物聯網需要突破的關鍵技術

摘 要：文章分析了傳統傳感器與射頻識別器的區別，傳感網與傳感器網兩個概念的區別，結合實際對物聯網需要突破的射頻識別、傳感器設計制造、傳感網應用支撐、無線傳感器組網和物聯網絡應用層這5項關鍵技術進行了探討。

關鍵詞：物聯網；關鍵技術；傳感

物聯網是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任意物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。隨著信息技術的不斷發展，物聯網在各個領域得到了廣泛的應用。從長遠看，物聯網的發展要按照“應用引領、統籌集成、創新發展、確保安全”的思路，著重突破射頻識別、傳感器設計制造、傳感網應用支撐、無線傳感器組網和物聯網絡應用層這5項關鍵技術。

1 射頻識別技術

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，識別工作無需人工干預，可工作于各種惡劣環境。射頻識別技術具有操作快捷方便、可識別高速運動物體并能同時識別多個標簽的特點。按應用頻率的不同，射頻識別技術包括低頻、高頻、超高頻和微波。該技術是溝通自然物與人類社會的關鍵技術，能使自然物具有“語言”和“感官”，因此是物聯網運轉的依托。

2 傳感器設計制造技術

傳統的傳感器指現場感知設備，我們通常講的傳感器或傳感器網絡，都是指現場感知設備，不包括遙感設備。但許多國家將探測雷達、偵察衛星等遙測遙感設備也稱為傳感器。實際上，后者已經不是一般意義上的元器件，而是一個龐大的系統，是遠距離感知，其工作原理要比傳統的傳感器復雜得多。

根據物聯網的定義，射頻識別器、紅外感應器、激光掃描器等均列為感知設備。它們與傳統的傳感器一樣，具有近距離感知功能，均采用無線傳輸方式，是連接物理世界與數字世界的橋梁。但是，與射頻識別器相比，傳統的傳感器有三點根本性差異。一是不確定性感知。傳感器對被感知對象的屬性特征、出現的時間地點沒有任何先驗知識，所以存在漏判、誤判的可能性，尤其是當傳感器休眠時。而射頻識別器并不關心被感知對象自身的性質，無論在任何情況下，無論射頻識別器是有源還是無源的，總能將芯片中的信息讀出來。二是非合法性感知。射頻識別器的感知過程屬于“詢問-應答”式，傳輸的是數據，信息是完整準確的。而傳感器在感知過程中，被感知對象是不會主動配合的，有時還會刻意回避；感知部件獲得的物理量、化學量等要通過模數變換（A/D）才能向外發送；加之環境噪聲的干擾，常常導致感知的結果不精確、有誤，甚至錯誤。三是多點協同感知。基于上述原因，單個傳感器往往不能準確感知、識別特定物體的屬性，需要多個同構或異構的傳感器協同工作，才能達到預期目的。而射頻識別器在任一時刻，總是點對點感知，一個閱讀器（掃描器）就足以將芯片（條形碼）中的信息全部取出來。

當前，對傳感器的體積、性能、容量和功能等方面要求很高。因此，在傳感器節點模塊、芯片的設計上，必須高度集成，以減小模塊體積。為適應高速傳輸、大數據量處理、多元化采集、高可靠性的要求，針對傳感器網絡的特點，必須加強中高速傳感器網絡射頻芯片和可編程基帶處理芯片等專用集成電路的研制。專用嵌入式軟件、網絡軟件及管理軟件是降低成本和體積、高效完成傳感器數據處理傳輸交換、充分發揮傳感器網絡優勢的關鍵。所以，要對新型傳感器理論和技術、新型傳感器材料、傳感器裝置、高速低功耗智能核心傳感器芯片、高性能核心處理器進行研發，以用于自主設計、應用環境和不同類型的傳感器。

3 傳感網應用支撐技術

傳感網與傳感器網兩個概念的區別在于：一是關于傳感網。多個射頻識別器的芯片之間或閱讀器之間均不需要交換信息，不需要互聯成網，只需將閱讀器與后臺的處理機或服務器相聯即可，所以從功能角度上可以成為“傳感網”，但從網絡結構上看決不是“眾多傳感器互聯成網”。二是關于傳感器網。嚴格意義上的傳感器是感知、處理、發送和接收之功能集成，是無線的Ad hoc網絡中的一個個節點，它們之間要交換路由信息或遵守某種路由協議。與典型的以IP路由器組網的計算機網絡（又稱IPRnet）類似，傳感器網是以傳感器為節點組成的網絡，其功能是傳送現場感知的信息，故有時也被簡稱為“傳感網”。總之，傳感網的概念比較寬泛，工業控制系統還有前述的遙感系統，都可認為是一種傳感網。兩種網絡所采用的技術體制也截然不同，傳感器網絡嚴格遵循個域網標準IEEE802.15系列，傳感網則采用通用的局域網或廣域網體制，如機到機通信（M2M）甚至采用移動通信網體制。

傳感網應用支撐技術主要包括傳感器網絡數據傳輸、信息處理與融合、網絡能耗控制和安全防范技術。傳感器網絡數據傳輸具有部署快速、抗毀性強、不依賴于基礎設施的優點，能夠提升傳感器性能，擴大傳感器網絡應用范圍；信息處理與融合技術是利用傳感器網絡獲取信息，采用基于網絡化的分布式處理技術、信息分發共享技術，以及網絡快速搜索和目標定位技術，達到數據的快速處理、分發和共享；網絡能耗控制技術需要設計或采用專門的協議和技術來提高傳感器網絡能量效率，這些協議和技術涉及到網絡的各個層次；由于傳感器網絡多采用無線傳輸方式，導致網絡存在竊聽、惡意路由、消息篡改等安全問題。傳感器網絡中的節點能量有限，處理、存儲能力較小，一般網絡中采用的安全與可靠性算法不能運行，且傳感器網絡受到的安全威脅，同移動自組織等網絡所受到的安全威脅不同。所以，需要開發針對傳感器網絡的安全防護技術。

4 無線傳感器組網技術

無線傳感器網絡需要突破的關鍵技術主要包括低耗自組機制、異構系統的互聯互通、大結構關聯協同數據處理和無線傳感器組網。無線傳感網絡中傳感器節點的部署，具有網絡拓撲結構自組織、分布式的特點。這種特點使整個網絡的能源使用管理，始終處于一種動態變化的調整中，從而需要建立整個網絡系統的低耗自組機制來增加節點壽命，提高系統可用性，降低使用本；傳輸網絡在多數情況下可以由多種不同的網絡充當，也可以使用多種不同制式的網絡組成一個復合環境下的傳輸網絡。要使多種不同制式的網絡構成一個能暢通傳輸信息數據的網絡，需要解決不同制式的異構網絡的互聯互通及融合問題；在很多應用場合，需要大規模部署無線傳感器節點，形成一個覆蓋面很大的監控區域。在這樣的網絡系統中，傳感器節點經過數據采集后，使用多跳路由將數據送往下一個傳感器節點進行數據傳輸，對大量數據進行協同處理；未來應用中，無線傳感器網將是物聯網末端互聯的普遍形態，突破該技術至關重要。

5 物聯網絡應用層技術

物聯網的網絡應用層技術包括目標定位識別技術、時空統一技術、專用編碼技術、專家決策技術、專用數據加工技術、專用計算技術、響應控制技術及智能技術，等等。網絡應用層是確保物聯網“實用、管用”的前提，可以避免“在高速公路上跑拖拉機”的不良后果。對于具體的用戶，應用層技術是其目標規劃和需求分析的重點，也是解決物流等具體應用問題的抓手。

當前，物聯網發展仍處于起步階段，并未實現真正意義上的“智能”、“物與物對話”。因此，要加強物聯網建設的規劃及關鍵技術的突破，實現“真正物聯網”。

參考文獻

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作者簡介：劉丹（1982-），女，四川西充人，碩士，重慶電子工程職業學院，講師，研究方向：計算機科學與技術、軟件工程。