物联网技术与研究

韩金森，邹 涛，张龙军

（武警工程大学 陕西 西安 710086）

物联网概念的起源于1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议上提出的“传感网是下一个世纪人类面临的有一个发展机遇”[1]。美国MIT Auto-ID Labs提出关于物联网的定义：在互联网的基础上，利用RFID等无线通信技术将世界上的万物入网相连（Internet of Things），完成物物之间的智能识别和信息互通。近年来，包括美国、欧盟、日本和中国在内的许多国家和地区都在对物联网作积极地思考和研究，但是总体上说，都还徘徊在起步阶段，没有形成统一的定义和标准，结合各国的重视程度和技术的前景，对由多项信息技术融合而成的新型技术物联网体系的研究有着举足轻重的战略性意义。

目前，关于物联网较为多见的定义是ITU提出的：物联网就是在计算机互联网的基础上，通过RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。笔者认为物联网的内涵主要体现在以下3个特点：联，对需要联网的H（人）和T（物）一定要能够实现互联互通；识，具备自动识别功能是H和T允许入网的前提；智，通过传感采集做出反馈、判断、动作，实现系统自动化、智能化和可控化。

1 物联网的原理

1.1 物联网的基本框架

根据ITU的建议，参考我国工业和信息化部电信研究院《物联网白皮书（2011年）》，物联网的基本架构自底向上可以表示为感知层、网络层和应用层[2]，如图1所示。

图1 物联网架构图Fig.1 Structure diagram of IOT

感知层：主要完成信息的采集和将采集到的信息上传的过程，就是要通过RFID、条码、GPS、红外感应器等信息传感装置随时随地将“物”的信息采集并上传到上位端，做好信息传输前的准备工作。

网络层：主要完成的是信息的全方位传输，在整个物联网中起承上启下的作用，就是通过各种接入设备与现有的互联网、移动通信网等具有不同传输性质和通信协议的网相融合，将感知层采集的信息实时准确地通过网络节点上传到上层。

应用层：主要完成智能化识别、定位跟踪、监控管理等各类实际应用，就是通过对感知层采集到的信息进行计算处理、科学决策，精确智能地实现面向各行各业客户的服务。

1.2 物联网的关键技术

与物联网的基本框架相对应，其技术体系包括感知层技术、网络层技术、应用层技术和公共技术，如图所示。其中感知层技术主要包括传感器技术、自动识别技术、无线传输技术、中间件技术、自组网技术和协同信息采集技术。网络层技术包括移动通信网技术、互联网技术、下一代承载网技术和M2M无线接入技术。应用层技术主要包括支撑平台子层（公共中间件、云计算等）和应用服务子层（智能交通、智能物流、智能电力等行业应用）。公共技术是指贯穿于整个物联网技术架构，与每层都有关的技术，包括物联网安全技术、网络管理技术、标识与解析技术和QoS管理技术。下面就主要的关键技术作一简要介绍。

图2 物联网技术体系Fig.2 Technology system of IOT

1）传感器[3]是物联网系统的耳目，是能够实时对当前状态进行识别并向其他元件发出相应信号，传递信息的一种检测装置，能够满足信息的记录、传输、处理、存储等要求。传感器和能检测处理数据并联网的元件组成传感器节点，通过通信方式传输数据，由这些传感器节点互联构成的网络就是传感器网络。

2）自动识别技术系统就是利用条码和射频等自动识别与数据采集技术和设备，读取某一物品的电子身份信息，并上传到上层元件作进一步处理，主要分为数据承载、数据采集和数据传输3个步骤。目前最常用的自动识别技术主要有条码识别技术、RFID技术。条码识别的原理是光学识别，将条码反射光进行电信号处理，经过整形、AD转换、译码获得数据信息。条码技术以其操作简单、灵活实用、成本低廉和可靠性高等特点，在道路交通、商业零售、图书管理等多个行业广泛应用。RFID技术是一种非接触式自动识别技术，它的原理是利用感应、无线电反射实现射频标签和射频识读器之间的双向通信。基本的RFID系统由标签、识读器和读写器、天线3部分组成。因其具有非接触、抗恶劣环境、无需人工干预、标签数据存储量大等特点，RFID技术在车辆自动识别、门禁系统、货物跟踪等方面广泛应用。

3）无线传输技术就是利用无线电波实现数据传输，根据采集设备和传输节点距离的长短，其传输过程可以分为近距离传输和远距离传输，在物联网已有接入联线以外，一般还可以采用以下几种技术：

①WLAN，由美军50年前首先使用于资料传输，是传统有线网络的替代和延伸，安装便捷，维修方便，易于调整和扩展。Wi-Fi是WLAN中目前应用广泛的一种，可靠性高，移动性好，组网灵活，价格低廉。

②Bluetooth无线通信技术，爱立信1994年就已进行研发，是用于短距离传输的无线通信技术，采用FHSS，可以提供实时的语音和数据通信业务。

③UWB技术，起源于20世纪50年代末的军事技术应用，区别于传统技术的一种无线通信技术，能够实现LAN和PAN中无线接口的互联和接入，功耗低，带宽高，复杂度低，定位精度等达到厘米级，冲激无线电技术是其代表性技术。

④ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词，是根据这个协议规定的一种短距离、低功耗的无线通信技术，其名称来源于蜜蜂（bee）和翅膀抖动的嗡嗡（zig），具有近距离、低功耗、低数据速率、自组织、低成本的特点，可以嵌入各种设备。

4）下一代承载网技术指的是能统一承载 PSTN、Cable Modem、Internet 3种业务的网络的融合。根据现有物联网的发展趋势，有望产生和发展一种专门为物联网提供服务的专有网络。

5）M2M是典型的物物通信模式之一，主要解决的是增强机器与机器之间的通信和网络能力，实现机器与机器间的无线通信，早在2002年就由诺基亚开始推动其解决方案。

6）云计算[4]技术是属于应用层面的一个概念，解决的是信息存储与处理环节，是一种按需分配，按需服务的理想网络共享应用模式，Amazon、Microsoft、IBM、SUN、Apple 等 IT 时代的行业巨头都在积极研发，力争主动。

7）网络安全技术[5]就是指为了维护网络安全，保护用户隐私所采用的安全机制，主要包括认证和访问控制、数据加密等。

8）标识与解析技术[6]包括实体标识和实体解析。标识是采用PML记录网内实体所有有用的信息。解析主要表现为ONS。

1.3 物联网与传感网、泛在网之间的关系

传感网顾名思义就是由传感器构成的网络，这是对传感网狭义的理解。该类网络利用各类传感器的感知模块，对所处环境因素进行信息采集，通过自组织网络进行传输，但是该类网络只是擅长于对信号进行采集而弱于对物进行标识，若要实现入网传输，也需要通过别的入网方式和模块[7]。随着科学技术的发展，人们认识事物能力的进步，如今，广义的传感网除了信息采集和处理的主要任务外，还能实现主体之间的互联互通。而物联网的采集信息方式比狭义的传感网多，接入网的方式也比广义传感网灵活，信息处理能力也远远比狭义和广义的传感网强。可以说，传感网属于物联网实现的其中一个环节。

泛在网，根据ITU-T Y.2002建议，指的是实现有权限的个人或设备在需要时都能尽快尽便地接入服务实现通信的网络，简言之无所不在的网络，就是利用现有的各种传感网、物联网、互联网、电信网等相互融合，集感知、识别、计算、控制、广泛连接、深度通信于一体，实现 4A（Anytime，Anywhere，Anyone，Anything）化的互联通信。

物联网、传感网、泛在网三者之间有着区别和联系，有着依托和承载，如图3所示[8]。

图3 物联网与传感网、泛在网的关系Fig.3 Relationship of IOT and other webs

2 物联网研究与发展

2.1 我国物联网的研究与发展

我国的物联网研究不仅在全球物联网浪潮之初抢得了先机，是世界上为数不多的几个研究较早的国家之一，与国际具有同发优势，而且经过长期不懈的努力，于2009年10月宣布我国第一颗物联网的中国芯——“唐芯一号”芯片研制成功，标志着我国已经攻克了物联网的核心技术，进入国际先进水平，甚至部分技术已达到领先。我国也是世界上屈指可数的能将其产业化的国家，是传感网领域国际标准制定的主导国之一。

2004年由北京航空航天大学宁焕生等人起草的“构建中国物流互联网工程”建议书经完善后于次年3月提交两会；2006年，我国开始着手考察、制定传感网标准；2007年，国内外学者合作出版了 《The Internet of Things:From RFID to the Next-Generation Pervasive Networked Systems》；2009 年 1 月在中科院和江苏省院合作框架下成立无锡物联网产业研究院，从事物联网的研究、设计和生产；2009年9月由我国工业和信息化部牵头成立了传感器网络标准化工作小组，加快建设我国物联网技术标准；2009年11月由中国科学院软件研究所、同方股份有限公司、清华大学、北京邮电大学、中国移动通信集团等40余家具有行业优势的物联网相关机构共同发起组建物联网产业联盟，携手共促资源合理利用，推进物联网行业发展；2010年1月，“物联网体系、理论建模与软件设计方法”在2010年度“科技部九七三计划、重大科学研究计划”项目申请指南中发布；2010年6月，由江南大学信息工程学院和通信与控制工程学院合并组建成立我国第一所物联网工程学院“物联网工程学院”，整合资源，为我国物联网产业发展输送人才。

2.2 国外物联网的研究与发展

包括美国在内许多国家和地区欲将物联网作为走出经济低谷的拐杖，将其提高到了国家发展的战略高度，纳入国家发展战略计划。如今，物联网发展伴随着其越来越智能化、精细化，对世界经济和人类社会的影响初见端倪，这使得越来越多的国家和科技主体关注和研究物联网。

在美国，奥巴马政府和IBM着力打造“物联网+互联网=智慧地球”，就是把感应器装备和嵌入到公路、铁路、机场、桥梁、管道、大坝、隧道、建筑等各种物体中，加之互联互通，形成“物物相连相通之网”，依托“云计算”和现有互联网，将人类的地球和社会整合成一个繁杂有序的有机整体，实现智慧化。

在欧洲，欧盟制定物联网行动计划，旨在构建新型物联网管理框架，把握物联网发展方向，规划发展路线。欧盟在物联网的技术和应用方面不乏创新，许多优秀公司和企业定位M2M，确立战略方向，例如Docomo关注协议，沃达丰研究服务平台等，推动了M2M的发展。

在日本，“e-Japan”、“u-Japan”、“i-Japan” 等一系列发展战略应运而生，大规模展开信息化建设。以政策的形式调动产业、地区、生活3个领域与ICT（Information Communication Technology）深入融合和举步发展，关注传感网建设，着力打造“智慧泛在”，确保日本在信息领域有一席之地。

另外，在韩国、澳大利亚、新加坡等国家，物联网的部署和建设也都在加紧进行。

3 物联网的应用与展望

将各种感应器，嵌入各种实物中，依托网络，实现人与物整合，我们将进入“物联网时代”。

1）智能家居 由智能化家电、智能化保安系统和智能化照明加盟的智能家居已是唾手可得。只要将各种家居的开关改头换面，入网遥控，那么在千里之外的你就能在回家之后甩掉疲惫，享受美食和沐浴，安心地进入梦乡而第二天可以穿上干净舒适的衣服，享受完早餐去打拼。2010年1月，由海尔推出的物联网冰箱标志着我国智能家居进入快速发展阶段。

2）智能交通 我国的智能交通网已成雏形，无处不在的监控网络减少了违规违章，从未踏足的地方已被导航系统变得不再陌生。ETC系统的使用大大地提高了道路桥梁的通行能力和车辆的行驶效率，降低了车子的油耗和尾气排放。

3）航空支撑物联网 得利于物联网，可视化空难模型改变了传统的空难救援方式，2009年1月15日哈德逊河“空难奇迹”中因与飞鸟相撞的全美航空1549航班151名人员全部平安无事，也未发生燃油泄漏。物联网可以提供飞机自身的各种飞行状态，航线、机场以及周边的环境数据，民航的乘客服务、机场运营和安全等。

4）环境监测 利用雷达和卫星等，可以构成对海洋、森林、山体、河流等的立体化监控，对各类灾情、水质、林木生长、空气污染等进行监测、评估和预警，构成环境监测物联网。

5）军事应用 物联网的产生和发展，使得更加精确地感知战场信息，更加智能地开发应用装备，更加动态灵敏地实现后勤保障。物联网对战情的获得、部队的部署、战局的把握、命令的上传下达、战场的开辟等等环节都产生了深远的影响，拓宽了作战的时域、空域和频域。

物联网应用广泛，除了上述领域外还遍及办公作业、公共安全、智能消防、工业监测、医务护理、个人健康、花卉栽培、食品溯源、教育行业等多个领域。

4 物联网存在的问题

物联网的发展还处于起步阶段，无论是在技术还是制度上都存在着诸多值得改进的地方：

1）安全问题 物联网的安全问题包括两个方面：设备安全和信息安全。物联网的应用主要是方便人们的生产和生活，终端大都处于易被人触碰的地方，设备的安全隐患不言而喻。同时，物联网多数依托无线传输，信号暴露在公开大气中，若不采取适当的措施，很容易被干扰和窃取，甚至篡改、攻击。

2）规模问题 首先，物联网是连接万物的网，每个入网的终端都得有一个地址和身份，摆在面前的就是IPv4资源即将耗尽，而Ipv6还未成熟，过渡漫长。其次，庞大的网络拥有庞大的节点数和数据通信量，何以解决拥塞问题、避免拒绝服务攻击和应对高速计算也是关键问题。另外，如今的协议和通信规则是站在人的角度为实现H2H设计的，而并非适用于T2T的应用。

3）兼容问题 物联网发展百家齐鸣，产品之间是否能兼容，依赖于是否有统一的标准和协议。也正是因为没有统一的标准，在很多方面带来了资源浪费、发展受限、各自为战等问题。

4）用户的权益保障问题 主要包括应用层面的安全和隐私保护。更加互联的网络和便捷的接入，各类物联网信息几乎暴露于空气之中，虽然有着各类的安全加密机制，但是绝对安全言之尚早。如何保障用户的权益，将是物联网发展中的主要绊脚石之一。

5 结束语

对于物联网的研究，国际上几乎所有有实力的国家都有了自己的规划和发展路线，我国也制定了适合我国国情和技术现状的研究、建设计划和战略。各国对物联网的研究都有自己独到的见解，努力研发，加强合作，把握机遇，实现信息化向智能化转变。而物联网技术涉及的是一个跨学科、跨专业的综合领域，要攻克的技术难关也是综合性、多方面的。

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