物联网技术探讨

郗大江 文晓东

【摘 要】介绍物联网架构及感知层和应用场景，针对物联网几种技术进行对比。

【关键词】物联网;NB-IOT;条码;二维码;RFID M2M

Discussion on Internet of Things Technology

Xi Da-jiang，Wen Xiao-dong

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， Ltd Xi'an Shanxi 710000）

【Abstract】Introduce the IoT architecture， sensing layer and application scenarios， and compare several technologies of the Internet of Things.

【Key words】Internet of Things;NB-IOT;Barcode;Two-dimensional code;RFID M2M

1. 引言

（1）在通信发展的历史中，从1875年6月世界第一部电话（贝尔）诞生到百年后1973年4月世界第一台手机——摩托罗拉手机面世，再到2007年1月第一台苹果诞生，无论是通信技术还是移动终端都是围绕人与人之间的通信展开。

（2）随着3G/4G蜂窝网络部署和工业自动化、智能化的发展这个状况正在改变，一方面是人的通信问题已经基本解决，另一方面物的功能和智能正在增强，随着5G未来蜂窝网络研究的开启，物联网可以说是迎来了真正的春天。

2. 万物互联开启未来新世界

物联网的英文名称为“Internet of Things”，其核心和基础是互联的网络，在互联网基础上进行延伸和扩展的网络，按照约定的协议，把任何物品和互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

2.1 物联网是如何感知的。

物联网分为：感知层、网络层、应用层。感知层位于物联网的最底层，通过传感网识别来获取信息，感知层包括条码、二维码和扫描器、射频识别技术（RFID）和解读器、摄像头、北斗或GPS、温度、湿度等传感器和终端（见图1）。

2.1.1 条码。

条形码（barcode）是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）排成的平行线图案（见图2）。

2.1.2 二维码。

二维码又称二维条码，常见的二维码为QR Code，QR全称Quick Response，用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的;在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集;每个字符占有一定的宽度;具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化点（见图3）。

2.1.3 RFID。

（1）射频识别，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池;也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。

（2）RFID技术中所衍生的產品大概有三大类：无源RFID产品、有源RFID产品、半有源RFID产品（见图4）。

应答器：由天线，耦合元件及芯片组成，一般来说都是用标签作为应答器，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。

阅读器：由天线，耦合元件，芯片组成，读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式rfid读写器或固定式读写器。

应用软件系统 ：是应用层软件，主要是把收集的数据进一步处理，并为人们所使用。

2.1.4 传感器。

（1）传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

（2）传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

（3）常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：

光敏传感器——视觉

声敏传感器——听觉

气敏传感器——嗅觉

化学传感器——味觉

压敏、温敏、流体传感器——触觉。

（4）敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号;转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号;变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制;转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电（见图5）。

2.1.5 物联网终端。

（1）M2M是Machine-to-Machine简称，以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用和服务，M2M终端是一种典型的物联网终端。广义上，M2M可代表机器对机器、人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接和通信，涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。

（2）M2M应用市场正在全球范围快速增长，随着包括通信设备、管理软件等相关技术的深化，M2M产品成本的下降，M2M业务将逐渐走向成熟。目前，在美国和加拿大等国已经实现安全监测、机械服务、维修业务、自动售货机、公共交通系统、车队管理、工业流程自动化、电动机械、城市信息化等领域的应用（见图6）。

2.1.6 应用系统构成。

（1）智能化机器。

“智能化”，所谓使机器“开口说话”，让机器具有信息感知、信息加工及无线加工的能力。

（2）M2M硬件。

使机器可具备联网能力和远程通信的部件，进行信息提取，从不同设备内汲取需要的信息，传输到分析部分。

（3）通信网络。

包括广域网（无线移动通讯网络、卫星通讯网络、互联网和公众电话网），局域网（以太网、无线局域网、蓝牙、wifi），个域网（Zigbee、传感器网络），通过上述网络将M2M硬件传输的信息送达指定位置，是出于M2M技术框架的核心的地位。

（4）中间件。

M2M网关完成在不同协议之间的转换，在通信网络和IT系统之间建立桥梁。

2.2 物联网的应用。

互联网应用层负责提供丰富的应用，将物联网技术与行业信息化需求相结合，是智能处理，即利用云计算、数据挖掘、中间件等技术和行业需求结合，实现广泛智能化的应用解决方案。物联网通过网络层将感知层的物件連接起来，由应用层提供丰富的应用（见图7）。

2.2.1 智慧城市。

智慧城市应用体系：智慧物流体系、智慧制造体系、智慧贸易体系、智慧能源应用体系、智慧公共服务、智慧社会管理体系、智慧交通体系、智慧健康保障体系、智慧安居服务体系、智慧文化服务体系。

（1）智慧公共服务：建设智慧公共服务和城市管理系统。通过加强就业、医疗、文化、安居等专业性应用系统建设，通过提升城市建设和管理的规范化、精准化和智能化水平，有效促进城市公共资源在全市范围共享，积极推动城市人流、物流、信息流、资金流的协调高效运行，在提升城市运行效率和公共服务水平的同时，推动城市发展转型升级。

（2）智慧城市综合体：采用视觉采集和识别、各类传感器、无线定位系统、RFID、条码识别、视觉标签等顶尖技术，构建智能视觉物联网，对城市综合体的要素进行智能感知、自动数据采集，涵盖城市综合体当中方方面面，将采集的数据可视化和规范化，让管理者能进行可视化城市综合体管理。

（3）智慧政务城市综合管理运营平台：括指挥中心、计算机网络机房、智能监控系统、和平区街道图书馆和数字化公共服务网络系统四个部分内容，并统一数据、统一网络，建设数据中心、共享平台，从根本上有效的将政府各个部门的数据信息互联互通，并对车流、人流、物流实现全面的感知。

（4）智慧安居服务。融合应用物联网、互联网、移动通信等各种信息技术，发展社区政务、智慧家居系统、智慧楼宇管理、智慧社区服务、社区远程监控、安全管理、智慧商务办公等智慧应用系统，使居民生活“智能化发展”。

（5）智慧教育文化服务：教育综合信息网、网络学校、数字化课件、教学资源库、虚拟图书馆、教学综合管理系统、远程教育系统等资源共享数据库及共享应用平台系统。

（6）智慧服务应用。①智慧物流：配合综合物流园区信息化建设，推广射频识别（RFID）、多维条码、卫星定位、货物跟踪、电子商务等信息技术在物流行业中的应用。②智慧贸易：支持企业通过自建网站或第三方电子商务平台，开展网上询价、网上采购、网上营销，网上支付等电子商务活动。

（7）智慧健康保障体系建设。建立卫生服务网络和城市社区卫生服务体系，促进各医疗卫生单位信息系统之间的沟通和交互。以实现医院服务网络化为重点，推进远程挂号、电子收费、数字远程医疗服务、图文体检诊断系统等智慧医疗系统建设，提升医疗和健康服务水平。

（8）智慧交通。通过监控、监测、交通流量分布优化等技术，完善公安、城管、公路等监控体系和信息网络系统，建立以交通诱导、应急指挥、智能出行、出租车和公交车管理等系统为重点的、统一的智能化城市交通综合管理和服务系统建设，实现交通信息的充分共享、公路交通状况的实时监控及动态管理，全面提升监控力度和智能化管理水平，确保交通运输安全、畅通。

（9）“智慧城市”是IBM“智慧的地球”策略中的一个重要方面。“智慧的地球”提出以更智慧的方法，通过新一代信息技术改变人们交互的方式，提高实时信息处理能力及感应与响应速度，增强业务弹性和连续性，促进社会各项事业的全面和谐发展。

2.2.2 车联网。

车联网（Internet of Vehicles）是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络（见图8）。

（1）第一层（端系统）：端系统是汽车的智能传感器，负责采集与获取车辆的智能信息，感知行车状态与环境;是具有车内通信、车间通信、车网通信的泛在通信终端;同时还是让汽车具备IOV寻址和网络可信标识等能力的设备。

（2）第二层（管系统）：解决车与车（V2V）、车与路（V2R）、车与网（V2I）、车与人（V2H）等的互联互通，实现车辆自组网及多种异构网络之间的通信与漫游，在功能和性能上保障实时性、可服务性与网络泛在性，同时它是公网与专网的统一体。