物聯網關鍵技術及相關應用的研究

劉雅琪

（唐山市第一中學，河北 唐山 063000）

0 引言

物聯網是信息領域的又一次重要的發展機會，是新一代的智能互聯技術。物聯網以無線傳感器和RFID架構為根基，經過融合互聯網完成數據傳遞和共享，運用計算機技術來實現對相關信息的處理和決策。物聯網作為一種全新的技術，已經引起各國人民和政府較高程度的重視。這一技術可以實現物與網絡在任何時間地點的連接，識別物體，監控物體的狀態和位置，以便使解決方案智能化。智能家居、智能醫療、智能學校、智慧城市、智慧地球等各種概念也就隨之產生，物聯網技術不斷地創新和突破發展，也必將引起社會生活領域的變革。

1 物聯網的概念

物聯網，英文名LOT（Internet of things），按照字面意思也就是由物體和物體相連構成的網絡。物聯網技術是在互聯網基礎上發展而來的，可實現各種物-物間的互聯互通，它也是互聯網技術的發展和創新。物聯網、云計算、移動互聯網這3種互聯網技術將是未來網絡技術發展的3個主要方向，引領互聯網技術發展。現在許多發達國家都將物聯網視為戰略性發展行業并予以高度重視。物聯網技術通過一些特定的設備，將采集到的各種數據和信號，轉變為計算機可辨識的數字信號，信號經過專用的數據通道傳送給監控中心，監控中心對采集到的信號數據進行分析和判斷，將超出控制范圍的數據再通過控制系統進行相應的調整，這樣不斷地進行收集、處理和調整，就使得整個系統能夠實現實時、動態、可控的運行，最終實現系統的智能化控制。因此，物聯網技術將使我們以后的工作和生活實現具有非常高的智能化。

物聯網這一概念在20世紀末美國的移動算和網絡國際會議上第一次被提出，在21世紀初期逐漸有了一定的應用，近些年來隨著物聯網技術的不斷應用和普及，這一技術也越來越受到我國及歐美等國家的高度重視。在我國，物聯網技術也得到了迅速的發展，物聯網在各種行業得到了普遍的應用，例如零售業、物流業等行業都在積極推廣和使用物聯網，現在新興的共享單車、共享汽車也是物聯網技術應用的成功典范。有專家根據物聯網技術發展速度和前景預測，到2020年我們將進入智能時代，物聯網技術將應用于我們生產生活中的每一個角落。

2 物聯網的關鍵技術

2.1 傳感器

傳感器是一種能夠將欲探測量或測量收集的量轉變成電信號的裝置。當所探測的目標發生改變時，傳感器很快就能反映出來，并且能夠立即發出信號，告知系統所探測目標狀態發生變化。

傳感器的組成主要是3部分，分別是敏感元器件、轉換部件和信號控制電路。其中，敏感元器件是對被測量部位狀態變化進行直接測量的元件；轉換元件是把敏感元件測量到的信號變化轉換成電量信號輸出；信號控制電路就是把轉換部件輸出的電量信號轉換為受控的電信號的電路。

傳感器的種類繁多，分類方法也有很多，常見分類見表1。

表1

除上述分類外，常見的傳感器還有壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等、光敏傳感器。傳感器是實現自動化的監測和實現自動化控制的第一步。它在社會各行各業和人們的日常工作生活中都會有比較廣泛的使用，如工業、農業、國防軍事、機器人、資源開發、海洋勘探、醫療診斷、環境監測、交通和家電等。雖然它只是物聯網的基礎的一小部分，但它如同眼睛和耳朵一樣進行感知，為物聯網獲取有關信息。

2.2 RFID技術

RFID與條碼掃描比較相似，條形碼技術主要是將已經編好碼的條形碼標記在物體上，然后用專用的掃描器進行掃描，將條形碼上的信息讀取到掃描器中。RFID使用的是自己專用的讀寫器，在目標物上的標記也是專用的標簽，RFID利用頻率信號讀取專用標簽的內容。

一個RFID系統主要是由閱讀設備、電子標簽、天線、應用程序組成。標簽由一個芯片、一個天線和一個載體構成，每個RFID標簽都有自己的電子編碼，附著到待識別的目標物體上。閱讀器是RFID系統內非常重要的一部分，是讀取/寫入目標物體上附著信息的設備，閱讀器可以是靜止的，也可以是移動的。天線需要安裝在RFID標簽和讀取器上，作用是傳輸這兩者之間的射頻信號。應用系統是處理閱讀器錄入數據的設備，在其上可以運行軟件系統。

RFID根據不同的分類方法可以進行不同的分類，見表2。

表2

和別的自動識別技術比較，RFID技術有許多優點。它具有數據的讀寫功能，可讀可寫。產品體積小，形狀多樣，使用起來靈活高效。它具有很強的抗污能力和耐久性，在惡劣環境下也能讀取數據。它的電子數據可以反復地編寫和重用。它的存儲容量比較大，足以滿足承載更多信息的需要。此外，RFID技術具有保密性強、抗干擾性強和壽命長等優點。

現在，RFID技術應用范圍非常廣闊，應用的領域也越來越廣泛，如管理與數據統計、安全防護防偽技術、物流系統、醫療系統、交通運輸等。因此RFID技術也被認為是21世紀最重要的技術之一，是物聯網發展的核心技術。因此隨著物聯網的飛速發展，RFID技術也必將得到快速的發展和更為廣闊的應用。

2.3 Zig Bee技術

ZigBee技術，中文名稱為紫蜂，這個名字起源于蜜蜂之間的信息交流方式，因為蜜蜂（bee）是由蜜蜂發出的“嗡嗡”聲（zig）和翅膀“跳舞”的方式來傳遞花蜜的位置信息，也就是說，蜜蜂以自己的方式建立了一個通信網絡。ZigBee技術是小范圍無線傳輸信息的一種。ZigBee技術主要是在各種工業企業中使用，達到各種數據的自動化傳輸控制。ZigBee本身的各節點自己就可以作為監測節點使用，例如對數據收集的傳感器進行監測，也可以自動的傳輸其他網絡節點傳遞來的各種信息。

它的特點是功耗比較低、數據傳遞速率慢、成本比較低、傳遞距離近、延時時間比較短、安全性能高、數據傳輸可靠、使用頻段都是免執照頻段。它主要應用于各種需要自動控制的領域和需要遠程控制的領域。ZigBee技術能夠支持許多種網絡拓撲結構，自組網能力強，網絡容量大。

隨著中國物聯網的快速發展，人們對ZigBee技術的接受和認可程度也在提高。ZigBee技術也被使用于一些需用智能傳感器情況中。在北京9號線地鐵的隧道建設過程中，使用的是ZigBee技術代替了傳統的無線射頻識別系統，使用ZigBee技術后，對隧道的位置和方向進行了精準的定位，能準確地確定隧道的軌跡，還能保留有記錄可供查詢，這大大地提高了隧道施工水平。現在有一些服務水平比較高的老年寓所，也在使用ZigBee技術的無線定位系統，可以對一定范圍內的老年人實現準確定位和提供幫助。 由于每個人都有手機報警設置，遇到應急情況，啟動報警設施發送報警信號，這既解決了安全監測和救援等老問題，而且使用方法非常簡便，可靠性能還很強。

布線長度是影響電路通信開銷和能耗的重要因素[1]，文獻[12]將布局過程分為兩個部分，首先將芯片按區域進行劃分，目的在于降低資源浪費；然后在不改變占用資源總數量的前提下，通過調整布線長度來降低通信開銷.該方法雖然考慮了資源占用與通信開銷兩個方面，但是僅以單一因素作為約束進行優化，并未考慮兩者之間的相互影響與共同作用.

2.4 M2M技術

M2M（Machine- to- Machine Communication，機器與機器間的通信）M2M的核心目標就是使生活中所有的機器設備都具備聯網和通信的能力，是物聯網實現的基礎平臺。

M2M理解成設備之間的數據傳輸，那就是錯誤的，它是兩個機器之間的一種智能化的聯通，不需要人的介入。即便設備沒有立刻收到信號，設備本身也會自主地按照設定好的程序進行信息傳遞，并且根據接得到的數據自主做出選擇，將命令向下一級傳輸。 由此可見，智能化、交互式、具有更多的“思想”和“智慧”是M2M最大的優勢。

M2M系統由應用、網絡傳輸、設備端3層組成。應用層內可以設置各種戶界面，也能存放大量的數據信息，是一個工作平臺。應用層連接到網絡傳輸層后，將數據傳輸到設備端。 設備端層用于通過無線通信技術向通信網絡發送設備數據，最后傳遞給終端服務器和用戶。網絡傳輸是將用戶的控制指令通過網絡發送到通信終端，通過控制系統來進行遠程控制和設備操作。 通信層是用來傳輸數據的通信網絡。 通信網絡包括各種各樣的網絡： 大到廣泛的區域網絡（世界范圍的衛星通信、全國范圍的無線移動通信、互聯網、公共電話網等），小到一個近距離的小區域網絡（比如面對面的藍牙和小區域的WLAN連接）等。應用層分為用戶界面、中間件、數據存儲、業務分析等。 對于系統內部的數據存儲可分為臨時存儲和永久存儲。業務分析主要是對信息數據進行分析以提供決策。用戶界面是為遠程監控和管理提供的界面。

3 物聯網的應用

3.1 物聯網與智能交通

智能交通系統（英文全稱為Intelligent Transportation System）指的是在交通系統運行管理過程中，充分利用各種先進的物聯網技術，對車輛進行定位技術和導航技術、全面的圖像分析技術、數據的及時收集傳輸技術、數據信息的快速處理技術，通過網絡的自動控制技術等，建立一個全方位的高效迅捷的交通管理控制系統。

智能交通系統使用范圍非常廣闊，它與人們的出行生活密切相關，它包括現在各種交通方式，在城市內的道路交通智能控制系統，高速公路網絡的智能監控處理系統，汽車站火車站等的旅客、車輛引導系統，各種運營車輛集中管理調控系統等。通過行人、車輛、道路等各方面和諧緊密合作，能大幅度地提高運行效率，減少交通擁堵現象，提高道路網絡容量，并且能大幅度地降低交通事故發生，還能減少能源的損耗，能降低對環境的污染。

3.2 物聯網與智慧校園

以物聯網技術為基礎的智慧校園，就是將在校園中學生的學習、老師的工作和校園內的日常生活相互協調和諧一體的校園環境，將校園內多種應用服務體系進行整合，將教學工作、科研工作、校園管理、校園內的學習工作生活融合為一體。

智慧校園的宗旨是為提高校園的綜合應用、提高服務質量和服務水平，建立一個引領創新意識的、開放透明的、協作互助的校園綜合網絡平臺。通過這個綜合網絡平臺，為學生、老師和學校管理人員根據不同的需求提供個性化的專項服務，使大家能夠既能共享資源，也能相互交流協作，為在校人員提供一個智能的學習、工作和生活環境，在智慧校園中能有效地收集各種教育信息資源，并進行統計和分析，最后為大家提供應用和服務。多功能的智能教室、校園一卡通等就是智慧校園的典型應用。

3.3 物聯網與醫療保健

采用物聯網系統為基礎的新型智能醫院，可將醫療技術和網絡技術進行完美的結合，對業務流程進行全面的整合并優化，能夠極大地提高醫療系統的工作效率，提高醫療資源利使用效率，減少人力資源投入，降低成本，并且能減少醫療事故，整體提高醫療水平和醫院的服務水平。

在物聯網遠程醫療監控系統的技術支持下，充分利用傳感器技術進行探測診查，通過網絡通信技術盡心溝通指導，治療范圍可以擴大到任何網絡通信能夠延伸到的地方，能夠實現病人和醫生以及醫院間關于醫療信息的傳輸和共享。 醫生通過網絡對患者的病程進行監測，給患者提供必要的指導和及時處理， 而患者即使不在醫院，只要有網絡連接，足不出戶也能得到較大的醫院治療和指導。

3.4 物聯網與智能家居

智能家居（SmartHome）也叫數字家庭、智能住宅。通俗地說，智能家居就是用計算機系統和網絡信息技術，將家中的各種設施（如家庭照明、安全設施、家用電器等），通過家庭網絡連接進行智能控制。智能家居是一戶住宅或一個家庭為智能控制對象，通過各種通信設施對住宅的建筑、家用電器、自動化設備等進行總體的監測和控制，使家居內的結構設施、服務功能、管理功能整合為一體進行智慧控制，能夠實現住宅更安全、更舒適、環保的更便捷的居住環境。

一方面，智能家居可以通過電話、互聯網等方式進行異地無線方式管理家庭設備，可以進行更多的操作，實現多種形式聯動裝置。另一方面，各種家用設備間也可以相互通信，在沒有用戶命令的前提下，各種設備會根據不同的狀態自動控制運行，它會讓我們的生活更加安全、舒適和方便。與傳統居家不同，智能家居更注重提供舒適的、安全的和便捷的家庭生活方式。智能家居從而使我們能更加便捷地安排生活，優化生活方式。

結語

物聯網的發展是信息社會發展到一定程度的必然結果，隨著各個國家重視程度的提高，物聯網技術必將獲得突飛猛進的發展，物聯網關鍵技術也會不斷地被突破，物聯網也會得到越來越廣泛的應用，更加貼近生活服務生活。例如新興的無人超市，就是物聯網技術的新應用，它已實現了自動結算，為人們的日常生活帶來更多的便利，相信在不久的將來，就會實現進貨、擺貨、售貨的無人化、智能化，實現真正的無人超市。物聯網技術是一種全新的前沿的科學技術，發展前景也必然非常廣闊。物聯網技術的發展也必將給人民帶來更便捷的生活，推動社會的不斷向前發展，掌握并不斷突破物聯網核心技術，將為國家發展提供新的動力，讓人民的生活質量不斷提高。