物联网体系结构及关键技术研究

摘要：物联网技术所带来的变革已经引起国内外政府、学术界和工业界的高度重视，当前物联网在基本概念，体系结构以及关键技术上还存在很大的分歧，有许多值得探讨的地方，通过对现有物联网文献分析，从物联网的体系结构和关键技术出发，首先探讨了物联网的基本概念，总结出物联网应具备的五点要素；其次提出了物联网的体系结构，并对其结构和功能进行阐述；然后具体分析了物联网关键技术，包括识别技术、感知技术、网络技术和智能技术；最后对未来物联网发展提出了建议。

关键词：物联网；体系结构；关键技术；感知技术

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)28-6847-03

Study on the Architecture and Key Technologies for Internet of Things

QIU Xiao-ming

(China Aviation Industry Corporation Institute Sixth thirty-one, Xi'an 710049, China)

Abstract: Internet of Things(IoT) combines sensor technology, embedded computing, Internet and wireless communication technology, distributed information processing technology, and has broad application prospects. Therefore, the revolution of the Internet of Things (IoT) has attracted highly attention of domestic and foreign government, academia and industry. There are still many open issues in the definition, architecture and key technologies of IoT.In this paper, firstly, based on analysis of existing literatures of IoT, the basic concept of IoT is discussed from the view point of the architecture and key technology.Five essential factors which the IoT should have are summarized. Secondly, the architecture is further proposed. its structure and functions are described. Thirdly, the key technologies of IoT are analyzed, including recognition technology, sensing technology, network technology and smart technology. Finally, this paper gives some suggestions of IoT development.

Key words: internet of things; architecture; key technologies; sensor technology

随着传感技术、嵌入式技术、无线通信技术、高性能计算等相关领域的迅猛发展，“物联网”（Internet of Things）作为新一代的智能互联网络应运而生。它以RFID架构和无线传感器网络为感知基础，通过融合互联网实现数据传递和共享，利用高性能计算技术实现信息的管理和决策。物联网的提出得到了各国政府和研究机构的广泛支持，IBM公司提出“智慧地球”，日本和韩国分别提出了“U-japan”和“U-Korea”战略，中国针对物联网的发展提出“感知中国”的发展战略。“物联网”被成为是继计算机、互联网以及电信网之后的第三次世界信息浪潮。

本文首先分析了物联网的基本概念，包括物联网的体系结构及关键技术，然后介绍了相关研究方向的最新进展， 提出了当前物联网存在的机遇与挑战。最后针对物联网的几个最受关注的研究热点做出比较详细的阐述。

1 物联网的基本概念

物联网的巨大应用价值和发展前景吸引了工业界和学术界的广泛关注，然而，物联网概念、体系结构及关键技术的研究仍处在初始的混沌阶段，目前为止，各国的研究人员仍无法给出一个清晰的概念和结构。

国际电信联盟（ITU）认为物联网主要是实现物到物（Thing to Thing）、人到物（Human to Thing）、人到人（Human to Human）之间的互连，一些学者在讨论物联网时提出了M2M（Machine to Machine）、CPS（Cyber-Physical Systems）、普适网络和下一代互联网等不同概念。本文在分析和研究了已有物联网定义的基础上，总结出物联网应该具备以下五个特点：首先是物，在物联网中，所谓的“物”，包含的不仅仅是现实世界的各种物理实体，同时也包含各种数字的，虚拟的实体，它们在时间、空间中存在、移动，我们可以通过“物”的属性发现和识别它们；其次是感，物联网以感知外界物理信息为基础，利用RFID技术实现“物”的识别，利用传感器节点实现环境信息的动态感知，使“物”具有感知能力，并利用各种有线、无线通信技术进行组网，实现信息传递；第三是联，将感知子网与已有互联网络相融合，实现数据的异地共享；第四是智，利用高性能计算技术实现数据的智能管理、决策；第五是控，将决策信息反馈回节点，实现对物体、环境的控制。由此，实现了对物体、环境进行感知、处理、控制的闭环过程。

如图1所示，在物联网中，任何人和物之间都可以在任何时间、任何地点实现与任何网络的无缝融合，真正意义上形成了人-物、人-人、物-物间信息连接的新一代智能互联网络。

1.1 物联网体系结构

物联网应是一个开放型的架构，它使用开放型协议，支持各种基于互联网的应用，除此之外，物联网还应包括可扩展、安全、语义表示等中间键来推动现实世界数据与互联网的融合。因此，通过总结大量文献的研究工作，并结合我们提出的物联网的特点，尝试提出了如图2所示的物联网体系结构，用以指导物联网的理论研究。模型侧重物联网的定性描述而不是协议的具体定义。因此，物联网应是一个包含感知控制层、网络互联层、资源管理层、信息处理层、应用层的五层体系结构

感知控制层：它是物联网发展和应用的基础，包括RFID读写器、智能传感节点和接入网关等组成。各种传感节点通过感知目标环境的相关信息，并自行组网传递到网关接入点，网关将收集到的数据通过互联网络提交到后台处理。

网络互联层：主要负责通过各种接入设备实现互联网、移动通信网等不同类型的网络融合。此外，还提供路由、格式转换、地址转换等功能。

资源管理层：提供资源的初始化，监测资源的运行状况，协调多个资源之间的工作，实现跨域资源间的交互。

信息处理层：实现感知数据的语义理解、推理、决策以及提供数据的查询、存储、分析、挖掘等。云计算为感知数据的存储、分析提供了很好的平台，是信息处理的重要组成部分，也是应用层各种应用的基础。

应用层：物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供多种不同类型的服务。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控），控制型（智能交通、智能家居），扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。

此外，物联网还应包括安全机制、容错机制、服务质量控制等贯穿各层的支撑技术来为用户提供各种具体的应用支持。

1.2 物联网关键技术

通过上述对体系结构的分析可知，物联网发展的关键技术如图3所示，其中负责物体标识的RFID技术、感知物体动态信息的传感器技术、实现信息传递的通信技术和网络融合技术、信息处理的智能技术我们称之为物联网的四大关键技术。

1.2.1 标识技术

物联网是将各种智能设备通过互联互通结合形成的一个包含亿万物体的巨大网络。因此，在物联网的应用过程中首先需要解决的是“物”的识别。物体的标识技术是指与物体相关联的，用来无歧义地标识物体的全局唯一值，标识的实质就是对物联网中所有的“物”进行编码，实现“物”的数字化的过程，编码的规则有很多，例如使用RFID技术的EPC编码，基于TCP/IP的IPV4、IPV6编码等，不同编码规则之间的映射与兼容，编码与服务之间的映射，都是未来物联网中需要我们解决的问题。

RFID（Radio Frequency Identification）无线射频身份识别。它是一种非接触式的识别技术，它通过射频信号可以自动识别目标并采集其中的数据，识别过程中无须人工干预。RFID标签技术具有对物体的唯一标识能力，可以保证物体在通信或信息处理过程中正确的定位和管理。

目前，RFID研究主要集中在RFID天线技术、防冲突算法、RFID的安全与隐私。RFID是构建物理世界和数字世界的桥梁，我国在RFID芯片技术、系统安全等核心技术还处于起步阶段，存在大量的挑战，尽管在一些研究上取得了很多进步，但还有一些核心关键技术需要我们进一步的研究。此外，基于TCP/IP的Ipv6地址技术采用无状态的地址分配方案来解决海量地址的高效率分配，可以满足物联网对网络地址的庞大需求。

1.2.2 感知技术

数据的产生、获取、传输、处理、应用是物联网的重要组成部分，其中数据的获取是物联网智能信息化的重要环节之一，没有它，物联网也就成了无水之源、无本之木。在物联网中，终端数据的获取主要是通过RFID、传感器、红外感知设备、全球定位系统等设备实现对数据的实时采集。

传感器(sensor)可以探测包括热、力、光、电、声等外部环境信号，为物联网中数据的传递、加工、应用提供原始数据。它实现对象目标动态信息的获取，使“物”具有了感知外部世界的能力，因此，我们可以将RFID比作人体的“眼睛”，而传感器可以视为“皮肤”，RFID解决“Who”，实现物体的识别，而传感器解决“How”，实现物体的感知。

目前，面向物联网的WSN研究方向主要有以下几个方面：

1) WSN网络协议的研究

物联网中数据的采集过程主要是通过控制各种传感设备收集周围环境信息，通过相应的WSN网络协议将数据传递到附近的汇聚（sink）节点，最终通过互联网交付给应用层的用户，因此，WSN网络协议的研究是物联网的核心技术之一，WSN网络协议的设计目标是在满足应用需求的同时，尽量减少网络额外开销，提高系统吞吐率，提高资源的整体利用率。目前绝大多数WSN网络协议的研究主要集中在路由层和MAC层。

2) WSN支撑技术研究

WSN是一个多学科交叉的领域，除了基础的网络协议外，还应有广泛的支撑技术来更好的实现物联网中各种应用。WSN支撑技术有时间同步、节点定位、数据融合、服务质量保证、网络管理等。针对不同的物联网应用场景，我们会对这些支撑技术提出不同的要求，例如，多传感器的协作感知、数据压缩与融合主要是建立在时间同步基础上，节点定位主要应用在测距定位、物品跟踪等领域。

3) WSN安全性研究。

由于WSN中无线信道的广播特性以及自组织网络的特性，节点容易受到各种主动攻击或被动攻击，获取存储在节点中的隐私信息。在未来物联网中，不同的应用有不同的安全需求，例如，在远程医疗环境中，用户通常并不希望自己的病例信息被第三者看到，在野外环境监测中，要保证节点不会受到欺骗攻击，采集到虚假的信息。现阶段安全目标的实现主要依赖于密钥管理、身份认证和数据加密。

1.2.3 通信技术与网络融合技术

物联网中感知数据的传递主要依托网络和通信技术，其中通信技术根据传输类型的不同分为短距离无线通信和广域网通信。

目前主流的短距离无线通信包括：WLAN技术、UWB技术、ZigBee技术、RFID以及蓝牙技术。WLAN、UWB等技术主要应用在便携式家电以及通信设备。它们的最高传输速率>100Mbits/s,支持视频、音频等多媒体信息的传输。低速短距离通信技术ZigBee、RFID等主要应用在家庭、企业、工厂等实现自动化控制、监测、跟踪等应用。短距离无线通信技术是一种结构简单、低功耗、低成本的无线通信网络，可以广泛应用在物联网底层数据的感知，但是由于绝大多数的短距离无线通信技术都工作在公共的ISM频段，频段间的干扰问题日益严重。如何避免冲突，实现频率间的复用都需要进一步地解决。

广域网通信技术主要有IP互联技术、2G/3G移动通信技术、卫星通信技术等，广域网通信技术负责底层感知数据的远程传输，通过不同类型网络最终交付给用户使用。物联网需要整合上述不同的通信技术，实现一个多元化和交互式的网络环境。

网络融合技术充分利用了不同网络的通信资源优势，根据应用环境的不同，因地制宜，通过灵活有效的组网方式，从而为用户提供更丰富的网络服务。未来物联网中的网络层面将不在局限与传统的、单一的网络结构，最终将实现互联网、2G/3G移动通信网、广电网等不同类型融合网络的无缝、透明的融合，这其中涉及到了有线、无线、移动等多种方式的接入，异构网之间地址的统一、转换，分组格式、路由方式的选择等问题。

1.2.4 智能信息处理技术

在物联网中，为了感知某一事件的发生，需要部署多种类别不同的感应设备来监测事件的不同属性，通过对感知数据的融合处理，来判别事件是否发生，其中的关键技术是如何将感知的物理数据转化为便于人和机器理解的逻辑数据。智能信息处理技术融合了智能计算、数据挖掘、优化算法、机器学习等，通过智能技术我们可以将物品“讲话”的内容进行智能处理和分析，最终将结果交付给用户。例如，当我们在超市拿起一个物品时，通过智能信息处理技术可以将产品的产地、结构成分等用户关心的的信息返回给我们，帮助我们更好的了解该产品。物联网所带来的变革是将思想注入到物体中，使其能和人进行直接交流，形成一个智能化的网络，如何使“物”具有思想，我们认为其关键就是各种智能技术的引入。

2 展望

物联网的关注兴起于美国总统奥巴马为迅速摆脱目前困扰的经济危机，在其就职演说中着重提到的“智慧的地球”概念，并以此为契机投资110亿美元进行智能电网的研究建设；2009年6月18日，欧盟委员会向欧盟议会、欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了《欧盟物联网行动计划》，其目的希望欧洲通过构建新型物联网管理框架来引领世界“物联网”发展。在我国，2009年8月总理在在无锡考察期间指出：“在传感网发展中，我们要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术。至少三件事情可以尽快去做：一是把传感系统和3G中的TD技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展；三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。2009年11月3日，总理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，指出“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”。2010年3月，总理在十一届全国人大三次会议上的政府工作报告再一次指出：“大力培育战略性新兴产业，积极推进“三网融合”，加快物联网的研发应用，着力突破物联网关键技术”。

美国权威咨询机构FORRESTER预测，未来10年内物联网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，其产业要比互联网大30倍。当然，物联网在给我们带来巨大机遇的同时，也存在着很多的问题。

首先是缺乏完整、统一的标准，如何协同各方面共同制定一套行业认同的协议是很重要的。

其次是产业的战略规划问题，任何好的应用和技术如果没有合理战略规划和商业模型运作来支持，是很难持续发展的。现在大部分的物联网应用主要集中在行业内部，如何构造一个打破行业界限，共赢的商业模式是值得探讨的。

最后是行业融合问题，未来物联网的应用将不再局限于某一具体领域，它将是一个不同行业、不同学科交叉的产物，只有突破行业之间的壁垒，进行更好的沟通和信息融合，才是物联网能否取得成功的关键。

参考文献：

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