賈保先 謝圣獻(xiàn)

(聊城大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，山東 聊城 252059)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things，IoT)指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)以及激光掃描器等各種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，便于識(shí)別和管理。通過裝置在各類物體上的電子標(biāo)簽(RFID)，傳感器、二維碼等通過接口與無線網(wǎng)絡(luò)相連，從而給物體賦予智能，實(shí)現(xiàn)人與物體之間的溝通和對(duì)話，以及物體與物體之間的溝通和對(duì)話。物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、老人護(hù)理和個(gè)人健康等多個(gè)領(lǐng)域。

作為與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)同等重要的一種網(wǎng)絡(luò)，業(yè)界專家預(yù)計(jì)，隨著技術(shù)應(yīng)用日益普及，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)發(fā)展成上萬億規(guī)模的高科技市場(chǎng)，這對(duì)于在前兩次信息浪潮中起步晚、跑得慢的中國來說，意義重大。這是我國從IT制造大國向IT制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的一個(gè)絕好機(jī)會(huì)，我們應(yīng)當(dāng)抓住這個(gè)重大歷史機(jī)遇，盡早攻克物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)，建立屬于自己的技術(shù)體系，掌握這一領(lǐng)域的“話語權(quán)”。本文從RFID、WSN和語義網(wǎng)格等方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并采用融合這些關(guān)鍵技術(shù)的方法，解決了一些實(shí)際問題。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 無線視頻標(biāo)示技術(shù)

射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是20世紀(jì)90年代開始興起并逐漸走向成熟的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。與目前廣泛使用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，如條碼、磁卡、IC卡等相比，射頻識(shí)別技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn)。目前，RFID技術(shù)在生產(chǎn)制造和裝配、航空行李處理、郵件及快運(yùn)包裹處理、文檔追蹤和圖書管理、移動(dòng)車輛的自動(dòng)識(shí)別物流管理等領(lǐng)域已經(jīng)或正在投入實(shí)際應(yīng)用。

在物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想中，RFID標(biāo)簽中存儲(chǔ)著規(guī)范而具有互用性的信息，通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)把它們自動(dòng)采集到中央信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物品的識(shí)別。然后通過開放性的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換和共享，以及對(duì)物品的透明管理［1］。RFID已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)，而且其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)展。最基本的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽(tag)、天線(antenna)和閱讀器(reader)這三部分組成。每個(gè)電子標(biāo)簽都具有全球唯一的識(shí)別號(hào)(ID)，這些ID無法修改和仿造，從而保證了安全性。電子標(biāo)簽附著在物體上以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象;天線用于這些ID標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)，即標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息;閱讀器用于讀取(或?qū)懭?電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式。RFID技術(shù)工作原理如圖1所示。

圖1 RFID技術(shù)工作原理圖Fig.1 Working principle of RFID technology

在工作時(shí)，RFID讀寫器通過天線持續(xù)發(fā)送一定頻率的信號(hào)。當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，或主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào);隨后讀寫器讀取信息并解碼，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胄畔⑾到y(tǒng)進(jìn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)處理。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

在構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)的過程中，實(shí)現(xiàn)感知尤為重要。眾多具有通信、計(jì)算能力的傳感器通過無線方式連接，相互協(xié)作，同物理世界進(jìn)行交互，共同完成特定的應(yīng)用任務(wù)，組成了傳感器網(wǎng)絡(luò)(sensor network)。傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)等多學(xué)科交叉技術(shù)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過無線通信自主構(gòu)成了一個(gè)多跳自組織系統(tǒng)，目的是感知采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的感知信息，靈活監(jiān)控并處理這些信息，同時(shí)把詳細(xì)的信息傳輸給用戶，物聯(lián)網(wǎng)把所有物品通過RFID等設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理［2］。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能是對(duì)某種環(huán)境事物的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究包括傳感器、通信和計(jì)算(包括硬件、軟件和算法)三個(gè)方面。一方面，可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)看作是將互聯(lián)網(wǎng)的信息共享功能擴(kuò)充為包括信息采集、信息處理和信息利用的集成網(wǎng)絡(luò)，其中信息采集功能增強(qiáng)了信息處理的流程;另一方面，可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)看作是傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)展為具有互連結(jié)構(gòu)的新型信息處理功能網(wǎng)絡(luò)。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)分散于特定的區(qū)域中，這些節(jié)點(diǎn)根據(jù)地理坐標(biāo)分為不同的簇(cluster)。每個(gè)簇中有一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)(master node)，以便于負(fù)責(zé)本簇的通信路由及其他管理，所有節(jié)點(diǎn)中有一個(gè)負(fù)責(zé)與諸如互聯(lián)網(wǎng)等主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的宿主節(jié)點(diǎn)(sink node)［3］。因此，與傳統(tǒng)的傳感器相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)易于部署，即傳感器節(jié)點(diǎn)位置不需要事先確定或精心設(shè)計(jì)，允許任意放置。同時(shí)，傳感器網(wǎng)絡(luò)部署維護(hù)成本低，具有較高的靈活性，傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量廉價(jià)節(jié)點(diǎn)組成，可放置在物理現(xiàn)象作用范圍內(nèi)，從而獲得較高的觀察精度性，具有較高的性價(jià)比。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有大量冗余節(jié)點(diǎn)，即使部分節(jié)點(diǎn)失效，也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的功能，因而具有較好的健壯性。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還具有計(jì)算能力，可以相互協(xié)作，完成傳統(tǒng)傳感器所不能完成的任務(wù)。

1.3 語義網(wǎng)格和云計(jì)算

通常，網(wǎng)格被認(rèn)為是下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而語義Web被認(rèn)為是下一代Web。網(wǎng)格和語義Web有很多相似之處，但其各自強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)有所不同。傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)格側(cè)重于計(jì)算，但是語義Web更傾向于推理和證明。語義網(wǎng)格與語義網(wǎng)的關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 語義網(wǎng)格與語義網(wǎng)的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between semantic grid and semantic Web

傳統(tǒng)的網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施能擴(kuò)展Web的計(jì)算能力，同時(shí)語義Web能幫助網(wǎng)格擴(kuò)展更豐富的語義，因此，可以看到圖2虛線以上的部分，網(wǎng)格將向著“更豐富的語義”的方向進(jìn)一步演化。事實(shí)上，作為語義Web的核心，元數(shù)據(jù)(metadata)在網(wǎng)格演化的過程中(網(wǎng)格服務(wù)出現(xiàn)之前)就已經(jīng)在一些網(wǎng)格項(xiàng)目的體系結(jié)構(gòu)中扮演關(guān)鍵角色［4］。

當(dāng)前，網(wǎng)格缺乏機(jī)器可讀可理解的數(shù)據(jù)語義，缺乏人和機(jī)器很好的合作支撐。機(jī)器難以處理異構(gòu)資源，實(shí)現(xiàn)資源共享，以及根據(jù)用戶的需求自動(dòng)地生成知識(shí)。而語義網(wǎng)雖然實(shí)現(xiàn)了資源(包括硬件和軟件資源)的共享，但難以滿足日益增長的計(jì)算需求，由此提出語義網(wǎng)格的概念。

語義網(wǎng)格的概念由David De Roure等學(xué)者于2001年第一次提出，后來學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)逐漸把語義網(wǎng)格認(rèn)為是網(wǎng)格的延伸，可同時(shí)保證人和機(jī)器能夠更好地合作理解。語義網(wǎng)格把所有的資源包括服務(wù)采用一種機(jī)器可理解的語義信息來描述，實(shí)現(xiàn)無歧義可理解的交互。語義網(wǎng)格的發(fā)展離不開Web、語義Web、網(wǎng)格的發(fā)展，網(wǎng)格是Web在計(jì)算能力上的提升，而語義網(wǎng)格是網(wǎng)格在語義能力上的擴(kuò)展。從另一個(gè)角度來說，語義Web在現(xiàn)有Web上增強(qiáng)了語義功能，而語義網(wǎng)格是語義Web對(duì)計(jì)算功能的擴(kuò)展。

新興的語義網(wǎng)格利用互聯(lián)網(wǎng)，把地理上廣泛分布的各種規(guī)則化的資源(包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、帶寬資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源、知識(shí)資源、儀器設(shè)備甚至是人，一般用Ontology表示，Ontology是對(duì)資源規(guī)范化說明的一種表達(dá)方式)融為一體，使網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)全球化的信息資源庫和信息處理平臺(tái)，為用戶提供一體化信息和應(yīng)用服務(wù)(計(jì)算、存儲(chǔ)、訪問等)。它能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的全面共享和協(xié)同工作，從而解決資源異構(gòu)、分布和動(dòng)態(tài)變化的問題［5］。

語義網(wǎng)格可廣泛應(yīng)用于電子商務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)。作為一個(gè)新的未來交互平臺(tái)，它以較強(qiáng)的實(shí)效性、個(gè)性化、可操作性和互動(dòng)性，對(duì)傳統(tǒng)的平面和互聯(lián)網(wǎng)媒體產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。網(wǎng)格技術(shù)使得基于海量信息收集和分類處理的能力大大提高。網(wǎng)格的發(fā)展促使了云計(jì)算(cloud computing)技術(shù)的產(chǎn)生，云計(jì)算將為物聯(lián)網(wǎng)提供強(qiáng)大的計(jì)算能力。云計(jì)算是分布式計(jì)算技術(shù)的一種，其最基本的概念是透過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計(jì)算處理程序自動(dòng)分拆成無數(shù)個(gè)較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)經(jīng)搜尋、計(jì)算分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶。通過云計(jì)算技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在數(shù)秒之內(nèi)達(dá)成處理數(shù)以千萬計(jì)甚至億計(jì)的信息，達(dá)到和“超級(jí)計(jì)算機(jī)”同樣強(qiáng)大功能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［6］。

對(duì)等連接或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)(peer to peer，P2P)技術(shù)主要指由硬件形成連接后的信息控制技術(shù)，其代表形式是軟件。簡(jiǎn)單地說，P2P使得網(wǎng)絡(luò)溝通變得更加容易，共享和交互更直接，真正地消除了中間商。P2P另一個(gè)重要特點(diǎn)是改變互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在的以太網(wǎng)站為中心的狀態(tài)，重返“非中心化”，并將權(quán)利交還給用戶。

2 技術(shù)融合

RFID技術(shù)與傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，是未來物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。由于RFID抗干擾性較差以及有效距離一般小于10 m等缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用。如果將無線傳感器同RFID結(jié)合起來，利用前者高達(dá)100 m的有效半徑，形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在物流管理中其應(yīng)用前景不可估量。傳感器網(wǎng)絡(luò)一般不關(guān)心節(jié)點(diǎn)的位置，因此對(duì)節(jié)點(diǎn)一般都不會(huì)采用全局標(biāo)志，而RFID技術(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。將兩者結(jié)合共同組成網(wǎng)絡(luò)就能相互彌補(bǔ)對(duì)方的缺陷，將網(wǎng)絡(luò)的主要精力集中到數(shù)據(jù)上，當(dāng)需要具體考慮到某個(gè)具體節(jié)點(diǎn)信息時(shí)，也可以利用RFID的標(biāo)志功能輕松地找到節(jié)點(diǎn)的位置［7］。

在物聯(lián)網(wǎng)中，機(jī)器與機(jī)器、人與人、人與機(jī)器間不斷交互，復(fù)雜的成本信息在交換和共用時(shí)就會(huì)出現(xiàn)困難。構(gòu)建本體可以實(shí)現(xiàn)在用戶間和Agent間對(duì)于信息組織結(jié)構(gòu)的共同理解和認(rèn)識(shí)，也可以采用專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，使專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的假設(shè)變得更加明確，并且可以分析專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)。同時(shí)，本體可以作為通信的媒介，以輔助獲取、表達(dá)和操作知識(shí)。這種輔助是通過提供一個(gè)基本概念和語言結(jié)構(gòu)一致的核心來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還幫助建立和組織知識(shí)庫，解釋知識(shí)處理工具模塊的輸入、輸出。本體的構(gòu)建是此平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無歧義交互的最重要的工作，例如通過物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)物料信息在供應(yīng)鏈上無縫連接，供銷兩端達(dá)到平衡，從而提高物流配送的及時(shí)性和高效性［8］。

在P2P架構(gòu)中，信息資源是面向人而不是面向機(jī)器的，節(jié)點(diǎn)上的信息是雜亂無章的數(shù)據(jù)而不是知識(shí)，把本體融入P2P，就形成了語義P2P。語義P2P的提出使信息具有了結(jié)構(gòu)化，易于用戶查詢和理解。信息以本體的形式存儲(chǔ)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。本體Ontology定義為“給出構(gòu)成相關(guān)領(lǐng)域詞匯的基本術(shù)語和關(guān)系，以及利用這些術(shù)語和關(guān)系構(gòu)成的規(guī)定這些詞匯外延的規(guī)則的定義”［9］。

此外，語義P2P技術(shù)還解決了集中式架構(gòu)所帶來的難以維護(hù)的問題。在分散的環(huán)境中，不同節(jié)點(diǎn)在信息交換中執(zhí)行處理和管理知識(shí)等任務(wù)。參與者在語義P2P架構(gòu)中，管理負(fù)擔(dān)減少，知識(shí)共享與信息的檢索也得到簡(jiǎn)化。語義P2P應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)可以提高網(wǎng)絡(luò)速度，實(shí)現(xiàn)資源語義共享。

3 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)是我國從制造大國走向制造強(qiáng)國的重要支持手段，大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［10］。在第三次信息革命到來時(shí)，我國政府和企業(yè)都應(yīng)該格外重視這次機(jī)遇，力爭(zhēng)以第三次浪潮為契機(jī)，實(shí)現(xiàn)我國信息產(chǎn)業(yè)的崛起，帶動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。而中國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重心在于解決物聯(lián)網(wǎng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并融合這些技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)。本文將多種技術(shù)特點(diǎn)綜合應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)中，以更低的成本實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。

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