物联网关键技术及应用
2018-11-26敬如雪高玉琢
敬如雪 高玉琢
摘要：物联网作为第三次信息产业革命的引爆者。随着大数据、云计算、区块链等新技术的不断涌现，物联网研究再次出现热潮，物联网技术的推广与应用将对未来智能化社会以及“智慧地球”产生极其深刻而重要的影响。在介绍物联网基本概念、特征及演变史的基础上，归纳了物联网的关键技术，从仓储物流、远程医疗、假冒产品防范、智能电网等总结了物联网在社会中的应用，旨在为物联网的发展提供参考与启示。
关键词：物联网；区块链；关键技术
中国分类号：TP3-0 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）22-0024-03
Abstract： As the initiator of the third information industry revolution， the internet of things has re-emerged with the continuous emergence of new technologies such as big data， cloud computing， and blockchain. The popularization and application of Internet of things technology will have a profound and important impact on the future intelligent society and "intelligent earth". Based on the introduction of the basic concept， characteristics and history of evolution of the Internet of things， this paper summarizes the key technologies of the Internet of things and summarizes the application of the Internet of things in the society including warehouse logistics， telemedicine， counterfeit products prevention， smart grid and so on. The aim is to provide reference and inspiration for the development of the Internet of things.
Key words： Internet of things； block chain； key technologies
1引言
物联网（Internet Of Things，IoT）顾名思义，将一切泛在物体接入互联网，这不仅包括简单的物物相连（Thing to Thing，T2T），而且还包含人人相连（Human to Human，H2H）以及人物相连（Human to Thing，H2T）。物联网是多学科领域技术交叉所产生的创新技术，作为自动化和智能化的融合体，它的核心是互联网+传感网，是现实世界、数字虚拟世界与人类社会三者实时通信的一架桥梁。于2020年，美国权威预测机构FORRESTER曾对全球的“H2H”人类自身信息交互与“T2T”泛在物品数据交互业务量做出预测，它们之间的比值将会达到1：30。因此，强大的市场前景推动物联网技术不断创新，从而带动农业、畜牧业、林业、气象、环境检测、物流追踪、智能医疗、智能建筑、智能汽车以及海洋探索等领域的发展。
中国早在20世纪90年代就已开始研究传感网，21世纪初，温家宝在传感网中心基地无锡考察时，提出“感知中国”并要求建设“感知中國”项目，中国现已成为物联网国际标准制定的五大主导国之一。武汉高压研究院及中国电科院等科研单位研发了雷电定位系统以及微气象监测系统等，这为“智能电网”的实践和“智能中国”工程提供了很好的行业应用示范，2009年4月，中国的“智能家居”作为对IBM大中华区首席执行官钱大群提出“智慧地球”最新策略的响应。我国政府着重推广物联网技术以及物联网相关产业发展，目前物联网已逐渐融入各行各业，对于车位管理，我们将具有更简单高效的管理手段；对于共享终端，管理人员统一运营和精准控制；对于城市消防检测，可以做到提前发现以及快速有效的响应；对于水产养殖远程自动监测，可以节省人力，减少养殖风险和提高养殖安全，随时随地监测水质情况。对于它们的实现，使得我们的生活更智能，信息流通更快捷，时间更高效。
2物联网的基本概念、特征及演变史
根据国际电信联盟的定义[1]，物联网主要是泛在物品身上的射频识别标签、传感器、全球定位系统及地理信息系统等各类信息传感设备通过无线传感网络互组，然后作为一个整体被接入互联网中，自组网主要解决对物理世界中物品的数据采集和信息交换及通讯，（数据采集不仅包括物品自身实时状态的数据获取，还有对其周围环境的各项参数进行收集；自组网中的信息交换和通讯指的是各节点间数据流动。）互联网针对搜集到的数据进行分析处理，进而支持决策，从而对物品实现智能识别、地理定位、物流跟踪、环境检测和高效管理的一种网络。在沈苏彬的文章[2-3]中已经明确区分物联网与传统互联网的不同，探讨物联网所属的学术研究范畴，归纳了物联网建模与分析方法专题论文，并且总结出物联网的服务类型、节点分类、体系结构和系统模型，提出物联网是作为互联网的短板补充。
从物联网的三层体系结构中得出，其基本特征简要概括为全面感知、可靠传送、智能处理。全面感知是指通过温度、湿度、水分等各类传感器对外界物体的状态行为信息全面获取和收集，并对信息进行有效存储和传输。可靠传输是指由于物联网是在互联网基础之上被延伸和扩展的网络，因此IP协议也是物联网的基础，采用类似于互联网TCP/IP协议的分层网络通信协议可以为上层的各种应用提供服务，同时该协议允许IP协议下的各种异构网络可以在优化网络上运行；由感知层各节点采集汇总的数据，会通过基于IPv6和IP为中心的网络将数据传输给应用层。智能处理是首先数学建模，然后根据高性能计算和数据挖掘去对数据进行处理，已期望得到的结果可以预测目标未来的发展趋势。
如“摩尔定律”一般，IBM前首席执行官郭士纳认为计算模式每隔15年将发生一次变革，即十五年周期定律。物联网发展史中的关键事件如表1所示。计算机、互联网、物联网被人类认为是先后三次全球信息产业的先驱者，物联网的基本思想首次出现于20世纪90年代，在1995年，Bill Gates在《未来之路》中提出“物物相连”的理念，描述未来我们的微型手机/PC可以与日常生活用品、汽车等相互连接，使得我们可以“不出户而知天下事”；1999年麻省理工（MIT，Massachusetts Institute of Technology）的AUTO-ID实验室提出“万事万物都可由网络连接在一起”，同年，该校教授发现为物品统一标准识别的电子编码EPC；2005年，国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）在世界会议中正式发表《互联网报告2005：物联网》，阐述物联网的思想和应用前景，吸引更多的国家和政府的参与物联网的研究；2008年，美国计算机公司IBM提出项目计划“智慧地球”，这被美国政府认为会对本国经济产生巨大推动力；2009年8月，在温家宝提出《国家中长期科学与技术发展规划（2006-2020）》中的“新一代宽带移动无线通信网”将成为我国信息技术发展的主方向，将其与人的神经网络作类比，“感知中国”之名由此而来；2011年11月，欧盟专家在北京召开的全球物联网大会讲解了《欧盟物联网行动计划》，其意在于推动物联网的全球发展；2014年2月，IEEE的终身院士John A.Stankovic在IEEE的新刊《物联网学报》发表了第一篇以“物联网研究方向”为专题的论文[4]，论文简介了IoT的技术、网络通讯、管理基础架构、服务与应用程序开发以及人机交互五个方面；网站Statista由2016年接入物联网设备的176亿，推测2020年，设备数会成长为300+亿。
3物联网的关键技术
物联网以成本低廉、密集覆盖、随机分布的节点（无源节点、有源节点、网络节点）组成，自组织性、高冗余性、强的容错能力使得个别节点因攻击或外界环境干扰而失效时，则整个系统不会发生瘫痪。物联网是现代信息技术发展到一定阶段后各种技术的聚合产物，是各种传感技术、数据处理技术和人工智能和自动化技术的集成和应用。程曼等人[5]概括了传感网、射频技术、电子产品编码、地理信息系统和智能技术，其中传感网技术包括传感器网络节点、传感器网络的体系结构、基于ZigBee技术的传感网络的安全。刘爱军等人[6]概括了射频识别技术（RFID，Radio Frequence Identification）和电子产品代码技术（EPC，Electronic Product Code）、传感控制技术、中间件技术和人工智能技术。李志宇等人[7]概括了物联网感知与标识技术、物联网数据处理技术、物联网通信和网络技术、物联网安全和隐私技术。物联网系统的主要组成部分是感知层、传输层、应用层[8]。围绕系统的主要组成，物联网关键技术有感知层关键技术、传输层关键技术和应用层关键技术。如图1所示。
3.1 感知层关键技术
感知层作为物联网系统最底层的构成部分，其存在多个数据输入点，要求在感知层对特定目标的所需参数数据进行获取和短期存储。感知层关键技术分为信号采集技术和信号处理技术。在信号采集技术中包括传感器技术、嵌入式系统技术、操作系统及各类物理设备和核心芯片。其中传感技术由最初只能收集简单、低复杂的数据量正在向可以获取视频、音频和图像等复杂数据的无线传感器网络发展，无线传感器网络的出现，使得对物理世界的刻画不再停留在静态的数据标量，而是通过各种动态矢量进行真正的人类社会与物理世界的沟通。无线传感技术与纳米技术是紧密联系的，通过纳米技术使得无限传感器的体积向微型化、超微型化变化，未来的无线传感器如同尘埃一般广泛存在。ZigBee是传感技术中的典型代表，ZigBee因其简单、低成本、低功耗、高效率和高灵敏特性而被广泛用于现阶段。其中RFID包括电子标签和阅读器、EPC传感器、GPS、自组织网络、短距离无线通信等技术都为感知层的核心技术。
3.2 传输层关键技术
传输层以电信网和互联网为重要基礎，是物联网系统数据流的传输通道，其核心技术包括网络接入、数据安全和网络协议。网络分为接入网和核心网两部分，GSM、TD-SCDMA、Internet、无线网络和异构网络都是网络接入技术的一部分，其中异构网络是一种将不同生产商制造的硬软件，可以运行在不同的协议上支持不同功能的多种重叠融合网络；通过数据安全技术、数据安全协议、密钥建立及分发机制、数据加密算法设计和认证技术可以保证信号传输的安全可靠；网络协议的重要组成部分MAC协议、组网技术、网络跨层优化技术、自适应优化通信协议及轻量级高能协议。侯陈达等人[9]提出的EasiDEF是一种新型水平化轻量级物联网数据交换协议，此协议有效提升了数据的压缩效果，且在资源不足的情况下支持数据交换。
3.3 应用层关键技术
数据传输到应用层后，通过高性能计算、数据挖掘以及数学建模等信息处理方法和数据融合技术，挖掘出有效数据，然后直接用于决策系统的管理应用中，去解决客户的需求，为客户提供服务。如智能生态系统、智能金融、智能工业和自动化控制。“三分技术，七分管理”，应用层的关键技术主要是管理技术，其包括能量管理、拓扑管理、Qos及移动控制、网络及远程管理和管理系统及数据库。首先是对物理节点的管理，节点有传感单元、处理单元、通信单元、电源部分，当节点处于休眠状态会比工作状态更耗能量，因此在不考虑外界因素下，休眠状态和工作状态的阈值将会直接影响此节点的使用寿命；大型分布式数据管理系统、DB2、Oracle、SQL Server等数据库管理系统的管理，一直以来就是各行各业的管理重点，在数据库中进行的增删改查四种数据处理，是对数据的管理。
4物联网技术的应用
自物联网出现以来，随着各国政府的大力支持和政策鼓励，以及日新月异的技术不断出现和成熟，强有力地推动物联网的快速发展，物联网应用领域广泛，涉及人类社会生产生活的各方各面。仓储物流[10]是最早引用物联网的行业，通过对贴有类似条形码的RFID目标扫描阅读，就可以读出追踪目标的原产地、运输路线以及最终目的地；英国萨里大学认为，如果将区块链[11]应用到食物的物流跟踪中，配送过程的各项数据透明化，就可以减少食物浪费的比例。软件公司Provenance实现了“传感器+区块链”的实现，传感器中的数据信息会被记录在区块链中，在全网进行广播，从而验证日本餐馆里的金枪鱼是否是来自印度尼西亚。作为无线感应器的生产商Filament，通过区块链存储传感器采集的农作物信息，最终将数据传输给观察者。医疗护理[12]实现医院精细化管理，实现院内机器人服务、智能导航、专家远程实时就诊；智能电网[13]在遇到险情时，已经可以做到自我预警、自我处理；假冒产品防范[14]在一定程度有效保证产品正规合格性和降低诈骗可能性；环境检测以检测目的为根据，基本可划分为生物生长环境检测、生物生命信息检测、生物质量品质检与安全追溯。目前，由陈华凌等开发了以ZigBee为基础的无线传感网络的水环境检测系统，已经可以实时有效地进行大范围的水域检测；YITAKVMAR等研发的水质监控物联网系统，系统主要监测参数是水温、PH值、导电率、溶解氧等，通过网络不仅可以监测参数，还可以处理数据；谭昌伟等为快速获取小麦生长数据，通过对各项关键参数的关系研究，设计了参数遥感反演模型[15]。
根据EPOSS<
5 结束语
据统计，以物联网为关键字查阅IEEE图书馆，截至2018年，相关学术期刊篇幅由2014年的“400+”上升到“3000+”，证实，全球致力于物联网的发展，将物联网视为推动经济发展的新技术动力，中国作为研究物联网的先行者，制订其国际标准的参与者，在面对机遇的同时，同时认识到物联网的不足，包括传感器节点虽能耗低，但易受到外界环境的影响以及其他电磁信号干扰，而且自身计算通信能力等关键技术有待突破；由于各机构研究的侧重点和方向不一样，物联网的架构和标准至今未统一；随着信息技术的不断进步，对于数据的信息安全和隐私保护日益重要；后期对采集到的数据的如何存储和处理，才能挖掘出更具有现实意义的实验结果，以及物联网示范系统构建和部署的调整等，都值得深思。物联网在一定程度上改变了各行各业的发展轨迹，这不仅对现存的经济结构产生变化，产生了极大的经济效益，而且加强了人与物之间的通信，“智慧地球”离人类更近，对于物联网应用的潜在价值，需要政府政策的扶持引导和越来越多的科研学者参与到物联网的研究。
参考文献：
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【通联编辑：梁书】
