信息化研究Informatization Research第37卷第4期2011年8月Vol.37No.4Aug.2011物联网关键技术及其应用张绍钧1叶志申2黄仁泰3（1.东莞市万里集团有限公司,东莞，523000；2.东莞市大朗供电公司,东莞，523808；3.东莞理工学院计算机学院,东莞，523808）摘要：阐述了物联网的发展过程、定义、组成，以及物联网与传感器网络、泛在网络的相互关系；分析了涉及物联网的几种关键技术及可能的解决方案:无线射频识别技术、无线传感网技术、中间件技术、云计算技术、信息安全技术、异构网络与通信技术等；总结并展望了物联网最先可能的应用领域和应用前景。

关键词：物联网；无线射频识别；传感技术；云计算中图分类号：TP3930引言2005年11月，国际电信联盟ITU 发布了《国际电信联盟互联网报告2005：物联网》报告，ITU 指出：人类正处在一个通信新时代的边缘，信息与通信技术（ICT ）的目标已经从满足人与人之间的沟通，发展到实现人与物、物与物之间的连接，无所不在的物联网通信时代即将来临。

物联网使我们在信息与现实的世界里获得一个全新的沟通维度，将任何时间、任何地点、连接任何人，扩展到连接任何物品，万物的连接就形成了物联网。

简单说：物联网就是把任何物品通过信息传感设备与互联网等网络连接起来，进行信息交换和通讯，实现物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

物联网包含感知层、网络层、业务或应用层三个层次。

感知层负责对物和物相关信息的采集；网络层是异构融合的泛在通信网络,包括现有的互联网、无线通信网、广电网以及各种接入网和专用网,泛在通信网络对采集到的物体信息进行传输和处理；业务和应用层是应用和业务,为手机、PC 等各种终端设备提供感知信息的应用服务。

物联网与传感器网络、泛在网络的相互关系。

（1）传感器网络。

ITU-T Y.2221[1]建议中传感器网定义为：包含互联的传感器节点的网络，这些节点通过有线或无线通信交换传感数据。

传感器节点是由传感器和可选的能检测处理数据及联网的执行元件组成的设备。

传感器网络与其他传统网络相比具有显著特点，即资源受限、自组织结构、动态性强、应用相关及以数据为中心等。

以无线传感器网络为例，一般由多个具有无线通信与计算能力的低功耗、小体积的传感器节点构成；传感器节点具有数据采集、处理、无线通信和自组织的能力，协作完成大规模复杂的监测任务；网络中通常只有少量的汇聚节点负责发布命令和收集数据，实现与互联网的通信。

（2）泛在网络（ubiquitous network ）。

ITU-TY.2002建议中将泛在网络描述为：在服务预订的情况下，个人和/或设备无论何时、何地、何种方式都能以最少的技术限制接入到服务和通信的能力[2]。

简单地说，泛在网络是指无所不在的网络，可实现随时随地与任何人或物之间的通信，涵盖了各种应用，是一个容纳了智能感知/控制、广泛的网络连接及深度的信息通信等，超越了原有电信网范畴的更大的网络体系。

泛在网络可以支持人到人、人到对象（如设备和/或机器）和对象到对象的通信。

（3）三者之间的区别与联系可以简单地概括为：泛在网络包含物联网，物联网包含传感器网。

从通信对象及技术的覆盖范围看:①传感器网是物联网实现数据信息采集的一种末端网络，除了各类传感器外，物联网的感知单元还包括如RFID 、二维码、内置移动通信模块的各种终端等；②物联网是迈向泛在网络的第一步，泛在网络在通信对象上不仅包括物与物、物与人的通信，还包括人与人通信，而且泛在网络涉及多个异构网络的互联。

收稿日期：2011-03-13。

第37卷第4期·综述与评论·1关键技术1.1RFID射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）[3]是一种非接触式的无线自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据信息。

要实现任何物体之间的互联就必须给每件物体一个识别编码（ID）。

每个产品或事物出现在这个世界就得获得一个惟一的编码来证明它的惟一性，而且单个物品可以拥有多个标识号，复合物体的每个组件可以都有标识号；而且属于一类的物品要有证明类属的特殊标识ID，而单个物品同时要有区别于同类其他物品的ID。

另外，对于一些特殊物品要考虑其安全隐私要求。

RFID系统一般由电子标签、读写器、应用接口等硬件设备与中间件软件、传输网络、业务应用、管理系统等构成。

电子标签是一个内部保存数据的无线收发装置,负责发送数据给读写器。

读写器是一个捕捉和处理标签数据的装置,同时还负责与后台处理系统接口。

软件包括RFID系统软件、RFID中间件、后台应用程序。

RFID系统软件是在标签和读写器之间进行通信所必需的功能集合。

RFID中间件是在读写器和后台处理系统之间运行的一组软件,它将标签和读写器上运行的RFID系统软件和在后台处理系统上运行的应用软件联系起来。

后台应用程序接收由标签发出,经过读写器和RFID中间件处理过滤后的标准化的数据。

这样的RFID系统可以实时自动地对物体进行识别、定位、监控、追踪。

其中，标识结构设计、标识映射机制、匿名标识技术将是当前RFID技术领域的热点研究课题。

1.2无线传感网技术无线传感网是由大量部署在监测区域内的传感器节点构成的多个、自组织的无线网络系统。

无线传感网络具有无需固定设备支撑的特点,可以快速部署,同时具有易组网,不受有线网络的约束。

在无线传感器系统中,单个节点能够感应其环境,然后在本地处理信息或者通过无线链路将信息发送到一个或多个集节点。

由于RF发射功率低,所以每个节点的传输距离比较近。

短距离传输使传输信号被窃听的可能性降到最小,同时还延长了电池的寿命,适用于物于物之间的联系。

无线传感网通常被用来监测在不同地点的物理或者环境参量，如光、温度、湿度、声音、振动、压力、运动或者污染等。

它主要是通过各节点相互协作地感知、采集和处理网络覆盖区域的监测信息，并发布给观察者。

物联网的快速发展依赖于终端的大规模、大范围的部署，而物联网终端的多形态和泛在化既是物联网业务发展的特点，也是其面临的重点和难点；具体研究对象为传感器、传感器适配器、传感器网络网关等。

而在未来，无线传感网络技术的拓扑控制、定位技术、时间同步、数据融合处理技术以及终端设备的能量获取和存储技术、设备小型化/低成本/低功耗等问题将引领无线传感网络的热点研究。

1.3中间件技术物联网的目标是要实现任何时间、任何地点及任何物体的连接，这个特点就决定了屏蔽底层硬件的多样性和复杂性以及与上层信息交换的复杂应用性。

中间件为底层与上层之间的数据传递提供了很好的交互平台，实现各类信息资源之间的关联、整合、协同、互动和按需服务等，所以现在中间件的研究热点集中在基于远程控制的应用管理方式；支持多种传感设备的管理、数据采集和处理功能，从而降低应用与硬件的耦合性；具备符合多种应用通用需求的API集合；具有跨平台的灵活性移植[4]。

1.4云计算技术物联网要求每个物体都与它惟一的标示符相关联,这样就可以在数据库中检索信息。

因此需要一个海量的数据库和数据平台把数据信息转换成实际决策和行动。

若所有的数据中心都各自为阵,数据中心的大量有价值的信息就会形成信息孤岛,无法被有需求的用户有效使用。

云计算试图在这些孤立的信息孤岛之间通过提供灵活、安全、协同的资源共享来构造一个大规模的、地理上分布的、异构的资源池,包括信息资源和硬件资源,再结合有效的信息生命周期管理技术和节能技术。

云计算是由软件、硬件、处理器加存储器构成的复杂系统，它作为一种虚拟化、硬件/软件运营化的解决方案，可以为物联网提供高效的计算、存储能力，为泛在链接的物联网提供网络引擎。

采用云计算技术实现信息存储资源和计算能力的分布式共享，为海量信息的高效利用提供支撑。

它按需进行动态部署、配置、重配置以及取消服务。

在云计算平台中的服务器可以是物理的服务器或者虚拟的服务器,其本质是由远程运行的应用程序驻留在个人电脑和局部服务器。

1.5信息安全技术物联网的绝大多数应用都涉及个人隐私或机构内部秘密,物联网必须提供严密的安全性和可控性。

由于任意一个标签的标识或识别码都能在远程被任意扫描,且标签自动地、不加区别地回应阅读器的指令并将其所存储的信息传输给阅读器,这就需要保证国家及张绍钧，等：物联网关键技术及其应用·综述与评论·2011年8月信息化研究企业的机密不被泄露还要确保标签物的拥有者个人隐私不受侵犯，这些也就导致安全和隐私技术成为物联网识别技术的关键问题之一。

由于物联网的每个层的性质和功能不同，每层的安全问题也各不相同。

除此之外，终端安全管理、感知节点的物理安全也要给予相当的重视，其中包括用户卡（如认证、加密等）、设备软硬件完整性安全问题（如信息采集、存储的安全问题，设备硬件）以及防止非法移动的安全问题。

物联网网络层的信息安全主要有两类:一是来自于物联网本身（主要包括网络的开放性架构、系统的接入和互联方式、以及各类功能繁多的网络设备和终端设备的能力等）安全隐患；二是源于构建和实现物联网网络层功能的相关技术（如云计算、网络存储、异构网络技术等）的安全弱点和协议缺陷。

网络层存在的问题是业务流量模型、空中接口和网络架构安全问题。

地址空间短缺的解决方法是采用IPv6技术,用128位的地址长度并采纳IPSec协议,在IP层上对数据包进行高强度的安全处理,提供数据源地址验证、无连接数据完整性、数据机密性、抗重播和有限业务流加密等安全服务,增强了网络的安全性。

目前是采用IPv6和IPv4双协议栈模式[5]。

由于物联网尚处在初级阶段，所以其信息安全机制在业界还是空白。

1.6异构网络与通信技术异构网络是物联网信息传递和服务支撑的基础设施，通过泛在的互联功能，实现感知信息高可靠性、高安全性传输。

物联网的网络技术涵盖泛在接入和骨干网传输等多个层面[6]。

以IPv6为核心的下一代互联网为物联网的发展创造了良好的基础网条件。

以传感器网络为代表的末梢网络在规模化应用后，面临与骨干网络的接入和协同问题，需要研究固定、无线网、移动网及Ad-hoc网技术等。

物联网综合了各种有线及无线通信技术，其中近距离无线通信技术将是物联网的研究重点。

由于物联网终端一般使用工业科学医疗（ISM）频段进行通信，频段内包括大量的物联网设备以及现有的WiFi、超宽带（UWB）、ZigBee、蓝牙等设备，频谱空间将极其拥挤，制约物联网的大规模应用。

需要提升频谱资源的利用率，让更多物联网业务能实现空间并存，切实提高物联网规模化应用的频谱保障能力，保证异种物联网的共存，并实现其互联互通互操作。

2应用展望据预测,物联网未来的发展将经历如下几个阶段:RFID广泛应用于物流、零售和制药领域；物体互联；物体进入半智能化；物体进入全智能化。