物联网技术进展与应用.docx
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物联网技术进展与应用
物联网技术进展与应用
物联网（InternetofThings,IoT）被预言为继互联网之后全球信息产业的又一次科技与经济浪潮,受到各国政府、企业和学术界的重视,美国、欧盟、日本等甚至将其纳人国家和区域信息化战略。
1991年美国麻省理工学院（MIT）的KevinAsh-ton教授首次提出物联网的概念。
1995年比尔.盖茨在《未来之路》一书中也曾提及物联网,但未引起1999年美国麻省理工学院建立了“自动识别中心（（Auto-ID）”,提出“万物皆可通过网络互联”,阐明了物联网的基本含义。
早期的物联网是依托射频识别（RFID）技术的物流网络,随着技术和应用的发展,物联网的内涵已经发生了较大变化。
2005年国际电信联盟（ITU-T）发布的物联网报告中提出:
通过一些关键技术,用互联网将世界上的物体都连接在一起,使世界万物都可以上网。
这些关键技术包括通信技术、RFID、传感器、机器人技术、嵌人式技术和纳米技术等。
在未来10年左右时间广泛重视。
里,物联网将得到大规模应用,革命性地改变世界的面貌。
2004年日本总务省（MIC）提出u-Japan计划,该战略力求实现人与人、物与物、人与物之间的连接,希望将日本建设成一个随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络社会。
2009年7月,日本IT战略本部发布了日本新一代信息化“i-Ja-pan”战略,提出到2015年通过数字技术实现“新的行政改革”,使行政流程效率化、标准化和透明化,同时推动电子病历、远程医疗、远程教育等应用的发展。
韩国于2006年确立了u-Korea计划,该计划旨在建立无所不在的社会（ubiquitoussociety）,在民众的生活环境里建设智能型网络（如IPv6、BcN、USN）和各种新型应用（如DMB、Telematics、RFID）,让民众可以随时随地享有科技智慧服务。
2009年韩国通信委员会出台了《物联网基础设施构建基本规划》,将物联网确定为新增长动力,提出到2012年实现“通过构建世界最先进的物联网基础实施,打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国”的目标。
2009年欧盟执委会发表了欧洲物联网行动计划,描绘了物联网技术的应用前景,提出欧盟政府要加强对物联网的管理,促进物联网的发展。
行动方案的主要内容为:
（1）加强物联网管理;善隐私和个人数据保护;
（2）完善隐私和个人数据保护
（3）提高物联网的可信度、接受度和安全性;
（4）评估现有物联网的有关标准并推动新标准的制定;
（5）推进物联网方面的研发;
（6）通过欧盟竞争力和创新框架计划（CIP）推动物联网应用;统计和管
（7）加强对物联网发展的监测、理等。
2009年1月,IBM与美国信息技术与创新基金会（ITIF）智库组织共同向奥巴马政府提交了“复兴的数字之路:
增加工作、提高生产率和复兴美国的刺激计划”建议报告,提出通过信息通信技术（ICT）投资可在短期内创造就业机会,美国政府如果新增300亿美元的ICT投资（包括智能电网、智能医疗、宽带网络三个领域）,就可以创造出94.9万个就业机会。
2009年1月,在奥巴马就任总统后的首次美国工商业领袖圆桌会议上,IBM首席执行官建议政府投资建设新一代的智能基础设施,提议得到了奥巴马总统的积极回应,美国政府把宽带网络等新兴技术定位为振兴经济、确立美国全球竞争优势的关键战略,随后出台的总额为7870亿美元的《复苏和再投资法》中对上述提议进行具体落实。
《复苏和再投资法》中鼓励物联网发展的政策主要体现在推动能源、宽带通信与医疗三大领域实施物联网应用。
我国在物联网领域与技术先进国家相比不算落后。
2009年2月IBM大中华区首席执行官钱大群在2009IBM论坛上发布了“智慧地球”发展策略;中国移动总裁王建宙多次表示物联网将会是中国移动未来的发展重点。
2009年8月温总理“感知中国”的讲话把我国物联网领域的研究和应用开发推向了高潮,无锡市率先建立了“感知中国”研究中心,中国科学院、运营商、多所大学在无锡建立了物联网研究院。
物联网是继PC、互联网、无线通信技术之后第四次信息技术革命,有重大的科学意义和应用价值。
依靠物联网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,改善人与自然间的关系。
物联网的出现将从生活、生产、社会、经济、政治、军事、科技等方方面面影响人类生活和世界。
根据美国权威咨询机构FORRESTER预测,到2020年世界上物对物互联的业务与人对人通信的业务将达到30比1,因此物联网常被称为下一个万亿级的通信业务。
1物联网概述
ITU对物联网的定义为:
物联网实现物到物（ThingtoThing:
T2T）、人到物（HumantoThing:
H2T）和人到人（HumantoHuman）的互连。
这里人与物的互连指人使用传感器等设备后与物体的互连,而人与人的互连指人使用传感系统而不是现在的电脑实现人与人之间的互连。
物联网的核心是实现物体（包含人）之间的互连,从而能够实现物体与物体之间的信息交换和通信。
物体信息通过网络传输到信息处理中心后可实现各种信息服务和应用。
物联网的主要作用是缩小物理世界和信息系统之间的距离,它可以通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、移动电话等设备,按约定的协议,将世界上的所有物体全部连接到信息网络中,使得它们在事件处理中成为积极的参与者,体现了物理空间和信息空间的融合。
服务可以和这些智能物体通过网络进行交互,获得与这些物体相关的任何信息。
传感网可以看作是物联网的末端延伸网之一。
无线传感器网络由大量随意分布的、能耗及资源受限的传感节点组成,它具有感知能力、计算能力和通信能力,通过自组织方式构成无线网络,协作地实时采集和处理物理世界的大量信息,实现物联网全面感知的功能。
泛在网是一种无所不在的网络,它可以使任何人在任何时间、任何地点通过网络获得任何信息,它是一个大通信的概念,是面向经济、社会、企业和家庭全面信息化的概括。
泛在网不是一个全新的网络,它是充分挖掘已有网络的潜能,结合不断出现的物联网发展中最重要的理念是融合。
物联网通过设备融合、网络融合、平台融合实现服务融合、业务融合和市场融合。
设备融合指研发出一体化的感知终端。
网络融合指用户可使用任意终端（移动台、PDA、PC等）通过任一方式接人网络（WLAN、GPRS、3G网络等）,而且号码唯一、帐单唯一。
平台融合指用户数据集中管理、公用的业务平台、分类的管理平台和应用平台,支撑用户跨业务系统的互操作,形成统一认证系统,实现基于统一账号、统一密码的集中认证。
服务融合指在服务层面实现融合,例如在固话和移动网络之间共享收信人的地址、电话号码、用户名称等。
业务融合指物联网同时提供语音、数据、视频等多种业务。
市场融合就是以市场机制为引导,把各类通信和信息产品和服务捆绑起来打包销售。
新技术,将网络触角不断延伸,实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策等服务。
泛在网具有比物联网更广泛的内涵,而物联网是迈向泛在网的第一步。
从覆盖的技术范围来看,泛在网包含了物联网,而物联网又包含了传感网。
物联网全景如图1所示。
图1物联网全景图
2物联网关键技术
2.1物联网的体系结构
物联网包含感知延伸层、网络层、业务和应用层三层。
第一层负责采集物和物相关的信息;第二层是异构融合的泛在通信网络,包括现有的互联网、通信网、广电网以及各种接人网和专用网,通信网络对采集到的物体信息进行传输和处理;第三层是应用和业务,为手机、PC等各种终端设备提供感知信息的应用服务。
（1）感知延伸层
物联网中由于要实现物与物和人与物的通信,感知延伸层是必须的。
感知延伸层主要实现物体的信息采集、捕获和识别。
感知延伸层的关键技术包括传感器、RFID、GPS、自组织网络、传感器网络、短距离无线通信等。
感知延伸层必须解决低功耗、低成本和小型化的问题,并且向灵敏度更高、更全面的感知能力方向发展。
（2）网络层
网络层是物联网的神经系统,主要进行信息的传递,包括接人网和核心网。
网络层要根据感知延伸层的业务特征,优化网络特性,更好地实现物与物之间的通信、物与人之间的通信以及人与人之间的通信,这就要求必须建立一个端到端的全局物联网络。
物联网中有很多设备的接人,是一个泛在化的接人、异构的接人。
接人方式多种多样,接人网有移动网络、无线接人网络、固定网络和有线电视网络。
移动通信网具有覆盖广、建设成本低、部署方便、具备移动性等特点,使得移动网络将成为物联网主要的接人方式,通信网络就要是通过多种方式提供广泛的互联互通。
除此以外,物体是可以移动的,而它们的要求是随时随地都可以“上网”。
因此在局部形成一个自主的网络,还要连接大的网络,这是一个层次性的组网结构。
这要借助有线和无线的技术,实现无缝透明的接人。
随着物联网业务种类的不断丰富、应用范围的扩大、应用要求的提高,对于通线网络也会从简单到复杂、从单一到融合,从多种的接人方式到核心网的融合整体的过渡。
（3）业务和应用层
业务和应用层是物联网的信息处理和应用,面向各类应用,实现信息的存储、数据的挖掘、应用的决策等,涉及海量信息的智能处理、分布式计算、中间件、信息发现等多种技术。
由于网络层是由多种异构网络组成的,而物联网的应用是多种多样的,因此在网络层和应用层之间需要有中间件进行承上启下。
中间件是一种独立的系统软件或者服务程序,能够隐藏底层网络环境的复杂性,处理网络之间的异构性,分布式应用软件借助于中间件在不同的技术之间共享资源,它是分布式计算和系统集成的关键组件。
文章介绍了中间件的基本概念,阐述了一种基于系统层次的分类方法,并详细讨论了现存各类中间件技术的特点、相关标准及发展应用情况。
它具有简化新业务开发的作用,并且可以将已有的各种技术结合成一个新的整体,因此是物联网中不可缺少的一部分。
在过去的几年中,中间件都是采用面向服务的架构（ServiceOrientedArchitecture,SOA）,通过构建在SOA基础上的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互,实现业务的灵活扩展。
云计算是物联网智能信息分析的核心要素。
云计算技术的运用,使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。
随着物联网应用的发展、终端数量的增长,可借助云计算处理海量信息,进行辅助决策,提升物联网信息处理能力。
因此,云计算作为一种虚拟化、硬件/软件运营化的解决方案,可以为物联网提供高效的计算、存储能力,为泛在链接的物联网提供网络引擎。
从目前的物联网应用来看,都是各个行业自己建设系统,不便于多种业务的扩展,如果没有统一建设标准、规范的物联网接人、融合的管理平台,物联网将因为各行业的差异无法产生规模化效应,增加了使用复杂度与成本。
上述三层体系结构是笔者认为的物联网的一般体系结构。
在已有的研究成果中,自主体系结构和EPC是两种比较有代表性的物联网体系结构,下面分别简要介绍。
文献讨论了一种物联网的自主体系结构,该体系结构面向异构无线通信环境,采用自主通信。
自主通信的核心是自主件（selfware）,自主件执行网络控制平面功能,最重要的特性是能够保证网络的可演进性,也就是自主件能够执行网络新的功能。
物联网的自主体系主要由四类平面组成:
数据平面、控制平面、知识平面和管理平面。
数据平面传送数据,控制平面向数据平面发送配置信息来优化数据平面的吞吐量和可靠性,知识平面包含整个网络的信息,服务于控制平面的适应性控制;管理平面管理数据平面、控制平面和知识平面的交互。
EPC（产品电子代码）是目前一种比较典型的物联网应用体系结构。
EPC体系结构如图2所示。
EPC体系结构涉及到EPC编码标准、EPC标签、读写器、对象名解析服务（ObjectNamingServ-ice,ONS）、物理标记语言（PhysicalMarkupLan-guage,PML）等。
EPC编码对物体及其相关信息进行代码化,从而建立全球通用的产品电子代码。
EPC标签上存储有物体的产品电子代码和其他信息,安装在物体上。
读写器通过射频方式读取物体标签中的有关信息,或者往标签中写人有关信息。
对象名解析服务则将产品电子代码匹配到相应的商品信息,其功能类似于互联网中的域名解析服务（DNS）。
物理标记语言为物理实体的远程监控和环境监控提供一种通用标准的描述语言。
目前EPC在物流中有着重要的应用。
2.2物联网的异构融合网络层
任何终端节点在物联网中都应能实现泛在互联。
由节点组成的网络末端网络,如传感器网、RFID、家居网、个域网、局域网、体域网、车域网等,连接到物联网的异构融合网络上,从而形成一个广泛互联的网络。
物联网在核心层可以考虑NGN/IMS融合,在接人层面需要考虑多种异构网络的融合和协同。
多个无线接人环境的异构性体现在以下几个方面:
第一是无线接人技术（RAT）的异构性,它们的无线传输机制不同、覆盖的范围不同、可以获得的传输速率不同、提供的QoS不同、面向的业务和应用不同;第二是组网方式的异构性,除了经由基站接人的单跳式无线网络以外,还有多跳式的无线自组织网和网状网,它们的网络控制方式不同,有依赖于基础设施的集中控制,也有灵活的分布式协同控制;第三是终端的异构性,由于业务应用的多样性以及IC技术的不断提升,终端已从手机扩展到便携式电脑、各种类型的信息终端、娱乐终端、移动办公终端、嵌人式终端等,不同的终端具有不同的接人能力、移动能力和业务能力;第四是频谱资源的异构性,由于不同频段的传输特性不同,适用于各种频段的无线技术也不同,并且不同地区频谱规划方式也有显著区别;第五是运营管理的异构性,不同的运营商基于开发的业务以及用户群的不同,将会设计出不同的管理策略和资费策略。
由于异构网络相对独立自治,相互间缺乏有效的协同机制,造成了系统间干扰、重叠覆盖、单一网络业务提供能力有限、频谱资源浪费、业务的无缝切换等问题无法解决。
面对日益复杂的异构无线环境,为了使用户能够便捷地接人网络,轻松地享用网络服务,已成为信息通信业的发展潮流。
它“融合”包含三个层次的内容:
首先是业务融合,就是以统一的IP网络技术为基础,向用户提供独立于接人方式的服务;其次是终端融合,现在的多模终端是终端融合的雏形,但是随着新的无线接人技术的不断出现,为了同时支持多种接人技术,终端会变得越来越复杂,价格也越来越高,更好的方案是采用基于软件无线电的终端重配置技术,它可以使得原本功能单一的移动终端设备具备了接人不同无线网络的能力;第三是网络融合,包括固定网与移动网融合,核心网与接人网融合、不同无线接人系统之间的融合等。
异构网络融合的实现分为两个阶段:
连通阶段和融合阶段。
连通阶段指传感网、RFID网、局域网、广域网等的互联互通,实现感知信息和业务信息传送到网络另一端的应用服务器进行处理以支持应用服务。
融合阶段是指在各种网络连通的网络平台上,分布式部署若干信息处理的功能单元,根据应用需求而在网络中对传递的信息进行收集、融合和处理,从而使基于感知的智能服务实现得更为精确。
从该阶段开始,网络将从提供信息交互功能扩展到提供智能信息处理功能及支撑服务,并且传统的应用服务器网络架构向可管、可控、可信的集中智慧参与的网络架构演进。
2.3感知节点及终端
感知节点既能采集物体本身的有关信息,也能探测、存储、处理乃至融合各种与物体相关的信息,从而向物联网提供各种关联信息。
微电子技术、嵌人式技术、近距离通信技术、传感器技术和智能标签技术等技术的发展与成熟使得感知节点能够智能地感知物体与环境并对其进行通信、处理和控制。
感知节点方面的关键技术有:
支持感知内容的多媒体化的感知节点技术、感知节点组合化的关键技术、感知节点的设计和低成本制造、感知节点在组网和协同方面的软硬件框架等。
RFID是物联网中的重要的感知节点,它融合了信息技术、计算机技术、网络技术、射频技术等前沿科技。
它是一种简单的无线系统,由一个阅读器和几个标签组成,标签包括了藕合元件及芯片,每个标签具有唯一的电子识别码,附着在物体上标识目标对象。
阅读器发射某一特定频率的无线信号来触发标签电路将内部的数据送出,这样阅读器就可以接收到存储在芯片中的信息,实现对物体或商品的自动识别。
该系统可用于物体的实时跟踪与监测,使人们能够将真实的物理世界映射到虚拟世界中。
按照能源的供给方式分为无源标签,有源标签以及半有源标签。
RFID体积小,价格便宜,并且节点的生存时间不受电池的限制,因此它在物流、交通、健康和安全等方面都有非常广泛的应用。
电子代码（ElectronicProductCode,EPC）有可能成为物联网中的物体识别代码。
EPC与RFID技术推动了物联网的发展和应用。
物联网需要多样化、小型化、智能化和低成本的终端。
物联网中的物体和终端需要唯一的标识地址,终端编址可能采用IPv6,而物体编址则可能采用EPC。
2.4泛在传感网
泛在传感网是物联网末端采用的关键技术之一。
泛在传感网是由多个传感节点组成的分布式无线自组织网络,用来感知温度、湿度、压力等环境参数,一般提供局域或小范围内物与物之间的信息交换。
泛在传感网一般分成三个部分:
应用与服务层,下一代网络层,传感器网络层。
应用与服务层提供医疗、军事、天气等服务;下一代网络层由核心网和接人网组成;最末端的传感器网络层属于感知/延伸层。
传感网的主要研究内容包括通信、组网、管理和分布式信息处理等:
网络结点、硬件组成和构造,传感网通信协议（包括物理层、数据链路层和网络层等）,传感网中间件技术,分布式算法（包括网络拓扑发现算法、网络结点定位算法、拓扑控制、结点间时间同步算法、QoS控制、能源管理等）,各种传感器网络应用系统开发等。
事实上,可以将传感网与RFID结合起来,形成RFID传感网（RFIDsensornetworks,RSN）,以实现对物体更好的监测。
将传感技术与无源标签结合在一起将给物联网带来许多新的应用,特别是在健康方面,最近人们已在这方面给出了一些应用方案。
RFID传感网络由基于RFID标签的传感节点以及具有RFID阅读器功能的汇聚节点（sink）组成,将RFID、WSN和RSN进行相比,它们各自具有以下特点:
RFID系统非常小,非常便宜,并且它的生存时间不受电源的限制;WSN具有更好的无线覆盖和通信能力,不需要阅读器;RSN可以在一个无源系统中支持感知、计算和通信。
随着各项技术的成熟和发展,传感器网络的研究将会取得更大的进步,将对物联网建设起到重要作用。
2.5物联网的服务平台技术
物联网将对信息进行综合分析并提供更智能的服务。
物联网应用平台子集与共性支撑平台之间的关系、共性服务平台的开放性与规范性是物联网应用部署所要研究的关键问题。
面向泛在融合的物联网的可管可控可信服务平台架构、如何保证业务质量和体验质量、支持泛在异构融合多种商业模式、提供签约协商等管理功能和保护用户数据隐私等是物联网服务平台方面的关键技术。
物联网服务平台技术向上层应用提供开放的接口,向下层屏蔽各种不同接人方式的差异,提供通用的标识、路由、寻址、管理、业务提供、业务控制与触发、QoS控制、安全性、计费等功能,这些功能通过中间件（Middleware）技术、对象名称解析服务（ObjectNameService,ONS）技术、物理标记语言（PhysicalMarkupLanguage,PML）等关键技术来实现。
物联网的通用平台或中间件实现公共信息的交换以及公共管理功能,各个行业的具体应用通过子应用的方式来实现。
中间件是一种独立的系统软件或者服务程序,它位于操作系统和数据库之上、应用软件之下。
它的作用是管理计算机资源和网络通讯,连接两个独立应用程序或独立系统的软件。
云计算也是一种中间件。
2.6物联网的安全与隐私
物联网使得所有的物体都连接到全球互联网中,并且它们可以相互进行通信,因此物联网除了具有传统网络的安全问题外,产生了新的安全性和隐私问题。
例如对物体进行感知和交互的数据的保密性、可靠性和完整性,未经授权不能进行身份识别和跟踪等。
物联网容易遭受攻击的原因有以下三点:
首先感知节点多数部署在无人监控的场合中,人类会将基本的日常管理统统交给人工智能去处理,那么可以设想,如果哪天物联网遭到病毒攻击,也许就会出现工厂停产、社会秩序混乱现象,甚至于直接威胁人类的生命安全;其次在物联网的感知末端和接人网中,绝大部分采用了无线传输技术,很容易被偷听;最后是由于物联网末梢设备的在能源和处理能力有限,不能采用复杂的安全机制。
隐私的概念已经深深地融人到我们的文明社会当中,但是对隐私的保护严重影响了物联网技术的传播。
人们对隐私的关心的确是合理的,事实上,在物联网中数据的采集、处理和提取的实现方式与人们现在所熟知的方式是完全不同的,在物联网中收集个人数据的场合相当多,因此,人类无法亲自掌控私人信息的公开。
此外,信息存储的成本在不断降低,因此信息一旦产生,将很有可能被永久保存,这使得数据遗忘的现象不复存在。
实际上物联网严重威胁了个人隐私,而且在传统的互联网中多数是使用互联网的用户会出现隐私问题,但是在物联网中,即使没有使用任何物联网服务的人也会出现隐私问题。
确保信息数据的安全和隐私是物联网必须解决的问题,如果信息的安全性和隐私得不到保证,人们将不会将这项新技术融人他们的环境和生活中。
2.7物联网标准
在国际标准化方面,与物联网、泛在网和传感网研究相关的标准化组织非常多。
有遍布全世界的Auto-ID实验室各分支机构、欧洲委员会及欧洲标准化组织、ITU、ISO以及其他一些标准联盟,如IETF、EPCglobal等。
关于RFID技术的标准化研究进展缓慢,研究重点主要是RFID工作频率、阅读器和标签之间的通信协议以及标记和标签的数据格式,研究RFID系统的主要机构有EPCglobal,ETSI和ISO。
目前大家都很期待欧洲电信标准协会下的M2M工作组和一些IETF工作组的研究成果。
6LoWPAN（IPv6overLowPowerWirelessPersonalAr-eaNetwork）正在致力于能与低处理能力设备相匹配的IPv6研究,ROLL（RoutingOverLowPowerandLossyNetworks）主要研究方向是未来互联网解决方案的路由策略。
目前关于RFID技术的标准化研究进展缓慢,重点RFID频率标签通信协议标记和标签的数据格式研究RFID系统的主要机构有EPC-global,ETSI和ISO欧洲电信标准协会（ETSI）专门成立了一个专项小组（M2MTC）研究机器对机器（M2M）技术标准化。
M2M是走向物联网的真正领先典范,但是相关的标准却很少,在市场上各种解决方案都是使用标准的互联网技术、蜂窝网技术以及Web技术等。
因此,ETSIM2M委员会的目标包括:
M2M端到端体系结构的开发与维护（其中蕴含着端到端IP的理念）,加强M2M系统的标准化工作,其中包括传感器网络集成、命名、寻址、定位、QoS、安全、计费、管理、应用及硬件接口的标准化。
可以看到,IETF积极展开了物联网相关的工作,成立了6LOWPAN工作小组。
6LOWPAN定义了一系列协议,它将IPv6技术与无线传感器网络进行融合,采用分层结构的网络体系,使无线传感器网络间与Internet之间实现了无缝连接。
为了适应IEEE802.15.4帧包短的特点,6LowPAN将IPV6和UDP协议头进行了压缩,得到了一种非常高效的IP协议。
3结论与展望
物联网处于起步阶段,关键技术有待突破
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