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物聯網技術研究綜述
作者：王保云
來源：RFID世界網
日期：2010-06-18 08:58:52
摘要：近幾年來物聯網技術受到了人們的廣泛關注。本文介紹了物聯網技術的概念、歷史與發展現狀。以最具代表性的EPC Global 物聯網體系架構和Ubiquitous ID 物聯網系統為例, 對物聯網的網絡體系與服務體系進行了闡述; 分析了物聯網研究中的關鍵技術, 包括RFID 技術、傳感器網絡與檢測技術、智能技術和納米技術; 最后, 展望了物聯網技術的前景以及對人類生活、工業發展、科技進步的促進作用。
1 引 言
“物聯網”(Internet of Things), 指的是將各種信息傳感設備, 如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等種種裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡[1-3]。其目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起, 系統可以自動的、實時的對物體進行識別、定位、追蹤、監控并觸發相應事件。“物聯網”是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第三次浪潮。“物聯網”概念的問世,打破了之前的傳統思維。過去的思路一直是將物理基礎設施和IT 基礎設施分開:一方面是機場、公路、建筑物, 而另一方面是數據中心, 個人電腦、寬帶等。而在“物聯網”時代, 鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統一的基礎設施, 在此意義上, 基礎設施更像是一塊新的地球工地, 世界的運轉就在它上面進行, 其中包括經濟管理、生產運行、社會管理乃至個人生活。
“物聯網”的概念是在1999 年提出的, 它的定義很簡單：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來, 實現智能化識別和管理。也就是說, 物聯網是指各類傳感器和現有的互聯網相互銜接的一個新技術。
2005 年國際電信聯盟(ITU)發布了《ITU 互聯網報告2005：物聯網》, 報告指出, 無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨, 世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網主動進行交換。射頻識別技術(RFID)、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將到更加廣泛的應用[1]。
2008 年3 月在蘇黎世舉行了全球首個國際物聯網會議“物聯網 2008”, 探討了“物聯網”的新理念和新技術與如何將“物聯網”推進發展的下個階段。奧巴馬就任美國總統后, 與美國工商業領袖舉行了一次“圓桌會議”, 作為僅有的兩名代表之一, IBM 首席執行官彭明盛首次提出“智慧的地球”這一概念, 建議新政府投資新一代的智慧型基礎設施, 闡明其短期和長期效益。奧巴馬對此給予了積極的回應：“經濟刺激資金將會投入到寬帶網絡等新興技術中去,毫無疑問, 這就是美國在21 世紀保持和奪回競爭優勢的方式”。此概念一經提出, 即得到美國各界的高度關注, 甚至有分析認為, IBM 公司的這一構想極有可能上升至美國的國家戰略, 并在世界范圍內引起轟動。
2009 年8 月7 日溫家寶總理到無錫微納傳感網工程技術研發中心視察并就、發表了重要講話。8 月24 日, 中國移動總裁王建宙赴臺首次發表公開演講,提出了“物聯網”理念。王建宙指出, 通過裝置在各類物體上的電子標簽(RFID), 傳感器、二維碼等經過接口與無線網絡相連, 從而給物體賦予智能, 可以實現人與物體的溝通和對話, 也可以實現物體與物體互相間的溝通和對話。這種將物體聯接起來的網絡被稱為“物聯網”。王建宙同時指出, 要真正建立一個有效的“物聯網”, 有兩個重要因素。一是規模性, 只有具備了規模, 才能使物品的智能發揮作用; 二是流動性, 物品通常都不是靜止的, 而是處于運動的狀態, 必須保持物品在運動狀態, 甚至高速運動狀態下都能隨時實現對話。
2 物聯網的網絡體系與服務體系
目前, 物聯網還沒有一個廣泛認同的體系結構,最具代表性的物聯網架構是歐美支持的EPCGlobal“物聯網”體系架構和日本的Ubiquitous ID(UID)物聯網系統[2-8]。EPCglobal 和泛在ID 中心(Ubiquitous IDcenter) 都是為推進RFID 標準化而建立的國際標準化團體, 我國也積極參與了上述物聯網體系, 正在積極制定符合我國發展情況的物聯網標準和架構。
2.1 EPCGlobal“物聯網”體系架構
EPC Global 是由美國統一代碼協會(UCC)和國際物品編碼協會(EAN)于2003 年9 月共同成立的非營利性組織, 其前身是1999 年10 月1 日在美國麻省理工學院成立的非營利性組織Auto-ID 中心。
Auto-ID 中心以創建“物聯網”(Internet of Things)為使命, 與眾多成員企業共同制訂一個統一的開放技術標準。
EPC 系統由EPC 編碼體系、射頻識別系統和信息網絡系統3 部分組成, 主要包括6 個方面, 如表1所示。
EPC “物聯網”體系架構由EPC 編碼、EPC 標簽及讀寫器、EPC 中間件、ONS 服務器和EPCIS 服務
日本在電子標簽方面的發展，始于20 世紀80年代中期的實時嵌入式系統TRON。T-Engine 是其中核心的體系架構。在T－Engine 論壇領導下, 泛在ID中心設立在東京大學, 于2003 年3 月成立, 并得到日本政府經產省和總務省以及大企業的支持, 目前包括微軟、索尼、三菱、日立、日電、東芝、夏普、富士通、NTT、DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量級企業。 UID中心建立的目的是為了建立和普及自動識別“物品”所需的基礎技術, 最終實現“計算無處不在”的理想環境。
UID 技術體系架構由泛在識別碼(uCode)、泛在通信器、信息系統服務器、和ucode 解析服務器等4部分構成。UID 使用uCode 作為現實世界物品和場所的標識, UC 從uCode 電子標簽中讀取uCode 獲取這些設施的狀態, 并控制它們, UC 類似于PDA 終端。UID 能在多種行業中得到廣泛應用, UID 是將現實世界用uCode 標簽的物品、場所等各種實體和虛擬世界中存儲在信息服務器中各種相關信息聯系起來, 實現“物物互聯”。而且, UID 是一個開放的架構,它的規范是對大眾公開的。
3 物聯網研究中的關鍵技術
2005 年, 國際電聯發表了一份題為“物聯網”的報告, 其第一作者勞拉·斯里瓦斯塔瓦說：“我們現在站在一個新的通信時代的入口處, 在這個時代中,我們所知道的因特網將會發生根本性的變化。因特網是人們之間通信的一種前所未有的手段, 現在因特網又能把人與所有的物體連接起來, 還能把物體與物體連接起來”。國際電聯報告提出物聯網主要有四個關鍵性的應用技術：標簽事物的RFID, 感知事物的傳感網絡技術Sensor technologies, 思考事物的智能技術Smart technologies, 微縮事物的納米技術Nanotechnology—RFID, 傳感器, 智能技術以及納米技術[1]。
3.1 物聯網包含的關鍵技術之一—— RFID
RFID(radio frequency identification, 射頻識別)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術, 它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據, 識別過程無須人工干預, 可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,操作快捷方便。RFID 技術與互聯網、通訊等技術相結合, 可實現全球范圍內物品跟蹤與信息共享[4, 6]。RFID (Radio Frequency Identification, 射頻識別)電子標簽是一種把天線和IC 封裝到塑料基片上的新型無源電子卡片; 具有數據存儲量大、無線無源、小巧輕便、使用壽命長、防水、防磁和安全防偽等特點; 是近幾年發展起來的新型產品, 是未來幾年代替條形碼走進“物聯網”時代的關鍵技術之一。閱讀器(即PCE 機)和電子標簽(即PICC 卡)之間通過電磁場感應進行能量、時序和數據的無線傳輸。在PCD 機天線的可識別范圍內, 可能會同時出現多張PICC卡。如何準確識別每張卡, 是A 型PICC 卡的防碰撞(即anticollision, 也叫防沖突)技術要解決的關鍵問題。
RFID 的技術標準主要由ISO 和IEC 制定的。目前可供射頻卡使用的幾種射頻技術標準有ISO/IEC10536、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693 和ISO/IEC18000。應用最多的是ISO/IEC 14443 和ISO/IEC15693, 這兩個標準都由物理特性、射頻功率和信號接口、初始化和反碰撞以及傳輸協議4 部分組成。RFID 基本上是由3 部分組成:
標簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成, 每個標簽具有唯一的電子編碼, 附著在物體上標識目標對象;閱讀器(Reader)：讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備, 可設計為手持式或固定式;
天線(Antenna)：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。RFID 的技術難點與問題可以概括為如下幾個方面:
1)RFID 反碰撞防沖突問題;
2)RFID 天線研究;
3)工作頻率的選擇;
4)安全與隱私問題.
3.2 傳感器網絡與檢測技術
傳感器是機器感知物質世界的 “感覺器官”, 可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號, 為網絡系統的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。隨著科技技術的不斷發展, 傳統的傳感器正逐步實現微型化、智能化、信息化、網絡化, 正經歷著一個從傳統傳感器(dumb sensor)→ 智能傳感器(smartsensor)→嵌入式Web 傳感器(embedded web sensor)的內涵不斷豐富的發展過程。
無線傳感器網絡(WSN, wireless sensor network)是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術于一體的網絡信息系統, 以其低成本、微型化、低功耗和靈活的組網方式、鋪設方式以及適合移動目標等特點受到廣泛重視, 是關系國民經濟發展和國家安全的重要技術。物聯網正是通過遍布在各個角落和物體上的形形色色的傳感器以及由它們組成的無線傳感器網絡, 來最終感知整個物質世界的。
傳感器網絡節點的基本組成包括如下幾個基本單元：傳感單元(由傳感器和模數轉換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等)、通信單元(由無線通信模塊組成)以及電源。此外, 可以選擇的其他功能單元包括：定位系統、移動系統以及電源自供電系統等。在傳感器網絡中, 節點可以通過飛機布撒或人工布置等方式, 大量部署在被感知對象內部或者附近。這些節點通過自組織方式構成無線網絡, 以協作的方式實時感知、采集和處理網絡覆蓋區域中的信息, 并通過多跳網絡將數據經由Sink 節點(接收發送器)鏈路將整個區域內的信息傳送到遠程控制管理中心。另一方面, 遠程管理中心也可以對網絡節點進行實時控制和操縱。目前, 面向物聯網的傳感器網絡技術研究包括
以下一些方面：
1) 先進測試技術及網絡化測控
綜合傳感器技術、嵌入式計算機技術、分布式信息處理技術等, 協作地實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息, 并對其進行處理、傳送。研究分布式測量技術與測量算法, 應對日益提高的測試和測量需求。
2) 智能化傳感器網絡節點研究
傳感器網絡節點為一個微型化的嵌入式系統,構成了無線傳感器網絡的基礎層支持平臺。感知物質世界及其變化過程中, 需要檢測的對象很多, 如溫度、壓力、濕度、應變等, 微型化、低功耗對于傳感器網絡的應用意義重大, 研究采用MEMS 加工技術, 并結合新材料的研究, 設計符合未來要求的微型傳感器; 其次, 需要研究智能傳感器網絡節點的設計理論, 使之可識別和配接多種敏感元件, 并適用于主被動各種檢測方法; 第三, 各節點必須具備足夠的抗干擾能力、適應惡劣環境的能力, 并能夠適合應用場合、尺寸的要求; 第四, 研究利用傳感器網絡節點具有的局域信號處理功能, 在傳感器節點附近局部完成很多信號信息處理工作,將原來由中央處理器實現的串行處理、集中決策的系統, 改變為一種并行的分布式信息處理系統。
3) 傳感器網絡組織結構及底層協議研究
網絡體系結構是網絡的協議分層以及網絡協議的集合, 是對網絡及其部件所應完成功能的定義和描述。對無線傳感器網絡來說, 其網絡體系結構不同于傳統的計算機網絡和通信網絡。有學者提出無線傳感器網絡體系結構可由分層的網絡通信協議、傳感器網絡管理以及應用支撐技術3 部分組成。分層的網絡通信協議結構類似于TCP/IP 協議體系結構;傳感器網絡管理技術主要是對傳感器節點自身的管理以及用戶對傳感器網絡的管理; 在分層協議和網絡管理技術的基礎上, 支持了傳感器網絡的應用支撐技術。在實際應用當中, 傳感器網絡中存在大量傳感器節點, 密度較高, 網絡拓撲結構在節點發生故障時, 有可能發生變化, 應考慮網絡的自組織能力、自動配置能力及可擴展能力; 在某些條件下, 為保證有效的檢測時間, 傳感器點要保持良好的低功耗性;傳感器網絡的目標是檢測相關對象的狀態, 而不僅是實現節點間的通信。因此, 在研究傳感器網絡的網絡底層協議時, 要針對以上特點, 開展相關工作。
4) 對傳感器網絡自身的檢測與控制
由于傳感器網絡是整個物聯網的底層和信息來源, 網絡自身的完整性、完好性和效率等參數性能至關重要。對傳感器網絡的運行狀態及信號傳輸通暢性進行監測, 研究開發硬件節點和設備的診斷技術,實現對網絡的控制。
5) 傳感器網絡的安全
傳感器網絡除了具有一般無線網絡所面臨的信息泄露、信息篡改、重放攻擊、拒絕服務等多種威脅外, 還面臨傳感節點容易被攻擊者物理操縱, 并獲取存儲在傳感節點中的所有信息, 從而控制部分網絡的威脅。必須通過其它的技術方案來提高傳感器網絡的安全性能。如在通信前進行節點與節點的身份認證; 設計新的密鑰協商方案, 使得即使有一小部分節點被操縱后, 攻擊者也不能或很難從獲取的節點信息推導出其它節點的密鑰信息; 對傳輸信息加密解決竊聽問題; 保證網絡中的傳感信息只有可信實體才可以訪問, 保證網絡保證私有性問題;采用一些跳頻和擴頻技術減輕網絡堵塞問題。
3.3 智能技術
智能技術是為了有效地達到某種預期的目的,利用知識所采用的各種方法和手段。通過在物體中植入智能系統, 可以使得物體具備一定的智能性,能夠主動或被動的實現與用戶的溝通, 也是物聯網的關鍵技術之一。主要的研究內容和方向包括：
1) 人工智能理論研究
智能信息獲取的形式化方法; 海量信息處理的理論和方法; 網絡環境下信息的開發與利用方法;機器學習。
2) 先進的人-機交互技術與系統
聲音、圖形、圖像、文字及語言處理; 虛擬現實技術與系統; 多媒體技術。
3) 智能控制技術與系統
物聯網就是要給物體賦予智能, 可以實現人與物體的溝通和對話, 甚至實現物體與物體互相間的溝通和對話。為了實現這樣的目標, 必須要對智能控制技術與系統實現進行研究。例如：研究如何控制智能服務機器人完成既定任務(運動軌跡控制、準確的定位和跟蹤目標等)。
4) 智能信號處理
信息特征識別和融合技術、地球物理信號處理與識別。
3.4 納米技術
納米技術, 是研究結構尺寸在0.1~100 nm 范圍內材料的性質和應用, 主要包括: 納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等。這7 個相對獨立又相互滲透的學科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征這3 個研究領域。納米材料的制備和研究是整個納米科技的基礎。其中, 納米物理學和納米化學是納米技術的理論基礎, 而納米電子學是納米技術最重要的內容。
使用傳感器技術就能探測到物體物理狀態, 物體中的嵌入式智能能夠通過在網絡邊界轉移信息處理能力而增強網絡的威力, 而納米技術的優勢意味著物聯網當中體積越來越小的物體能夠進行交互和連接。
當前電子技術的趨勢要求器件和系統更小、更快、更冷, 更小, 是指響應速度要快。更冷是指單個器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度。 納米技術是建設者的最后疆界, 它的影響將是巨大的。納米電子學, 包括基于量子效應的納米電子器件、納米結構的光/電性質、納米電子材料的表征, 以及原子操縱和原子組裝等。
4 未來展望——人類將進入物聯網時代
物聯網需要自動控制、信息傳感、射頻識別、無線通信及計算機技術等, 物聯網的研究將帶動整個產業鏈或者說推動產業鏈的共同發展。可以肯定,在國家大力推動工業化與信息化兩化融合的大背景下, 物聯網會是工業乃至更多行業信息化過程中,一個比較現實的突破口。在手機數據采集、產品的二維碼全程監控等手段已經證實, 無線通信與傳統物聯網結合后的“新物聯網”已產生更廣泛的應用,從而在技術上推動工業走出危機[1]。
1) 推進經濟發展的驅動器
物聯網的推廣將會成為推進經濟發展的又一個驅動器, 為產業開拓了又一個潛力無窮的發展機會。可以預見, 在“物聯網”普及以后, 用于動物、植物和機器、物品的傳感器與電子標簽及配套的接口裝置的數量將大大超過手機的數量。按照目前對物聯網的需求, 在近年內就需要按億計的傳感器和電子標簽, 這將大大推進信息技術元件的生產, 同時增加大量的就業機會。
要真正建立一個有效的物聯網, 有兩個重要因素。一是規模性, 只有具備了規模, 才能使物品的智能發揮作用。二是流動性, 物品通常都不是靜止的,而是處于運動的狀態, 必須保持物品在運動狀態,甚至高速運動狀態下都能隨時實現對話。
我國的無線通信網絡已經覆蓋了城鄉, 從繁華的城市到偏僻的農村, 從海南島到珠穆朗瑪峰, 到處都有無線網絡的覆蓋。無線網絡是實現物聯網必不可少的基礎設施, 安置在動物、植物、機器和物品上的電子介質產生的數字信號可隨時隨地通過無處不在的無線網絡傳送出去。“云計算”技術的運用, 使數以億計的各類物品的實時動態管理變得可能, 使整個網絡真正成了一臺電腦。
2) “物聯網”給物體賦予智能
因為車輛與道路之間缺乏溝通, 需要一個智能化的交通控制系統。同樣, 需要一個智能化的供暖控制系統。在生產安全領域, 在食品衛生領域, 在工程控制領域, 在城市管理領域, 在人們日常生活的各個方面, 甚至在人們的娛樂活動中, 都需要建立隨時能與物體溝通的智能系統。
“智慧地球”是IBM 公司首席執行官彭明盛去年首次提出的新概念。通過裝置在各類物體上實現物體與物體互相間的溝通和對話, 使智能技術正應用到生活的各個方面, 如智慧的醫療、智慧的交通、智慧的電力、智慧的食品、智慧的貨幣、智慧的零售業、智慧的基礎設施甚至智慧的城市, 這使地球變得越來越智能化。可以想象, 當物體被賦予智能, 人類將真正有可能從資源的使用者變為資源的控制者和資源的守護者。
3) 給物體賦予智能整合“物理設備”實現“智能互聯城市”
如果說英特網實現了全球幾億用戶的 “信息”互聯, 那么“智能互聯建筑”則實現了某一網絡內“物理設備”的互聯。無論是“智能互聯城市”還是“智慧的地球”, 類似構想的實現, 都要求建立發達的“物聯網”。
“智能互聯建筑”解決方案在硅谷已有用戶使用,美國網域存儲技術有限公司(NetApp)就通過執行思科的解決方案節約了15％的能耗。思科公司控制工程師David Shroyer·說, 在供電公司的需求響應信號發出20 分鐘之內, Mediator 可將照明亮度減小50％,將溫度設置點提高4℃, 從而節省用電1.1MW。思科將這一解決方案與其他系統相結合后, 在18 個月內已幫助位于Sunnyvale 的工作地點的能耗降低了1800 萬千瓦時。這既減少了碳的排放, 也節省了大約200 萬美元的能源開支。
“智能互聯城市”的方案, 能夠節約大量能源以及人力, 提高人們的生活品質。思科服務業務執行副總裁Wim Elfrink 說, 在目前全球經濟下行的時候,中國仍然能夠實現6％的GDP 增長, 而且中國正在建設多個人口超過百萬的城市, 這種智能互聯城市的概念是非常適用于中國的。
每一次大危機, 都會催生一些新技術, 而新技術的誕生也是使經濟、特別是工業走出危機的巨大推動力。物聯網就其本身來說, 代表了下一代信息發展技術, 隨著各方面的共同努力, 物聯網技術會對中國整個經濟起到積極推動作用。
“物聯網”(Internet of Things), 指的是將各種信息傳感設備, 如射頻識別(RFID)裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等種種裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡[1-3]。其目的是讓所有的物品都與網絡連接在一起, 系統可以自動的、實時的對物體進行識別、定位、追蹤、監控并觸發相應事件。“物聯網”是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第三次浪潮。“物聯網”概念的問世,打破了之前的傳統思維。過去的思路一直是將物理基礎設施和IT 基礎設施分開:一方面是機場、公路、建筑物, 而另一方面是數據中心, 個人電腦、寬帶等。而在“物聯網”時代, 鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統一的基礎設施, 在此意義上, 基礎設施更像是一塊新的地球工地, 世界的運轉就在它上面進行, 其中包括經濟管理、生產運行、社會管理乃至個人生活。
“物聯網”的概念是在1999 年提出的, 它的定義很簡單：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來, 實現智能化識別和管理。也就是說, 物聯網是指各類傳感器和現有的互聯網相互銜接的一個新技術。
2005 年國際電信聯盟(ITU)發布了《ITU 互聯網報告2005：物聯網》, 報告指出, 無所不在的“物聯網”通信時代即將來臨, 世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網主動進行交換。射頻識別技術(RFID)、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將到更加廣泛的應用[1]。
2008 年3 月在蘇黎世舉行了全球首個國際物聯網會議“物聯網 2008”, 探討了“物聯網”的新理念和新技術與如何將“物聯網”推進發展的下個階段。奧巴馬就任美國總統后, 與美國工商業領袖舉行了一次“圓桌會議”, 作為僅有的兩名代表之一, IBM 首席執行官彭明盛首次提出“智慧的地球”這一概念, 建議新政府投資新一代的智慧型基礎設施, 闡明其短期和長期效益。奧巴馬對此給予了積極的回應：“經濟刺激資金將會投入到寬帶網絡等新興技術中去,毫無疑問, 這就是美國在21 世紀保持和奪回競爭優勢的方式”。此概念一經提出, 即得到美國各界的高度關注, 甚至有分析認為, IBM 公司的這一構想極有可能上升至美國的國家戰略, 并在世界范圍內引起轟動。
2009 年8 月7 日溫家寶總理到無錫微納傳感網工程技術研發中心視察并就、發表了重要講話。8 月24 日, 中國移動總裁王建宙赴臺首次發表公開演講,提出了“物聯網”理念。王建宙指出, 通過裝置在各類物體上的電子標簽(RFID), 傳感器、二維碼等經過接口與無線網絡相連, 從而給物體賦予智能, 可以實現人與物體的溝通和對話, 也可以實現物體與物體互相間的溝通和對話。這種將物體聯接起來的網絡被稱為“物聯網”。王建宙同時指出, 要真正建立一個有效的“物聯網”, 有兩個重要因素。一是規模性, 只有具備了規模, 才能使物品的智能發揮作用; 二是流動性, 物品通常都不是靜止的, 而是處于運動的狀態, 必須保持物品在運動狀態, 甚至高速運動狀態下都能隨時實現對話。
2 物聯網的網絡體系與服務體系
目前, 物聯網還沒有一個廣泛認同的體系結構,最具代表性的物聯網架構是歐美支持的EPCGlobal“物聯網”體系架構和日本的Ubiquitous ID(UID)物聯網系統[2-8]。EPCglobal 和泛在ID 中心(Ubiquitous IDcenter) 都是為推進RFID 標準化而建立的國際標準化團體, 我國也積極參與了上述物聯網體系, 正在積極制定符合我國發展情況的物聯網標準和架構。
2.1 EPCGlobal“物聯網”體系架構
EPC Global 是由美國統一代碼協會(UCC)和國際物品編碼協會(EAN)于2003 年9 月共同成立的非營利性組織, 其前身是1999 年10 月1 日在美國麻省理工學院成立的非營利性組織Auto-ID 中心。
Auto-ID 中心以創建“物聯網”(Internet of Things)為使命, 與眾多成員企業共同制訂一個統一的開放技術標準。
EPC 系統由EPC 編碼體系、射頻識別系統和信息網絡系統3 部分組成, 主要包括6 個方面, 如表1所示。
EPC “物聯網”體系架構由EPC 編碼、EPC 標簽及讀寫器、EPC 中間件、ONS 服務器和EPCIS 服務
日本在電子標簽方面的發展，始于20 世紀80年代中期的實時嵌入式系統TRON。T-Engine 是其中核心的體系架構。在T－Engine 論壇領導下, 泛在ID中心設立在東京大學, 于2003 年3 月成立, 并得到日本政府經產省和總務省以及大企業的支持, 目前包括微軟、索尼、三菱、日立、日電、東芝、夏普、富士通、NTT、DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量級企業。 UID中心建立的目的是為了建立和普及自動識別“物品”所需的基礎技術, 最終實現“計算無處不在”的理想環境。
UID 技術體系架構由泛在識別碼(uCode)、泛在通信器、信息系統服務器、和ucode 解析服務器等4部分構成。UID 使用uCode 作為現實世界物品和場所的標識, UC 從uCode 電子標簽中讀取uCode 獲取這些設施的狀態, 并控制它們, UC 類似于PDA 終端。UID 能在多種行業中得到廣泛應用, UID 是將現實世界用uCode 標簽的物品、場所等各種實體和虛擬世界中存儲在信息服務器中各種相關信息聯系起來, 實現“物物互聯”。而且, UID 是一個開放的架構,它的規范是對大眾公開的。
3 物聯網研究中的關鍵技術
2005 年, 國際電聯發表了一份題為“物聯網”的報告, 其第一作者勞拉·斯里瓦斯塔瓦說：“我們現在站在一個新的通信時代的入口處, 在這個時代中,我們所知道的因特網將會發生根本性的變化。因特網是人們之間通信的一種前所未有的手段, 現在因特網又能把人與所有的物體連接起來, 還能把物體與物體連接起來”。國際電聯報告提出物聯網主要有四個關鍵性的應用技術：標簽事物的RFID, 感知事物的傳感網絡技術Sensor technologies, 思考事物的智能技術Smart technologies, 微縮事物的納米技術Nanotechnology—RFID, 傳感器, 智能技術以及納米技術[1]。
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3.1 物聯網包含的關鍵技術之一—— RFID
RFID(radio frequency identification, 射頻識別)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術, 它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據, 識別過程無須人工干預, 可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,操作快捷方便。RFID 技術與互聯網、通訊等技術相結合, 可實現全球范圍內物品跟蹤與信息共享[4, 6]。RFID (Radio Frequency Identification, 射頻識別)電子標簽是一種把天線和IC 封裝到塑料基片上的新型無源電子卡片; 具有數據存儲量大、無線無源、小巧輕便、使用壽命長、防水、防磁和安全防偽等特點; 是近幾年發展起來的新型產品, 是未來幾年代替條形碼走進“物聯網”時代的關鍵技術之一。閱讀器(即PCE 機)和電子標簽(即PICC 卡)之間通過電磁場感應進行能量、時序和數據的無線傳輸。在PCD 機天線的可識別范圍內, 可能會同時出現多張PICC卡。如何準確識別每張卡, 是A 型PICC 卡的防碰撞(即anticollision, 也叫防沖突)技術要解決的關鍵問題。
RFID 的技術標準主要由ISO 和IEC 制定的。目前可供射頻卡使用的幾種射頻技術標準有ISO/IEC10536、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693 和ISO/IEC18000。應用最多的是ISO/IEC 14443 和ISO/IEC15693, 這兩個標準都由物理特性、射頻功率和信號接口、初始化和反碰撞以及傳輸協議4 部分組成。RFID 基本上是由3 部分組成:
標簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成, 每個標簽具有唯一的電子編碼, 附著在物體上標識目標對象;閱讀器(Reader)：讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設備, 可設計為手持式或固定式;
天線(Antenna)：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。RFID 的技術難點與問題可以概括為如下幾個方面:
1)RFID 反碰撞防沖突問題;
2)RFID 天線研究;
3)工作頻率的選擇;
4)安全與隱私問題.
3.2 傳感器網絡與檢測技術
傳感器是機器感知物質世界的 “感覺器官”, 可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號, 為網絡系統的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。隨著科技技術的不斷發展, 傳統的傳感器正逐步實現微型化、智能化、信息化、網絡化, 正經歷著一個從傳統傳感器(dumb sensor)→ 智能傳感器(smartsensor)→嵌入式Web 傳感器(embedded web sensor)的內涵不斷豐富的發展過程。
無線傳感器網絡(WSN, wireless sensor network)是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術于一體的網絡信息系統, 以其低成本、微型化、低功耗和靈活的組網方式、鋪設方式以及適合移動目標等特點受到廣泛重視, 是關系國民經濟發展和國家安全的重要技術。物聯網正是通過遍布在各個角落和物體上的形形色色的傳感器以及由它們組成的無線傳感器網絡, 來最終感知整個物質世界的。
傳感器網絡節點的基本組成包括如下幾個基本單元：傳感單元(由傳感器和模數轉換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等)、通信單元(由無線通信模塊組成)以及電源。此外, 可以選擇的其他功能單元包括：定位系統、移動系統以及電源自供電系統等。在傳感器網絡中, 節點可以通過飛機布撒或人工布置等方式, 大量部署在被感知對象內部或者附近。這些節點通過自組織方式構成無線網絡, 以協作的方式實時感知、采集和處理網絡覆蓋區域中的信息, 并通過多跳網絡將數據經由Sink 節點(接收發送器)鏈路將整個區域內的信息傳送到遠程控制管理中心。另一方面, 遠程管理中心也可以對網絡節點進行實時控制和操縱。目前, 面向物聯網的傳感器網絡技術研究包括
以下一些方面：
1) 先進測試技術及網絡化測控
綜合傳感器技術、嵌入式計算機技術、分布式信息處理技術等, 協作地實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息, 并對其進行處理、傳送。研究分布式測量技術與測量算法, 應對日益提高的測試和測量需求。
2) 智能化傳感器網絡節點研究
傳感器網絡節點為一個微型化的嵌入式系統,構成了無線傳感器網絡的基礎層支持平臺。感知物質世界及其變化過程中, 需要檢測的對象很多, 如溫度、壓力、濕度、應變等, 微型化、低功耗對于傳感器網絡的應用意義重大, 研究采用MEMS 加工技術, 并結合新材料的研究, 設計符合未來要求的微型傳感器; 其次, 需要研究智能傳感器網絡節點的設計理論, 使之可識別和配接多種敏感元件, 并適用于主被動各種檢測方法; 第三, 各節點必須具備足夠的抗干擾能力、適應惡劣環境的能力, 并能夠適合應用場合、尺寸的要求; 第四, 研究利用傳感器網絡節點具有的局域信號處理功能, 在傳感器節點附近局部完成很多信號信息處理工作,將原來由中央處理器實現的串行處理、集中決策的系統, 改變為一種并行的分布式信息處理系統。
3) 傳感器網絡組織結構及底層協議研究
網絡體系結構是網絡的協議分層以及網絡協議的集合, 是對網絡及其部件所應完成功能的定義和描述。對無線傳感器網絡來說, 其網絡體系結構不同于傳統的計算機網絡和通信網絡。有學者提出無線傳感器網絡體系結構可由分層的網絡通信協議、傳感器網絡管理以及應用支撐技術3 部分組成。分層的網絡通信協議結構類似于TCP/IP 協議體系結構;傳感器網絡管理技術主要是對傳感器節點自身的管理以及用戶對傳感器網絡的管理; 在分層協議和網絡管理技術的基礎上, 支持了傳感器網絡的應用支撐技術。在實際應用當中, 傳感器網絡中存在大量傳感器節點, 密度較高, 網絡拓撲結構在節點發生故障時, 有可能發生變化, 應考慮網絡的自組織能力、自動配置能力及可擴展能力; 在某些條件下, 為保證有效的檢測時間, 傳感器點要保持良好的低功耗性;傳感器網絡的目標是檢測相關對象的狀態, 而不僅是實現節點間的通信。因此, 在研究傳感器網絡的網絡底層協議時, 要針對以上特點, 開展相關工作。
4) 對傳感器網絡自身的檢測與控制
由于傳感器網絡是整個物聯網的底層和信息來源, 網絡自身的完整性、完好性和效率等參數性能至關重要。對傳感器網絡的運行狀態及信號傳輸通暢性進行監測, 研究開發硬件節點和設備的診斷技術,實現對網絡的控制。
5) 傳感器網絡的安全
傳感器網絡除了具有一般無線網絡所面臨的信息泄露、信息篡改、重放攻擊、拒絕服務等多種威脅外, 還面臨傳感節點容易被攻擊者物理操縱, 并獲取存儲在傳感節點中的所有信息, 從而控制部分網絡的威脅。必須通過其它的技術方案來提高傳感器網絡的安全性能。如在通信前進行節點與節點的身份認證; 設計新的密鑰協商方案, 使得即使有一小部分節點被操縱后, 攻擊者也不能或很難從獲取的節點信息推導出其它節點的密鑰信息; 對傳輸信息加密解決竊聽問題; 保證網絡中的傳感信息只有可信實體才可以訪問, 保證網絡保證私有性問題;采用一些跳頻和擴頻技術減輕網絡堵塞問題。
3.3 智能技術
智能技術是為了有效地達到某種預期的目的,利用知識所采用的各種方法和手段。通過在物體中植入智能系統, 可以使得物體具備一定的智能性,能夠主動或被動的實現與用戶的溝通, 也是物聯網的關鍵技術之一。主要的研究內容和方向包括：
1) 人工智能理論研究
智能信息獲取的形式化方法; 海量信息處理的理論和方法; 網絡環境下信息的開發與利用方法;機器學習。
2) 先進的人-機交互技術與系統
聲音、圖形、圖像、文字及語言處理; 虛擬現實技術與系統; 多媒體技術。
3) 智能控制技術與系統
物聯網就是要給物體賦予智能, 可以實現人與物體的溝通和對話, 甚至實現物體與物體互相間的溝通和對話。為了實現這樣的目標, 必須要對智能控制技術與系統實現進行研究。例如：研究如何控制智能服務機器人完成既定任務(運動軌跡控制、準確的定位和跟蹤目標等)。
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4) 智能信號處理
信息特征識別和融合技術、地球物理信號處理與識別。
3.4 納米技術
納米技術, 是研究結構尺寸在0.1~100 nm 范圍內材料的性質和應用, 主要包括: 納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等。這7 個相對獨立又相互滲透的學科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征這3 個研究領域。納米材料的制備和研究是整個納米科技的基礎。其中, 納米物理學和納米化學是納米技術的理論基礎, 而納米電子學是納米技術最重要的內容。
使用傳感器技術就能探測到物體物理狀態, 物體中的嵌入式智能能夠通過在網絡邊界轉移信息處理能力而增強網絡的威力, 而納米技術的優勢意味著物聯網當中體積越來越小的物體能夠進行交互和連接。
當前電子技術的趨勢要求器件和系統更小、更快、更冷, 更小, 是指響應速度要快。更冷是指單個器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度。 納米技術是建設者的最后疆界, 它的影響將是巨大的。納米電子學, 包括基于量子效應的納米電子器件、納米結構的光/電性質、納米電子材料的表征, 以及原子操縱和原子組裝等。
4 未來展望——人類將進入物聯網時代
物聯網需要自動控制、信息傳感、射頻識別、無線通信及計算機技術等, 物聯網的研究將帶動整個產業鏈或者說推動產業鏈的共同發展。可以肯定,在國家大力推動工業化與信息化兩化融合的大背景下, 物聯網會是工業乃至更多行業信息化過程中,一個比較現實的突破口。在手機數據采集、產品的二維碼全程監控等手段已經證實, 無線通信與傳統物聯網結合后的“新物聯網”已產生更廣泛的應用,從而在技術上推動工業走出危機[1]。
1) 推進經濟發展的驅動器
物聯網的推廣將會成為推進經濟發展的又一個驅動器, 為產業開拓了又一個潛力無窮的發展機會。可以預見, 在“物聯網”普及以后, 用于動物、植物和機器、物品的傳感器與電子標簽及配套的接口裝置的數量將大大超過手機的數量。按照目前對物聯網的需求, 在近年內就需要按億計的傳感器和電子標簽, 這將大大推進信息技術元件的生產, 同時增加大量的就業機會。
要真正建立一個有效的物聯網, 有兩個重要因素。一是規模性, 只有具備了規模, 才能使物品的智能發揮作用。二是流動性, 物品通常都不是靜止的,而是處于運動的狀態, 必須保持物品在運動狀態,甚至高速運動狀態下都能隨時實現對話。
我國的無線通信網絡已經覆蓋了城鄉, 從繁華的城市到偏僻的農村, 從海南島到珠穆朗瑪峰, 到處都有無線網絡的覆蓋。無線網絡是實現物聯網必不可少的基礎設施, 安置在動物、植物、機器和物品上的電子介質產生的數字信號可隨時隨地通過無處不在的無線網絡傳送出去。“云計算”技術的運用, 使數以億計的各類物品的實時動態管理變得可能, 使整個網絡真正成了一臺電腦。
2) “物聯網”給物體賦予智能
因為車輛與道路之間缺乏溝通, 需要一個智能化的交通控制系統。同樣, 需要一個智能化的供暖控制系統。在生產安全領域, 在食品衛生領域, 在工程控制領域, 在城市管理領域, 在人們日常生活的各個方面, 甚至在人們的娛樂活動中, 都需要建立隨時能與物體溝通的智能系統。
“智慧地球”是IBM 公司首席執行官彭明盛去年首次提出的新概念。通過裝置在各類物體上實現物體與物體互相間的溝通和對話, 使智能技術正應用到生活的各個方面, 如智慧的醫療、智慧的交通、智慧的電力、智慧的食品、智慧的貨幣、智慧的零售業、智慧的基礎設施甚至智慧的城市, 這使地球變得越來越智能化。可以想象, 當物體被賦予智能, 人類將真正有可能從資源的使用者變為資源的控制者和資源的守護者。
3) 給物體賦予智能整合“物理設備”實現“智能互聯城市”
如果說英特網實現了全球幾億用戶的 “信息”互聯, 那么“智能互聯建筑”則實現了某一網絡內“物理設備”的互聯。無論是“智能互聯城市”還是“智慧的地球”, 類似構想的實現, 都要求建立發達的“物聯網”。
“智能互聯建筑”解決方案在硅谷已有用戶使用,美國網域存儲技術有限公司(NetApp)就通過執行思科的解決方案節約了15％的能耗。思科公司控制工程師David Shroyer·說, 在供電公司的需求響應信號發出20 分鐘之內, Mediator 可將照明亮度減小50％,將溫度設置點提高4℃, 從而節省用電1.1MW。思科將這一解決方案與其他系統相結合后, 在18 個月內已幫助位于Sunnyvale 的工作地點的能耗降低了1800 萬千瓦時。這既減少了碳的排放, 也節省了大約200 萬美元的能源開支。
“智能互聯城市”的方案, 能夠節約大量能源以及人力, 提高人們的生活品質。思科服務業務執行副總裁Wim Elfrink 說, 在目前全球經濟下行的時候,中國仍然能夠實現6％的GDP 增長, 而且中國正在建設多個人口超過百萬的城市, 這種智能互聯城市的概念是非常適用于中國的。
每一次大危機, 都會催生一些新技術, 而新技術的誕生也是使經濟、特別是工業走出危機的巨大推動力。物聯網就其本身來說, 代表了下一代信息發展技術, 隨著各方面的共同努力, 物聯網技術會對中國整個經濟起到積極推動作用。
