业发展[M].人民邮电出版社，2011，5.

[2]杨正洪.云计算和物联网[M].清华大学出版社，2011，9.

[3]刘海涛.物联网：技术应用[M].机械工业出版社，2011，5.