浅谈物联网关键技术的发展与应用

钟方伟++周平++马斌

摘要：该文主要阐述国内外物联网相关技术发展与应用的情况；然后分析了物联网的关键技术；最后总结现阶段物联网发展的特征。

关键词：物联网；RFID；物联网平台；物联网操作系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）30-0279-02

Analysis of the Development and Application of the Key Technologies of Internet of Things

ZHONG Fang-wei1， ZHOU Ping1， MA Bin2

（Xinjiang Informaition Industry Co.，Ltd， Urumqi 830026， China）

Abstract： This paper mainly expounds the development and application of technology related to Internet of things in China and abroad， and then analyzes the key technologies of Internet of things. Finally， it summarizes the characteristics of the development of Internet of things at this stage.

Key words： Internet of Things； Platform； OS

1 背景

物联网作为信息通信技术的典型代表，在全球范围内呈现加速发展的态势。不同行业和不同类型的物联网应用的普及和逐渐成熟推动物联网的发展进入万物互联的新时代，可穿戴设备、智能家电、自动驾驶汽车、智能机器人等，数以百亿计的新设备将接入网络。万物互联在推动海量设备接入的同时，将在网络中形成海量数据，物联网数据价值的发掘将进一步推动物联网应用呈现爆发性增长，促进生产生活和社会管理方式不断向智能化、精细化、网络化方向转变。

研究物联网关键技术的发展与应用具有重要的理论价值和实际意义。

2 国内外现状

全球物联网应用增长态势明显，万物互联时代开启。当今时代，全球新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起，信息通信技术以前所未有的速度转化为现实生产力，深刻改变着全球经济格局、利益格局、安全格局。物联网作为信息通信技术的典型代表，在全球范围内呈现加速发展的态势。

在传统行业智能化升级过程中，物联网正从浅层次的工具和产品深化为重塑生产组织方式的基础设施和关键要素。在工业转型发展的过程中，物联网作为工业互联网、智能制造发展的基础，工业传感感知、工业物联网数据平台等成为新型工业技术体系中不必可少的能力，其重要性不断凸显。在工业转型升级过程中，越来越多的企业认识到物联网的通用性和重要性，也使得物联网技术能力在工业技术体系中的位置正在不断“下沉”，成为转型升级所需的基础设施和关键要素。

物联网相关技术和产品在工业领域主要应用在以下两个方面：一是基于工厂内部的传感器实现的智能化生产。通过在生产线上装配传感器和通信模块，动态感知设施、材料、人员的状态，实现生产过程的智能决策和动态优化，显著提升全流程生产效率、提高质量、降低成本。例如海尔公司通过在自动流水线上的托盘和关键位置安装RFID标签和读写器，采集产品位置信息，打通从 PLC、WMS、MES 到 ERP 的數据，实现对个性化产品配件生产的智能决策。二是实现服务化转型。利用传感器获得的海量实时数据，结合平台侧的大数据分析、建模与仿真等技术，提供预测性维护、性能优化等服务，实现企业服务化转型。其中GE 公司通过 Predix 平台提供的一系列服务是这类应用的典型代表。

3 关键技术

3.1 平台支撑能力

从功能框架来看，物联网平台从底层到上层分别提供设备管理、连接管理、应用使能和业务分析等主要功能。平台汇聚海量端设备的数据信息，利用大数据分析等技术挖掘潜在价值，推动物联网行业形成“数据衍生创新服务”的新业态，基于平台提供远程故障诊断、生命周期管理等增值服务等，丰富服务内容。利用共性能力覆盖垂直行业，平台整合不同行业分散的信息、用户、设施等资源及外部的开发资源，利用通用功能和接口开发适用不同行业的应用，降低投入成本，提升开发效率，并实现跨行业、跨领域资源互通，推动大规模开环应用的发展。推动服务模式转变。平台吸引设备供应商、网络运营商、系统集成商、应用开发商等产业链上下游企业形成互利共赢的生态圈，既可以满足用户多样化需求，也能够利用快速迭代的开发模式短时间响应行业用户的特定需求，实现向集成服务模式转变。

3.2 连接能力

短距离技术与低功率广域网的发展显著提升物联网的泛在连接能力。

1） LPWAN 在全球成为发展热点，企业采取多种方式提供物联网连接能力。

全球范围内广域网连接技术出现爆发式增长，并形成了以 LPWAN 为核心的网络连接服务体系。目前全球范围内，面向物联网的 LPWAN 技术可分为两类：一是授权频段的广域网技术，以3GPP 定义的 NB-IoT、LTE 演进技术 eMTC 等为代表；另一类是非授权频段的广域网技术，包括 LoRa、PRMA、Sigfox 等技术。不同类别的LPWAN 技术的主导方、部署方式、服务模式均存在差异。

2） 两大模式推动短距离连接能力发展，应用框架加速整合

两大核心构建物联网短距离连接服务。底层短距离通信协议和应用框架成为短距离连接服务能力的两大构建核心。目前底层短距离通信协议连接生态封闭与开放模式并存发展，其中以 Z-wave 联盟为代表的单一短距离连接协议为核心的封闭模式因具备互联产业的先天优势，发展较为迅猛，已经形成一定的产业影响力；而以 Zigbee 联盟为代表的不同短距离协议兼容为核心的开放模式也在逐步发力，以更加开放的姿态打造互联互通，未来有望成为引领全球短距离连接服务的重要方式。应用协议框架连接生态初期由英特尔、高通、微软、通用等巨头领衔并分头推进。endprint

3.3 物联网操作系统

物联网操作系统面向可伸缩、互通性实现创新发展。

物联网操作系统的发展呈现两种技术路径，一是由智能手机操作系统剪裁而来，具备较强的应用能力，同时获得智能手机生态的强大支持，如苹果的 WatchOS、安卓的 Android Wear 目前在智能可穿戴设备领域的份额已突破 70%；该路线的缺点是很难保证对底层应用的最优化，也难以兼顾多种应用场景。二是针对传统嵌入式操作系统进行功能优化，直接针对底层硬件平台开发，拥有更高的可靠性和更强的性能表现。如 ARM 的 mbed、华为的 LiteOS、ThingSquare 的Contiki 等；但这种技术路线需要打造全新的应用生态体系，面临多方面的挑战。

目前物联网操作系统为解决应用碎片化问题以及各类应用差异化发展需求，操作系统软件架构趋于一致，侧重实现伸缩性、互通性和可靠性。技术架构均由内核、外围模块、协同框架、智能引擎、集成开发环境等组成，且具备物联网独有特点。内核更具弹性，轻量级内核保留任务调度和通信功能，重量级内核通过重新编译和二进制模块选择加载线程调度、内存管理、本地存储等所需应用。外围功能模块注重可伸缩性，将网络协议栈等功能组件从内核中独立出来，并根据设备具体功能按需保留。此外，协同框架主要面向设备互联提供云端接口或云应用引擎；智能公共引擎则面向人工智能，提供语义识别，机器学习等接口。

未来由于可穿戴、无人机、机器人等物联网终端形态功能各异，需针对不同终端进行多次开发，为提高应用开发效率，需要从操作系统入手解决跨平台开发难题或需要对操作系统进行融合。

3.4 芯片智能化

物联网 MCU（微控制单元，Microcontroller Unit） 加速向高性能、低功耗、高集成度、智能化方向发展。

物联网时代的到来，对传感器智能化、软件算法上的要求也更高，单一功能的传感器已经不能满足客户的差异化需求。对终端芯片的计算、处理和传输能力提出了越来越高的要求，相关的软件开发环境可以向下兼容，以提供更具弹性的开发空间。物联网连接设备的爆发式增长促使人们关注设备的功耗和续航时间。芯片的长供电，及远续航要求，对 MCU 的功耗提出了非常苛刻的要求。SoC（系统级芯片，System on Chip）已成为集成电路设计的关键技术，正向物联网芯片领域渗透，高集成度的 MCU+成为趋势。传统分立无线通信芯片外挂 MCU的方案已被淘汰，各大设计厂商开始将无线通信和 MCU 集成在一起，减少芯片面积，同时降低芯片价格。随着 SoC 和 SiP 技术的发展，实现传感器、MCU 和无线模块的单芯片集成的 MCU+方案正逐渐成为趋势。

传感器已经从简单功能的分立器件生产制造不断向高精度，自带算法模型的智能化、模块化的传感器系统级产品集成制造发展，传感器产品的价值不断由硬件向软件算法和应用迁移，传感器的功能也在不断由“察觉与度量”向“诠释”转变。传感器已经进入集传感、智能与系统为一体的解决方案时代。

3.5 安全技术

由于物联网节点分布广，数量多，应用环境复杂，计算和存储能力有限，无法应用常规的安全防护手段，使得物联网的安全性相对脆弱。随着物联网应用在工业、能源、电力、交通等国家战略性基础行业，一旦发生安全问题，将造成难以估量的损失。因此需要从安全认证、访问控制、身份管理、敏感数据保护、信用管理等方面进行安全技术考虑。

4 结束语

物联网发展在经历概念驱动、示范应用引领之后，技术的显著进步和产业的逐步成熟推动物联网发展进入新的阶段。主要体现出以下特征：

平台化服务。利用物联网平台打破垂直行业的“应用孤岛”，促进大规模开环应用的发展，形成新的业态，实现服务的增值化。同时利用平台对数据的汇聚，在平台上挖掘物联网数据价值，衍生新的应用类型和应用模式。

泛在化连接。广域网和短距离通信技术的不断应用推动更多的传感器设备接入网络，为物联网提供大范围、大规模的连接能力，实现物联网数据实时传输与动态处理。在梅特卡夫定律的作用下，泛在化连接将不断增大物联网的产业价值。

智能化终端。物联网端系统的智能化主要体现在两个方面，一是传感器等底层设备自身向着智能化的方向发展，另一方面通过引入物联网操作系统等软件，降低底层面向异构硬件开发的难度，支持不同设备之间的本地化协同，并实现面向多应用场景的灵活配置。

参考文献：

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