物联网关键技术及相关应用的研究

刘雅琪

（唐山市第一中学，河北 唐山 063000）

0 引言

物联网是信息领域的又一次重要的发展机会，是新一代的智能互联技术。物联网以无线传感器和RFID架构为根基，经过融合互联网完成数据传递和共享，运用计算机技术来实现对相关信息的处理和决策。物联网作为一种全新的技术，已经引起各国人民和政府较高程度的重视。这一技术可以实现物与网络在任何时间地点的连接，识别物体，监控物体的状态和位置，以便使解决方案智能化。智能家居、智能医疗、智能学校、智慧城市、智慧地球等各种概念也就随之产生，物联网技术不断地创新和突破发展，也必将引起社会生活领域的变革。

1 物联网的概念

物联网，英文名LOT（Internet of things），按照字面意思也就是由物体和物体相连构成的网络。物联网技术是在互联网基础上发展而来的，可实现各种物-物间的互联互通，它也是互联网技术的发展和创新。物联网、云计算、移动互联网这3种互联网技术将是未来网络技术发展的3个主要方向，引领互联网技术发展。现在许多发达国家都将物联网视为战略性发展行业并予以高度重视。物联网技术通过一些特定的设备，将采集到的各种数据和信号，转变为计算机可辨识的数字信号，信号经过专用的数据通道传送给监控中心，监控中心对采集到的信号数据进行分析和判断，将超出控制范围的数据再通过控制系统进行相应的调整，这样不断地进行收集、处理和调整，就使得整个系统能够实现实时、动态、可控的运行，最终实现系统的智能化控制。因此，物联网技术将使我们以后的工作和生活实现具有非常高的智能化。

物联网这一概念在20世纪末美国的移动算和网络国际会议上第一次被提出，在21世纪初期逐渐有了一定的应用，近些年来随着物联网技术的不断应用和普及，这一技术也越来越受到我国及欧美等国家的高度重视。在我国，物联网技术也得到了迅速的发展，物联网在各种行业得到了普遍的应用，例如零售业、物流业等行业都在积极推广和使用物联网，现在新兴的共享单车、共享汽车也是物联网技术应用的成功典范。有专家根据物联网技术发展速度和前景预测，到2020年我们将进入智能时代，物联网技术将应用于我们生产生活中的每一个角落。

2 物联网的关键技术

2.1 传感器

传感器是一种能够将欲探测量或测量收集的量转变成电信号的装置。当所探测的目标发生改变时，传感器很快就能反映出来，并且能够立即发出信号，告知系统所探测目标状态发生变化。

传感器的组成主要是3部分，分别是敏感元器件、转换部件和信号控制电路。其中，敏感元器件是对被测量部位状态变化进行直接测量的元件；转换元件是把敏感元件测量到的信号变化转换成电量信号输出；信号控制电路就是把转换部件输出的电量信号转换为受控的电信号的电路。

传感器的种类繁多，分类方法也有很多，常见分类见表1。

表1

除上述分类外，常见的传感器还有压力传感器、温度传感器、湿度传感器等、光敏传感器。传感器是实现自动化的监测和实现自动化控制的第一步。它在社会各行各业和人们的日常工作生活中都会有比较广泛的使用，如工业、农业、国防军事、机器人、资源开发、海洋勘探、医疗诊断、环境监测、交通和家电等。虽然它只是物联网的基础的一小部分，但它如同眼睛和耳朵一样进行感知，为物联网获取有关信息。

2.2 RFID技术

RFID与条码扫描比较相似，条形码技术主要是将已经编好码的条形码标记在物体上，然后用专用的扫描器进行扫描，将条形码上的信息读取到扫描器中。RFID使用的是自己专用的读写器，在目标物上的标记也是专用的标签，RFID利用频率信号读取专用标签的内容。

一个RFID系统主要是由阅读设备、电子标签、天线、应用程序组成。标签由一个芯片、一个天线和一个载体构成，每个RFID标签都有自己的电子编码，附着到待识别的目标物体上。阅读器是RFID系统内非常重要的一部分，是读取/写入目标物体上附着信息的设备，阅读器可以是静止的，也可以是移动的。天线需要安装在RFID标签和读取器上，作用是传输这两者之间的射频信号。应用系统是处理阅读器录入数据的设备，在其上可以运行软件系统。

RFID根据不同的分类方法可以进行不同的分类，见表2。

表2

和别的自动识别技术比较，RFID技术有许多优点。它具有数据的读写功能，可读可写。产品体积小，形状多样，使用起来灵活高效。它具有很强的抗污能力和耐久性，在恶劣环境下也能读取数据。它的电子数据可以反复地编写和重用。它的存储容量比较大，足以满足承载更多信息的需要。此外，RFID技术具有保密性强、抗干扰性强和寿命长等优点。

现在，RFID技术应用范围非常广阔，应用的领域也越来越广泛，如管理与数据统计、安全防护防伪技术、物流系统、医疗系统、交通运输等。因此RFID技术也被认为是21世纪最重要的技术之一，是物联网发展的核心技术。因此随着物联网的飞速发展，RFID技术也必将得到快速的发展和更为广阔的应用。

2.3 Zig Bee技术

ZigBee技术，中文名称为紫蜂，这个名字起源于蜜蜂之间的信息交流方式，因为蜜蜂（bee）是由蜜蜂发出的“嗡嗡”声（zig）和翅膀“跳舞”的方式来传递花蜜的位置信息，也就是说，蜜蜂以自己的方式建立了一个通信网络。ZigBee技术是小范围无线传输信息的一种。ZigBee技术主要是在各种工业企业中使用，达到各种数据的自动化传输控制。ZigBee本身的各节点自己就可以作为监测节点使用，例如对数据收集的传感器进行监测，也可以自动的传输其他网络节点传递来的各种信息。

它的特点是功耗比较低、数据传递速率慢、成本比较低、传递距离近、延时时间比较短、安全性能高、数据传输可靠、使用频段都是免执照频段。它主要应用于各种需要自动控制的领域和需要远程控制的领域。ZigBee技术能够支持许多种网络拓扑结构，自组网能力强，网络容量大。

随着中国物联网的快速发展，人们对ZigBee技术的接受和认可程度也在提高。ZigBee技术也被使用于一些需用智能传感器情况中。在北京9号线地铁的隧道建设过程中，使用的是ZigBee技术代替了传统的无线射频识别系统，使用ZigBee技术后，对隧道的位置和方向进行了精准的定位，能准确地确定隧道的轨迹，还能保留有记录可供查询，这大大地提高了隧道施工水平。现在有一些服务水平比较高的老年寓所，也在使用ZigBee技术的无线定位系统，可以对一定范围内的老年人实现准确定位和提供帮助。 由于每个人都有手机报警设置，遇到应急情况，启动报警设施发送报警信号，这既解决了安全监测和救援等老问题，而且使用方法非常简便，可靠性能还很强。

布线长度是影响电路通信开销和能耗的重要因素[1]，文献[12]将布局过程分为两个部分，首先将芯片按区域进行划分，目的在于降低资源浪费；然后在不改变占用资源总数量的前提下，通过调整布线长度来降低通信开销.该方法虽然考虑了资源占用与通信开销两个方面，但是仅以单一因素作为约束进行优化，并未考虑两者之间的相互影响与共同作用.

2.4 M2M技术

M2M（Machine- to- Machine Communication，机器与机器间的通信）M2M的核心目标就是使生活中所有的机器设备都具备联网和通信的能力，是物联网实现的基础平台。

M2M理解成设备之间的数据传输，那就是错误的，它是两个机器之间的一种智能化的联通，不需要人的介入。即便设备没有立刻收到信号，设备本身也会自主地按照设定好的程序进行信息传递，并且根据接得到的数据自主做出选择，将命令向下一级传输。 由此可见，智能化、交互式、具有更多的“思想”和“智慧”是M2M最大的优势。

M2M系统由应用、网络传输、设备端3层组成。应用层内可以设置各种户界面，也能存放大量的数据信息，是一个工作平台。应用层连接到网络传输层后，将数据传输到设备端。 设备端层用于通过无线通信技术向通信网络发送设备数据，最后传递给终端服务器和用户。网络传输是将用户的控制指令通过网络发送到通信终端，通过控制系统来进行远程控制和设备操作。 通信层是用来传输数据的通信网络。 通信网络包括各种各样的网络： 大到广泛的区域网络（世界范围的卫星通信、全国范围的无线移动通信、互联网、公共电话网等），小到一个近距离的小区域网络（比如面对面的蓝牙和小区域的WLAN连接）等。应用层分为用户界面、中间件、数据存储、业务分析等。 对于系统内部的数据存储可分为临时存储和永久存储。业务分析主要是对信息数据进行分析以提供决策。用户界面是为远程监控和管理提供的界面。

3 物联网的应用

3.1 物联网与智能交通

智能交通系统（英文全称为Intelligent Transportation System）指的是在交通系统运行管理过程中，充分利用各种先进的物联网技术，对车辆进行定位技术和导航技术、全面的图像分析技术、数据的及时收集传输技术、数据信息的快速处理技术，通过网络的自动控制技术等，建立一个全方位的高效迅捷的交通管理控制系统。

智能交通系统使用范围非常广阔，它与人们的出行生活密切相关，它包括现在各种交通方式，在城市内的道路交通智能控制系统，高速公路网络的智能监控处理系统，汽车站火车站等的旅客、车辆引导系统，各种运营车辆集中管理调控系统等。通过行人、车辆、道路等各方面和谐紧密合作，能大幅度地提高运行效率，减少交通拥堵现象，提高道路网络容量，并且能大幅度地降低交通事故发生，还能减少能源的损耗，能降低对环境的污染。

3.2 物联网与智慧校园

以物联网技术为基础的智慧校园，就是将在校园中学生的学习、老师的工作和校园内的日常生活相互协调和谐一体的校园环境，将校园内多种应用服务体系进行整合，将教学工作、科研工作、校园管理、校园内的学习工作生活融合为一体。

智慧校园的宗旨是为提高校园的综合应用、提高服务质量和服务水平，建立一个引领创新意识的、开放透明的、协作互助的校园综合网络平台。通过这个综合网络平台，为学生、老师和学校管理人员根据不同的需求提供个性化的专项服务，使大家能够既能共享资源，也能相互交流协作，为在校人员提供一个智能的学习、工作和生活环境，在智慧校园中能有效地收集各种教育信息资源，并进行统计和分析，最后为大家提供应用和服务。多功能的智能教室、校园一卡通等就是智慧校园的典型应用。

3.3 物联网与医疗保健

采用物联网系统为基础的新型智能医院，可将医疗技术和网络技术进行完美的结合，对业务流程进行全面的整合并优化，能够极大地提高医疗系统的工作效率，提高医疗资源利使用效率，减少人力资源投入，降低成本，并且能减少医疗事故，整体提高医疗水平和医院的服务水平。

在物联网远程医疗监控系统的技术支持下，充分利用传感器技术进行探测诊查，通过网络通信技术尽心沟通指导，治疗范围可以扩大到任何网络通信能够延伸到的地方，能够实现病人和医生以及医院间关于医疗信息的传输和共享。 医生通过网络对患者的病程进行监测，给患者提供必要的指导和及时处理， 而患者即使不在医院，只要有网络连接，足不出户也能得到较大的医院治疗和指导。

3.4 物联网与智能家居

智能家居（SmartHome）也叫数字家庭、智能住宅。通俗地说，智能家居就是用计算机系统和网络信息技术，将家中的各种设施（如家庭照明、安全设施、家用电器等），通过家庭网络连接进行智能控制。智能家居是一户住宅或一个家庭为智能控制对象，通过各种通信设施对住宅的建筑、家用电器、自动化设备等进行总体的监测和控制，使家居内的结构设施、服务功能、管理功能整合为一体进行智慧控制，能够实现住宅更安全、更舒适、环保的更便捷的居住环境。

一方面，智能家居可以通过电话、互联网等方式进行异地无线方式管理家庭设备，可以进行更多的操作，实现多种形式联动装置。另一方面，各种家用设备间也可以相互通信，在没有用户命令的前提下，各种设备会根据不同的状态自动控制运行，它会让我们的生活更加安全、舒适和方便。与传统居家不同，智能家居更注重提供舒适的、安全的和便捷的家庭生活方式。智能家居从而使我们能更加便捷地安排生活，优化生活方式。

结语

物联网的发展是信息社会发展到一定程度的必然结果，随着各个国家重视程度的提高，物联网技术必将获得突飞猛进的发展，物联网关键技术也会不断地被突破，物联网也会得到越来越广泛的应用，更加贴近生活服务生活。例如新兴的无人超市，就是物联网技术的新应用，它已实现了自动结算，为人们的日常生活带来更多的便利，相信在不久的将来，就会实现进货、摆货、售货的无人化、智能化，实现真正的无人超市。物联网技术是一种全新的前沿的科学技术，发展前景也必然非常广阔。物联网技术的发展也必将给人民带来更便捷的生活，推动社会的不断向前发展，掌握并不断突破物联网核心技术，将为国家发展提供新的动力，让人民的生活质量不断提高。