浅谈物联网的挑战与机遇文档格式.docx

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1前言

1.1系统应用背景

物联网是指将各种信息传感设备，如无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetwork）节点、射频识别（RFID，RadioFrequencyIdentification）装置、红外感应器、移动手机、PDA、全球定位系统（GPS，GlobalPositioningSystem）、激光扫描器等各种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。

[1]其实质就是将传感器等装置嵌入物体并进行联网以最终接入互联网，通过使物体具有“智慧”，从而延伸人类感知、控制外部世界的能力。

1.2发展历程

物联网的实践最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐贩售机，早在1991年，美国麻省理工学院在建立“自动识别中心”时就前瞻性地提出了“万物均可通过网络互联”的观点，物联网（IOT，TheInternetofThings）的概念由此产生。

[2]

2005年11月17日，国际电信联盟（ITU，InternationalTelecommunicationUnion）在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS，WorldSummitontheInformationSociety）上，发布了《ITU互联网报告2005：

物联网》（ITUInternetReport2005:

TheInternetofThings）。

在这份报告中，ITU指出无所不在的物联网通信时代即将来临，泛在通信（UbiquitousCommunication）的形式已经从短距离的移动收发设备扩展到长距离的设备和日常用品，从而促成了人和人、物和物之间的新的通信形式的诞生。

2008年11月，IBM董事长兼CEO彭明盛（Palmisano）在纽约召开的外国关系理事会上，正式提出“智慧地球”（SmartPlanet）。

IBM指出，世界的基础结构正在朝着“智慧”的方向发展，联网对象即构成物联网的车辆、设备、摄像头、车道、管道等的数量正在迈向一万亿大关。

2009年01月28日，奥巴马总统在和工商领袖举行的圆桌会议上，对IBM提出的“智慧地球”概念给予积极回应。

2009年08月07日，温家宝总理在无锡新区调研时，深入阐述了感知中国、智慧中国的新理念，对无锡市微纳传感网工程技术研究中心给予高度关注，并提出了“把传感网络中心设在无锡、辐射全国”的想法。

温家宝总理指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。

11月03日上午，温家宝总理又在人民大会堂向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，讲话中指出，未来要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机”。

这清晰地指明物联网已经上升为国家战略，其相关技术将得到大力发展。

1.3现代物联网产生背景

现代物联网产生主要有三大因素：

一是经济危机下的推手，经济长波理论：

每一次的经济低谷必定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是可以为绝大多数工业产业提供一种全新的使用价值，从而带动新一轮的消费增长和高额的产业投资，以触动新经济周期的形成。

[3]过去的10年间，互联网技术取得巨大成功。

目前的经济危机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为推动下一个经济增长的特别重要推手。

二是传感技术的成熟，随着微电子技术的发展，涉及人类生活、生产、管理等方方面面的各种传感器已经比较成熟。

例如常见的无线传感器（WSN）、RFID、电子标签等。

三是网络接入和信息处理能力大幅提高，目前，随着网络接入多样化、IP宽带化和计算机软件技术的飞跃发展，基于海量信息收集合分类处理的能力大大提高。

1.4物联网的网络架构

感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。

物联接入层的主要任务是将信息感知层采集到的信息，通过各种网络技术进行汇总，将大范围内的信息整合到一块，以供处理。

网络传输层的基本功能是利用互联网、移动通信网、传感器网络及其融合技术等，将感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传输（远距离传输）。

技术支撑层的主要任务是开展物联网基础信息运营与管理，是网络基础设施与架构的主体。

本层完成信息的表达与处理，对下层网络传输层的网络资源进行认知，进而达到自适应传输，并对上层的应用层提供统一的接口与虚拟化支撑。

应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，主要完成服务发现和服务呈现的工作。

2物联网关键技术

2.1RFID技术

RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。

[4]

1.RFID的基本组成部分如下：

（1）标签（Tag）：

由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；

（2）阅读器（Reader）：

读取（有时也可以写入）标签信息的设备，可设计为移动式或固定式；

（3）天线（Antenna）：

在标签和读取器间传递射频信号。

2.RFID的关键技术如下：

（1）标签的能量供应

有源标签自带电池，用于给数据载体供电。

而无源标签工作所需能量则从射频电磁波束中获取，和有源射频识别系统相比，无源系统需要较大的发射功率，射频电磁波在标签上经射频检波、倍压、稳压、存储电路处理，转化为标签工作所需的工作电压。

（2）标签到阅读器的数据传输标签回送到阅读器的数据传输方式可归结为三类：

（a）利用负载调制的反射或反向散射方式（反射波的频率与阅读器的发送频率一致）；

（b）利用阅读器发送频率的次谐波传送标签信息（标签反射波与阅读器的发送频率不同，为其高次谐波（n倍）或分谐波（1/n倍））；

（c）其它形式。

（3）数据传输的完整性与安全性

（4）由于数字信号在传输的过程中会受到干扰，故其传输至接收端可能发生误判，为保证数据的完整性，可以使用校验法和法来识别传输错误并进行校正，最常用的是奇偶校验法以及冗余校验法。

在与安全相关的领域，例如出入系统、售票系统越来越多地应用射频识别系统，在数据传输的过程中难免不受到攻击，因此必须采取一定的防范措施保证数据安全，例如可以通过在阅读器与标签之间建立密钥来对要传输的数据进行加密，以达到安全的目的。

（5）多目标识别技术（反碰撞算法）

当阅读器信号作用范围内存在多个标签，同一时刻有两个或两个以上的标签向阅读器返回信息时，将产生冲突。

解决冲突的算法称为反碰撞算法。

传统无线

电技术（如通信卫星、移动电话网）已有空分多路法、频分多路法、时分多路法以及码分多路法来解决类似问题。

但在射频识别系统中，由阅读器和标签构成的无线网络有以下特征：

（a）规模：

每个阅读器工作区域内可能存在大量标签；

（b）体积：

标签附着在各种商品上，体积不能太大；

（c）成本：

粘贴标签的商品本身价值可能很低，所以标签的成本不能太高；

（d）通信量：

标签内包含的信息量很少，阅读器与标签间的通信时间很短。

所以解决射频识别技术标签冲突的反碰撞算法存在与传统无线电技术不同之处。

现有的反碰撞算法主要是ALOHA算法、分隙ALOHA算法、二进制搜索算法等。

[5]

2.2传感器技术

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其它装置或器官。

国家标准GB7665－87对传感器下的定义是：

“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

根据传感器工作原理，可将其分为三大类：

（1）物理传感器

物理传感器应用某些物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应，将被测信号量的物理量转换成便于处理的电信号。

（2）化学传感器

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

（3）其它几种常见的传感器如下：

电阻式传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器、热电阻传感器、温度传感器、光敏传感器等。

[6]

2.3传感器技术的发展趋势

（1）开发新材料、新工艺和开发新型传感器随着光纤材料、纳米材料、超导材料、人工智能材料的不断发展，制造传感器的材料逐渐具备能够感知环境条件变化的功能，识别和判断功能，发出指令和自采取行动功能。

利用这些材料能够研制无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器。

（2）传感器的多功能和集成化，多功能是指一个传感器能够检测两个或两个以上的参数；

集成化能够实现软件和硬件的集成，数据的集成与融合，传感器阵列的集成和多功能、多参数的复合传感器。

（3）传感硬件系统与元器件的微小型化参考集成电路微小型化的经验，实现传感技术硬件系统的微小型化可以提高其可靠性，加快处理速度，降低成本，节约资源与能源，减少对环境的污染。

[7]

2.4无线传感器网络WSN

无线传感网络（WSN）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象信息，它能够实现数据的采集的量化，处理融合和传输应用。

3物联网的典型应用与案列分析

3.1物联网应用示意图

3.2物联网应用案例分析

1.物联网与工业

工业是物联网应用的重要领域。

利用物联网对工业生产过程进行监测和控制，原材料管理、仓储和物流管理等环节实现精密和自动化处理。

通过智能感知、精确测量和计算，量化生产过程中的能源消耗和污染物排放。

2.物联网与农业

智能农业（或称工厂化农业）是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现集约高效可持续发展的现代超前农业生产方式，就是农业先进设施与露地相配套、具有高度的技术规范和高效益的集约化规模经营的生产方式。

3.物联网与物流

据世界银行的估计，目前我国社会物流成本相当于GDP的18％，而美国上世纪就已低于10％。

该比例每降低1个百分点，我国每年就可降低物流成本1000亿元以上。

这从另外一个侧面反映了推进我国物流产业技术升级和产业结构调整的重要性和紧迫性。

4.物联网与家居

海尔于2010年7月推出了“海尔物联之家”U-home2.0美好住居解决方案，整合电网、通讯网、互联网、广电网，实现人与家、人与家电、家电与环境之间的智慧对话。

通过物联网不论您走到哪里，都可以随时随地通过手机、上网等方式与家人和家电对话。

在家里，您不但可以浏览网络上的海量资讯，还可以随时享受来自社区中网的全方位服务。

安全防护也有考虑，如果家中进入盗贼，安防系统会自动录下视频资料并自动报警。

这项安防系统已经嵌入到海尔的物联网空调中。

5.物联网与城市和社区

就像互联网是解决最后1公里的问题，物联网其实需要解决的是最后100米的问题，在最后100米可连接设备的密度远远超过最后1公里，特别是在家庭，家庭物联网应用（即我们常说的智能家居）已经成为各国物联网企业全力抢占的制高点，作为目前全球公认的最后100米主要技术解决方案ZigBee得到了全球主要国家前所未有的关注，这种技术由于相比于现有的WiFi、蓝牙、433M/315M等无线技术更加安全、可靠，同时由于其组网能力强、具备网络自愈能力并且功耗更低，ZigBee的这些特点与物联网的发展要求非常贴近，目前已经成为全球公认的最后100米的最佳技术解决方案。

在我国企业南京物联和深圳华为的长期持续的推动下，ZigBee技术不仅在中国得到快速的发展，在全球也具备了一定的影响力，特别是在智能家居领域，很多世界500强企业纷纷将兼容南京物联的标准作为一项基础的选择，这也为我国发展物联网营造了非常积极有利的外部环境。

[8]

物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，是继通信网之后的另一个万亿级市场。

业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；

另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

美国、欧盟等都在投入巨资深入研究探索物联网。

我国也正在高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。

在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。

一旦物联网大规模普及，无数的

物品需要加装更加小巧智能的传感器，用于动物、植物、机器等物品的传感器与电子标签及配套的接口装置数量将大大超过目前的手机数量。

　　按照目前对物联网的需求，在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签。

专家预计，2011年，内嵌芯片、传感器、无线射频的“智能物件”将超过1万亿个，物联网将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，这将大大推进信息技术元件的生产，给市场带来巨大商机。

参考文献

[1]周洪波《物联网：

技术、应用、标准和商业模式》电子工业出版社.2010.7

[2]胡汉辉《传感器技术及应用》科学出版社.2009.2

[3]无线龙《现代无线传感网概论》冶金工业出版社.2011.8

[4]赵军辉《射频识别技术与应用》机械工业出版社.2008.7

[5]李联宁《物联网技术基础教程》清华大学出版社.2012.6

[6]王大鹏《物联网概论》机械工业出版社.2015.9

[7]马洪连《物联网感知与控制》清华大学出版社.2013.7

[8]屈军锁《物联网通信技术》中国铁道出版社.2014.9