淺析物聯網控制系統的應用和發展研究

張國瑞 楊燏軒 溫喜 楊騏睿 李彥斌

摘 要：物聯網是一項新型的信息化集成技術，在未來催生很多具有“計算、通信、控制、協同和自治”特點的智能設備與智能信息系統。它的基礎和核心仍然是互聯網，其客戶端延伸至任何物物之間，物聯網應用覆蓋的范圍小到家庭網絡，大到工業控制系統、智能交通系統，甚至國家級、世界級的應用。物聯網分為三層：感知層、網絡層和應用層。感知層由各種傳感器組成，負責獲取各種環境參數;網絡層主要負責傳遞和處理感知層獲取的信息，實現信息交互共享;應用層是物聯網與用戶之間的接口，根據用戶需求設計，實現物聯網的智能應用。

關鍵詞：物聯網控制系統;智能控制;關鍵技術

引言

物聯網是一場巨大的科技創新，它將世界帶入一個物物相連的智能化時代，

徹底改變了人們的生活方式和行為模式。物聯網的目標就是要幫助人類對物理世界具有“透徹的感知能力、全面的任職能力和智慧的處理能力。各行各業借助物聯網技術迅猛發展，目前，物聯網技術己經廣泛應用到智能城市、智能家居等領域，被視為全球經濟增長新引擎。

（一）物聯網現狀及發展驅動

物聯網現如今的多樣化、規模化與行業化的特點，使其遍及交通運輸、市政管理、環境監測、公共設備、智能家居、工業監測、環境保護等多個領域。大多數物聯網應用都是以自動感知作為基礎的，物聯網的關鍵技術包括自動感知技術、移動通信技術、計算機網絡技術云計算技術、信息安全技術等。它主要利用采集數據的手段，做到智能化控制、精細化管理和優質化服務，實現了物聯網技術的綜合集成應用。將物聯網應用到位，可以為企業帶來更大的收益，使得整個社會的發展更加穩定，生產活動更加環保、安全。

物聯網技術的發展離不開技術的支持。它的發展是建立在互聯網發展、智能處理基礎上的，隨著智能可穿戴設備的發明、智能家居的普及、機器人的產生，物聯網的發展與應用呈現增長趨勢。它的發展促進了社會生產和生活的智能化、精細化與高效化。如今，5G技術、寬帶物聯網等新技術也為物聯網的發展提供了強大的技術與設備支持[1]。

城市智能化的發展推動著物聯網的發展。現在城市各處的物聯網終端組成整個城市的神經網絡，從城市的運行監控到地下管線監測，市政設施管控，從水質污染情況監測到建筑節能，各個領域的集成創造了大量的應用需要。

（二）物聯網控制系統的應用

2.1物聯網技術在智能家居中的應用

物聯網為家居智能化提供了技術條件，使智能家居成為可能。智能家居以住宅為平臺，利用自動感知技術、傳感器技術、計算機技術、網絡通訊技術、信息協議交換嵌入式技術等現代化技術構建家庭日常管理系統，不僅可以實現傳統建筑居住功能，而且還可以實現家居網絡通信、設備自動化、智能化控制管理功能。? 智能家居是物聯網技術應用生活的具體表現，通過平臺把一個抽象概念轉變成現實應用。智能家居平臺具有以下特點：（1）每一個子系統都可以脫離智能交互平臺獨立運行，并相互聯系[2]。（2）不同平臺的產品設備、不同控制傳輸協議都可以通過這個智能家居平臺進行交互。智能家居系統逐步朝著網絡化、信息化、智能化方向發展，智能終端設備的產品也逐步走向成熟，也從一定程度上降低了產品的成本，更容易推廣和接受。

2.2物聯網技術在智能遙控技術中的運用

無線遙控技術是智能家居實現智能化的關鍵技術，最典型的莫過于利用無線遙控技術，通過遙控器、手機等終端設備控制家中的電氣設備，從而達到智能化的目的。隨著科技的進步、大眾生活水平的不斷提高，人們對家居智能化的要求也越來越高，比如住戶晚上看電視的時候，需要調節燈光，只需要智能無線遙控技術.就可以實現對各個房間的燈光進行調節和控制。這些應用也逐漸開始向智能化控制的方向發展，而智能遙控技術在其中發揮著重要的作用。

一鍵情景控制技術，指通過控制器、遙控器、手機、電腦等設備，可以隨時控制家中場景。如果客人來到了家中，立即轉換為會客模式;用戶需要休息，情境控制系統立即轉換為睡眠模式或者休息模式，從而滿足用戶的各種需求。

2.3物聯網在交通運輸管理中的應用

交通運輸管理作為物聯網應用的重要領域，其可以在交通運輸設施、車輛上部署傳感器和攝像頭等，也可以在交通卡口部署RFID設備，實現自動化收費管理。因此，物聯網在交通運輸管理中的應用主要包括三個方面，分別是數據采集、傳輸和分析，以便掌握交通運輸設備的運行狀態，并將這些數據信息發送給系統進行處理[3]。

交通運輸管理的設備非常多，因此可以將這些設備與傳感器集成在一起，構建一個新型的物聯網拓撲結構，將采集的數據傳輸到匯聚路由器，然后傳輸到交通運輸服務器上，實現數據信息加工和處理。物聯網作為一個先進的新型互聯網，其可以實現物物互聯，利用ZigBee協議，實現物與物之間的通信。

2.4物聯網在環境監測中的應用

隨著物聯網功能的逐步完善，其應用范圍也逐步得到擴展，在環境監測中得到廣泛的應用，目前我國基于物聯網己經逐步建立了比較完善的環境監測系統，其中涵蓋了空氣質量檢測系統、水質監測系統、土壤監測系統等，構成了一個綜合全面的環境監測體系、這個體系依托實驗室監測系統、移動監測和衛星遙感監測來獲取監測環境的實時數據指標，幫助監測人員了解環境污染的情況，為污染治理、環境保護以及防災減災等對策的制定提供數據支持。

（三）其他關鍵技術

構建物聯網控制系統不屬于傳統意義上的研究熱點，但卻是快速發展的行業趨勢。除了控制器的設計這一關鍵技術外，系統安全、智能前端化也是物聯網控制系統的關注點。

3.1系統安全機制

目前對物聯網安全的研究大多集中在用戶接入安全、信息傳輸安全、信息存儲安全三個方面。在研究了物聯網領域的基于詢問雙向認證協議的基礎上，提出了一種適合物聯網控制系統的，設備與設備或者設備與被控設備之間的雙向認證機制。提出基于節點構造和基于有向邊構造的兩種分層訪問控制方法，并提出基于樹重心分解的密鑰推導優化方法來提高密鑰獲取時間[4]。從保護安全隱私的角度，采用分布式信息流控制方法，安全多方計算等模型進行安全控制。提出了在現有認證基礎之上增加對用戶動態安全性驗證的分等級訪問策略，基于用戶安全等級計算的用戶安全策略，對權限分類分別對應管理統一授權策略。

3.2智能前端化

智能前端化的目的是為了提高整個系統的運行效率。目前的物聯網控制系統中，用戶接入認證等身份信息的驗證都是通過云端來完成的，云成為用戶和控制之間的橋梁，而網絡延遲等各種因素會降低系統反應的實時性。提出在用戶端設備和控制系統網關的計算能力增加的前提下，允許用戶端設備繞過云，并直接連接到網關來進行身份信息的驗證，通過智能性從云端前移到設備端來提高系統的實時性。也提出通過開發智能化終端來降低傳輸的壓力和云端處理的負荷[5]。

結束語

各個領域都在使用物聯網技術，使得物聯網應用正在形成一個巨大的規模。隨著物聯網相關控制理論的不斷完善，物聯網控制系統的體系特點就由原來的封閉式轉變為開放式，伴隨著相關技術水平的發展，適用領域也會越來越廣泛。但是物聯網本身的特性也為控制系統的構建帶來了諸多不可控因素和難度。如何保證開放環境下控制的智能化、實時性、安全性，以及低功耗，都是未來重要的關注點。

參考文獻

[1]孫其博，劉杰.物聯網概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報

[2]郝鐵偉.基于無線傳感器的監控網絡系統設計[D].武漢：武漢理工大學

[3]李建中，李金寶，石勝壇.傳感器網絡及其數據管理的概念、問題與進展[J].軟件學報

[4]周游，方濱，王普.基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統[J].電子技術應用

[5]王志軍.基于物聯網技術的智能家居系統的實現研究[D].安徽理工學