电子前沿技术报告
物联网技术应用与发展趋势
院 系：电子科学与技术系
班 级： 电子1004
姓 名： 明星辰
学 号： U201014056
联系方式： [1**********]
任课老师： 张科峰
2013年7月2日星期二
物联网技术应用与发展趋势
明星辰
(华中科技大学电子科学与技术系，武汉 430074)
摘要: 物联网因其巨大的应用前景而受到各国政府、学术界和工业界的广泛重视。介绍了物联网的概念、基本属性和特征,描述了物联网的体系构成、发展阶段及趋势。以传感器网络为例详细论述了物联网的关键技术,最后以环境监测为例,说明了物联网的典型应用。
关键词: 物联网,传感器网络,RFID ,体系结构
IOT Technology Application and Development Trends
Ming Xing-chen
(Department of Electronic Science and Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan
430074，China)
Abstract :The internet of things ( Io T) has been paid more and more attention by the government ,academe and indust ry all over the world. This paper int roduced the concept of Io T ,the basic characteristics and att ributes. It also described the system st ructure ,development phases and the future t rend. The key technologies of Io T were discussed taking the wireless sensor network as an example. The application of Io T was illust rated by it s typical use in environment monitoring.
Keywords :Internet of things ,Sensor networks ,RFID ,System st ructure
1. 引 言
物联网已经引起国内学术界、工业界和新闻媒体的高度重视,物联网研究和技术的报道已经十分普及。通过与物联网相关技术的搜索可以看出,虽然物联网的被关注程度远小于“网络安全”、“RF ID(Radio Frequency IDentification) ”、“下一代网络”和“嵌入式系统”技术的被关注程度,但是,与“传感器网络”的关注程度十分接近,而传感器网络发展历史远长于物联网。从以上搜索结果可以看出,物联网已经迅速成为当前具有影响力的技术。 社会各界在较短时间内对于物联网产生了极大的关注,说明许多人相信物联网可能对人类社会、人们日常生活产生巨大的影响。无论国内还是国外,物联网的研究和开发才处于起步阶段,有关物联网的定位和特征还存在一些混乱的概念,物联网的系统模型和结构尚没有形成标准,物联网的研究和开发在国内还存在一定程度的盲目性。
从科学研究的角度看,物联网的研究和开发存在一些值得思考的问题。例如,物联网是否就是传感器网络? 什么是物联网研究和开发的核心技术?什么是物联网的创新技术? 物联网与互联网存在哪些本质的区别? 如何开展对我国经济和社会发展有价值的物联网研究和开发?
2. 物联网的基本概念
2.1.物联网的基本定义
按照国际电信联盟( ITU)的定义[ 1 ] ,物联网主要解决物品到物品( Thing to Thing, T2T) ,人到物品(Human to Thing, H2T) ,人到人(Human to Human,H2H)之间的互连。 这里与传统互联网不同的是, H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接, H2H是指人之间不依赖于个人电脑而进行的互连。需要利用物联网才能解决的是传统意义上的互联网没有考虑的、对于任何物品连接的问题。
物联网是连接物品的网络,有些学者在讨论物联网中,常常提到M2M的概念,可以解释成为人到人(Man toMan) 、人到机器(Man to Machine) 、机器到机器(Machine toMachine) 。实际上M2M所有的解释在现有的互联网都可以实现,人到人之间的交互可以通过互联网进行,最多可以通过其他装置间接地实现,例如第三代移动电话,可以实现十分完美的人到人的交互；人到机器的交互一直是人体工程学和人机界面领域研究的主要课题；而机器与机器之间的交互已经由互联网提供了最为成功的方案。本质上,在人与机器、机器与机器的交互,大部分是为了实现人与人之间的信息交互,万维网(WorldWideWeb)技术成功的动因在于:通过搜
索和链接,提供了人与人之间异步进行信息交互的快捷方式。
我们认为,在物联网研究中不应该采用M2M概念,这是容易造成思路混乱的概念,应该采用ITU定义的T2T、H2T和H2H的概念。
2.2. 基本属性及特征
物联网中的物体根据其具有的能力发挥作用,这些能力包括计算处理、网络连接、可用的电能等,还包括场景情况(如时间和空间) 等影响因素。根据物联网组成部分的特性、作用以及包含关系,其特征包含下面5 个部分:
（1）基本功能特征
·物体可以是真实世界的实体或虚拟物体；
·物体具有标识,可以通过标识自动识别它们；
·物体是环境安全、可靠的；
·物体以及其虚拟表示对与其交互其它的物体或人们是
私密的、安全的；
·物体使用协议与其它物体或物联网基础设施进行通
信；
·物体在真实的物理世界与数字虚拟世界间交换信息。
（2）物体通用特征(高于基本功能特征)
·物体使用“服务”作为与其它物体联系的接口；
·物体在资源、服务、可选择的感知对象方面与其它物体
竞争；
·物体附加有传感器,能够与环境交互。
（3）社会特征
·物体与其它物体、计算设备以及人们进行通信；
·物体能够相互协作创建组或网络；
·物体能够初始化交互；
（4）自治特征
·物体的很多任务能够自动完成；
·物体能够协商、理解和适应其所在的环境；
·物体能够解析所在环境的模式,或者从其它物体处学习；
·物体能够基于其推理能力做出判断；
·物体能够选择性地演进和传播信息。
（5）自我复制和控制特征
·物体能够创建、管理和毁灭其它物体。
综上所述,物联网以互联网为平台,将传感器节点、射频标签等具有感知功能的信息网络整合起来,实现人类社会与物理系统的互联互通。将这种新一代的信息技术充分运用在各行各业之中,可以实现以更加精细和动态的方式管理生产和生活,提高资源利用率和生产力水平,改善人与自然间的关系。
2.3. 体系构成
根据国际电信联盟的建议,物联网自底向上可以分为以下的过程:
感知:该层的主要功能是通过各种类型的传感器对物质属性、环境状态、行为态势等静态/ 动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识,针对具体感知任务,常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算与控制,并通过接入设备将获取的信息与网络中的其它单元进行资源共享与交互。
接入:该层的主要功能是通过现有的移动通信网(如GSM 网、TD2SCDMA 网) 、无线接入网(如WiMAX) 、无线局域网(WiFi) 、卫星网等基础设施,将来自感知层的信息传送到互联网中。
互联网: 该层的主要功能是以IPv6/ IPv4 以及后IP( Post2IP) 为核心建立的互联网平台,将网络内的信息资源整合成一个可以互联互通的大型智能网络,为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠、可信的基础设施平台。
服务管理:该层的主要功能是通过具有超级计算能力的中心计算机群,对网络内的海量信息进行实时的管理和控制,并为上层应用提供一个良好的用户接口。
应用:该层的主要功能是集成系统底层的功能,构建起面向各类行业的实际应用,如生态环境与自然灾害监测、智能交通、文物保护与文化传播、运程医疗与健康监护等。
基于目前物联网的发展现状,特别是针对传感器网络的技术复杂性和非成熟性,深入开展传感网的核心技术研究。预计未来将进一步推进芯片设计、传感器、射频识别等技术的发展,在此基础上逐步开展感知层的网络(核心为传感器网络) 与后IP 网络的整合,扩展服务管理层的信息资源并探索商业模式,并以若干个典型示范应用为基础推进物联网在各个行业的应用。同时,在各个层面开展相关标准的制定。
3. 物联网关键技术应用
物联网由传感器网络、射频标签阅读装置、条码与二维码等设备以及互联网等组成。当前各项技术发展并不均衡,射频标签、条码与二维码等技术已经非常成熟,传感器网络相关技术尚有很大发展空间,本文以传感器网络为例,分析其中涉及的关键技术。传感器网络中所包含的关键内容和关键技术主要有数据采集、信号处理、协议、管理、安全、网络接入、设计验证、智能信息处理和信息融合以及支撑和应用等方面。
3.1. 智能感知技术
数据采集是物联网实现“物物相联,人物互动”的基础。采集设备一般拥有MCU 控制器；由于低成本限制,因此一般采用嵌入式系统；物联网的规范要求整个终端设备必须是智能的,因此信息采集设备一般都有操作系统。为了获得各种客观世界的物理量,如温度、湿度、光照度等等,传感器技术也是数据采集技术中的重要一支。因此,物联网的数据采集技术包括传感器技术、嵌入式系统技术、采集设备以及核心芯片。
3.2. 智能信号处理技术
智能信号处理将对采集设备获得的各种原始数据进行必要的处理,以获得与目标事物相关的信息。首先获得各种物理量的量测值,即原始信号。之后通过信号提取技术筛选有用信号,通过调理提高信号的信噪比；高信噪比的信号通过各类信号变换,在映射空间上可以进行信号的特征提取；借助于信号分析技术,如特征对比、分类技术,可以将各种特征信号对应到某一类的物理事件。
这里的“信号处理”含义包括信号抗干扰、信号分离以及信号滤波等技术。这些技术有两种实现方式:节点上实现和基站上实现。前者是值得推荐的,其优点是具有实时性,减少了不必要的数据流量和传输过程中能量的消耗。但是由于节点资源有限,在节点上实现将面临要求低算法复杂度的挑战,而在资源丰富的基站(如服务器) 上实现则能进行较复杂的信号处理,还可以进行分类学习或模式识别,信号处理效果会更好,而面临的困难则是如何减少网内数据流量以及传输过程中的能量消耗,并尽可能降低由服务器而增加的网络成本。
3.3. 支撑与应用
物联网以终端感知网络为触角,深入物理世界的每一个角落,获得客观世界的各种测量数据。同时物联网战略最终是为人服务的,它将获得的各种物理量进行综合、分析,并根 据自身智能合理优化人类的生产生活活动。物联网的支撑设备包括高性能计算平台、海量存储以及管理系统及数据库等。通过这些设施,能够支撑物联网海量信息的处理、存储、管理等工作。
物联网的应用需要智能化信息处理技术的支撑,主要需要针对大量的数据通过深层次的
数据挖掘,并结合特定行业的知识和前期科学成果,建立针对各种应用的专家系统、预测模型、内容和人机交互服务。专家系统利用业已成熟的某领域专家知识库,从终端获得数据,比对专家知识,从而解决某类特定的专业问题。预测模型和内容服务等基于物联网提供的对物理世界精确、全面的信息,可以对物理世界的规律(如洪水、地震、蓝藻) 进行更加深入的认识和掌握,以做出准确的预测预警,以及应急联动管理。人机交互与服务也体现了物联网“为人类服务”的宗旨。人机交互提供了人与物理世界的互动接口。物联网能够为人类提供的各种便利也体现在服务之中。
4. 物联网发展阶段和未来趋势
IBM 前首席执行官Louis V. Gerstner 曾提出一个重要的观点,认为计算模式每隔15 年发生一次变革。这一判断像摩尔定律一样准确,人们把它称为“十五年周期定律”。1965 年前后发生的变革以大型机为标志,1980 年前后以个人计算机的普及为标志,而1995 年前后则发生了互联网革命。可以预见,在2010 年前后则会发生一场以“物联网”为标志的新技术和经济革命。
作为一个新兴产业,物联网从诞生到广泛应用需要经历四个阶段:第一阶段为设想阶段,这个时期为产业发展的最初期。第二阶段为技术研发阶段,美国、欧盟等都在投入大量资 源深入研究物联网。我国在1999 年就启动了物联网核心技术无线传感器网络的研究,国家投入大规模资金用于物联网研发。第三阶段为实验阶段,在技术研发的水平达到一定程度时,就可以进行小范围的试用和检测,这是从理论走向实践的一步。目前一些企业已开始尝试物联网商用,如IBM 公司的“智慧地球”。在商用领域我国相关企业也开始了探索,在2009 中国国际信息通信展览会上,中国移动、电信和联通三大电信运营商开始尝试物联网业务,比如中国移动的手机钱包和手机购电业务。该业务也可以应用于超市、餐厅等小额支付场合；中国联通的无线环保检测平台通过3G网络,可实时对水表、灌溉、水文、水质等动态数据进行监测,又可对空气质量、碳排放和噪音进行监测。第四阶段为全面推广阶段,也是投入资金最大的时期。同时,一但大规模商用,大量基础设施的建设和终端产品的全面推广必将推动电信、信息存储处理、IT 服务整体解决方案等众多相关市场的发展。在物联网普及以后,用于动物、植物和机器、物品的传感器与电子标签及配套的接口装置的数量将远远超过手机的数量。物联网的推广将会成为推进经济发展的重要领域,美国权威咨询机构Forester 预测,到2020 年,世界上物物互联的业务,跟人与人通信的业务相比,将达到30 比1 ,因此,“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。
参考文献
[1] Kahn J M ,Katz R H ,Pister K S J . Next century challenges :mo2bile networking for“Smart Dust”[ C] ∥Proceedings of the thannual ACM/ IEEE international conference on Mobile compu2ting and networking (MobiCom1999) .August 1999
[2] Neil G. When Things Start to Think [ M] . New York : HenryHolt ,1999
[3] ITU St rategy and Policy Unit (SPU) . ITU Internet Report s2005 : The Internet of Things [ R ] . Geneva : International Telecommunication Union ( ITU) ,2005
[4]崔莉,鞠海玲,苗勇,等. 传感器网络研究进展[J ] . 计算机研究与发展,2005 ,42
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