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物联网技术及其应用

    物联网(InternetofThings)的概念早在1999年就已经提出,在经历了多年的发展演变后,现在较为普遍的理解是,物联网是将各种信息传感设备,如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、家用电器、安防设备等,按约定的协议与互联网连接起来而形成的一个巨大网络。在物联网中,人、机、物之间可以相互通信,进行信息的感知、交换和处理,从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理.最终为人们提供无所不在的全方位主动服务。
物联网
1. 物联网的基本结构与特点
       一般来说,物联网的典型架构如图13所示,从层次上可分为信息感知层、接入/网络层和应用服务层。信息感知层由各类传感器节点组成,主要包括传感器模块、处理模块、通信模块和独立电源等,用来收集和传送周围环境等信息。节点种类繁多,在大小、成本、复杂性方面差异性很大,通信方式也因具体应用不同而异。接入层主要由中间节点或汇聚节点组成,用来收集一组传感器节点的信息,并实现与其他汇聚节点、控制中心或上层骨干网络之间的通信。网络层由骨干网络设施组成.可以是当前的电信网、互联网、广播电视网或多个网络的融合,未来则普遍认为由下一代核心网络承担网络层的交换和传送任务。中间件完成大量传感数据的收集和处理工作,而应用平台为某个具体行业应用提供服务,如物流供应、环境监测、农业控制、灾害预警、远程医疗、智能交通和军事战争等。
物联网的典型架构
图13    物联网的典型架构
       物联网的主要特征是透彻的信息感知、广泛的互联互通和深入的智能服务,具体表现为:
    (1)传感器节点体积小,配备的资源有限,如内存小,带宽低、能量不足等。
    (2)传感器节点数量大、种类多,根据应用要求需适应不同的环境条件。
    (3)接入方式多种多样.在传输速率、覆盖范围和移动性支持方面各不相同。
    (4)网络形态功能各异,其异构性、动态性、自治性和协同性特征明显。
    (5)物物互连透彻感知,产生的信息数据量大.要求智能化传输、存储和处理。
    (6)应用需求差异性大,在节点部署、接入组网和感知处理等方面要求相应的支持。
    (7)安全隐私容易泄露,需要安全可靠的机制策略和支撑技术来保障。
2. 物联网的关键技术
       在物联网中,任何人/机/物可以在任何时间和任何地点、通过任何网络获取任何服务。它和以往传统通信网络的最大不同在于提出了智能物体、物物互联的概念。通过安装在各类物体上的二维码、电子标签、传感器等与无线/有线网络相连.从而给物体赋予智能,实现人、机、物之间的沟通和交流。简而言之,未来的物联网将实现物理世界、虚拟世界和人类社会的交互融合。在实现过程中所面临的关键技术主要包括网络体系架构、传感器节点的微型化与能屋管理、异构网络融合和自治、数据融合和信息处理、服务搜索和发现、安全可靠性保障等多个方面。
物联网体系架构
(1) 物联网体系架构
       物联网的最终目标是通过智能物体的互联.在社会生活的各个方面为人们提供主动服务,为此需要一个公认的物联网理论体系和模型架构来支撑其发展和应用。目前参考泛在传感网的结构,将物联网分为信息感知、接入/网络和应用服务三个层次。信息感知层负责物体识别和信息采集,包括二维码标签和识读器、射频识别(RFID)标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等;接入/网络层负责信息的接入、传送和交换.包括接入网、核心网或行业专网的物理设备、信令路由和控制管理等;应用服务层负责信息处理和服务提供,包括各类中间件、应用平台和行业服务软件等。
       不同行业的物联网应用在功能要求、结构特征和关键技术等方面存在很大差异,但在研究建立体系架构时必须满足如下共性需求:①异构互联性需求,即必须考虑终端(或节点)异质性、接入多样性和网络异构性等特点;②时空相关性需求,即必须考虑节点和网络在时间、空间和能耗等方面的需求;③融合处理性需求,即必须考虑数据信息在重组、融合和理解等方面的要求;④服务智能性需求,即必须考虑服务提供在适应动态环境变化方面的要求;⑤安全可靠性需求,即必须考虑用户对网络安全、信息安全和隐私安全等方面的要求。
(2) 传感器节点的微型化与能量管理
       传感器节点要高度集成化,保证对目标系统的特性不会造成影响,由此涉及的关键技术包括微型标签和传感器、嵌入式读取终端、片上集成射频、多波段射频天线、纳米材料以及与其他材料的整合等。
       能量管理是物联网必须首先面对的问题,这里主要指信息感知层的传感器网络的能量管理问题。传感器节点体积小,通常只能携带能量十分有限的电池。同时,由于节点数目多、分布区域广、环境复杂等因素,通过更换电池的方式补充能量是不现实的。如何进行高效能量管理来最大化网络生命是传感器网络面临的最大挑战之一。
       能量管理与节点和网络两个方面有关,从节点角度看•能量管理主要分为降低能耗和能量获取两大类。除了低功耗芯片组可以节约能耗外,节点操作系统中的动态能量管理和动态电压调节模块可以更有效利用资源。动态能量管理是指没有感兴趣的事件发生时,节点部分模块处于空闲状态。动态电压调节指节点微处理器负荷较低时,通过降低微处理器的工作电压和频率来降低处理能力,从而节约能耗。能量获取指节点通过太阳、生物、化学、震动等方式获得从其他形式的能量转化来的电能。另一方面,无线能量传输也是能量获取的研究方向之一。从网络角度看,主要是指通过设计能量有效的路由通信协议和数据收集机制等降低能耗,延长整个网络的生命周期。研究表明目前传感器节点的绝大部分能量消耗在通信模块上(见图12.14),因此如何让节点在不需要通信时尽快进入睡眠状态是网络通信协议需要考虑的问题。另外,减少路由广播信息,在满足通信连通度的前提下尽量减少单跳通信距离等都是目前正在研究的解决方案。
传感器节点能量消耗情况
图14    传感器节点能量消耗情况
(3) 异构网络的融合和自治
       异构网络的融合和自治是物联网的最显著特征之一。由于应用需求和网络技术的多样性,在物联网的架构下将是多种网络同时共存的局面,包括用于感知信息在内的个域网、有线和无线形式的局域网、城域网和广域网等。这些性能特征各异的网络是相互补充、相互促进的,如何实现它们之间的无缝融合和自治管理,更加有效灵活地满足用户需求是物联网面临的重要技术挑战之一。
       异构网络的融合和自治从技术上讲主要包括海量地址和数据的管理,接入机制的选择和异构资源的自治管理等方面。首先,在物联网中,由于物体数目巨大带来的海量地址空间的分配和管理、物体地址和标示之间的映射、海量数据的传输和存储等成为异构网络首先需要解决的问题。其次,由于各种网络性能特征各异,采用传统的单目标决策理论很难找到真正最优的接入选择方案。因此需要引入多目标决策理论,在有限资源和各用户要求的多个目标之间找到平衡点,达到多目标最优化目的。最后,由于物联网资源的异构性、网络的动态性等特点,资源的自治管理是研究的重点内容。在以自组织为主要形式的信息传感层中,关键是自感知与自配置的核心协议,包括时间同步协议、分布式定位协议、拓扑控制协议、自组织路由协议和能量管理协议等。在接入/网络层中,为支持用户和节点的移动性,除了需要在同一网络内不同小区间的水平切换技术之外,还需要从一种网络到另一种网络的垂直切换技术。由于异构网络在数据速率、频谱、QoS等方面的差异性,垂直切换所需要的精确位置测定和快速切换机制将更加复杂。同时,在异构环境中,基于上下文感知技术,进行分布式频谱(带宽)的自感知动态分配也是资源管理的趋势之一。多无线电协作(MRC)是实现上述资源管理的一项关键技术,它是指在单一节点配备多个独立的无线电系统,各无线电系统可以使用不同的接入技术及不同信道。由于一个节点可以同时与不同的接入系统建立连接,也可以同一时刻与一个接入系统保持多个连接,因而有助于实现快速垂直切换和动态资源分配。
(4) 数据融合和信息处理
       物联网中的节点具有数目多、体积小、能量有限、数据海量等特点,因此从提高信息准确度和降低能耗角度出发,需要有效的数据融合和信息处理技术。这些技术渗透在物联网的各个层次中。在信息感知层,可以通过移动中继、节点分组轮流工作、选取代表性上报节点、压缩感知等机制达到节能目的,同时又保证了信息的完整性和准确性;在接入/网络层,主要是通过汇聚处理和各种路由控制协议来进行数据重组和融合,减少数据传输量;在应用服务层,则主要是利用分布式数据库技术,对收到的数据进行进一步的筛选,达到数据融合的目的;同时,根据用户和环境数据信息随时空变化的动态特性,对其进行基于多层次融合的上下文感知处理。
(5) 服务搜索和发现
       和传统的电信网、互联网服务模式相比,物联网服务的不同之处在于强调服务的主动性提供,因此需要更高级、更复杂的服务搜索和发现技术。目前的Web服务搜索和发现技术主要有直接搜索、集中架构式搜索和分布架构式搜索三大类。直接搜索是指使用者向服务提供者直接索要服务描述的副本;集中式架构搜索是指服务提供者在一个中心目录中注册服务、发布服务公告及引用,供使用者检索;分布架构式搜索是指在Web站点上存有对服务提供者提供点处的服务描述的引用,使用者通过指定检查Web站点来获得可用的Web服务。物联网服务的搜索和发现需要在以上技术基础上增加主动性环节,即根据用户需求,自动搜索、发现和组装合适的服务,并在动态变化的异构网络环境中实现服务的可靠传送和主动提供。
(6) 安全可靠性保障
       物联网中的安全可靠性保障主要体现在网络安全和信息安全两方面。网络安全包括硬件平台、操作系统、应用软件在内的系统安全和系统连续可靠正常运行、网络服务不中断的运行安全。信息安全则是指对信息的精确性、真实性、机密性、完整性、可用性和可控性的保护。和传统的互联网相比,由于节点的微型化和能量能力的受限化,在物联网中需要着重考虑的是算法计算强度和安全强度之间的权衡问题,即如何通过更简单的算法和更低能耗实现尽量强大的安全性。
3. 物联网的应用和发展前景
       物联网是由多学科高度交叉形成的新兴前沿研究热点领域,目前在国际上备受关注。除了最早应用在军事领域外,已经日趋广泛地应用在工业、农业、环境、医疗、数字家庭、绿色节能、智能交通和智能电网等多种传统和新兴领域。例如RFID技术用于物流产业,可以实现食品溯源、物体追踪等应用;传感器技术应用于交通管理,可以实现智能调度、实时导航等应用。物联网被认为是将对二十一世纪产生巨大影响的技术之一,是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮,未来将催生万亿级信息产业,使用户享受到无处不在的主动型新业务服务。