《智能物联网》word版.docx

1、智能物联网word版物联网的研究现状与发展趋势（广东石油化工学院 测控技术与仪器07级 广东茂名）摘要：物联网是指将各种信息传感设备与互联网相结合所形成的网络，其目的是让所有的物品都能够远程感知和控制，并与互联网结合成一个更加智慧的生产生活体系。物联网被称为继计算机、互联网之后全球信息产业的第三次浪潮，据估计，物联网的产业规模将会是互联网的30倍之多，物联网将是未来通信信息产业的发展趋势。本文分别从国际通用定义、欧盟定义、我国定义及商业模式意义给出物联网技术的概念，对物联网技术的研究背景及其发展，物联网的关键技术：射频识别（RFID）技术，传感器网络，智能技术和纳米技术，云模式技术，以及我国当

2、前研究物联网技术所遇到的的难题和物联网的发展趋势进行综述。关键词：物联网；射频技术；传感网络技术；云模式1 物联网的研究背景和意义物联网1（the Internet Of Things,IOI）是新一代信息技术高度支持和综合应用，是未来通信信息产业的发展趋势2。1995年 比尔.盖茨在未来之路书中首次提出”物物“相联的雏形。1999 年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。2005 年11 月17 日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上国际电信联盟（ITU）发布了ITU 互联网报告。2005年物联网正式提出了“物联网”的概念。200

3、9 年1 月28 日，美国总统奥巴马就职后不久，对IBM 提出的“智慧地球”（建议政府投资新一代的智慧型基础设施）概念给予积极回应，并上升至美国国家战略。由此引发了世界各国对物联网的广泛关注。2009 年8 月，温家宝总理在无锡考察传感网产业发展时明确指示要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，并且明确要求尽快建立中国的传感信息中心。2010年3月2日，上海物联网中心在上海嘉定揭牌。上海将以此打造国内最具竞争力、具有国际影响的物联网技术。研发基地，形成规模应用示范，推动物联网及其相关产品、服务的产业化。2010年6月29日，中国物联网大会今天在北京举行。工业和信息化部副部长奚国华在致辞时表示，对

4、于物联网，工信部将加强规划指导和政策引导，加强指导协调，尽快研究解决物联网的内涵，产业界定和产业统计的问题。此外，还指出物联网发展带来的信息安全、网络安全、数据安全乃至国家安全问题将更为突出，要强化安全意识，把安全放在首位，超前研究物联网产业发展可能带来的安全问题3。 如今物联网的应用已经渗透到生活的各个方面。无论在工业与信息化融合领域，公共管理领域，还是在面向民生服务的领域。从科技领域的应用到人们生活中的普通应用，物联网几乎覆盖了所有网络涉足的空间在工业方面以装备制造智能化为核心，重点在传统产业的智能化装备。生产过程控制和节能减排，生产安全，电子商务等领域推广应用带动生产过程与管理控制的智能

5、化。深化物联网技术在汽车、船舶、机械设备、消费品等传统产业上的渗透融合，提高生产精确度、工作效率和资源利用率，加快传统产业在虚拟制造、网络制造等方面开发建设实现生产模式的根本性转变。物联网作为战略新兴产业，正在成为推动信息技术在各行各业新的信息化状态。物联网发展是衡量一个国家和地区的综合实力、国际竞争力和现代化程度的重要标志，同时也隐含着巨大的创新空间和市场潜力4。物联网的快速发展，将引发人们生产、生活方式的深度变化，促进传统生产生活方式向现代生产生活方式转变，将大大提高生产的效率和水平，方便有趣的现代化生活方式，将大大提升人们的生活质量。我国加快物联网，对调整产业结构，转变发展方向，发展战略

6、性新兴产业，带动经济增长，提升整体创新能力，建设创新性国家，具有重大的作用和意义。2 物联网相关概念、定义2.1、物联网的感性认识物联网至今都没有一个统一的定义，有人认为RFID5的互联就是物联网，有人认为传感器网络就是物联网，有人认为M2M（Machine to Machine）就是物联网，还有人认为物联网是互联网的客户端扩展到任何物品与物品之间。物联网的具体定义在不同国家也没有一个统一的标准。一般国际通用的定义是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理

7、的一种网络。欧盟有关物联网的定义是物联网是未来互联网的一部分，能够被定义为基于标准和交互通信协议的具有自配置能力的动态全球网络设施，在物联网内物理和虚拟的物件具有身份、物理属性、拟人化等特征它们能够被一个综合的信息网络所连接。2.2物联网的中国式定义物联网这个词，国内外普遍公认的是MIT Auto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID时最早提出来的。在2005年国际电信联盟（ITU）发布的同名报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。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6，他的覆盖范围与时

8、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。物联网指的是将无处不在（Ubiquitous）的末端设备（Devices）和设施（Facilities），包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”(Enabled)的，如贴上RFID的各种资（Assets）、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”（Mote），通过各种无线、或有线的长距离、或短距离通讯网络实现互联互通（M2M)、应用大集成（Grand Integration)、以及基于云计算的SaaS营运

9、等模式，在内网（Intranet）、专网（Extranet）、或互联网（Internet）环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面（集中展示的Cockpit Dashboard)等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。2.3 物联网的商业模式概念物联网不仅是一个学术概念，而且有市场需求7。物联网是一种真正的颠覆性创新，它能对社会产生巨大影响。但物联网要获得成功，必须要有实实在在的应用案例，不能光靠对其宣传效果，

10、或觉得它会带来多大的股票价值。物联网的推广目前还受限于技术，现在可用的技术是RFID。过去在供应链和其他一些商务模型如资产管理中主要采用一维条形码，这是一种综合标识符，但不能区分具体的物品。两维条形码含有更多的数据，但一旦印刷上去，就不能更新。RFID发射，近场通信移动电话，采用脉冲无线电（UWB）通信技术的定位系统，蓝牙或紫峰无线传感器和其他一些无处不在的计算技术能持续地从周边环境中采集数据并进行处理，这些技术可以带来优势的商业应用案例。虽然物联网的开发是围绕RFID的应用进行的，但构成物联网的是连续和密集的实时数据流，并不只是RFID器件本身。物联网是物理世界的反映，同物理世界一样，物联网

11、用户市场中商务案例的成功是商务推广的先决条件。1999年开始建立物联网时，MIT预测2005年会出现物联网RFID标签的广泛应用，2006年标签的价格会降低到5美分。但学术界的预测总是太过乐观，从经济学的角度看，这个预测其实是靠不住的。当然，MIT可以很有道理地指出，今天的标签，比他们当时设想的标签要复杂多了，但标签设计中任何增加的功能都是用户需要的，没有这样的进步，就没有投资的效益。但价格毕竟决定着设计的合理性，限制着标签的普及应用。如果没人以MIT预测的价格大量购买这些标签，就不会有用户应用案例。MIT预计的是所有的零售商品都会贴上标签，所有的家庭用品和办公用品都会贴上标签，它们能够相互通

12、信，至少在询问时能够应答8。3 物联网研究的主要内容3.1 物体信息的感与传RFID( Radio Frequency ldentification，即射频识别)技术是从20世纪80年代走向成熟的一项自动识别技术。经过近20年的发展，RFID技术已在各行各业得到了广泛的应用，能对人员和物品的流动实行快捷准确的管理。3.1.1 RFID技术在被装物流中的应用构想物流是将物资包装、运输、装卸、搬运、储存、加工、配送、信息处理等基本功能环节实施有机整合的系统过程，被装物流亦不外乎如此9。RFID技术在被装物流工程建设中可主要使用在封装、在运、在储被装物资的识别方面。 典型的RFID系统由电子标签、读

13、写器以及数据交换、管理系统组成10。电子标签也称为射频卡，它具有智能读写及加密通信的能力。根据不同的应用场合，射频卡内存储相关载体的信息数据;读写器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成，负责对射频卡内的信息数据进行读取(如图1所示)。根据电子标签供电方式，可分为无源RFID系统和有源RFID系统。无源RFID系统的电子标签内不含电池，电子标签工作的能量由读写器发出的射频脉冲提供。电子标签接受射频脉冲，整流并经稳压后作为工作电压，数据解调部分从接受到的射频中解调出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接受指令，完成存储、发送图1 RFID系统工作原理图数据或其他操作。有源RFID系统中的电子标签

14、由电源供电，可以在较高频段工作，识别距离较长，与读写器之间的通信速率也较高。RFID系统还可根据工作频率的不同分为低频、中频及高频系统。低频系统一般工作在100-500KHZ，中频系统工作在10-15MHZ，识别距离从几厘米到十几厘米，适用距离短，成本低的应用中;而高频系统则可达850-950MHz及2.4-5GHZ的微波波段，识别距离从几米到十几米，适用于识别距离长，读写数据率高的场合。RFID标签加人到被装产品中，标签中包括生产厂家、生产日期、储存条件、被装号型等信息，在日后被装发放过程中，发放人员持射频手持机，可便于快速查找所需服装，提高发放效率和服装适体率。在被装物资出厂时，在包装箱中

15、加人含有目的地、数量、重量、容积、储存要求等信息的RFID标签，通过读出该信息不但可以将货物自动分拣，也有利于被装物资运输过程中的管理与监控。RFID技术与传统的条码、磁卡及IC卡识别技术相比，具有明显的优越性。一是携带方便，操作简单，识别范围较宽，可在几厘米至十几米的不同范围内进行识别。二是识别过程无须物理接触，通过无线通信方式进行数据交换，避免了机械磨损，增加了射频卡使用寿命。三是经过封装可使整个射频卡卡片完全密封，具有良好的防水、防尘、防磁、防静电等性能。四是写入数据经过加密，并借助保密的传输信道进行通信，能使系统保持较好的安全性。五是通过防碰撞技术，可以防止卡片之间发生干扰，实现多卡连

16、续阅读，读写速度快。六是信号穿透力强，能够穿透墙壁、路面、衣物和人体，适合于各种复杂条件下的使用11。3.2 基于RFID的物联网系统基于RFID的物联网系统由六个分量组成：物理世界，标签层，读写器层，应用层，射频通信层，互联网层12-13 。（1）物理世界：物理世界是由各种实实在在的物体构成的，包括物品、计算机、无线传感器等，在物联网中，这些物体都是物理上充分互联的。（2）标签层：标签层由RFID标签和物品组成，RFID标签类似物品包装上的条形码，记载货物的信息，它一般是粘贴在物品上或者嵌在物品里面。根据其能量来源，RFID标签可分为被动式，半被动式和主动式三大类。（3）射频通信层：RFID

17、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信息。读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签内的芯片获得能量被激活；标签将自身编码等信息通过其内置的发送天线发送出去；系统接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器。（4）读写器层：RFID读写器，实际上是一个带有天线的无线发射与接收设备，它对RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分，具有较大的计算能力和存储空间。读写器对从标签层接收到的射频信号进行解调和解码，然后通过互联网发送到应用系统进行相关处理。（5）互联网层：

18、在基于RFID的物联网系统中，标签层与读写器层之间是通过射频信号进行通信的，而读写器层与应用系统层之间是通过互联网进行通信的。（6）应用系统层：应用系统用于实现对RFID标识物的有序管理，主要应用于物品识别、电子票证、商品防伪、身份识别、资产管理等领域。应用系统通常包括了后台数据库系统，它可以是运行于任何硬件平台的数据库系统，可由用户根据实际需要自行选择，通常假设其计算能力和存储能力强大，数据库中存储着RFID标签相关的信息。3.3 信息的稳、准、安全性随着RFID技术的快速推广应用，其数据安全问题在某些领域甚至已经超出了原有计算机信息系统的安全边界，成为一个广为关注的问题14主要原因如下：(

19、1)标签计算能力弱：RFID标签在计算能力和功耗方面具有特有的局限性，RFID标签的存储空间极其有限，如最便宜的标签只有64-128位的ROM，仅可容纳惟一的标识符。由于标签本身的成本所限，标签自身较难具备足够的安全能力，极容易被攻击者操控，恶意用户可能利用合法的阅读器或者自行构造一个阅读器，直接与标签进行通信，读取、篡改甚至删除标签内所存储的数据。在没有足够可信任的安全机制的保护下，标签的安全性、有效性、完整性、可用性、真实性都得不到保障。(2)无线网络的脆弱性：标签层和读写器层采用无线射频信号进行通信，在通信的过程中没有任何物理或者可见的接触（通过电磁波的形式进行），而无线网络固有的脆弱性

20、使RFID系统很容易受到各种形式的攻击。这在给应用系统数据采集提供灵活性和方便性的同时也使传递的信息暴露于大庭广众之下。(3)业务应用的隐私安全：在传统的网络中,网络层的安全和业务层的安全是相互独立的,而物联网中网络连接和业务使用是紧密结合的，物联网中传输信息的安全性和隐私性问题也成为了制约物联网进一步发展的重要因素。根据RFID的物联网系统结构，我们把物联网的威胁和攻击分为两类(见表1)：一类是针对物联网系统中实体的威胁，主要是针对标签层、读写器层和应用系统层的攻击；一类是针对物联网中通信过程的威胁，包括射频通信层以及互联网层的通信威胁。表1 对象攻击方式描述标签层克隆攻击复制或者伪造一个相

21、同的RFID标签欺骗攻击利用特殊硬件设施假冒成合法的RFID标签未获得访问权非授权访问攻击者在未授权的状态下读取RFID标签的信息而不留下任何痕迹拒绝服务攻击一直给电子标签发总恶意请求信息，使标签无法响应合法的请求读写器层假冒攻击攻击者假冒成合法的阅读器来窃取或更改RFID标签的信息应用系统层隐私破坏通过应用系统查询标签相关信息，实现对标签对应的实体追踪拒绝服务攻击伪造大量恶意请求，使得应用系统无法响应合法的请求3.4 云模式从物联网的技术角度来看,严重制约物联网发展的因素,既不是芯片技术、无线网络技术和传感器技术,也不是全球导航系统技术。而是如何让海量信息在整个互联网上进行分析和处理,并对物

22、体实施智能化的控制。要解决这个问题,就必须建立一个功能强大的物联网信息管理平台,否则再强大的物联网也只不过是一个小而破的专用网。换句话说,物联网所存在的问题就是平台问题15。云模式的出现,让物联网平台问题迎刃而解。甚至可以这样理解,物联网虽不因云模式而生,却因云模式而存在,只是云模式的一种应用。源于物联网中的物,在云模式中,就像是带上传感器的云终端,与上网本、手机没有本质上的区别。云模式在物联网中的探讨新的平台必定造就新的物联网,把云计算的特点与物联网的实际相结合,云模式将给物联网带来以下深刻的变革:(1)解决服务器节点的不可信问题,最大限度地降低服务器的出错率。近年来,随着物联网从局域网走向

23、城域网,感知信息呈指数型增长,同时导致服务器端的服务器数目成几何级增长。服务器数目多了,节点出错的概率就随之增大。而在云模式中,通过“星级服务”生成不同数目的虚拟服务器组,按照先来先提供服务的竞争机制完成节点间的分布式调度,屏蔽失效节点的同时也提高了响应速率。云模式的加入,能够保证物联网真正实现无间断的安全服务。(2)低成本的投入换来高收益,让限制访问服务器次数的瓶颈成为历史。服务器相关硬件资源的承受能力都是有一定范围的,当服务器同时响应的数量超过自身的承受能力时,服务器就会崩溃。随着物联网领域的逐步扩大,物的数量呈几何级增长,而物的信息也必然呈爆炸性增长,随之而来的访问量定然空前高涨,对于时

24、时处在崩溃边缘的物联网,无疑是雪上加霜。然而云模式的出现,通过采用机群均衡调度策略,在访问请求到达前就完成了负载的调研,通过改变“星级“级别,来动态增加或减少服务器的数量和质量,让释放访问压力成为可能。(3)让物联网从局域网真正走向互联网,在更大程度上进行信息资源共享。局域网的物联网就像是一个超市,物联网中的物就是超市中的商品,商品离开这个超市到另外的地方,尽管它还存在,但服务器端该物体的信息会随着它的离开而消失。其信息共享的局限性不言而喻。但采用云模式,物联网的信息存放在互联网的云计算。4 物联网的关键技术国际电信联盟报告提出物联网主要有四个关键性的应用技术16：标签事物的RFID，感知事物

25、的传感网络技术Sensor technologies，思考事物的智能技术Smarttechnologies，微缩事物的纳米技术Nanotechnology。4.1 射频识别（RFID）技术物联网结构复杂,主要包括三大部分:第一层是感知层,承担信息的采集(通过智能卡、RFID电子标签、识别码、传感器等);第二层是网络层,承担信息的传输(无线网、移动网、固网、互联网、广电网等),第三是应用层,完成信息的分析处理和决策,以及实现或完成特定的智能化应用和服务任务,以实现物-物,人-物之间的识别与感知,发挥其智能作用17。4.1.1 RFID是物联网的技术基础物联网的发展需要信息采集、信息传递和信息处理

26、这三个方面的完全融合,而信息采集是物联网发展的关键基础, RFID就是物联网的重要构件之一,它通过射频信号,自动识别目标对象并获取数据,适用于各种恶劣环境,可识别高速运动物体,亦可同时识别多个标签。其多功能性使其在物联网信息采集中完全可以担当重任。可以说RFID技术是物联网的基础技术。物联网为RFID技术的应用提供了广阔的发展空间。从RFID的应用、技术、标准及产业发展来看, RFID价值将日渐显现。国家已启动大量应用RFID技术的物联网试点。RFID应用也逐渐从闭环应用向开环应用过渡,为物联网完整产业链的发展提供了基础。物联网发展目前属起步阶段,离实际的“物联网”还有不小的距离,但是任何一个

27、商业新概念的兴起,往往意味着一个新兴行业的崛起,也预示着一种新兴商业模式的开端。RFID作为物联网的基础技术,必将成为物联网市场最关注的技术。4.2传感器网络技术传感器是物体感知物质世界的感觉器官，可以从声、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。传感器网络节点的基本组成包括如下几个基本单元：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。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或者人工放置的方法

28、使其散布在所感知对象的附近。传感器节点通过多跳网络把数据发送给接受发送器（sink）Sink也可以用同样的方式将信息发送给各节点。Sink直接与Internet或通信卫星相连，通过Internet或通信卫星实现任务管理节点与传感器之间的通信18 。在节点损坏失效等问题出现的情况下，系统能够自动调整，从而确保整个系统的通信正常。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

29、术及网络无线通讯技术的支撑。随着纳米技术的发展，微电子技术的发展嵌入式芯片已得到了飞速的发展，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。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

30、储在传感节点中的所有信息，从而控制部分网络的威胁。4.3智能技术(1) 遗传算法遗传算法是借鉴自然界自然选择和进化机制发展起来的高度并行、随机、自适应搜索算法。它使用了群体搜索技术，用种群代表一组问题解，如数据速率最大化、功率消耗最小化、干扰最小化、频谱效率改善等。通过对当前种群的选择、交叉和变异等一系列遗传操作，从而产生新一代种群，并逐步使种群进化到包含近似最优解的状态。遗传算法用向量表示无线电系统的给定条件或输入激励和行为，根据采取行为的成功程度来修正输入向量。基因的比特序列由两部分组成：一部分是用于匹配给定条件的模式，包括功率、带宽、中心频率、调制方式、信号速率等；另一部分是用于匹配后所

31、采取行为的比特模式，如功率调整、中心频率调整、速率调整等。(2) 神经网络神经网络是模拟人脑信息处理机制的并行处理网络系统，它不但具有处理数值数据的一般计算能力，而且具有处理知识的思维、学习和记忆能力。一个神经网络由多个互联的神经元组成。神经网络已经发展成为有多种网络模型的理论体系。利用神经网络构建学习单元，通过设定节点的激活门限，来决定感知到的或输入的信息（带宽、信号速率、空闲时间、BER、FER等）会产生怎样的响应，将获得的结果和预测结果进行比较。如果匹配，则到达该输出点的路径通过反向传播跟踪来强化中间节点和路径。强化可以通过增加输入到正确输出的传播中涉及的节点权重来实现。神经链路的强化提

32、高了相同的环境信息输入得到相同的正确输出的概率，与期望输出值不匹配的认知决策被削弱，降低了相同条件下再次采用这些方案的可能性。神经网络研究中以下问题还有待深入：网络训练的数据样本的获取和确定，大规模认知网络的模拟分析（现在的神经网络只能模拟单个或多个认知设备组成的认知网络），等等。(3) 模糊逻辑很多事情都表现为一定的不确定性，模糊理论通过模糊描述构建模糊集合，确定隶属函数，利用信息本身的不确定性来处理问题。认知无线电的学习、推理阶段，要进行各种信息的传输和交换，包括层间的信息传递，这涉及到网络的跨层设计和优化问题。Balodo N等提出用模糊逻辑的语言来表达网络所需的跨层信息，以模糊逻辑控制器作为认知跨层的引擎，如图2所示。 图2 模糊控制器原理图该方法的优点是网络结构的构建复杂度降低，改善了信息解释（精确测量的结果可以用一个不精确的知识表示解决）；存在的问题是跨层网络中各层间通信的跨层信息要求必须是连续可用的，而它的标准化工作还未解决19。4.4纳米技术