物聯網技術及應用

摘 要由于人們對于智能化的高度需求，使得物聯網得到了極大的發展，物聯網技術已經深入到我們生產、生活的每一個方面，通過物聯網技術，可以實現將所有的物品連入互聯網中，無論人們在任何地方，只要有網絡，均可以對接入物聯網的物品進行監測和控制，物聯網技術讓許多的不可能成為了可能。本文對物聯網結構和關鍵技術進行了介紹，對物聯網技術用于智能家居和智能圖書館進行了分析。

【關鍵詞】智能化 物聯網技術 結構 關鍵技術 智能家居 智能圖書館

1 引言

人們希望在任何時間、任何地點均可以進行人與人之間的交流，尋找所需的資料，能夠感知和控制萬物。物聯網（The Internet of Things）——一個能將物物相連的網絡，通過使用全球統一的標識編碼技術為所有的物品賦予一個唯一的代碼ID，可以通過傳感技術、無線射頻識別技術（RFID）、通信技術、計算機網絡和數據庫技術將所有的物品通過互聯網聯系在一起，不僅任何地區的人與人之間均可以進行通信，還可以實現人與物、物與物之間的通信，同時還可以提取物品信息、控制物品、監測物品。物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，它是從互聯網中延伸出的一個新的分支。物聯網的發展給人們的生活帶來極大的便利，讓人們的生活發生了翻天覆地的變化。

2 物聯網的結構及所需的關鍵技術

物聯網并不是現有技術的革命性創新，而是現有技術跨學科的綜合運用。它包含了傳感器技術、通信網絡技術、計算機技術、自動控制技術和通信技術等學科。

物體標識標準化，對每一個物品賦予全球唯一的、不可更改的標識是物聯網的基礎，這就要求必須全球標準化，這樣所有的物品的信息在全球網絡中才能順利無誤的傳輸和管理。以前，標識主要是傳統的二維碼，現在，由于在射頻識別技術（RFID）中，電子標簽具有存儲量大、可反復讀寫多次的優點得到廣泛應用。對物品的電子標簽中的芯片賦予全球唯一的IP地址來作為物品的身份，也就是ID。物聯網利用各種傳感設備，通過統一ID，將物品虛擬化、數字化，通過互聯網，實現人與物、物與物的互聯，利用云計算、大數據等技術，對海量數據進行智能分析處理，從而實現對物品的智能管理。可以極大地提高監管效率、生產效率和生活的便捷度。

2.1 物聯網的結構

物聯網主要由三部分構成：感知互動層，網絡傳輸層，和應用服務層。

感知層互動層，主要由傳感系統、識別系統和相關外圍設備構成。包括各種傳感器，二維碼標簽，RFID標簽和讀寫器，攝像頭等設備，主要進行信息采集、信息轉換和信息收集。傳感器是觀察和測量的裝置，類似于人類的感官系統，傳感器技術涉及學科眾多，包括：光學、聲學、半導體技術、測量技術、信息技術、微電子技術等眾多的學科。傳感器能夠將物理變量的狀態和變化轉變為數字信息。通過各種傳感器，物體被數字化、虛擬化，變成了網絡世界中的一份子，對于這些數字化的信息，通過全球互聯網，超越時間和空間的限制，實現了物品在虛擬世界的互通互聯，使人與物，物與物之間沒有了時空的界限，讓很多的不可能變成了可能。作為物理世界與信息世界的銜接層，感知層通過信息采集，識別和執行設備，通過互聯網通信技術、信息技術、安全防范技術，可以實現物品與數字信息的感知互動。

網絡傳輸層，包含GPRS，GSM，藍牙，光纖和電纜等，主要負責信息的提取和傳輸，是連接應用層和感知層的數據通道。其關鍵技術包括無線通信技術、Web技術、數據管理技術，ZigBee技術等構成。物聯網網關可以實現多種不同設備的網絡接入，感知層中的感知設備與網絡傳輸層的連接是通過物聯網網關來實現的。

應用服務層，包含本地主機和控制器，包括物聯網中間件和物聯網應用平臺。應用層主要是基于計算機和軟件技術的各種數據處理。作為海量數據的存儲和分析平臺的云計算技術，是物聯網應用層的重要組成部分。物聯網中間件是一種介于RFID讀寫器與物聯網端應用程序之間的獨立的系統軟件或服務程序，能夠連接多個RFID讀寫器和后端應用程序，以減輕架構和維護的復雜性。中間件可以將計算機管理、設備控制和定位進行統一封裝，將物聯網技術與各個行業的服務系統連結，對互聯網傳來的數據進行處理、過濾、整合后，提供給所需的后端的應用系統。嵌入式中間件可以屏蔽操作系統、硬件平臺和通信協議的異構性，為物聯網的統一開發、運行提供了條件。

2.2 物聯網所需的關鍵技術

在物聯網的應用中，下列技術是必不可少的：

（1）信息處理技術，可以實現信息的轉換、傳輸、發布和使用。在物聯網中需要對基于多個感知層節點傳來的數據進行處理，最終對物體的狀態及變化形成系統性的信息，常常面臨多源異構、目標混雜等不確定性因素。信息處理技術包括數據處理、融合、挖掘和整合等技術。在感知層，信息處理技術主要完成對傳感器數據的預處理，通過數據預處理技術將傳感器傳來的原始信息進行信息的優化，數據的聚合等功能，感知層中信息處理關鍵技術包括數據預處理技術、特征提取技術、模式識別技術、決策樹融合技術等。在服務層，信息處理技術主要完成信息的認知，態勢分析，數據挖掘、搜索等功能。

（2）通信組網技術，為物聯網各類信息傳輸提供了有力的技術支持，包括組網技術、網關技術、中間件技術和通信技術等方面。常用通信技術包括窄帶通信技術、擴頻通信技術和多載波通信技術，窄帶通信技術根據承載信息的不同，可以分為頻率調制技術、幅度調制技術和相位調制技術。

（3）異構網絡融合技術，由于物聯網發展過程中使用網絡的多樣化，不同摘 要的網絡，接入方式和管理控制技術都大不相同，導致形成了網絡體系高度異構混雜的現狀。如何將異構網絡中的資源進行協調管理，對網絡利用率的最大化，是物聯網亟待處理的問題。可以采用無線電協作技術來解決異構網絡的相容性問題。

（4）應用服務技術，包括信息多粒度存儲、數據挖掘、數據并行處理、云計算及服務支撐等方面。大量的信息數據匯聚到應用層后，首先需要進行存儲，為以后的服務提供原始數據，接下來，需要對原始數據進行數學建模、數據挖掘以得到所需的信息。數據挖掘將從大量的、模糊、隨機的信息中挖掘出有用的信息。由于物聯網產生的信息數量是巨大的，傳統的串行處理方式效率太低，需要采取并行計算，以實現每秒執行幾十萬億次，甚至幾百萬億次的浮點計算。

3 物聯網應用

經過多年的發展，物聯網已經與人們的生產、生活息息相關。

在交通中：通過物聯網可以控制車輛的行駛狀態，自動調整行駛速度，為管理中心和駕駛員提供道路信息，查詢行駛路徑和交通信息等。

在環境保護方面：可以監測空氣質量，可以監測水資源情況，比如水位、污染等，可以監測動植物生活的環境，進行地質災害預警，火警監控，應急通信。

在醫療保健中：可以進行藥品安全監管，健康監測和咨詢，實現醫療設備的運行管理，建立醫院信息化平臺、查房、重癥監護、人員定位等，進行老人健康監護，日常生活，健康狀況監測。

在智能農業中：可以實現農副產品安全溯源，有機食品是人們十分關注的東西，電子標簽上會記錄該產品從育種、生長、成熟過程中的每一個環節，比如：農作物的用藥情況，牲畜的飼料成分，防疫情況等等，消費者憑著這個溯源碼，就可以查詢到自己所關心的所有信息，當產品出現問題也可以查出問題出現的環節。在農作物生長的過程中，可以智能控制生長情況，通過溫度、濕度、光照等各種傳感器，對土壤污染問題，光照，土壤含水量等進行實時監測采集，通過物聯網進行遠程監控調節，同時形成數據，為科學培育提供重要的理論依據。還可以安裝攝像頭，隨時隨地都可以遠程查看。

下面，分別以物聯網技術在智能家居和智能圖書館中的應用加以具體分析。

3.1 物聯網技術應用于智能家居

人的一生中，生活和工作的大部分時間都在樓宇中完成，綠色建筑，家居節能、安全，家電的遠程控制，低碳環保、高品質、高度智能的生活是我們生活中的迫切要求。樓宇中各種能源消耗巨大，大量的設備急需智能化控制。智能家居的目的就是讓設備更加智能化，讓用戶使用起來更人性化。

對家居的控制，一般是采用手動控制，手動控制不依賴網絡和遙控器，使用簡單，能夠適應不同層次用戶的需求，但是不夠方便。使用遙控器控制家里的燈光和電器，優點是方便，不用親自開啟電器開關，缺點是只能近距離操作，并且是在可視范圍內操作。APP控制，可以通過手機，利用物聯網技術，從手機上發送指令，通過網絡，將指令傳送到家庭局域網中，由局域網發送指令給物品中的電子標簽，電子標簽接收到指令，再通過控制電路，操控電器的運作。通過這種方式，還可以監控所有電器的工作狀態是否正常。

通過物聯網技術實現家居的智能化管理，首先需要給所有的智能設備安裝RFID電子標簽，家庭中所有的智能設備均通過局域網與外網相連，然后通過具有無線或有線功能的各種傳感器節點反應家居環境的物理信息，用戶狀態，感知周圍的溫度、光照、濕度等信息，將這些信息轉換為電信號存儲于電子標簽的芯片中。傳感器一般由敏感元件和轉換裝置構成，敏感元件就是能夠感知所測參數的元件，轉換裝置則負責將敏感元件所感知到的信息轉換為電信號，由于這些信號都很弱，所以，需要進行放大和調制。一般來說，智能家居中人們對家居的控制主要通過應用層中的手機APP，通過APP可以遠程查看家居中各種物品的狀態，需要控制的時候，通過手機發出指令，指令通過各種通信網絡，到達家庭網關，網關將指令傳送到相應的智能設備加以監測或控制。家庭網關使得異構信息可以互相融合，感知設備通過家庭網關與網絡傳輸層相連，家庭網關為智能家居提供了硬件支持，也是連接感知層和傳輸層的關鍵部件。另外，由于每一種智能設備的控制方式各不相同，要達到控制所有設施的目的，需要通過中間件技術來完成。

由于智能家居系統處處以人為本，是一個高度人性化的系統，所以，判斷用戶狀態，預測用戶行為都是至關重要的，是“智能”二字的核心。為了讓設備更加智能化，讓用戶使用起來更人性化，需要對用戶的行為習慣進行深度挖掘。傳感器將監測到的信息包括：光照，開關狀態，溫度等信息傳給控制中心，控制中心根據這些數據分析出用戶的行為習慣、喜好，可以自主的觸發相關行為，比如：在幾點開燈，什么時候啟動空調，什么時候啟動機器人進行清掃工作。分析行為模式需要從大量的數據中得到有用信息，常用的方法有：數據建模，數據統計分析，數據挖掘和算法處理。目前已經可以做到：早上，在用戶起床前讓廚房用具開始工作，比如煮好早餐，熱好洗澡水，出門回家前，空調、新風系統啟動，讓用戶回到家有一個舒適的環境，又不會造成能源的浪費，當用戶離開家之后，各種電器進入關閉狀態，同時開啟監控系統，保障無人在家時的財物安全，一旦有人侵入，則啟動報警系統。同時，可以通過對日常行為的檢測，判斷生活是否有異常情況，異常時進行報警。

3.2 物聯網技術應用于智能圖書館

智能圖書館能夠根據用戶需求，利用物聯網技術，智能的滿足讀者需求，圖書館管理高度智能化、人性化。包括：圖書館自動化管理，數據收集能力，讀者自助、讀者數據收集等服務。

由于以往的IC卡和條形碼，壽命短，一維條形碼包含信息量小，無法修改，需要逐個掃描，容易損壞，門禁識別詞條可以防止偷竊，但是容易受到電磁干擾產生錯誤報警，需要人對圖書編碼、進行數據處理，圖書點檢、排架，借還均需通過圖書管理員辨識索書號，并進行掃描，容易造成點檢、排架錯誤。

RFID電子標簽的優點是很多的。RFID電子標簽具有信息存儲量大，識別距離較遠的優點。RFID的工作是非接觸式的，具有防潮、防熱、防磁化的優點，使用年限可以長達30年，被讀寫次數最少可達10萬次，電子標簽成本較低，并且可以反復讀寫數據，極大降低了使用成本。通過信息加密技術，可以對電子標簽中的信息進行加密，極大地保證圖書信息和讀者信息的安全。電子標簽的可塑性較強，無論是圖書、光盤還是期刊、雜志都可以使用。電子標簽由于可以一次性識別多張電子標簽，能夠快速地批量處理讀者借還的圖書，極大地提高了圖書的借閱效率和圖書借閱的流通速度。

在利用物聯網構建智能圖書館中，首先需要對圖書、期刊、雜志、光盤等物品進行標識統一化，利用RFID電子標簽中全球唯一的ID標識可以輕松的做到這一點，通過物聯網系統輕松實現圖書的自助查找、盤點、分揀和借還等功能，極大地提高圖書館運行效率。

圖書館物聯網模型包括：

（1）感知互動層，主要由RFID讀寫器和電子標簽構成。手持讀寫器、自助借還機、門禁等讀寫設備可以掃描讀取電子標簽信息。圖書館電子標簽的類型是多樣化的：包括圖書標簽、書架標簽和書架每一層的標簽等。圖書標簽用來存儲圖書的具體信息，層標簽存儲具體某個書架某一層的數據信息，書架標簽存儲某個書架的信息，書架標簽是有源標簽，可以進行遠距離傳輸。

（2）網絡傳輸層由互聯網和物聯網網關構成。物聯網網關可以實現不同網絡的協議轉換及管理底層的感知節點。

（3）應用服務層，是為用戶提供圖書借閱和信息檢索的平臺。應用層接收到服務指令，連接信息數據庫，按相關要求進行運算處理，最后將結果存儲到數據庫中。

物聯網在智能圖書館中，主要用于以下幾個方面：

（1）在自助借還系統中，通過物聯網可以建立自助借還系統，首先給圖書配備電子標簽，利用無線射頻識別技術（RFID），通過觸摸屏和計算機網絡，使讀者操作簡單方便，提高借還的效率，降低運營成本。

（2）在圖書分揀系統中，將RFID應用到分揀設備上，可以自動快速地識別圖書的位置，大大提高圖書分揀和提書的效率。RFID射頻模塊和聲光電報警系統相結合，可以防止圖書盜竊的發生。通過手持RFID閱讀器可以快速識別帶有電子標簽的圖書，將信息通過網絡傳輸到處理終端，再結合計算機系統中的館藏圖書清點軟件完成對圖書的清點工作。

（3）在控制室內環境方面，利用物聯網技術，可以通過對照明，空氣，溫度，濕度進行智能調節。通過對瓦斯，二氧化碳，甲醛監測，當氣體濃度超標時，報警或增大新風系統的進風量，或者控制門窗系統的啟閉。通過對燈光、電器開關、明暗度、溫度、窗簾自動開啟的控制等等達到節能、節水、設備高效運行的目的。

（4）在整個圖書館圖書資源的管理中，首先將圖書館里的所有圖書、期刊、雜志全都通過射頻識別技術（RFID），經過網絡，與管理中心連接起來，通過自動收集與圖書相關的所有信息，對圖書資源實行全天候實時監測、監控。通過圖書動態位置信息，對圖書進行管理。這個系統主要由書架RFID系統、書庫傳感系統和館藏圖書管理系統構成。1）書架RFID系統，由一個書架讀寫器和這個書架上所有資源的電子標簽組成，讀寫器向電子標簽發送位置請求指令，獲得電子標簽的反饋信號，經過多次動態交互形成能實時更新的書架圖書位置動態信息，實時監控該書架資源的流通情況。2）書庫傳感系統，它是由書庫主站和所有的書架RFID系統構成，從書庫主站向各個書架發送指令，獲得整個書庫所有資源的實時更新的動態位置信息。3）館藏圖書管理系統，由中心和各個書庫站點構成。由中心向各書庫站點發送請求指令，以獲得整個圖書館所有資源的動態位置信息。

4 物聯網應用展望

在以前，由于物聯網要求為每一樣物品都編上唯一的ID編碼，這一要求限制了物聯網的發展，但是隨著IPv6（Internet Protocol Version 6）的大規模應用，這一問題可以得到解決，因為IPv6號稱可以為地球上的每一粒沙子進行編碼。可以預見物聯網將會得到更為廣泛的應用，我們生產、生活的每一個方面都離不開它，有了物聯網，我們生產、生活將更為智能化。

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作者簡介

胡宇軒（2001-），男，浙江省龍游縣人。現就讀于成都市石室中學文廟校區。對發明創造、電子信息、計算機技術、人工智能有濃厚興趣。

作者單位

成都市石室中學文廟校區高二、四班 四川省成都市 610041