关于物联网的发展历程关键技术和典型应用

目录发展历程典型应用关键技术2009年12月总第04期CommunicationTechnologyViewForManagers物联网特刊目录发展历程物联网的关键技术关键技术典型应用物联网简介及发展历程物联网的典型应用1发展历程物联网简介及发展历程1什么是物联网目前在国际上对于物联网尚没有一个公认的定义，比较广泛的解释是，物联网是指将各种信息传感设备，如无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetwork）节点、射频识别（RFID，RadioFrequencyIdentification）装置、红外感应器、移动手机、PDA、全球定位系统（GPS，GlobalPositioningSystem）、激光扫描器等各种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。在这个网络中，物品变得“有感觉，有思想”，能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质就是将传感器等装置嵌入物体并进行联网以最终接入互联网，通过使物体具有“智慧”，从而延伸人类感知、控制外部世界的能力。2物联网的发展历程早在1999年，美国麻省理工学院在建立“自动识别中心”时就前瞻性地提出了“万物均可通过网络互联”的观点，物联网（IOT，TheInternetofThings）的概念由此产生。2005年11月17日，国际电信联盟（ITU，InternationalTelecommunicationUnion）在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS，WorldSummitontheInformationSociety）上，发布了《ITU互联网报告2005：物联网》（ITUInternetReport2005:TheInternetofThings）。在这份报告中，ITU指出无所不在的物联网通信时代即将来临，泛在通信（UbiquitousCommunication）的形式已经从短距离的移动收发设备扩展到长距离的设备和日常用品，从而促成了人和人、物和物之间的新的通信形式的诞生。信息技术和通信技术的世界中加入了新的维度：由过去的任何人（anyone）之间在任何时间（anytime）、任何地2发展历程点（anyplace）的信息交换，发展成了任何物体（anything）之间、任何人之间在任何时间、任何地点的信息交换。图1信息交换维度图（ITU发布）2008年11月，IBM董事长兼CEO彭明盛（Palmisano）在纽约召开的外国关系理事会上，正式提出“智慧地球”（SmartPlanet）。IBM指出，世界的基础结构正在朝着“智慧”的方向发展，联网对象即构成物联网的车辆、设备、摄像头、车道、管道等的数量正在迈向一万亿大关。“智慧地球”战略提出要将传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓物联网，再通过超级计算机和云计算将物联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。2009年01月28日，奥巴马总统在和工商领袖举行的圆桌会议上，对IBM提出的“智慧地球”概念给予积极回应。其中，要形成智慧型基础设施物联网，3发展历程已被美国人认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。2009年08月07日，温家宝总理在无锡新区调研时，深入阐述了感知中国、智慧中国的新理念，对无锡市微纳传感网工程技术研究中心给予高度关注，并提出了“把传感网络中心设在无锡、辐射全国”的想法。温家宝总理指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。11月03日上午，温家宝总理又在人民大会堂向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，讲话中指出，未来要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机”。这清晰地指明物联网已经上升为国家战略，其相关技术将得到大力发展。3物联网的网络架构危机管理NGN,Internet,etc.应用和服务层应用和服务层物流系统灾害监控军事领域安全监控农业监控RFID移动RFID目录服务SOA、中间件SOA、中间件管理设备传感器层各类服务接口信息模型和管理系统内容管理统一医疗空间信息管理系统RFID/传感器NetworksRFID/传感器NetworksSN网关2G/3GAccessNetwork卫星WLANSN网关传感器固定接入接入网关SN网关传输层物联网服务层应用/智慧层危机管理NGN,Internet,etc.应用和服务层应用和服务层物流系统灾害监控军事领域安全监控农业监控RFID移动RFID目录服务SOA、中间件SOA、中间件管理设备传感器层各类服务接口信息模型和管理系统内容管理统一医疗空间信息管理系统RFID/传感器NetworksRFID/传感器NetworksSN网关2G/3GAccessNetwork卫星WLANSN网关传感器固定接入接入网关SN网关传输层物联网服务层应用/智慧层图2物联网架构图4发展历程在物联网的网络结构中，包括四个层次：最底层是传感器网络层，即以传感器、RFID以及各种手机、PDA等机器终端为主，完成对底层信息的全面感知和采集功能；第二层是传输网络层，即通过现有的互联网、广电网络、无线通信网等网络，实现数据的汇聚和传输功能；第三层是中间件层，通过构建中间件来屏蔽各类传输网络的差异性，为上层应用提供统一的数据调用接口，同时对传输网络层汇聚上来的信息进行理解、推理和决策；最上层是应用和服务层，即通过对调用数据的处理和解决方案来管理和控制手机、PC等终端设备，实现人们所需要的应用服务；或者与行业专业技术深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化。〔END〕5关键技术物联网关键技术ITU在《ITU互联网报告2005：物联网》报告中预测RFID技术、传感器技术、纳米技术和智能嵌入技术将在物联网时代得到更加广泛的应用。1RFID技术RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID的基本组成部分如下：（1）标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；（2）阅读器（Reader）：读取（有时也可以写入）标签信息的设备，可设计为移动式或固定式；（3）天线（Antenna）：在标签和读取器间传递射频信号。图3RFID基本组成图RFID技术的基本工作原理：标签进入磁场后，接收到阅读器发出的射频信号，无源标签或被动标签（PassiveTag）凭借射频电磁波束中所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，有源标签或主动标签（ActiveTag）则主动发送某一频率的信号；阅读器读取信息并解码后，将信息送至中央信息系统进行相关数据处理。RFID的关键技术如下：6关键技术（1）标签的能量供应有源标签自带电池，用于给数据载体供电。而无源标签工作所需能量则从射频电磁波束中获取，和有源射频识别系统相比，无源系统需要较大的发射功率，射频电磁波在标签上经射频检波、倍压、稳压、存储电路处理，转化为标签工作所需的工作电压。（2）标签到阅读器的数据传输标签回送到阅读器的数据传输方式可归结为三类：（a）利用负载调制的反射或反向散射方式（反射波的频率与阅读器的发送频率一致）；（b）利用阅读器发送频率的次谐波传送标签信息（标签反射波与阅读器的发送频率不同，为其高次谐波（n倍）或分谐波（1/n倍））；（c）其它形式。（3）数据传输的完整性与安全性由于数字信号在传输的过程中会受到干扰，故其传输至接收端可能发生误判，为保证数据的完整性，可以使用校验和法来识别传输错误并进行校正，最常用的是奇偶校验法以及冗余校验法。在与安全相关的领域，例如出入系统、售票系统等越来越多地应用射频识别系统，在数据传输的过程中难免不受到攻击，因此必须采取一定的防范措施保证数据安全，例如可以通过在阅读器与标签之间建立密钥来对要传输的数据进行加密，达到安全的目的。（4）多目标识别技术（反碰撞算法）当阅读器信号作用范围内存在多个标签，同一时刻有两个或两个以上的标签向阅读器返回信息时，将产生冲突。解决冲突的算法称为反碰撞算法。传统无线电技术（如通信卫星、移动电话网）已有空分7关键技术多路法、频分多路法、时分多路法以及码分多路法来解决类似问题。但在射频识别系统中，由阅读器和标签构成的无线网络有以下特征：（a）规模：每个阅读器工作区域内可能存在大量标签；（b）体积：标签附着在各种商品上，体积不能太大；（c）成本：粘贴标签的商品本身价值可能很低，所以标签的成本不能太高；（d）通信量：标签内包含的信息量很少，阅读器与标签间的通信时间很短。所以解决射频识别技术标签冲突的反碰撞算法存在与传统无线电技术不同之处。现有的反碰撞算法主要是ALOHA算法、分隙ALOHA算法、二进制搜索算法等。2传感器技术传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其它装置或器官。国家标准GB7665－87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。根据传感器工作原理，可将其分为三大类：（1）物理传感器物理传感器应用某些物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应，将被测信号量的物理量转换成便于处理的电信号。（2）化学传感器化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果8关键技术关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。（3）其它几种常见的传感器如下：（a）电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换成电阻值的器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器。（b）电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类。（c）压阻式传感器压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在基片上经扩散电阻而制成的器件。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥会产生相应的不平衡输出。（d）热电阻传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。（e）温度传感器室温管温传感器：室温传感器用于测量室内和室外的环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。排气温度传感器：排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度。9关键技术（f）光敏传感器光敏传感器是最常见的传感器之一，在自动控制和非电量电测技术中占有重要地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处时就会产生电流。我国近年来在传感器的设计、关键工艺、可靠性、产品开发等方面均有不同程度的突破与创新。（1）“九五”攻关完成的传感器CAD技术，可以实现传感器的全过程设计；（2）微机械加工技术，在国内首次实现了用微机械加工工艺批量生产压力传感器；（3）建成了目前国内唯一具有上世纪90年代国际先进制造设备、工艺及规模化生产能力的微机械加工传感器的生产线；（4）可靠性技术的开展,使传感器的成品率普遍提高10％、可靠性水平提高一到二个等级。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高。传感器技术的发展趋势可以从四个方面概括：（1）开发新材料、新工艺和开发新型传感器随着光纤材料、纳米材料、超导材料、人工智能材料的不断发展，制造传感器的材料逐渐具备能够感知环境条件变化的功能，识别和判断功能，发出指令和自采取行动功能。利用这些材料能够研制无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器。（2）传感器的多功能和集成化多功能是指一个传感器能够检测两个或两个以上的参数；集10关键技