物联网44

※物联网的简介※物联网的发展※物联网的技术框架※物联网的关键技术※物联网产品应用※实验室装置一、物联网的简介“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别（RFID）、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，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。物联网(InternetofThings)这个词，国内外普遍公认的是MITAuto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID时最早提出来的。在2005年国际电信联盟（ITU）发布的同名报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。二、物联网的发展1、国外的发展状况目前，国外对物联网的研发、应用主要集中在美、欧、日、韩等少数国家，其最初的研发方向主要是条形码、RFID等技术在商业零售、物流领域应用，而随着RFID、传感器技术、近程通信以及计算技术等的发展，近年来其研发、应用开始拓展到环境监测、生物医疗、智能基础设施等领域。美国：2009年1月，在奥巴马总统与美国工商界领袖举行的一次会议上，IBM首席执行官彭明盛提出了智慧地球概念，并建议美国政府投资新一代智慧型基础设施。奥巴马对此给予积极回应：经济刺激资金将会投入到宽带网络等新兴技术中去，毫无疑问，这就是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式。这将智慧地球提升为国家层级的发展战略，将新能源和物联网列为振兴经济的两大武器，从而引起全球的广泛关注。同时，物联网产业引发全美工商界的高度关注，并认为智慧地球有望成为又一个信息高速公路计划，从而在世界范围内引起轰动。欧盟：欧盟制定了欧洲行动计划，科学规划未来发展路线。欧盟早在2006年就成立工作组，专门进行RFID技术研究，并于2008年发布《2020年的物联网--未来路线》。2009年6月，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了《欧盟物联网行动计划》对物联网未来发展以及重点研究领域给出了明确的路线图，确保欧洲在建构物联网过程中起主导作用。2009年10月，欧盟委员会以政策文件的形式对外发布了物联网战略，提出要让欧洲在基于互联网的智能基础设施发展上领先全球，除了通过ICT研发计划投资4亿欧元，启动90多个研发项目以提高网络智能化水平外，欧盟委员会还将于2011年～2013年间每年新增2亿欧元进一步加强研发力度，同时拿出3亿欧元专款，专门支持物联网相关公私合作短期项目建设。日本：上世纪90年代中期以来，日本政府相继制定了e-japan、u-japan、i-japan等多项国家信息技术发展战略，从大规模开展信息基础设施建设入手，稳步推进，不断拓展和深化信息技术的应用，以此带动本国社会、经济发展。其中，日本的u-japan、i-japan战略与当前提出的物联网概念有许多共通之处。2009年7月日本IT战略本部颁布了日本新一代的信息化战略--“i-Japan”战略，并于2009年8月日本又将“u-Japan”升级为“i-Japan”战略，提出“智慧泛在”构想，将传感网列为其国家重点战略之一，致力于构建一个个性化的物联网智能服务体系，充分调动日本电子信息企业积极性，确保日本在信息时代的国家竞争力始终位于全球第一阵营。日本政府希望通过物联网技术的产业化应用，减轻由于人口老龄化所带来的医疗、养老等社会负担。韩国：韩国政府自1997年起出台了一系列推动国家信息化建设的产业政策，包括RFID先导计划、RFID全面推动计划、USN领域测试计划等。韩国政府持续推动各项相关基础建设、核心产业技术发展，RFID/USN（传感器网）就是其中之一。继日本提出u-Japan战略后，韩国也在2006年确立了u-Korea战略，并制定了详尽的IT839战略，重点支持泛在网建设。u-Korea旨在建立无所不在的社会（UbiquitousSociety），也就是在民众的生活环境里布建智能型网络（如IPv6、BcN、USN）、最新的技术应用，让民众可以随时随地享有科技智慧服务。2009年10月，韩国通信委员会出台了《物联网基础设施构建基本规划》，将物联网市场确定为新增长动力。该规划提出，到2012年实现通过构建世界最先进的物联网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国的目标，并确定了构建物联网基础设施、发展物联网服务、研发物联网技术、营造物联网扩散环境等4大领域、12项详细课题。2、国内的发展状况目前，我国的无线通信网络已经覆盖了城乡，从繁华的城市到偏僻的农村，从海岛到珠穆朗玛峰，到处都有无线网络的覆盖。无线网络是实现“物联网”必不可少的基础设施，安置在动物、植物、机器和物品上的电子介质产生的数字信号可随时随地通过无处不在的无线网络传送出去。“云计算”技术的运用，使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。而在“物联网”这个全新产业中，我国的技术研发水平处于世界前列，具有重大的影响力。中科院早在1999年就启动了传感网研究，与其它国家相比具有同发优势。该院组成了2000多人的团队，先后投入数亿元，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器终端机、移动基站等方面取得重大进展，目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。在世界传感网领域，中国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的主导国之一。2009年８月７日，温家宝总理在江苏无锡调研时，对微纳传感器研发中心予以高度关注，提出了把传感网络中心设在无锡、辐射全国的想法。温家宝总理指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。江苏省委省政府接到指示后认真落实总理的要求，热情拥抱“物联网”，突出抓好平台建设和应用示范工作，并迅速形成了研发安全感与产业突破的先发优势。无锡市则作出部署：举全市之力，抢占新一轮科技革命制高点，把无锡建成传感网信息技术的创新高地、人才高地和产业高地。2009年，无锡传感网中心的传感器产品在上海浦东机场和上海世博会被成功应用。多种传感手段组成一个协同系统后，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。由于效率高于美国和以色列的防入侵产品，国家民航总局正式发文要求，全国民用机场都要采用国产传感网防入侵系统。三、物联网的技术框架图物联网的技术框架基于ITU的架构，物联网的技术体系框架包括感知层技术、网络层技术、应用层技术和公共技术。(1)感知层：数据采集和感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。传感器网络组网和协同信息处理技术实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织组网以及多个传感器对数据的协同信息处理过程。(2)网络层：实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠、高安全地进行传送，这需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。虽然这些技术已较成熟，基本能满足物联网的数据传输要求；但是，为了支持未来物联网新的业务特征，现在传统传感器、电信网、互联网可能需要做一些优化。(3)应用层：主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。其中应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通等功能；应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力、环境监测和工业监控等行业应用。(4)公共技术：公共技术不属于物联网技术的某个特定层面，而是与物联网技术架构的三层都有关系，它包括标识与解析、安全技术、网络管理和QoS管理。四、物联网的关键技术物联网主要需要四项关键性应用技术：①标签物品的RFID技术②感知事物的无线传感网络技术③思考事物的智能技术④微缩事物的纳米技术㈠RFID技术：RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，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，操作快捷方便。RFID技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。一般的RFID系统由射频识别标签、射频读写器和计算机通信网络3部分组成（如图所示），在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持。射频识别标签：由耦合元件及芯片组成，存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物品的表面，它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触读/写获取，每个标签具有全球唯一的识别号（ID），无法修改、无法仿造，这样提供了安全性。射频读写器：射频读写器是可以利用射频技术读/写射频识别标签信息的设备。读取（或写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。通常阅读器与计算机相连，所读取的标签信息被传送到计算机上，进行下一步处理。RFID工作原理如下：（1）无线电载波信号经过射频读写器的发射天线向外发射（2）当射频识别标签进入发射天线的作用区域时，射频识别标签就会被激活，经过天线将自身信息的数据发射出去；（3）射频识别标签发出的载波信号被接收天线接收，并经过天线的调节器传输给读写器。对接收到的信号，射频读写器进行解调解码后再传送到后台的电脑控制器；（4）该标签的合法性由电脑控制器根据逻辑运算进行判断，针对不同的设定作出相应的处理和控制；（5）按照电脑发出的指令信号，控制执行机构进行运作；（6）计算机通信网络通过将各个监控点连接起来，形成总控信息平台，根据实际不同的项目要求可以设计各不相同的相应软件来完成需要达到的功能。RFID按应用频率的不同分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波（MW）。表是RFID主要频段标准及特性。㈡无线传感网络技术：无线传感网(WSN)是集分布式信息采集、传输和处理技术于一体的网络信息系统，以其低成本、微型化、低功耗和灵活的组网方式、铺设方式以及适合移动目标等特点受到广泛重视。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的形形色色的传感器以及由它们组成的无线传感网络，来感知整个物质世界的。目前，面向物联网的传感网，主要涉及以下几项技术。(1)测试及网络化测控技术综合传感器技术、嵌入式计算机技术、分布式信息处理技术等，协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理、传输。只有依靠先进的分布式测试技术与测量算法，才能满足日益提高的测试和测量需求。(2)智能化传感网节点技术所谓传感网节点是指一个微型化的嵌入式系统。在感知物质世界及其变化的过程中，需要检测的对象很多，譬如温度、压力、湿度、应变等，因此需要微型化、低功耗的传感网节点来构成无线传感网的基础层支持平台。这不但需要采用MEMS加工技术，设计符合物联网要求的微型传感器，使之可识别和配接多种敏感元件，并适用于主被动各种检测方法；另外，传感网节点还应具有强抗干扰能力，以适应恶劣工作环境的需求。这里重要的是，利用传感网节点具有的局域信号处理功能，在传感网节点附近局部完成一定的信号处理，使原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统，成为一种并行的分布式信息处理系统。(3)传感网组织结构及底层协议网络体系结构是网络的协议分层以及络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。对传感网而言，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。对于物联网的体系结构,已经提出了多种参考模型。就传感网体系结构而言,也可以由分层的网络通信协议、传感网管理以及应用支撑技术三个部分组成。其中，分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP协议体系结构；传感网管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感网的管理；分层协议和网络管理技术是传感网应用支撑技术的基础。(4)对传感网自身的检测与自组织传感网是整个物联网的底层和信息来源，网