物联网技术探讨

    郗大江 文晓东

    

    

    

    【摘?要】介绍物联网架构及感知层和应用场景，针对物联网几种技术进行对比。

    【关键词】物联网;NB-IOT;条码;二维码;RFID M2M

    Discussion on Internet of Things Technology

    Xi Da-jiang，Wen Xiao-dong

    （Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， Ltd?Xi'an?Shanxi?710000）

    【Abstract】Introduce the IoT architecture， sensing layer and application scenarios， and compare several technologies of the Internet of Things.

    【Key words】Internet of Things;NB-IOT;Barcode;Two-dimensional code;RFID M2M

    1. 引言

    （1）在通信发展的历史中，从1875年6月世界第一部电话（贝尔）诞生到百年后1973年4月世界第一台手机——摩托罗拉手机面世，再到2007年1月第一台苹果诞生，无论是通信技术还是移动终端都是围绕人与人之间的通信展开。

    （2）随着3G/4G蜂窝网络部署和工业自动化、智能化的发展这个状况正在改变，一方面是人的通信问题已经基本解决，另一方面物的功能和智能正在增强，随着5G未来蜂窝网络研究的开启，物联网可以说是迎来了真正的春天。

    2. 万物互联开启未来新世界

    物联网的英文名称为“Internet of Things”，其核心和基础是互联的网络，在互联网基础上进行延伸和扩展的网络，按照约定的协议，把任何物品和互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

    2.1?物联网是如何感知的。

    物联网分为：感知层、网络层、应用层。感知层位于物联网的最底层，通过传感网识别来获取信息，感知层包括条码、二维码和扫描器、射频识别技术（RFID）和解读器、摄像头、北斗或GPS、温度、湿度等传感器和终端（见图1）。

    2.1.1?条码。

    条形码（barcode）是将宽度不等的多个黑条和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。常见的条形码是由反射率相差很大的黑条（简称条）和白条（简称空）排成的平行线图案（见图2）。

    2.1.2?二维码。

    二维码又称二维条码，常见的二维码为QR Code，QR全称Quick Response，用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的;在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集;每个字符占有一定的宽度;具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化点（见图3）。

    2.1.3?RFID。

    （1）射频识别，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池;也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。

    （2）RFID技术中所衍生的產品大概有三大类：无源RFID产品、有源RFID产品、半有源RFID产品（见图4）。

    应答器：由天线，耦合元件及芯片组成，一般来说都是用标签作为应答器，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：由天线，耦合元件，芯片组成，读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式rfid读写器或固定式读写器。

    应用软件系统 ：是应用层软件，主要是把收集的数据进一步处理，并为人们所使用。

    2.1.4?传感器。

    （1）传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

    （2）传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

    （3）常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟：

    光敏传感器——视觉

    声敏传感器——听觉

    气敏传感器——嗅觉

    化学传感器——味觉

    压敏、温敏、流体传感器——触觉。

    （4）敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号;转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号;变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制;转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电（见图5）。

    2.1.5?物联网终端。

    （1）M2M是Machine-to-Machine简称，以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用和服务，M2M终端是一种典型的物联网终端。广义上，M2M可代表机器对机器、人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接和通信，涵盖了所有实现在人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段。

    （2）M2M应用市场正在全球范围快速增长，随着包括通信设备、管理软件等相关技术的深化，M2M产品成本的下降，M2M业务将逐渐走向成熟。目前，在美国和加拿大等国已经实现安全监测、机械服务、维修业务、自动售货机、公共交通系统、车队管理、工业流程自动化、电动机械、城市信息化等领域的应用（见图6）。

    2.1.6?应用系统构成。

    （1）智能化机器。

    “智能化”，所谓使机器“开口说话”，让机器具有信息感知、信息加工及无线加工的能力。

    （2）M2M硬件。

    使机器可具备联网能力和远程通信的部件，进行信息提取，从不同设备内汲取需要的信息，传输到分析部分。

    （3）通信网络。

    包括广域网（无线移动通讯网络、卫星通讯网络、互联网和公众电话网），局域网（以太网、无线局域网、蓝牙、wifi），个域网（Zigbee、传感器网络），通过上述网络将M2M硬件传输的信息送达指定位置，是出于M2M技术框架的核心的地位。

    （4）中间件。

    M2M网关完成在不同协议之间的转换，在通信网络和IT系统之间建立桥梁。

    2.2?物联网的应用。

    互联网应用层负责提供丰富的应用，将物联网技术与行业信息化需求相结合，是智能处理，即利用云计算、数据挖掘、中间件等技术和行业需求结合，实现广泛智能化的应用解决方案。物联网通过网络层将感知层的物件連接起来，由应用层提供丰富的应用（见图7）。

    2.2.1?智慧城市。

    智慧城市应用体系：智慧物流体系、智慧制造体系、智慧贸易体系、智慧能源应用体系、智慧公共服务、智慧社会管理体系、智慧交通体系、智慧健康保障体系、智慧安居服务体系、智慧文化服务体系。

    （1）智慧公共服务：建设智慧公共服务和城市管理系统。通过加强就业、医疗、文化、安居等专业性应用系统建设，通过提升城市建设和管理的规范化、精准化和智能化水平，有效促进城市公共资源在全市范围共享，积极推动城市人流、物流、信息流、资金流的协调高效运行，在提升城市运行效率和公共服务水平的同时，推动城市发展转型升级。

    （2）智慧城市综合体：采用视觉采集和识别、各类传感器、无线定位系统、RFID、条码识别、视觉标签等顶尖技术，构建智能视觉物联网，对城市综合体的要素进行智能感知、自动数据采集，涵盖城市综合体当中方方面面，将采集的数据可视化和规范化，让管理者能进行可视化城市综合体管理。

    （3）智慧政务城市综合管理运营平台：括指挥中心、计算机网络机房、智能监控系统、和平区街道图书馆和数字化公共服务网络系统四个部分内容，并统一数据、统一网络，建设数据中心、共享平台，从根本上有效的将政府各个部门的数据信息互联互通，并对车流、人流、物流实现全面的感知。

    （4）智慧安居服务。融合应用物联网、互联网、移动通信等各种信息技术，发展社区政务、智慧家居系统、智慧楼宇管理、智慧社区服务、社区远程监控、安全管理、智慧商务办公等智慧应用系统，使居民生活“智能化发展”。

    （5）智慧教育文化服务：教育综合信息网、网络学校、数字化课件、教学资源库、虚拟图书馆、教学综合管理系统、远程教育系统等资源共享数据库及共享应用平台系统。

    （6）智慧服务应用。①智慧物流：配合综合物流园区信息化建设，推广射频识别（RFID）、多维条码、卫星定位、货物跟踪、电子商务等信息技术在物流行业中的应用。②智慧贸易：支持企业通过自建网站或第三方电子商务平台，开展网上询价、网上采购、网上营销，网上支付等电子商务活动。

    （7）智慧健康保障体系建设。建立卫生服务网络和城市社区卫生服务体系，促进各医疗卫生单位信息系统之间的沟通和交互。以实现医院服务网络化为重点，推进远程挂号、电子收费、数字远程医疗服务、图文体检诊断系统等智慧医疗系统建设，提升医疗和健康服务水平。

    （8）智慧交通。通过监控、监测、交通流量分布优化等技术，完善公安、城管、公路等监控体系和信息网络系统，建立以交通诱导、应急指挥、智能出行、出租车和公交车管理等系统为重点的、统一的智能化城市交通综合管理和服务系统建设，实现交通信息的充分共享、公路交通状况的实时监控及动态管理，全面提升监控力度和智能化管理水平，确保交通运输安全、畅通。

    （9）“智慧城市”是IBM“智慧的地球”策略中的一个重要方面。“智慧的地球”提出以更智慧的方法，通过新一代信息技术改变人们交互的方式，提高实时信息处理能力及感应与响应速度，增强业务弹性和连续性，促进社会各项事业的全面和谐发展。

    2.2.2?车联网。

    车联网（Internet of Vehicles）是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络（见图8）。

    （1）第一层（端系统）：端系统是汽车的智能传感器，负责采集与获取车辆的智能信息，感知行车状态与环境;是具有车内通信、车间通信、车网通信的泛在通信终端;同时还是让汽车具备IOV寻址和网络可信标识等能力的设备。

    （2）第二层（管系统）：解决车与车（V2V）、车与路（V2R）、车与网（V2I）、车与人（V2H）等的互联互通，实现车辆自组网及多种异构网络之间的通信与漫游，在功能和性能上保障实时性、可服务性与网络泛在性，同时它是公网与专网的统一体。