物聯(lián)網(wǎng)技術及智能家居應用研究
2012-04-12 00:00:00李莎
現(xiàn)代電子技術 2012年21期
摘 要：物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)之后，又一個改變?nèi)祟惿钚螒B(tài)的重大產(chǎn)業(yè)革命，因其巨大的應用前景而受到廣泛重視。本文在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)概念的基礎上，重點描述了物聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)成及物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術，結(jié)合在智能家居上的應用方案，介紹了物聯(lián)網(wǎng)的典型應用，最后提出了物聯(lián)網(wǎng)標準化的問題。
關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)； 智能家居； 關鍵技術； 標準化
0 引 言
物聯(lián)網(wǎng)是在已有的互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)和廣電網(wǎng)發(fā)展的前期基礎上，將互聯(lián)互通的網(wǎng)絡概念進一步擴展到生活當中的各個實體物質(zhì)當中，具體地說，就是把感應器嵌入和裝備到日常生活設計的一切可能物體中，通過這些物體網(wǎng)絡連接，形成物聯(lián)網(wǎng)，從而使得人類社會真正步入智能化和統(tǒng)一化的時代，各種物品之間均可以實現(xiàn)自由的交流，形成一個完全擬人化的智能世界。
世界主要發(fā)達國家都從國家戰(zhàn)略的高度來大力推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我國政府也高度重視物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[1]。我國“十二五”規(guī)劃中已明確將物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)來培育發(fā)展，將建設物聯(lián)網(wǎng)應用示范工程列為戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)。
同時物聯(lián)網(wǎng)為智能家居的發(fā)展提供了可靠的技術條件，使智能家居成為可能，表現(xiàn)在：物聯(lián)網(wǎng)所包括的射頻技術、計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、綜合布線技術、信息協(xié)議交換使得物品具有數(shù)據(jù)化的身份標識，借助家庭網(wǎng)關[2]，數(shù)據(jù)可以在電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)上對內(nèi)和對外流動。如今的智能家居集安全防護、方便時尚和健康生活三大生活家居產(chǎn)品為一體，早已打破僅局限于室內(nèi)開關遙控的模式，讓居室安全和家庭健康也智能起來，智能家居是物聯(lián)網(wǎng)技術應用生活的具體表現(xiàn)，使一個抽象概念正逐步轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實應用。
1 物聯(lián)網(wǎng)與智能家居
1.1 物聯(lián)網(wǎng)
目前我國對物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個統(tǒng)一的標準定義，但從物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上看，物聯(lián)網(wǎng)是一個動態(tài)的全球網(wǎng)絡基礎設施，它具有基于標準和互操作通信協(xié)議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，并與信息網(wǎng)絡無縫整合。物聯(lián)網(wǎng)將與媒體互聯(lián)網(wǎng)、服務互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一起，構(gòu)成未來互聯(lián)網(wǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)概括起來主要體現(xiàn)在三個方面：
（1） 互聯(lián)網(wǎng)特征：對需要聯(lián)網(wǎng)的物一定要能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)絡；
（2） 識別與通信特征：納入物聯(lián)網(wǎng)的“物”要具備自動識別及物物通信（M2M）的功能[3]；
（3） 智能化特征：網(wǎng)絡系統(tǒng)應具有自動化、自我反饋與智能控制的特點。
1.2 物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)模型
中國移動在物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方面的工作進展較快，提出的感知層、網(wǎng)絡層和應用層的物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)模型，是構(gòu)建多應用互聯(lián)互通、信息共享的基礎。在這個體系架構(gòu)模型中，提出了物聯(lián)網(wǎng)信息中心和管理中心的概念[4]。
從技術架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)的組成和功能如下：
（1） 感知層：由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關構(gòu)成，包括二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、二維標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)獲取識別物體、采集信息的來源，負責完成感知、識別物體，采集、捕獲信息。
（2） 網(wǎng)絡層：由各種私有網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息，具備網(wǎng)絡運營和信息運營的能力。
（3） 應用層：物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用[5]，將物聯(lián)網(wǎng)技術與行業(yè)應用相結(jié)合，實現(xiàn)廣泛智能化應用的解決方案集。
1.3 智能家居應用方案
如今，家庭內(nèi)部里的許多家用設備形式越來越多樣，有些設備本身就具備遙控能力，比如空調(diào)、電視機等，有些則不具備這方面能力，比如熱水器、微波爐、電飯煲、冰箱等。而這些設備即使可以遙控，對其控制能力、控制范圍都是非常有限的。并且這些設備之間都是相互孤立存在的，不能有效實現(xiàn)資源與信息的共享。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關技術的日益成熟，智能家居中各家用設備間互聯(lián)互通的問題也將得到解決[6]，如圖1所示。
智能家居集安全防護、方便時尚和健康生活三大生活家居產(chǎn)品為一體，集中在以下應用：
（1） 家庭安防中心：家庭安防設備，如攝像頭、紅外探測器、煙霧探測器等，一旦接入物聯(lián)網(wǎng)，主人就可以在任何時刻任何地點了解家里的安全動態(tài)。
（2） 家庭醫(yī)療中心：家庭若有老人和小孩，可在合適位置安放攝像頭，了解他們的狀況。家用醫(yī)療器械，如血壓計等連接物聯(lián)網(wǎng)，與社區(qū)醫(yī)院聯(lián)網(wǎng)，方便醫(yī)生實時了解病人的身體狀況，及時做出治療。
（3） 家庭數(shù)據(jù)中心：家庭里的大量數(shù)據(jù)資料，如電影、音樂、游戲等，可以通過物聯(lián)網(wǎng)，海量存儲到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務器上，方便隨時查看。
（4） 常用的家庭信息，如天氣預報、咨詢信息等可以通過連接入網(wǎng)的家庭終端設備及時了解到。
（5） 家庭商務中心：商務中心可以完成一系列的，如繳費、支付、購物的任務，讓主人可以足不出戶完成各種瑣碎的日常生活。
智能M2M家用網(wǎng)關負責家用設備的各類信息的采集，同時通過無線網(wǎng)絡和Internet把信息上行傳送到物聯(lián)網(wǎng)管理中心，各類用戶可以通過物聯(lián)網(wǎng)管理中心的Web應用服務訪問到各自關心的家用設備信息。另一方面，用戶可以借助物聯(lián)網(wǎng)管理中心的設備訪問應用服務，實現(xiàn)對各類設備進行遠程控制的目的，這些控制包括簡單的設備開、關、模式及參數(shù)調(diào)整等，同時還包括了終端設備嵌入式應用的版本升級、設備遠程診斷等[7]。
2 關鍵技術與待解決問題
綜合物聯(lián)網(wǎng)參考模型[4]和智能家居結(jié)構(gòu)（見圖2）可以看出，物聯(lián)網(wǎng)應用的開展需要解決以下技術及問題：
（1） 物體屬性標識：屬性包括靜態(tài)和動態(tài)的屬性，靜態(tài)屬性可以直接存儲在標簽中，動態(tài)屬性需要由傳感器實時探測；
（2） 物體屬性識別：需要識別設備實現(xiàn)對物體屬性的讀取，并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式；
（3） 物體信息的傳輸與處理：將物體的信息通過網(wǎng)絡傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行模ㄌ幚碇行目赡苁欠植际降模缂依锏碾娔X或者手機，也可能是集中式的，如中國移動的IDC），由處理中心完成物體通信的相關計算。
2.1 感知層技術
數(shù)據(jù)采集是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)“物物相聯(lián)，人物互動”的基礎。采集設備一般采用嵌入式系統(tǒng)，為了獲得各種客觀世界的物理量，如溫度、濕度、光照度等等，傳感器技術也是數(shù)據(jù)采集技術中的重要一支。因此，物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集技術包括傳感器技術、嵌入式系統(tǒng)技術、采集設備以及核心芯片。
ECP提供了一套較完善的產(chǎn)品電子代碼編碼方法，實現(xiàn)對物理對象的惟一標識。RFID作為一種射頻自動識別技術[8]，通過物品標簽與閱讀器之間的配合，可以基于計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品的自動識別和信息的互聯(lián)與共享，為物聯(lián)網(wǎng)中物品的身份標識提供技術支持。ECP標簽中存儲著數(shù)據(jù)格式規(guī)范的信息即對物品靜態(tài)信息的描述，通過RFID閱讀器將物品的屬性信息自動采集到系統(tǒng)中，實現(xiàn)對物品的自動識別并按照一定的要求完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡傳遞到數(shù)據(jù)處理中心，便于后續(xù)的管理和使用。
智能信號處理將對采集設備獲得的各種原始數(shù)據(jù)進行必要的處理，以獲得與目標事物相關的信息。首先獲得各種物理量的量測值，即原始信號。之后通過信號提取技術篩選有用信號，通過調(diào)理提高信號的信噪比；高信噪比的信號通過各類信號變換，在映射空間上可以進行信號的特征提取。借助于信號分析技術，如特征對比、分類技術，可以將各種特征信號對應到某一類的物理事件。在物聯(lián)網(wǎng)的信號處理技術中，以多物理量檢測、信號提取、信號調(diào)理、信號變換、信號分析為核心關鍵技術。
2.2 網(wǎng)絡層技術
為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的普適性，終端感知網(wǎng)絡需要具有多樣性，而這種多樣性是通過通用物體通信協(xié)議來保證的。由于終端感知節(jié)點并不是固定組網(wǎng)，為了完成不同的感知任務，實現(xiàn)各種目標，節(jié)點組網(wǎng)技術必不可少。終端感知設備之間的通信不能采用傳統(tǒng)設備的通信協(xié)議，因此需要自適應優(yōu)化網(wǎng)絡協(xié)議。同時終端設備的低處理能力、低功耗等特性，決定了必須采用輕量級和高能效的協(xié)議。
智能家居系統(tǒng)的終端網(wǎng)絡通信的數(shù)據(jù)傳輸量小，無需太大的傳輸速度，但是要求信息交換實時性強，延時段，同時還要求網(wǎng)絡的容量大，以滿足家庭中的各種家電設備。ZigBee的技術特點決定了其能很好地滿足智能家居網(wǎng)絡的上述需求[9]，特別是具備自組織、自愈能力，這樣的無線通信技術是智能家居系統(tǒng)理想的通信方式。
物聯(lián)網(wǎng)以終端感知網(wǎng)絡為觸角，以運行在大型服務器上的程序為大腦，實現(xiàn)對客觀世界的有效感知以及有利控制。其中連接終端感知網(wǎng)絡與服務器的橋梁便是各類網(wǎng)絡接入技術，包括 GSM、TDSCDMA等蜂窩網(wǎng)絡，WLAN、WPAN等專用無線網(wǎng)絡，Internet等各種網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡接入是通過網(wǎng)關來完成的。
物聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)有計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用RFID技術實現(xiàn)對物品的電子標識，然后再利用無線通信等技術接人互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的網(wǎng)絡，并實現(xiàn)網(wǎng)絡中物品與物品或人與物品之間的“交流”。因此，因特網(wǎng)技術是物聯(lián)網(wǎng)的技術基礎，或者說，物聯(lián)網(wǎng)是因特網(wǎng)技術在應用范圍上的一個由人及物的拓展，因特網(wǎng)主要解決物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點感知信息的傳輸與共享問題。
物聯(lián)網(wǎng)的最終發(fā)展形態(tài)一定具有“泛在網(wǎng)絡 ”的特點，方便人們隨時、隨地與目標對象進行通信，因此，無線通信技術的應用是必不可少的一種通信技術手段。事實上，目前物聯(lián)網(wǎng)所涉及的RFID或傳感器網(wǎng)絡等核心技術中都融合了無線通信技術，也只有無線通信技術的應用，才能將物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想變?yōu)楝F(xiàn)實，同時達到其低成本和易于實現(xiàn)的目標。
2.3 應用層技術
物聯(lián)網(wǎng)以終端感知網(wǎng)絡為觸角，深入物理世界的每一個角落，獲得客觀世界的各種測量數(shù)據(jù)。同時物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略最終是為人服務的，它將獲得的各種物理量進行綜合、分析，并根據(jù)自身智能合理優(yōu)化人類的生產(chǎn)生活活動。
物聯(lián)網(wǎng)的支撐設備包括高性能計算平臺、海量存儲以及管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫等。通過這些設施，能夠支撐物聯(lián)網(wǎng)海量信息的處理、存儲、管理等工作。
物聯(lián)網(wǎng)的應用需要智能化信息處理技術的支撐，主要需要針對大量的數(shù)據(jù)通過深層次的數(shù)據(jù)挖掘，并結(jié)合特定行業(yè)的知識和前期科學成果，建立針對各種應用的專家系統(tǒng)、預測模型、內(nèi)容和人機交互服務。專家系統(tǒng)利用業(yè)已成熟的某領域?qū)＜抑R庫，從終端獲得數(shù)據(jù)，比對專家知識，從而解決某類特定的專業(yè)問題。預測模型和內(nèi)容服務等基于物聯(lián)網(wǎng)提供的對物理世界精確、全面的信息，可以對物理世界的規(guī)律（如洪水、地震、藍藻）進行更加深入的認識和掌握，以做出準確的預測預警，以及應急聯(lián)動管理。人機交互與服務也體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng) “為人類服務”的宗旨。人機交互提供了人與物理世界的互動接口[10]。物聯(lián)網(wǎng)能夠為人類提供的各種便利也體現(xiàn)在服務之中。
數(shù)據(jù)智能處理是實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的物聯(lián)網(wǎng)的核心技術。包括數(shù)據(jù)匯聚、 存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的理論和技術。數(shù)據(jù)匯聚包括實時、非實時物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務數(shù)據(jù)匯總后存放到數(shù)據(jù)庫中，方便后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘、專家分析、決策支持和智能處理。
2.4 數(shù)據(jù)安全與運營管理
由于物聯(lián)網(wǎng)終端感知網(wǎng)絡的私有特性，因此安全也是一個必須面對的問題。物聯(lián)網(wǎng)中的傳感節(jié)點通常需要部署在無人值守、不可控制的環(huán)境中，除了受到一般無線網(wǎng)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(jié)點容易被攻擊者獲取，通過物理手段獲取存儲在節(jié)點中的所有信息，從而侵入網(wǎng)絡、控制網(wǎng)絡的威脅。涉及到安全的主要有程序內(nèi)容、運行使用、信息傳輸?shù)确矫鎇11]。
從安全技術角度來看，相關技術包括以確保使用者身份安全為核心的認證技術，確保安全傳輸?shù)拿荑€建立及分發(fā)機制，以及確保數(shù)據(jù)自身安全的數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)安全協(xié)議等數(shù)據(jù)安全技術。因此在物聯(lián)網(wǎng)安全領域，數(shù)據(jù)安全協(xié)議、密鑰建立及分發(fā)機制、數(shù)據(jù)加密算法設計以及認證技術是關鍵部分。
由于終端感知網(wǎng)絡的節(jié)點眾多，因此必須引入節(jié)點管理對多個節(jié)點進行操作。其中包括以使終端感知網(wǎng)絡壽命最大化為目標的能量管理，以確保覆蓋性及連通性為目標的拓撲管理，以保證網(wǎng)絡服務質(zhì)量為目標的QoS管理及移動控制，以實現(xiàn)異地管理為目標的遠程管理技術，同時包括存儲配置參數(shù)的數(shù)據(jù)庫管理等。
作為物聯(lián)網(wǎng)應用不可或缺的組成部分，數(shù)據(jù)庫負責存儲由WSN或RFID收集到的感知數(shù)據(jù)，所用到的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可選擇大型分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。管理系統(tǒng)能夠?qū)⒁汛鎯Φ臄?shù)據(jù)進行可視化顯示、數(shù)據(jù)管理（包括數(shù)據(jù)的添加、修改、刪除和查詢操作）以及進一步分析和處理（生成決策和數(shù)據(jù)挖掘等）。
2.5 物聯(lián)網(wǎng)標準問題
物聯(lián)網(wǎng)是一個新穎的概念，所涉及的技術和包羅的對象十分豐富。雖然，當前世界上有相當數(shù)量的國家和技術力量正在積極地從事著物聯(lián)網(wǎng)方面的研究工作，但物聯(lián)網(wǎng)本身還存在著待解決的缺乏完整的標準體系問題，如國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)存在的主要問題就包括“關鍵技術有待突破、研發(fā)力量比較分散、體系架構(gòu)尚未建立、標準不統(tǒng)一”等。只有標準化問題解決好了， 便捷而高效的互
聯(lián)互通才有可能實現(xiàn)。
3 結(jié) 語
目前我國的物聯(lián)網(wǎng)智能家居并沒有完全的實現(xiàn)，也沒有大規(guī)模的應用到家居的各個環(huán)節(jié)中，究其原因不但和產(chǎn)品成本較高有關，也和互聯(lián)網(wǎng)的安全性有關。
物聯(lián)網(wǎng)的技術推廣成為推動智能家居發(fā)展的催化劑，智能家居系統(tǒng)逐步朝著網(wǎng)絡化、信息化、智能化方向發(fā)展，智能終端設備的產(chǎn)品也逐步走向成熟，尤其以ZigBee為代表的先進技術應用，使得物聯(lián)網(wǎng)通信技術往無線方向發(fā)展，也從一定程度上降低了產(chǎn)品的成本，更容易推廣和接受。同時加強網(wǎng)絡安全機制，保護個人信息，才能真正讓互聯(lián)網(wǎng)技術造福于人類。
參 考 文 獻
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