初探物联网感知互动层

摘要：联网感知互动层由具有感知、识别、控制和执行等能力的多种设备组成，采集物品和周围环境的数据，通过这些基础数据获取用户感兴趣的信息和知识，完成对现实物理世界的认知和识别，与此同时，物联网经常需要根据用户的需要，形成对物理世界的反馈控制，比如执行功能的设备响应用户或系统预先设定的决策机制等，代表用户对各种事件或者状态采取相应措施和行动。因此，可将感知互动层按照功能分为感知现实世界和执行反馈决策这两个部分。

关键词：联网 感知 互动层 决策机制

1　认知现实物理世界

感知现实物理世界是物联网应用的基础，在物联网的感知互动层中，通过各种感知设备收集用户感兴趣的表征物理世界信息的数据或发生的物理事件，包括各类物理量，如标识、音频、视频数据等。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码等多种传感和编码技术。通过这些采集到的基础数据进行信息处理获取信息和知识，从而完成对物理世界的认知过程。感知获得的数据是物联网在各种应用中运行和管理的基础。比如在交通流量实时监测与动态诱导应用中，在城区干、支线道路的车道上设置高灵敏度车辆检测元件，将车辆信息收集，利用实时车速检测与流量统计功能，对车速、流量数据进行实时采集、分析、比对与传递，以时、分、秒的时间片断来分析机动车在各路段的流量、流向、是否畅通、拥堵的程度等。利用感知互动层获得的基础数据，可以使交通管理部门对交通车流量等进行精确管理。再比如在农业生产过程监控应用中，物联网可实时获取农作物、畜禽水产的生长信息和与生产过程直接相关的环境参数，并将其作为作业管理智慧决策的判据，实现农业生产过程管理精细化，并将监测结果直接与农产品安全溯源系统相关联。以RFID为代表的追踪识别技术能为可追溯系统的建设提供保障，通过标识编码、标识佩戴、身份识别、信息录入与传输、数据分析和查询，实现生产、屠宰加工、储运、交易、消费等各个环节的可追踪性。

在对物理世界感知的过程中，不仅要完成数据采集、处理存储等功能，也需要完成数据处理的功能。数据处理将采集数据经过多种处理方式提取出有用的感知数据。数据处理功能可包含协同处理、特征提取、数据融合、数据汇聚等。同时需要完成设备之间的通信和控制管理功能，包括网络组网和协同信息处理技术等，实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据传输至数据处理的设备。

2　传感器与环境感知

感知技术主要包括传感器与传感器节点组成的系统。传感器是监测现象，测量各种属性，将监测结果转化为信号的单元。监测属性可以是物理量、化学量和生物量等。传感器按照应用分为加速度传感器、振动传感器、磁敏传感器、光敏传感器、化学传感器等。

在传感器网络中，由传感器、执行器（可选）、通信单元、存储单元、处理单元及能量供给单元等组成，能够执行信息采集、传输、处理以及控制等功能的设备称为传感器节点（Sensor　Node）。

传感器节点能够实现对物理世界信息的采集、传输和处理，这是物联网的基本功能之一。

传感器节点将硬件和软件相结合，利用了嵌入式微处理器的低功耗、体积小、集成度高，以及嵌入式软件的高效率、高可靠性等优点，综合人工智能技术，推动物联网中智能环境的实现。嵌入式系统涵盖嵌入式硬件和软件两大部分，硬件由嵌入式处理器、存储器与设备、现场总线组成，软件包括操作系统、文件系统、图形用户接口等。

为了实现统一的数据交换标准，需要提取出统一的传感器元数据标准，类似于互联网的HTML标准，再根据不同的应用扩展出行业的数据交换标准。

在传感器研究方面，当前传感器需要面向具有代表性的规模化行业应用需求，研究高精度、低成本、低功耗、稳定可靠的智能数字传感器，例如应用于视频监控的微体积图像传感器、应用于实时定位服务的三维空间感知位置传感器、应用于安全监控的各种气体浓度传感器等，以及支持集成各类气象参数的多传感器融合技术、能适应极端环境的高集成度和高可靠性的传感器设备与监测装置。

3　射频标签与识别

标识技术主要包括射频标签（RFID）、二维码和条形码等。射频标签（Radio　Freqlaency　Identification，RFID）是一种无线自动识别技术，它可以将物品编码采用无线标签的方式进行记录，提供标签信息读取的小型发射设备。I疆ID又称为射频识别技术，目前广范应用于交通、物流、医疗、安全等众多领域，可以对各种物品、物资流动过程进行动态、快速、准确的识别和管理。RFID在应用中通常由RFID标签、RFID读写器与数据管理平台实现，RFID标签由芯片和天线组成，芯片内写入了与物品相关的信息，RFID读写器通过扫描这个标签，读写器发射出的电磁波被RFID天线接收，产生电流驱动RFID芯片将存储的信息发送到RFID读写器，RFID读写器将接收到的信息再经过后台传输和应用。

在识类型方面，需要研究物体识别、位置识别和地理识别方法及技术；研究具有可远距离识别和低成本优势的超高频RFID技术，并进一步研制超高频RFID和新型集成RFID的标签、读写设备；研究用于室内、从林、街道等复杂环境下的高精度、高鲁棒性的定位算法，并进一步研制低成本的实时定位系统。在对周围电磁环境及网络环境充分认知的基础上，建立典型应用场景下的情境感知模型，配合智能化信息处理，实现用户可定制的推拉式服务。

4　执行反馈决策

物联网被称为信息技术的第一次革命性创新，其特征主要有三点：一是互联网特征，即对需要联网的“物”一定要有能够实现互联互通的互联网络；二是识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信的功能；三是智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。

根据与“物”相关的这些信息传输和处理所涉及的范围大小，物联网可以是一个仅仅由近距离信息采集传输系统和具有一般处理能力的计算机构成的相对简单的局域网，也可以是一个包括互联网和“云计算机”在内的一个大范围的广域网。

物联网在与物理世界交互的过程中，不仅需要实现数据采集、信息感知、自动识别等功能，而且也需要建立对物理世界的反馈和控制，实现对物的信息控制，最终为人类提供信息服务。它是在感知的基础上，融合计算、通信和控制的能力，实现物理世界和信息世界的双向交互，使得整个系统更加智能化。下面举出若干示例。

在智能交通系统中，通过在一些城市路面布设传感器节点，对采集到的车流量信息进行传输，通过物联网的分析系统，将当前的道路情况给附近的车主，或者规划出最省时的交通路线。

利用传感技术采集到的信息最终汇总到交警部门的指挥中心进行分析和总结，做出更加智能的管控。比如在当前时段路面的东西向的车少，南北向的车多，通过智能反馈，可以使南北向的绿灯时间延长，从而使得通行更加顺畅，交通管理更加智能化。

在DARPA的沙漠与城市挑战中，车辆的片上信息系统通过对大范围覆盖的多种传感器进行数据采集和信息处理，从而可以完成车辆定位，地形推断，周围车辆、人、障碍的位置以及指示标识的判断。

对物理世界的反馈控制的最终目标是实现智能化，通过对历史数据的挖掘，先进的信息处理技术提取出可以提交给物联网用户用来做出决策的信息，用户能够根据这些信息做出判定，从而将这一判定的结果通过传输最终到达执行器或节点，从而实现控制的功能。

物联网的中间层是网络传输层，它负责将感知互动层收集的各类信息，特别是来自于物理世界的信息，通过各种公共网络或专用网络的基础设施，高效、可靠、安全地传输到用户或者应用服务层，以实现人与物、物与物的互联互动。

5　结语

本文对于物联网中的感知互动层进行了初步分析。分别从分析现实物理世界，传感器与环境感知，射频标签与识别，执行反馈决策，这四个方面进行分析。由于物联网技术还处于刚刚起步阶段，无论是规划、技术、管理、协调，合作等方面都还有很多不足，物联网的发展前景非常乐观，市场潜力也很巨大，但是这些并非一朝一夕就能够实现，它需要政府，企业、行业协会、媒体乃至公众共同努力。

参考文献：

[1]孙利民，李建中.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]宁焕生.RFID重大工程与国家物联网[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]刘鹏.云计算[M].北京：电子工业出版社，2010.