物联网及其核心技术支撑.doc

浅析物联网核心技术及其应用1.物联网概念所谓物联网，是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。也就是说，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，但其用户端已经扩展到了任何物品与物品之间进行的信息交换和通信。 图1 物联网的概念物联网将各种创新的传感科技嵌入到世界的各种物体、设施和环境中；把信息处理能力和智能技术通过互联网注入到世界的每一个物体里面，令物质世界被极大程度地数据化并赋予生命，使物体会“说话”、会“思考”、会“行动”；将世界万物嵌入到互联网中，将物质世界与互联网融为一体， “物联网”给物体赋予智能和生命。简言之，物联网依托现有互联网，通过感知技术，实现对物理世界的信息采集，从而实现物与人、物与物之间的互联。2.物联网的背景及发展现状2.1物联网的发展史1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网(Internet of Things)这个概念，由MIT Auto-ID中心的Ashton教授在研究RFID时提出。该提议提出了结合物品编码、RFID和互联网技术的解决方案。当时基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things”（简称物联网）2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布ITU互联网报告2005：物联网，引用了“物联网”的概念。物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。 2008年11月在北京大学举行的第二届中国移动政务研讨会“知识社会与创新2.0”提出移动技术、物联网技术的发展代表着新一代信息技术的形成，并带动了经济社会形态、创新形态的变革，推动了面向知识社会的以用户体验为核心的下一代创新（创新2.0）形态的形成，创新与发展更加关注用户、注重以人为本。2009年2月24日，2009IBM论坛上，IBM大中华区首席执行官钱大群.公布了名为“智慧的地球”的最新策略。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，并且被普遍连接，形成物联网2009年8月，温家宝总理在视察中科院无锡物联网产业研究所时，对于物联网应用也提出了一些看法和要求。自温总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，受到了全社会极大的关注。物联网的覆盖范围与时俱进，它的概念已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围，物联网已被贴上“中国式”标签。 2.2物联网的发展现状当前，世界各国的物联网基本都处于技术研究与试验阶段：美、日、韩、欧盟等都正投入巨资深入研究探索物联网，并启动了以物联网为基础的智慧地球，U-Japan，U-Korea，物联网行动计划等国家性区域战略规划。欧盟也预测未来物联网发展将经历四个阶段：2010年之前，RFID被广泛应用于物流，零售和制药等领域；2010-2015年，物体进入半智能化；2020年以后，物体进入全智能化，并提出了物联网在航空航天，汽车，医药，能源等主要应用领域，以及识别，数据处理，物联网架构等需要突破的关键技术3.物联网的关键技术3.1物联网的体系架构 图2 物联网三层体系架构其中最上层为应用层，主要负责数据挖掘和决策，中间层为网络层，主要负责融合接入和信息存储，最下层为感知层，主要负责智能嵌入式，标识物品，感知物品，协同和互动。3.2物联网中的核心技术支撑将物联网的概念变得现实可行要依赖诸多支撑技术的集成，其中比较关键的技术包括：射频识别（RFID）技术、传感器技术、智能技术和纳米技术。按照物联网的三层架构划分如下：3.2.1.射频识别（RFID）技术射频识别（RFID）技术是一类非接触的自动识别技术，俗称“电子标签”。它是一项射频信号自动的识别物品并获取相关信息，通过空间耦合实现无接触信息传送。RFID技术通过RFID标签来标记物品。该技术的优势在于远距离（读取半径可达数米甚至数十米）、穿透力强（可直接读取包装箱里面物品的信息）、无磨损、非接触、防污染、高效率（可以同时识别多个标签）及信息量大等。RFID技术是物联网最核心的技术之一。一个典型的RFID系统通常包括RFID标签、阅读器和信息处理系统。当一件带有RFID标签的物品通过特殊的信息阅读器时，标签就会被阅读器激活，标签内的信息就会通过无线电波传输给阅读器和信息处理系统，这样就完成了信息的采集工作。在信息处理时，系统负责控制并根据具体要求适当地处理信息。但RFID面临的一个问题就是信息安全性问题，若商品售出后，附在上面的RFID标签没有去掉，那么买主的身份就很容易被泄露3.2.2.传感器技术传感器负责物联网中的信息采集，是实现“感知”世界的基石，也是实现物联网各种服务和应用的基石。传感器是指对被测物品的某些信息具有感知和探测能力，并能根据转换规则将这些信息转换成相应的有用信号的器件或设备。它们通常由敏感性部件和转换部件组成。如果没有针对原始信息的捕获和转换的准确性和可靠性的测量的传感器，那么所有准确的检测和控制都将无法实现。即使是最先进的计算机，如果没有准确信息和无失真录入，也无法充分发挥功能3.2.3.传感器网络传感器网络在物联网中也扮演着关键角色。事实上，传感器网络可以与RFID系统配合对物品的状态（如位置、温度、运动轨迹等）进行更好地追踪。传感器网络可以增加对既定环境的认知度，继而成为现实世界和数字世界的桥梁。传感器网络可以在诸多应用领域发挥作用，如环境监控、电子医疗、智能交通、军事、制造业监控。传感器网络由一定数量的以无限多跳模式通信的传感节点组成。通常节点将传感结果报告给一小部分（大多数情况是一个）被称为接收器的特殊节点。近年来，针对传感器网络有大量的科学研究文献，指出了协议栈各层的若干问题。 提出的解决方案的主要目的集中在节能（针对包括传感器网络在内的大多数情景的资源匮乏问题），可扩展性（节点数量可以大幅度增加），可靠性（网络可以用于紧急报警情况），鲁棒性（传感节点的失效可以收敛于某几个原因。3.2.4.智能处理技术智能技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可以使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动的实现与用户的沟通。主要体现在人工智能（AI）、先进的人机交互技术与系统、智能控制技术与系统和智能信号处理的研究等方面。3.2.5.纳米技术纳米技术的优势在于用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便，这意味着物联网中体积越来越小的物体能够进行交互和连接。纳米技术与MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是建立在纳米技术基础上，通过对纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS传感器集信息获取、处理和执行于一体，能组成多功能微型系统，从而大幅度提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。它还便于制造商将产品的所有功能集成到单个芯片。3.2.6加密技术物联网应用的日益普及，也使得它所涉及的安全问题越来越突出大量的数据及用户隐私如何得到保护，就成为有待解决的问题。在射频识别系统中，电子标签会被大量使用，任何物体中都有可能会植入电子标签，当植入电子标签的物体进入到能够识别的区域时，就会受到扫描、追踪，其中的信息会被读取，这对该物体的所有者来说既是侵犯其隐私电子标签中的信息如果被恶意修改，将带来无法估量的损失因此，企业之间应采用安全的私有连接，数据应该进行加密，而且应采用某种健壮的密钥体系来进行身份验证，以防御数据监听、篡改、破坏以及身份伪造等无意或恶意的网络攻击行为。 3.2.7网络通信技术网络通信技术包括各种有线和无线传输技术、交换技术、网关技术等。其中 M2M 技术是指所有实现人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段，同时也可代表人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信。M2M 技术适用范围广泛，可以结合 Wifi、Blue Tooth、Zigbee、RFID 和 UWB 等近距离连接技术，此外还可以结合 XML 和 CORBA，以及基于 GPS、无线终端和网络的位置服务技术等。3.2.8海量数据处理技术物联网所处理的数据量较之以往的任何网络都巨大，呈现真正意义上的海量特征，如何高效、自动、智能化地处理这些数据是物联网亟待解决的关键技术之一。有些文献提出一种基于多级数据处理的嵌入式中间件系统的体系结构，采用数据分级和分布式处理技术，实现实时信息处理的负载均衡，并提出基于最小量嵌入算法的数据降维方法，在尽可能多地保留原始信息的基础上，减少信息处理的数据量，从而提高物联网应用系统的整体效率4.物联网的应用物联网用途广泛，涉及智能交通、环境保护、公共安全、智能家居、工业监测、农业生产、食品追溯等多个领域。虽然物联网还未普及应用，但已有部分成功案例实现了管理效率的大幅提升，物联网技术应用前景广阔。1.智能交通。随着广大公民对交通需求的提升，交通拥堵已成为大城市的一个主要问题，智能交通系统是非常不错的解决方案。智能交通旨在将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技术以及计算机技术有效集成于交通运输体系，构建一个实时、准确、高效的全方位发挥作用的运输管理系统，有效提高交通运输效率，缓解交通压力，减少调通事故。目前高速公路全程监控、自动收费、路况气象监测等应用广泛。智能交通系统可以保障人，车，路与环境之间的相互交流，从而提高交通系统的安全和效率，以达到保护环境、降低能耗的作用。其中交通信息采集是其中的关键子系统，它是发展智能交通的基础和前提。在交通信息采集中，可采用非接触式的磁传感器来定时收集和感知区域内车辆的速度，车距等信息，这些信息传送到处理中心，可对交通环境和车辆进行整体管理。终端节点上安装温湿度、光照度、气体检测等多种传感器，还可监测路面状况、能见度和车辆尾气污染等。车辆上也可以配备RFID 系统，为车辆制定唯一的身份标志，切实保证车辆的严格监管和交通顺畅2.智能监测。如果条件比较恶劣的环境下，仅依靠人工到现场收集数据非常困难，而且很难实现实时监测，使用物联网可以代替人工监测环境或设备运行状态。智能监测主要使用振动分析仪、声波分析仪、温度和湿度分析仪、气体色谱分析仪等设备以收集相关环境或设备状态的数据，并利用无线网络将数据传送到状态分析系统，以预测环境或设备变化，以便进行防范或实施维护。智能监测已应用于设施农业在线监控、生态环境监测、矿区、核电厂监控等方面。3.智能电网。随着电网环境日益复杂，电力需求不断增长，为了保持电网的高可靠性，减少电网中断次数，需要进行细致的监测和管理，智能电网应运而生。智能电网可以通过实时的调整来实现负载均衡和精确的电网管理，从而减少电网的中断，提升电网的可靠性。变电站监控，智能电力测量和家庭能源管理都是智能电网的典型应用。目前，我国的智能电网注重的是电力系统发电、输电、变电、配电、用电和调度这六个环节，以通信信息平台为支撑，具有信息化、数字化、自动化、互动化的特征。与之匹配的通信技术，设备技术，量测技术，控制技术也成为了智能电网的发展核心。物联网技术可以整合通信及电力基础设施资源，使信息通信基础设施资源服务于电力系统运行，改善现有电力系统基础设施的利用效率，优化电网的运行和管理。物联网技术处处体现在未来的智能电网中，在发电方面，物联网技术可以对发电机、电动机等进行状态监测，对风力太阳能发电等进行发电预测。智能电网可以更迅速直接地让可再生能源发电等新型电力入网，比如分布式发电的入网。线路状态监测主要包括对导线温度绝缘端子污秽、杆塔倾斜、覆冰、线路舞动、微气象等进行监测，获取设备状态信息，对设备状态进行评估和诊断。再者智能电网具有“自愈”功能，就是把电网中有问题的元件从系统中隔离出来，并在很少或不用人为干预的情况下使系统迅速恢复到正常运行状态，几乎不需要中断对用户的供电服务。智能电网在启动中，能够自动配置启动方案，供调度人员参考，从而提高设备可靠性和运行效率。在变电方面，通过物联网技术对电气设备状态进行监测，对变电站的周界安全进行防护。基于站内网络实现信息融合交互，通过电力专用数据网络将信息传送至设备监测中心，实现输变电设备运行状态检修管理，提升输变电专业生产运行管理精益化水平。在配电方面，物联网技术用在配电网现场作业管理、配电网设备的安全防护方面，提高电能利用效率，实现节能减排，降低生产成本 在用电方面，通过物联网技术的应用，智能电网可以对用电信息采集进行管理，从而对需求进行更准确地预测。智能电网可以在智能电表的协助下，对供电量进行调配，制定动态计费方案，以反映不同时刻的发电、输电成本，鼓励消费者在可再生能源发出大量电力时增加用电，这有助于舒缓用电峰谷，使电网保持供需平衡在电力调度方面，通过物联网技术的应用，进行监控与数据采集。通过遍布电网的传感器及时感知电网内部的运行情况，反馈给调度系统全局电能的损耗情况，并能够辅助调度人员控制系统的运行方式，在保证安全运行的前提下优化网络的运行，节省能源消耗，推动低碳经济。4.智能物流。传统物流运输中，运输的种类和风险、物流过程中的运输环节和动作方式以及物流企业的服务，都影响到物流运输的成本和质量。智能物流是利用物联网技术，使物流系统具有感知、学习、推理判断和自行解决物流中某些问题的能力。智能物流在实现上为每辆配送车辆上安装 GPS 定位系统，而且在每件货物的包装中嵌入 RFID 芯片，并写入物品信息，物品入库时通过阅读器读取后，通过局域网讲这些信息显示在屏幕上，在收货称量完毕后，通过无线手持式阅读器在管理中心数据库寻找空闲车辆的信息，为该货品分配运输车辆。【14】车辆到达并装货后，再通过无线手持式阅读器输入车辆信息、货品信息、到达目的地及时间、货主名称等信息，并通过手持式阅读器的无线功能传送到中心数据库中进行确认和保存。通过芯片，物流公司和客户都能从网络了解货物所处的位置和环境。同时在运输过程中物流公司可根据客户的要求，对货物进行及时的调整和调配，实时全程监控货物，防止物流遗失、误送等，优化物流运输路线，减少运输时间。通过货物上的芯片，装载时自动收集货物信息，卸货检验后，经过相应的通道，放置到具有读取设备的货架，物品信息自动输入信息系统，实现精确定位，提高物流运营效率，最终减少物流成本。盘点货物时，工作人员可采用手持式阅读器，在仓库内采集物品上的电子标签信息，完毕后，把所采集到信息通过无线方式传送到中心数据库上进行对比、保存，形成盘点报表。物联网能够促进物品在物流过程中的透明管理,也使得运输过程中数据的传输更加正确，及时。信息化和智能化是物流发展的必然趋势, 随着人工智能技术、自动化技术、信息技术的发展其智能化的程度将不断提高。物联网技术在物流中的运用，使得采集信息更加高效,降低物流成本,提高物流效率,如在集装箱上使用共同标准的电子标签,装卸时可自动收集货物内容的信息,从而缩短作业时间,并实时掌握货物位置,降低成本。智能物流将物流过程中运输，存储，包装、装卸等诸环节集合成一体化系统，以高效率向客户提供满意的物流服务。5.智能家居。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居涵盖信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、照明设备、监控装置、水电气热表、家庭求助报警等设备的信息互联，实现了能源管理、家庭远程管理、老人生活辅助等功能，增强了家居生活的舒适性和便利性。目前智能家居领域的应用主要有智能家电、智能照明、家庭安防等方面。 6.智慧城市与智能建筑。2010年，IBM正式提出了“智慧的城市”愿景，希望为世界和中国的城市发展贡献自己的力量。IBM经过研究认为，城市由关系到城市主要功能的不同类型的网络、基础设施和环境六个核心系统组成：组织（人）、业务/政务、交通、通讯、水和能源。这些系统不是零散的，而是以一种协作的方式相互衔接。而城市本身，则是由这些系统所组成的宏观系统，在迈入 21 世纪后，统一的网络应用协议和不断发展的 B/S 访问模式，光纤网的建设和千兆位传输率网络的出现等技术给更强功能的城市信息化建设提供了必要条件。“数字城市”是对城市发展方向的一种描述，是指数字、网络、多媒体、3S（GIS/GPS/IS