物联网发展与关键技术研究综述

马巧梅

0 引言

物联网被看作信息领域一次重大的发展和变革机遇。欧盟委员会认为，物联网的发展应用将在未来5～15年中为解决现代社会问题带来极大贡献。2009年以来，一些发达国家纷纷出台物联网发展计划，进行相关技术和产业的前瞻布局，我国也将物联网作为战略性的新兴产业予以重点关注和推进。

本文综述了物联网技术领域目前的研究状况，从物联网概念、基本特征、关键技术等方面，对物联网技术的发展以及亟待需要解决的问题进行论述，以进一步探讨物联网未来的研究发展。

1 物联网概念的提出与发展现状

物联网作为一个新兴的信息技术领域，引起了各国政府、学者和相关企业的极大关注，其基本思想出现于20世纪90年代末。

1.1 概念的提出

物联网的最初概念来源于美国麻省理工学院(MIT)，在1999年建立的自动识别中心(Auto-ID Labs)[1]提出的无线射频识别(RFID)系统——把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。

2005年ITU 在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上正式确定了“物联网”的概念，并随后发布了《ITU Internet reports 2005—the Internet of things》[2]，介绍了物联网的特征、相关的技术、面临的挑战和未来的市场机遇。

ITU在报告中指出，我们正站在一个新的通信时代的边缘，信息与通信技术(ICT)的目标已经从满足人与人之间的沟通，发展到实现人与物、物与物之间的连接，无所不在的物联网通信时代即将来临。物联网使我们在信息与通信技术的世界里，对所有的物体得到一个重新的沟通方式，它将所有物品（商品）在任何地点、任何时间、连接任何人，即将万物连接而就形成了物联网[2]，如图1所示：

图1 物联网结构图

1.2 物联网的基本特征

从通信对象和通信过程角度来看，物联网技术的核心是物与物以及人与物之间的信息交互。物联网的基本特征可概括为全面感知、可靠传送和智能处理。

全面感知，指利用无线射频识别、二维码、传感器等感知、捕获、测量技术随时随地对物体进行信息采集和获取。

可靠传送，指通过将物体接入信息网络，通过各种通信网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享。

智能处理，指利用各种智能计算技术，对海量的感知数据和信息进行分析并处理，实现智能化的决策和控制。

为了更清晰地描述物联网的关键环节，按照信息科学的视点[3]，围绕信息的流动过程，抽象出物联网的信息功能模型，如图2所示：

图2 信息功能模型

1）信息获取，指包括信息的感知和识别，信息感知，指对事物状态及其变化方式的敏感和知觉；信息识别，指能把所感受到的事物运动状态及其变化方式表示出来。

2）信息传输，指包括信息发送、传输和接收等环节，最终完成把事物状态及其变化方式从空间(或时间)上的一点传送到另一点的任务，这就是一般意义上的通信过程。

3）信息处理，指对信息的加工过程，其目的是获取知识，实现对事物的认知以及利用已有的信息产生新的信息，即制定决策的过程。

4）信息施效，指信息最终发挥效用的过程，具有很多不同的表现形式，其中最重要的就是通过调节对象事物的状态及其变换方式，使对象处于预期的运动状态。

1.3 物联网在国内外的发展现状

ITU报告的推出，使得物联网的发展被看作信息领域一次重大的发展和变革机遇，在全球范围内得到了重视。一些发达国家纷纷将物联网作为新兴产业，并出台战略措施予以落实。

1)发达国家加快物联网相关技术和产业的前瞻布局

2009年6 月18 日，欧盟执委会发表了《Internet of things—an action plan for Europe》[4]，描述了物联网的发展前景，在世界范围内首次系统地提出了物联网发展和管理设想，并提出了12 项行动保障物联网加速发展，标志着欧盟已经将物联网的实现提上日程。

2009年10月13日，韩国通信委员会通过了《物联网基础设施构建基本规划》[5]，将物联网市场确定为新增长动力，提出了“通过构建世界最先进的物联网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国”的目标，并确定了构建物联网基础设施、发展物联网服务、研发物联网技术、营造物联网扩散环境4大领域和12项详细课题。

以欧盟和韩国为代表的上述物联网行动计划的推出，标志着物联网相关技术和产业的前瞻布局已在全球范围内展开。2)我国将物联网作为战略性新兴产业予以重点关注和推进

2009年8月7日，温家宝总理视察无锡时提出“感知中国”理念，由此推动了物联网概念在国内的重视，成为继计算机、互联网和移动通信之后引发新一轮信息产业浪潮的核心领域。2010年3月5日，温家宝总理在《政府工作报告》将“加快物联网的研发应用”明确纳入重点产业振兴。国务院、发展和改革委员会、工业和信息化部、科学技术部等都在研究制定促进物联网产业发展的扶持政策，由此，推动了中国物联网建设从概念推广、政策制定、配套建设到技术研发的快速发展。

但是整体而言，中国的物联网发展尚未走出“概念”阶段，缺乏顶层蓝图规划，科技与产业主攻方向不明。一些利益相关方争相进行基于自身利益的解读，可能使政府对物联网技术和产业的支持方向和力度产生偏差，需尽快在国家层面尽快制定物联网发展战略和路线图。

2 物联网关键技术

物联网是在计算机互联网的基础上,利用射频自动识别(RFID,radio frequency identification)、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”，其核心技术之一就是RFID 技术。其实质是利用RFID技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。在“物联网”的基本构想中，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络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。

2.1 物联网的组成及工作原理

典型的物联网由RFID系统、中间件Savant 系统和Internet系统组成，如图3所示：

图3 物联网的组成

其中，RFID系统，包括RFID标签(tag)、阅读器(reader)及数据交换和管理系统(processor)软件；中间件savant系统，包括Savant服务器、ONS(object naming service)服务器、PML(physical markup language)服务器及相应的数据软件；Internet系统通常由计算机系统和网络服务器等组成。

物联网工作原理：物联网系统中的RFID阅读器可控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答信号，同时可对标签的对象标识信息进行解码，从而将对象标识信息连带标签上的其他相关信息传输到Savant系统以供处理。通常其工作频段和标签上频率是一致的。

2.2 RFID 系统组成及工作原理

2.2.1 RFID系统组成

RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，通过无线射频信号可以自动识别移动目标对象并获取相关数据。它广泛应用于交通、物流、安全、防伪等重要领域。

由于应用不同，RFID系统的组成会各有不同，但多数都由3部分组成，即标签、阅读器和后端数据库。标签，由耦合元件及芯片组成，其中包含带加密逻辑；阅读器，由射频接口和控制单元组成，是负责读取或写入标签信息的电子设备；后端数据库，主要完成数据信息的存储及管理。

2.2.2 RFID系统工作原理

RFID系统可以在标签与阅读器之间传送数据。其工作原理，如图4所示：

图4 RFID系统工作原理

当标签进入有效工作区域时产生感应电流，由阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号，从而获得能量被激活，使得标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；阅读器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到阅读器信号处理模块，经调解和解码后将有效信息送至后端数据库进行相关处理；数据库系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制阅读器完成不同的读写操作。

3 物联网的未来发展及待解决问题

随着物联网技术的进步和它的典型应用的逐步展开，我国的物联网最有可能在标准化方面取得快速进步，典型应用领域不断拓展[6]，如最可能从防入侵系统、智能交通系统、移动物联网综合应用系统、物流监控平台等开始并不断向其他领域扩展。关键技术逐渐成熟，管理机制得到规范，隐私保护与信息安全同步推进，商业模式借助应用成本降低等而合理化，信息无障碍取得阶段性成果，最后实现理想的物联网状态。国内的物联网将从“感知中国”开始，但“感知”只是第一步，其目的还在于感知后信息的应用，因此，“智慧中国”应是国内的物联网下一阶段更适宜的发展目标。目前北京邮电大学、南京邮电大学、东北大学等知名院校是物联网研究的高校聚焦点。南京邮电大学还成立了物联网与传感网研究院和物联网学院。

虽然物联网技术在我国已经取得一些进步，但是还存在一些不足。

3.1 安全不易保证

在物联网技术中，由于物体与物体之间的相互联系紧密，甚至物体和人也相互连接在一起，所以如何保护好大量的数据及用户隐私是我们需要亟待解决的问题。对于只读标签中的数据信息，如果没有可靠安全机制，将无法很好的保密。对于可读可写标签，还存在另一个隐患：标签上的信息可能被攻击者恶意篡改。如果标签中的信息被窃取甚至恶意篡改，将带来无法估量的损失。更好地研究标签的加密技术是解决这些安全问题的唯一途径。但目前只有少数RFID芯片才能够处理复杂的安全加密技术。从国家安全的利益和角度考虑，应积极研制适合RFID芯片的加密技术。

3.2 标准不易制定

物联网技术像其他各种技术一样，也需要统一的标准或协议进行规范，也许不同的国家会有不同标准，如，目前移动通信具有3个国际标准。在目前还很难形成全世界统一的物联网标准，也许物联网发展今后只是一个区域或者是某些国家的物联网。

3.3 规模不易形成

物联网作为一个新型的技术，目前，虽然它的前景广阔、发展相当快，但是其技术研发和应用都还处于初级阶段，且成本还较高。虽然在一些小范围也已实现了物联网的技术应用实践，如国内在上海建设的浦东机场防入侵系统、停车收费系统等重要项目，但是物联网本身还没有形成成熟的商业模式和广泛的推广应用，在完善政策环境、打破行业壁垒、降低成本、探索共赢模式等方面需要做出更多的努力。

4 总结

物联网技术作为一个智能项目，世界各国都极为重视。我们相信当“物联网”的构想成为现实的时候,世界上的万事万物无论何时、何地都能够彼此相关、互相进行“交流”，那时整个世界的面貌就会为之焕然一新。正如2009年11月3日温家宝总理在我国科技战略会议上指出那样：尽快实现物联网关键技术的突破，将是实现我国在未来信息产业由战略意义迈向产业领域的当务之急。

[1]Auto-ID Labs homepage.Http://www.autoidlabs.org/.

[2]International Telecommunication Union，Internet Reports 2005:The Internet of things［R］.Geneva:ITU，2005.

[3]钟义信,周延泉,李蕾.信息科学教程［M］.北京:北京邮电大学出版社,2005:16-18.

[4]Commission of the European communities,COM (2009)278 final.Internet of things—an action plan for Europe,Brussels［EB/OL］.［2010-05-12］.http://ec.europa.eu/information_society/policy/rfid/documents/commiot20 09.pdf.

[5]韩国信息通信.韩国计划至2012年构建“物联网”基础设施［EB/OL］.［2010-05-18］.http://www.c114.net/news/17/a450913.html.

[6]樊雪梅..物联网技术发展的研究与综述[J].计算机测量与控制,2011:19(5).