目前物聯(lián)網(wǎng)已成為IT 業(yè)界的新興領(lǐng)域，引發(fā)了相當熱烈的研究和探討。不同的視角對物聯(lián)網(wǎng)概念的看法不同，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)也不相同。可以確定的是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涵蓋了從信息獲取、傳輸、存儲、處理直至應(yīng)用的全過程，這需要在材料、器件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)等各個方面都有所創(chuàng)新才能促進其發(fā)展。國際電信聯(lián)盟報告提出[1]，物聯(lián)網(wǎng)主要需要四項關(guān)鍵性應(yīng)用技術(shù)：①標簽物品的RFID 技術(shù)；②感知事物的傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Sensortechnologies）；③思考事物的智能技術(shù)（Smart technologies）；④微縮事物的納米技術(shù)（Nanotechnology）。顯然這是側(cè)重了物聯(lián)網(wǎng)的末梢網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。歐盟《物聯(lián)網(wǎng)研究路線圖》將物聯(lián)網(wǎng)研究劃分為了十個層面：①感知，ID 發(fā)布機制與識別；②物聯(lián)網(wǎng)宏觀架構(gòu)；③通信（OSI 物理與數(shù)據(jù)鏈路層）；④組網(wǎng)（OSI 網(wǎng)絡(luò)層）；⑤軟件平臺、中間件（OSI 網(wǎng)絡(luò)層以上）；⑥硬件；⑦情報提煉；⑧搜索引擎；⑨能源管理；⑩安全。當然這些都是物聯(lián)網(wǎng)研究的內(nèi)容，而對于實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)而言略顯重點不夠突出。本文針對物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵，分析研究實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，譬如感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)，以及云計算等。

　　1.感知技術(shù)

　　感知技術(shù)也可以稱為信息采集技術(shù)，它是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。目前，信息采集主要采用電子標簽和傳感器等方式完成。

　　1.1 電子標簽

　　在感知技術(shù)中，電子標簽用于對采集的信息進行標準化標識，數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制通過射頻識別讀寫器、二維碼識讀器等實現(xiàn)。射頻識別(RFID)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，屬于近程通信，與之相關(guān)的技術(shù)還有藍牙技術(shù)等。RFID 通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別過程無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID 技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。RFID 技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通信等技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享。

　　RFID 電子標簽是近幾年發(fā)展起來的新型產(chǎn)品，也是替代條形碼走進物聯(lián)網(wǎng)時代的關(guān)鍵技術(shù)之一。所謂RFID 電子標簽就是一種把天線和IC 封裝到塑料基片上的新型無源電子卡片，具有數(shù)據(jù)存儲量大、無線無源、小巧輕便、使用壽命長、防水、防磁和安全防偽等特點。RFID 讀寫器(即PCE 機)和電子標簽(即PICC 卡)之間通過電磁場感應(yīng)進行能量、時序和數(shù)據(jù)的無線傳輸。在RFID 讀寫器天線的可識別范圍內(nèi)，可能會同時出現(xiàn)多張PICC 卡。如何準確識別每張卡，是A 型PICC 卡的防碰撞(也叫防沖突)技術(shù)要解決的關(guān)鍵問題。

　　1.2 傳感器

　　傳感器是機器感知物質(zhì)世界的“感覺器官”，用來感知信息采集點的環(huán)境參數(shù)；它可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號，為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。

　　隨著電子技術(shù)的不斷進步，傳統(tǒng)的傳感器正逐步實現(xiàn)微型化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化；同時，我們也正經(jīng)歷著一個從傳統(tǒng)傳感器到智能傳感器再到嵌入式Web 傳感器不斷發(fā)展的過程。目前，市場上已經(jīng)有大量門類齊全且技術(shù)成熟的傳感器產(chǎn)品可供選擇。

　　2.網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

　　在物聯(lián)網(wǎng)的機器到機器、人到機器和機器到人的信息傳輸中，有多種通信技術(shù)可供選擇，他們主要分為有線（如DSL、PON 等）和無線（如CDMA、GPRS、IEEE 802.11a/b/g WLAN等）兩大類技術(shù)，這些技術(shù)均已相對成熟。在物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)中，格外重要的是無線傳感網(wǎng)技術(shù)。

　　2.1 無線傳感網(wǎng)主要技術(shù)

　　無線傳感網(wǎng)(WSN)是集分布式信息采集、傳輸和處理技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，以其低成本、微型化、低功耗和靈活的組網(wǎng)方式、鋪設(shè)方式以及適合移動目標等特點受到廣泛重視。物聯(lián)網(wǎng)正是通過遍布在各個角落和物體上的形形色色的傳感器以及由它們組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，來感知整個物質(zhì)世界的。目前，面向物聯(lián)網(wǎng)的傳感網(wǎng)，主要涉及以下幾項技術(shù)。

　　(1)測試及網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)。綜合傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理、傳輸。只有依靠先進的分布式測試技術(shù)與測量算法，才能滿足日益提高的測試和測量需求。

　　(2)智能化傳感網(wǎng)節(jié)點技術(shù)。所謂傳感網(wǎng)節(jié)點是指一個微型化的嵌入式系統(tǒng)。在感知物質(zhì)世界及其變化的過程中，需要檢測的對象很多，譬如溫度、壓力、濕度、應(yīng)變等，因此需要微型化、低功耗的傳感網(wǎng)節(jié)點來構(gòu)成無線傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)層支持平臺。這不但需要采用MEMS 加工技術(shù)，設(shè)計符合物聯(lián)網(wǎng)要求的微型傳感器，使之可識別和配接多種敏感元件，并適用于主被動各種檢測方法；另外，傳感網(wǎng)節(jié)點還應(yīng)具有強抗干擾能力，以適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的需求。這里重要的是，利用傳感網(wǎng)節(jié)點具有的局域信號處理功能，在傳感網(wǎng)節(jié)點附近局部完成一定的信號處理，使原來由中央處理器實現(xiàn)的串行處理、集中決策的系統(tǒng)，成為一種并行的分布式信息處理系統(tǒng)。

　　(3)傳感網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)及底層協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述。對傳感網(wǎng)而言，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)。對于物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，已經(jīng)提出了多種參考模型[2]。就傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)而言，也可以由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感網(wǎng)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)三個部分組成。其中，分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于TCP/IP 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)；傳感網(wǎng)管理技術(shù)主要是對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感網(wǎng)的管理；分層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)是傳感網(wǎng)應(yīng)用支撐技術(shù)的基礎(chǔ)。

　　(4)對傳感網(wǎng)自身的檢測與自組織。傳感網(wǎng)是整個物聯(lián)網(wǎng)的底層和信息來源，網(wǎng)絡(luò)自身的完整性、完好性和效率等性能至關(guān)重要，因此，需要對傳感網(wǎng)的運行狀態(tài)及信號傳輸通暢性進行良好監(jiān)測，才能實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的有效控制。在實際應(yīng)用當中，傳感網(wǎng)中存在大量傳感器節(jié)點，密度較高，當某一傳感網(wǎng)節(jié)點發(fā)生故障時，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有可能會發(fā)生變化，因此，設(shè)計傳感網(wǎng)時應(yīng)考慮傳感網(wǎng)的自組織能力、自動配置能力及可擴展能力。

　　(5)傳感網(wǎng)安全。傳感網(wǎng)除了具有一般無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的信息泄露、信息篡改、重放攻擊、拒絕服務(wù)等多種威脅之外，還面臨傳感網(wǎng)節(jié)點容易被攻擊者物理操縱，獲取存儲在傳感網(wǎng)節(jié)點中的信息，從而控制部分網(wǎng)絡(luò)的安全威脅。這顯然需要通過其他的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)來提高傳感網(wǎng)的安全性能。如在通信前進行節(jié)點與節(jié)點的身份認證；設(shè)計新的密鑰協(xié)商算法，使得即使有一小部分節(jié)點被惡意控制，攻擊者也不能或很難從獲取的節(jié)點信息推導(dǎo)出其他節(jié)點的密鑰信息；對傳輸信息加密解決竊聽問題；保證網(wǎng)絡(luò)中的傳感信息只有可信實體才可以訪問；采用一些跳頻和擴頻技術(shù)減輕網(wǎng)絡(luò)堵塞等問題。

　　2.2 物聯(lián)網(wǎng)的部分網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

　　根據(jù)目前物聯(lián)網(wǎng)所涵蓋的概念，其工作范圍可以分成兩大塊：一塊是體積小、能量低、存儲容量小、運算能力弱的智能小物體的互聯(lián)，即傳感網(wǎng)；另一塊是沒有上述約束的智能終端的互聯(lián)，如智能家電、視頻監(jiān)控等。對于智能小物體網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)目前有兩項：一是基于ZigBee 聯(lián)盟開發(fā)的ZigBee協(xié)議進行傳感器節(jié)點或者其他智能物體的互聯(lián)；另一技術(shù)是IPSO 聯(lián)盟所倡導(dǎo)的通過IP 實現(xiàn)傳感網(wǎng)節(jié)點或者其他智能物體的互聯(lián)。

　　(1)ZigBee 技術(shù)。ZigBee 技術(shù)是基于底層IEEE 802.15.4標準，用于短距離范圍、低傳輸數(shù)據(jù)速率的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)，它定義了網(wǎng)絡(luò)/安全層和應(yīng)用層。ZigBee技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)體系已相對成熟，并已形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。在標準方面，已發(fā)布ZigBee 技術(shù)的第3 個版本V1.2；對于芯片，已能夠規(guī)模生產(chǎn)基于IEEE 802.15.4 的網(wǎng)絡(luò)射頻芯片和新一代的ZigBee 射頻芯片（將單片機和射頻芯片整合在一起）；在應(yīng)用方面，ZigBee 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、精確農(nóng)業(yè)、家庭和樓宇自動化、醫(yī)學(xué)、消費和家用自動化、道路指示/安全行路等眾多領(lǐng)域。

　　(2)與IPv6 相關(guān)聯(lián)的技術(shù)。若將物聯(lián)網(wǎng)建立在數(shù)據(jù)分組交換技術(shù)基礎(chǔ)之上，則將采用數(shù)據(jù)分組網(wǎng)即IP網(wǎng)作為承載網(wǎng)。IPv6 作為下一代IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有豐富的地址資源，能夠支持動態(tài)路由機制，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)通信在地址、網(wǎng)絡(luò)自組織以及擴展性方面的要求。但是，由于IPv6 協(xié)議棧過于龐大復(fù)雜，不能直接應(yīng)用到傳感器設(shè)備中，需要對IPv6 協(xié)議棧和路由機制作相應(yīng)的精簡，才能滿足低功耗、低存儲容量和低傳送速率的要求。目前有多個標準組織進行相關(guān)研究，IPSO 聯(lián)盟于2008 年10月，已發(fā)布了一種最小的IPv6 協(xié)議棧μIPv6。

　　3.數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)是由大量傳感網(wǎng)節(jié)點構(gòu)成的，在信息感知的過程中，采用各個節(jié)點單獨傳輸數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點的方法是不可行的。因為網(wǎng)絡(luò)存在大量冗余信息，會浪費大量的通信帶寬和寶貴的能量資源。此外，還會降低信息的收集效率，影響信息采集的及時性，所以需要采用數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)進行處理。

　　3.1 分布式數(shù)據(jù)融合

　　所謂數(shù)據(jù)融合是指將多種數(shù)據(jù)或信息進行處理，組合出高效且符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。在傳感網(wǎng)應(yīng)用中，多數(shù)情況只關(guān)心監(jiān)測結(jié)果，并不需要收集大量原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)融合是處理該類問題的有效手段。例如，借助數(shù)據(jù)稀疏性理論在圖像處理中的應(yīng)用，可將其引入傳感網(wǎng)用于數(shù)據(jù)壓縮，以改善數(shù)據(jù)融合效果。

　　分布式數(shù)據(jù)融合技術(shù)需要人工智能理論的支撐，包括智能信息獲取的形式化方法、海量信息處理的理論和方法、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息的開發(fā)與利用方法，以及計算機基礎(chǔ)理論。同時，還需掌握智能信號處理技術(shù)，如信息特征識別和數(shù)據(jù)融合、物理信號處理與識別等。

　　3.2 海量信息智能分析與控制

　　海量信息智能分析與控制是指依托先進的軟件工程技術(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)的各種信息進行海量存儲與快速處理，并將處理結(jié)果實時反饋給物聯(lián)網(wǎng)的各種“控制”部件。智能技術(shù)是為了有效地達到某種預(yù)期的目的，利用知識分析后所采用的各種方法和手段。通過在物體中植入智能系統(tǒng)，可以使得物體具備一定的智能性，能夠主動或被動的實現(xiàn)與用戶的溝通，這也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能分析與控制技術(shù)主要包括人工智能理論、先進的人-機交互技術(shù)、智能控制技術(shù)與系統(tǒng)等。物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)是給物體賦予智能，以實現(xiàn)人與物體的交互對話，甚至實現(xiàn)物體與物體之間的交互或?qū)υ�。為了實現(xiàn)這樣的智能性，例如，控制智能服務(wù)機器人完成既定任務(wù)包括運動軌跡控制、準確的定位及目標跟蹤等，需要智能化的控制技術(shù)與系統(tǒng)。

　　4.云計算

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)時代信息與數(shù)據(jù)的快速增長，有大規(guī)模、海量的數(shù)據(jù)需要處理。當數(shù)據(jù)計算量超出自身IT 架構(gòu)的計算能力時，一般是通過加大系統(tǒng)硬件投入來實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展性。另外，由于傳統(tǒng)并行編程模型應(yīng)用的局限性，客觀上還需要一種易學(xué)習(xí)、使用、部署的并行編程框架來處理海量數(shù)據(jù)。為了節(jié)省成本和實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴放性，云計算的概念因此應(yīng)運而生。

　　云計算最基本的概念是通過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計算處理程序自動分拆成無數(shù)個較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)處理。通過云計算技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在數(shù)秒之內(nèi)，處理數(shù)以千萬計甚至億計的信息，提供與超級計算機同樣強大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。云計算作為一種能夠滿足海量數(shù)據(jù)處理需求的計算模型，將成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石。之所以說云計算是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石，一是因為云計算具有超強的數(shù)據(jù)處理和存儲能力，二是因物聯(lián)網(wǎng)無處不在的信息采集活動，需要大范圍的支撐平臺以滿足其大規(guī)模的需求。

　　實現(xiàn)云計算的關(guān)鍵技術(shù)是虛擬化技術(shù)。通過虛擬化技術(shù)，單個服務(wù)器可以支持多個虛擬機運行多個操作系統(tǒng)，從而提高服務(wù)器的利用率。虛擬機技術(shù)的核心是Hypervisor(虛擬機監(jiān)控程序)。Hypervisor 在虛擬機和底層硬件之間建立一個抽象層，它可以攔截操作系統(tǒng)對硬件的調(diào)用，為駐留在其上的操作系統(tǒng)提供虛擬的CPU和內(nèi)存。

　　實現(xiàn)云計算系統(tǒng)目前還面臨著諸多挑戰(zhàn)，現(xiàn)有云計算系統(tǒng)的部署相對分散，各自內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn)VM 的自動分配、管理和容錯等，云計算系統(tǒng)之間的交互還沒有統(tǒng)一的標準。關(guān)于云計算系統(tǒng)的標準化工作還存在一系列亟待解決的問題，需要更進一步的深入研究。然而，云計算一經(jīng)提出便受到了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前，國外已經(jīng)有多個云計算的科學(xué)研究項目，比較有名的是Scientific Cloud 和Open Nebula 項目。產(chǎn)業(yè)界也在投入巨資部署各自的云計算系統(tǒng)，參與者主要有Google、IBM、Microsoft、Amazon 等。國內(nèi)關(guān)于云計算的研究也已起步，并在計算機系統(tǒng)虛擬化基礎(chǔ)理論與方法研究方面取得了階段性成果。

　　5.結(jié)束語

　　根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵可知，要真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)需要感知、傳輸、控制及智能等多項技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的研究將帶動整個產(chǎn)業(yè)鏈或者說推動產(chǎn)業(yè)鏈的共同發(fā)展。信息感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)、云計算等技術(shù)的研究與應(yīng)用，將直接影響物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用，只有綜合研究解決了這些關(guān)鍵技術(shù)問題，物聯(lián)網(wǎng)才能得到快速推廣，造福于人類社會，實現(xiàn)智慧地球的美好愿望。

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本文標題：物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

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