物联网的关键技术
摘要: 物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络，是新一代信息技术的重要组成部分，近年来发展迅速，具有广阔的应用前景[1]。作为动态的全球网络基础设施，它的根本是物与物、人与物之间的信息传递与控制。物联网技术是一项综合性的技术,涵盖了从信息获取、传输、存储、处理直至应用的全过程，其关键在于传感器和传感网络技术的发展和提升，根据侧重点不同物联网技术的划分标准也不同，国际电信联盟的报告分为四大关键性技术：标签物品的RFID、感知事物的传感网络技术、思考事物的智能技术、微缩事物的纳米技术[2]。本文首先介绍这些技术的基本原理和发展，并就其中的几个核心技术进行详细的认识和探究,同时分析技术应用背后面临的问题和挑战，为物联网的发展提出更具前瞻性的建议。
关键词：物联网 关键技术 RFID 面临问题
0引言
物联网是将无处不在的末端设备和设施，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”的，如贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”，通过各种无线/有线的长距离/短距离通讯网络实现互联互通（M2M)、应用大集成、以及基于云计算的SaaS营运等模式，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。
从19xx年Ashton教授在研究RFID时最美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网(Internet of Things)这个词，20xx年在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟正式提出了物联网的概念，到现如今各国政府重视下一代的技术规划，纷纷将物联网作为信息技术发展的重点。IBM更是提出“智慧的地球”的最新策略，并且希望在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，从而带动经济的发展和社会的进步，希望以此掀起“互联网”浪潮之后的又一次科技产业革命[3]。
一般而言，可以将物联网从技术架构上来分为三层[4]：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、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。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。
技术的发展与进步促成了物联网的快速发展，而其中的关键技术对物联网更是具有不同凡响的影响和意义。
1物联网关键技术
1.1感知技术
感知技术也可以称为信息采集技术，它是实现物联网的基础。目前，信息采集主要采用电子标签和传感器等方式完成。在感知技术中，电子标签用于对采集的信息进行标准化标识，数据采集和设备控制通过射频识别读写器、二维码识读器等实现。
1.1.1 RFID
射频识别（RFID）即射频识别技术，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，即是一种非接触式的自动识别技术[5]。由三部分组成：
①标签——由耦合元件及芯片组成，具有存储与计算功能，可附着或植入手机、护照、身份证、人体、动物、物品、票据中，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上用于唯一标识目标对象。根据标签的能量来源，可以将其分为：被动式标签、半被动式标签和主动式标签。根据标签的工作频率，又可将其分为：低频（Low Frequency, LF）（30-300kHz）、高频（High Frequency, HF）（3-30MHz）、超高频（Ultra High Frequency, UHF）（300-968MHz）和微波（Micro Wave, MW）（2.45-5.8GHz）。
②阅读器——读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式，阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。 ③天线——在标签和读取器间传递射频信号。
RFID技术的基本工作原理[6]：
标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者由标签主动发送某一频率的信号，解读器
读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
图1 RFID技术原理图
RFID面临的问题[7]：
①数据安全：由于任何实体都可读取标签，因此敌手可将自己伪装成合法标签，或者通过进行拒绝服务攻击，从而对标签的数据安全造成威胁。
②隐私：将标签ID和用户身份相关联，从而侵犯个人隐私。未经授权访问标签信息，得到用户在消费习惯、个人行踪等方面的隐私。和隐私相关的安全问题主要包括信息泄漏和追踪。
③复制：约翰斯?霍普金斯大学和RSA实验室的研究人员指出RFID标签中存在的一个严重安全缺陷是标签可被复制。
1.1.2 传感器
传感器是机器感知物质世界的“感觉器官”，用来感知信息采集点的环境参数；它可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为物联网系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。随着电子技术的不断进步，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化；同时，我们也正经历着一个从传统传感器到智能传感器再到嵌入式Web 传感器不断发展的过程。
1.2网络通信技术
在物联网的机器到机器、人到机器和机器到人的信息传输中，有多种通信技术可供选择，他们主要分为有线（如DSL、PON 等）和无线（如CDMA、GPRS、IEEE 802.11a/b/g WLAN等）两大类技术，这些技术均已相对成熟。在物联网的实现中，格外重要的是无线传感网技术。
1.2.1 M2M
即机器对机器通信，M2M重点在于机器对机器的无线通信，存在以下三种方式：机器对机器，机器对移动电话（如用户远程监视），移动电话对机器（如用户远程控制）。在M2M中，GSM/GPRS/UMTS是主要的远距离连接技术，其近距离连接技术主要有802.11b/g、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB。此外，还有一些其他技术，如XML和Corba，以及基于GPS、无线终端和网络的位置服务技术。
1.2.2 无线传感网
传感网的定义为随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。借助于节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的速度和方向等物质现象。集分布式信息采集，传输和处理技术与一体的网络信息系统，以其低成本，微型化，低功耗和灵活的组网方式、铺设方式以及适合移动目标等特点受到广泛重视。M2M中，GSM/GPRS/UMTS是主要的远距离连接技术，其近距离连接技术主要有802.11b/g、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB。此外，还有一些其他技术，如XML和Corba，以及基于GPS、无线终端和网络的位置服务技术。目前，面向物联网的传感网，主要涉及以下几项技术，测试及网络化测控技术、智能化传感网节点技术、传感网组织结构及底层协议、对传感网自身的检测与自组织、传感网安全。
1.3 数据融合与智能技术
物联网是由大量传感网节点构成的，在信息感知的过程中，采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法是不可行的。因为网络存在大量冗余信息，会浪费大量的通信带宽和宝贵的能量资源。此外，还会降低信息的收集效率，影响信息采集的及时性，所以需要采用数据融合与智能技术[8]进行处理。
所谓数据融合是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效且符合用户需求的数据的过程。海量信息智能分析与控制是指依托先进的软件工程技术，对物联网的各种信息进行海量存储与快速处理，并将处理结果实时反馈给物联网的各种“控制”部件。
智能技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识分析后所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可以使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动的实现与用户的沟通，这也是物联网的关键技术之一。
根据物联网的内涵可知，要真正实现物联网需要感知、传输、控制及智能等多项技术。物联网的研究将带动整个产业链或者说推动产业链的共同发展。信息感知技术、网络通信技术、数据融合与智能技术、云计算等技术的研究与应用，将直接影响物联网的发展与应用，只有综合研究解决了这些关键技术问题，物联网才能得到快速推广，造福于人类社会，实现智慧地球的美好愿望。
1.4 纳米技术
纳米技术是研究尺寸在0.1~100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能实际应用中的技术。目前，纳米技术在物联网技术中的应用主要体现在RFID设备，感应器设备的微小化设计，加工材料和微纳米加工技术上。 2 物联网现存问题
2.1技术标准问题
网络层互联网有TCP/IP协议，而接入层协议类别多：GPRS、传感器、TD-SCDMA、有线等多种通道，因而世界各国存在不同的标准，物联网是基于网络的多种技术的结合，应该有统一的相关协议标准支持，才能促进物联网更好的标准[9]。
2.2地址问题
每个物品都需要在物联网中被寻址，就需要解决地址问题。物联网需要更多的IP地址，IPV4资源即将耗尽，而向IPV6过渡过程较漫长，同时存在与IPV4的兼容性问题。
2.3多种技术融合问题
传感器技术，射频识别技术，通信技术，控制技术，智能技术等技术的高效融合。
2.4安全问题
信息采集频繁，其数据安全必须考虑。
3 结束语
物联网技术被称为继计算机、互联网之后世界信息产业第三次浪潮，据估计在五到十年内将会有超过1000亿件设备连接入互联网[10]，组成更为庞大的物联网络。物联网的发展是信息社会发展的必然，技术的进步与应用是决定其发展的关键因素，同时在发展的道路上，也面临不少困难，这些困难有标准上的、技术上的、更有产业链上的，如何克服这些困难，需要社会各个层面在物联网关键技术和业务应用上取得突破。
参考文献
[1]L. Atzoria et al., “The Internet of Things: A survey,” Computer Networks, vol. 54, no. 15, 2010, pp. 2787-2805.
[2]Commission of the European Communities (2009-06-18). "Internet of Things — An action plan for Europe" . COM(2009) 278 final.
[3]"物联网".www..2012.1
[4]刘化君.物联网体系结构研究[J].中国新通信,2010.5
[5]杨会彩.樊延虎.等.RFID技术及其在ETC系统中的应用.现代电子技术.2008.31(15):42-45.
[6]Kevin Ashton: That 'Internet of Things' Thing. In: RFID Journal, 22 July 2009. Abgerufen am 8 April 2011.
[7]Miles, Stephen B. (2011). RFID Technology and Applications. London: Cambridge University Press. pp. 6–8. ISBN 978-0-521-16961-5.
[8]章书勤.郭迪.肖明波.无线传感器网络数据传输及融合技术.现代电子技术.2009.32(18):188-191.
[9]杨忠雄.物联网发展面临瓶颈：缺乏统一技术标准和体系。腾讯科技。2011.9.23
[10]"The internet of things"..2012.5.1