物联网认识及关键技术浅论

郑改成

(太原理工大学轻纺工程学院，山西 晋中 030600)

自2009 年以来，物联网几乎成为从事网络通信的相关人员言必称及的术语，同时物联网也被列为国家五大新兴战略性产业之一，写入政府报告。在继web2.0/3.0、云计算、SNS(Social Network Service、社交网络服务)等技术名词后，物联网也成为众人追捧的新贵。目前多个国家都在花巨资进行深入研究，如日本的“U－Japan”计划到“I－Japan”战略;韩国的“U－Korea”计划;美国的“智慧的地球”;欧盟的“物联网行动”;中国的“感知中国”计划等。可以预见，物联网是继计算机、互联网和移动通信网之后的世界信息产业的第3 次浪潮，它将直接改变人们的生活方式，极大地推进社会的变革，使人类的社会生产和生活快速步入现代化［1］。

1 物联网的概念和体系架构

顾名思义，物联网是实现物物、物人相连的互联网，将其用户端延伸和扩展到任何物体和物体之间，使其进行信息交换和通信。狭义上讲，物联网是将每个物体打上电子标签，通过RFID 和通信技术形成信息网络，实现物品的智能识别、定位和监控。ITU(国际电信联盟)发布的《ITU 互联网报告2005:物联网》指出:无所不在的物联网通信时代即将来临，世界上的所有物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网进行交换［1］。中国移动总裁王建宙提出物联网的概念是:通过装置在各类物体上的RFID、传感器、二维码等经过接口与无线网络连接，给物体赋与智能，实现人与物、物与物之间的沟通与对话。同时提出，建立一个有效的物联网有两个重要因素:一是规模性，只有具备了规模，才能使物品的智能发挥作用;二是流动性，即对处于运动甚至是高速运动下的物品都要适时地进行监控和对话［5］。

总之，“物联网”概念至今没有一个统一的定义，但就本质而言，其体现了一种虚拟世界和现实物理世界的双向融合趋势。首先是现实世界向虚拟世界的融合，主要包括通过移动通信技术、嵌入式技术等使现实世界处处产生数字信息，进入通信网络和虚拟世界(数字世界泛在化);其次是虚拟世界向现实世界的融入，通过传感器网络，RFID 等技术使得现实物体可感知、可识别、可控制，为人类创造一个智能环境(物理世界智能化)。二者相生相伴，代表了物联网的价值所在［1］。

可想而知，物联网是可以打破地域限制，实现物与物、人与物之间的信息获取、交互传递、储存、融合、使用等服务的网络［1］。其应该具备三个功能:全面感知物理世界(包括用户中的物体位置、周边环境温度、湿度及用户业务感受、网络状态等);信息的可靠传递(通过各种网络、业务、终端和运营管理的融合，适时准确地传递物体的信息);智能处理(利用云计算、模糊识别等技术，对海量数据、信息进行分析处理，实现对物体的智能控制)［1］。基于该三方面的功能的物联网体系架构如图1 所示［9］。

图1 物联网的三层体系架构

其中，感知层(最底层)是整个体系的信息反馈环节，由各种类型的无线智能传感器、RFID、二维码、摄像头等识别物理世界数据，并通过短距离无线发送/接收器(如蓝牙、ZigBee 技术、工业现场总线等传输距离小于100 m，速率低于1 Mbit/s)传输数据至网关设备，同时接收应用层发送过来的控制命令，实现对感知层物品的操作和控制;网络层(中间层)属远距离无线有线网络，借助现有的网络，如PSTN(公用有线电话网络)、有线广电网络、无线2G/3G 移动网络、互联网、Wimax(全球微波互联接入)等。其接收感知层的数据，进行大范围内的信息沟通，并将数据无障碍、高可靠性、高安全性地传输给应用层控制器和用户终端，使物品能够远距离地、大范围内进行通信，同时接收它们发送给感知层物体的操作控制数据;物联网的根本还是为人服务，应用层完成物品与人的最终交互，完成物品信息的汇总、协同、共享、互通、分析、决策等功能，相当于物联网的控制层、决策层。文献［9］指出:“感知层和网络层将物品的信息大范围地收集起来，汇总在应用层进行统一分析、处理和决策，用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通，提高信息的综合利用度，最大程度地为人类服务”。最终通过应用层完成物联世界的智能管理。

2 关键技术

三层体系架构的关键技术很多，如RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术、无线传感器网络、认知技术、智能嵌入技术、M2M、纳米技术、中间件、云计算、安全与隐私、智能用户卡等。本文主要介绍无线传感网络、认知技术、中间件和M2M。

2.1 无线传感器网络

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)位于感知层，是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成的分布式传感网络，如图2［1］所示。

图2 无线传感器网络体系结构

图2 中的传感器有静止的或者可移动的，它们以自组织和多跳的方式构成无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输检测区域的物体信息(包括视频、音频、图像等多媒体信息—无线多媒体传感器网络，WMSN，Wireless Multi-media Sensor Network)。每个传感器节点检测到的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，也就是说该数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到汇集节点，最后经外部网络到达远程任务管理节点，用户通过该节点对传感器网络进行配置和管理，收集测量数据，同时发布检测任务［1］。

以温度测量节点为例，组成如图3 所示。其实质是集成有传感器、μc、执行器和通信单元的智能微型系统［7］。

图3 无线温度传感器组成

通过传感器对目标进行实时监测，由嵌入式处理器对信息进行处理，并通过无线方式将采集来的数据传送至上位机。汇集结点承担的任务繁重，其连接无线传感网络与外部网络，实现它们之间的协议转换，同时担任组网、协调时间同步和采集数据任务，并转发给外部网络。

2.2 认知技术

认知技术是人工智能的产物。笔者认为，物联网技术下的认知技术包含两个层面，一是将人对物的属性认识要求用数据形式来表达，同时使物具有一定的“智能”甚至“智慧”，即将人工智能(如神经元网络系统、模糊算法、遗传算法、专家系统等)嵌入至物体中。文献［4］指出，智能意味着机器能对外界剌激信息做出反应，并通过学习和规划做出决策以应对外界的变化—人类智能融入物理世界;二是物与物、人与人之间通过对话、决策与控制，就类似于人与人之间的学习与沟通、命令传达与执行一样，通过自学习系统获取全自动知识时把学到的知识用于未来的估计、分类、决策与控制，以改进物理系统的性能［2］—智慧的物理世界融入人类。

总之，认知是物体的自我感知，能模拟人类的一些智能活动，能感知其内部发生了什么，必须做什么，且能确定适当措施去达到目标和学习这些过程。可通过感知、规划、决策、学习、行动和策略六个步骤完成这一过程［4］。认知技术的体系构成可以用图4［2］来描述。

图4 认知学习基本模型

从认知科学来看，人类的认知知识有两种形式，分别是编码知识(客观的或描述性的)和默会知识(主观的或亲知的)，两者之间不可通约和相互还原。因此在机器的认知学习模型中掺杂有人类的主观和情感认知，其虽可模拟但不能完全还原和计算，这就导致物联网的认知功能的局限性，即被关联的物体的数字化描述不能等同于物体的本质和原貌。也就是说物联网拓展的技术感识只是人类的认知和信息传递过程的模拟和仿真，并不能代替人类本身的认知结构与功能［3］。

2.3 中间件

中间件是一种独立的系统软件或服务程序，是连接两个独立应用程序或独立系统的软件。其主要功能是使相连的两个系统(即使接口不同)能够相互交换信息［1］。在物联网中，中间件的类型很多，如RFID 中间件、嵌入式中间件、数字电视中间件，M2M 中间件等。以RFID 中间件为例，它在RFID 电子标签和应用程序之间起中介角色，如图5［1］所示。

图5 RFID 中间件

要求:1)同一种类型的产品要有相同的电子编码;2)与中间件相关的接口与协议必须统一化和标准化。这样就使应用软件与读/写器之间的非标准的、非开放的通信接口转变为应用系统软件与中间件、读/写器与中间件之间的标准的、开放的通信接口。从而实现封闭的RFID 系统实现其彼此间的电子标签信息共享［1］。

2.4 M2M

.M2M 的全称为Machine-to-Machine(机器对机器)，根据应用场景的不同也诠释为Man-to-Machine(人对机器)、Machine-to-Man(机器对人)、Mobile-to-Machine(移动网络对机器)、Machine-to-Mobile(机器对移动网络)。字面上讲The internet of things(物联网)中的Things 指的是更抽象的物体，范围很广，而Machine 特指人造的机器，因此说，M2M 技术实际上是物联网下的一个主要应用(子集)［1］。

M2M 是现阶段物联网的主要应用形式，也是物联网的构成基础和实现的关键。其主要实现机器对机器的无线通信，提供了设备实时数据在系统之间、远程设备之间，机器与人之间建立无线连接，并实现畅通无阻，随时随地的通信。M2M 的具体实现是在机器内部嵌入M2M 硬件，典型产品如Nokia12GSM 嵌入式无线数据模块、SONY Ericsson 的GR48、GT48、Motorola 的G18/G20for GSM、C18for CDMA、Siemens 的用于GSM 网络的TC45、TC35i、MC35i 嵌入模块等，使机器通过无线通信网络、中间件实现机器与机器、机器与人之间的通信。目前我国的M2M 用户数居全球首位［8］，中国移动M2M 已成为全球最大的M2M 运营商，其帮助南方电网、北京、重庆等地电力公司100 多万台电表实现远程抄表，为江西地区的2 万多台配电变压器提供了用电检测、电能质量监测等服务，也为北京、上海、辽宁等地出租车安装了超过110多万台M2M 设备，实现对出租车的智能化管理;此外，中国联通、中国电信的M2M 业务目前的用户也在急剧膨胀［1］。

当下，M2M 发展的关键问题是要形成高效互通的整体环境。现有的M2M 应用多为垂直行业应用，形成了越来越多的应用和信息孤岛，没有最大化的利用现有资源，传统的松散互联方式使M2M 资源整合成为一大难题。因此，应当建立统一的M2M 平台，实现资源和应用之间的高效整合，并基于此催生新的M2M 应用模式［8］。

3 应用

眼观时下，展望未来，物联网的应用可以说在国民生产和生活的各个行业，在人类生活的各个层面，无处不在，比比皆是，信手拈来。如智能工业生产管理、智能交通、智能电力、智能医疗、智能家居、智能物流、智能农业、智能生态管理、智能安防等，各地提出打造智慧城市的目标也是基于物联网现阶段的这些应用而提出来的。

4 结束语

综上所述，物联网不是空中楼阁，是计算机技术、互联网技术、传感技术、无线通信技术、信息测控技术等科技高度融合发展的产物。其目标是在全球范围内任何人、任何对象、任何国家、任何时间、任何地点都可以进行信息交换，这就是所谓的“智慧地球”和“感知中国”的含义所在。据美国咨询机构Forrester 预测，至2020 年，全球“物物相连”的业务与“人与人通信”的业务比将达到30∶1。届时，物联网的产值将是互联网的30 倍以上［6］。虽然现阶段物联网技术发展还不完善，还有很多关键技术不成熟和标准不统一，成本也很高，但可以预见其强大的发展态势，若干年后，人类将以全新的方式生活在物联网世界之中。

［1］张春红.物联网技术及应用［M］.北京：人民邮电出版社，2014.

［2］易继锴，侯媛彬.智能控制技术［M］.北京：北京工业大学出版社，2002，2：31－32.

［3］王治东，刘君.认知视域下的物联网技术［J］.南京林业大学学报(人文社会科学版)，2004，3：91.

［4］郭苑，张顺颐，孙雁飞.物联网关键技术及有待解决的问题研究［J］.计算机技术与发展，2010(11) ：180－183.

［5］王保云.物联网技术研究综述［J］.电子测量与仪器学报，2009(12) ：1－7.

［6］朱静宜.新兴产业下高校物联网应用技术专业共享型教学资源库建设［J］.计算机教育，2012(19) ：64－67.

［7］程智，张文昌.基于无线传感网络技术的热解炉温度测量节点设计［J］.医疗卫生装备，2009(9) ：27－30.

［8］M2M 市场发展火热，国产企业迎良机.企业网D1Net运营与增值D1com［OL］.http：//www.d1net.com/iot/m2m/281057.html.2014－08－16.

［9］中华人民共和国农业部.物联网的技术体系结构［OL］.http：//www.moa.gov.cn/fwllm/xxhjs/xxjsdjt/201302/t20130201_3214271.htm