物联网技术及智能家居应用研究

摘要：物联网是继互联网之后，又一个改变人类生活形态的重大产业革命，因其巨大的应用前景而受到广泛重视。本文在传统物联网概念的基础上，重点描述了物联网的体系构成及物联网的关键技术，结合在智能家居上的应用方案，介绍了物联网的典型应用，最后提出了物联网标准化的问题。
关键词：物联网；智能家居；关键技术；标准化

0 引言
    物联网是在已有的互联网、电信网和广电网发展的前期基础上，将互联互通的网络概念进一步扩展到生活当中的各个实体物质当中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到日常生活设计的一切可能物体中，通过这些物体网络连接，形成物联网，从而使得人类社会真正步入智能化和统一化的时代，各种物品之间均可以实现自由的交流，形成一个完全拟人化的智能世界。
    世界主要发达国家都从国家战略的高度来大力推动物联网的发展，我国政府也高度重视物联网的发展。我国“十二五”规划中已明确将物联网作为战略性新兴产业来培育发展，将建设物联网应用示范工程列为战略性的新兴产业。
    同时物联网为智能家居的发展提供了可靠的技术条件，使智能家居成为可能，表现在：物联网所包括的射频技术、计算机技术、网络通信技术、综合布线技术、信息协议交换使得物品具有数据化的身份标识，借助家庭网关，数据可以在电信网、互联网、广电网上对内和对外流动。如今的智能家居集安全防护、方便时尚和健康生活三大生活家居产品为一体，早已打破仅局限于室内开关遥控的模式，让居室安全和家庭健康也智能起来，智能家居是物联网技术应用生活的具体表现，使一个抽象概念正逐步转变成现实应用。

1 物联网与智能家居
1．1 物联网
    目前我国对物联网还没有一个统一的标准定义，但从物联网本质上看，物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一起，构成未来互联网。
    物联网的本质概括起来主要体现在三个方面：
    (1)互联网特征：对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络；
    (2)识别与通信特征：纳入物联网的“物”要具备自动识别及物物通信(M2M)的功能；
    (3)智能化特征：网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。
1．2 物联网参考架构模型
    中国移动在物联网组网方面的工作进展较快，提出的感知层、网络层和应用层的物联网三层体系架构模型，是构建多应用互联互通、信息共享的基础。在这个体系架构模型中，提出了物联网信息中心和管理中心的概念。
    从技术架构上来看，物联网三层结构的组成和功能如下：
    (1)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，它是物联网获取识别物体、采集信息的来源，负责完成感知、识别物体，采集、捕获信息。
    (2)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，具备网络运营和信息运营的能力。
    (3)应用层：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，将物联网技术与行业应用相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集。
1．3 智能家居应用方案
    如今，家庭内部里的许多家用设备形式越来越多样，有些设备本身就具备遥控能力，比如空调、电视机等，有些则不具备这方面能力，比如热水器、微波炉、电饭煲、冰箱等。而这些设备即使可以遥控，对其控制能力、控制范围都是非常有限的。并且这些设备之间都是相互孤立存在的，不能有效实现资源与信息的共享。随着物联网技术的发展，特别是物联网网关技术的日益成熟，智能家居中各家用设备问互联互通的问题也将得到解决，如图1所示。

    智能家居集安全防护、方便时尚和健康生活三大生活家居产品为一体，集中在以下应用：
    (1)家庭安防中心：家庭安防设备，如摄像头、红外探测器、烟雾探测器等，一旦接人物联网，主人就可以在任何时刻任何地点了解家里的安全动态。
    (2)家庭医疗中心：家庭若有老人和小孩，可在合适位置安放摄像头，了解他们的状况。家用医疗器械，如血压计等连接物联网，与社区医院联网，方便医生实时了解病人的身体状况，及时做出治疗。
    (3)家庭数据中心：家庭里的大量数据资料，如电影、音乐、游戏等，可以通过物联网，海量存储到网络数据服务器上，方便随时查看。
    (4)常用的家庭信息，如天气预报、咨询信息等可以通过连接入网的家庭终端设备及时了解到。
    (5)家庭商务中心：商务中心可以完成一系列的，如缴费、支付、购物的任务，让主人可以足不出户完成各种琐碎的日常生活。
    智能M2M家用网关负责家用设备的各类信息的采集，同时通过无线网络和Internet把信息上行传送到物联网管理中心，各类用户可以通过物联网管理中心的Web应用服务访问到各自关心的家用设备信息。另一方面，用户可以借助物联网管理中心的设备访问应用服务，实现对各类设备进行远程控制的目的，这些控制包括简单的设备开、关、模式及参数调整等，同时还包括了终端设备嵌入式应用的版本升级、设备远程诊断等。

2 关键技术与待解决问题
    综合物联网参考模型和智能家居结构(见图2)可以看出，物联网应用的开展需要解决以下技术及问题：
    (1)物体属性标识：属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要由传感器实时探测；
    (2)物体属性识别：需要识别设备实现对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；
    (3)物体信息的传输与处理：将物体的信息通过网络传输到信息处理中心(处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的，如中国移动的IDC)，由处理中心完成物体通信的相关计算。
2．1 感知层技术
    数据采集是物联网实现“物物相联，人物互动”的基础。采集设备一般采用嵌入式系统，为了获得各种客观世界的物理量，如温度、湿度、光照度等等，传感器技术也是数据采集技术中的重要一支。因此，物联网的数据采集技术包括传感器技术、嵌入式系统技术、采集设备
以及核心芯片。

    ECP提供了一套较完善的产品电子代码编码方法，实现对物理对象的惟一标识。RFID作为一种射频自动识别技术，通过物品标签与阅读器之间的配合，可以基于计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享，为物联网中物品的身份标识提供技术支持。ECP标签中存储着数据格式规范的信息即对物品静态信息的描述，通过RFID阅读器将物品的属性信息自动采集到系统中，实现对物品的自动识别并按照一定的要求完成数据格式转换通过无线数据通信网络传递到数据处理中心，便于后续的管理和使用。
    智能信号处理将对采集设备获得的各种原始数据进行必要的处理，以获得与目标事物相关的信息。首先获得各种物理量的量测值，即原始信号。之后通过信号提取技术筛选有用信号，通过调理提高信号的信噪比；高信噪比的信号通过各类信号变换，在映射空间上可以进行信号的特征提取。借助于信号分析技术，如特征对比、分类技术，可以将各种特征信号对应到某一类的物理事件。在物联网的信号处理技术中，以多物理量检测、信号提取、信号调理、信号变换、信号分析为核心关键技术。
2．2 网络层技术
    为了实现物联网的普适性，终端感知网络需要具有多样性，而这种多样性是通过通用物体通信协议来保证的。由于终端感知节点并不是固定组网，为了完成不同的感知任务，实现各种目标，节点组网技术必不可少。终端感知设备之间的通信不能采用传统设备的通信协议，因此需要自适应优化网络协议。同时终端设备的低处理能力、低功耗等特性，决定了必须采用轻量级和高能效的协议。
    智能家居系统的终端网络通信的数据传输量小，无需太大的传输速度，但是要求信息交换实时性强，延时段，同时还要求网络的容量大，以满足家庭中的各种家电设备。ZigBee的技术特点决定了其能很好地满足智能家居网络的上述需求，特别是具备自组织、自愈能力，这样的无线通信技术是智能家居系统理想的通信方式。
    物联网以终端感知网络为触角，以运行在大型服务器上的程序为大脑，实现对客观世界的有效感知以及有利控制。其中连接终端感知网络与服务器的桥梁便是各类网络接入技术，包括GSM、TD-SCDMA等蜂窝网络，WLAN、WPAN等专用无线网络，Internet等各种网络。物联网的网络接入是通过网关来完成的。
    物联网是在现有计算机互联网的基础上，利用RFID技术实现对物品的电子标识，然后再利用无线通信等技术接入互联网，构造一个覆盖世界上万事万物的网络，并实现网络中物品与物品或人与物品之间的“交流”。因此，因特网技术是物联网的技术基础，或者说，物联网是因特网技术在应用范围上的一个由人及物的拓展，因特网主要解决物联网中传感器节点感知信息的传输与共享问题。
    物联网的最终发展形态一定具有“泛在网络”的特点，方便人们随时、随地与目标对象进行通信，因此，无线通信技术的应用是必不可少的一种通信技术手段。事实上，目前物联网所涉及的RFID或传感器网络等核心技术中都融合了无线通信技术，也只有无线通信技术的应用，才能将物联网的构想变为现实，同时达到其低成本和易于实现的目标。
2．3 应用层技术
    物联网以终端感知网络为触角，深入物理世界的每一个角落，获得客观世界的各种测量数据。同时物联网战略最终是为人服务的，它将获得的各种物理量进行综合、分析，并根据自身智能合理优化人类的生产生活活动。
    物联网的支撑设备包括高性能计算平台、海量存储以及管理系统及数据库等。通过这些设施，能够支撑物联网海量信息的处理、存储、管理等工作。
    物联网的应用需要智能化信息处理技术的支撑，主要需要针对大量的数据通过深层次的数据挖掘，并结合特定行业的知识和前期科学成果，建立针对各种应用的专家系统、预测模型、内容和人机交互服务。专家系统利用业已成熟的某领域专家知识库，从终端获得数据，比对专家知识，从而解决某类特定的专业问题。预测模型和内容服务等基于物联网提供的对物理世界精确、全面的信息，可以对物理世界的规律(如洪水、地震、蓝藻)进行更加深入的认识和掌握，以做出准确的预测预警，以及应急联动管理。人机交互与服务也体现了物联网“为人类服务”的宗旨。人机交互提供了人与物理世界的互动接口。物联网能够为人类提供的各种便利也体现在服务之中。
    数据智能处理是实现以数据为中心的物联网的核心技术。包括数据汇聚、存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。数据汇聚包括实时、非实时物联网业务数据汇总后存放到数据库中，方便后续数据挖掘、专家分析、决策支持和智能处理。
2．4 数据安全与运营管理
    由于物联网终端感知网络的私有特性，因此安全也是一个必须面对的问题。物联网中的传感节点通常需要部署在无人值守、不可控制的环境中，除了受到一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、重放攻击、拒绝服务等多种威胁外，还面临传感节点容易被攻击者获取，通过物理手段获取存储在节点中的所有信息，从而侵入网络、控制网络的威胁。涉及到安全的主要有程序内容、运行使用、信息传输等方面。
    从安全技术角度来看，相关技术包括以确保使用者身份安全为核心的认证技术，确保安全传输的密钥建立及分发机制，以及确保数据自身安全的数据加密、数据安全协议等数据安全技术。因此在物联网安全领域，数据安全协议、密钥建立及分发机制、数据加密算法设计以及认证技术是关键部分。
    由于终端感知网络的节点众多，因此必须引入节点管理对多个节点进行操作。其中包括以使终端感知网络寿命最大化为目标的能量管理，以确保覆盖性及连通性为目标的拓扑管理，以保证网络服务质量为目标的QoS管理及移动控制，以实现异地管理为目标的远程管理技术，同时包括存储配置参数的数据库管理等。
    作为物联网应用不可或缺的组成部分，数据库负责存储由WSN或RFID收集到的感知数据，所用到的数据库管理系统可选择大型分布式数据库管理系统。管理系统能够将已存储的数据进行可视化显示、数据管理(包括数据的添加、修改、删除和查询操作)以及进一步分析和处理(生成决策和数据挖掘等)。
2．5 物联网标准问题
    物联网是一个新颖的概念，所涉及的技术和包罗的对象十分丰富。虽然，当前世界上有相当数量的国家和技术力量正在积极地从事着物联网方面的研究工作，但物联网本身还存在着待解决的缺乏完整的标准体系问题，如国内物联网存在的主要问题就包括“关键技术有待突破、研发力量比较分散、体系架构尚未建立、标准不统一”等。只有标准化问题解决好了，便捷而高效的互联互通才有可能实现。

3 结语
    目前我国的物联网智能家居并没有完全的实现，也没有大规模的应用到家居的各个环节中，究其原因不但和产品成本较高有关，也和互联网的安全性有关。
    物联网的技术推广成为推动智能家居发展的催化剂，智能家居系统逐步朝着网络化、信息化、智能化方向发展，智能终端设备的产品也逐步走向成熟，尤其以ZigBee为代表的先进技术应用，使得物联网通信技术往无线方向发展，也从一定程度上降低了产品的成本，更容易推广和接受。同时加强网络安全机制，保护个人信息，才能真正让互联网技术造福于人类。