物联网发展关键技术研究

贾保先 谢圣献

(聊城大学计算机学院，山东 聊城 252059)

0 引言

物联网(Internet of things，IoT)指的是将各种信息传感设备，如射频识别(radio frequency identification，RFID)装置、红外感应器、全球定位系统以及激光扫描器等各种装置与互联网结合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，便于识别和管理。通过装置在各类物体上的电子标签(RFID)，传感器、二维码等通过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，实现人与物体之间的沟通和对话，以及物体与物体之间的沟通和对话。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、老人护理和个人健康等多个领域。

作为与互联网、移动网同等重要的一种网络，业界专家预计，随着技术应用日益普及，物联网将会发展成上万亿规模的高科技市场，这对于在前两次信息浪潮中起步晚、跑得慢的中国来说，意义重大。这是我国从IT制造大国向IT制造强国转变的一个绝好机会，我们应当抓住这个重大历史机遇，尽早攻克物联网关键技术和核心技术，建立属于自己的技术体系，掌握这一领域的“话语权”。本文从RFID、WSN和语义网格等方面对物联网涉及的关键技术进行了研究，并采用融合这些关键技术的方法，解决了一些实际问题。

1 关键技术

1.1 无线视频标示技术

射频识别技术(RFID)是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术。与目前广泛使用的自动识别技术，如条码、磁卡、IC卡等相比，射频识别技术具有很多的优点。目前，RFID技术在生产制造和装配、航空行李处理、邮件及快运包裹处理、文档追踪和图书管理、移动车辆的自动识别物流管理等领域已经或正在投入实际应用。

在物联网的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网把它们自动采集到中央信息系统，实现物品的识别。然后通过开放性的计算网络实现信息交换和共享，以及对物品的透明管理［1］。RFID已经成为物联网应用中的关键技术，而且其应用领域还在不断扩展。最基本的RFID系统由电子标签(tag)、天线(antenna)和阅读器(reader)这三部分组成。每个电子标签都具有全球唯一的识别号(ID)，这些ID无法修改和仿造，从而保证了安全性。电子标签附着在物体上以标识目标对象;天线用于这些ID标签和阅读器间传递射频信号，即标签的数据信息;阅读器用于读取(或写入)电子标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。RFID技术工作原理如图1所示。

图1 RFID技术工作原理图Fig.1 Working principle of RFID technology

在工作时，RFID读写器通过天线持续发送一定频率的信号。当RFID标签进入磁场时，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或主动发送某一频率的信号;随后读写器读取信息并解码，将数据传输到中央信息系统进行有关的数据处理。

1.2 无线传感器网络

在构造物联网的过程中，实现感知尤为重要。众多具有通信、计算能力的传感器通过无线方式连接，相互协作，同物理世界进行交互，共同完成特定的应用任务，组成了传感器网络(sensor network)。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术等多学科交叉技术。在传感器网络中，通过无线通信自主构成了一个多跳自组织系统，目的是感知采集和处理网络覆盖区域中的感知信息，灵活监控并处理这些信息，同时把详细的信息传输给用户，物联网把所有物品通过RFID等设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理［2］。

传感器网络的主要功能是对某种环境事物的数据进行采集。传感器网络的相关研究包括传感器、通信和计算(包括硬件、软件和算法)三个方面。一方面，可以将传感器网络看作是将互联网的信息共享功能扩充为包括信息采集、信息处理和信息利用的集成网络，其中信息采集功能增强了信息处理的流程;另一方面，可以将传感器网络看作是传感器节点发展为具有互连结构的新型信息处理功能网络。

在传感器网络中，大量的传感器节点(sensor node)分散于特定的区域中，这些节点根据地理坐标分为不同的簇(cluster)。每个簇中有一个传感器节点作为主节点(master node)，以便于负责本簇的通信路由及其他管理，所有节点中有一个负责与诸如互联网等主干网络进行通信的宿主节点(sink node)［3］。因此，与传统的传感器相比，传感器网络易于部署，即传感器节点位置不需要事先确定或精心设计，允许任意放置。同时，传感器网络部署维护成本低，具有较高的灵活性，传感器网络由大量廉价节点组成，可放置在物理现象作用范围内，从而获得较高的观察精度性，具有较高的性价比。传感器网络具有大量冗余节点，即使部分节点失效，也不会影响整个系统的功能，因而具有较好的健壮性。此外，传感器网络节点还具有计算能力，可以相互协作，完成传统传感器所不能完成的任务。

1.3 语义网格和云计算

通常，网格被认为是下一代互联网技术，而语义Web被认为是下一代Web。网格和语义Web有很多相似之处，但其各自强调的重点有所不同。传统意义上的网格侧重于计算，但是语义Web更倾向于推理和证明。语义网格与语义网的关系图如图2所示。

图2 语义网格与语义网的关系图Fig.2 Relationship between semantic grid and semantic Web

传统的网格基础设施能扩展Web的计算能力，同时语义Web能帮助网格扩展更丰富的语义，因此，可以看到图2虚线以上的部分，网格将向着“更丰富的语义”的方向进一步演化。事实上，作为语义Web的核心，元数据(metadata)在网格演化的过程中(网格服务出现之前)就已经在一些网格项目的体系结构中扮演关键角色［4］。

当前，网格缺乏机器可读可理解的数据语义，缺乏人和机器很好的合作支撑。机器难以处理异构资源，实现资源共享，以及根据用户的需求自动地生成知识。而语义网虽然实现了资源(包括硬件和软件资源)的共享，但难以满足日益增长的计算需求，由此提出语义网格的概念。

语义网格的概念由David De Roure等学者于2001年第一次提出，后来学者、研究机构逐渐把语义网格认为是网格的延伸，可同时保证人和机器能够更好地合作理解。语义网格把所有的资源包括服务采用一种机器可理解的语义信息来描述，实现无歧义可理解的交互。语义网格的发展离不开Web、语义Web、网格的发展，网格是Web在计算能力上的提升，而语义网格是网格在语义能力上的扩展。从另一个角度来说，语义Web在现有Web上增强了语义功能，而语义网格是语义Web对计算功能的扩展。

新兴的语义网格利用互联网，把地理上广泛分布的各种规则化的资源(包括计算资源、存储资源、带宽资源、软件资源、数据资源、信息资源、知识资源、仪器设备甚至是人，一般用Ontology表示，Ontology是对资源规范化说明的一种表达方式)融为一体，使网络成为一个全球化的信息资源库和信息处理平台，为用户提供一体化信息和应用服务(计算、存储、访问等)。它能够实现网络资源的全面共享和协同工作，从而解决资源异构、分布和动态变化的问题［5］。

语义网格可广泛应用于电子商务和物联网。作为一个新的未来交互平台，它以较强的实效性、个性化、可操作性和互动性，对传统的平面和互联网媒体产生强烈的冲击。网格技术使得基于海量信息收集和分类处理的能力大大提高。网格的发展促使了云计算(cloud computing)技术的产生，云计算将为物联网提供强大的计算能力。云计算是分布式计算技术的一种，其最基本的概念是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。通过云计算技术，网络服务提供者可以在数秒之内达成处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大功能的网络服务［6］。

对等连接或对等网络(peer to peer，P2P)技术主要指由硬件形成连接后的信息控制技术，其代表形式是软件。简单地说，P2P使得网络沟通变得更加容易，共享和交互更直接，真正地消除了中间商。P2P另一个重要特点是改变互联网现在的以太网站为中心的状态，重返“非中心化”，并将权利交还给用户。

2 技术融合

RFID技术与传感器网络技术相结合，是未来物联网的一个发展趋势。由于RFID抗干扰性较差以及有效距离一般小于10 m等缺点限制了它的应用。如果将无线传感器同RFID结合起来，利用前者高达100 m的有效半径，形成无线传感器网络，在物流管理中其应用前景不可估量。传感器网络一般不关心节点的位置，因此对节点一般都不会采用全局标志，而RFID技术对节点的标志有着得天独厚的优势。将两者结合共同组成网络就能相互弥补对方的缺陷，将网络的主要精力集中到数据上，当需要具体考虑到某个具体节点信息时，也可以利用RFID的标志功能轻松地找到节点的位置［7］。

在物联网中，机器与机器、人与人、人与机器间不断交互，复杂的成本信息在交换和共用时就会出现困难。构建本体可以实现在用户间和Agent间对于信息组织结构的共同理解和认识，也可以采用专业领域知识，使专业领域内的假设变得更加明确，并且可以分析专业领域知识。同时，本体可以作为通信的媒介，以辅助获取、表达和操作知识。这种辅助是通过提供一个基本概念和语言结构一致的核心来实现的，同时还帮助建立和组织知识库，解释知识处理工具模块的输入、输出。本体的构建是此平台实现无歧义交互的最重要的工作，例如通过物联网可以实现物料信息在供应链上无缝连接，供销两端达到平衡，从而提高物流配送的及时性和高效性［8］。

在P2P架构中，信息资源是面向人而不是面向机器的，节点上的信息是杂乱无章的数据而不是知识，把本体融入P2P，就形成了语义P2P。语义P2P的提出使信息具有了结构化，易于用户查询和理解。信息以本体的形式存储在各个节点上。本体Ontology定义为“给出构成相关领域词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成的规定这些词汇外延的规则的定义”［9］。

此外，语义P2P技术还解决了集中式架构所带来的难以维护的问题。在分散的环境中，不同节点在信息交换中执行处理和管理知识等任务。参与者在语义P2P架构中，管理负担减少，知识共享与信息的检索也得到简化。语义P2P应用物联网可以提高网络速度，实现资源语义共享。

3 结束语

物联网是我国从制造大国走向制造强国的重要支持手段，大力推进物联网具有重要的现实意义［10］。在第三次信息革命到来时，我国政府和企业都应该格外重视这次机遇，力争以第三次浪潮为契机，实现我国信息产业的崛起，带动我国经济的飞速发展。而中国物联网发展的重心在于解决物联网涉及的关键技术，并融合这些技术应用到各个行业。本文将多种技术特点综合应用到物联网中，以更低的成本实现物联网的运行，具有很强的使用价值。

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［7］郭泉.刘晓葳.基于网格的图像内容检索研究［J］.计算机与数字工程，2007(6):125－126.

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［10］彭瑜.物联网技术的发展及其工业应用的方向［J］.自动化仪表，2011，32(1):1 －7，12.