物聯(lián)網(wǎng)核心技術研究綜述

1、物聯(lián)網(wǎng)核心技術研究綜述劉瑞雪08950113通信工程一班摘要:物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別(RFID、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協(xié)議,把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進行信息交換和通信,以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。本文對物聯(lián)網(wǎng)作一簡單定義,提出了物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu),并對其中的核心技術和特性進行探討,在此基礎上著重分析了物聯(lián)網(wǎng)的核心技術:RFID(Radio Frequency Identification,射頻識別技術。關鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);感知層;網(wǎng)絡層;應用層;RFIDContent networking core technology resea

2、rchLiuruixue08950113Communication engineering class oneAbstract:The content networking is through the radio frequency identification (RFID, infrared sensors, global positioning system, laser scanner, according to information such as sensing equipment, the agreement agreed with Internet connected to

3、any object, exchange information and communication, in order to realize the intelligent recognition to the object, location, tracking and monitoring and management of network. This paper defines a simple thing networking, puts forward the content networking system and structure for the core technolo

4、gy and properties are discussed, based on this thing is analyzed emphatically the core technology: network have been RFID (Identification, RFID technology.Keywords:Content networking; Perception layer; The network layer; The application layer; RFID1引言“物聯(lián)網(wǎng)”(Internet of Things, 指的是將各種信息傳感設備, 如射頻識別(RFI

5、D裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡連接在一起, 系統(tǒng)可以自動的、實時的對物體進行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應事件?！拔锫?lián)網(wǎng)”是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮?！拔锫?lián)網(wǎng)”概念的問世,打破了之前的傳統(tǒng)思維。過去的思路一直是將物理基礎設施和IT 基礎設施分開:一方面是機場、公路、建筑物, 而另一方面是數(shù)據(jù)中心, 個人電腦、寬帶等。而在“物聯(lián)網(wǎng)”時代, 鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎設施, 在此意義上, 基礎設施更像是一塊新的地球工地, 世界的運轉(zhuǎn)就在它上面進行, 其中包

6、括經(jīng)濟管理、生產(chǎn)運行、社會管理乃至個人生活?！拔锫?lián)網(wǎng)”的概念是在1999年提出的, 它的定義很簡單:把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來, 實現(xiàn)智能化識別和管理。也就是說, 物聯(lián)網(wǎng)是指各類傳感器和現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相互銜接的一個新技術。美國麻省理工學院的自動識別實驗室在美國統(tǒng)一代碼委員會(UCC的支持下,提出:要在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上,利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信技術,構(gòu)造一個覆蓋世界萬物的系統(tǒng)還提出了產(chǎn)品電子代碼(EPC的概念,隨后由國際物品編碼協(xié)會和美國統(tǒng)一代碼委員會主導,實現(xiàn)了全球統(tǒng)一標識系統(tǒng)中的GTIN編碼體系與EPC概念的完善結(jié)合,將EPC納入了全球統(tǒng)一標識系統(tǒng),從而確立了E

7、PC在全球統(tǒng)一標識體系中的戰(zhàn)略地位。EPC標簽是編號(每一個商品唯一的號碼,“牌照”的載體,當EPC標簽貼在物品上或內(nèi)嵌在物品中的時候,即將該物品與EPC標簽中的產(chǎn)品電子碼建立起了一對一的對應關系。EPC標簽從本質(zhì)上來說是一個電子標簽,通過射頻識別系統(tǒng)的電子標簽讀寫器可以實現(xiàn)對EPC標簽內(nèi)存信息的讀取1。這個內(nèi)存信息通常就是產(chǎn)品電子碼,產(chǎn)品電子碼經(jīng)讀寫器上報給物聯(lián)網(wǎng)中間件,經(jīng)處理后存儲在分布式數(shù)據(jù)庫中。用戶查詢產(chǎn)品信息時只要在網(wǎng)絡瀏覽器的地址欄輸入產(chǎn)品名稱、生產(chǎn)商、供貨商等信息,就可以實時獲悉產(chǎn)品在供應鏈中的狀況。“物聯(lián)網(wǎng)”, 有兩個重要因素。一是規(guī)模性, 只有具備了規(guī)模, 才能使物品的智能發(fā)

8、揮作用; 二是流動性, 物品通常都不是靜止的, 而是處于運動的狀態(tài),必須保持物品在運動狀態(tài), 甚至高速運動狀態(tài)下都能隨時實現(xiàn)對話。2 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)目前, 物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個廣泛認同的體系結(jié)構(gòu),最具代表性的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是歐美支持的EPCglobal 和日本的UID物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。EPC系統(tǒng)由EPC編碼體系、射頻識別系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡系統(tǒng)3 部分組成。UID技術體系架構(gòu)由泛在識別碼(uCode、泛在通信器、信息系統(tǒng)服務器、和ucode解析服務器等4部分構(gòu)成8。EPCglobal 和UID上只是RFID 標準化的團體,離全面的“物聯(lián)網(wǎng)”體系架構(gòu)相去甚遠。美國的IBM公司在2008年提出“智慧的地球”這一與物

9、聯(lián)網(wǎng)概念相近的概念,并提出通過INSTRUMENTED,INTERCONNECTED和INTELLIGENT這三個層面來實現(xiàn)智慧地球。在文獻基礎上,本文提出了物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)2。1、智能物體層:通過傳感器捕獲和測量物體相關數(shù)據(jù),實現(xiàn)對物理世界的感知。同時具備局部的互動性,需要一定的存儲和計算能力。2、數(shù)據(jù)傳輸層:以有線或無線的方式實現(xiàn)無縫、透明、安全的接入,提供并實施編碼、認知、鑒權(quán)、計費等管理。3、信息關聯(lián)層:通過云計算實施對海量數(shù)據(jù)的存儲和管理、數(shù)據(jù)處理與融合,屏蔽其異質(zhì)性與復雜性,形成一個與真實世界對應的虛擬世界。4、應用服務層:從虛擬世界中提取信息,提供豐富的面向服務的應用。如智能交通、

10、智能電網(wǎng)、智能醫(yī)療等等。需要指出的是,數(shù)據(jù)由底部的傳感器通過網(wǎng)絡到達應用服務層面,而實際上,在服務應用層面,各個中心、用戶可以反向的通過網(wǎng)絡由執(zhí)行器對物體進行控制。在該體系結(jié)構(gòu)中,感知層面的各種傳感器、執(zhí)行器都是具體的,隨著技術的發(fā)展會不斷升級,新設備不斷引入物聯(lián)網(wǎng)。而服務應用層的各種需求也是不斷提出的,并不是一層不變的。若是每個具體的服務應用和傳感設備都形成一個獨立的網(wǎng)絡,最后可能形成許多套特殊的網(wǎng)絡,這不利于推廣和不便于維護。因此這需要物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層有一定前瞻性,物體設備層可以變化,服務應用層可以變化,但它們都是通過一個普適的網(wǎng)絡進行連接,這個網(wǎng)絡可以在一定的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。3 物聯(lián)網(wǎng)核心

11、技術應用3.1無線射頻識別技術(RFID技術無線射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術,它的工作原理如下:使用射頻電磁波通過空間耦合(交變磁場或電磁場在閱讀器和進行識別、分類和跟蹤的移動物品(物品上附著有RFID標簽之間實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術3。RFID是一種利用電磁能量實現(xiàn)自動識別和數(shù)據(jù)捕獲技術,可以提供無人看管的自動監(jiān)視與報告作業(yè)。具體的工作原理如下:當裝有電子標簽的物體接近微波天線時,閱讀器受控發(fā)出微波查詢信號。安裝在物體表面的電子標簽收到經(jīng)微波天線發(fā)出的查詢信號后,根據(jù)查詢信號中的命令要求,將標簽中的數(shù)據(jù)信息反射回微波天線。微波天線接收到電子標簽反射回的微

12、波合成信號后,經(jīng)閱讀器內(nèi)部微處理器處即可將電子標簽中的識別代碼等信息分離出來。這些識別信息作為物體的特征數(shù)據(jù)被傳送到控制計算機作進一步處理,從而完成與物體有關的信息查詢、統(tǒng)計、管理等應用。整個識別工作無須人工干預,可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,并且閱讀器能自行判斷RFID標簽是否被重復讀取處理。RFID技術的這些功能特性很適合流水線上產(chǎn)品的控制,以實現(xiàn)流水作業(yè)管理,得以使整個流水線管理自動化。RFID系統(tǒng)一般由RFID系統(tǒng)由閱讀器、應答器(標簽和應用系統(tǒng)三部分組成,通過電波在響應媒介和詢問媒介間傳遞信息4。閱讀器,一般是一臺內(nèi)含天線和芯片解碼器的閱讀

13、(有時還可以寫入設備,可設計為手持式或固定式;閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數(shù)據(jù),從而達到自動識別體的目的。通常閱讀器與電腦相連,所讀取的標簽信息被傳送到電腦上進行下一步處理。應用系統(tǒng),一般是由計算機支撐的有線或無線管理系統(tǒng)。視不同應用要求,對于實時型的智能型控制器,不一定必須要有后臺應用系統(tǒng)。標簽,主要是射頻標簽,響應端內(nèi)含天線,兩者組成所謂的“雷達收發(fā)機”,以卡、標簽等形式存在。RFID物品識別的目標是為每一物理實體提供唯一標識。它與傳統(tǒng)條碼技術相比有以下幾方面的優(yōu)點:(1唯一標識。條碼只能識別一類產(chǎn)品, 而無法識別單品, 因此條碼容易偽造。RFID卻可以為單品提供唯一標

14、識。(2讀取方便。條碼是可視傳播技術。即掃描儀必須“看見”條碼才能讀取它, 這表明人們通常必須將條碼對準掃描儀才有效。相反, 無線電識別并不需要可視傳輸技術, 射頻標簽只要在識讀器的讀取范圍內(nèi)就可以了, 甚至可以穿過外包裝進行識別。這大大減少了人的參與, 提高了識別效率。(3長壽耐用。紙型條碼容易破損和受到污染。而RFID電子標簽可以應用于粉塵、油污等高污染環(huán)境和放射性環(huán)境。(4動態(tài)更改。條碼信息一旦需要更改就必須重貼, 而RFID電子標簽中的信息可以編輯, 便于更新。(5可擴展性。RFID電子標簽存儲的是電子數(shù)據(jù), 在需要的時候可以改變其中的編碼結(jié)構(gòu), 便于升級。(6RFID電子標簽可以設置

15、密碼, 保密性強。3.2 RFID技術的應用物聯(lián)網(wǎng)技術的應用可以使電子商務變得更強大, 它使消費者可以在網(wǎng)上查到任何一家商店的任何一件商品, 選擇起來得心應手。在物流領域,RFID 電子標簽可以應用于自動倉儲庫存管理、產(chǎn)品物流跟蹤、供應鏈自動管理、產(chǎn)品裝配和生產(chǎn)管理、產(chǎn)品防偽等多個方面5。2006年高科技項目申報國家共撥款1億2800萬人民幣用以支持20項課題研究,其中“RFID系統(tǒng)測試技術研究及開放平臺建設”、“RFID應用方案公共測試系統(tǒng)建設”、“符合ISO 18000-6 Type B/C標準的(UHF標簽芯片研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”、“RFID標簽集成技術研究及產(chǎn)業(yè)化”、“RFID公共服務體系架

16、構(gòu)設計及應用服務關鍵技術研究與開發(fā)”.“區(qū)域RFID信息公共服務平臺關鍵技術研究與開發(fā)”、“RFID標準研究與制定”這七項課題約占全部經(jīng)費的50%。由此可見,在前一次的項目攻堅中主抓公共項目的基礎建設.RFID設備的生產(chǎn)以及產(chǎn)業(yè)鏈完善建設以及RFID使用規(guī)范標準化。這對于我國RFID技術及應用這座宏偉大廈來說無異于堅實的地基。目前,此番不少課題已經(jīng)相繼取得了進展,部分已得到業(yè)界的認可。如中科院自動化所承擔的物流領域研究和貴州茅臺酒股份有限公司的RFID技術在茅臺酒防偽的應用等,特別是RFID技術在票務和食品安全領域中的成果更被及時應用到奧運會中。依據(jù)目前情況來看RFID的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展在各個地區(qū)已

17、經(jīng)呈現(xiàn)出相對完整產(chǎn)業(yè)鏈,無論是封裝.標簽的印刷方的提供。在此講述一個RFID在圖書館中的應用例子。RFID 對圖書館及讀者來說,較之條碼識別具有明顯的優(yōu)勢。在圖書館管理中,利用RFID的無線傳輸能力和大容量的數(shù)據(jù)儲存,可以極大地提高圖書館管理的效率。RFID優(yōu)勢具體表現(xiàn)為:簡化借還書服務工作。目前圖書館的借還書作業(yè)除了刷條形碼外,還需做上磁及消磁的繁瑣工作,以RFID卷標取代條形碼、磁條,不用一本書一本書的用掃描儀掃描條形碼,并且可以一次讀取多筆資料,同時減少讀者的等待時間及館員的例行業(yè)務,提升了圖書館的服務品質(zhì)及形象;容易查找錯架、亂架的圖書。利用RFID無線電波感應技術。使放置錯架的圖書能

18、很快被發(fā)現(xiàn),提高圖書館館員整架的工作效率;加速盤點工作。目前圖書館盤點的方式一定要將書從書架上將每一本書取出,RFID Tag以無線電波傳送信息,可以一次讀取數(shù)個RFID卷標資料。簡化盤點工作;耐環(huán)境性。RFID對水、油和藥品等物有強力的抗污性,且在黑暗及臟污的環(huán)境之中也可以讀取數(shù)據(jù);可重復使用及穿透性。RFID 卷標可以回收重復使用。并且若RFID被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì)包覆的話,也可以進行穿透性通訊;讀者自助借還書。圖書館提供自助借還書外圍設備,則讀者可以自行辦理圖書的借還。4物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景4.1 發(fā)展前景概述業(yè)內(nèi)幾乎所有人都認為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景非常好。物聯(lián)網(wǎng)可以廣泛應用于

19、經(jīng)濟社會發(fā)展的各個領域,引發(fā)和帶動生產(chǎn)力、生產(chǎn)方式和生活方式的深刻變革,成為經(jīng)濟社會綠色、智能、可持續(xù)發(fā)展的關鍵基礎和重要引擎。一方面物聯(lián)網(wǎng)市場空間廣闊,受眾群突破人口限制,擴大到幾乎所有的生產(chǎn)資料/機器終端/傳感器網(wǎng)絡,到2020年,地球上物物互聯(lián)的業(yè)務,跟人與人通信的業(yè)務相比,將達到30:1,因此物聯(lián)網(wǎng)被稱為下一個萬億級的通信業(yè)務;另一方面物聯(lián)網(wǎng)獲得國家層面的重視,政策的扶持和資金投入都在加大,物聯(lián)網(wǎng)第一次寫入政府工作報告,并被納入7大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計,去年各大部委對物聯(lián)網(wǎng)的研究扶持資金投入已經(jīng)超過20億。不少地方政府近期都在熱衷建設物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)基地,給予相關企業(yè)在稅收、資金、用

20、工、服務等一系列的優(yōu)惠政策,吸引物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈在地方落地,從而帶動地方社會發(fā)展,提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),推動經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整和發(fā)展方式的深刻轉(zhuǎn)變6。4.2 發(fā)展待解決的問題在國內(nèi)甚至全球,尚未看到物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模建設的案例,此外行業(yè)壁壘和地域壁壘也同樣制約著物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模發(fā)展8?？傮w來看,物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展主要面臨幾方面的挑戰(zhàn):(1產(chǎn)業(yè)基礎不足。國內(nèi)尚未形成物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模應用的條件,物聯(lián)網(wǎng)依附于現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,而國內(nèi)多數(shù)產(chǎn)業(yè)信息基礎設施均不完善,許多產(chǎn)業(yè)與西方發(fā)達國家相比仍然落后,因此國內(nèi)相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)達程度和信息化水平基礎決定了物聯(lián)網(wǎng)短期內(nèi)難以規(guī)模化發(fā)展。(2技術水平不佳。物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈很長,而大多數(shù)涉及到的核心技術都處于

21、發(fā)展階段,距離產(chǎn)業(yè)化應用還有較大距離,尤其是傳感器網(wǎng)絡,不具備規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用的條件,傳感器90%的核心技術大都掌握在國外發(fā)達國家手中。作為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)源地,西方確實擁有較大的技術優(yōu)勢。(3標準化工作落后。不管是在國際還是國內(nèi),物聯(lián)網(wǎng)從核心架構(gòu)到各層的技術接口/協(xié)議均未實現(xiàn)標準化,而各個行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應用也基本未完成標準化工作,標準化的缺乏使得物聯(lián)網(wǎng)的應用普及難以規(guī)?；Ｍ瑫r也使得物聯(lián)網(wǎng)的建設成本較高,因此短期來看,國內(nèi)暫時還不存在大規(guī)模應用的環(huán)境。(4安全性問題凸顯。在推進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展時,尤其要注意其可靠性、安全性及個人隱私保護問題7。物聯(lián)網(wǎng)將社會活動、戰(zhàn)略性基礎設施資源和居民生活架構(gòu)在全程互聯(lián)互通的網(wǎng)絡上,所有活動和設施理論上透明化,一旦遭受攻擊,安全和隱私將面臨巨大威脅。5.結(jié)論當局域網(wǎng)出現(xiàn)的時候,和現(xiàn)在一樣,有一種成為新興產(chǎn)業(yè)浪潮的趨勢,當時誰也沒有想到它可以發(fā)展成為現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)。而今,物聯(lián)網(wǎng)和當時局域網(wǎng)一樣的出現(xiàn)了,給我們帶來了前所未有的發(fā)展前景,給我們帶來了良好的發(fā)展機遇的同時,也為我們帶來了無限的挑戰(zhàn),時代總是在這樣的情況下發(fā)展起來9。當?shù)谝淮萎a(chǎn)業(yè)革命出現(xiàn),我們來到了蒸汽時代,隨后,我們進入了電器時代,第三次產(chǎn)業(yè)革命,我們步入信息科技時代,人們都說工業(yè)革命是變革世界的引擎,帶來新的產(chǎn)物。雖然物聯(lián)網(wǎng)不是一次產(chǎn)業(yè)革命,但是它卻有著