物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)資料下載

??1 物聯(lián)網(wǎng)的概念 ??物聯(lián)網(wǎng)（Intemet ofthings）的概念于1999年由美國麻省理工大學(xué)提出，目前業(yè)界并沒有統(tǒng)一、精確的定義。早期的物聯(lián)網(wǎng)是依托射頻識別（RFID）技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò)，隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了較大變化。在新的時代，物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執(zhí)行能力的嵌入式芯片和軟件，使之成為“智能物體”，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實現(xiàn)物與物、物與人之間的互聯(lián)。把所有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。 ??在感知領(lǐng)域的另外一個術(shù)語就是傳感網(wǎng)，它將大量、多種類傳感器節(jié)點（傳感、采集、處理、收發(fā)、網(wǎng)絡(luò)于一體）組成自治的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對物理世界的動態(tài)協(xié)同感知?？梢钥闯?，傳感網(wǎng)是以感知為目的的物物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。從用戶或產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的角度也被稱為物聯(lián)網(wǎng)，因此傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的概念本質(zhì)上是相同的。兩個概念的使用場景存在一定差異，傳感網(wǎng)是實現(xiàn)物物通信的重要手段和基礎(chǔ)設(shè)施。因此更多的是從實現(xiàn)的角度來描述網(wǎng)絡(luò)本身。而物聯(lián)網(wǎng)則從應(yīng)用的角度來描述物物通信的網(wǎng)絡(luò)，在本文中根據(jù)實際情況，兩種概念均會使用。 ??明確的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展已有5 年歷史．日本最早于2004年提出以發(fā)展泛在網(wǎng)絡(luò)社會為目標(biāo)的U- Japan構(gòu)想，計劃于2O04—2007年共投入29億美元，預(yù)計到2010年將帶來371億美元的直接收益。韓國提出了U．Korea戰(zhàn)略及 IT839戰(zhàn)略，計劃到2010年共投入700億美元，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展是其中三大基礎(chǔ)建設(shè)之一。2009年4月，美國政府公布了40億美元智能電網(wǎng)投資計劃．智能電網(wǎng)在現(xiàn)有電網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過在發(fā)電、輸電等各個環(huán)節(jié)引入先進的傳感和測量技術(shù)、控制方法以及決策支持系統(tǒng)實現(xiàn)電網(wǎng)高可靠、高效運行。智能電網(wǎng)可以實現(xiàn)高壓輸電線安全監(jiān)控、電力設(shè)備工作情況監(jiān)控、智能用戶需求響應(yīng)、實時定價、停電檢測、電能質(zhì)量監(jiān)測等目標(biāo)。美國能源部預(yù)計這一計劃在未來20年內(nèi)將節(jié)省投資800億美元。 ??2 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù) ??物聯(lián)網(wǎng)的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)可以歸納為“感知、傳輸、處理”，實現(xiàn)“及時、精確、全面地獲取和處理信息，達到科學(xué)決策、降低成本、提高效率、保護環(huán)境、增強安全等目標(biāo)，更加有利于人類的可持續(xù)性發(fā)展”。其中，傳感技術(shù)、納米技術(shù)、嵌入式智能技術(shù)、射頻識別技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。 ? ??（1）傳感器與傳感節(jié)點技術(shù) ??傳感器是指能感知預(yù)定的被測指標(biāo)并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器的類型多樣，可以按照用途、材料、輸出信號類型、制造工藝等方式進行分類。常見的傳感器有速度傳感器、熱敏傳感器、壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅鳌⒛芎膫鞲衅?、加速度傳感器、射線輻射傳感器、振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器等。隨著技術(shù)的發(fā)展，新的傳感器類型也不斷產(chǎn)生。傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括工業(yè)生產(chǎn)自動化、國防現(xiàn)代化、航空技術(shù)、航天技術(shù)、能源開發(fā)、環(huán)境保護與生物科學(xué)等。 ??隨著納米技術(shù)和微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的應(yīng)用．傳感器尺寸的減小和精度的提高，也大大拓展了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源構(gòu)成。節(jié)點具有感知能力、計算能力和通信能力，也就是在傳統(tǒng)傳感器基礎(chǔ)上，增加了協(xié)同、計算、通信功能，構(gòu)成了傳感器節(jié)點。智能化是傳感器的重要發(fā)展趨勢之一，嵌入式智能技術(shù)是實現(xiàn)傳感器智能化的重要手段，其特點是將硬件和軟件相結(jié)合，利用了嵌入式的低功耗、體積小、集成度高和的高效率、高可靠性等優(yōu)點，同時結(jié)合技術(shù)．推動物聯(lián)網(wǎng)中智能環(huán)境的實現(xiàn)。 ??（2）射頻識別技術(shù) ??射頻識別（RFID）技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，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)。RFID為物體貼上電子標(biāo)簽，實現(xiàn)高效靈活管理，是物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)之一。典型的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物品經(jīng)過特定的信息讀寫器時．標(biāo)簽被讀寫器激活并通過無線電波將標(biāo)簽中攜帶的信息傳送到讀寫器以及信息處理系統(tǒng)，完成信息的自動采集工作。信息處理系統(tǒng)根據(jù)需求承擔(dān)相應(yīng)的信息控制和處理工作。 ??（3）網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù) ??傳感網(wǎng)依托網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)實現(xiàn)感知信息的傳遞和協(xié)同。傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分為兩類：近距離通信和廣域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。在廣域網(wǎng)絡(luò)通信方面，IP互聯(lián)網(wǎng)、 2G／3G移動通信、衛(wèi)星通信技術(shù)等實現(xiàn)了信息的遠(yuǎn)程傳輸。特別是以IPv6為核心的下一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將為每個傳感器分配IP地址創(chuàng)造可能，也為傳感網(wǎng)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)網(wǎng)條件在近距離通信方面，以IEEE 802．15．4為代表的近距離通信技術(shù)是目前的主流技術(shù)，805．15．4規(guī)范是 IEEE制定的用于低速近距離通信的物理層和媒體接人控制層規(guī)范，工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，免許可證的2．4 GHz ISM頻段全世界都可通用。802．15．4的低功耗、低速率和短距離傳輸?shù)奶攸c使它非常適宜支持計算和存儲能力有限的簡單器件。 ??隨著互聯(lián)網(wǎng)的進一步擴展，業(yè)界開始研究如何通過一種新型的低功耗網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)將IP的使用擴展到資源受限的傳感器節(jié)點設(shè)備上，IETF 6LowPAN工作組負(fù)責(zé)研究的 Iev6over 802．15．4協(xié)議，在應(yīng)用層和MAC層之間增加了一個適配層，使得IPv6可以在802．15．4網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)高效通信，從而逐步實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的融合。目前IETF在該領(lǐng)域已經(jīng)形成兩個RFC：RFC 4919和RFC 4944。物聯(lián)網(wǎng)能夠整合上述所有技術(shù)的功能．實現(xiàn)一個完全交互式和反應(yīng)式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。 ??3 物聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)的融合需求及架構(gòu) ??傳感網(wǎng)南部署在觀察區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，主要通過無線通信方式形成多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目的是協(xié)作感知、采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并傳送給觀察者。典型的傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示．由傳感器節(jié)點、關(guān)口節(jié)點（sink node）組成。傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點之間通過無線的方式進行通信．并通過多跳方式將感知到的數(shù)據(jù)傳到關(guān)口節(jié)點，關(guān)口節(jié)點借助長距離通信將區(qū)域的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程的應(yīng)用中心。由于傳感網(wǎng)節(jié)點數(shù)量眾多，采集的數(shù)據(jù)量大，因此數(shù)據(jù)通常需進行節(jié)點間的協(xié)同處理和融合匯聚。 ??目前．大多數(shù)的傳感網(wǎng)應(yīng)用僅僅是孤立應(yīng)用系統(tǒng)，相互之間沒有關(guān)聯(lián)和交互。要想真正達到物聯(lián)網(wǎng)確定的最終目標(biāo)，就必須實現(xiàn)和電信網(wǎng)的融合，打破這種孤立的形態(tài)，形成新一代物聯(lián)網(wǎng)。如IETF 6LowPAN工作組所做的工作，傳感器和IP互聯(lián)網(wǎng)的融合已是不可避免的趨勢，即傳感器將逐步IP化，互聯(lián)網(wǎng)的功能范圍將從個人電腦等傳統(tǒng)終端逐漸擴展到傳感器節(jié)點中，傳感器節(jié)點將真正成為電信網(wǎng)中的一個終端節(jié)點。 ??傳感網(wǎng)絡(luò)有別于其他網(wǎng)絡(luò)的特征有： ??· 節(jié)點處理能力低、內(nèi)存小，能力有限： ??· 節(jié)點電源小，蓄電少； ??· 通信失敗率高．帶寬低，鏈接失敗率高； ??· 環(huán)境條件相對苛刻，節(jié)點故障或互聯(lián)出問題的幾率較大： ??· 傳感節(jié)點、傳感網(wǎng)絡(luò)、傳感業(yè)務(wù)單元都應(yīng)支持移動性（但事實上受限于硬件能力，傳感網(wǎng)絡(luò)可能不完全支持可移動性）； ??· 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，傳感?jié)點會比較頻繁地進入或脫離拓?fù)?，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化； ??· 異質(zhì)節(jié)點共存，單個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可能涉及多個傳感網(wǎng)絡(luò)，這些傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可能使用不同的物理地址，甚至不同協(xié)議（IP或非IP）； ? ??· 地理部署范圍廣 ??物聯(lián)網(wǎng)能夠為各種用戶群提供廣泛的應(yīng)用．包括普通消費者、公共機構(gòu)、政府、企業(yè)等。為了支持更廣泛的應(yīng)用，電信NGN中需要再增加或擴展針對物聯(lián)網(wǎng)需求的功能（簡稱NGN擴展功能），目前這一塊工作也是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的熱點工作之一。韓國的電子和通信研究所（ETRI）在ITU．T SG13組提交的 USN （ubiquitous sensor network，無所不在的傳感網(wǎng)絡(luò)）總體架構(gòu)，其中包括物理傳感網(wǎng)絡(luò)、NGN、USN中間件以及USN上層應(yīng)用。各種傳感器網(wǎng)絡(luò)在最靠近用戶的地方組成無所不在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，用戶在此環(huán)境中使用各種服務(wù)。電信的NGN網(wǎng)絡(luò)在其中則作為核心處理平臺為USN提供支持。ITU．T的USN可以理解為物聯(lián)網(wǎng)，USN和電信NGN的網(wǎng)絡(luò)逐步實現(xiàn)融合。 ??隨著電信網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的融合．物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也對NGN網(wǎng)絡(luò)能力提出了新的要求。電信網(wǎng)應(yīng)能為物聯(lián)網(wǎng)提供如下的管理能力：網(wǎng)絡(luò)管理、業(yè)務(wù)管理、移動性管理、服務(wù)質(zhì)量管理、安全性管理、位置服務(wù)、認(rèn)證鑒權(quán)能力、計費能力等，具體要求如下。 ??（1）網(wǎng)絡(luò)管理 ??按照對于IP支持程度的不同，傳感網(wǎng)可分為基于IP的傳感網(wǎng)絡(luò)和非IP的傳感網(wǎng)絡(luò)。在通信方式上有無線連接和有線連接。這些不同的傳感網(wǎng)在特定的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中共存．因此需要NGN能夠管理不同類型的傳感網(wǎng)絡(luò)?；诜荌P網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)通常通過網(wǎng)關(guān)對其進行管理，而基于IP網(wǎng)絡(luò)的傳感網(wǎng)絡(luò)則被作為一個子網(wǎng)直接進行管理。其次，傳感網(wǎng)中經(jīng)常會發(fā)生單個節(jié)點硬件故障或者鏈路失敗，但傳感網(wǎng)本身不能由于單個故障而中斷工作，因此，NGN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置，以實現(xiàn)連接保障和對于傳感器節(jié)點生命周期的管理。 ??（2）業(yè)務(wù)信息（profile） ??在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中．多個應(yīng)用會同時使用單個傳感網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，由于不同應(yīng)用的用戶要求不同，所以要求物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)ν慌鷤鞲袛?shù)據(jù)根據(jù)需求的不同進行不同的處理。物聯(lián)網(wǎng)信息管理就是一種支持不同特性和需求的傳感數(shù)據(jù)的管理方式。業(yè)務(wù)信息庫由物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的信息單元組成，其中存儲了業(yè)務(wù)標(biāo)識、數(shù)據(jù)類型、業(yè)務(wù)提供者、位置信息等。NGN擴展功能需要支持采用一套標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)信息庫來注冊和發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。 ??（3）設(shè)備信息管理 ??設(shè)備信息管理包括傳感網(wǎng)絡(luò)和傳感節(jié)點的設(shè)備信息．在特定情況下，設(shè)備信息可以和業(yè)務(wù)信息關(guān)聯(lián)。設(shè)備信息包括傳感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識、設(shè)備標(biāo)識、設(shè)備類型、設(shè)備能力、設(shè)備位置等。由于未來物聯(lián)網(wǎng)中傳感器、傳感節(jié)點和傳感網(wǎng)絡(luò)均存在多樣性，因此設(shè)備信息管理需要支持管理大量的異類節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)。 ??（4）業(yè)務(wù)注冊和發(fā)現(xiàn)管理