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物联网技术简介

时间:2017-10-10  
一、 物联网简介

  一.1 定义

  物联网被称为继计算机、互联网之后的第三次信息浪潮,目的在于把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。国际电信联盟2005年在一份报告中畅想“物联网”时代的美景:当司机出现操作失误时汽车会自动报警;公文包会提醒主人忘带了什么东西;衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求……资料显示:中国科学院早在1999年就启动了传感网研究,并在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动基站等方面取得重大进展。目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。这为物联网的实现奠定了良好基础。

  国际电信联盟(ITU)发布的ITU互联网报告,对物联网做了如下定义:通过二维码识读设备、射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

  根据国际ITU的定义,物联网主要解决物品与物品(Thing to Thing,T2T),人与物品(Human to Thing,H2T),人与人(Human to Human,H2H)之间的互连。但是与传统互联网不同的是,H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接,从而使得物品连接更加的简化,而H2H是指人之间不依赖于PC而进行的互连。因为互联网并没有考虑到对于任何物品连接的问题,故我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。物联网顾名思义就是连接物品的网络,许多学者讨论物联网中,经常会引入一个M2M的概念,可以解释成为人到人(Man to Man)、人到机器(Man to Machine)、机器到机器(Machine to Machine)。从本质上而言,在人与机器、机器与机器的交互,大部分是为了实现人与人之间的信息交互。

  一.2 发展现状

  在市场应用方面,2011年从整体来看,占据中国物联网市场主要份额的应用领域为智能工业、智能物流、智能交通、智能电网、智能医疗、智能农业和智能环保。其中智能工业占比最大,为20.0%。

  产业分布上,国内物联网产业已初步形成环渤海、长三角、珠三角,以及中西部地区等四大区域集聚发展的总体产业空间格局。其中,长三角地区产业规模位列四大区域之首。

  2012年我国物联网产业市场规模达到3650亿元,比2011年增长38.6%。从智能安防到智能电网,从二维码普及到智慧城市落地,作为被寄予厚望的 新兴产业,物联网正四处开花,悄然影响着人们的生活。随着我国物联网产业发展迅猛的态势和产业规模集群的形成,我国物联网时代下的产业革命也初露端倪。从 具体的情况来看,我国物联网技术已经融入到了纺织、冶金、机械、石化、制药等工业制造领域。在工业流程监控、生产链管理、物资供应链管理、产品质量监控、 装备维修、检验检测、安全生产、用能管理等生产环节着重推进了物联网的应用和发展,建立了应用协调机制,提高了工业生产效率和产品质量,实现了工业的集约 化生产、企业的智能化管理和节能降耗。

  随着物联网技术的研发和产业的发展,预计2013年中国物联网市场规模将达4896亿元,到2015 年,这一规模将达到7500亿元,发展前景将超过计算机、互联网、移动通信等传统IT领域。作为信息产业发展的第三次革命,物联网涉及的领域越来越广,其 理念也日趋成熟,可寻址、可通信、可控制、泛在化与开放模式正逐渐成为物联网发展的演进目标。而对于" 智慧城市"的建设而言,物联网将信息交换延伸到物与物的范畴,价值信息极大丰富和无处不在的智能处理将成为城市管理者解决问题的重要手段。

  一.3 特征

  和传统的互联网相比,物联网有其鲜明的特征。

  首先,它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器,每个传感器都是一个信息源,不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性,按一定的频率周期性的采集环境信息,不断更新数据。

  其次,它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网,通过各种有线和无线网络与互联网融合,将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输,由于其数量极其庞大,形成了海量信息,在传输过程中,为了保障数据的正确性和及时性,必须适应各种异构网络和协议。

  还有,物联网不仅仅提供了传感器的连接,其本身也具有智能处理的能力,能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合,利用云计算、模式识别等各种智能技术,扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据,以适应不同用户的不同需求,发现新的应用领域和应用模式。

  此外,物联网的精神实质是提供不拘泥于任何场合,任何时间的应用场景与用户的自由互动,它依托云服务平台和互通互联的嵌入式处理软件,弱化技术色彩,强化与用户之间的良性互动,更佳的用户体验,更及时的数据采集和分析建议,更自如的工作和生活,是通往智能生活的物理支撑。

  二、 物联网技术介绍

  二.1 物联网基本架构

  物联网基本架构可分为三层:感知层、网络层和应用层。

  1)感知层。感知层由各种传感器构成,包括温湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层是物联网识别物体、采集信息的来源。

  2)网络层。网络层由各种网络,包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成,是整个物联网的中枢,负责传递和处理感知层获取的信息。互联网(有线、WiFi、Mesh)、2G, 3G, 4G网络、卫星网、广电电视网络、BWM网络等。

  3)应用层。应用层是物联网和用户的接口,它与行业需求结合,实现物联网的智能应用。

  二.2 物联网技术体系

  ITU在2005年的物联网报告中重点描述了物联网的4个关键性应用技术——标签事物的RFID技术、感知事物的传感器技术、思考事物的智能技术、微缩事物的纳米技术。目前,国内物联网技术的关注热点主要集中在传感器、RFID、云计算及普适服务等领域。

  物联网技术涉及多个领域,这些技术在不同的行业往往具有不同的应用需求和技术形态。对物联网涉及的核心技术进行归类和梳理,可以形成如图 1所示的物联网技术体系模型。在这个技术体系中,物联网的技术构成主要包括感知与标识技术、网络与通信技术、计算与服务技术及管理与支撑技术四大体系。

  

图 1 物联网的技术体系模型

 

  二.2.1 感知与标识技术

  感知和标识技术是物联网的基础,负责采集物理世界中发生的物理事件和数据,实现外部世界信息的感知和识别,包括多种发展成熟度差异性很大的技术,如传感器、RFID、二维码等。

  1)传感技术。传感技术利用传感器和多跳自组织传感器网络,协作感知、采集网络覆盖区域中被感知对象的信息。目前,传感器在被检测类型和精度、稳定性可靠性、低成本、低功耗方面还没有达到规模应用水平,是物联网产业化发展的重要瓶颈之一。

  2)识别技术。识别技术涵盖物体识别、位置识别和地理识别,对物理世界的识别是实现全面感知的基础。物联网标识技术是以二维码、RFID标识为基础的,对象标识体系是物联网的一个重要技术点。

  二.2.2 网络与通信技术

  网络是物联网信息传递和服务支撑的基础设施,通过泛在的互联功能,实现感知信息高可靠性、高安全性传送。

  1)接入与组网。物联网的网络技术涵盖泛在接入和骨干传输等多个层面的内容。以互联网协议版本6 (IPv6)为核心的下一代网络,为物联网的发展创造了良好的基础网条件。以传感器网络为代表的末梢网络在规模化应用后,面临与骨干网络的接入问题,并且其网络技术与需要与骨干网络进行充分协同,这些都将面临着新的挑战,需要研究固定、无线和移动网及Ad-hoc网技术、自治计算与连网技术等。

  2)通信与频管。物联网需要综合各种有线及无线通信技术,其中近距离无线通信技术将是物联网的研究重点。由于物联网终端一般使用工业科学医疗(ISM)频段进行通信(免许可证的2.4GHz ISM频段全世界都可通用),频段内包括大量的物联网设备以及现有的无线保真(WiFi)、超宽带(UWB)、ZigBee、蓝牙等设备,频谱空间将极其拥挤,制约物联网的实际大规模应用。为提升频谱资源的利用率,让更多物联网业务能实现空间并存,需切实提高物联网规模化应用的频谱保障能力,保证异种物联网的共存,并实现其互联互通互操作。

  二.2.3 计算与服务技术

  海量感知信息的计算与处理是物联网的核心支撑。服务和应用则是物联网的最终价值体现。

  1)信息计算。海量感知信息计算与处理技术是物联网应用大规模发展后,面临的重大挑战之一。需要研究海量感知信息的数据融合、高效存储、语义集成、并行处理、知识发现和数据挖掘等关键技术,攻克物联网“云计算”中的虚拟化、网格计算、服务化和智能化技术。核心是采用云计算技术实现信息存储资源和计算能力的分布式共享,为海量信息的高效利用提供支撑。

  2)服务计算。物联网的发展应以应用为导向,在“物联网”的语境下,服务的内涵将得到革命性扩展,不断涌现的新型应用将使物联网的服务模式与应用开发受到巨大挑战,如果继续沿用传统的技术路线必定束缚物联网应用的创新。从适应未来应用环境变化和服务模式变化的角度出发,需要面向物联网在典型行业中的应用需求,提炼行业普遍存在或要求的核心共性支撑技术,研究针对不同应用需求的规范化、通用化服务体系结构以及应用支撑环境、面向服务的计算技术等。

  二.2.4 管理与支撑技术

  随着物联网网络规模的扩大、承载业务的多元化和服务质量要求的提高以及影响网络正常运行因素的增多,管理与支撑技术是保证物联网实现“可运行。可管理。可控制”的关键,包括测量分析、网络管理和安全保障等方面。

  1)测量分析。测量是解决网络可知性问题的基本方法,可测性是网络研究中的基本问题。随着网络复杂性的提高与新型业务的不断涌现,需研究高效的物联网测量分析关键技术,建立面向服务感知的物联网测量机制与方法。

  2)网络管理。物联网具有“自治、开放、多样”的自然特性,这些自然特性与网络运行管理的基本需求存在着突出矛盾,需研究新的物联网管理模型与关键技术,保证网络系统正常高效的运行。

  3)安全保障。安全是基于网络的各种系统运行的重要基础之一,物联网的开放性、包容性和匿名性也决定了不可避免地存在信息安全隐患。需要研究物联网安全关键技术,满足机密性、真实性、完整性、抗抵赖性的四大要求,同时还需解决好物联网中的用户隐私保护与信任管理问题。

  三、 总结与挑战

  物联网把传统的信息通信网络延伸到了更为广泛的物理世界。虽然“物联网”仍然是一个发展中的概念,然而,将“物”纳入“网”中,则是信息化发展的一个大趋势。物联网将带来信息产业新一轮的发展浪潮,必将对经济发展和社会生活产生深远影响。

  物联网的研究和开发既是机遇,更是挑战。通过对物联网及相关领域发展现状的归纳总结,可以发现,一方面,目前对物联网的研究尚处于起步阶段,研究成果匮乏;另一方面,近年来相关信息网络领域(特别是泛在传感器网络)的研究成果不断涌现,能为物联网的发展提供借鉴。

  针对物联网产业与应用发展的现状及存在的问题,从国家战略层面开展研究,对处于起步阶段的我国物联网产业具有重要意义。

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