黃兵（安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽淮南 232007）

物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展

黃兵
（安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽淮南 232007）

物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算、泛在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)通過RFID系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，從任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連接任何人，發(fā)展到連接任何物體，將具有身份和虛擬個(gè)性的物體與社會(huì)、環(huán)境和用戶內(nèi)容連接并通信。剖析當(dāng)前在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域存在的關(guān)鍵性理論問題，研究物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，闡述現(xiàn)階段的解決方案所使用的相關(guān)技術(shù)，探索未來可能的發(fā)展方向。

物聯(lián)網(wǎng)；射頻識(shí)別；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；普適計(jì)算；對(duì)象名服務(wù)

一、簡(jiǎn)介

近年來，“物聯(lián)網(wǎng)”（Internet of Things）這一概念及其應(yīng)用受到了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。以移動(dòng)技術(shù)為代表的普適計(jì)算、泛在網(wǎng)絡(luò)被稱為繼計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之后信息技術(shù)的第三次革命。而物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算、泛在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。目前對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義仍然具有模糊性。有多個(gè)組織分別提出了自己的定義。當(dāng)前，我們基本可以認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)的定義是以下三種主流觀點(diǎn)的融合：一、國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在2005年年度報(bào)告中從Internet角度對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的闡釋是：從任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連接任何人，發(fā)展到連接任何物體，而萬物的連接即為物聯(lián)網(wǎng)；二、歐洲委員會(huì)-歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺(tái)(EPoSS）的RFID工作組[2]從“物”的角度提出：使用智能接口，在智能空間中將具有身份和虛擬個(gè)性的物體與社會(huì)、環(huán)境和用戶內(nèi)容連接并通信;三、歐洲委員會(huì)-歐洲智能系統(tǒng)集成技術(shù)平臺(tái)(EPoSS）的RFID工作組同時(shí)給出了語(yǔ)義角度的定義：基于標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議將被唯一標(biāo)識(shí)的物體相互連接的世界范圍的網(wǎng)絡(luò)。而在我國(guó)，中國(guó)移動(dòng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義是：“物體具有全面感知能力，對(duì)信息具有可靠傳送和智能處理能力的連接物體與物體的信息網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

二、物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

IBM、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信等組織都將物聯(lián)網(wǎng)的三大基本要素歸納為：全面感知、可靠傳遞、智能處理。根據(jù)這一描述，一般專家都將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)劃分為三個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，并依此概括地描繪物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示：

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

三、物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展趨勢(shì)

物聯(lián)網(wǎng)思想可以看作是對(duì)普適計(jì)算（Ubiquitous Com-puting）思想的擴(kuò)展，普適計(jì)算意指無處不在的、隨時(shí)隨地可以進(jìn)行計(jì)算的一種方式；無論何時(shí)何地，只要需要，就可以通過某種設(shè)備訪問所需的信息。在此基礎(chǔ)上日韓提出了泛在網(wǎng)絡(luò)（U-biquitous Network），歐盟提出了環(huán)境感知智能（Ambient Intelligence）等概念。雖然這些概念與物聯(lián)網(wǎng)不盡相同，但理念相當(dāng)一致。EPoSS提出了物聯(lián)網(wǎng)將擁有如下的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，其中理論方向主要包括：智能化（Intelligence），物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)要具有自主性質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)自配置、自適應(yīng)、自治愈，要具有“智能”，節(jié)點(diǎn)要擁有內(nèi)容感知能力、集成內(nèi)存和處理能力。這是實(shí)現(xiàn)“智能家庭”、“智能工廠”等的前提；通訊（Communication），設(shè)計(jì)新的更低能耗的通訊協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)路由算法，統(tǒng)一傳感器節(jié)點(diǎn)和Internet的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)；標(biāo)準(zhǔn)化（Standards），當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)具有兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)，Ubiquitous ID和EPC Global標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一極大地阻礙了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。要設(shè)計(jì)出有效的安全的使用兼容協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)并在國(guó)家層面上予以應(yīng)用；互操作性（Interoperability），要求兼容不同標(biāo)準(zhǔn)、不同工作頻率、不同體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備與設(shè)備的通信，并具有互操作能力；隱私和安全（Privacy and Security），對(duì)用戶隱私數(shù)據(jù)的保護(hù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，這關(guān)系到用戶對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的接受度。

四、物聯(lián)網(wǎng)的具體關(guān)鍵理論問題

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，我們分三個(gè)層次來分別討論存在于物聯(lián)網(wǎng)不同層次中的具體關(guān)鍵理論問題。

（一）感知層

感知層一般包含數(shù)據(jù)采集設(shè)備和設(shè)備之間的組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，由RFID系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、人工智能器件等有機(jī)結(jié)合而成。

（1）射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)。RFID系統(tǒng)工作原理如圖2。與傳統(tǒng)的識(shí)別技術(shù)相比，RFID系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體、可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽、非接觸式、壽命長(zhǎng)和信息存儲(chǔ)量大。

圖2 RFID系統(tǒng)工作原理

RFID系統(tǒng)現(xiàn)存的理論問題主要包括反碰撞算法、移動(dòng)RFID技術(shù)、安全性問題等。反碰撞算法包括標(biāo)簽反碰撞和讀取器反碰撞算法。由于實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，可能經(jīng)常出現(xiàn)以下兩種場(chǎng)景：第一，在一個(gè)小區(qū)域中同時(shí)存在多個(gè)RFID標(biāo)簽，這樣當(dāng)RFID讀取器試圖讀取其中一個(gè)標(biāo)簽時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)響應(yīng)讀取器的讀取信號(hào)，它們的反饋信號(hào)彼此沖突導(dǎo)致讀取失?。坏诙?，在一個(gè)小區(qū)域中同時(shí)存在多個(gè)RFID讀取器，存在的讀取器空間密度可能很高，標(biāo)簽無法辨識(shí)是哪一個(gè)讀取器發(fā)出的讀取信號(hào)。這統(tǒng)稱為RFID系統(tǒng)的碰撞問題。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。當(dāng)前在物理層上主要應(yīng)用ultra wide band(UWB）傳輸技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)中存在大量物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)會(huì)實(shí)時(shí)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。當(dāng)前這一方向熱點(diǎn)的技術(shù)包括Synopsis diffusion技術(shù)和q-Digest技術(shù)。為降低需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，傳統(tǒng)編碼技術(shù)基于利用源的統(tǒng)計(jì)信息降低源編碼器生成的比特率，采用幀內(nèi)幀間壓縮編碼和預(yù)測(cè)編碼/運(yùn)動(dòng)估計(jì)技術(shù)，編碼器復(fù)雜，能耗高，嚴(yán)重影響基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的生命周期，不適合物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用?，F(xiàn)階段研究采用分布式源編碼，在解碼段應(yīng)用源的統(tǒng)計(jì)信息，編碼段簡(jiǎn)單，解碼段復(fù)雜，較為適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)預(yù)處理從環(huán)境中采集的原始數(shù)據(jù)，盡可能減少對(duì)帶寬的需求。無線網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步對(duì)于路由和節(jié)能具有重要意義，考慮到物聯(lián)網(wǎng)中終端節(jié)點(diǎn)的分布范圍極為廣泛，如何劃分子網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間同步就成為需要考慮的問題。現(xiàn)存時(shí)間同步算法的主要作用是精確估計(jì)時(shí)間的不確定性并將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的局部時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)相同步，主要分為兩大類：基于應(yīng)用特征和同步方式。需要考慮如何劃分子網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間同步，設(shè)計(jì)新的算法以進(jìn)一步減少因?yàn)闀r(shí)間累積而造成的不確定性錯(cuò)誤等。

（3）智能器件。智能器件和RFID系統(tǒng)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)是相互融合在一起的。智能器件使得RFID系統(tǒng)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有智能，整體系統(tǒng)具有自主性，例如自組織、自適應(yīng)、自治愈能力。

目前智能器件的關(guān)鍵技術(shù)包括：不引人注目的硬件：小型化、納米技術(shù)、智能設(shè)備等；無縫移動(dòng)/固定通信和計(jì)算基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：互操作性，有線和無線網(wǎng)絡(luò)，面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)；易于控制和編程的動(dòng)態(tài)海量分布式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)；以人為中心的計(jì)算機(jī)接口：智能agent，多模型交互，內(nèi)容感知等；可靠的安全系統(tǒng)和設(shè)備：自修復(fù)和自測(cè)試軟件，隱私保護(hù)技術(shù)等。

（二）網(wǎng)絡(luò)層

因“物”的所有權(quán)特性，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)都將主要在內(nèi)網(wǎng)（Intranet）和專網(wǎng)（Extranet）中運(yùn)行，形成分散的眾多“物連網(wǎng)”，但最終會(huì)走向互聯(lián)網(wǎng)（Internet），形成真正的“物聯(lián)網(wǎng)”，如Google Power Meter。網(wǎng)絡(luò)層中的主要理論問題包括：地址標(biāo)識(shí)問題，數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議問題等。

（1）互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的兼容標(biāo)識(shí)。當(dāng)前RFID系統(tǒng)/無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的IPV6協(xié)議采用不同的標(biāo)準(zhǔn)。IPV6地址使用128 bits來表示，可以定義1038個(gè)地址。然而，根據(jù)EPCglobal制定的標(biāo)準(zhǔn)，RFID標(biāo)簽使用64～96位作為身份標(biāo)識(shí)。需要將RFID節(jié)點(diǎn)/傳感器節(jié)點(diǎn)集成進(jìn)IPV6網(wǎng)絡(luò)。

（2）對(duì)象名服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)中引入對(duì)象名服務(wù)ONS（Object Name Service），它建立對(duì)特定物體的描述和相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)和節(jié)點(diǎn)名字之間的映射。

（3）數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)問題。在物聯(lián)網(wǎng)中存在大量不同類型的終端節(jié)點(diǎn)，如RFID標(biāo)簽/傳感器/攝像頭等，收集到的信息可能包括多種形式：圖像/音頻/視頻/二進(jìn)制數(shù)據(jù)等。這些信息可能在物聯(lián)網(wǎng)中混合傳輸，它們可能使用的是不同的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)。

（4）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)傳輸層的目標(biāo)是保證端對(duì)端傳輸可靠性和擁塞控制?，F(xiàn)階段的互聯(lián)網(wǎng)TCP傳輸協(xié)議并不適合物聯(lián)網(wǎng)。其原因有：數(shù)據(jù)緩存（Data Buffering），TCP需要雙方緩存數(shù)據(jù)，這對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)來說無論是從處理能力和存儲(chǔ)容量，還是需要的能量來說都存在問題；建立連接（Connection Setup），互聯(lián)網(wǎng)中是通過三次握手協(xié)議來建立連接，在物聯(lián)網(wǎng)中如果也用此方法，在傳輸數(shù)據(jù)量較小的情形下（RFID系統(tǒng)經(jīng)常如此），建立連接階段的時(shí)間開銷就不可忽略，而且因?yàn)槭艿侥芰亢屯ㄐ拍芰Φ南拗?，建立連接階段的數(shù)據(jù)處理和傳輸也是需要考慮的問題；擁塞控制（Congestion Control），TCP負(fù)責(zé)端到端的擁塞控制，在無線通信媒介中性能可能受到影響，而且如果單次通信傳輸數(shù)據(jù)量過小則TCP擁塞控制不會(huì)發(fā)生作用；服務(wù)質(zhì)量（QoS），因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)包括的范圍非常廣，存在多種不同的需求，服務(wù)跨越有線網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID系統(tǒng)等，所以滿足各種應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

（三）應(yīng)用層

（1）數(shù)據(jù)清潔。物聯(lián)網(wǎng)中大量基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)處于環(huán)境因素復(fù)雜多變地區(qū)，受到外界因素干擾，傳感器設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能不可靠，因此我們需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。Jeffery等人提出了ESP（Extensible Sensorstream Processing）體系結(jié)構(gòu)，這一體系結(jié)構(gòu)提出在將傳輸過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給應(yīng)用程序之前加入一個(gè)數(shù)據(jù)清潔層次。這一層相當(dāng)于一個(gè)管道，數(shù)據(jù)通過這個(gè)管道進(jìn)行預(yù)處理，研究這個(gè)管道中使用的預(yù)處理技術(shù)，包括基于小波擴(kuò)散技術(shù)研究圖像去噪、基于he等人的暗通道理論研究戶外圖像去霧、基于馬爾科夫鏈的概率模型的物體位置判定修正等。

（2）海量數(shù)據(jù)處理。物聯(lián)網(wǎng)要求部署的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)規(guī)模極其巨大，采集到的信息量也是巨大的，被稱為“data deluge”。如在“智慧鐵路”車站的視頻監(jiān)控方面，監(jiān)控?cái)z像頭的數(shù)量以及所獲得的視像數(shù)據(jù)呈幾何級(jí)數(shù)增加，因此要求解決方案對(duì)海量視頻具有實(shí)時(shí)處理能力。傳統(tǒng)的視頻分析方法對(duì)視頻結(jié)構(gòu)分割、特征提取和語(yǔ)義匹配等操作，無法滿足這樣的要求。

（3）云計(jì)算。物聯(lián)網(wǎng)具有實(shí)時(shí)感應(yīng)、高度并發(fā)、海量數(shù)據(jù)、自主協(xié)同和涌現(xiàn)效應(yīng)等特征。中國(guó)移動(dòng)總裁王建宙提出，物聯(lián)網(wǎng)的一大特征是智能處理，利用云計(jì)算等智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，對(duì)物體實(shí)施智能化的控制，具有可行性和必然性。云計(jì)算中心對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的終端的普適性，最終解決了物聯(lián)網(wǎng)的M2M應(yīng)用的廣泛性。當(dāng)前階段中科院計(jì)算所提出了以服務(wù)為核心的cSi(client-Service-infrastructure）體系結(jié)構(gòu)。

（4）人機(jī)交互。人機(jī)交互（Human-Computer Interaction）泛指與應(yīng)用程序相連的各種設(shè)備與人的反饋，是研究人、計(jì)算機(jī)以及它們間相互影響的技術(shù)。目前人機(jī)計(jì)算領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)包括：自然、高效、無障礙的多通道交互技術(shù)；新的交互設(shè)備、智能技術(shù)、交互軟件和平臺(tái)；無縫的不同網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)；以認(rèn)知科學(xué)為基礎(chǔ)的交互模型和設(shè)計(jì)方法；上下文感知的計(jì)算模型。

（四）安全與隱私問題

安全性和隱私問題是貫穿于整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系中的關(guān)鍵性問題，涉及到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的各個(gè)方面。在感知層的RFID系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，都需要考慮安全隱私問題；在網(wǎng)絡(luò)層，要考慮標(biāo)識(shí)符管理、反嗅探、數(shù)據(jù)偽造等；在應(yīng)用層，進(jìn)行海量數(shù)據(jù)挖掘時(shí)也要考慮到隱私保護(hù)問題。

TP393

A

1009-9530（2012）03-0039-03

2011-11-28

黃兵(1970-)，男，安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。