物联网关键技术及其应用前景研究

陈 怡

（中国信息通信研究院西部分院 重庆 401336）

0 引言

物联网是以互联网为基础并围绕互联网进行扩展与延伸的技术。它是利用大量的传感技术与互联网的结合，建立了一个更为精密的网络，使信息能够快速准确地传输。现如今，物联网技术的发展与应用已经成了世界各国科技发展的关注焦点。但随着物联网技术在各行业、各领域中不断的应用，随之也产生一系列问题。所以，物联网能否真正掀起时代进步的浪潮，仍需要开发人员与各行业专家投入更多的研究与关注[1]。

1 物联网现状

1.1 物联网概念

物联网(loT)的定义最早是由美国麻省理工学院（MIT）的Kevin Ash-ton教授在1991年提出的。直到1999年，才由美国麻省理工学院正式建立出“自动识别中心（Auto-ID）”，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义[2]。通常来讲，物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网具有高灵敏度、高可靠性和高连接性3个特点。物联网产业共由5个层级构成，分别为应用层、平台层、传输层、感知层以及支撑层[3]。通信扩展子层通过通信终端将物理实体直接连接到传输层和应用层。传输层依靠电信网和互联网实现信息的传输、路由与控制。应用层包括为物联网应用提供处理和计算等基本服务的信息处理子层，以及实现物联网多个领域应用的物联网应用子层。

1.2 物联网特点

物联网不仅可以依靠传感器使物体与网络相连接，进行数据信息交互，而且由于物联网的结构特点，物联网本身可以智能地处理和控制物体[4]。传感器可以收集获取庞大的数据，物联网可以依靠这些数据进行智能分析和处理。此外，依靠物联网的能力与性质，并结合传感器和智能处理，可以使云计算、模式识别等智能技术应用于物联网，以满足各行各业用户的需求。

1.3 物联网发展中存在的问题

（1）密钥管理存在安全问题。首先，互联网密钥分发中心作为一种新型的集中管理模式，涵盖了物联网的所有密钥管理。当传感器网络连接到Internet时，密钥中心和传感器网络将交互管理网络节点。其次，在以网络为中心的管理模式下，对聚合点的要求非常高。虽然簇头可以形成不同层次的网络结构，但由于簇头选择算法会消耗能量，簇头与聚集节点之间需要完成密钥协商，因此传感器网络的密钥管理逐渐成为需要解决的关键问题。

（2）功耗较大。随着科技的高速发展，人类社会已步入数字化时代，互联网技术的兴起，将人们之间编织出一个巨大的网络，实现了人与人的交互[5]，随着需求的提高，人与物交互的物联网技术也因此应运而生。而物联网在实现其应用价值时与对功耗对需求极大。物联网依赖于大量的联网电子设备，如传感器、控制器、采集设备和开关等等。这些设备是由电力或其他能源驱动的，尤其是在工业设备中。因此，在物联网应用过程中，其存在的功耗问题也不容忽视。在运作过程中，它们须消耗大量能源，因此也会提高企业能源方面对生产运营成本[6]。

（3）物联网云平台管理缺少标准化。在物联网技术的应用过程中将会采集到大量的数据，这些数据很有可能通过同一个网关，直接进入云平台。云平台是对采集的数据进行统计、分析的环节，云平台也是体现物联网价值的关键技术。然而，随着科学技术出现了多元化、层次化的发展趋势[7]，国内涌现出大量水平不一的云平台供应商，以及衍生对云计算相关服务种类，致使出现云平台供应商的混乱环境，对于云平台的设计又缺乏一个统一标准，在企业应用中难以选择其适合的供应商，因此对云平台行业的标准化整顿是物联网发展中仍待解决的大问题。

（4）物联网系统安全性问题。在物联网技术应用中，系统安全性一直是该领域关注的焦点，而其安全性也直接影响着物联网后续的应用、推广和发展趋势。随着科学技术的飞速发展，各个领域和行业的专业设备不断完善和更新，体现了智能化的大趋势。然而，智能化的开发也面临着许多安全问题，其中存在着许多安全隐患。解决硬件安全问题是科学技术发展的关键，这就要求开发人员投入更多的资源，在安全性和稳定性上做到最好，并将先进的安全产品集成到物联网产品中，及时解决问题和漏洞，从而解决物联网的安全缺陷，促进物联网的长远发展[8]。

（5）物联网开发人员经验不足。虽然物联网技术的诞生引发了世界科技技术发展的第三次浪潮，但物联网技术的应用仍然存在不足，其中物联网开发人员存在经验不足是其主要原因，导致目前物联网技术只能在具有科技技术行业背景的企业广泛使用[9]。物联网的发展越来越被各国视为提高国家竞争力和综合国力的关键，国家与各地方企业应当予以高度重视。针对开发人员存在经验不足的问题，应制定相关的激励政策，鼓励物联网开发人员与各企业技术人员共同参与，为物联网的发展提供丰富的人力与知识资源。

（6）传感技术老化和过时。从每一个物联网技术应用实例中可以发现，传感技术是其中不可或缺的组成部分。在整个物联网运行系统中，传感器通常起着信息采集、信息传输的作用，在节点与云之间发送数据。然而，目前较多的传感器设备仍然存在较多缺点，例如，一些设备为达到其低能耗的要求，降低了数据传感的准确性或功能性，可能会存在将数据传输错误的风险，导致使用者无法及时有效获取准确信息。因此，为了保证和提高物联网服务的效率，需要加大对传感器设备创新的重视度，通过迭代引进越来越完善的传感器设备，及时淘汰老化和过时的传感器设备，确保物联网在发展过程中的应用效果[10]。

2 物联网关键技术

全面有效地提高物联网的安全性，是充分发挥物联网在社会各行各业发展中的作用和优势的重要前提。因此，应不断优化和完善物联网安全的关键技术，提高其应用效果。

2.1 针对物联网无线传感器网络密钥管理系统局限性

在物联网无线传感器网络密钥管理系统的设计过程中，容易受到自身特点和特殊性的限制，因此在设计要求上存在很大差异。同时，它与不受限制的无线网络也有很大不同。因此，我们应该充分考虑网络传感器节点和无线传感器的局限性和网络特性。其安全性要求主要体现在以下几个方面：生成密钥和更新算法，以反映其安全性、隐私性和可扩展性；根据实际需要，在密钥管理过程中，基于对称和非对称密钥系统的方法，从管理系统和分发模式上分为密钥分发模式、预分发模式和集群模式。与非对称密钥系统相比，对称密钥系统在复杂计算中具有明显的优势，但在密钥管理和安全性方面仍存在许多不足，如节点不灵活、相邻节点难以认证等[11]。

2.2 安全路由协议

物联网路由会涉及多种网络类型，如网络路由协议、传感网络算法和移动通信网算法等。对于目前，常用的多种无线传感器网络路由协议，其主要的设计目标往往是将计算、通信、存储过程进行简化，以便于快速完成数据传输。但其设计过程中，往往缺乏对于相关安全问题的考虑。因此，在物联网的实际应用中，无线传感器的计算能力、节点以及存储容量相对有限，且大多布置在外部环境中，使用安全极易遭受威胁。

2.3 传感技术

物联网的功能应以信息收集为基础。然而，目前的信息收集方式主要有传感器、传感器节点等。作为检测设备和获取信息传感器的主要设备，环境往往很差，为了使物联网发挥更好的作用，对传感器提出了新的要求。物联网要求传感球在传感信息方面不断发展和突破，实现自身的智能化和网络化[12]。

2.4 网络和通信技术

为了充分利用物联网，需要短距离通信技术和远距离传输技术。短距离通信技术包括射频识别技术、蓝牙技术等，远距离通信技术包括互联网技术、网关技术等[13-14]。为了提供信息传输和服务支持的基本通道，物联网需要增强现有网络通信技术的专业性和互联功能，以满足低移动性和低数据速率的物联网业务需求，使信息能够安全可靠地传输给信息的接收者。

3 物联网应用前景

从目前物联网安全应用情况来看，其在各行业领域的应用不断扩大。未来物联网将在以下几个领域得到广泛应用。

3.1 在医疗行业的应用

物联网在医疗行业的应用体现在医院诊疗与治疗的智能化。随着近些年人口老龄化，与我国对医疗产业的不断改革，医院越来越重视医疗过程中患者对疗效、满意度及护理质量，而传统的医疗系统已经无法满足人们日益增长的医疗需求。而物联网技术在医疗行业的应用将能够在医院临床诊疗过程体现极大的价值。其具体表现在，对医疗行业中的医疗器械卫生管理、医院药品管理、门诊诊疗、临床医疗服务等方面提供智能化转型。并且在这些领域的应用，对于提高医院的医疗体系管理水平具有积极意义。利用物联网技术，可以实现疾病情况与患者病情数据的实时采集、记录、传输、分析、处理。与此同时，患者的病历信息可以在中国医疗体系平台中存储管理，使患者在各个医院中均可调出以往病例为治疗提供参考。

3.2 在物流行业的应用

随着我国经济高速发展，人们生活中对于物流的需求越来越大，这也促使了我国物流行业的高速发展。由于物流中心每天进出的货物数量庞大，并且数据极其复杂难以统计管理，传统的物流管理体系已难以满足现在我国物流行业的业务需求，因此有必要加强对物联网技术的应用。物联网的应用特别适用于货物从供应商到客户的运输、转运环节的控制与管理。目前，我国物流业的信息化程度仍较低，企业自身还缺乏合适对信息化系统解决方案，常导致无法及时、准确、有效地满足客户的物流需求。因此，可以将物联网技术引入到以后的工作中。物联网技术的RFID技术对物流的各个产品以单位产品的方式进行实时跟踪，将整个物流流程数据可视化、物流管理智能化。物联网技术对物流业的影响将越来越大，提升物流管理质量对同时，减少该过程人力成本的堆积，进而大大降低物流企业的物流成本，使物流效率得到提高。物联网与物流行业的融合将成为未来物流行业发展的必然趋势。

3.3 在节能减排中的应用

近年来，随着经济的高速发展，我国各项基础设施工程的建设也取得了较大成功。然而，在高速发展的同时，必然伴随着对自然资源与环境的消耗。因此，形成了经济发展与资源环境破坏对立的关系。随着党中央号召“既要金山银山也要绿水青山”，各地方政府与建设企业积极响应节能减排，以应对近些年对气候与环境的影响。虽然物联网技术对于节能减排缺乏针对性，但可以预见的是，物联网的智能采集与对数据分析处理的技术将对未来我国控制节能减排的智能节能监控系统提供极大的帮助[15]。目前，较为成熟的工业园区采用的自动采集数据的智能电表、智能水表、智能气表、废气或废液自动采集检测仪器等等，均为节能减排事业提供了有效帮助。此外，基于物联网的智能节能系统采用反馈机制，节约能源。管理者可通过该系统采集的数据对企业各项能源消耗数据进行横向与纵向的分析，对其中可能存在的问题及时发现并处理。

4 结语

目前，随着我国将物联网的RFID技术、信息安全技术、通信技术、云计算技术等关键性技术在各领域中不断应用，在人们的生活与工作中均得到了良好的价值体现，对于满足人们日益增长的需求提供了极大帮助[16-17]。但在物联网技术满足人们日常工作、生活需求的同时，我们仍需对其存在的问题及风险警惕，并对其进行改善和规避，这样才能使物联网技术在各个行业中得到更好的应用。