1、通信工程专业研究方法论通信工程专业研究方法论物联网的主要技术及应用夫英雄者，胸怀大志，富有良谋，有包藏宇宙之机，吞吐天地之志者也. 姓名： 学号： 手机: 班级： 老师： 物联网的主要技术及应用摘要：过去10年间，互联网技术和应用取得巨大的突破，近些年随着全球信息技术革命的深入和3G网络的建设，“物联网”技术受到了广泛的关注，更是引起了国内学术界、工业界和新闻媒体的高度重视.“物联网”被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮.美国权威咨询机构FORRESTER预测：到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业
2、务。本文介绍了物联网的概念定义、架构以及所涉及的关键技术,并举例描述了物联网的实际应用。关键词：物联网、无线射频技术、传感器技术、云计算、智能1 引言 物联网的概念是1999年由麻神理工学院的Auto-ID实验室提出的，它的定义是：利用二维码、射频识别、各类传感器等技术和设备，使物体与互联网等各类网络相连，获取无处不在的现实世界的信息,实现物与物、物与人之间的信息交互,支持智能的信息化应用，实现信息基础设施与物理基础设施的全面融合，最终形成统一的智能基础设施.从本质上看，物联网是架构在网络上的一种联网应用和通信的能力。物联网把新一代IT技术充分运用到各行各业中，具体的说，就是把传感器嵌入和装备
3、到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、供水系统、油气管道等各类物体中,然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络中，存在能力超级强大地中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实时的管理和控制,在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧状态，提高资源利用率和生产力水平,改善人与自然的关系。毫无疑问,如果“物联网”时代来临，那么人们的日常生活将发生翻天覆地的变化.2 物联网及其架构2005年11月，国际电信联盟ITU发布了国际电信联盟互联网报告2005:物联网报告，ITU指出：人类正处在一个通信新时代的边
4、缘，信息与通信技术（ICT）的目标已经从满足人与人之间的沟通，发展到人与物、物与物之间的链接，无所不在的物联网通信时代即将来临.我联网使我们在信息与现实的世界里获得一个全新的沟通维度，将任何时间、任何地点、连接任何人，扩展到连接任何物品，万物的连接形成了物联网.简单说：物联网就是把任何物品通过信息传感设备与互联网等网络连接起来,进行信息交换和通讯，实现物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网大致被公认为有三个层次,底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层,最上面则是内容应用层。如下图所示：【具体应用】智能家居 智能交通 智能电网 智能物流 智能医疗 智能农业 工业监控 城市
5、管理 环境检测【数据分析处理】云计算、数据挖掘应用 层 【广域网通讯】PSTN、2G/3G移动网络、互联网、广电网络、专网网络层 【短距离无线网络】红外、蓝牙、WiFi、Zigbee、其他无线【数据采集、执行控制】各类传感器、RFID、条码、摄像头动作执行部件感知 层图1 物联网体系基本结构图应用层应用层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.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，前面两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、决策，用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之问的信息协同、共享、互通，提高信息的综合利用度,最
6、大程度地为人类服务。其具体的应用服务又回归到前面提到的各个行业应用，如智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等。网络层网络层完成大范围的信息沟通，主要借助于已有的广域网通信系统（如PSTN网络、2G/3G移动网络、互联网等)，把感知层感知到的信息快速、可靠、安全地传送到地球的各个地方，使物品能够进行远距离、大范围的通信，以实现在地球范围内的通信。这相当于人借助火车、飞机等公众交通系统在地球范围内的交流。当然，现有的公众网络是针对人的应用而设计的，当物联网大规模发展之后，能否完全满足物联网数据通信的要求还有待验证.即便如此,在物联网的初期，借助已有公众网络进行广域网通信也是必然的选择，
7、如同上世纪90年代中期在ADSL与小区宽带发展起来之前，用电话线进行拨号上网一样，它也发挥了巨大的作用，完成了其应有的阶段性历史任务.感知层感知层是让物品说话的先决条件，主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、身份标识、位置信息、音频、视频数据等。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术.感知层又分为数据采集与执行、短距离无线通信2个部分。数据采集与执行主要是运用智能传感器技术、身份识别以及其他信息采集技术,对物品进行基础信息采集，同时接收上层网络送来的控制信息,完成相应执行动作.这相当于给物品赋予了嘴巴、耳朵和手，既能向网络表达自己的各
8、种信息，又能接收网络的控制命令，完成相应动作。短距离无线通信能完成小范围内的多个物品的信息集中与互通功能，相当于物品的脚.3 物联网的主要技术3.1 RFID（射频识别技术）射频识别技术（Radio Frequency Identification,缩写RFID），是20世纪80年代发展起来的一种新兴的自动识别技术,射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID 系统一般由电子标签、读写器、应用接口等硬件设备与中间件软件、传输网络、业务应用、管理系统等构成。电子标签是一个内部保存数据的无线收发装置，负责发送数据给读
9、写器。读写器是一个捕捉和处理标签数据的装置,同时还负责与后台处理系统接口。软件包括RFID系统软件、RFID中间件、后台应用程序.RFID系统软件是在标签和读写器之间进行通信所必须的功能集合。RFID中间件是在读写器和后台处理系统之间运行的一组软件，它将标签和读写器上运行的RFID系统软件和在后台处理系统上运行的应用软件联系起来。后台应用程序接收后由标签发出,经过读写器和RFID中间件处理过滤后的标准化的数据。这样的RFID系统可以实时自动地对物体进行识别、定位、监控、追踪。32 无线传感网技术无线传感网是由大量部署在监测区域内的传感器节 点构成的多个、自组织的无线网络系统。通常被用来监测 在
10、不同地点的物理或者环境参量，如光、温度、湿度、声音、振动、压力、运动或者污染等.它主要是通过各节点相互协作地感知、采集和处理网络覆盖区域 的监测信息，并发布给观察者。物联网的快速发展依赖于终端的大规模、大范围的部署,而物联网终端的多形态和泛在化既是物联网业务发展的特点，也是其面临的重点和难点;具体研究对象为传感器、传感器适配器、传感器网络网关等.而在未来，无线传感网络技术的拓扑控制、定位技术、时间同步、数据融合处 理技术以及终端设备的能量获取和存储技术、设备小型化/低成本/低功耗等问题将引领无线传感网络的热点研究。3.3 中间件技术 物联网的理念是要实现任何时间、任何地点及任何物体的连接,这个
11、特点就决定了屏蔽底层硬件的多样性和复杂性以及上层信息交换的复杂应用性.中间件为底层与上层之间的数据传递提供了很好的交互平台，实现各类信息资源之间的关联、整合、协同、互动、按需服务等.所以现在中间件的研究热点集中在基于远程控制的应用管理方式;支持多种传感设备的管理、数据采集和处理功能,从而降低应用与硬件的耦合性；具备符合多种应用通用需求的API集合；具有跨平台的灵活性移植。3.4 云计算技术 随着互联网时代信息与数据的快速增长,有大规模、海量的数据需要处理。当数据计算量超出自身IT架构的计算能力时，一般是通过加大系统硬件投入来实现系统的可扩展性.另外,由于传统并行编程模型应用的局限性，客观上还需
12、要一种易学习、使用、部署的并行编程框架来处理海量数据。为了节省成本和实现系统的可扩放性，云计算的概念因此应运而生 。 云计算最基本的概念是通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统处理。通过云计算技术,网络服务提供者可以在数秒之内，处理数以千万计甚至亿计的信息，提供与超级计算机同样强大效能的网络服务。云计算作为一种能够满足海量数据处理需求的计算模型，将成为物联网发展的基石.之所以说云计算是物联网发展的基石,一是因为云计算具有超强的数据处理和存储能力,二是因物联网无处不在的信息采集活动,需要大范围的支撑平台以满足其大规模的需求。 实现云计算的关键技
13、术是虚拟化技术。通过虚拟化技术，单个服务器可以支持多个虚拟机运行多个操作系统，从而提高服务器的利用率。虚拟机技术的核心是 Hypervisor（虚拟机监控程序）。Hypervisor 在虚拟机和底层硬件之间建立一个抽象层，它可以拦截操作系统对硬件的调用，为驻留在其上的操作系统提供虚拟的CPU和内存。 实现云计算系统目前还面临着诸多挑战,现有云计算系统的部署相对分散，各自内部能够实现 VM 的自动分配、管理和容错等,云计算系统之间的交互还没有统一的标准.关于云计算系统的标准化工作还存在一系列亟待解决的问题，需要更进一步的深入研究。然而,云计算一经提出便受到了产业界和学术界的广泛关注。3。5 信息
14、安全技术 由于物联网终端感知网络的私有特性，因此安全也是一个必须面对的问题。物联网中的传感节点通常需要部署在无人值守、不可控制的环境中，除了受到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获取，通过物理手段获取存储在节点中的所有信息，从而侵入网络、控制网络的威胁。物联网网络层的信息安全主要有两类:一是来自于物联网本身安全隐患；二是源于构建和实现物联网网络层功能的相关技术的安全弱点和协议缺陷。网络层存在的问题是业务流量模型、空中接口和网络架构安全问题.地址空间短缺的解决方法是采用IPV6技术，用128位的地址长度并采纳IPSee协议,在IP层
15、上对数据包进行高强度的安全处理，提供数据源地址验证、无连接数据完整性、数据机密性、抗重播和有限业务流加密等安全服务，增强了网络的安全性。目前采用IPv6和IPv4双协议栈模式。3.6 数据融合与智能技术 物联网是由大量传感网节点构成的,在信息感知的过程中,采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法是不可行的.因为网络存在大量冗余信息，会浪费大量的通信带宽和宝 贵的能量资源。此外，还会降低信息的收集效率,影响信息采集的及时性，所以需要采用数据融合与智能技术进行处理. 3.6.1 分布式数据融合 所谓数据融合是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效且符合用户需求的数据的过程。在传感网应用中，多数情况
16、只关心监测结果,并不需要收集大量原始数据，数据融合是处理该类问题的有效手段。例如，借助数据稀疏性理论在图像处理中的应用，可将其引入传感网用于数据压缩，以改善数据融合效果。 分布式数据融合技术需要人工智能理论的支撑,包括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,以及计算机基础理论。同时,还需掌握智能信号处理技术，如信息特征识别和数据融合、物理信号处理与识别等. 3。6.2 海量信息智能分析与控制 海量信息智能分析与控制是指依托先进的软件工程技术，对物联网的各种信息进行海量存储与快速处理，并将处理结果实时反馈给物联网的各种”控制”部件。智能技术是为了有效
17、地达到某种预期的目的,利用知识分析后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，这也是物联网的关键技术之一.智能分析与控制技术主要包括人工智能理论、先进的人机交互技术、智能控制技术与系统等.物联网的实质是给物体赋予智能,以实现人与物体的交互对话,甚至实现物体与物体之间的交互或对话。为了实现这样的智能性，例如，控制智能服务机器人完成既定任务包括运动轨迹控制、准确的定位及目标跟踪等,需要智能化的控制技术与系统。4 物联网的应用4。1 智能电力 长期以来靠人的自觉性节能，不能根据实际需求的量度，有针对性地进行能源供应；而且还要靠人
18、的积极性进行需求的管理。 而在未来的物联网时代，使人们在生活质量不受影响甚至更舒适的情况下，靠信息技术进步将能源节约下来。将需求管理融入到每一个电器产品设计上和系统的构建上，并是终端与电网及分布式能源进行响应和交流,在互联网是的分布式能源系统构筑的智能电网中,用户可以通过调节用电秩序，关闭或启动燃气、小水电等灵活机组，控制需求和蓄电设备调节等多样化手段，解决分布式可再生能源的自由接入.4.2 智能家居家是每个人活动的主要场所，所以智能家居将是物联网技术应用实现最广泛的地方.当前家居只存在一些简单的智能应用,例如电灯的自动开关，电暖气的温度自动调节等。在未来,各种家庭设备将通过智能家庭网络联网实
19、现自动化，用户可以通过电信宽带、固话和3G无线网络实现对家庭设备的远程管理和控制；像空调、照明灯等设备会自动感知学习主人生活习惯，自动调节室温、光线的明暗，减少能源浪费智能家居将为人们提供舒适宜人且高品味的家庭生活空间，实现更智能的家庭安防系统并提供全方位的信息交互功能.4。3 智能城管 长期以来靠城管人员巡查公共设施损失、违章摊位查处等，不能有规律的智能获取公共设施状态，无法智能管理、调配资源;如果利用物联网技术，各种传感器设备就能及时检测公共设施状态、故障发生时间和地点等数据,进而实现对城市管理问题的精确定位,现场问题的实时发现、实时报送、及时解决。如此一来，就能增加城管执法的快速、高效、
20、可靠性.譬如说当某物品被取走，监控系统会发遗失指令给后台，后台将物品的位置信息和遗失情况返回给前台,这样就会减少偷窃犯罪率。4.4 智能物流基于RFID、全球定位系统（GPS)的智能配送可视化管理网络、全自动的物流配送中心以及基于智能配货的物流网络化公共信息平台是物联网在物流业中主要应用。分析和模拟软件可以优化从原材料至成品的整个供应链网络,帮助企业确定生产设备的位置，优化采购地点；制定库存分配战略,降低成本、减少碳排放，改善服务。4。5 智能交通智能交通降低交通事故致死率,减少堵塞率,加强交通的监管，减少尾气排放。据报道，斯德哥尔摩市在18个控制点采用各种传感技术,探测车辆并按时段以不同费率
21、,将流量、等待时间和尾气排放分别降低20%，25%和12%。4。6 电子保健 由电子病历系统、医学图像存档和通信系统、计算机化医嘱录入系统、计算机临床决策支持系统、远程医疗系统、临床信息系统、诊管理系统、住院管理系统、药品管理 、物资管理系统、人事关系系统、财务管理系统及OA管理系统等构成医院信息系统。电子病历系统将医疗文书中的内容以标准化词或句子的形式存储于数据库中,既能够实现病历存档，又便于随时查询、统计、分析，还可以最大限度规避隐私问题。药品管理系统把药品名称、品种、产地、批次及生产、加工、运输、存储及销售等环节的信息都存于RFID标签中,当出现问题时，可以追溯其全过程的任何一个环节。5 结束语物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升,将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话,创造一个智慧的世界。物联网在发展过程当中还将会遭遇许多已知和未知的问题。但是有各国政府的政策支持、研究机构的技术支持、相关企业的资金支持及普通老百姓的市场支持，物联网行业必将拥有一个美好的明天,IBM的“智慧地球”目标也总将得以实现.
