物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及問題研究

標(biāo)簽：IOT RFID EPC 傳感技術(shù)

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(xué)美國人》雜志中預(yù)言21世紀(jì)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(shè)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(xué)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(luò)，其中的所有物體都有唯一的標(biāo)識。

之后Auto-ID Center又提出全球EPC 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(shù)將物品的信息與網(wǎng)絡(luò)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(luò)范圍之內(nèi)，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(yùn)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(dāng)物聯(lián)網(wǎng)和智慧地球的目標(biāo)實現(xiàn)時，所有的物質(zhì)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(fèi)，從而更進(jìn)一步地維護(hù)了人類的生活質(zhì)量和社會安全。文中將對物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問題及隱患做簡要的介紹。

1 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

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

1.1RFID，EPC，傳感技術(shù)

RFID( Radio Frequency Identification) 5是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。RFID 系統(tǒng)一般由標(biāo)簽、讀寫器、應(yīng)用接口等硬件設(shè)備與中間件軟件、傳輸網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)應(yīng)用、管理系統(tǒng)等構(gòu)成6 。標(biāo)簽是一個內(nèi)部保存數(shù)據(jù)的無線收發(fā)裝置，負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器。讀寫器是一個捕捉和處理標(biāo)簽數(shù)據(jù)的裝置，同時還負(fù)責(zé)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(yīng)用程序。RFID 系統(tǒng)軟件是在標(biāo)簽和讀寫器之間進(jìn)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(yùn)行的一組軟件，它將標(biāo)簽和讀寫器上運(yùn)行的RFID 系統(tǒng)軟件和在后臺處理系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用軟件聯(lián)系起來。后臺應(yīng)用程序接收由標(biāo)簽發(fā)出,經(jīng)過讀寫器和 RFID 中間件處理過濾后的標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)。這樣的RFID 系統(tǒng)可以實時自動地對物體進(jìn)行識別、定位、監(jiān)控、追蹤。 EPC6( Electronic Product Code) 是一種編碼及接口標(biāo)準(zhǔn)，專用于RFID。傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為EPC 是RFID 中的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也就是說EPC的載體是RFID 電子標(biāo)簽。現(xiàn)今提到的EPC 系統(tǒng)是在互聯(lián)網(wǎng)、射頻技術(shù)與計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)構(gòu)造一個物品信息實時共享的網(wǎng)絡(luò)。

傳感器在彌合物理和虛擬世界差距方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，使得物體對可以自身環(huán)境的改變做出反應(yīng)。一般認(rèn)為短距離的無線低功率通信技術(shù)最適合傳感網(wǎng)絡(luò)使用，稱為無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN) 。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有無需固定設(shè)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(luò)的約束。在無線傳感器系統(tǒng)中，單個節(jié)點能夠感應(yīng)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(jié)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(rèn)知技術(shù)

物體本身加入智能化，通過下放信息處理能力給網(wǎng)絡(luò)邊緣來增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的功能，這樣為數(shù)據(jù)處理和增加網(wǎng)絡(luò)彈性提供了更大的可能性。賦予網(wǎng)絡(luò)邊緣的事物獨(dú)立處理和決定的能力。智能意味著機(jī)器能對外界的刺激信息做出反應(yīng)并通過學(xué)習(xí)和規(guī)劃做出決策來應(yīng)付外界的變化，即能夠模擬人類的一些智能活動，能感知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)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(rèn)知必須是自感知的:應(yīng)該能知道內(nèi)部發(fā)生了什么，必須做什么;必須能確定適當(dāng)行動去達(dá)到目標(biāo)和學(xué)習(xí)這些過程。如圖2 對認(rèn)知學(xué)的過程進(jìn)行了形象描繪，文獻(xiàn)提出通過感知、規(guī)劃、決策、學(xué)習(xí)、行動、策略這六個步驟結(jié)合傳感技術(shù)完成對事物的智能認(rèn)知。通過傳感器感知周圍環(huán)境。由傳感器捕捉到的觀測結(jié)果將被用于規(guī)劃，然后學(xué)習(xí)和記憶有用的觀測結(jié)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(dāng)下行動。最后行動模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行重配置。學(xué)習(xí)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(jìn)行聯(lián)合和推斷。通過一系列完整的認(rèn)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(biāo)示符相關(guān)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(zhuǎn)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(gòu)造一個大規(guī)模的、地理上分布的、異構(gòu)的資源池,包括信息資源和硬件資源,再結(jié)合有效的信息生命周期管理技術(shù)、節(jié)能技術(shù)。云計算是由軟件、硬件、處理器加存儲器構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。它按需進(jìn)行動態(tài)部署、配置、重配置以及取消服務(wù)。在云計算平臺中的服務(wù)器可以是物理的服務(wù)器或者虛擬的服務(wù)器，其本質(zhì)是由遠(yuǎn)程運(yùn)行的應(yīng)用程序(在云中)駐留在個人電腦和局部服務(wù)器。