物联网技术及应用.docx
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物联网技术及应用
华东交通大学理工学院
《现代通信技术与业务》论文
专业班级：
11通信工程
（2）班
姓名：
杨晨
学号：
20110210420226
2014年5月5日
目录
第一章物联网的简介3
第二章物联网关键技术4
2.1嵌入式可编程RFID技术4
2.2传感器与探测技术5
2.3认知计算与智能控制技术5
2.4网络融合技术5
2.5纳米技术6
第三章物联网应用7
3.1智能社区7
3.2智能交通7
3.3精细农业8
3.4其它应用领域8
第四章存在的问题9
4.1基础理论研究9
4.2架构和协议研究9
4.3标准化9
4.4商业模式10
第五章结论及展望11
[参考文献]12
摘要:
本文着重研究了物联网关键技术及其应用。
对物联网技术体系及应用领域进行了系统介绍,在此基础上，对嵌入式可编程RFID技术、传感器与探测技术、认知计算与智能控制技术、网络融合技术、纳米技术等关键技术进行了具体研究；详细分析了物联网技术在智能社区、智能交通、精细农业等领域上的应用；并对存在的问题进行了讨论，对物联网研究进行了总结并对其未来进行了展望。
关键词:
物联网可编程RFID认知计算网络融合智能社区
第一章物联网的简介
物联网（InternetofThings,IoT）概念于1999年由MIT提出，主要目的是
为企业管理者提供便利的货物管理手段，实现对“物”的自动化、智能化管理与
控制。
相对于互联网的“人-人”互联，物联网利用互联网和现代电子信息技术
等新兴技术手段，把各种物体有机的结合起来，实现“人-物”及“物-物”互联。
当前，学术界对物联网的普遍定义如下：
物联网是利用射频识别装置、红外
感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等各种不同装置、嵌入式软硬件系统
以及网络接入系统实现将各种“物”接入互联网,成为互联网的一部分，从而实现包括物与物、人与物之间的互相连接，并且与互联网结合起来而形成一个巨大的网络系统。
随着网络技术、业务类型及用户需求的发展，物联网架构从传统的EPC物联网技术体系、UID物联网技术体系，发展到当前的物联网通用体系架构，实现了各阶段物联网技术对当时应用服务需求的支撑。
EPC物联网系统由EPC编码体系、射频识别系统和信息网络系统组成,主要包括EPC代码、EPC标签、读写器、EPC中间件、对象名称解析服务（ObjectNamingService,ONS）及EPC信息服务。
通过在物体上粘贴或嵌入使用EPC技术编码的标签,在EPC中间件的支持下,利用读写器等相关设备读取信息,通过对象名称解析进入信息网络系统,实现信
息从“物”到“网”的传递。
UID体系由日本提出,其架构由泛在识别码
（uCode），泛在通信器，信息系统服务器，和uCode解析服务器构成。
UID使用uCode作为物品标识，终端从uCode电子标签中读取信息，类似于超市或商场的物品扫描仪。
UID是一个开放架构，其规范对公众透明。
物联网通用体系架构的提出源于当前网络标准的日益复杂和服务类型的快速增多,其架构采用分层设计技术,包括物理层、感知层、网络层和应用层。
在通用体系架构的支撑下，实现在未来高异构、高复杂网络环境下对物!
的准确定位、跟踪和精确操控,并达成“以物控物”的终极目标将成为可能。
在物联网架构及相关技术的支撑下,其应用领域从物流行业进入到当前的智能电网、智能交通、智能家居、精细化农业等多个领域,并展现出强大的应用潜力。
尤其是在智能交通领域,通过在车辆上安装GPS及在马路上设置各类传感器，利用WMAN、WMIAX等无线网络，司机可及时获取路况相关信息，在节省时间的同时更保证了行车安全，切实让人感受到智能交通的有效和便利，充分发挥了物联网的应用潜力。
第二章物联网关键技术
物联网诞生之初主要用于对商品、货物的管理,其关键技术主要包括RFID技术及网络技术，随着需求的扩展，人们寄希望于利用物联网实现对物的控制，甚至能够“以物控物”。
基于此，物联网需具备一定程度的智能,能够根据周围环境变化而动态自适应。
除此之外，材料技术的发展也延伸了物联网的功能属
性，未来物联网将不仅能实现对宏观物体的准确操作，还将实现对微观物体的精确控制。
同时，未来网络的高度异构性为物联网应用及全球物联网的形成造成困难，为了克服异构网络造成的数字鸿沟，网络融合技术亟待突破。
综上，物联网关键技术包括：
嵌入式可编程RFID技术、传感器与探测技术、认知计算与智能控制技术、网络融合技术及纳米技术,其技术构成如图1所示：
图1物联网技术体系
2.1嵌入式可编程RFID技术
RFID（RadioFrequencyIdentification），即射频识别技术，也被称为电子标签。
它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无需人工干预,可应用于各种复杂环境。
RFID由询问器（或阅读器）和应答器（或标签）组成,用于控制、检测和跟踪物体。
传统RFID工作原理如下:
标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag,无源标签或被动标签）,或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag,有源标签或主动标签）,解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理,完成对产品的管理和控制。
当前RFID技术可满足用户对物品的管理,但从物联网发展方向来看,仅仅具备管理和简单控制功能的RFID技术不能满足未来复杂业务处理。
在未来的物联网应用中，人们希望物!
能够感知到周围环境的改变，自动做出调整而无需人工干预。
嵌入式可编程RFID技术在现有RFID技术基础之上，利用嵌入式编程技术将相应策略、算法固化至芯片,在遭遇环境改变时,在高层策略指导下,利用相关算法自动调整其状态以完成对环境的自适应。
2.2传感器与探测技术
传感器与探测技术是物联网实现感知外部环境和自身状态的核心,为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。
而随着技术的发展,传统传感器正逐渐实现微型化、智能化、信息化、网络化,经历着由传统传感器（DumbSensor）,智能传感器（SmartSensor）向嵌入式Web传感器（EmbeddedWebSensor）的发展过程。
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络,是传感器网络化的具体表示,物联网在此基础上扩展而来。
目前,面前物联网的传感器网络技术研究包括如下方向：
先进测试技术与网络化测控;
智能化传感器网络节点研究;
传感器网络组织结构及底层协议研究;
对传感器网络自身的检测与控制;
传感器网络的安全。
从现有研究成果看,传感器与探测技术已较为成熟,为物联网技术发展提供了有力支撑。
2.3认知计算与智能控制技术
认知计算（CognitiveComputing）来源于脑科学研究，目的是模拟并效仿人脑的感觉、观念、行为、互动以及认识能力,同时消耗更少的能量、占用更小的空间。
认知计算是当前人工智能的最新研究方向,其研究成果将为智能控制提供理论支持。
目前,认知计算理论已开始在智能控制领域有了初步应用。
文献[7]提出一种基于认知技术的机器人智能控制方法,并利用该方法解决了对于环境学习的短期记忆（short-termmemoryforenvironmentallearning）和对行为学习的长期记忆（long-termmemoryforbehaviorlearning）问题。
未来物联网要想实现以物控物!
的终极目标,从物对外界环境信息的感
知学习,到物体自身行为习惯的觉察发现,都将成为策略调用的判断依据。
通过对认知计算理论的深入研究及其在智能控制领域的全方位、多角度应用,随着相关技术的不断深化、完善，必将为“认知物联网”的形成铺平道路。
2.4网络融合技术
网络融合（NetworkConvergence）起源于对电信网、电话网及因特网在业务层面的融合。
随着当前网络标准的不断增多,网络复杂度及异构度的增加,给跨网业务提供造成了极大的困难。
网络融合技术旨在通过对各种网络在网络层面进行融合,填平由于标准不同而造成的数字鸿沟,实现不同网络间的无缝切换。
目前,网络融合技术已成为热门研究领域,各政府、企业及研究机构纷纷投入大量人力物力对此展开研究。
具有代表性的包括欧盟IST第六框架计划（FP6）的MobyDick项目（MobilityandDifferentiatedServicesinaFutureIPNetwork）、AmbientNetworks项目和EVEREST项目（EvolutionaryStrategiesforRadioResourceManagementinCellularHeterogeneousNetworks）。
MobyDick项目对未来全IP网络中的移动性和Qos解决提供方案,并以WCDMA、WLAN和以太网为主要的接入方式,搭建了横跨欧洲的试验网,目标是在IPv6的基础上集成了移动性支持、Qos、AAA和全IP体系结构,支持在不同接入网络或者管理域之间的无缝切换。
AmbientNetworks项目主要研究不同接入网络在Qos、移动性、安全和多播等方面的融合,并设计了跨越不同无线接口的通用RRM算法（MRRM）和通用链路层（GenericLinkLayer,GLL）,EVEREST项目（EvolutionaryStrategiesforRadioResourceManagementinCellularHeterogeneousNetworks）主要研究跨越异构接入网络的通用无线资源管理算法以及异构环境下的端到端Qos,尤其是考虑UMTS与WLAN共存场景。
从上述项目的实施情况来看,网络融合技术已取得巨大进步,尤其是3G-WMiax、WCDMA-WLAN以及UMTS-WLAN的融合已成为现实,从而为实现不同网络间的物物!
互联以及全球物联网的形成奠定坚实基础。
2.5纳米技术
纳米技术通常研究结构尺寸在0.1~100nm范围材料的性质和应用,其研究内容涉及学科广阔,包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等;其应用领域包括材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。
由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,因此,纳米技术在近几年得到飞速发展。
随着传感器技术的快速发展,小体积、低功耗、高性能的微传感器开始得到人们的重视,并开始大规模应用。
而利用纳米技术制造的纳米传感器!
更可完成现有传感器所不能完成的功能。
例如,利用纳米技术制作的细胞修复或者血管修复传感器,在基于认知计算的智能控制技术支持下,根据受损的程度、方位快速修复,将为现代外科手术提供全新解决方案。
纳米技术在物联网中的应用使得物联网由宏观走向微观,为实现物联网的“感知万物”、“掌控万物”、“以物控物”目标做好“物”的准备。
第三章物联网应用
物联网最初应用于物流领域,通过在货物上粘贴或嵌入RFID标签,实现对商品的跟踪与管理。
随着网络技术、芯片技术的进步及应用需求的扩展,物联网应用逐渐从物流走向智能社区、智能交通、精细农业等应用领域,其功能也从传统的跟踪管理转向智能控制,更多满足人们的控制需求。
3.1智能社区
物联网智能社区意指利用物联网技术、智能控制技术、网络融合技术及系统集成技术对智能家居、智能建筑、智能小区在功能、服务及空间上进行扩展,设计出功能完备化、服务人性化、空间智能化的居住环境,使居民能够随时随地、随心所欲地获取高质量、低成本的服务,不仅满足居民对高品质社区（家居）生
活的需求,而且为人们便捷的参与政治、经济、文化等社会活动以及人与人之间的无障碍交流提供民主、开放的环境（平台）,最终构建自由、平等、博爱、和谐的居住环境及精神家园。
一方面,利用数目众多、分布广泛的各类传感器,物联网智能社区能够实现对社区空间信息无处不在的感知与获取,同时,通过对智能社区内一切物!
的全IP化,并利用基于IPv6协议的物联网寻址技术,实现对“物”的跟踪、管理与控制,提高社区居民对物!
的掌控水平;另一方面,物联网智能社区对用户而言是一个开放、透明的社区。
利用无处不在的互联网络及电子商务、电子政务、门户网站等信息交流平台,使居民能够随时随地的提出自己的意见、建议,表达自己的思想、观点等,并且真实、快捷的将居民诉求传递至决策者,而物联网智能社区的智能决策系统将为决策者提供决策依据及管理方法。
与传统智能社区不同,物联网智能社区在物质及精神双重层面为用户提供高质量服务。
因此,构建物联网智能社区不仅符合国家的提升城镇信息化水平要求,同时符合“以人为本”执政理念,对促进社会的公平与正义以及构建和谐社会具有重要意义。
3.2智能交通
当前,随着中国汽车市场的爆炸式增长,越来越多的汽车进入寻常百姓家庭。
在方便人们居家旅行生活的同时,由交通拥堵、交通事故引起的各种问题日益困扰着司机及交通管理部门。
然而,交通作为国民经济的基础和命脉,是一个国家整体实力和科技水平的重要标志,促进交通的现代化、信息化及智能化成
为国家发展战略的重要任务。
智能交通是将先进的传感器技术、通信技术、数据处理技术、网络技术、自动控制技术、信息发布技术等有机运用于整个交通运输管理体系而建立的一种实时、准确、高效的交通运输综合管理和控制系统,是一种以现代电子及信息技术为基础的面向交通运输的服务系统。
针对当前交通系统的交通数据获取途径单一（道路监视器）、信息传输不畅（信息员或司机相互通告）、没有准确的决策依据（只能掌握局部交通状况）等缺陷而造成的无法科学、彻底的解决道路交通的拥堵并降低交通事故发生率及违章率,利用在各汽车上安装传感器及RFID嵌入式芯片及道路监视器,通过传感器及道路监视器来感知当前路况信息,利用RFID嵌入式芯片标识各汽车身份以进行信息的发送与接收。
利用集中式的交通控制系统,对收集的各类数据进行数据分类、数据融合、数据处理,最后实现对车辆及路况的综合决策,实现司机对路况信息的及时、可靠、准确的掌控及交通管理部门对交通状况的整体管理与科学调度。
3.3精细农业
精细农业是指通过获取农田小区作物产量、影响作物生长的环境因素（如土壤结构、地形、植物营养、含水量及病虫草害等）、实际存在的空间和时间的差异信息,分析影响农田小区产量差异的原因,并以此为依据,采取技术上可行的、有效的调控措施,对农田施行小区定位管理、调控的农田作业。
目前,我国农业处于传统农业向现代农业转型时期,全面实践这一新技术体系的转变,信息技术将发挥独特而重要的作用。
而物联网的出现使农业生产的精细化、远程化、虚拟化、自动化成为可能。
利用物联网技术可以实现诸如监视农作物灌溉情况、土壤空气变更、畜禽的环境状况以及大面积的地表检测,收
集温度、湿度、风力、大气、降雨量,有关土地的湿度、氮浓缩量和土壤pH值等,从而进行科学预测,帮助农民抗灾、减灾,科学种植,提高农业综合效益。
物联网精细农业已引起多个国家重视,并对此进行了大量投入,已获得初步应用。
如:
美国科学家利用RFID和传感器追踪供应链中多绿色蔬菜的温度和湿度来保障食品安全;韩国研究人员宣布使用小型生物芯片传感器,对食品和环境污染进行快速检测等,在物联网精细农业领域实现了应用化。
物联网技术对于农业应用来说是机遇,其技术的发展也必将深刻影响现代农业的未来。
通过积极探索物联网与现代农业应用结合点,确立研究及应用方向,利用技术上的创新,提升农业信息化发展层次和经济效益。
3.4其它应用领域
物联网其它应用领域包括军事指挥与控制、智能电网、旅游服务、生产制造、医疗健康、公共安全、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、水系监测等多个领域。
通过把传感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,然后将“物联网”与互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合。
在这个整合的网络中,利用能力超级强大的中心计算机群,对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。
在此基础上,人们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,改善人与自然间的关系。
第四章存在的问题
物联网概念自提出后引起各国政府及企业的高度重视,并被认为是继“计算机、互联网”之后世界信息产业第三次浪潮。
当前,各国对于物联网研究进行的如火如荼,均希望在此次信息化革命中把握先机、拔得头筹,取得最大化的经济利益及对该领域的话语权。
然而,物联网是一个极为复杂的巨系统,虽然在某些领域取得了一些实际的研究成果,但距离IBM提出的智慧地球!
还有相当的差距。
从当前的研究来看,物联网研究还存在如下问题,只有对这些瓶颈予以有效解决,全球统一物联网系统才会形成,感知万物、掌控万物、以物控物!
的终极目标才能实现。
4.1基础理论研究
物联网是一个具备非确定、高混杂及强关联特征的复杂系统。
为了适应诸如智能电网、智能交通、智慧社区等重大应用需求,构建感知互动、自治高效和安全可信的物联网系统,需要对如下相关基础理论展开研究,包括物理空间和信息空间的复杂耦合关联机理、物联网自治机理、融合决策处理、可信软件建模及系统优化。
上述理论的突破将为物联网技术开发铺平道路,并为物联网产业化和规模化应用奠定理论基础。
4.2架构和协议研究
物联网应用领域极为广泛,各行业标准及相关规范存在较大差异,而统一的物联网架构尚未形成,使得现有各物联网架构存在服务针对性强、应用范围狭窄的问题,造成物联网之间无法进行有效沟通与信息共享,阻碍了物联网的产业化进程。
要解决上述问题,需要对如下问题进行具体研究:
1）开发物联网通用体系结构;
2）设计物联网专用协议;
3）开发系列物联网关键支撑技术。
物联网通用体系结构及专用协议开发将实现物联网系统间的无缝沟通,同时保证物联网的功能完备性,而关键支撑技术为物联网的顺利应用提供技术保障。
4.3标准化
要实现物联网的全球化,制定全球统一的物联网标准成为必须。
目前,各国物联网发展的进度及采取的技术各有差异,物联网标准制定涉及到巨大的经济利益,相关公司和企业乃至各国政府都会极力争取自己的标准成为国际标准,公司之间的争夺代表了国家之间的争夺,增加了问题解决的难度和复杂性,虽然最终采取哪一个成为真正的国际标准由ISO决定,但上述问题的存在将使得物联网标准统一之路更加曲折,各方利益博弈进程也将成为全球物联网形成之路的巨大阻碍。
4.4商业模式
物联网产业处于早期发展阶段,缺乏完整的技术标准体系和成熟清晰的商业发展模式。
尽管有业内专家基于产业长期发展角度预测认为产业链上游的基础设施提供商可能最先获益,但究竟哪些公司可以从物联网产业中获益仍无法确定。
物联网产业还需要较长的时间才能找到稳定和有利可图的商业模式。
第五章结论及展望
物联网的出现极大满足了人们对物!
的全方位控制愿望,使得物!
能够更加自动化、智能化、人性化的服务于人类,给人们提供舒适、便利、高效的生活。
据EPOSS在∋InternetofThingsin2020（报告中分析预测,物联网的发展将经历四个阶段,2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域;2010~2015年物体互联;2015~2020年物体进入半智能化;2020年之后物体进入全智能化。
届时,人们将时时身处于智慧、安全、健康、绿色、环保、充满乐趣的“天罗地网”环境中,体验科技带给人们的愉悦和欢乐。
物联网在发展过程中还将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”目标也终将得以实现。
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