浅谈物联网及其技术应用

浅谈物联网及其技术应用

作者：周伟

来源：《电脑知识与技术》2011年第08期

摘要：该文从物联网的起源开始谈起，介绍了物联网的概念，发展，关键技术，体系结构及其典型应用。

关键词：物联网；传感器网络；RFID；EPC；物联网应用

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)08-1775-03

物联网被称为继电脑、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。在十一届全国人大三次会议的政府工作报告中, 国务院总理温家宝指出要大力培育战略性新兴产业,积极推进三网融合取得实质性进展, 加快物联网的研发应用。至此,物联网建设正式上升到国家战略层面,我国将进入到物联网应用以及与之相关的产业高速发展的时期。 1 物联网的概念

任何新概念的产生都不是一蹴而就的，物联网也不例外。要理解物联网的概念，就必须要了解它产生的过程。

1991年，时任施乐首席科学家的 Mark Weiser在《Scientific American（科学美国人）》杂志上发表文章，预言了21世纪的计算将是泛在计算。他认为未来的计算技术就像人类发明的文字一样，为人所用，但不为人所知，并且是无处不在的，即“你使用它，但你意识不到你在使用它”。他从字典中找到了一个生僻的单词“Ubiquitous（普遍存在的）”来表达他的这种思想。用这种“普遍存在的”技术所构成的网络被称为“泛在网”，泛在网被认为是物联网概念的起源。1995年，比尔·盖茨在他的《未来之路》一书中首次提出了物联网的概念，他预测世界上的各个事物都将连接到互联网中，但受到当时技术条件的限制，人们对这一新出现的概念并没有产生多大的关注。到了1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”；2003年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。传感器网络技术的出现使物联网成为了现实，而不再只是人们脑海中的美好愿望。传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况（比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物），并将所采集的信息通过通信网络传输到远程计算机中。利用传感器网络，我们可以实现对各种物品的自动识别，也可以实现物与物、物与人之间的信息互联与共享，再利用数据挖掘等相关技术对这些信息进行处理，进而完成对监控对象的智能控制或是帮助我们进行决策和管理。物联网正是以这样的传感网为末梢的。

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我国政府十分重视传感网这一新兴技术的研究，早在1999年，中科院就启动了传感网及其相关技术的研发工作，经过多年的努力已经取得了很大的成果。目前我国的传感器技术已经处于国际前列，并且在上海世博会、太湖水域环境监测、智能交通等很多领域发挥了非常重要的作用。

2005年11月，在突尼斯举行的第二阶段信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”( the Internet of Things , IOT )的概念。报告中描绘了一个无所不在的物联网世界，从衣服到汽车，从房屋到手表，几乎所有的物品都可以通过“物联网”进行信息的共享与传输。

物联网自出现以来还没有一个学术界和产业界公认的定义，目前比较流行的定义是：物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。

关于物联网的概念，笔者认为还要注意以下三点：1) 传统的思维中，物理基础设施和信息基础设施是互不相关的，唯一的联系或许就是在建筑施工时的综合布线。而即使是综合布线，也仅仅是将信息设备铺设物理设施里，物理设施并没有参与到信息交换的过程中；但是在物联网时代，物理基础设施将和信息基础设施整合为一个整体，物理设施不仅起到承载信息设施的作用，还能在信息采集、环境感知等环节发挥功能，能够参与到信息交换的过程中来，人类就在这样一个崭新的地球上生活。2) 物联网使得信息与通信技术 (ICT)增加了新的维度：从原来的任何人可以在任何时间、任何地点的通信,变成了任何人和任何物在任何时间、任何地点的通信。这样,通信量将会倍增，并出现了一个新的、动态的网络: 物品连接起来的因特网。3) 物联网应该是一个覆盖世界万事万物的巨大信息网络，两个或几个物品的连接确实也是“物联网”(the internet of things)，但不是我们所说的能够影响和改变未来人们生活的物联网(the Internet of Things)，就如同互联网（internet）与因特网（Internet）的区别一样。 2 物联网的关键技术

根据国际电信联盟的建议，物联网的体系结构自底向上可以分为以下几个层次： 感知层：其功能是通过各种类型的传感器对物质的各种属性（如大小、重量等），传感器周围的环境状态（如温度、湿度等），以及物体的行为态势（如速度、方向等）等的信息进行获取与辨识。感知层就相当于物联网的末梢神经，它是物联网采集信息，识别物体的最重要手段。

接入层：该层的主要功能是将从感知层获取的信息通过现有的通信网络（如无线通信网CDMA、WiMAX、WiFi)等，传送到互联网中。

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互联网层：该层的主要功能将网络内的信息资源整合成一个可以互联互通的大型智能网络，为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠、可信的基础设施平台。 服务管理层：该层的主要功能是通过具有超级计算能力的中心计算机群，对网络内的海量信息进行实时的管理和控制，并为上层应用提供一个良好的用户接口。

应用层：该层的主要功能是集成系统底层的功能，构建起面向各类行业的实际应用， 如生态环境与自然灾害监测、智能交通、文物保护与文化传播、远程医疗与健康监护等。 每一个层次都有相应的技术完成该层的功能，还有一些技术是涉及到各个层面的，譬如安全技术、质量服务QoS技术、网络管理与控制技术等。这里，笔者只介绍以下几种关键性技术。

2.1 无线射频识别 (RFID) 技术

无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标并获取相关信息。基本的工作原理如下：在工作时，装有天线的RFID阅读器会持续的发出一定频率的射频信号，当装有电子标签的物体接近射频信号所覆盖的区域时，会根据查询信号中的命令要求，将存储在标签中的数据信息反射回阅读器。阅读器接收到电子标签反射回的信号后，经解码处理即可将电子标签中的识别代码等信息分离出来。这些信息被传送到后台中央信息系统，后台系统根据运算，针对不同的设定做出相应的处理和控制。整个识别工作无需人的干预，可工作于各种恶劣环境。

目前广泛使用的RFID系统主要由三部分构成,分别是标签物(贴在目标对象上)、阅读器和天线。其中标签可分为借助外来能量工作的被动标签（无源标签）和配有电池的主动标签（有源标签），标签芯片就相当于一个具有无线收发功能和存储功能的单片系统。阅读器是用来读取或写入标签信息的设备,有手持式和固定式两种。当前阅读器成本较高，且大多只能在单一频点工作，今后阅读器将朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展，成本将更加低廉，并且支持多个频率点，能自动识别不同频率的标签信息。天线的作用则是用来在标签和阅读器间传输射频信号，天线的尺寸必须与所传信号的波长一致，其位置与形状也会影响信号的发送与接收。

2.2 传感技术

传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。传感技术的核心即传感器，它是负责实现物联网中物与物、物与人信息交互的必要组成部分。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规则变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示和控制等要求，是实现自动检测和自动控制的首要环节。形象的来说，传感器就像人的五官一样，可以用来感知环境的变化，获取

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信息。目前，传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产以及人民生活等各个领域中，例如我们常看见的自动门、烟雾报警器、数码相机、电子秤、水位报警器等等，都是采用了传感器来感知周围环境的变化，从而实现相应的控制。 2.3 EPC产品电子代码

EPC是一个以RFID为载体的综合性复杂系统，它的目的是为每一件产品建立全球的、开放的标识标准，实现全球范围内对单件产品的跟踪与追溯，从而有效提高供应链管理水平、降低物流成本。1999年美国麻省理工学院的AUTO-ID中心提出了EPC的概念构想，其后在国际条码组织（EAN.UCC）以及宝洁、吉列、可口可乐、联邦快递、沃尔玛、IBM等跨国公司的支持下开始了EPC国际编码方案的实施。EPC作为新一代的产品编码体系，与原来的产品条码相比具有以下优势：1) 传统条码仅是对产品分类的编码，即只能识别一类产品而无法识别单品，而EPC码是对每个单品都赋予一个全球唯一编码；2) 传统条码在使用时必须将扫描仪近距离对准才可读取，而EPC只要在阅读器的信号覆盖范围内就可以被识别读取，甚至可以穿过外包装进行识别，这样大大提高了识别效率；3) 传统纸型条码很容易破损和受到污染，而条码一旦破损或污染就无法被读取，需要手工输入，从而降低了工作效率，并且也很容易出错，而EPC使用的是电子芯片，不容易受到破损，因此可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境；4) 传统条码信息是固化在标签纸上的，一旦需要更改就必须重新更换标签纸，而EPC中的信息存储在芯片中，通过相应的设备可以很方便的对芯片中的信息进行编辑，便于更新；5) 传统条码的编码结构是固定的，而EPC存储的是电子数据，在需要的时候可以改变其中的编码结构，便于升级；6) 传统条码无法设置密码，任何人通过扫描仪都能读取数据，而EPC可以设置密码，保证了用户的隐私权与数据的机密性。 2.4 纳米技术与嵌入技术

嵌入式技术是指将具有计算机功能的原件嵌入到专用设备中，它对可靠性、成本、体积、功耗都有严格的要求。纳米技术通俗地讲就是用单个原子、分子来制造物质和器件。如果我们利用纳米技术把传感器做到像一粒尘埃那么小，并把它嵌入到任何物品中，就建成了一个看不见的传感网络，使得人们感知不到网络的存在，并且不会影响我们对物品的使用。目前利用纳米技术可以将传感器做到5立方毫米左右，下一步的目标是如何将5立方毫米级缩小到1立方毫米。纳米技术的应用前景十分美好，但现在存在一些技术难题，若要广泛应用还需要假以时日。

3 物联网应用典型案例 3.1 我国二代身份证

我国的第二代身份证最显著的进步不是说在卡表面的照片换为彩色的了，而是在卡的内部嵌入了RFID芯片。芯片中可以存储个人的基本信息，需要时在读写器上一扫，即可显示出你

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身份的基本信息，从而提高工作效率。而且可以做到有效防伪，因为芯片的信息编写格式与内容等只有特定厂家提供，伪造起来技术门槛比较高。 3.2 ETC不停车收费系统

在很多高速公路收费站，现在都留有一个不停车收费系统，无人值守。车辆只要减速行驶不用停车即可完成信息认证、计费。国内较早在首都机场高速做了试点，目前在全国各地已经有了很多地方做了尝试。但由于不仅需要对收费系统进行升级改造，还需对可能通过的车辆上安装识别芯片。因为很难对所有的车辆都进行安装，所以通常很多地方同时保留了ETC和人工收费。因为人工收费车辆要提前减速，并停止下来，在交通高峰阶段容易造成拥堵。因此，条件具备的地方还是要推行ETC，不仅加快通行速度，还可以节约管理成本。 3.3 无锡太湖水域治理

无锡在太湖治理上已经用上了时下最先进的物联网技术，并且这项新技术正在发挥日益重要的作用。在太湖鼋头渚水域能够看到太湖上的一个个在线水质监测点。别看它个子不大，却运用上了最新的传感网新技术，将太湖水的各项数据传回环保局的数据中心，科研人员就可以及时了解太湖水质的各项变化。 3.4 上海世博会

2010年上海世博会的成功举办与园区内物联网的广泛应用密不可分，下面简单列举一些相关应用：

1) 世博会门票。世博会纸质门票中植入了RFID芯片，参观者手持门票，轻松一刷便可快速检票通关。并且持票人的身份信息能够立刻传输到安全部门，从而实现安全监控。 2) 智能汽车。运用了LTE技术（3G与4G之间的过渡技术）的物联网概念车，是LTE技术在“科技世博”应用的最大亮点。安装了车载智能系统的概念车可实现车况运程诊断、车辆远程控制、GPRS导航、信息服务等多种功能。使乘客在车内访问互联网、移动电视，车由此变为移动E家。

3) 老人儿童定位。在人们身上配戴这种定位的芯片装置，可实时查询用户所在方位，终端可定时上报用户位置信息，可设定安全区，在人流拥挤的地方，当老人、小孩与家人走散时，可实时感知用户信息，精准度高，精度可达到5-50米。

4) 楼宇节能。在世博园中放置有连接传感器的灯，能随时控制，感知外界的环境变化，传感器节点感知到周围的光线变暗，连接控制的灯就会自动打开。这种智能照明系统运用在楼宇中，大大节省了能源，这种传感器系统还可用于空调等其他电器，在实现智能楼宇、智能家居的同时，极大满足低碳、节能、环保的需求。

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4) 客流分析。全球眼是物联网最大的应用之一，应用于世博高峰期客流量的信息采集分析；采用高清视频采集和智能处理，可以随时采集游人行为分析、图像分析、人数统计等视频，如果参观者人数过多，还会自动发出数据指示，能及时发现世博会现场的人员情况，确保现场参观人员的安全。

随着技术的不断成熟，作为覆盖世界万事万物的信息网络，物联网的应用在未来将会更加的广泛，图1引用一张物联网未来丰富多彩的应用，供大家参考。 4 结束语

以上简要介绍了物联网的起源、发展，物联网的概念与关键技术以及物联网的应用。由于物联网还处于起步阶段，很多的技术还不成熟，有一些瓶颈需要解决，相关的国际标准没有完全建立，在管理上也缺乏经验。但必须要看到，物联网的前景是非常乐观的，未来的市场潜力也十分巨大。我们一定要把握历史机遇，在关键技术和核心技术上形成具有自主知识产权的成果，抓紧相关技术国际标准的研究、制订与推广，牢牢抓住物联网的国际话语权，为我国在信息技术领域迎头赶上甚至占领产业价值链的高端奠定基础。 参考文献：

[1] 杨震.物联网及其技术发展[J].南京邮电大学学报,2010,30(4). [2] 刘强,崔莉,陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学,2010,37(6). [3] 中国物联网知识普及网[EB/OL].www.chinawlw.net.cn.

[4] 刘志硕,魏凤,柴跃廷,沈喜生.我国物联网的体系架构研究[J].物流技术,2010(4).