物联网技术综述.docx

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物联网技术综述

论物联网技术的应用

1、引言1

2、物联网研究中的关键技术2

2.1射频识别技术（RFID）2

2.1.1RFID的基本组成2

2.1.2RFID应用2

2.2传感器网络技术3

2.3智能技术4

2.4纳米技术5

3、物联网的应用及问题5

3.1应用5

3.2问题6

3.2.1潜在的安全问题6

3.2.2成本问题6

3.2.3行业标准未统一6

4、未来展望——物联网时代已经到来6

1、引言

随着信息技术、计算机技术以及微电子技术的高速发展，信息产业已经经历了计算机互联网和移动通讯网两次浪潮，而如今人们正在迎来第三次浪潮——"物联网"。

物联网的出现打破了之前的传统思维，物联网是一张连接世界万物的巨大信息网络，并与互联网相连接。

通过物联网人们能够更好的感知世界、控制物体的传输移动，从而使人与自然、人与世界更为和谐。

所谓“物联网”（InternetofThings）,就是将各种信息传感设备,如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,系统可以自动的、实时的对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。

物联网的理念最早可以追溯到1991英国剑桥大学的咖啡壶事件，其原理就是视频监测—上传数据到网络来实现对咖啡壶的“异地观测”。

1995年比尔·盖茨在其著作《未来之路》中提出来物联网的构想，即万事万物的联网，但是由于当时无线网络、硬件以及传感设备发展的限制，这一构想并未落实。

真正提出物联网的的概念是在1999年由麻省理工学院自动标识中心的Ashton教授提出的,早期的定义很简单也很局限，就是把所有的物品通过射频识别（主要是RFID）等信息传感设备与因特网连接起来，实现智能化识别和管理。

2005年国际电信联盟（ITU）发布的《ITU互联网报告2005：

物联网》的报告指出,无所不在的“物联网”通信时代即将来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。

射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。

这个时候对物联网的定义，覆盖范围有了较大的变化，不再只是基于RFID技术的物联网。

但此时，物联网仍没有受到人们很大的关注。

2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后,与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一,IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧的地球”这一概念,建议新政府投资新一代的智慧型基础设施,阐明其短期和长期效益。

奥巴马对此给予了积极的回应：

“经济刺激资金将会投入到宽带网络等新兴技术中去,毫无疑问,这就是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式”。

此概念一经提出,即得到美国各界的高度关注,后来成为美国当年振兴经济的两大重点之一。

2009年8月温家宝总理在视察中科院无锡物联网产业研究所时对于物联网应用也提出了一些看法和要求。

自温总理提出感知中国以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一写入政府工作报告。

物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国欧盟以及其他各国不可比拟的。

物联网的概念与其说是一个外来概念，不如说它已经是一个中国制造的概念，它的覆盖范围与时俱进，已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围，物联网已被贴上中国式标签。

截至2010年发改委工信部等部委正在会同有关部门在新一代信息技术方面开展研究，以形成支持新一代信息技术的一些新政策措施，从而推动我国经济的发展。

2、物联网研究中的关键技术

物联网是一次技术革命，它揭示了计算和通信的未来，它的发展也依赖于一些重要领域的技术革新。

首先为了连接日常用品和设备，并将其属性信息导入到大型数据库和网络，尤其是因特网，一套操作简单、成本低廉物体识别技术是至关重要的，因为只有这样，才能收集和处理与物体有关的数据，射频识别技术提供了这种功能；其次，采集到的数据要反应物体物理的变化，这就要用到传感器技术；物体中的嵌入式智能可以通过在网络边界转移信息处理能力而增强网络的的威力；最后纳米技术的发展，也就意味着具有交互和连接功能的物体越来越小。

根据国际电信联盟2005年的《ITU互联网报告2005：

物联网》，目前影响全球物联网发展的主要射频识别技术、传感器网络技术、嵌入式智能技术以及纳米技术。

2.1射频识别技术（RFID）

射频识别技术即RFID（RadioFrequencyIdentification），是一种非接触式的自动识别技术,其基本原理就是利用射频信号及其空间耦合和传输特性，实现对静止和移动物体的自动识别，来获取对象的相关信息。

RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

RFID技术与互联网通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。

2.1.1RFID的基本组成

目前广泛使用的RFID的基本组成部分有标签（Tag）、阅读器（Reader）、天线（Antenna）。

标签由耦合元件及芯片组成，内含有天线，用于和射频天线进行通信，可分为主动式和被动式两大类。

每个标签都有唯一的电子编码，一般保存有约定格式的电子数据，附着在物体上标示目标对象，由射频阅读器读取存储在其中的数据。

阅读器是对RFID标签进行读/写操作的设备，它通过网络与其他计算机设备进行通信，从而完成对标签信息的获取、解码、识别和数据管理，是RFID系统的信息控制和处理中心，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分，可设计为手持式或固定式。

在物联网中，阅读器将成为同时具有通讯、控制和计算功能的C3核心设备，呈现出智能化、小型化和集成化趋势。

天线在标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接。

天线的设计参数影响RFID系统识别范围，高性能的天线要求具有良好的阻抗匹配特性，应根据应用环境的特点对方向性、极化特性和频率特性等进行专门设计。

2.1.2RFID应用

RFID可以用来追踪和管理几乎所有物理对象，可应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、身份认证、物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件、快运包裹处理、文档追踪、图书馆管理动物身份标识、运动计时、门禁控制、电子门票、道路自动收费等领域。

因此，越来越多的人都在关心和支持这项可以有效降低成本的技术的发展与应用。

这也导致了射频识别技术的理论不断得到丰富和完善。

2.2传感器网络技术

传感器是物体感知物质世界的"感觉器官"，可以从光、电、热、力、位移、湿度等信号来感知为物联网的工作采集、分析、反馈最原始的信息。

随着科技技术的不断发展,传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化,正经历着一个从传统传感器（dumbsensor）→智能传感器（smartsensor）→嵌入式Web传感器（embeddedwebsensor）的内涵不断丰富的发展过程。

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN）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一个多跳自组织网络。

无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点。

一个典型的传感器网络结构通常由传感器节点、接收发送器、Internet或通信卫星，节点管理器等部分构成。

传感器网络节点包括传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源。

在传感器网络中，节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。

传感节点之间可通过网关完成和公用Internet网络的连接，具有快速展开、抗毁性强等特点，在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。

传感器网络综合了传感器技术、嵌入式技术、现代网络及无线通讯技术分布式系统技术等。

先通过传感器采集所需信息，同时通过嵌入式系统进行实时计算，再通过现代网络及无线通讯技术传输所得到的原始信息，最后传入上层服务器进行分布式处理。

因此传感器网络的发展必须得到传感器技术、嵌入式技术及网络无线通讯技术的支撑。

随着纳米技术、微电子技术的发展，嵌入式芯片技术的发展，更多低功耗实时性强计算能力强的嵌入式芯片得到了普及3G/4G、ZigBee、Wifi等无线技术的发展以及以IPv6为核心的下一代互联网的发展使得更多的物体能方便有效地接入至物联网中。

目前,面向物联网的传感器网络技术研究包括以下一些方面：

1）先进测试技术及网络化测控

综合传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等,协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理、传送。

研究分布式测量技术与测量算法,应对日益提高的测试和测量需求。

2）智能化传感器网络节点研究

传感器网络节点为一个微型化的嵌入式系统,构成了无线传感器网络的基础层支持平台。

感知物质世界及其变化过程中,需要检测的对象很多,如温度、压力、湿度、应变等,微型化、低功耗对于传感器网络的应用意义重大,研究采用MEMS加工技术,并结合新材料的研究,设计符合未来要求的微型传感器;其次,需要研究智能传感器网络节点的设计理论,使之可识别和配接多种敏感元件,并适用于主被动各种检测方法;第三,各节点必须具备足够的抗干扰能力、适应恶劣环境的能力,并能够适合应用场合、尺寸的要求;第四,研究利用传感器网络节点具有的局域信号处理功能,在传感器节点附近局部完成很多信号信息处理工作,将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统,改变为一种并行的分布式信息处理系统。

3）传感器网络组织结构及底层协议研究

网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合,是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。

对无线传感器网络来说,其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。

有学者提出无线传感器网络体系结构可由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术3部分组成。

分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP协议体系结构;传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理;在分层协议和网络管理技术的基础上,支持了传感器网络的应用支撑技术。

在实际应用当中,传感器网络中存在大量传感器节点,密度较高,网络拓扑结构在节点发生故障时,有可能发生变化,应考虑网络的自组织能力、自动配置能力及可扩展能力;在某些条件下,为保证有效的检测时间,传感器点要保持良好的低功耗性;传感器网络的目标是检测相关对象的状态,而不仅是实现节点间的通信。

因此,在研究传感器网络的网络底层协议时,要针对以上特点,开展相关工作。

4）对传感器网络自身的检测与控制

由于传感器网络是整个物联网的底层和信息来源,网络自身的完整性、完好性和效率等参数性能至关重要。

对传感器网络的运行状态及信号传输通畅性进行监测,研究开发硬件节点和设备的诊断技术,实现对网络的控制。

5）传感器网络的安全

传感器网络除了具有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物理操纵,并获取存储在传感节点中的所有信息,从而控制部分网络的威胁。

必须通过其它的技术方案来提高传感器网络的安全性能。

如在通信前进行节点与节点的身份认证;设计新的密钥协商方案,使得即使有一小部分节点被操纵后,攻击者也不能或很难从获取的节点信息推导出其它节点的密钥信息;对传输信息加密解决窃听问题;保证网络中的传感信息只有可信实体才可以访问,保证网络保证私有性问题;采用一些跳频和扩频技术减轻网络堵塞问题。

传感器网络的技术难题在于对传感器网络自身的检测与控制，要对传感器网络的运行状态及信号传输通畅性进行监测，研究开发硬件节点和设备的诊断技术，实现对网络的控制。

其次是传感器网络的安全问题，传感器网络除了具有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物理操纵，并获取存储在传感节点中的所有信息，从而控制部分网络的威胁。

2.3智能技术

物联网所需的智能技术是海量信息的智能分析与控制。

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。

智能分析与控制技术主要包括人工智能理论、人机交互技术、智能分析与控制系统等通过一系列的智能分析与控制使物联网赋予物体"智能"以实现人与物交互对话甚至物与物交互对话，从而完成各种功能。

2.4纳米技术

纳米技术是能操作细小到0.1～100nm物件的一类新发展的高技术。

它以多种先进科技为基础，是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。

纳米技术主要包括：

纳米级测量技术、纳米级表层物理力学性能的检测技术、纳米级加工技术、纳米粒子的制备技术、纳米材料、纳米生物学技术和纳米组装技术等。

目前，纳米技术在物联网技术中的应用主要体现在RFID设备、感应器设备的微小化设

计、加工材料和微纳米加工技术上。

使用传感器技术能探测到物体的物理状态，物体中的嵌入式智能能够通过在网络边界转移信息处理能力而增强网络的威力,而纳米技术的优势意味着物联网当中体积越来越小的物体能够进行交互和连接。

当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。

更冷是指单个器件的功耗要小。

但是更小并非没有限度。

纳米技术是建设者的最后疆界,它的影响将是巨大的。

纳米电子学,包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征,以及原子操纵和原子组装等。

3、物联网的应用及问题

3.1应用

物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。

物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，把感应器嵌入电网、铁路、桥梁、隧道等物体中，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，能够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。

3.2问题

3.2.1潜在的安全问题

物联网目前的传感技术是有可能被任何人进行感知的，它对于产品的主人而言，有这样一个体系，可以方便的进行管理。

但是与此同时也存在被他人感知的风险。

这就需要在安全上下功夫，形成一整套强大的安全体系。

3.2.2成本问题

物联网产业需要将物与物连接起来并且进行更好的控制管理，其中的RFID实施成本较高。

目前在国内，一张RFID标签一般都在1元左右，高成本使得RFID的投资回报具有很大风险，所以在成本尚未降至能普及的前提下，物联网的发展将受到限制。

3.2.3行业标准未统一

尽管RFID起源很早，但目前还没有形成全球统一的技术标准。

物联网发展过程中，传感、传输、应用各个层面会有大量的技术出现，可能会采用不同的技术方案。

如果各行其是，相互无法联网，不能形成规模经济，不能形成整合的商业模式，也不能降低研发成本。

各国政府、各标准化组织、各大通信厂商、各大传感器厂家、各大通信运营商都在为抢夺话语权而各自为战，这就造成了物联网终端不兼容的问题，不同厂商的设备和软件无法在同一平台上使用，设备间的协议无法统一。

“物联”的概念也就只能是有限的几个厂商间的“自娱自乐”，而无法实现大规模的推广。

因此，尽快统一技术标准，形成一个管理机制，这是物联网马上就要面对问题。

4、未来展望——物联网时代已经到来

物联网需要自动控制、信息传感、射频识别、无线通信及计算机技术等,物联网的研究将带动整个产业链或者说推动产业链的共同发展。

可以肯定,在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下,物联网会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。

在手机数据采集、产品的二维码全程监控等手段已经证实,无线通信与传统物联网结合后的“新物联网”已产生更广泛的应用,从而在技术上推动工业走出危机。

1）推进经济发展的驱动器

物联网的推广将会成为推进经济发展的又一个驱动器,为产业开拓了又一个潜力无穷的发展机会。

可以预见,在“物联网”普及以后,用于动物、植物和机器、物品的传感器与电子标签及配套的接口装置的数量将大大超过手机的数量。

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,这将大大推进信息技术元件的生产,同时增加大量的就业机会。

我国的无线通信网络已经覆盖了城乡,从繁华的城市到偏僻的农村,从海南岛到珠穆朗玛峰,到处都有无线网络的覆盖。

无线网络是实现物联网必不可少的基础设施,安置在动物、植物、机器和物品上的电子介质产生的数字信号可随时随地通过无处不在的无线网络传送出去。

“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,使整个网络真正成了一台电脑。

2）“物联网”给物体赋予智能

因为车辆与道路之间缺乏沟通,需要一个智能化的交通控制系统。

同样,需要一个智能化的供暖控制系统。

在生产安全领域,在食品卫生领域,在工程控制领域,在城市管理领域,在人们日常生活的各个方面,甚至在人们的娱乐活动中,都需要建立随时能与物体沟通的智能系统。

3）给物体赋予智能整合“物理设备”实现“智能互联城市”

如果说英特网实现了全球几亿用户的“信息”互联,那么“智能互联建筑”则实现了某一网络内“物理设备”的互联。

无论是“智能互联城市”还是“智慧的地球”,类似构想的实现,都要求建立发达的“物联网”。

物联网是最新的网络是一场新的划时代的科技革命，物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域，毫无疑问，物联网时代来临人们的日常生活将发生翻天覆地的变化，然而不谈什么隐私权和辐射问题单把所有物品都植入识别芯片这一点现在看来还不太现实人们正走向物联网时代但这个过程可能需要很长的时间。