物联网技术研究现状及其体系结构分析

唐 琳

（赤峰学院 计算机与信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

2009年，物联网在我国迅速升温，物联网概念亦不断演进，传感器技术、通信技术、无线技术、网络技术等共同构成了智慧物联网络.从普适计算思想到智慧地球构想，物联网概念越发清晰，逐步由概念模型向实践应用推进.随着物联网技术的深入研发，亚里士多德的名句“给我一个支点我可以撬起地球”也被更新为“给我一个物联网我能感知地球”.在物联网的构建中主要遵循以下三个原则：一是可以全天候实时自动进行大范围的全面感知；二是通过通信网络与互联网等异构网络融合进行信息的可靠有效传递；三是利用云计算、模糊识别等智能计算技术进行海量数据的智能处理，最终实现对物体的智能控制.以上三点也是物联网所具备的典型特征，由此所联动的物联网技术也层出不穷.

虽然物联网是一个全新产业，但我国对其技术研发和产业化水平并未落后于其他国家，庞大的市场空间优势让我国在一定程度上掌握了主动权并拥有了物联网世界的话语权.当前由政府主导、产学研企相结合共同推进物联网发展的良好态势正在国内形成，物联网产业链市场规模逐渐扩大，物联网用途日益宽泛.以上都对我国物联网发展在更深、更广的基础上提出了更高的技术要求.

1 国际物联网技术研究现状

全球针对物联网的研究和应用尚处于起步阶段，对物联网概念和特征的认知可谓百家争鸣，并没有形成统一共识，尤其是物联网的体系结构没有标准模型，对物联网的研发属于起步期到发展期的试探性过渡，在基础研究领域以及技术开发上仍存在诸多挑战.很大一部分业界人士普遍认为，物联网的产生在一定程度上取决于传感网的发展，更有人将物联网定义为传感网的延伸和发展.伴随着信息处理技术、微处理器和计算机技术的高速发展，传感器的开发和应用应时而出并且发展势头强劲.美国早在20世纪80年代就宣布世界进入传感器时代，而传感网的研究起步于20世纪90年代末，早期主要用于采集战场信息.进入21世纪传感网受到各界广泛关注，欧美各国相继启动无线传感网研究计划，并投入巨资支持传感网研究.2002年美国NSF、DARPA、NASA等12个研究机构专门召开“未来传感系统”国家级研讨会，随后，加利福尼亚州大学伯克利分校成立了多个无线传感网络研究实验室，国外各大知名企业也相继开展了无线传感网络研究.

在传感网走向商业化发展道路的同时，“物联网”这一概念如璀璨明星一般迅速升起，世界各国先后提出了以物联网为核心的发展战略，物联网研究进入了高速增长阶段.然而在物联网技术研究快速增长的同时，物联网发展仍然受到统一标准缺失的限制.一些国际公司和组织正在抓紧制定的M2M国际数据标准（一种基于XML的M2M行业应用设备和应用平台的数据标准）影响力微弱，导致采用不同数据标准的软硬件设备兼容性不强.物联网其他标准仍以各企业自行设计为主，不同企业因其M2M系统结构不同，从而采用的设备也不尽相同，由此导致设备间接口标准无法统一.目前M2M应用也缺少专门的达到行业标准程度的安全标准，进而导致物联网安全问题的重要性日益突出.如今，物联网技术研究正在由基于RFID应用的单体互联阶段向基于无线传感网络的物体互联阶段演进.

2 中国物联网技术研究现状

我国早在1999年就已启动物联网核心传感网技术研究，研究水平已处于世界前列，现已成为世界传感网领域标准主导国之一，专利研究成果丰富，同时也是世界上少数几个能够实现物联网完整产业链的国家之一.无线通信网络和宽带覆盖率也足够为物联网发展提供坚实的基础设施支持，作为世界第三大经济体，国家支持物联网发展的经济实力也较为雄厚，以上这些都为我国物联网的迅速崛起创造了良好的优势.

但是，在一片大好的形势下我们也不能盲目乐观，据物联网产业界权威杂志M2MMagazine2009年统计结果显示，全球物联网发展100强企业中81个在北美，18个在欧洲，而亚太地区仅有一个且还不在中国，即使我国最大的物联网公司也没有达到上亿规模.因此，物联网在我国发展速度虽然很快，但是同其他发达国家相比，我国物联网产业发展仍比较落后，具体表现为：①关键技术落后，如传感器技术薄弱，超高频RFID技术、嵌入式系统、基础软件、芯片技术及生产工艺等均落后于其他国家；②缺乏统一完善的标准体系，各种标准比较分散，标准组织之间协调性差；③物联网领域整体规划落后，政府推动力量不均衡，政策支持区域偏向性明显，行业带动性较差，导致规模化发展难以形成.

与以上不足相反，我国物联网技术中，低/高频RFID技术比较成熟，通信服务与通信制造基础较强，中国移动将于2013年投资1800亿建设18万个4G信号基站，国家成立了传感器网络工作组、网络技术工作组、物联网标准联合工作组等组织机构对物联网标准组织进行协调统一，各地政府纷纷开展物联网战略发展调研为物联网规划及政策制定提供科学依据.

总之，我国物联网技术研究仍处于起步阶段，关键技术亟待创新和突破，核心技术更需进一步完善、延伸和拓展，物联网应用和市场有待进一步发展，未来十年内我国物联网技术及应用必将取得长足进步.

3 物联网技术体系结构分析

目前我国物联网普遍使用的是基于M2M体系的三层体系结构模型，从物联网的体系结构研究中可以发现，虽然没有统一的架构，但各个国家的体系结构都已形成，国际以及我国主流的物联网体系架构都是以三层体系结构为模型，在此基础上进一步演绎和深入最终形成统一的标准.在我国使用的三层体系结构模型中将物联网分为感知层、网络层及应用层三个层级.如同计算机网络体系结构一样，物联网各层之间都有着自己所需的独特的关键技术和核心技术，物联网技术体系如图1所示.

图1 物联网技术体系结构组成模型

在物联网技术体系结构各层之间，信息并不是只进行单一方向传递，也有交互、控制、双向互传等，所传递的信息多种多样，这其中关键是物品的信息，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息.此外，软件、现场总线和集成电路技术也都是各层所需的关键技术.在图1中所列的公共技术，并不属于物联网技术体系中的某个特定层面，而是与物联网技术体系结构的三个层级都有联系，它主要包括了应用业务需求、通信及计算合集网络架构、标识与解析服务、物联网安全技术、服务质量管理和网络管理等.从技术体系来看，物联网是一个极其先进的集综合性和复合型为一体的系统工程，其最终目标是为单个事物建立全球的、开放的标识标准，并实现基于全球网络连接的信息共享.物联网在互联网技术基础上通过数据通信方式，构造一个多姿多彩的智能网络.它是通过标准协议，靠自动识别技术，利用计算机及互联网实现物体的自动识别和信息的互联与共享.

4 物联网关键技术群与核心技术群分类及分析

物联网技术从体系结构上划分，可以划归为感知层关键技术群、感知层核心技术群、网络层关键技术群、网络层核心技术群、应用层关键技术群、应用层核心技术群六大类别.从技术重要性及攻坚难度角度划分，可以划归为物联网关键技术群和物联网核心技术群两大类别.下文主要从物联网技术体系结构三个层次六大技术群类别进行阐述.

感知层关键技术主要有物联网编码技术、检测技术、中低速无线/有线短距离传输技术等.该层核心技术主要包括传感器技术、射频识别技术、微机电系统、嵌入式计算技术、全球定位技术、智能组网技术、无线通信技术、分布式信息处理技术等.

网络层关键技术主要有物联网名称解析服务、物联网信息发布服务、物联网中间件、物联网安全等.网络层是远距离有线/无线通信、计算机网络、Ipv6、2G/3G/4G、Wi-Fi等通信技术的综合运用.该层核心技术主要包括无线传感器网络技术、无线保真技术、通用分组无线服务、通信网、3G/4G网络、GPRS网络、广电网络、NGB广域网路及三网融合技术等.

应用层关键技术主要有公共中间件、信息开放平台、云计算、服务支撑平台等.具体表现为：智能信息处理、信息融合、数据挖掘、海量数据科学数值计算及海量数据存储等.该层核心技术主要集中在企业资源计划及专家系统的设计与实现，具体表现在物联网技术在各行业领域应用中所需的实际操作标准和协议，在不同的应用平台，所需攻坚的技术难题亦不相同.在各类物联网应用领域都会产生各种物联网应用技术：如风力发电、现代物流、现代农业、现代化工业等产业中的物联网技术应用，因其针对面向不一而呈现出千姿百态的形式，其表现与特征也存有很大的差别.

5 结论

从上述分析并结合技术体系图1可以看出，物联网各层间的关键技术群与核心技术群并非是独立存在只服务于本层功能的.各层级技术之间既相互独立又紧密联系，并在一定程度上可以互通使用、越层调用，比如感知层、网络层、应用层三层中都需要用到中间件技术，只是因网络形态差异而在中间件实际工作表征上有所差别，其根本依赖的仍然都是最基本的中间件技术.再比如智能信息处理技术，在感知层及应用层中都有涉及.此外，有线/无线传输技术、组网技术等在感知层和网络层中都是必不可少的核心技术.由此可见，物联网技术体系中各层之间技术交叉性很强，技术重叠现象很多，这就要求物联网标准必须完整和统一，以适应物联网多种技术融合后通用性要求极高的软硬件兼容性.

〔1〕王毅.物联网技术及应用[M].北京：国防工业出版社，2011.

〔2〕彭扬，蒋长兵.物联网技术与应用基础[M].北京：中国物资出版社，2011.

〔3〕唐琳.战略新兴产业—物联网的产生及发展[J].赤峰学院学报，2011，27（3）：30-32.

〔4〕唐琳.战略性新兴产业—物联网概念探究[J].才智，2012（5）：30-31.

〔5〕唐琳.物联网体系结构与组成模型研究[J].赤峰学院学报，2013（1）：25-27.