物联网热点问题研究

引言

物联网(Internet of Things)的概念于1999年由麻省理工学院自动标识中心(MITAuto-IDCenter)首先提出；2005年国际电信联盟(ITU)发布名为“TheInternet of Things”的年度报告，对物联网的概念和内涵进行了更深刻地定义；2009年1月，IBM公司提出“智慧地球”的构想，物联网成为其中关键的一部分；奥巴马就职后，“智慧地球”作为国家层级的发展战略被确定下来，从而使物联网技术引起全球的广泛关注。与国外相比，我国物联网技术的发展在2009年温家宝总理视察无锡微纳传感网工程技术研发中心并发表重要讲话后迅速升温，并在最近几年内取得了重大进展。

经过近几年的讨论，现在学术界对物联网的定义多倾向于三层结构的网络，从下至上依次为感知层、网络层和应用层。

感知层是物联网与现实世界的接口，它通过各种手段从现实世界中获取信息并将这些信息通过技术手段处理后提供给上层使用。现阶段的感知层技术研究多集中于无线传感器网络(WirelessSensor Network，WSN)和RFID(Radio FrequencyIdentification)等方面。

网络层的作用是将感知层产生的相对原始的数据从网络中的数据源透明地传输到用户处。物联网中的网络层是广义的,它包含数据的存储、处理功能。现阶段网络层技术研究的热点是云计算、IPv6、高速和海量数据传输等。

应用层是物联网与使用者的接口，基于网络层提供的数据为用户提供服务。应用层的研究与物联网的具体应用的领域关联性较强，中间件技术是目前应用层研究的重点。

从字面上可以直观地看出，物联网与互联网的最大区别是，物联网中将一个可识别的个体背后的信息来源从人扩展到了人和物，这个小小的改变使得物联网与互联网相比有了质的不同，本文仅就感知层研究中所面临的问题进行分析。

物联网是物的网络，因此在物联网中，首先要解决的问题是如何将物的信息接入网络，这属于感知层的研究范围。目前,感知层研究的热点集中于无线传感器网络和RFID两种技术。

1无线传感器网络

WSN是无线传感器所组成的网络，这是对传统有线的、孤立的传感器的改进。在WSN中，具有自主供电能力的传感器通过自带的无线通信系统进行自动组网，各传感器通过自组的网络与感知层以上的系统进行信息交换，从而完成信息的采集工作。为了实现这样的目标，通常需要对以下的问题进行研究。

1.1能量的获取与控制

WSN中的节点是能量受限的，这限制了节点性能的提升。为了解决这个问题，可以从开源和节流两个方面进行考虑。

1.1.1开源

所谓开源，即尽可能地增加节点的能量供应，这可以从两个方面来进行：

一是提高节点电池的容量，使其能够支持更大功率的应用，这方面的研究热点是超级电容。超级电容原理与普通电容类似，均是通过导体的表面来存储电荷，但它与普通电容的区别是其可通过技术手段扩大储能面积，庞大的表面积加上非常小的电荷分离距离使其储能容量远大于普通电容，其功率密度也远大于普通电池，可达300~5000W/kg。目前，对超级电容技术的研究热点集中于提高容量、降低价格、降低环境敏感程度等方面。

二是采用无线供电技术对节点进行远程供电。无线供电(WirelessPower)的概念并不新鲜，早在20世纪初，NicolaTesla就进行过远距离无线输电的实验研究。根据电力传输媒介的不同，无线供电可分为微波供电、磁场谐振耦合供电和其他方式供电三种。

微波供电使用电磁波进行能量传输，其系统框图如图1所示。

电磁波技术有较深厚的理论研究基础，采用微波供电技术的能量转换效率可达80%以上，其传输距离可达千米以上,但由于电磁波固有的发散特性，致使很多能量不能被接收天线有效接收，因而会导致能量传送效率不高。

磁场谐振耦合(StronglyCoupledMagneticResonances)技术由MIT的AndreKurs、AristeidisKaralis等人于2007年首先提出，这种技术使用磁场作为能量传递的媒介,其基本原理与变压器类似，图2所示为磁场谐振耦合原理图。

图2中,屁为发送线圈，％d为接收线圈。根据变压器原理可知，当儿频率与发射回路、接收回路的固有频率一致时,接收回路和发射回路进入谐振状态，此时两回路均为纯电阻电路，等效阻抗最低，因此，线圈中流过的电流最大，功率的发送效率最高。磁场谐振耦合技术由于不发射电磁波，所以不会对电子线路产生干扰，且与微波供电相比，对人体影响较小。磁场谐振耦合技术的缺点是理论基础还不够完善，目前的实验系统仅适用于1~2m的短距离场合，且其能量传输效率对频率极度敏感。

使用其他方式进行能量传输有很多选择，比如可采用超声波、激光等作为媒介进行能量传输，但这些方式与微波供电和磁场谐振耦合供电相比，对环境的依赖程度更高，其应用面不够宽，因此，目前无线供电技术研究的热点多集中于微波供电和磁场谐振耦合供电两个方向。对于物联网来说，磁场谐振耦合供电由于成本较低、实现简单，具有更好的应用前景。

1.1.2节流

所谓节流，即降低系统的能量消耗，可以从硬件和软件两个方面实现。

从硬件上降低能耗的方法有：使用低电压及低功耗的芯片构成传感器节点；在节点硬件电路设计过程中，根据各部分的能耗不同划分层级，尽量使高能耗的器件减少工作时间；为电路设计休眠和唤醒机制等。

从软件上降低能耗的思路主要体现在使整个网络的能量消耗最小化，而不只是降低某个节点的能量消耗。其研究思路包括：对传感器节点按照一定规则进行分簇，在簇内采用算法将簇头的能量消耗平均到每个簇成员上，从而在保证网络性能的前提下降低能量的消耗；借鉴MIMO的思路将数据传输变为并行的结构，从而在远距离通信过程中降低能量损耗。研究节点的休眠调度算法，在保证网络功能的前提下，使尽可能多的节点进入休眠状态；在条件允许的情况下降低节点工作质量、减小通信距离、降低数据通信量、减少通信冲突等時。

1.2自动组网

理想情况下，WSN中的节点数量众多、能量受限，且均是不可靠节点，即网络中的节点随时面临损坏、电源耗尽、位置改变等异常情况，传统的网络无法满足这样的要求，因而需要重新设计一种全新的网络来满足上述条件。

目前对于WSN自组网的研究热点，有Adhoc和ZigBee两种。

Adhoc网络是一种具有无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑特点的网络。无中心是指Adhoc网络中没有严格的控制中心，所有节点均处于平等地位，是一个对等式的网络,网络中的节点可以随时加入或离开，任何节点的状态变化均不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性；自组织是指网络布设无需依赖于任何预设的网络设施，节点可自行加入或离开网络而无需外界干预；多跳路由指当网络中的某节点要与超过其信号覆盖范围内的节点通信时，信息是通过网络中的其他节点进行转发的，转发的过程由网络中的普通节点实现；动态拓扑则指网络的拓扑结构是变化的，网络中随时可能有节点离开或者加入，且网络中节点的位置随时可能发生变化。

通过对Adhoc网络特点的分析可以发现，网络路由协议是实现上述特点的基础，因此对Adhoc路由协议的研究是当前的热点。分析现有的路由协议，可将其分为主动路由和按需路由两种：主动路由也被称为表驱动路由，在主动路由协议中，网络中的每一个节点都周期性地向其他节点发送最新路由信息，这些信息被每一个节点保存下来，以形成路由表，当网络中出现拓扑结构变化时，节点会在全网内广播路由更新信息,从而更新整个网络的路由表，典型的主动路由协议有DSDV、WRP等；按需路由也称反应式路由，在按需路由协议中，仅当源节点需要向目的节点发送数据时，源节点才发起创建路由，因此，其路由表中的内容是按需建立的，路由表仅在通信过程中进行维护，通信完毕后不会再进行维护，典型的按需路由协议有AODV、DSR等。

在现实条件下，有些WSN所处的环境并没有以上构想的恶劣，比如在工业领域或家庭环境下使用的传感器网络，网络的拓扑结构改变得较少，节点可靠性较高，在这样的环境下使用Adhoc网络显得没有必要，因此，ZigBee联盟于2004年提出ZigBee协议。ZigBee基于IEEE802.15.4标准，是一种低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通信技术，使用ZigBee协议的网络具有自组织、自愈能力。ZigBee网络与Adhoc网络最大的不同是，在ZigBee网络中节点是非平等的，节点被分为协调器、路由器、终端三个层次,协调器是网络的控制者，一个网络中只能有一个协调器，路由器承担数据包转发任务，可提供不同子网间的信息交互。终端对应传感器节点可将感知到的信息发往路由器，ZigBee网络由于具有固定的中心节点，因而其协议实现的复杂度较低。

2RFID技术

RFID技术源于雷达技术的发展，一套完整的RFID系统由射频标签、阅读器、主机、管理软件构成。工作的流程是,阅读器发送一定频率的射频信号，并随着标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频标签凭借感应电流获得的能量驱动标签中的芯片工作，并使用此能量发送应答信号给阅读器。阅读器将接收到的信号反馈给主机，主机上的管理软件通过收集到的标签信息对整个系统情况进行管理。RFID技术已经在物流管理等领域有成功应用，其技术标准有ISO-18OO0系列协议等。

目前，对RFID系统的研究热点有如下几个方面。

2.1天线设计

RFID通过无线信号进行信息交换，电子标签和阅读器之间的能量感应方式主要有两种：电感耦合和电磁反向散射耦合。电感耦合原理与变压器类似，主要应用于低、中频段,典型工作频率为125kHz、225kHz和13.56MHz,电感耦合方式工作频率低，数据传输速率低且感知距离小；电磁反向散射耦合工作方式与无线传感网节点类似，它们都以雷达模型为基础。如，一般工作于高频、微波频段，典型的工作频率为433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz,由于工作频率较高，数据传输速率较高且感知距离更远，可达4~6m。由于电磁反向散射耦合工作方式具有更好的工作效率，因此,目前研究工作的热点集中于这种工作方式。

阅读器天线设计要求：容易在超高频或微波频段调谐,尺寸符合要求，输入阻抗特性近似线性，具有较宽带宽和较高增益，具有圆极化或准圆极化方式，而且成本较低。标签天线设计时需要考虑天线频带、天线的形状和大小、识别范围、移动性要求、成本、可靠性等。

2.2SAW（声表面波技术）

声表面波是一种能量集中在介质表面传播的弹性波,一个典型的SAWRFID系统的工作过程是：阅读器发射射频查询脉冲，标签的接收天线接收阅读器发送过来的信号，信号经接收IDT（叉指换能器,将电磁波转换为声波）转换为声表面波,声表面波在标签内传播，与特殊设计的反射栅接触改变信号的一些信息形成新的声波信号以携带标签的信息，新的声波信号继续前进，遇到发射IDT后被转换为电磁波，电磁波经发射天线发送回阅读器，至此一次阅读的过程完成。SAW是晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内部电子迁移过程，因此具有较强的抗干扰能力，适用于更加恶劣的环境，同时也由于这种标签不涉及晶体内部电子迁移过程，因此标签不含智能。

2.3碰撞算法

RFID系统中存在着两种冲突，一种是多读写器对标签的冲突，一种是多标签对读写器的冲突，两种冲突的解决方法不尽相同。

多读写器对标签冲突的情况是，当读写器同时向某一个或几个标签发送信号时，标签由于无法区分信号的来源而无法响应读写器，于是标签无法正确识别。为了解决读写器的冲突，可以采取CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测机制)、时分复用、频分复用、功率控制等方法，由于读写器具有智能，还可以在读写器之间建立单独的同步链路，以实现更精确的控制。

多标签对读写器冲突可以简化为一个读写器同时与多个标签进行通信，由于标签电路简单且智能有限，所以，对标签冲突的解决一般由读写器来实现。标签的防冲突算法一般基于时分复用的思想，现有比较成熟的算法有ALOHA类算法、基于树的算法等。碰撞算法的选择受限于标签成本、应用特点等因素，随着RFID系统应用得越来越广泛，对碰撞算法的研究也将成为热点。

3共性问题

在物联网感知层的研究中，除了以上提到的问题以外,还有一些共性的问题需要解决。

3.1电磁波传输特性

无线信号的传输受环境的影响巨大，因此需要研究不同环境下无线信号的传播特性，并根据这些特性设计信号的传送方式，以提高通信质量和距离。目前研究的热点主要集中于复杂环境下的传输特性，如巷道内的多径效应、衰落、调制方式等对通信效果的影响，但是，目前研究的主要方式还以实验为主，理论上的研究还有待突破]。

3.2节点定位

感知层中节点位置信息对于感知层来说是必要的，比如在矿井中定位某矿工的具体位置等情况。如果对定位的精度要求比较高，可采取在节点上附加测距装置的方式来实现，比如附加超声波测距装置等，但这种方式的功耗会比较大，且成本相对较高。如果对定位精度要求比较低，则可借助电磁波通信过程中的一些信息对节点进行定位，这种定位技术也是目前研究的热点，比如RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)、AOA(Angleofarrival)、TOA(Timeofarrival)、TDOA(Timedifferenceofarrival)等。

3.3UWB(超宽带技术)

UWB技术采用极窄的脉冲信号实现无线通信，UWB信号的定义是相对带宽大于20%的无线电信号的，这种信号与传统调制信号相比具有更优秀的性能，如收发信电路简单(因为发送的是基带信号，无需调制)、隐蔽性好(占用带宽大,因此功率谱密度低)、传输速率高(时域来看是极窄的脉冲,易于实现高速传输)、与其他系统良好的频段共存性(UWB信号对常规无线电信号来说相当于噪声)、具有很好的穿透能力(低频部分能够很好地穿透墙壁、大地等固体，便于实现室内定位、探地雷达)等。感知层中采用UWB技术能够具有降低网络功耗、便于节点定位、提高传输速率等优点。

3.4网络安全

网络安全应该是物联网体系设计过程中重点考虑的问题,因特网的安全问题已经给世界带来了很大的不便，如果这样的问题被物联网继承下来并在物联网大规模应用以后爆发，后果将不堪设想。参照因特网中出现的安全问题，对于物联网来说，应该从技术、管理、立法等方面全方位地对网络进行保护。如果仅从技术的角度来说，物联网的感知层应从访问控制、信道安全、数据安全等方面进行安全控制。

4结语

物联网技术现在还未到大规模应用阶段，仅就感知层来说就存在诸多问题有待研究。本文简略介绍了感知层中现存的主要问题及研究思路，希望对于今后的研究具有一定的指导作用。

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