物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術及問題研究

標簽：IOT  RFID  EPC  傳感技術 

引言

物聯(lián)網(wǎng)(IOT, Internet of Things) 的概念起源于十多年前：由已故的Mark Weiser普適計算之父1991年在《科學美國人》雜志中預言21世紀的計算將是泛在計算。信息無處不在，計算亦無所不在，這是物聯(lián)網(wǎng)的概念起源。1997 年ITU 在Challenges to the Net2work的報告中提出，把所有的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。這對于物聯(lián)網(wǎng)的形成又邁出一步。1999年麻省理工學院Auto-ID Center 提出：物聯(lián)網(wǎng)旨在建立一個龐大的無線網(wǎng)絡，其中的所有物體都有唯一的標識。

之后Auto-ID Center又提出全球EPC 網(wǎng)絡的設想，其基本思想是：每件商品都被賦予一個全球唯一的代碼，利用RFID技術將物品的信息與網(wǎng)絡相連接，通過Internet實現(xiàn)全球物品信息的實時共享。這是現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的雛形。2005年ITU又一次召開了題為In2ternet of things的會議，在會議報告中就形象地指出小到一個牙刷或者輪胎的信息很快都會在我們的網(wǎng)絡范圍之內，如圖1 提出了具體的平面概念，即任何時間、地點，與任何人連接，現(xiàn)在我們將任何事物連接起來，今天的互聯(lián)網(wǎng)將會為明日的物聯(lián)網(wǎng)讓位。

IBM 在2008年底提出的智慧地球，包括智慧的電力、智慧的醫(yī)療、智慧的交通、智慧的城市等。目的是將世界運行到一個更高的智慧水平，使個人，企業(yè)，組織，政府，自然系統(tǒng)和人造系統(tǒng)相互交互的方式更具智慧。這個智慧地球的概念將物聯(lián)網(wǎng)變的更具有透徹的感知和深入的智能化。

當物聯(lián)網(wǎng)和智慧地球的目標實現(xiàn)時，所有的物質都將變得透明化、智能化。人類生活的有效時間得到了提高，生活成本也將隨之降低，同時有效地避免了能源浪費，從而更進一步地維護了人類的生活質量和社會安全。文中將對物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術和存在的問題及隱患做簡要的介紹。

1 物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術

物聯(lián)網(wǎng)是繼互聯(lián)網(wǎng)后又一次技術的革新，代表著未來計算機與通信的發(fā)展方向。這次革新也取決于一些重要領域的動態(tài)技術創(chuàng)新，從RFID、EPC、傳感技術到認知網(wǎng)絡、云計算等。

1.1RFID，EPC，傳感技術

RFID( Radio Frequency Identification) 5是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)信息。RFID 系統(tǒng)一般由標簽、讀寫器、應用接口等硬件設備與中間件軟件、傳輸網(wǎng)絡、業(yè)務應用、管理系統(tǒng)等構成6 。標簽是一個內部保存數(shù)據(jù)的無線收發(fā)裝置，負責發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器。讀寫器是一個捕捉和處理標簽數(shù)據(jù)的裝置，同時還負責與后臺處理系統(tǒng)接口。軟件包括RFID 系統(tǒng)軟件、 RFID 中間件、后臺應用程序。RFID 系統(tǒng)軟件是在標簽和讀寫器之間進行通信所必需的功能集合。RFID中間件是在讀寫器和后臺處理系統(tǒng)之間運行的一組軟件，它將標簽和讀寫器上運行的RFID 系統(tǒng)軟件和在后臺處理系統(tǒng)上運行的應用軟件聯(lián)系起來。后臺應用程序接收由標簽發(fā)出,經(jīng)過讀寫器和 RFID 中間件處理過濾后的標準化的數(shù)據(jù)。這樣的RFID 系統(tǒng)可以實時自動地對物體進行識別、定位、監(jiān)控、追蹤。 EPC6( Electronic Product Code) 是一種編碼及接口標準，專用于RFID。傳統(tǒng)的觀點認為EPC 是RFID 中的一種技術標準，也就是說EPC的載體是RFID 電子標簽?，F(xiàn)今提到的EPC 系統(tǒng)是在互聯(lián)網(wǎng)、射頻技術與計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術構造一個物品信息實時共享的網(wǎng)絡。

傳感器在彌合物理和虛擬世界差距方面發(fā)揮了關鍵作用，使得物體對可以自身環(huán)境的改變做出反應。一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合傳感網(wǎng)絡使用，稱為無線傳感網(wǎng)絡(WSN) 。無線傳感網(wǎng)絡具有無需固定設備支撐的特點，可以快速部署，同時具有易于組網(wǎng)，不受有線網(wǎng)絡的約束。在無線傳感器系統(tǒng)中，單個節(jié)點能夠感應其環(huán)境，然后在本地處理信息，或者通過無線鏈路將信息發(fā)送到一個或多個集結點。由于RF 發(fā)射功率低，所以每個節(jié)點的傳輸距離比較近。短距離傳輸使傳輸信號被竊聽的可能性降到最小，同時還延長了電池的壽命，適用于物于物之間的聯(lián)系。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的認知技術

物體本身加入智能化，通過下放信息處理能力給網(wǎng)絡邊緣來增強網(wǎng)絡的功能，這樣為數(shù)據(jù)處理和增加網(wǎng)絡彈性提供了更大的可能性。賦予網(wǎng)絡邊緣的事物獨立處理和決定的能力。智能意味著機器能對外界的刺激信息做出反應并通過學習和規(guī)劃做出決策來應付外界的變化，即能夠模擬人類的一些智能活動，能感知當前網(wǎng)絡條件，然后依據(jù)這些條件做出規(guī)劃、決策和采取動作。

這里說的認知必須是自感知的:應該能知道內部發(fā)生了什么，必須做什么;必須能確定適當行動去達到目標和學習這些過程。如圖2 對認知學的過程進行了形象描繪，文獻提出通過感知、規(guī)劃、決策、學習、行動、策略這六個步驟結合傳感技術完成對事物的智能認知。通過傳感器感知周圍環(huán)境。由傳感器捕捉到的觀測結果將被用于規(guī)劃，然后學習和記憶有用的觀測結果，這有助于之后的決策模塊做出決策。規(guī)劃模塊基于存儲在策略模塊的觀測數(shù)據(jù)和策略決定了將來可能采取的行動，決策模塊根據(jù)可能采取的行動和經(jīng)驗來決定當下行動。最后行動模塊負責執(zhí)行重配置。學習模塊在某種意義上有著最好連接性，它可以來源于：傳感器的數(shù)據(jù)，戰(zhàn)略，決策和執(zhí)行器并從這些訊息中進行聯(lián)合和推斷。通過一系列完整的認知過程對物聯(lián)網(wǎng)增加智能化。

1.3 云計算

物聯(lián)網(wǎng)要求每個物體都與它唯一的標示符相關聯(lián)，這樣就可以在數(shù)據(jù)庫中檢索信息12。因此需要一個海量的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)平臺把數(shù)據(jù)信息轉換成實際決策和行動。若所有的數(shù)據(jù)中心都各自為陣，數(shù)據(jù)中心的大量有價值的信息就會形成信息孤島，無法被有需求的用戶有效使用。云計算試圖在這些孤立的信息孤島之間通過提供靈活、安全、協(xié)同的資源共享來構造一個大規(guī)模的、地理上分布的、異構的資源池,包括信息資源和硬件資源,再結合有效的信息生命周期管理技術、節(jié)能技術。云計算是由軟件、硬件、處理器加存儲器構成的復雜系統(tǒng)。它按需進行動態(tài)部署、配置、重配置以及取消服務。在云計算平臺中的服務器可以是物理的服務器或者虛擬的服務器，其本質是由遠程運行的應用程序(在云中)駐留在個人電腦和局部服務器。

物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)還需要很多關鍵技術的支持，例如接入網(wǎng)技術，體系結構，納米技術，PAI 技術，公共服務軟件技術，尋址技術，路由技術等等。迄今為止這些技術還不完善，仍存在著很多問題，文中將在下一節(jié)對此進行闡述。

2 存在的問題

讓物品與物品及物品與人類之間的交流暢通無阻，實現(xiàn)理想中物聯(lián)網(wǎng)還有很多技術需要完善。存在的問題主要有：

(1) 統(tǒng)一的技術標準。由于物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，同樣基于TCP/IP ，但在接入層面，協(xié)議類別就十分繁雜，如TD-SCDMA、GPRS、傳感網(wǎng)等多種通道而標準化是大規(guī)模部署和擴展的必不可少的技術，如果沒有大規(guī)模部署就談不上物聯(lián)網(wǎng)。歐洲電信標準論壇等組織呼吁增加國際電聯(lián)來參與統(tǒng)一RFID 協(xié)議。EPCglobal 在2004 年年底提出了第一個全球RFID 標準的建議，它定義了多種類型的RFID 標簽及相應的工作頻率。

(2) 尋址問題。每個物品都會在物聯(lián)網(wǎng)中出現(xiàn)，那么每個物品都需要一個地址。在IPv4 資源即將耗盡的背景下，物聯(lián)網(wǎng)需要更多的IP 地址。需要IPv6的支持，但由于IPv4 網(wǎng)絡的龐大規(guī)模導致IPv4 向IPv6 過渡存在一個漫長的過程，因此物聯(lián)網(wǎng)一旦使用IPv6 地址，就必然會存在與IPv4 的兼容性問題。物聯(lián)網(wǎng)的特性也使得物聯(lián)網(wǎng)中的尋址與互聯(lián)網(wǎng)不完全一樣，文獻17 解決了多種產品代碼標準引起的尋址沖突。

(3) 安全性能。RFID 當初的設計是完全開放的，所以信息安全機制存在嚴重缺陷。對RFID 標簽加密將使標簽成本增加。云服務的透明度也是安全隱患，黑客正是通過操作系統(tǒng)的漏洞來攻擊它所服務的應用程序載入內存中的數(shù)據(jù)。提供內存數(shù)據(jù)的保護和隔離是云計算的重要安全需求之一。目前可以通過服務級別協(xié)議向用戶擔保，但如何做到安全服務SLA 的可審計性，這是云計算必須面臨的挑戰(zhàn)19。無線傳感網(wǎng)絡受到的安全威脅與傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同，現(xiàn)有的網(wǎng)絡安全機制無法應用于無線傳感網(wǎng)絡，需要開發(fā)專門協(xié)議。現(xiàn)有的思想是從維護路由安全的角度出發(fā)，尋找盡可能安全的路由以保證網(wǎng)絡的安全，另一種思想是把著重點放在安全協(xié)議方面。目前現(xiàn)行有效的傳統(tǒng)網(wǎng)絡安全協(xié)議例如SSL和IPSec，也存在著缺陷比如難以實施在嵌入式設備中。因此一個完整統(tǒng)一的安全系統(tǒng)呼之欲出。

(4) 實時性與同步性。無所不在的物聯(lián)網(wǎng)對時鐘同步的要求明顯高于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡。它與實際的物理環(huán)境聯(lián)系密切，所以必須采用物理時鐘同步，無法使用相對簡單的邏輯時鐘。但是物理時鐘的同步仍然存在著很多問題，例如，無線傳感器要求必須采用低能耗工作，時間同步的數(shù)據(jù)交換受到限制同時無線媒介連接方式不可靠，時鐘的不同步性將會給物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)帶來巨大的障礙。

(5) 傳統(tǒng)網(wǎng)絡的協(xié)議算法局限。物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡有明顯不同的技術要求，前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。傳統(tǒng)網(wǎng)絡的設計依照著端到端的邊緣論思想，強調將一切與功能相關的處理都放在網(wǎng)絡的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點僅僅負責數(shù)據(jù)分組的轉發(fā)。對于物聯(lián)網(wǎng)，這未必是一種合理的選擇。例如一些為自組織的Ad-hoc網(wǎng)絡設計的協(xié)議和算法，未必適合物聯(lián)網(wǎng)的特點和應用的要求。在密集性極高的物聯(lián)網(wǎng)中，相鄰節(jié)點間的距離非常短，低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時增加了通信的隱蔽性，避免了長距離無線通信易受外噪聲干擾的影響。這些獨特的要求和制約因素為物聯(lián)網(wǎng)的提出了新的技術問題。

(6) 商業(yè)可行性。建立物聯(lián)網(wǎng)，需要大量的資金投入，如RFID 標簽，RFID 標簽數(shù)據(jù)管理中間件，解讀器及計算機的購入等。成本的提高使得人們的可接受度和企業(yè)的回報率都成為未知數(shù)。另外，標準的爭奪是搶占市場先機的關鍵。盡管物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還處于起步階段，已有很多公司開始搶占市場先機，推廣自己的標準并申請相關專利。在中國開展物聯(lián)網(wǎng)，首先要獲得政府的支持，有了實質資金后能找到應用物聯(lián)網(wǎng)的商品，搭建無線網(wǎng)絡及系統(tǒng)平臺，再進行物品的信息存儲，然后進行傳感設備的安裝，但是現(xiàn)階段推廣物聯(lián)網(wǎng)應用的商品仍屬于風險投資，因為國內在物聯(lián)網(wǎng)上缺乏核心技術的累積，同時，國內傳感器產業(yè)化水平較低，高端產品被國外廠商壟斷。另一方面我國的寬帶建設目前還處于初級階段，大規(guī)模的普及無線傳感網(wǎng)絡短期內還難以實現(xiàn)，所以物聯(lián)網(wǎng)在中國的普及還需要做多方面的努力。

3 結束語

因特網(wǎng)把人與所有的物體連接起來，物聯(lián)網(wǎng)將人與人、人與物、物與物連接起來。雖然物聯(lián)網(wǎng)的概念早在十多年前就有了雛形，但想要建立理想中物聯(lián)網(wǎng)還有很多技術需要完善，例如安全、尋址、標準、接入方式、生物工程等。只有通過這些技術進步和出臺統(tǒng)一的規(guī)范，才能夠獲取一個公平和以用戶為中心的物聯(lián)網(wǎng)。