物联网关键技术研究

［摘 要］ 首先给出了物联网的定义，建立了物联网分别基于RFID、传感网络、M2M的三种体系架构模型，详细论述了嵌入式系统技术、传感器技术、RFID技术、网络通信技术等物联网关键技术，最后提出了六点物联网发展建议。

［关键词］ 物联网； 体系架构； 嵌入式系统； 传感器网络； 无线射频识别

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 18. 051

［中图分类号］ TP393 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1673 - 0194（2012）18- 0090- 03

１ 引 言

“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，被看作信息领域一次重大的发展和变革机遇，世界各国争相制定发展战略［１］。物联网欧盟委员会认为，物联网的发展应用将在未来５～１５年中为解决现代社会问题带来极大贡献，一些发达国家纷纷出台物联网发展计划，进行相关技术和产业的前瞻布局［２］。２００９年１１月，物联网被确定为我国今后７大战略性新兴产业之一。北京已启动物联网５年规划，规划建成首个物联网应用资源共享服务、信息交换、传感信息网络、超级计算和云计算中心等共性基础支撑平台，完成政府、社会、企业三方面几十个示范应用园区。同时，上海、杭州、成都、南京等市，山东、广东、河南、东北三省、福建等地政府也表示，将全力进军物联网。国内专家预测，“物联网产业将是下一个万亿元级规模的产业，甚至超过互联网３０倍，潜力无穷”［３］。

然而整体而言，目前无论国内还是国外，物联网的研究和开发都还处于起步阶段，还没有进入成熟商用阶段。我国物联网的研究和发展更是偏重于应用方案和终端设备等上层应用上，包括国家级示范基地的无锡，还有上海、杭州、苏州等地，都局限在应用领域，如高铁物联网应用等；与发达国家相比，我国主要的差距是在硬件方面，如传感器、微电子机械系统（ＭＥＭＳ）及传感器网络领域的基础技术创新，对物联网系统模型、体系架构和关键技术也还缺乏清晰化的界定和研究。因此，本文综述了物联网领域目前的研究状况，从物联网概念、体系架构、关键技术等方面，对物联网研究的技术基础以及关键问题进行论述和研究。

２ 物联网概念

１９９９年美国麻省理工学院（ＭＩＴ）的自动识别中心（Ａｕｔｏ－ＩＤＬａｂｓ）首先提出物联网的概念——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。２００５年国际电信联盟ＩＴＵ在突尼斯举行的信息社会世界峰会（ＷＳＩＳ） 上正式确定了“物联网”的概念，并随后了《ＩＴＵ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｒｅｐｏｒｔｓ ２００５——ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ ｔｈｉｎｇｓ》，介绍了物联网的特征、相关的技术、面临的挑战和未来的市场机遇［4］。

对比物联网的最初概念以及不同的物联网定义，本文认为：任何物体依靠嵌入式系统技术拥有智能处理能力，借助传感器技术获得感知能力，利用ＲＦＩＤ技术具有智能识别和信息交互能力，通过互联网和网络通信技术实现人与物、物与物的自主信息沟通和交互，从而形成的可以连接万物的智能网络，就是物联网。

３ 物联网关键技术

３．１ 物联网体系架构

体系架构是指导具体系统设计的首要前提。 物联网应用广泛，系统规划和设计极易因角度的不同而产生不同的结果，因此本文从物联网应用的三大类别来描述其体系架构。

３．１．１ 基于ＲＦＩＤ的体系架构

ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）是能够把“物”改变成为“智能物”的技术，它的主要应用是给移动和非移动物体贴上电子标签，实现各种跟踪和管理［5］。它是穿孔卡、键盘和条码等应用技术的延伸，但比条码等技术自动化、智能化程度高。基于ＲＦＩＤ 的体系架构由五大技术组成，分别是ＥＰＣ（电子产品码）标签、ＲＦＩＤ 标签阅读器、ＡＬＥ中间件实现信息的过滤和采集、ＥＰＣＩＳ 信息服务系统，以及信息发现服务（包括ＯＮＳ 和ＰＭＬ），体系架构图见图１。该体系架构中ＯＮＳ（即对象命名服务Ｏｂｊｅｃｔ Ｎａｍｅ Ｓｅｒｖｉｃｅ）主要处理电子产品码与对应的ＥＰＣＩＳ 信息服务器地址的查询和映射管理类似于互联网络中已经很成熟的域名解析服务（ＤＮＳ）。ＥＰＣ产品电子码识别只是“标签”，所有关于产品有用的信息都用ＰＭＬ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍａｒｋｕｐ Ｌａｎｇｕａｇｅ）来描述。基于ＯＮＳ和ＰＭＬ，企业对ＲＦＩＤ 技术的应用将由企业内部的闭环应用过渡到供应链的开环应用上，实现真正的“物联网”。

３．１．２ 基于传感网络的体系架构

无线传感网络ＷＳＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）由分布在自由空间里的一组“自治的”无线传感器组成，共同协作完成对特定周边环境状况的监控，包括温度、湿度、化学成分、压力、声音、位移、振动、污染颗粒等［6］。ＷＳＮ中的一个节点（或叫Ｍｏｔｅ）一般由一个无线收发器、一个微控制器和一个电源组成。ＷＳＮ 的研究大多还专注于网络底层（包括非ＩＰ 协议的ＺｉｇＢｅｅ、ＴｉｎｙＯＳ 和基于ＩＰ的６ＬｏＷＰＡＮ 等），以及电源的持久性等问题，按照其目前的发展，ＷＳＮ离真正的“物联网”还有一定距离，对像基于ＲＦＩＤ架构中的ＯＮＳ和ＰＭＬ 等物联网层面问题的研究还不够。因此，商用的基于传感网络的应用架构还不成熟。

３．１．３ 基于Ｍ２Ｍ的体系架构

Ｍ２Ｍ（Mａｃｈｉｎｅ ｔｏ Mａｃｈｉｎｅ）表示机器与机器之间的通信，也即非信息技术（ＩＴ）机器设备通过移动通信网络与其他设备或ＩＴ系统的通信，广义来讲也包括人与机器（Mａｎ ｔｏ Mａｃｈｉｎｅ）的通信，是以机器智能交互为核心的网络化的应用与服务。Ｍ２Ｍ 和ＷＳＮ一样，都是物联网的表现形式［7］。从概念内涵角度，物联网包含了万事万物的信息感知和信息传送；Ｍ２Ｍ则主要强调机器与机器之间的通信， 偏重于实际应用，是现阶段物联网最普遍的应用形式，典型的基于Ｍ２Ｍ 的体系架构如图２所示。Ｍ２Ｍ同ＷＳＮ一样缺乏类似ＯＮＳ 和ＰＭＬ的“物联网”标准规范和统一体系架构。