物联网的主要技术和应用

物联网的主要技术和应用物联网的主要技术和应用摘 要：本文简单介绍了物联网的起源、发展和 特点。然后根据信息生成、传输、处理和应用的 原则，把物联网分为4层：认知层、网络层、管 理层、应用层。并逐层介绍它们所用到的技术。最后以智能电网、智能交通和智能建筑为例展示 物联网的具体应用。关键词：物联网智能电网智能交通智能建 筑_、概述1、基本概念iwJ究竟什么是物联网，由于对其认识的不够深 入和不同领域研究者出发点的不同，现在还没有 一个公认和明确的定义。但大家都认可的是“物 联网是一个基于互联网、传统电信网络等信息承 载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实 现互联互通的网络”。换句话说，在物联网世界， 每一个物体均可寻址，每一个物体均可通信，每 一个物体均可控制。普遍认为物联网是继计算 机、互联网和移动通信后引领信息产业革命的新 一次浪潮。又由于物联网所倡导的物物互联规模 要远大于现阶段的人与人通信业务，因此物联网 的预期市场前景也要远大于之前的计算机、互联 网和移动通信等。2、起源和发展1995年比尔盖茨在未来之路一书中 就提出了 “物物互联”的构想；1999年美国 Auto-ID中心首先提出建立在物品编码、无线射 频技术和互联网基础上的物联网概念。物联网的 基本思想虽然成型与上世纪末，但在这些年才真 正引起人们的关注。2005年国际电信联盟(ITU)发布了1四互联网报告2005：物联网，指出 物联网时代即将来临，世界上所有的物体小到纸 巾达到房屋都可以通过互联网主动进行信息交 换。随后世界许多国家都提出了自己的物联网发展战略。包括2009年美国IBM提出的“智慧 地球”、欧盟的Internet of ThingsAn action plan for Europe行动方案、日本的iJapan 战略2015信息化战略等。温家宝总理在2009 年8月考察时也提出了 “感知中国”战略构想， 随后我国政府高层一系列的讲话、报告 和相关 政策都表明中国要抓住机遇，紧跟世界先进潮 流，大力发展物联网技术。3、主要技术物联网在逻辑上可以分为认知层、网络层、管理层和应用层。把它与传统的信息系统构架相 比，多了一个认知层。认知层，即遍布在我们周边的各类传感器、 条形码、摄像头等组成的传感器网络。它的作用 是实现对物体的感知、识别、检测及数据采集， 以及反应和控制等。这些作用改变了传统信息系 统内部运算能力强但是但是对外部感知能力弱的状况，因此认知层是物联网的基础，也是物联 网与传统信息系统的最大区别所在。liiJ网络层，即由各种有线及无线节点、固定与 移动网关组成的通信网络与互联网的融合体。主 要作用是把认知层的数据接入网络以供上层使 用。它的核心是互联网（包括下一代互联网）， 而各种无线网络则提供随时随地的网络接入服 务。使用的技术包括互联网、移动通信网络、WiFi 等无线宽带网络和蓝牙等无线低速网络等。l=Jl=Jw管理层，其作用是在高性能计算机和海量存 储技术的支撑下，将大规模数据高效可靠地组织 起来，为上层服务层提供智能的支撑平台。包括 能储存大量数据的数据中心、以搜索引擎为代表 的网络信息查询技术、智能处理系统和保护信息 与隐私的安全系统等。liiJ应用层，即物联网技术与各类行业应用相结 合，通过物联网的“物物互联”实现无所不在的 智能化应用，例如智能物流、智能电网、智能交 通、环境监测等。4、主要特点物联网最主要的特点，也是他与传统信息网 络最大的区别是物联网突破了以前只能人与人或人与机器互联的模式。物与物之间也可以通过liiJ网络彼此交换信息、协同运作、相互操控。这可以称作“异构设备互联化”，即不同种类不同型 成自组织网络，实现信息的共享和融合。从而在 各行各业中创造出自动化程度更高、功能更强 大、对环境适应性更好的应用系统。号的设备利用无线通信模块和标准通信协议，形liiJliiJ二、认知层相关技术1、无线射频识别技术（RFID）1.1概述通过上面的介绍我们已经知道，物联网追求 的是“物物互联”，但是当赋予地球上所有的物 品以唯一地址时，对各个物品所蕴含的信息的储 存、识别、读取和传输就十分重要。这就需要应 用到自动识别技术。l=j自动识别技术主要包括以下几种：光符号识 别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、IC 卡技术、条形码技术和射频识别技术等。其中条 形码技术在我们生活中应用的十分广泛，几乎在 每件商品上都有条形码的身影。但是它也有例如 读取速度慢、储存能力小。工作距离近等很明显 的缺点。11近年来无线射频识别技术（RFID）逐渐完善， 它有许多独特的优势，例如防水防磁、读取速度 快、储存能力强和识别距离远等，因此RFID能 十分好的替代现有的条形码技术。特别是当有通 信能力的RFID技术和赋予任何物体IP地址的 IPv6技术相结合后，充分释放了它们二者的优 点，使物联网所倡导的人和人、人和物、物和物没有笨学生，只有懒学生的互联称为可能。1.2无线射频识别（RFID）的发展liiJ射频识别技术（RFID）是利用射频信号通过 空间耦合（交变磁场或电磁场）来实现无接触信 息传递并通过所传递的信息来达到自动识别目 的的技术。RFID技术的雏形甚至可以追溯到二 战时期雷达系统为了区分敌我而使用的敌我飞 机识别器（IFF）。20世纪60年代，人类对RFID 的研究正式拉开大幕。而随着大规模集成电路、 可编程存储器、微处理器以及软件技术和编程语 言的发展，RFID技术才开始逐渐推广和部署在 民用领域。发达国家如美国、德国等在RFID技术上起 步较早也发展较快，因而具有比较成熟和先进的 RFID系统。而在中国，RFID技术也已经广泛应 用于铁路机车识别、二代身份证、危险品管理等 多个领域。相信随着RFID产品种类的不断丰富 和价格的逐渐降低，RFID技术将更加大规模的 应用到我们的生活中，深刻影响各行各业。1.3无线射频识别1.3无线射频识别（RFID）技术分析我们通常将RFID系统分为3个部分：阅读器、 天线和电子标签。在工作时，阅读器通过天线发 出电子信号，标签在接收到信息后发射自己内部储存的信息，这些信息再通过天线被阅读器接liiJ收，最后再被主机所接收。阅读器和电子标签之 间通过耦合元件实现信号的空间耦合，其方式有 两种，即变压器模型的电感耦合和雷达模型的电 磁反向散射耦合。阅读器是RFID系统中最重要的组成部分，它 的作用是通过天线主动向标签询问标识信息，因 而在使用中经常把它和天线集成于一个设备。天 线的作用是在阅读器和标签间传递射频信号，由 于RFID系统的工作频率范围很广，主要的工作 频率有 125kHz、13.56MHz、433MHz、2.45GHz 等， 所以天线与标签间的匹配问题就十分重要。标签是由芯片、微型天线和耦合元件组成的，它附在物体上，用来标识目标对象。当标签接收 发出储存在芯片内的电子编码或主动发出信号。到阅读器发出的射频信号，利用感应电流的能:i=j标签利用三种方式进行数据存储：电可擦可编程 只读存储器（EEPROM）、铁电随机存取存储器（FRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）。一般 主要采用的方式是EEPROM。而根据是否内置电 源又可将标签分为三类：被动式标签、主动式标 签和半主动式标签。2、传感器技术2.1概述 EJ传感器扩展了人感知周围环境的能力，是现 代生活中人类获取信息的重要手段。最早的传感 器早在1861年就已经出现。随着科技的进步， 现代传感器走上了微型化、智能化和网络化的发 展路线，其典型代表就是无线传感器节点。无线 传感器节点与传统传感器最大的不同，就是它不 仅包括传感器部件还集成了微处理器和无线通 信芯片，因此无线传感节点不但能从外界获取信 息还能对信息进行分析和传输。2.2无线传感器网络无线传感网是由大量微型、低成本、低功耗 的传感器节点组成的多跳无线网络。它主要用于 长期、实时、大规模、自动化的环境监测。随着 节点软硬件技术的发展使节点的价格更加低廉， 所以节点的部署也可以更加广泛，计算能力也可 以更强更智能。一方面，传感器将朝着低价格、 微体积的方向发展；另一方面，传感器将和智能 手机、医疗设备等结合，朝着智能化、人性化的 方向发展。而物联网的兴起也带给传感网新的发 展契机。物联网将扩展传感网的应用模式，实现 更透彻的感知、更深入的智能，实现“物物相联”。3、定位系统3.1概述=)位置信息是最重要的信息之一，具体而言它 包括三大要素：所在的地理位置、处在该地理位 置的时间、处在该地理位置的对象。可见位置信 息的内涵十分丰富，可以根据时间、空间和人物 信息制定个性化的服务。由于位置信息的重要 性，如何获取位置信息就成为了物联网时代一个 重要的课题。随着几十年来技术的发展，人类开 发出了一些比较成熟的定位系统，是定位变得越 来越简单。3.2定位系统及技术GPSGPS (Global Positioning System)是目前世界上最常用的卫星导航系统。GPS计划 开始于1973年，是由美国国防部领导研制的。 在1994年由24颗工作卫星组成的GPS卫星星座 网组网成功，从此GPS正式投入使用。GPS主要由三大部分组成：宇宙空间部分、地 面监控部分和用户设备部分。GPS定位的原理很简单，首先测出接收机与三 颗卫星之间的距离，然后利用三点定位方式得到 接收机的位置。在GPS系统中，根据卫星的空间 位置和到接收机的距离可以做出一个球面，三个 卫星就有三个球面，这样在空间中三个球的交集l=Jw就是两个点，而距离地面近的点就是接收机的位 置。然而在实际的应用中，由于参考卫星和接收 机的距离是由发送和接收的时间差乘以光速来 确定的，这就导致微小的时间测量误差就会导致 位置误差很大。因此实际上需要借助至少四颗卫 星。由于GPS在军事和民用方面的巨大作用，为了 避免受制于人，其他国家也陆续展开了自主的卫 星导航系统的研究和部署。目前已经投入使用的 有俄罗斯的GLONASS系统和我国的北斗一号区 域性导航系统。欧盟的伽利略系统预计将在2014 年投入使用。我国正在建设自主研发的北斗二号 系统，届时将可以实现全球范围的导航覆盖。蜂窝基站定位GPS系统虽然应用十分广泛，但是它也有弊端，例如在室内的定位效果 就十分不理想，而且定位速度比较缓慢。而且并 不是所有的移动设备都配备了 GPS模块，此外有 时对定位的精度需求并不是特别高。因此人们需 要用蜂窝基站定位来作为GPS系统的补充。liiJliiJ在通信网络中，通信区域被划分成一个一个蜂 窝小区，通常每一个小区有一个基站。目前大部 分的GSM、CDMA、3G等通信网络均采用了蜂窝网络架构，在移动通信时，设备是始终与一个基站 联系的。蜂窝基站定位也就是利用了这种广泛采 用的蜂窝网络。蜂窝基站定位的方法有许多种。最简单的是COO方法，它只利用一个基站，因此误差范围相 当大，但优点是定位速度快，适用于情况紧急的 场合。在多基站定位法中，常用的是ToA和TDoAo 前者的原理类似于卫星定位系统；后者则是利用 信号到达基站的时间差来通过方程求解位置，因 此减少了时间不一致所带来的误差。这两种方法 都至少需要三个基站。除此之外，还有只利用两 个基站的AoA定位法和利用信号强度的RSS定位 法。无线室内定位由于室内的障碍物较多，而且ToA/TDoA等技术需要比较昂贵的硬件 支持，因此前面的定位方法就产生了局限性。现 在大部分室内定位系统都基于信号强度即RSSo 这种方法不依赖于专门的定位设备，利用已建好 的蓝牙、WiFi、ZigBee等就可以进行定位，十 分方便和经济实惠。除了以上三类比较成熟的定位系统，随着技 术的发展又产生了一些新的定位系统。包括通过GPS和蜂窝基站结合进行定位的AGPS定位以 及通过WiFi接入点进行定位的无线AP定位。3.3定位系统与物联网定位技术发展了几十年，已经相对比较成 熟，而物联网的兴起又对定位技术带来了新的挑 战。首先物联网环境下接入网络的设备五花八 门，连接它们的网络也是各式各样，在如此复杂 的环境下准确定位是一个很大的挑战。其次，如 何在物联网环境下保护信息和隐私的安全也是 一大课题。最后，在物联网时代如果算上RFID标签等，接入网络的设备可达数百亿。在如此大 的数量下保障网络和设备的正常运行也是对现 有技术很大的挑战。不过更大的挑战也意味着更 大的机遇，利用定位技术和物联网发展，人类必将受益匪浅。4、智能信息设备现在人们的生活中充斥着大量的智能设备。|三传统的智能设备有个人计算机（PC）和个人数字 处理（PDA）等。而随着物联网带来的信息空间 和物理空间的融合，又应运而生了许多新型的智 能设备。包括应用于智能交通的车载设备、在大 型场所的数字标牌、智能医疗领域的医疗设备和 智能电视、智能手机等等。liiJ随着物联网的发展，智能设备呈现出三个发 展趋势，即更深入的智能化、更透彻的感知和更 全面的互联互通。liiJ1）更深入的智能化：包含横向智能化和纵 向智能化两层含义。前者是指传统意义上的通过 个体设备性能的提升来实现的智能化；后者是指 通过把单个设备融入整个智能系统中来实现智 能化。而为了实现更深入更广泛的智能化，必须 要更透彻的感知。2）更深入的智能化：是物联网向物理世界 的延伸，包含两个层面：主动感知和被动感知。 前者是传统的通过传感器来实现对外部世界信 息的感知；后者则是设备主动向周围广播自身的 功能和状态，以便与环境中的其他设备更好的协 作。liiJ3）更全面的互联互通：只有实现更全面的 互联互通才能实现更深入的智能化和更透彻的 感知。设备之间通过网络广泛的互联互通在实现 信息共享的同时也有利于相互协作完成任务。许 多的设备连接起来形成一个功能强大的设备群， 能释放出更大的潜力。三、网络层相关技术1、互联网1.1概述互联网诞生于上世纪60年代的美国大学实 验室，现在经过了 40余年的发展互联网已经深 入了我们生活的方方面面，未来互联网亦是实现 物联网中物与物之间更全面的互联互通的最重 要也是最主要的途径。在物联网时代，任何一个 具有感知能力或是贴附有RFID标签的物体都可 以接入到网络中。互联网最主要的作用就是使设备在可以在 相当远的距离相互传输信息和数据。要实现数据 的传输，前提条件是发送端和接收端都接入了网 络。网络的接入方式有很多种，常见的有互联网 普及初期的电话线拨号上网；基于普通电话线的 宽带接入方式（DSL）；以太网接入方式；利用电 力线来传输的新型接入方式；以WiFi为代表的 短距无线接入方式等。在终端接入网络后，数据从发送端发送到接 收端的过程称为数据交换。根据交换方式的不同 可以吧数据交换分为三种：电路交换、报文交换和分组交换。其中分组交换由于其具有效率高等 显著优点是现在也会是未来的物联网时代最主 流的交换技术。1.2分层结构互联网是一个非常复杂和庞大的系统，因此 需要分层结构来管理和组织。按照功能将互联网 分为五层，即应用层、传输层、网络层、链路层 和物理层，使每层需要解决的问题相对集中。为 了解决不同分层面对的问题，对每一层都有一些 专门的通信协议，例如HTTP、TCP、IP等。应用层是我们日常接触最多的分层，数据处 理的基本单位是报文。常用的HTTP（网页文本 传输）、FTP（文件传输）、DNS （域名解析）等都 属于应用层。应用层为互联网提供了一个面向用 户的上层接口，使互联网有很强的扩展性，能为 用户提供应用和服务。传输层负责网络中终端间的数据传输，它的 数据处理的基本单位是数据段。传输层主要包含 了 TCP和UDP两个端到端的传输协议。它们能将 应用层产生的报文进行包装并传向下一层，在逻 辑上实现发送端的应用程序和接收端的应用程 序成功的进行数据传输。=/l=Jl=J网络层的功能是将发送端传输层产生的数据 段成功传送到接收端，数据处理的基本单位是数 据包。本层中最常见的协议是IP协议。IP协议 通过IP地址的标示和路由算法的参与，可以实 现将数据包从发送端发出，通过路由器最终到的 接收端。IPv4是当前的主流，其理论上有2的 32次方个地址，但是由于需要接入网络设备的 剧增，IPv4地址面临枯竭的危险。为了突破这 一限制，人们探索出了新的协议方案，即IPv6。 IPv6地址理论上有2的128次方个，如此巨大 的地址数量为物联网时代大量终端设备的联网 扫清了障碍。链路层主要负责两个直接相连设备的直接通 信，数据处理的基本单位是帧。网络层中实现的 终端到终端间的传输，实际上是由链路层一次一 次的直接传输组成的。其直接相连方式可以是有 线也可以是无线。=j物理层负责将链路层中产生的数据帧按比特 的顺序，从一个网络原件沿着传输介质发送到另 一个与其相连的网络原件。物理层位于整个协议 的最底层，其数据处理的基本单位是比特。1.3互联网与物联网现有的互联网上，连接网络的主要还是人控制 的各种设备，例如PC、手机等。但是随着IPv6 对地址数量的大幅扩展，联网终端理论上可以拓 展到任何物体。在未来有可能像冰箱空调等设备 也能连入网络中，这就是人们憧憬的“物物互联” 的物联网时代。物联网是现有互联网的拓展，但并不是简单地 升级。物联网大幅拓展了网络的接入设备和方 式，其目的也不再仅仅是实现终端间被动的数据 传输。物联网的目的是使物与物、物与人之间的 互联可以更加的智能，可以主动的交互和分析信 息。互联网技术的升级为物联网的实现提供技术 支持和应用平台；反之物联网上的新型应用也会 促进互联网的发展。2、无线宽带网络2.1概述1=1最近几年，随着手机和笔记本电脑等的普及， 可以无线上网的设备数量已经有逐步超过固定 设备的趋势。无线上网设备消除了对终端位置的 限制，也节约了相应的传输设备成本，因此人们 可以用相对低廉的价格在有无线网络信号覆盖 的地方享受到网络的便利。物联网要做到世界上 任何一个物体，不管是汽车、飞机还是手机、传 EJ感器都有址可循、可以相连，高速并廉价的无线 网络支持的必须的条件。而随着技术的发展和普 及，覆盖范围广、传输速度快的无线宽带技术必 将在物联网时代占据重要的位置。无线网络的基本元素包括无线网络用户、无线 连接和基站。而基于采用技术和协议传输范围的 不同，可以讲无线网络分为四类，即无线广域网、 无线城域网、无线局域网和无线个人局域网。四 种网络均有各自的优点和适用范围。2.2WiFi 与 WiMAXEJ现如今无线局域网WiFi已经成为人们生活中 访问网络的重要手段之一，它可以在一个比较小 的范围内，例如家庭，餐厅等，为用户提供上网 服务。在之前有许多的无线局域网协议标准，这 给人们的使用带来了很大不便。随着WiFi协议 这几十年的发展，现在802.11a/b/g/n已经成为 主流的WiFi协议。WiMAX技术旨在为更广阔区域内的无线网络用 户提供告诉的无线传输服务。其视线覆盖范围可 达到112.6千米，非视线覆盖范围可达到40千 米，带宽可达到70Kb/s，与之相应的是一序列 802.16协议。WiMAX无线城域技术不但能向固定和移动的用户提供宽带无线服务，还可以用于连 接WiFi接入点和互联网，通过此可以提供类似 校园内的无线网络覆盖。2.3无线与物联网无论是WiFi还是WiMAX都在现实生活中得到 了越来越广泛的应用。对于网络运营商来说， WiFi的载波频率属于免费的公共频段，而且每 个接入点可以为多个用户提供宽带服务。因此广 大运营商都十分重视这种低价却高效的互联网 接入技术。在我国像北京、上海这样的大城市已经提出了 建立“无线城市”的概念。其中，WiMAX是骨干 网络构架的重要组成部分，WiMAX基站和互联网 通过高速回程连接相连，WiMAX基站和众多WiFi 接入点相连，这种WiMAX和WiFi相结合的方式 可以为整个城市提供无线宽带连接服务。无线宽带网络在网络互联中起到了越来越重 要的作用。特别是在物联网时代，当众多智能和 非智能、可动的和固定的、大型的和小型的设备 都要连接入网络是，无线宽带技术将成为所谓的 “最后一英里传输的重要组成部分。3、无线低速网络3.1概述liiJl=j物联网的追求是全面的互联互通，这就意味 着除了传统意义上的电脑手机等具有较高智能 的物体，还有许多简单的、智能程度较低的物体 也需要相互之间的联通。但是这些低智能设备很 难像互联网一样通过路由器、交换机等设备有组 织的级联起来。因此除了高速的网络协议，相应 的还必须要有低速的网络协议。这些网络协议能 够适应物联网中那些能力较低的节点的低速率、 低通信半径、低计算能力和低能量来源的特征。3.2协议III低速网络协议有很多种，目前使用比较广泛 的是蓝牙、红外以及最近发展起来的 802.15.4/ZigBee 协议。liiJciIIIIS IIIIII蓝牙是一种典型的短距离无线电通信技术，主 要应用在手机、个人计算机和无线外围设备如鼠 标、键盘中。此外在GPS设备和医疗器械等领域 也都有应用。蓝牙最早于1994年由爱立信公司 开发，采用调频技术，频段为2.402到2.480GHz， 速率能达到1Mb/s左右，新的标准可以支持超过 20Mb/s的速率。蓝牙作为一种短距离低功耗的 传输协议，与传统的WiFi协议还是有区别的。 首先是定位目标不一样，蓝牙是主要是针对一些暖 III功耗较小，对带宽要求也较少的设备，例如耳机、 鼠标等。而WiFi的定位是为了取代网络中的有 线传输设备，真正实现从有线到无线的转变。由 此可见，在有些条件下，蓝牙是实现比较简单和 轻便的互联的十分有效手段。(=1暖 III红外是利用红外线来传输数据的比较早期的 无线通信技术。红外通信采用875nm左右波长的 光波通信，有效距离一般在几米。红外通信有体 积小、成本低、功耗低、无需频率申请等优势。 但是由于波长短，受障碍物的影响很大，因此两 个设备做红外连接时必须相互可见。正是由于这 些缺点，红外技术正在逐渐被蓝牙和WiFi取代。=JliiJ无线传感网是物联网的一个典型应用， 802.15.4/ZigBee协议是最早出现在无线传感网 领域的无线通信协议。同互联网的协议构架相 似，从协议栈的角度看802.15.4/ZigBee协议也 包括五层模型，即：物理层、介质访问控制层、 网络层、传输层和应用层。其中802.15.4主要 规定了物理层和链路层的规范，物理层包括射频 收发器和底层控制模块，介质访问控制层为高层 提供了访问物理信道的服务接口。ZigBee主要 提供了在物理层和链路层之上的网络层、传输层和应用层规范。3.3低速网络和高速网络11正像之前所说的，高速网络WiFi协议有着更 高的带宽，更远的通信距离和更高的传输速率， 因此相应的耗电量也更高。但是由于无线高速网 络的初衷是为了替换有线设备，因而在设计高速 协议时能量的消耗不是一个主要考虑的问题。l=J但是在物联网应用层面，很多连入网络的终端 并不一定都有着稳定的能量供应和强大的计算 能力，比如像典型的无线传感网，这种相对数据 规模较小且能力相对较弱的物体就不需要使用 高速率高能耗的高速网络协议。可见物联网的出 现，大大丰富了可以连入网络的设备数量。而让 这些设备全用一种协议显然是不合适的，因此低 速网络和高速网络的同时使用是一种必然的现 象。然而在两种速率的网络共同使用的现实下，如 何连接这两种网络协议也成为物联网应用需要 解决的问题。同时，在互联网领域出现了 IPv6 协议，它也正在逐渐移植到低速网络协议上，即 6LoWPAN，其目的是连接运行IPv6告诉互联网协 议的网络和运行低速协议的其他网络。4、移动通信网络4.1概述liiJ19十九世纪科学界陆续在理论和试验中证明 了电磁波的存在。1901年意大利科学家成功的 将信号从英国传到了大西洋彼岸的纽芬兰，这也 标志着无线电通信的诞生。现代无线电话包括两 种，无绳电话和移动电话。前者基本上只适于作 为家庭固定电话；而后者可以使用户在户外通话 聊天和上网消遣，更加符合人们的需求。移动通信经历了 3代的发展，即模拟语音、数 字语音以及数字语音和数据。岫a 上世纪20年代到60年代，模拟语音 模拟语音liiJ技术经过了一系列的探索和早期发展，例如美国 的改进移动电话系统IMTS等。但是由于种种缺 陷，都没有大规模的商用。直到1982年美国贝 尔实验室发明了高级移动电话系统AMPS，提出 了蜂窝单元的概念。其主张把区域分成若干个蜂 窝单元，相邻的单元使用不同的频率而较远的单 元可以使用相同的频率。这样既避免了频率冲突 又充分利用了资源。贝尔实验室提出的小区制、 蜂窝组网理论，为移动通信技术的发展和新一代 多功能通信设备的产生奠定了基础。畛- 第二代移动电话是数字式的，不仅能数字语音liiJ进行传统的语音通信，收发短信等，还可以支持 一些无线应用协议。目前最主流的数字移动电话 系统是GSM和CDMA。liiJ=1GSM是源于欧洲的移动通信技术标准，开发的 目的是统一欧洲的移动电话网络标准。GSM属于 蜂窝网络的一种，运行在多个不同的无线电频率 上，用户需要连接到它的搜索范围内最近的蜂窝 单元。GSM利用时分复用技术将一对频率分成许 多时槽供用户在不同时间共享，还利用频分复用 技术使得每一部移动电话在一个频率上发送数 据的同时还可以在另一个高出50MHz的频率上 接受数据。GSM系统还支持自动漫游和自动切换， 采用增强全速率编码技术之后更保障了通信质 量，同时拥有较强的安全性能和抗干扰能力。在 我国，GSM是最成熟和使用最广泛的数字蜂窝系 统。liiJliiJCDMA是美国高通公司提出的标准，它是与GSM 并列的第二大移动通信系统，同时也是第三代移 动通信系统的基础。CDMA移动通信网是由蜂窝 组网、扩频、多址接入以及频分复用等几种技术 组合而成的，含有频域、时域和码域等三维信号 处理的一种协议。因此它具有抗干扰性能好、抗多径衰落、安全保密性高、容量和质量之间可做 权衡取舍、同频率可在多个小区内重复使用等属 性。CDMA最明显的优点是它利用编码技术可以 同时区分并分离多个同时传输的信号，从根本上 保证了时间和频段等资源的高效利用。数字语音和数据第三代移动通信是能够将国际互 联网等多媒体信息与无线通信业务结合的新一 代移动通信网络。它不仅能提供2G的信息业务， 同时能够保证更快的速度，更全面的业务内容， 例如视频流、文件传输和网络浏览等。4.2 3G通信在3G网络的发展初期，由于认为直接从2G跃 到3G的跨度太大，于是出现了所谓2.5G的领域。 包括GSM网络的升级版本HSCSD、基于传统GSM 网络但是速度更快的GPRS以及介于GPRS和3G 的EDGE等。但是事实上，为了满足服务多元化、 实时化，以及多任务的质量要求，3G必须拥有 高带宽保证，其速率至少要达到0.51Mb/s以 上，因此传统的时分多址技术是远远不够的。CDMA码分多址的编码方式才是现行的3G通信标 准的基础。我国于2009年发放了 3G牌照，中国电信业正式进入3G时代。我国采用的三种3G标准分别是TD-SCDMA、 W-CDMA 和 CDMA2000.TD-SCDMA即时分一同步码分多址，是由原邮电部电信科学技术研究院于1998年向ITU提出 的3G标准。TD-SCDMA将SDMA、同步CDMA和软 件无线电等技术融合在一起，可以对频率和不同 业务灵活搭配，高效率的利用频谱资源，加上 TDMA和FDMA的技术支持，时的抗干扰能力强， 系统容量大。TD-SCDMA还利用技术最大限度上III=1抑制用户之间的干扰，使TD-SCDMA系统不再是 一个自干扰系统，基本消除了信号覆盖半径随用 户数量增加而收缩的“呼吸效应”。TD-SCDMA采 用动态信道分配的方式，即根据用户的需求进行 实时的动态资源分配，这样可以更加合理且最大 化利用信道资源，并且能够自动适应网络中负载 和干扰的变化。W-CDMA最先由爱立信公司提出，是一种由 3GPP具体制定的第三代无线通信系统。W-CDMA 的设计使其能与GSM网络协同合作，两者的蜂窝 系统是可以相互融合的。W-CDMA支持高速数据 传输，完全满足3G要求的慢速移动时384Kb/s 和室内走动时2Mb/s，还可以支持变速传输。和TD-CDMA只支持同步基站不同，W-CDMA可以同时 支持异步和同步基站运行方式，且动态调控多种 速率的传输，对多媒体的业务可通过改变扩频比 和多码并行传输的方式来实现；上、下行高速、 高效的功率控制极大地减少了系统的多址干扰， 不仅提高了系统容量，同时也大幅度降低了传输 功率。CDMA2000由美国高通公司提出，主要为了结 合新的高速无线接入技术，从而能更好的提供无 线互联网业务。CDMA2000和W-CDMA 一样也是用 5MHz的带宽，但是不能与GSM协同工作。4.3移动互联网所谓的移动互联网，就是将移动通信和互联网 二者结合起来。对于一些很难建立起WiFi等无 线网络的环境下，利用手机信号传输是很好的选 择。相比于前两代移动通信服务，3G能利用其 在传输声音和数据上的速度优势，提供包括网页 浏览、视频会议、电子商务、电视直播等原来多 数只存在于互联网上的应用服务。对于未来的物 联网发展，庞大的3G用户群是必不可少的，而 且3G的许多便捷服务更是物联网服务最基本的 保证。l=J另外，随着3G的逐渐成熟，人们巳经越来越 多的把目光投向4G市场。2004年，3GPP决定开 展3G系统的长期演进研究项目（LTE）； 2009年， 我国向ITU提交TD-LTE-Advanced技术方案，并 正式成为4G国际标准候选技术；2010年中国移 动在上海世博园建设了全球首个TD-LTE规模演 示网络。尽管从现在来看，4G的研究还没有柳 暗花明，在研究和应用的过程中还会有很多的E 难。但是可以预见的是，一旦4G技术被各个行 业正式采用，其高带宽和高智能性或许可以解决 物联网的物物通信所带来的大量数据的传输问 题，这将给社会、企业和家庭带来全新的管理模 式。四、管理层相关技术1、数据库1.1概述物联网的发展使信息的收集变得更加全面和 迅速，于是就需要更有效的手段对信息进行储存 和组织，并提供便捷的查询。这就用到了已经有 着半个世纪历史的数据库技术。在上世纪60年代，诞生了以IBM的SABRE为 代表的一些成功的早起数据库系统。这些系统在 今天看来虽说很落后，但是在当时的时代背景下iwJ仍然是十分先进且有实际作用的。由于这些数据 库如果要访问想要的内容，需要遍历整个数据 库，这就是在其数据库最大的缺陷。而这类早期 数据库被统称为“导航式数据库”。到了 70年代，为了改变早期数据库的弊端， IBM的Codd进行了一系列研究并最先提出了数 据库逻辑组成与物理储存结构分离的思想，这为 关系数据库的发展奠定了基石。此后加州大学伯 克利分校开发的Ingres和IBM开发的System R 引领了关系数据库几十年的发展历史，以至于如 今大部分的商用数据库都出自二者。关系数据库 的优点主要有以下几个：高度的数据独立性；开 放的数据语意、数据一致性、数据冗余性；灵活 的自定义操作语言。关系数据库的应用取得了巨大的成功，但是它 也是有缺点的，主要体现在：缺乏对真实世界实 体的有效表达；缺乏对复杂查询的有效处理；缺 乏对Web应用的有效支持。因此关系数据库在 CAD、CAM、GIS和动态网页等方面产生了局限性。 鉴于此，很多科学家开始研究被称为“ NoSQL ” 的非关系数据库来弥补关系数据库的这些缺陷， 并且一些知名的开源NoSQL数据库已经在Facebook等社交网站开始应用。但是需要注意 的是NoSQL并不是取代关系数据库，而是要弥补 一些关系数据库遇到的瓶颈。在传统的数据处理 领域关系数据库的地位依然无可替代。1.2数据库与物联网无线传感网是物联网的一个重要组成部分， 它的一个重要特点是以数据为中心。无线传感网 的数据具有以下的特点：l=JMIl=JIW海量性假设有一个拥有100个传感器的传 感网，而每个传感节点每分钟只传回1Kb的数 据，那么每天的数据量就达到1.4Gb。如果是一 些大型的敏感的传感网，每天的数据量可达1TB 以上。至于未来物物互联的物联网时代，产生的 数据就是十分庞大的数量。因此物联网数据具有 海量性。多态性 物联网的应用包罗万象，产生的数 据自然也是多种多样。有温度、湿度等环境数据; 有视频、音频等多媒体数据；还有与用户交换信 息的结构化数据等等。数据的多态性必然增加数 据的复杂性，不同网络产生的数据格式可能不 同，就算是相同类型的数据也会有单位和精度的 差别，一个测量量在不同的时间也在变化。因此物联网数据具有多态性。关联性及语义性物联网中的数据都不会是相互独立的。描述同一个实体的数据在时间上 具有关联性；描述不同实体的数据在空间上会有 关联性；描述实体的不同维度之间也具有关联 性。而不同的关联性组合会产生丰富的语义，可 以通过数据在时间或空间或维度上的关联性推 断出实体的变化。I=J由上可见，数据库技术在物联网时代还应该 能储存海量的数据，并快速处理用户的查询，以 及消除查询结果中的冗余和不确定性。2、海量信息储存2.1概述l=Jw=1计算机和网络技术的发展，社会信息化程度的 提高，使得各种数据信息以一种难以置信的速度 增加。而随着物联网技术的蓬勃发展，如果实现 期望中的“物物互联”，各种物体所产生的信息 量将在现基础上进一步爆炸式增长。而且物联网 还要求有更高的智能，更强的数据挖掘和分析能 力，因此物联网必然需要适合其特点的海量数据 储存技术。2.2网络存储体系结构， .直接附加储存直接附加储存是指将储存liiJ系统通过线缆直接与服务器或工作站相连。直接 附加储存的主要特点是在储存设备和主机总线 适配器间不存在交换机和路由器等网络设备。直 接附加储存实现了从计算机内储存到储存子系 统的跨越，其优点在于管理容易、成本较低、结 构也相对简单。但是随着快速的存储设备和网络 技术的出现，服务器和多次存储转发的开销严重 制约系统性能。另一方面，由于直接附加储存设 备间相互孤立，导致对储存资源的利用率低，资 源的共享能力差。网络附加储存网络附加储存是一种文件I三 I级的计算机数据存储构架。在网络附加储存中计 算机连接到一个仅为其他设备提供基于文件级 数据存储服务的网络。网络附加储存包括储存期 间和专用服务器。直接附加储存和网络附加储存 哟有着本质上的区别。前者是一种对已有服务器 的简单扩展，并没有实现真正的网络互连。后者 则是将网络作为储存实体，更容易实现文件级别 的共享。而且网络附加储存内在的RAID和集群 储存能力增强了数据的可访问性。但是由于网络 附加储存的性能严重依赖于网络中的流量。所以 当用户数量过多、读写操作过于频繁或计算机处理能力不足时，它的性能就会受到限制。l=j储存区域网络储存储区域网络（SAN）是一 种通过网络方式连接储存设备和应用服务器的 存储构架。它为了实现大量原始数据的传输而进 行了专门的优化。存储区域网络由服务器、存储 设备和SAN连接设备组成。SAN的一个重要特点 是存储共享。存储共享能使得多个服务器将他们 的私有存储空间合并为磁盘列阵，不仅简化了对 存储的管理，还有利于提高存储容量的利用率。 SAN和网络附加存储有很多相似之处，但SAN只 支持储存块级别的操作，并没有直接提供文件级 别的访问能力。有一种变通的方法是在SAN上建 立文件系统来提供对文件的抽象。2.3数据中心liiJliiJ数据中心是一整套复杂的设施。它不仅仅包括 计算机系统和其他与之配套的设备（如通信和存 储系统），还包括冗余的数据通信连接、环境控 制设备、监控设备以及各种安全装置。数据中 心起源于计算机工业早期的大型计算机。大型计 算机计算能力很强，但也有操作维护困难和对环 境要求高等缺点。随着微型机时代的到来，计算 机对环境的要求降低，价格也下降，随着技术发展分布式系统登上历史舞台。上世纪90年代廉 价网络设备的诞生，使人们开始设计使用层次化 的方案对大型的微型机（服务器）进行管理，在 此时“数据中心”概念开始逐渐被人们认可。随 着互联网产业的发展，日益增长的大规模在线应 用和企业级基础服务的需求促使十万级甚至百 万级服务器的数据中心诞生。3、搜索引擎3.1概述随着互联网的快速发展，每时每刻都有庞大的 信息在网络上交互。如何高效的检索互联网上的 信息成为一个时代需求和技术挑战。Web搜索引 擎的出现正解决了上述问题。Web搜索引擎是一 个能够在合理的响应时间内，根据用户的查询关 键词，返回一个包含相关信息的结果列表服务的 综合体。传统Web搜索引擎是基于查询关键词 的，对于相同的关键词，会得到相同的查询结果。 它的基本结构由三部分组成：网络爬虫模块、索 引模块和搜索模块。网络爬虫模块主要是通过对Web页面的解析， 根据Web模块之间的连接关系抓取这些页面，并 储存页面信息交给索引模块处理。索引模块主要 完成对于抓取的数据进行预处理建立关键字索引以便搜索结果输出的功能。搜索模块对于用户 的关键字输入，根据数据库的索引知识给出合理 的搜索结果。3.2搜索引擎体系结构信息菜集信息采集作为Web搜索引擎的重要模块，其主要功能是在Web上收集页面信 息，也就是Web机器人（爬虫）程序。一个基础 的网络爬虫程序的结构，首先网络爬虫程序从 URL链接库里读取一个或多个URL作为初始输 入，根据初始输入的URL进行域名解析，之后根 据域名解析的结果访问Web服务器，建立相应的 TCP连接，发送请求，接受应答，储存接收的数 据，并分析提取链接信息（URL）放入URL连接 库里。爬虫程序递归的执行这个程序知道URL链 接库为空。Web上的海量数据具有动态性，即使 是世界上最强大的搜索引擎也不能够全面及时 的获取所有的页面。有效快速地抓取重要的页面 是Web搜索引擎所要解决的问题。对于一个设计 良好的爬虫程序需要保证优先抓取那些重要的 页面，以便有比较可靠的响应速度。索引技术Web爬虫取回的页面信息，需要放入索引数据库里。索引建立的好坏对于搜索引擎有很大的影响，优秀的索引能够显著的提高 搜索引擎系统运行的效率及检索结果的品质。文 本分析技术是建立数据索引信息的支撑技术，它 包含：关键索引项提出、自动摘要生成、自动分 类器、文本聚类等，文本分析的对象包括词汇、 HTTP文本标记和URL等。搜索服务搜索服务是Web搜索引擎工作 流程的最后一步，根据用户提交的查询关键词展 开搜索，将匹配的结果返回给用户。对于自然语 句的搜索输入，则首先根据分词结果提取关键词 集合，然后生成每个页面对于关键词集合的相关 度表示，并返回匹配的搜索结果。搜索服务的好 坏直接影响了 Web搜索引擎的用户满意程度。3.3物联网搜索引擎在物联网时代，大量的设备互联互通，海量的 信息生成传输，这些都为传统的Web搜索引擎提 出了挑战。首先网络接入设备的多样化造成了信 息生成方式的多样化。如何高效的组织和管理信 息是物联网搜索引擎的重中之重。另一方面，用 户的查询模式也发生了转变，对搜索引擎的智能 有了更高的期待。传统Web搜索引擎主要是从各种智能设备上 抓取人工生成的信息。而在物联网时代，搜索引 擎需要和各种物理对象紧密结合，主动识别物体 并提取有用的信息，或者组合相邻的智能或非智 能设备，使他们具有联合性，创造更大的信息价 值。一种有效的方式是由被动的使用爬虫寻找信 息，改为信息设备主动地发布有用的信息。搜索 引擎可以与信息提供者开展紧密合作，通过订阅 或者类似模式获取信息，以保证信息的准确性、 安全性和及时性。从用户的角度来看，人们不再满足于坐在办公 室里通过计算机使用搜索引擎。无论在哪里都能 随时随地进行查询。搜索引擎应该利物联网优 势，集合多模态信息进行查询。例如用户查询一 个地理信息是，搜索引擎不但要查询结果和关键 词的匹配程度，还应该能给出与关键词相关的一 些周边信息。利用物联网技术可以使搜索引擎的 查询结果更精确，更智能，更定制化，满足不同 用户的需求，提供更好的用户体验。4、信息安全和隐私保护4.1概述从信息安全和隐私保护的角度上说，物联网终 端（RFID、传感器、智能信息设备）的广泛引入 在提供丰富信息的同时，也增加了暴露这些信息的危险。所以有必要安全的管理这些信息，确保 隐私信息不被别有用心的人利用来损害我们的 利益。网络信息安全的一般性指标包括可靠性、可用 性、保密性、完整性、不可抵赖性和可控性。可 靠性是指系统能够早规定的条件下和规定的时 间内完成规定功能的特性。可用性是指系统服务 可以被授权实体访问并按照需求使用的特性。保 密性是指信息只能被授权用户使用、不被泄露的 特性。完整性是指未经授权不能改变信息的特 性。不可抵赖性是指信息交互过程中所有参与者 都不可能否认或者抵赖曾经完成的操作和承诺 的特性。可控性是对信息传播及内容控制的特 性。4.2 RFID的安全和保护RFID标签通常附着于物品甚至人体，其中可 能存在大量隐私信息。然而RFID标签受自身成 本的限制，不支持复杂的加密方法，因而容易遭 到攻击。攻击者可以通过破解RFID标签来获取、 复制、篡改以及滥用RFID标签中保存的信息。 而RFID系统的大规模应用为攻击者提供了更多 的机会。由于低成本标签不支持高强度的安全性，人们 提出了物理安全机制。物理安全机制主要包括： 灭活、法拉第网罩、主动干扰和组织标签等。灭活标签机制的原理是杀死标签，使标签丧失 功能，从而标签不会响应攻击者的扫描，进而防 止了对标签及其携带者的跟踪。这种方式虽然可 以完美的防止扫描和跟踪，但是会破坏RFID标 签的功能，使使用者无法再继续享受到以RFID 标签为基础的物联网服务。根据电磁场理论，金属组成的网罩能够屏蔽电 磁波。如果把标签放在网罩内，则外部和内部的 信号都无法穿透网罩，就可以避免攻击者扫描标 签来获取隐私信息。但是这种方法的缺点是无法 便利的使用标签。主动干扰无线信号是另一种屏蔽标签的方法。 用户可以主动广播无线信号来组织或者破坏 RFID阅读器的读取，从而确保消费者隐私。这 种方法的缺点是可能会产生非法干扰，使得附近 其他RFID系统无法正常工作；更严重的是可能 会干扰附近其他无线系统的正常运行。另一种方法是组织标签。这种标签可以通过特 殊的标签碰撞算法来组织非授权的阅读器扫描和跟踪标签，而在需要的时候，则可以取消阻止， 使标签开放的阅读。几年来随着技术的发展，出现了一些新的隐私 保护认证方法，包括基于物理不可克隆函数的方 法、基于掩码的方法、带方向的标签、基于中渐 渐的方法等。以上这些方法都能在一定程度上保 护标签及其信息的安全。=1其实是并不需要为所有的信息都提供安全和 隐私保护的，人们追求的是可用性和安全性的统 一。而且可以用一些新的技术来解决安全和隐私 威胁。当然也可以用法律和规范来增加攻击的代 价。RFID技术虽然面临一些安全和隐私的问题， 但它提供了更方便、更可控、更透彻的信息。从 业人员、消费者及政府三方需要共同面对RFID 隐私保护问题，权衡科技的进步和个人利益的保 护。4.3位置信息的安全与保护=1IW随着感知定位技术的发展，人们可以更加快速 精确地获取自己的位置信息。然而新科技也同时 带来了新隐患。用户位置信息也存在着被侵害的 可能，例如不想暴露自己的位置信息却被他人所 致或者只想告诉第二人却被第三者所知等等。根据位置信息，有时候可以推知用户进行的活动, 此外用户的健康状况、宗教信仰、政治面貌、生 活习惯、兴趣爱好等个人信息也可能被从位置信息推断出来。由此可见，保护位置隐私，保护的 人隐私信息。随着位置信息的精度不断提高，其 包含的信息量也越来越大，攻击者通过截获位置 信息可以获取的个人信息也就越多。不只是个人的位置信息，还有其他各种各样的个=1攻击者获取用户位置信息的方式大致有三种。 可能是用户和服务商之间的通信线路遭到了窃 听。当用户将位置信息发送给服务提供商时就会 被攻击者得知。另外还可能是服务提供商对用户 的信息保护不力。攻击者通过攻击服务商数据库 就可能得到用户的位置信息。最后就是服务提供 商与攻击者沆瀣一气，甚至服务商就是攻击者伪 装的。这种情况下用户的隐私可以说就直接暴露 在攻击者面前了。为了应对与日俱增的针对位置信息的威胁，人 们想出了种种手段来保护位置信息。制度约束： 通过法律手段和规章制度来规范物联网中对位 置信息的使用。隐私方针：允许用户根据自己的 需要来制定相应的位置隐私方针，以此指导移动设备与服务提供商之间的交互。身份匿名：将位 置信息中的真实身份信息替换为一个匿名的代 号，以此来避免攻击者将位置信息与用户的真实 身份挂钩。数据混淆：对位置信息的数据进行混 淆，避免让攻击者得知用户的精确位置信息。liiiJi=j前两种方式是制度上的，后两种是技术上的， 它们都有各自的优缺点。但是不可避免的是，为 了保护位置信息必然会牺牲服务质量。而且隐私 的保护并不是绝对的，除非用户与外界切断通 信，否则只要设备还连接在网络中，还在享受着 各种服务的遍便利，就不可能达到完全的安全。 隐私的保护，往往是在安全程度和服务质量之间 找一个均衡点。五、物联网的具体应用1、智能电网1.1概述新世纪以来,特别是近几年来随着全球节能减 排的需求日益增长，新能源新技术的应用得到大 力推广，欧美、日本和中国都相继启动了电网的 建设升级计划，在发电、输电、变电、配电、用电等环节应用大量的信息感知、数据交互、反馈 控制等新技术，最终实现用电优化配置和节能减 排。l=J智能电网作为新兴概念，行业对其定义和标准 尚未形成共识。可以认为智能电网是对电网未来 发展方向的一种总结，是以先进的通信技术、传 感技术、信息技术为基础，以电网设备间的信息 交换作为手段，以实现电网运行的可靠、安全、 经济、高效、环境友好和使用安全为目的的先进 的现代化电力系统。智能电网的核心是实现电网 的信息化、数字化、自动化和互动化。智能电网 主要具备9大特征：电网自愈、用户交互、设备 兼容、质量管理、系统安全、信息集成、管理优 化、资产优化和市场协调。美国的智能电网主要 在配网层，特别强调的是用电智能化，智能电表 系统的构建是重中之重。欧洲则主要强调分布式 能源的接入，包括新能源和储能系统的使用，电 力电子技术的发展是关键。我国的智能电网计划覆盖面更为全面，是调 度、发电、输电、变电、配电、用电几大环节的 整体升级。目前中国数字化电网建设可算作是智 能电网的雏形，涵盖了发电、调度、输变电、配电和用户等多个环节，主要组成部分包括信息化 平台，调度自动化系统、稳定控制系统、柔性交 流输电、变电站自动化系统、微机继