物联网检测技术及其存在问题综述.doc

物联网检测技术及其存在问题综述摘要近几年物联网技术受到了人们的广泛关注。本文介绍了物联网的概念，物联网检测技术，国内外关于物联网发展的状况以及物联网检测技术存在的相关问题。关键词：物联网；RFID；EPC；检测技术1. 物联网的定义和原理物联网（Internet of Things），指的是将各种信息传感设备，如射频识别（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连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是在互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，实现物与物之间的网络。在网络中，物品的可以实现智能化识别、定位、跟踪、管理等，而无需人的干预。其中，利用射频自动识别（RFID）、无线数据网络等技术，通过将感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供电系统等各种物体中，将物体的信息和互联网的IT系统整合在一起，实现业务高效的运转。高效的有线、无线数据传输网络是物联网发展的基础。2. 物联网检测的关键技术国际电联报告提出物联网主要有四个关键性的应用技术：标签事物的RFID，感知事物的传感网络技术（Sensor technologies），思考事物的智能技术（Smart technologies），微缩事物的纳米技术（NanotechnologyRFID），传感器，智能技术以及纳米技术。2.1 RFID技术 RFID（Radio Frequency Identification ）技术，是通过电磁感应或电磁传播方式，使用读写设备非接触对电子标签进行写入或读取ID实现非接触自动识别技术。用于对物品或人员进行自动识别。识别物品射频模块，称为RFID标签（RFID Tags），简称标签。配合读写器，是实现物流管理智能化、自动化的重要信息化手段之一。 在同等条件下，RFID的读取率相对于条形码更加准确。RFID的读取尽管不能达到100%，但98%以上可以说应该是最低限度。低于这个数字时，应该认为所采用的系统或环境有严重问题。对于读取率，任何技术都做不到绝对准确。在工程实例表明，RFID的读取率可以达到99%以上。 RFID的真正价值在于其价值链上的相关者都能够共享产品的信息。那么这种信息共享的技术手段就在于网络！当然反过来讲，没有网络，RFID也能发挥一定作用。典型的例子是公交车的收费系统。RFID的优良特性：(1) 数据的读写（Read Write）能力：不需接触，直接读取信息至数据库内，且可一次处理多个标签，并可以将物流处理的状态写入标签，供下一阶段物流处理的读取判断之用；(2) 耐环境：纸张一旦受到脏污就会看不到，但RFID对水、油和药品等物质却有强力的抗污性，RFID在黑暗或脏污的环境之中，也可以读取数据；(3) 可重复使用：由于RFID为电子数据，可以反复被覆写，因此可以回收标签重复使用；(4) 穿透与绕射：物品被纸张、木材和塑料等非金属包覆时也可以进行穿透或绕射应答。要注意如果是铁质金属的话，会因屏蔽而失去数据应答功能；(5) 数据容量大：数据容量随着记忆规模的扩展而被厂家扩容，如果需要，数据容量不会受到限制。 因此，RFID最适合物联网的终端使用，并且正因为如此，RFID的M2M（Machine to Machine）中RFID读写器就是其中的“M”。而且RFID满足物联网的三要素：物品、编码标识物品、自动化，是当今物联网接节点的首选。2.2 传感器网络与检测技术传感器是机器感知物质世界的“感觉器官”，可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。随着科技技术的不断发展，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器(dumb sensor)智能传感器(smart sensor)嵌入式Web传感器(embedded web sensor)的内涵不断丰富的发展过程。无线传感器网络(WSN， wireless sensor network)是集分布式信息采集、信息传输和信息处理技术于一体的网络信息系统，以其低成本、微型化、低功耗 和灵活的组网方式、铺设方式以及适合移动目标等特点受到广泛重视，是关系国民经济发展和国家安全的重要技术。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的形形色色的传感器以及由它们组成的无线传感器网络，来最终感知整个物质世界的。 传感器网络节点的基本组成包括如下几个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳网络将数据经由Sink节点(接收发送器)链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心。另一方面，远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。目前，面向物联网的传感器网络技术研究包括以下一些方面：1) 先进测试技术及网络化测控综合传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等，协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理、传送。研究分布式测量技术与测量算法，应对日益提高的测试和测量需求。2) 智能化传感器网络节点研究传感器网络节点为一个微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支持平台。感知物质世界及其变化过程中，需要检测的对象很多，如温度、压力、湿度、应变等，微型化、低功耗对于传感器网络的应用意义重大，研究采用MEMS加工技术，并结合新材料的研究，设计符合未来要求的微型传感器；其次，需要研究智能传感器网络节点的设计理论，使之可识别和配接多种敏感元件，并适用于主被动各种检测方法；第三，各节点必须具备足够的抗干扰能力、适应恶劣环境的能力，并能够适合应用场合、尺寸的要求；第四，研究利用传感器网络节点具有的局域信号处理功能，在传感器节点附近局部完成很多信号信息处理工作，将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统，改变为一种并行的分布式信息处理系统。3) 传感器网络组织结构及底层协议研究网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。有学者提出无线传感器网络体系结构可由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术3部分组成。分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP协议体系结构；传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理；在分层协议和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术。 在实际应用当中，传感器网络中存在大量传感器节点，密度较高，网络拓扑结构在节点发生故障时，有可能发生变化，应考虑网络的自组织能力、自动配置能力及可扩展能力；在某些条件下，为保证有效的检测时间，传感器点要保持良好的低功耗性；传感器网络的目标是检测相关对象的状态，而不仅是实现节点间的通信。因此，在研究传感器网络的网络底层协议时，要针对以上特点，开展相关工作。4)对传感器网络自身的检测与控制由于传感器网络是整个物联网的底层和信息来源，网络自身的完整性、完好性和效率等参数性能至关重要。对传感器网络的运行状态及信号传输通畅性进行监测，研究开发硬件节点和设备的诊断技术，实现对网络的控制。5)传感器网络的安全传感器网络除了具有一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、重放攻击、拒绝服务等多种威胁外，还面临传感节点容易被攻击者物理操纵，并获取存储在传感节点中的所有信息，从而控制部分网络的威胁。必须通过其它的技术方案来提高传感器网络的安全性能。如在通信前进行节点与节点的身份认证；设计新的密钥协商方案，使得即使有一小部分节点被操纵后，攻击者也不能或很难从获取的节点信息推导出其它节点的密钥信息；对传输信息加密解决窃听问题；保证网络中的传感信息只有可信实体才可以访问，保证网络保证私有性问题； 采用一些跳频和扩频技术减轻网络堵塞问题。2.3 智能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，也是物联网的关键技术之一。主要的研究内容和方向包括：1) 人工智能理论研究智能信息获取的形式化方法；海量信息处理的理论和方法；网络环境下信息的开发与利用方法；机器学习。2) 先进的人-机交互技术与系统声音、图形、图像、文字及语言处理；虚拟现实技术与系统；多媒体技术。3) 智能控制技术与系统物联网就是要给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，甚至实现物体与物体互相间的沟通和对话。为了实现这样的目标，必须要对智能控制技术与系统实现进行研究。例如：研究如何控制智能服务机器人完成既定任务(运动轨迹控制、准确的定位和跟踪目标等)。2.4 纳米技术使用传感器技术就能探测到物体物理状态，物体中的嵌入式智能能够通过在网络边界转移信息处理能力而增强网络的威力，而纳米技术的优势意味着物联网当中体积越来越小的物体能够进行交互和连接。3 物联网的发展现状3.1 国外物联网的发展动态 目前国际上对物联网的研究逐渐明朗起来。最典型的解决方案有欧美EPC系统：最新的物联网检测基本构架是基于EPC(Electronic Product Code)技术。EPC技术是由EPC编码、RFID空中接口协议以及利用网络传递编码及存储和检索相关产品信息的一项现代技术。其中编码体系是新一代的编码标准。它是全球统一标识系统的延伸和拓展，是全球统一标识系统的重要组成部分。EPC技术是由美国麻省理工学院的自动识别研究中心（AutoID Center）开发的，旨在通过互联网平台、利用射频识别（RFID）、无线数据通信等技术，构造一个实现全球物品信息实时共享的网络平台。一个完整的EPC工作系统由EPC标签、识读器、Savant服务器、Internet、ONS（对象名称解析服务）服务器、PML（实体标记语言）服务器以及众多的数据库组成。在全球互联网的基础上，EPC通过管理软件系统、ONS和PML实现全球“实物互联”。Savant服务器的主要任务是数据校对、识读器微调、数据传输、数据存储和任务管理，它是EPC工作系统的中枢神经，起着管理系统平台的作用。ONS是给Savant系统指明存储产品有关信息的服务器，它发挥了关键的作用。PML则是描述产品信息的计算机语言。3.2 中国物联网发展现状物联网的建设在我国日益受到重视，制定我国自主知识产权的标准体系和网络系统的呼声越来越强烈.2006年6月9日，由中华人民共和国科学技术部等十五部委联合编写的中国射频识别(RFID)技术政策白皮书发布，对RFID产业化和应用方面的关键技术进行了探讨，为中国RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，应用于物流制造业的发展指明了道路.我国的研究人员对物联网信息服务的研究较发达国家稍晚，在跟踪发达国家研究的同时已经逐渐有了自己的创新。参与这方面研究的有中国物品编码中心、中国标准协会、AIM China、复旦大学Auto-ID中国实验室及一些企业，并取得了一些初步的成果。同时，有国内从事RFID研发的知名企业在2005年两会期间提交了适应社会经济发展需求，建立中国物流互联网工程的提案，提出了开展中国物联网研究和规划的建议，目前有关部委领导已就此提案进行了考察和论证。一些刊物和网站成为物联网信息服务的讨论阵地。3.3 物联网实质上就是EPC/RFID 物联网所要求的物物相连，自动化、低成本、可以操作等都能从EPC得到满足，从而确认了EPC与物联网的对等关系。因为物联网必须用于物品，物品需要编码以及认识编码务必自动化，所以EPC为物联网提供了完美的解决方案。换句话说，物联网与EPC就是一回事，即物联网是EPC的代名词。物联网实质上是EPC（利用RFID的网络体系构筑思想和体系）的“别称”这一说法更加深入人心；互联网、3G等手机通信、网络（无网和固网）、云计算等都是物联网的“翅膀”。4. 物联网检测技术研究的主要问题物联网技术是一门综合的技术，植根于计算机科学，充分体现了学科的力量，需要研究与解决大量的问题。(1)政策和法规。物联网不仅与技术有关，还牵涉各个行业及多种力量的整合。这就要求制定出适合这个行业发展的政策和法规，保证行业的正常发展。因此，对于复杂的物联网，必须要有政策支持，必须要有专门的机构来研究和协调，物联网才能有真正意义的发展。（2）技术标准。正是因为非常好地解决了标准化问题，才促进了互联网发展，TCPIP协议、路由器协议、终端的构架与网络操作系统等都促进了互联网的发展。物联网发展过程中，应尽快统一技术标准，形成一个管理机制，这是物联网必须要面对的问题。(3)管理平台。物联网的重点是网，而不是物。传感容易做到，但是感知到的信息，如果没有一个庞大的网络体系，不能进行管理和整合，那这个网络就没有意义。因此，建立一个庞大的、综合的业务管理平台，收集各种传感信息，进行分门别类的管理，进行有指向性的传输，这是一个重要的研究课题。(4)后端与云计算。互联网通过各种信息感应、探测、识别、定位、跟踪和检控等方法和设备向物理世界的延伸，这只是人类社会对物理世界实现感、知、控的环节，通常将这一环节称为物联网的前端，而将基于互联网的智能及对物理世界的反馈和控制称为物联网的后端。学术界和企业界注重前端，但对于后端应有针对性研究，云汁算是大规模的分布式并行计算，是针对后端的霞要技术。(5)安全体系。装入射频自动识别芯片的物品，可以被物品的拥有者利用物联网系统方便地进行管理。在感知、传输、应用过程中，要保证有价值的灵敏信息的安全性，需要强大的安全体系，这对于管理平台的提供者是非常复杂的难题。(6)大规模数据。物联网的应用出现了大规模的数据，如果地球上的所有物体都被标识，他们的所有属性信息都转变为在物联网内流通，这对现有网络的数据管理预处理机制提出新的挑战。为应对这一挑战，须建立大规模数据中心和强大的物