物聯(lián)網(wǎng)的新興技術(shù)與挑戰(zhàn)研究

摘要：將物聯(lián)網(wǎng)想象成一個動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中的日常對象可以彼此交互、感知環(huán)境并進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)。為了對物聯(lián)網(wǎng)這個看上去似乎很簡單，但其結(jié)構(gòu)卻比較復(fù)雜的新型技術(shù)進(jìn)行多方面的研究，文中闡述了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所存在的一些挑戰(zhàn)，并提出了相關(guān)新興技術(shù)的研究方法與發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；整合；傳感器；能量收集

0 引言
物聯(lián)網(wǎng)可以被看成一種動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，每個日常對象都可以在這里相互通信，而且物聯(lián)網(wǎng)中的對象能夠感知環(huán)境并對其做出響應(yīng)。它也可以被看作是從互聯(lián)網(wǎng)觸及客觀實(shí)體的一種演進(jìn)。換句話說，它可以為任何人在任何時間，任何地點(diǎn)對任何東西建立連接。雖然物聯(lián)網(wǎng)的基本概念很簡單，但其構(gòu)建所有日常對象的互聯(lián)面臨著很多建筑、技術(shù)和業(yè)務(wù)的挑戰(zhàn)。本文淪述了一些在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中必須克服的挑戰(zhàn)，同時研究了如何用先進(jìn)技術(shù)來推動這一進(jìn)程。

1 RFID、WSN和RTLS技術(shù)
RFID、WSN和RTLS是物聯(lián)網(wǎng)中最有推動力的重要技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)中的標(biāo)簽(如RFID標(biāo)簽、內(nèi)置傳感器節(jié)點(diǎn)和實(shí)時定位系統(tǒng)標(biāo)記)幾乎都是建立在同一個組件上發(fā)展到現(xiàn)在，目前這些技術(shù)的使用已經(jīng)相當(dāng)獨(dú)立了。通常RFID定向于跟蹤應(yīng)用，由于物體必須被區(qū)分，有時候還要標(biāo)注和定位。然而，尢源RFID標(biāo)簽通常不配備傳感器，因此他們不提供任何對象狀態(tài)和周圍環(huán)境的信息。半有源半無源RFID標(biāo)簽和實(shí)時定位系統(tǒng)標(biāo)記可能配備傳感器，以獲取周圍環(huán)境的信息。相比之下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則是有針對性的遙感和監(jiān)測方案，但是，它們往往缺少身份識別能力，而這是許多實(shí)際應(yīng)用(如物流)中的關(guān)鍵要求。此外，WSN的一個獨(dú)特功能就是傳感器節(jié)點(diǎn)彼此之間可以溝通并能動態(tài)生成一個無需現(xiàn)有框架的網(wǎng)絡(luò)，這是應(yīng)用中的一個關(guān)鍵要求，如災(zāi)害救援。與此相反，RTLS是針對應(yīng)用程序的，對象必須被頻繁和高精度定位。而RFID和WSN則很少提供準(zhǔn)確定位。
同樣重要的是RFID、WSN和RTLS的整合越來越多。通過查看正在進(jìn)行的DASH7聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程可以看出，將來有源RFID標(biāo)簽會有它們自己的電源、傳感器以及與其他標(biāo)簽溝通的能力。此外，定位已經(jīng)不再是高度專業(yè)化RTLS的專屬特性了，基于RFID和WSN的有限定位精度解決方案已經(jīng)可以應(yīng)用了。

2 RFID和傳感器的整合
把RFID和傳感器整合在一起應(yīng)用于不同的對象和材料，這將成為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的一個關(guān)鍵驅(qū)動因素。在許多應(yīng)用中，這種集成并不是沒有意義的，因?yàn)橹車镔|(zhì)總會對天線產(chǎn)生影響，從而降低無線鏈路性能。由于金屬、木材和塑料都是物流應(yīng)用中最常用的材料，RFID標(biāo)簽制造商為了提高應(yīng)用的高效性付出了很多努力，并提供了一系列解決方案。大多數(shù)研究活動的重點(diǎn)是提高讀取范圍(即降低功耗)和減少結(jié)構(gòu)要素(即小型化)，以方便RFID技術(shù)的整合。目前正在研究將無線射頻技術(shù)中的低頻、高頻和超高頻整合到玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)中去。其目的是有利于玻璃纖維增強(qiáng)塑料的生產(chǎn)過程以使得這些材料能夠廣泛應(yīng)用。然而，這一集成面臨著許多挑戰(zhàn)。例如FRP就是一種類似金屬導(dǎo)電性的材料，因此可降低RFID的鏈路性能。此外，不損害機(jī)械結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)RFID標(biāo)簽整合的選擇也很有限。如果要以某種方式將傳感器技術(shù)集成到某些材料中去，那么就必須開發(fā)一種方法來為傳感器提供獲取有用數(shù)據(jù)的能力。在許多應(yīng)用程序中，系統(tǒng)不允許設(shè)置與嵌入式傳感器的電纜連接。因此，如何設(shè)置無線連接，在嵌入式傳感器和外部讀出單元之間實(shí)現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)的傳輸，就成為一個現(xiàn)實(shí)的研究主題。RFID技術(shù)在對象識別領(lǐng)域中具有廣泛直用，而它的另外一個重要應(yīng)用是無線電力傳輸。RFID技術(shù)可用于提供嵌入式的光纖傳感技術(shù)和納米光子芯片技術(shù)，它們有足夠的力量妥善運(yùn)作和提取有意義的數(shù)據(jù)。

3 能量收集
能量收集技術(shù)是利用環(huán)境能量來源(如熱、振動或光)為電子環(huán)路和系統(tǒng)提供能量。熱電發(fā)電機(jī)、換能器、壓電陶瓷材料或太陽能電池都可將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為電子能量。使用相應(yīng)的電源管理系統(tǒng)可使電子能量適應(yīng)電子環(huán)略的要求，或者把能量存儲到像電容器或者電池一樣的設(shè)備中去。每立方厘米輸出的幾百瓦功率取決于發(fā)電機(jī)的類型、能量來源和應(yīng)用程序。能源收獲的主要概念是在某個時期從環(huán)境中積累這些小的能量，直到足夠的能量可供電源短操作測量、數(shù)據(jù)傳輸或信號發(fā)送等。面臨的挑戰(zhàn)是如何將小振動或溫度梯度的能量控制到最低限度。其中一種方法是增加尺寸、區(qū)域或能源換能器，但這樣會使系統(tǒng)體積加大并使成本昂貴。另一種方法是使用特殊的電子線路，它有能力加工和存儲極少量的能量而不會產(chǎn)生漏電。這樣，會產(chǎn)生一項(xiàng)挑戰(zhàn)，那就是如何使可用能源來源和能源傳感器匹配，尤其是在振動的情況下。大多數(shù)振動傳感器都是共振系統(tǒng)，只能在小的帶寬(如5 Hz)提供可用效能。而且來自于典型應(yīng)用程序(如建筑、車輛或引擎)的振動也不是一成不變的，它取決于白天、速度或電機(jī)速度。因此，傳感器的設(shè)計(jì)不管是寬帶換能器還是能量預(yù)算的最高效能偏離，都必須考慮這些變化。最近的研究項(xiàng)目正在發(fā)展自校正傳感器，但是離工業(yè)化還比較遠(yuǎn)。特別是在智能對象中，價格和小型化是重要點(diǎn)的問題。由于輸出功率與大小和成本之間存在聯(lián)系，低功耗成為能量采集技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)要求。目前，由于缺少像壓電傳感器或熱電設(shè)備發(fā)電機(jī)材料的批量生產(chǎn)，換能器的價格還相當(dāng)高。如果未來實(shí)現(xiàn)更多的利基市場應(yīng)用程序，那么，發(fā)電機(jī)的單位價格將會大幅下降。

4 傳感器融合與復(fù)雜事件處理
目前的系統(tǒng)大多采用的是一種類型的傳感器，在不久的將來，許多不同種類的傳感器就會在一起協(xié)同工作。傳感器融合能夠聯(lián)合不同傳感器信息，以便準(zhǔn)確無誤地在復(fù)雜和龐大的環(huán)境中提取數(shù)據(jù)，與此同時，也可以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。南于多種傳感器可以組合成一個傳感器，因而需要較高的綜合標(biāo)簽。下游應(yīng)用程序可以選擇多個感官輸入為用戶從準(zhǔn)確性、成本等多方面要求提供最好的結(jié)果。其最大挑戰(zhàn)之一是如
何表示從小區(qū)域內(nèi)成千上萬的傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。新型調(diào)制器和頻道通道也將會服務(wù)于不斷增長的數(shù)據(jù)，并在標(biāo)簽和基礎(chǔ)設(shè)施之間傳輸。傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)將產(chǎn)生新型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程，因而需要新的體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議來處理這種流媒體數(shù)據(jù)。復(fù)雜事件處理需要模糊實(shí)時定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特殊要求，它允許直接控制業(yè)務(wù)流程，這將導(dǎo)致基于基礎(chǔ)架構(gòu)的跨企業(yè)和機(jī)構(gòu)的大規(guī)模并行處理。

5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的整合平臺
物聯(lián)網(wǎng)中的技術(shù)(像RFID、WSN和RTLS)在功能方面還是有很大不同的。這種背景下，它必定造成不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用并需要由不同的技術(shù)來支持。因此，這些技術(shù)會不可避免地在不同的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下相遇，它們必須在相同的時間和相同的地點(diǎn)協(xié)同工作。因此，為了滿足這種需求，強(qiáng)烈需要合適的軟件，一般這種軟件可以被稱為中間件，但是更精確的叫法應(yīng)該稱為整合平臺。
生命周期管理、信息竊取防護(hù)，溫度監(jiān)測等都可以從用戶的角度看作物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。這些應(yīng)用程序可以由目前IT公司常用的軟件產(chǎn)品來支持，如企業(yè)資源計(jì)劃，先進(jìn)規(guī)劃系統(tǒng)、倉庫管理和客戶關(guān)系管理等。因此，集成平臺可以聯(lián)結(jié)不同的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)到共享的技術(shù)抽象層，從而控制這些技術(shù)和現(xiàn)有企業(yè)基礎(chǔ)架構(gòu)之間的協(xié)作、支持內(nèi)部和跨公司整合，旨在大幅降低集成成本。很多公司(像沃爾瑪、麥德龍集團(tuán)和德國郵政)在實(shí)施RFID技術(shù)以后，市場上就需要成群的RFID集成平臺。由于市場透明度低，從用戶的角度出發(fā)，從眾多產(chǎn)品中選擇一種產(chǎn)品并為顧客帶來真正價值也很難。而整合成本可以達(dá)到整個系統(tǒng)建設(shè)的35％到50％。因此，目前需要關(guān)注的是如何削減成本。就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時定位系統(tǒng)而言，由于這些技術(shù)存在有限的市場滲透率，目前集成平臺還很少。隨著WSN和RTLS系統(tǒng)的增加，產(chǎn)品數(shù)量也會增加。未來面臨的挑戰(zhàn)是將所有IOT技術(shù)集成到一個平臺，從而使復(fù)雜的整合減少并能使顧客接受。

6 安全與隱私
雖然IOT和專業(yè)的RFID能夠給日常事物提供實(shí)時的跟蹤信息，但是，這些技術(shù)也將威脅到個人隱私。因此，不同的政府機(jī)構(gòu)已經(jīng)頒發(fā)了與RFID安全與隱私相關(guān)的法規(guī)。近年來，一些RFlD威脅已經(jīng)出現(xiàn)?？傊?，很多專家認(rèn)為，RFID應(yīng)用會危及以下一個或多個安全目標(biāo)：隱私、完整性或可用性。因此，在使用RFID技術(shù)時，需要對付存在的內(nèi)在威脅，并希望在未來可以找到一種新的技術(shù)來減少這種威脅。其步驟：第一要深入分析應(yīng)用環(huán)境；第二是鑒定和評估可能存在的威脅；第三是鑒定和評估對已經(jīng)造成的威脅應(yīng)采取的對策與行動。還有就是通過環(huán)境分析驗(yàn)證所選擇的策略是否能將威脅降低到可以承受的程度。如果會產(chǎn)生的威脅和影響是眾所周知的，那么對策的選擇就會比較有針對性。其中一個有效的對策就是技術(shù)創(chuàng)新。目前討論的有下列技術(shù)對策：
首先是對部分內(nèi)存寫入進(jìn)行永久鎖定，以確保存儲數(shù)據(jù)的完整性；其次是給無源RFID添加加密功能，以保護(hù)和確保動態(tài)存儲數(shù)據(jù)的完整性；第三是通過空中加密通信實(shí)現(xiàn)加密功能，以確保個人隱私；第四是為標(biāo)簽添加不能復(fù)制功能，以確保其完整性。

7 結(jié)語
目前，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展非常迅速，但是離真正實(shí)現(xiàn)還比較遠(yuǎn)。本文只介紹了一些必須克服的重要挑戰(zhàn)，闡述了有助于實(shí)現(xiàn)這一進(jìn)程的新興技術(shù)。RFID、WSN和RTLS是有利于物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的幾個關(guān)鍵技術(shù)，雖然它們各自都很先進(jìn)，但是，如何使它們之間很好的集合與協(xié)同工作，還需要做很多努力。物聯(lián)網(wǎng)具有大量的標(biāo)簽和傳感器，因此，能源管理將成為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際運(yùn)作的重要基礎(chǔ)。此外，為實(shí)現(xiàn)所有信息管理，還必須對普通接口和數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換進(jìn)行定義。根據(jù)歐洲委員會的規(guī)定，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要關(guān)注的其中一個重點(diǎn)就是安全與隱私，它必須得到普遍的社會認(rèn)可。