物聯網技術研究

李明 陳龍文

摘 要：物聯網技術是計算機科學領域的前沿技術，它的出現將掀起一次新的科技革命。物聯網的目的是實現萬物的互聯，以識別、管理和控制。本文著重介紹了物聯網產生的歷程、體系結構和用到的關鍵技術并對物聯網的應用作了簡介。

關鍵詞：物聯網；網絡感知；無線傳感網絡；云計算

1 物聯網簡介

物聯網是繼互聯網之后的新一代網絡技術，是指通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器、氣體感應器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，與互聯網形成的一個巨大網絡。其目是實現對“萬物”的“高效、節能、安全、環保”的“管、控、營”一體化。物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間進行信息交換和通訊。

2 物聯網的結構組成

物聯網是融合了傳感器、計算機、通信網絡、半導技術的物與物之間的互聯通信。從技術支撐角度來說，它叫傳感網。在整個大網絡的范疇中，物聯網包含了傳感網，而傳感器網絡作為一個網絡模型，與物聯網一起完成各種事物間的相互通信，如在民用的車速監測、環境監測中，物聯網依靠傳感網實現對信息的檢查以及對事物的監控。根據網絡內數據的流向及處理方式，物聯網可分為三個層次：即網絡感知層、傳輸網絡層、應用服務層。

2.1 感知層

感知層由數據采集子層、短距離通信技術和協同信息處理子層組成。數據采集子層通過各種類型的傳感器獲取物理世界中發生的物理事件和數據信息，例如各種物理量、標識、音頻和視頻多媒體數據。短距離通信技術和協同信息處理子層將采集到的數據在局部范圍內進行協同處理，以提高信息的精度，降低信息冗余度。感知層中間件技術旨在解決感知層數據與多種應用平臺間的兼容性問題，包括代碼管理、服務管理、狀態管理、設備管理、時間同步、定位等。在有些應用中還需要通過執行器或其他智能終端對感知結果做出反應，實現智能控制。感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經末梢，它是物聯網識別物體，采集信息的來源，其主要功能是完成物聯網應用數據采集和設備控制功能，還包括數據接入到網關之前的傳感器網絡。物聯網通過傳感器采集數據，通過無線傳感網絡來實現采集數據的向上傳輸。

2.2 網絡層

網絡層由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。網絡層可以細分為承載網絡層和應用控制層，其中由計算機網絡和通信網絡構成的承載網絡是業務的基礎網絡。根據應用需求，可作為透明傳送的網絡層，也可升級以滿足未來不同內容傳輸的要求。經過十余年的快速發展，移動通信、互聯網等技術已比較成熟，基本能夠滿足物聯網中數據傳輸的需要。

2.3 應用服務層

應用服務層由各種服務器組成，主要功能包括對采集數據的匯集、轉換、分析，以及用戶層呈現的適配和事件的觸發等。針對不同的應用，將設置不同的應用服務器。應用服務層主要將物聯網技術與行業專業系統相結合，實現廣泛的物物互聯的應用解決方案，主要包括業務中間件和行業應用領域。其中，物聯網服務支撐子層用于支撐跨行業、 跨應用、跨系統之間的信息協同、共享、互通的功能。物聯網應用服務子層包括智能交通、 智能醫療、智能家居、智能物流、智能電力等行業應用。

3 物聯網的部分網絡通信技術

在物聯網的機器到機器、人到機器和機器到人的信息傳輸中，有多種通信技術可供選擇，他們主要分為有線和無線兩大類技術，這些技術均已相對成熟。在物聯網的實現中，格外重要的是無線傳感網技術。無線傳感網（WSN）是集分布式信息采集、傳輸和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。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網絡，來感知整個物質世界的。

根據目前物聯網所涵蓋的概念，其工作范圍可以分成兩大塊：一塊是體積小、能量低、存儲容量小、運算能力弱的智能小物體的互聯，即傳感網；另一塊是沒有上述約束的智能終端的互聯，如智能家電、視頻監控等。對于智能小物體網絡層的網絡通信技術目前有兩項：一是基于Zig Bee聯盟開發的Zig Bee協議進行傳感器節點或者其他智能物體的互聯；另一技術是IPSO聯盟所倡導的通過IP實現傳感網節點或者其他智能物體的互聯。Zig Bee技術是基于底層IEEE802.15.4標準，用于短距離范圍、低傳輸數據速率的各種電子設備之間的無線通信技術，它定義了網絡/安全層和應用層。Zig Bee技術經過多年的發展，技術體系已相對成熟，并已形成了一定的產業規模。

4 物聯網與云計算

隨著互聯網時代信息與數據的快速增長，有大規模、海量的數據需要處理。當數據計算量超出自身IT架構的計算能力時，一般是通過加大系統硬件投入來實現系統的可擴展性。另外，由于傳統并行編程模型應用的局限性，客觀上還需要一種易學習、使用、部署的并行編程框架來處理海量數據。為了節省成本和實現系統的可擴放性，云計算的概念因此應運而生。云計算最基本的概念是通過網絡將龐大的計算處理程序自動分拆成無數個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大系統處理。通過云計算技術，網絡服務提供者可以在數秒之內，處理數以千萬計甚至億計的信息，提供與超級計算機同樣強大效能的網絡服務。云計算作為一種能夠滿足海量數據處理需求的計算模型，將成為物聯網發展的基石。

5 物聯網的應用

物聯網用途廣泛，遍及智能交通、環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、環境監測、老人護理、個人健康、花卉栽培、水系監測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領域。物聯網把新一代IT技術充分運用在各行各業之中，具體地說，就是把傳感器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯網”與現有的互聯網整合起來，實現人類社會與物理系統的整合，在這個整合的網絡當中，存在能力超級強大的中心計算機群，能夠對整合網絡內的人員、機器、設備和基礎設施實施實時的管理和控制，在此基礎上，人類可以以更加精細和動態的方式管理生產和生活，達到“智慧”狀態，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。科技創新改變生活，物聯網以及延伸的人工智能必將為未來帶來自便利的美好生活。

6 總結

物聯網的迅猛發展及其蘊藏的智能信息服務空間預示著新的變革的到來。物聯網帶動的不僅僅是技術進步，而是通過應用創新進一步帶動社會經濟形態、創新形態的變革。物聯網產業鏈將創造巨大的產值，成為后3G時代最大的市場熱點。根據物聯網的內涵可知，要真正實現物聯網需要感知、傳輸、控制及智能等多項技術。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。信息感知技術、網絡通信技術、數據融合與智能技術、云計算等技術的研究與應用，將直接影響物聯網的發展與應用，只有綜合研究解決了這些關鍵技術問題，物聯網才能得到快速推廣，造福于人類社會，實現智慧地球的美好愿望。

參考文獻

[1]楊剛，沈沛意，鄭春紅等.物聯網理論與技術.科學出版社，2010

[2]云計算應用直通車.重慶大學出版社，2010

作者簡介

李明（1978-）女，工程師，本科，籍貫：天津，研究方向：計算機。