物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及問(wèn)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(jì)算之父1991年在《科學(xué)美國(guó)人》雜志中預(yù)言21世紀(jì)的計(jì)算將是泛在計(jì)算。信息無(wú)處不在，計(jì)算亦無(wú)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(bào)告中提出，把所有的物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。這對(duì)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(gè)龐大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其中的所有物體都有唯一的標(biāo)識(shí)。

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(gè)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(guò)Internet實(shí)現(xiàn)全球物品信息的實(shí)時(shí)共享。這是現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的雛形。2005年ITU又一次召開(kāi)了題為In2ternet of things的會(huì)議，在會(huì)議報(bào)告中就形象地指出小到一個(gè)牙刷或者輪胎的信息很快都會(huì)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(shí)間、地點(diǎn)，與任何人連接，現(xiàn)在我們將任何事物連接起來(lái)，今天的互聯(lián)網(wǎng)將會(huì)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(gè)更高的智慧水平，使個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)時(shí)，所有的物質(zhì)都將變得透明化、智能化。人類生活的有效時(shí)間得到了提高，生活成本也將隨之降低，同時(shí)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(huì)安全。文中將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)和存在的問(wèn)題及隱患做簡(jiǎn)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(lái)計(jì)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(dòng)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(jì)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(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)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(xiě)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(gè)內(nèi)部保存數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)裝置，負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器是一個(gè)捕捉和處理標(biāo)簽數(shù)據(jù)的裝置，同時(shí)還負(fù)責(zé)與后臺(tái)處理系統(tǒng)接口。軟件包括RFID 系統(tǒng)軟件、 RFID 中間件、后臺(tái)應(yīng)用程序。RFID 系統(tǒng)軟件是在標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間進(jìn)行通信所必需的功能集合。RFID中間件是在讀寫(xiě)器和后臺(tái)處理系統(tǒng)之間運(yùn)行的一組軟件，它將標(biāo)簽和讀寫(xiě)器上運(yùn)行的RFID 系統(tǒng)軟件和在后臺(tái)處理系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用軟件聯(lián)系起來(lái)。后臺(tái)應(yīng)用程序接收由標(biāo)簽發(fā)出,經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)器和 RFID 中間件處理過(guò)濾后的標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)。這樣的RFID 系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)自動(dòng)地對(duì)物體進(jìn)行識(shí)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(diǎn)認(rèn)為EPC 是RFID 中的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)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(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)構(gòu)造一個(gè)物品信息實(shí)時(shí)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(duì)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(wú)線低功率通信技術(shù)最適合傳感網(wǎng)絡(luò)使用，稱為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN) 。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有無(wú)需固定設(shè)備支撐的特點(diǎn)，可以快速部署，同時(shí)具有易于組網(wǎng)，不受有線網(wǎng)絡(luò)的約束。在無(wú)線傳感器系統(tǒng)中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠感應(yīng)其環(huán)境，然后在本地處理信息，或者通過(guò)無(wú)線鏈路將信息發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)集結(jié)點(diǎn)。由于RF 發(fā)射功率低，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離比較近。短距離傳輸使傳輸信號(hào)被竊聽(tīng)的可能性降到最小，同時(shí)還延長(zhǎng)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(guò)下放信息處理能力給網(wǎng)絡(luò)邊緣來(lái)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(duì)外界的刺激信息做出反應(yīng)并通過(guò)學(xué)習(xí)和規(guī)劃做出決策來(lái)應(yīng)付外界的變化，即能夠模擬人類的一些智能活動(dòng)，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(dòng)作。

這里說(shuō)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(dòng)去達(dá)到目標(biāo)和學(xué)習(xí)這些過(guò)程。如圖2 對(duì)認(rèn)知學(xué)的過(guò)程進(jìn)行了形象描繪，文獻(xiàn)提出通過(guò)感知、規(guī)劃、決策、學(xué)習(xí)、行動(dòng)、策略這六個(gè)步驟結(jié)合傳感技術(shù)完成對(duì)事物的智能認(rèn)知。通過(guò)傳感器感知周圍環(huán)境。由傳感器捕捉到的觀測(cè)結(jié)果將被用于規(guī)劃，然后學(xué)習(xí)和記憶有用的觀測(cè)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(chǔ)在策略模塊的觀測(cè)數(shù)據(jù)和策略決定了將來(lái)可能采取的行動(dòng)，決策模塊根據(jù)可能采取的行動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定當(dāng)下行動(dòng)。最后行動(dòng)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(lái)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(guò)一系列完整的認(rèn)知過(guò)程對(duì)物聯(lián)網(wǎng)增加智能化。

1.3 云計(jì)算

物聯(lián)網(wǎng)要求每個(gè)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(kù)中檢索信息12。因此需要一個(gè)海量的數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)平臺(tái)把數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成實(shí)際決策和行動(dòng)。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(jià)值的信息就會(huì)形成信息孤島，無(wú)法被有需求的用戶有效使用。云計(jì)算試圖在這些孤立的信息孤島之間通過(guò)提供靈活、安全、協(xié)同的資源共享來(lái)構(gòu)造一個(gè)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(jì)算是由軟件、硬件、處理器加存儲(chǔ)器構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。它按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)部署、配置、重配置以及取消服務(wù)。在云計(jì)算平臺(tái)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(gè)人電腦和局部服務(wù)器。