物联网体系结构、关键技术及面临问题

摘要：基于物联网的应用现状及发展前景，采用了对比分析和归纳总结的方法，介绍了物联网的概念与体系结构，简述了物联网的关键技术，包括：RFID技术、传感网技术、M2M技术、云计算和中间件技术等，指出了物联网面临的主要问题，得到了物联网必将为人类生活带来翻天覆地的变化，“智慧地球”的理想终将变成现实的结论。
关键词：物联网；RFID；传感网技术；M2M技术；云计算；中间件技术

    物联网顾名思义就是“物物相连的互联网”。它是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把物体与互联网连接起来，进行信息交换与相互通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控的一种网络。
    物联网有3大本质特性，即：全面感知、可靠传输、智能处理。物联网具有感知性，它可以感知人们所处的环境，最大限度地支持人们更好地洞察、利用各种环境资源以便做出正确的判断并把判断结果可靠地进行传输。物联网使得人们所处的物质世界得以极大程度地数字化、网络化，使得世界中的物体不仅以传感方式也以智能化方式关联起来。

1 体系结构
    物联网的体系结构大致被公认有3个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是用于传输数据的网络层，最上面则是与行业需求相结合的应用层。如图1所示。

    1)感知层
    感知层主要用于感知物体，采集数据。它是通过移动终端、传感器、RFID(射频识别技术)、二维码技术和实时定位技术等对物质属性、环境状态、行为态势等动态和静态信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识。针对具体感知任务，常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算，并与网络中的其他单元共享资源进行交互与信息传输。其作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢。
    2)网络层
    网络层能够把感知到的信息进行传输，实现互联。这些信息可以通过INTERNET、INTRANET、GSM、CDMA等网络进行可靠、安全地传输。在传输层，主要采用了与各种异构通信网络接入的设备，如接入互联网的网关、接入移动通信网的网关等。因为这些设备具有较强的硬件支撑能力，所以可以采用相对复杂的软件协议设计。传输层的作用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。
    3)应用层
    应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求相结合，实现物联网的智能应用。根据用户需求，应用层构建面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，并根据各种应用的特点集成相关的内容服务。为了更好地提供准确的信息服务，必须结合不同行业的专业知识和业务模型，以完成更加精细和准确的智能化信息管理。其应用包括智能交通、绿色农业、智能电网、手机钱包、智能家电、环境监测、工业监控等。

2 物联网关键技术研究
    物联网是继互联网后又一次的技术革新，其关键技术包括RFID、传感网技术、M2M技术、云计算和中间件技术。
2．1 RFID技术
    RFID是Radio Frequency Identification的缩写，意思是射频识别，俗称电子标签，是物联网最关键的一个技术。它是利用射频信号实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。由于它是一种非接触式的自动识别技术，因此识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作方便快捷。
    RFID系统一般由读写器、标签及信息处理系统3个部分组成。标签是一个内部保存数据的无线收发装置，负责发送数据给读写器。读写器是一个捕捉和处理标签数据的装置，同时还负责与后台处理系统接口。信息处理系统则是在读写器与标签之间进行数据通信所必需的软件集合。
    在RFID中要实现物体之间的互联就必须给每件物体一个识别编码，也就是用于身份验证的ID。每个物品都有一个ID来证明它的惟一性。正是RFID对物体的唯一标识性，使其成为物联网的热点技术。而作为条形码的无线版本RFID技术有条形码不具备的防水、防磁、耐高温、可加密等优点。
2．2 传感网技术
    传感网由大量部署在监测区域内的传感器节点构成的多个无线网络系统，即无线传感网(WSN)，它能够实时检测、感知和采集感知对象的各种信息，并对这些信息进行处理后通过无线网络发送出去。物联网正是通过各种各样的传感器以及由它们组成的无线传感网来感知整个物质世界的。
    在物联网中，首先要解决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径与手段。传感器是一种检测装置，用来感知信息采集点的环境参数，例如声、光、电、热等信息，并能将检测感知到的信息按一定规律变换成电信号或所需形式输出，以满足信息的传输、处理、存储和控制等要求。
    传感网是物联网的底层和信息来源，因此需要对其运行状态及信号传输的通畅性进行监测，才能实现对网络的有效控制。传感网除了具有一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改等多种威胁外，还面临节点容易被操纵的威胁，因而在通信前进行节点的身份认证很有必要。
2．3 M2M技术
    M2M通过实现人与人(Man to Man)、人与机器(Man to Machine)机器与机器(Machine to Machine)的通信，让机器、设备、应用处理过程与后台信息系统共享信息。M2M技术的应用几乎涵盖了各行各业，通过“让机器开口说话”，使机器设备不再是信息孤岛，实现对设备和资产有效地监控与管理。
    M2M产品主要无线终端、传输通道和行业应用中心3部分构成。无线终端是特殊的行业应用终端，传输通道是从无线终端到用户端的行业应用中心之间的通道，行业应用中心是终端上传数据的集中点。
    M2M包括硬件和软件平台。其硬件是使机器具有通信或联网能力的部件，能够从各种机器、设备处获取数据并传送到通信网络硬件厂商。M2M的软件包含中间件、通讯网关、实时数据库、集成平台、构件库及行业化的应用套件等。
2．4 云计算
    云计算(Cloud Computing)是网格计算、并行计算、网络存储等传统计算机技术和网络技术发展融合的产物。它旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统。
    物联网要求每个物体都与该物体的唯一标示符相关联，这样就可以在数据库中进行检索。加上随着物联网的发展，终端数量的急剧增长，会产生庞大的数据流，因此需要一个海量的数据库对这些数据信息进行收集、存储、处理与分析，以提供决策和行动。传统的信息处理中心是难以满足这种计算需求的，这就需要引入云计算。
    云计算可以为物联网提供高效的计算、存储能力，通过提供灵活、安全、协同的资源共享来构造一个庞大的、分布式的资源池，并按需进行动态部署、配置及取消服务。其核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力，最终使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备，并能按需享受“云”的强大计算处理能力。
2．5 中间件
    中间件(Middleware)是处于操作系统和应用程序之间的软件，它屏蔽了底层操作系统的复杂性，使程序开发人员面对一个简单而统一的开发环境，减少程序设计的复杂性，将注意力集中在自己的业务上，从而大大减少了技术上的负担。中间件带给应用系统的，不只是开发的简便、开发周期的缩短，也减少了系统的维护、运行和管理的工作量。
    物联网的理念是要实现任何时间、任何地点及任何物体的连接，这个特点决定了屏蔽底层硬件的多样性及应用的复杂性。中间件的特性正好提供了良好的平台，以实现各类信息的关联、融合与互动。
    基于物联网的应用，中间件的研究应着重于支持多种传感设备的数据采集和处理功能，向上层应用提供终端能力调用接口等。

3 物联网所面临的问题
    物联网前景广阔，对经济和社会的影响巨大。然而，我国物联网的发展还存在一系列瓶颈和制约因素，例如关键技术有待突破，标准比较分散、体系还不完善，安全与隐私受到挑战，应用规模小，没有形成成熟的商业模式等。
    1)加强政策引导。物联网牵涉到各个行业，各个产业，它不仅需要技术，更需要多种力量的整合。这就需要国家的产业政策和立法上要制定出适合这个行业发展的政策与法规。因此，加强对物联网发展的研究，尽快解决物联网的内涵与产业政策等问题。加强与相关部门的沟通协作，积极推动出台国家层面的统一战略规划，确定物联网产业的发展战略，明确其发展目标及发展路线图，统筹部署物联网基础技术和网络的研发、产业化及应用。
    2)制定标准规范。物联网是一个多设备、多网络、多应用的一个大网，在其发展过程中，传感、传输、应用各个层面会有大量的技术出现，可能会采用不同的技术方案。如果各行其是，不能相互连通，不能降低研发成本，不能形成整合的商业模式，更不能形成规模经济。因此，推动建立跨行业、跨领域的物联网标准化协作机制，尽快制定统一的标准规范，以使其互联互通、相互融合，对物联网尤为重要。
    3)突破核心技术。围绕物联网产业链的关键环节，集中多方资源，突破核心技术，加快形成较为完备的物联网技术体系。引导加强产业链的协作，协同开展物联网重大技术攻关和应用集成创新。急需突破的核心技术包括传感器技术、射频识别技术(RFID)、中间件技术、M2M技术、智能通信与控制技术、云计算技术、异构网络融合技术等技术。
    4)关注信息安全。物联网中的物与物、物与人之间互联，使用大量的信息采集和交换设备，信息采集和信息传输频繁。比起传统网络，物联网发展带来的信息安全、网络安全将更为突出。要强化安全意识，把安全放在首位。研究物联网产业发展可能带来的安全问题，制定相关措施，防患于未然，科学规划和配置频率资源，积极研究制定和推广应用我国自主编码体系，推动完善信息安全、个人隐私保护等方面的法律法规。
    5)建立管理平台。物联网是一个大网，其价值在于网，而不在于物。如果没有一个庞大的网络体系，不能进行管理和整合，那这个网络就没有意义。因此，建立一个综合性的物联网业务管理平台，把各种传感信息进行汇总和分门别类，进行有指向性的传输，已成为非常重要的问题。有了这个综合性的管理平台，就可以整合资源、相互融合，取代那种效率低，成本高的各自为政的局面，从而为物联网的发展助力腾飞。
    6)完善商业模式。任何一次信息产业革命都会出现一种新型的商业盈利模式，物联网也不例外。物联网作为新概念、新技术，其感知、网络、应用的3个层次中，每一个层面都有多种选择去开拓市场。而目前能够给物联网发展直接带来的经济效益的主要集中在与物联网有关的电子元器件领域，例如射频识别、感应器等等。而庞大的商业盈利模式尚未完善，这就需要组织引导，集中资源，形成合力，以应用为先导，完善商业模式。

4 结束语
    作为技术革命，互联网改善了人与人之间的交流方式，缩短了空间距离；而物联网引入了人与物之间的交流，其发展目标是使人们在任意时间、任意地点可以与任意物品互联，其前途无限，必将为人类生活带来翻天覆地的变化，“智慧地球”的理想也终将变成现实。