物联网的关键技术研究及其应用

陈可睿

1 引言

21世纪以来，随着全球一体化以及信息技术多元化的快速发展，物联网技术已经成为一面引领电子科技爆炸式时代的旗帜。物联网的出现，使人们的生活和科技更好的联系在了一起，有效改善了物联网出现以前生产力水平较低和信息交流困难的问题。2010年全国召开两会并在会上明确说明要将物联网作为重要的发展战略之一以推动经济发展；2011年国家政府更是将物联网发展列入十二五规划中。物联网技术的问世，改变了人们对于信息交流的认知，打破了以前信息交流的障碍。

物联网技术[1]指将物品的信息通过传感器或射频装置或条形码二维码形式使物与物之间形成联系，然后将这种联系利用互联网技术，形成一个智能网络。基本原理是根据信息识别技术和空间耦合传输的特性来实现对物品的识别和管理工作。依托RFID技术或传感器技术，将传统技术和新型IT技术有效的结合到了一起，从而实现更快速，更准确数据传输。同时，物联网还凭借着其本身强大的处理能力，获取信息能力和管理能力，实现了稳定性更高，实时监控，具有针对性的优势。

如今，物联网技术已经应用在工作、生产等各个方面：处处可见的条形码和二维码，公路运输网中被广泛使用的ETC，主要利用了RFID技术的信息传输功能；智能家居，智能安防，航空航天，交通管理等部门中，物联网也是扮演着必不可少的角色。因此，物联网技术将在目前发展的状态下，进一步引领科技的浪潮，推动全球经济的发展。

2 物联网的关键技术

信息技术的发展使得人们对物体的了解认知以及监控管理有了更多的要求，这样导致物联网的快速发展，其中最主要的是物联网的核心技术，物联网的关键技术主要分为四类[2]，一是RFID技术，二是传感器技术，三是M2M技术，四是云计算技术。

2.1 RFID技术

RFID是射频识别技术，通过电磁波获取信息并传输信息最终反馈到处理器上进行信息处理，从而快速的实现身份验证和信息获取[3]。RFID技术由三部分构成：阅读器，电子标签和天线。

（1）电子标签是整个系统信息的主要载体，由芯片和耦合元器件组成。每个标签都有它独特的映射介质。而这些编码都有它的容量。标签一般展现于被检测的物体的外表，当标签进入读写器范围时，就会根据电感耦合原理从读写器给标签一个电信号，从而激活标签工作。标签再将信息传送给读写器。

（2）阅读器主要用来阅读信息和改写信息。其基本原理是将从电子标签反馈过来的电子信号转化为数字信号，然后再通过阅读器中的处理单元对信号进行加工处理，最后通过交互将处理过的信号传递给上层应用层的应用软件，实现信息的传递。阅读器有两种形式，一是手持式，应用实例就是超市扫码器；二是固定式，应用实例就是公交车刷卡器。

（3）天线主要用来在阅读器和标签之间传递射频信号。天线有的镶嵌在RFID标签中，有的以内置的方式存在于读写器间，或是可以直接与射频输出端口相连，从而实现信号的传递。

RFID技术主要体现在接收和发送两种过程，如图1所示。第一种，裸露在外的电子标签在被扫描的时候主动向阅读器发送信号，芯片负责进行逻辑运算，天线用于发送射频信号和阅读器通信，阅读器收到信号后传送数据给计算机系统进行解析和存储。第二种，阅读器从存储器中获取需要发送给标签的详细信息，然后由阅读模块和天线交互，通过天线发送射频信号将具体信息发送给电子标签。

图1 RFID工作原理图

2.2 传感器技术

传感器是物联网技术必不可少的技术之一，是新时代新需求对物体监控管理重要的一部分。如果把处理系统比作人类的大脑，那么传感器就是人的感官系统，将收到的信号经过处理后发送到计算机上。其工作原理就是将传感器大量的布置在需要监测数据的环境中，它们之间会形成自组织的无线网络[4]。将一个传感器都被当做一个节点，它可以独立地工作，也可以和其他节点共同构成网络联系，再将共同的信号传输到集结点上。当外界条件发生改变时，传感器就会感知到这些变化，进而将信号传输到集结点上，然后信号从集结点被传送到电子计算机上进行处理。

传感器技术是多部门多学科结合到一起的高新科技技术，其将物理，化学，生物，统计，光热，电信号等学科有效且高效地结合到一起，因此它被应用于多个领域，常被用来监测不同环境下不同的物理量，化学量，生物量，比如湿度、温度、光照、压力、体内指标、溶液浓度等，它还具有隐蔽性高，廉价，容易部署等特点，因此也被广泛的运用于军事领域中。如今的传感器技术，趋向于集成化，智能化，微型化，信息化，正在逐渐迈向更高深更智能的领域——生物传感器。因此，传感器技术的发展对于物联网技术的广泛应用起到推波助澜的关键作用。

2.3 网络通信技术

即使感知层多么发达，没有一个好的传输通讯层也是发挥不了作用的。因此，作为信息在物物之间联系的纽带，网络通讯技术应用而生。而它也分为很多种类，比如互联网应用技术、无线传感技术、2G，3G，4G网络通信技术等。其中，最为关键的，就是M2M技术。

M2M是英文（Machine-To-Machine）的简称，就是实现机器与其他机器或人之间的沟通联系互相交流。具体通过各种无线网络技术，将机器和人组成一个巨大的网络，这个网络可以实现资源信息之间的共享，从而将信息从一个“物”上转移到另一个“物”上。但M2M并不是简单的人为地数据运输，而是通过智能化交互化实现机器与机器之间的主动通讯[4]。

M2M有很广阔的发展空间，如今其就被广泛应用于智能查表、车载导航等行业，随着计算机和移动设备越来越普及，M2M也会越来越科技化前卫化。但如今需要解决的问题，就是如何保证网络的覆盖性和可靠性及如何创作出更标准的M2M平台供人使用。

2.4 云计算技术

云计算(Cloud Computing)技术[5]是一种高效利用闲置资源的新型计算模式。用了虚拟化技术将物理资源虚拟成为软件资源，形成了多种资源池，这样可以提供按需交付、灵活弹性、集中规模、自由调度、安全管理等多种功能。适应了当代企业和用户对大规模数据计算，复杂逻辑处理的迫切要求。通过利用云计算技术，可以大大降低对资源使用的成本，提高资源灵活性和可用性。

目前，国外的云计算公司有谷歌云、亚马逊云、微软云等，国内的有阿里云，百度云，腾讯云，华为云等，这些云计算厂商都已经完全掌握云计算技术并已经能够达到商用的良好性能。目前开源的云计算也非常多，主要流行的是OpenStack。OpenStack开发速度非常快，社区也很活跃，发展非常顺利。

根据上述RFID技术，传感器技术，网络通信技术，云计算技术四种技术，分析和总结其关键作用，特点，技术难点，应用领域，具体内容表1可见如下：

表1 物联网关键技术比较

3 物联网技术在智慧交通中的应用设计

随着物联网和云计算的发展，将这两方面的传感技术、通信传输技术、信息网络技术、数据处理技术恰到好处的集成，并应用到整个城市交通中，会形成智慧交通的新局面。在交通网络中，各种情况错综复杂，人为指挥难以应对及时，也很难处理得当。但是利用物联网技术可以将各要素实现互联，对所有交通信息的进行综合处理，将道路、驾驶员、车辆、乘客及相关的交通服务部门等多种因素互连起来，使整个交通体系智能化。 接下来本文将会设计基于物联网的智慧交通的系统架构、智慧交通主要的系统模块并设想相关应用场景。

3.1 基于物联网的智慧交通系统架构

智能交通系统是利用先进的电子技术、通信技术、计算机控制技术进行信息的采集、处理、分析、交换、应用，提供多样化的服务，通过移动计算、智能识别、数据融合、云计算等技术的应用解决海量数据存储和处理等技术难题，从而形成智慧交通系统。智慧交通系统从整体架构上可以分为感知层、传输层、支撑层、应用层四个层次。

（1）感知层，感知层主要利用RFID技术、传感器网络、二维码技术、实时定位和无线通信等技术进行数据采集、收集并实时、准确的监测交通信息。

（2）传输层，传输层主要通过移动网络、无线网络、Internet、卫星等通信设施将感知层所采集信息运输到数据中心，供支撑层进行数据的处理和分析。

（3）支撑层，支撑层是在管理系统、智能处理、云计算及数据库等资源下，实现海量信息的并行处理及优化，存储资源动态配置和部署。

（4）应用层，通过信息存贮与处理系统、综合控制系统对信息进行管理，将信息以多样化的方式展现到用户面前，方便用户进行决策和开展业务。

3.2 智慧交通主要系统模块

（1）数据采集与收集系统

随着射频识别采集器、雷达检测器、GPS导航等高新科技的应用，城市交通信息的采集更加快捷准确，这为交通高效调度和智慧交通控制系统提供了更加实时精确的信息数据。

所有交通信息采集装置构成了交通信息采集系统。因为采集的信息包括车辆速度信息、音频视频信息、位置信息、车辆流量信息等多种形式，所以信息的收集、整合和处理是智慧交通最为基础也是最为重要的一部分。

（2）信息传输系统

将采集来的交通信息，运用有线信息传输和无线信息传输方式，根据特定网络情况（如电视网、通讯网、计算机网等）实现交通信息传输，此过程中要保证信息的及时性、准确性、安全性。

（3）交通信息存贮与处理系统

信息采集并传输过后，必须建立相应的存储系统，并运用相关技术对信息进行分析、归类、整理，并根据分析结果做出相应决策。

（4）信息发布与控制系统

根据信息收集、传输、处理、分析后的决策，为交通出行提供各种信息安全服务，如交通信息发布系统、最佳交通导引系统、停车库空位信息系统、交通信号灯控制系统、交通安全控制系统、紧急事故处理系统等。

3.3 物联网在智慧交通中应用场景

（1）城市公共交通，城市公共交通是智慧交通的重要领域，建立城市交通”一卡通”系统，实现公交车、出租车、私家车多种城市交通消费一体化；建立智能公交调度系统，利用RFID、GPS、车内视频监控、人像识别等技术掌握实时信息，来合理规划和调度交通资源，也方便乘客更高效的安排出行。

（2）电子收费，ETC（Electronic Toll Collection）即电子不停车收费系统，是目前世界上最先进的路桥收费方式，物联网技术可以加快路桥收费站车辆通车速度，加快效率、减轻或避免车辆在收费用站口拥堵问题。

（3）物流信息化，物流领域是物联网技术最具有现实意义的应用领域，通过道路运输GIS系统定位跟踪和运输导航、4G网络、RFID提供广域移动车载通信手段实现货物状态位置动态管理；通过电子标签及识别技术自动收集货物信息，从而缩短作业时间，提高运输效率。

（4）电子证照，IC卡电子证件嵌入了RFID逻辑加密芯片，具有高性价比、高可靠性、高安全性等特点，使得IC卡电子证件成为一张智能身份卡；基于射频识别技术的汽车电子牌照会对于防止错假牌证具有积极作用。

4 进一步设想

除了智慧交通之外，物联网技术可以应用到更多方面，实现更多新奇的内容。

本人经过分析前任研究以及目前的社会现状，对于物联网的应用提出以下应用设想：

（1）区块链技术应用到物联网上，解决安全问题。

区块链是一种分布式的网络结构，它可以提供一种机制，能保证物联网设备之间保持共识而不需要与中心进行验证，这样就可以解决安全隐患、保护用户的隐私。

（2）虚拟键盘徒手操作系统。

可以应用穿戴式眼镜的投影以及智慧手表的感测技术，实现将实体系统介面向前延伸到手臂来操作，甚至还可以有一个虚拟键盘来直接打字输入命令。这种模式可以解放人的双手，未来不用带着平板等工具出门就能完成工作了。

5 总结

本文简单介绍了目前的物联网的发展状况，从其系统组成的角度介绍了物联网发展必不可少的四大关键技术。重点研究了RFID技术的基本概念、基本工作原理和核心技术，简单的说明传感器技术、网络通信技术和云计算技术的功能和优势。近年来随着技术的更新迭代，物联网技术已经飞速发展并能够应用在各大领域，对整个国家的经济社会发展和信息化水平提升有着重大意义。本文还根据物联网技术提出其在智慧交通方面的应用设计，并从系统架构、系统模块、应用场景三方面重点分析物联网技术的应用框架和具体价值。最后，对于物联网的进一步应用提出了自己的设想。