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物联网技术研究综述

作者:王保云 来源:RFID世界网 2010-06-18 08:58:52

摘要:近几年来物联网技术受到了人们的广泛关注。本文介绍了物联网技术的概念、历史与发展现状。以最具代表性的EPC Global 物联网体系架构和Ubiquitous ID 物联网系统为例, 对物联网的网络体系与服务体系进行了阐述; 分析了物联网研究中的关键技术, 包括RFID 技术、传感器网络与检测技术、智能技术和纳米技术; 最后, 展望了物联网技术的前景以及对人类生活、工业发展、科技进步的促进作用。

关键词:物联网[51篇]  射频识别[169篇]  RFID[929篇]  传感器[117篇]  智能技术[0篇]  检测技术[3篇]  


  3.1 物联网包含的关键技术之一—— RFID

  RFID(radio frequency identification, 射频识别)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, 识别过程无须人工干预, 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、通讯等技术相结合, 可实现全球范围内物品跟踪与信息共享[4, 6]。RFID (Radio Frequency Identification, 射频识别)电子标签是一种把天线和IC 封装到塑料基片上的新型无源电子卡片; 具有数据存储量大、无线无源、小巧轻便、使用寿命长、防水、防磁和安全防伪等特点; 是近几年发展起来的新型产品, 是未来几年代替条形码走进“物联网”时代的关键技术之一。阅读器(即PCE 机)和电子标签(即PICC 卡)之间通过电磁场感应进行能量、时序和数据的无线传输。在PCD 机天线的可识别范围内, 可能会同时出现多张PICC卡。如何准确识别每张卡, 是A 型PICC 卡的防碰撞(即anticollision, 也叫防冲突)技术要解决的关键问题。

  RFID 的技术标准主要由ISO 和IEC 制定的。目前可供射频卡使用的几种射频技术标准有ISO/IEC10536、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693 和ISO/IEC18000。应用最多的是ISO/IEC 14443 和ISO/IEC15693, 这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议4 部分组成。RFID 基本上是由3 部分组成:

  标签(Tag):由耦合元件及芯片组成, 每个标签具有唯一的电子编码, 附着在物体上标识目标对象;阅读器(Reader):读取(有时还可以写入)标签信息的设备, 可设计为手持式或固定式;

  天线(Antenna):在标签和读取器间传递射频信号。RFID 的技术难点与问题可以概括为如下几个方面:
  1)RFID 反碰撞防冲突问题;
  2)RFID 天线研究; 
  3)工作频率的选择; 
  4)安全与隐私问题.

  3.2 传感器网络与检测技术

  传感器是机器感知物质世界的 “感觉器官”, 可以感知热、力、光、电、声、位移等信号, 为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。随着科技技术的不断发展, 传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化, 正经历着一个从传统传感器(dumb sensor)→ 智能传感器(smartsensor)→嵌入式Web 传感器(embedded web sensor)的内涵不断丰富的发展过程。

  无线传感器网络(WSN, wireless sensor network)是集分布式信息采集、信息传输和信息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, 是关系国民经济发展和国家安全的重要技术。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器网络, 来最终感知整个物质世界的。

  传感器网络节点的基本组成包括如下几个基本单元:传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外, 可以选择的其他功能单元包括:定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。在传感器网络中, 节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式, 大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络, 以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息, 并通过多跳网络将数据经由Sink 节点(接收发送器)链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心。另一方面, 远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。目前, 面向物联网的传感器网络技术研究包括
以下一些方面:

  1) 先进测试技术及网络化测控

  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、传送。研究分布式测量技术与测量算法, 应对日益提高的测试和测量需求。

  2) 智能化传感器网络节点研究

  传感器网络节点为一个微型化的嵌入式系统,构成了无线传感器网络的基础层支持平台。感知物质世界及其变化过程中, 需要检测的对象很多, 如温度、压力、湿度、应变等, 微型化、低功耗对于传感器网络的应用意义重大, 研究采用MEMS 加工技术, 并结合新材料的研究, 设计符合未来要求的微型传感器; 其次, 需要研究智能传感器网络节点的设计理论, 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; 第三, 各节点必须具备足够的抗干扰能力、适应恶劣环境的能力, 并能够适合应用场合、尺寸的要求; 第四, 研究利用传感器网络节点具有的局域信号处理功能, 在传感器节点附近局部完成很多信号信息处理工作,将原来由中央处理器实现的串行处理、集中决策的系统, 改变为一种并行的分布式信息处理系统。

  3) 传感器网络组织结构及底层协议研究

  网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合, 是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。对无线传感器网络来说, 其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。有学者提出无线传感器网络体系结构可由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术3 部分组成。分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP 协议体系结构;传感器网络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器网络的管理; 在分层协议和网络管理技术的基础上, 支持了传感器网络的应用支撑技术。在实际应用当中, 传感器网络中存在大量传感器节点, 密度较高, 网络拓扑结构在节点发生故障时, 有可能发生变化, 应考虑网络的自组织能力、自动配置能力及可扩展能力; 在某些条件下, 为保证有效的检测时间, 传感器点要保持良好的低功耗性;传感器网络的目标是检测相关对象的状态, 而不仅是实现节点间的通信。因此, 在研究传感器网络的网络底层协议时, 要针对以上特点, 开展相关工作。

  4) 对传感器网络自身的检测与控制

  由于传感器网络是整个物联网的底层和信息来源, 网络自身的完整性、完好性和效率等参数性能至关重要。对传感器网络的运行状态及信号传输通畅性进行监测, 研究开发硬件节点和设备的诊断技术,实现对网络的控制。

  5) 传感器网络的安全

  传感器网络除了具有一般无线网络所面临的信息泄露、信息篡改、重放攻击、拒绝服务等多种威胁外, 还面临传感节点容易被攻击者物理操纵, 并获取存储在传感节点中的所有信息, 从而控制部分网络的威胁。必须通过其它的技术方案来提高传感器网络的安全性能。如在通信前进行节点与节点的身份认证; 设计新的密钥协商方案, 使得即使有一小部分节点被操纵后, 攻击者也不能或很难从获取的节点信息推导出其它节点的密钥信息; 对传输信息加密解决窃听问题; 保证网络中的传感信息只有可信实体才可以访问, 保证网络保证私有性问题;采用一些跳频和扩频技术减轻网络堵塞问题。

  3.3 智能技术

  智能技术是为了有效地达到某种预期的目的,利用知识所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统, 可以使得物体具备一定的智能性,能够主动或被动的实现与用户的沟通, 也是物联网的关键技术之一。主要的研究内容和方向包括:

  1) 人工智能理论研究

  智能信息获取的形式化方法; 海量信息处理的理论和方法; 网络环境下信息的开发与利用方法;机器学习。

  2) 先进的人-机交互技术与系统

  声音、图形、图像、文字及语言处理; 虚拟现实技术与系统; 多媒体技术。

  3) 智能控制技术与系统

  物联网就是要给物体赋予智能, 可以实现人与物体的沟通和对话, 甚至实现物体与物体互相间的沟通和对话。为了实现这样的目标, 必须要对智能控制技术与系统实现进行研究。例如:研究如何控制智能服务机器人完成既定任务(运动轨迹控制、准确的定位和跟踪目标等)。

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