电子商务前沿讲座 物联网技术及应用
姓名 王丹 学号 2008012849 班级 08电子商务 完成时间 2011-12-9
物联网技术及其应用
摘要：近来，物联网屡被提及，各种迹象已经很明确的说明：在未来10-15年内我们将见证新一轮信息技术产业革命的巨大变革。本文重点介绍了物联网技术的发展以及其在相应行业的典型应用，并列举了世界重点国家的物联网发展战略，对物联网知识提供较为详尽的描述。
关键词：物联网；组网；网络架构
一、物联网概念的提出
物联网(the Internet of things )这一概念于1999年正式提出，但是最早出现在贝尔·盖茨1995年所著的《未来之路》中，当时Bill Gates 已经率先提及internet of things 这一概念，只是限于当时无线网络、硬件和传感技术的限制，并未得到广泛认同和发展。1998年，美国麻省理工大学(MIT)创造性地提出了当时称作EPC系统的“物联网”的构想；1999年，美国 Auto-ID首先提出“物联网”的概念，称物联网主要是建立在物品编码、RFID技术和互联网的基础上；2005 年，ITU发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，综 合二者内容，正式提出“物联网”的概念，包括了所有 物品的联网和应用。目前较为公认的物联网的定义是： 通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物 品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智 能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
二、主要国家的物联网发展战略
2005年4月8日，在日内瓦举办的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟专门成立了\"泛在网络社会（UbiquitousNetworkSociety国际专家工作组\"，提供了一个在国际上讨论物联网的常设咨询机构。根据这个工作组的报告，2005年，许多国家已经纷纷开始\"无处不在物联网\"的发展战略，包括日韩基于物联网的\"U社会\"战略、欧洲\"物联网行动计划\"以及美国\"智能电网\"、\"智慧地球\"等登。此外，物联网已经开始在军事、工业、农业、环境监测、建筑、医疗、空间和海洋探索等领域投入应用。2009年包括Google在内的互 联网厂商、IBM、思科在内的设备制造商和方案解决商以及AT&T、Veri-zon、中移动、中国电信等在内的电信运营企业纷纷加速了物联网的战略布局，以期在未来的物联网领域取得先发优势。
（一）、美国的物联网战略
美国非常重视物联网的战略地位，在国家情报委员会（NIC）发表的《2025对美国利益潜在影响的关键技术》报告中，将物联网列为六种关键技术之一。美 国国防部在2005年将\"智能微尘\"（SMARTDUST）列为重点研发项目。国家科学基金会的\"全球网络环境研究\"（GENI）把在下一代互联网上组建 传感器子网作为其中重要一项内容。2009年2月17日，奥巴马总统签署生效的《2009年美国恢复与再投资法案》中提出在智能电网、卫生医疗信息技术应 用和教育信息技术进行大量投资，这些投资建设与物联网技术直接相关。物联网与新能源一道，成为美国摆脱金融危机振兴经济的两大核心武器。
（二）、欧盟的物联网战略
欧洲在信息化发展中落后美国一步，但欧洲始终不甘落后。2005年4月，欧盟执委会正式公布了未来5年欧盟信息通信政策框架\"i2010\"，提出，为迎 接数字融合时代的来临，必须整合不同的通信网络、内容服务、终端设备，以提供一致性的管理架构来适应全球化的数字经济，发展更具市场导向、弹性及面向未来 的技术。
2006年9月，当值欧盟理事会主席国芬兰和欧盟委员会共同发起举办了欧洲信息社会大会，主题为\"i2010-创建一个无处不在的欧洲信息社会\"。
自2007年至2013年，欧盟预计投入研发经费共计532亿欧元，推动欧洲最重要的
（四）、我国的物联网战略
随着物联网迅速发展及欧美各国相应的制定出符合本身物联网发展的国家战略，2009年，温家宝总理在无锡考察时对物联网的发展提出了三点要求：一是把传感系统和3G中的TD-SCDMA技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网的发展；三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫\"感知中国\" 中心。我国开始把物联网作为我国未来重要的发展战略。
在2009年12月的国务院经济工作会议上，明确提出了要在电力、交通、安防和金融行业推进物联网的相关应用。我国已在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器终端机和移动基站等方面取得重大进展，目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。目前，我国传感网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案已被采纳,中国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的主导国之一。我国的物联网战略实施主要分三个阶段：关键应用阶段、规模应用阶段和普遍应用阶段。
我国物联网战略规划图
关键应用阶段：以相关行业的领先企业为龙头，探索工业信息化、农业信息化和社会信息化中的关键应用，以应用创新拉动技术创新，初步形成合理的产业格局和产业价值链。领先企业引领关键应用的产业化突破是这个阶段的关键，这个阶段的成功与否对产业发展的前途至关重要。
规模应用阶段：随着技术的演进，进一步扩大物联网信息化应用的深度、范围和规模，显著提升物联网应用的信息化份额，形成物联网产业与传统产业融合互动的发展格局。
普遍应用阶段：在全国城乡建立与经济和社会发展需求相适应的普遍信息服务体系，建成完善的物联网产业链和产业布局，确立中国在全球物联网产业发展中的核心地位。
三、物联网架构
物联网经典架构主要由四层组成，自下而上分别为：感知层，传送层，运营层和应用层。如果拿人来做比喻的话，感知层就如同皮肤和五官这些视觉、触觉和嗅觉器官，主要用来识别物体，采集相关信息；经过感知层采集到的信息，途径人体神经网络（传送层）迅速传递到大脑，经过人体脑部（运营层）的汇总分析，作出应对各种复杂的情况的具体反应（应用层）。
感知层：包括传感器等数据采集设备以及相应的传感器网络。该层的主要任务是将现实社会的各种物理量通过诸多手段，实时并自动化的转化为虚拟世界可以处理的数字化信
息。感知层是物联网发展和应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术是感知层涉及的主要技术，其中又包括芯片研发、通信协议研究、RFID材料、智能节电供电等细分领域。
传送层：该层的主要任务是将感知层采集到的信息，通过传感器网、通信网、互联网等各种网络进行汇总传输，从而将大范围内的信息加以整合，以备处理。该层设计的典型技术如Ad-Hoc(无线自组网)、Wi-Fi、GSM、TCP/IP技术等。
运营层：该层的主要任务是将经过传输层整合汇总的信息进行分析和处理，并在必要时，将各种信息按照应用途径进行分类管理，形成新的信息基础架构，为各种应用提供信息支撑平台。该层涉及的典型技术如GIS(地理信息系统)、ERP(企业资源计划),此外，还涉及到API接口，专家系统等应用模块。
应用层：利用分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。物联网的应用可以分为监控型(物流监控、污染监控等)、查询型(智能检索、远程抄表等),控制型(智能交通、智能家居、路灯监控等)、扫描型(手机钱包、高速公路不停车收费)等。应用层是物联网研究和发展的目的。
四、物联网实现关键技术
要实现上述的物联网架构，单一的技术是难以胜任的。物联网是一系列技术以及管理有机结合的产物。下面，简要介绍支撑物联网实现的几项关键技术。
（一）、RFID技术
无线射频识别技术（Radio Frequency Idenfication，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。
RFID系统至少包含电子标签和阅读器两部分。RFID阅读器（读写器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。
射频识别系统的基本模型如下图所示。其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标 签是否可以无线改写数据)。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。
电感耦合模型的读写器
电磁反向散射耦合型的RFID读写器
发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。
(1)电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定 律，如右图所示。
(2) 电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。
电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cra。
电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3—l0m。
（二）、传感技术
传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，它是现代科学技术发展的基础条件，遵循信息论和系统论原理。从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，包括传感器设计、信息处理、信息识别、遥感观测等。
网络节点作为无线传感网的主要组成，首先是一个传感器，主要实现物联网中物物、物人之间信息交换的必要部分。目前无线传感网更加关注各种信息的采集和处理，利用压缩、识别、融合和重建的方法处理采集的信息，以满足网络多元化的应用需求。
（三）、EPC系统
1999年美国Auto-ID Center 将RFID技术与Internet结合,提出了EPC(Electronic Product Code)概念。产品电子代码是物联网的主要支撑，它的载体是RFID电子标签，传递介质是互联网。电子标签、产品电子码、互联网构成了物联网的基本构想。RFID中存储的EPC,通过传感器网络识别并自动采集到中央处理系统，利用开发的计算机网络进行信息交换、处理与共享，实现物品的透明化管理。
EPC系统充分利用了RFID和网络技术的优点，很好的解决了产品的唯一标示、同时识别多个物品和“非可视化识别”问题，其最终目标是为全球的每一个物体建立全球的、开
放的标示标准。该系统由全球电子代码体系、RFID系统以及信息网络系统3部分组成，主要包括EPC编码标准，EPC电子标签，射频识别器，神经网络软件，对象名解析服务以及实体标记语言6方面。
（四）、地理信息系统(GIS) 地理信息系统(GEO-information system),是一种特定的十分重要的空间信息系统，它是在计算机软硬件支持下，对整个或局部空间中的有关地理信息分布的数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
GIS所处理和管理的对象是多种地理空间实体数据及其相互关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感数据、属性数据等，用于分析和处理一定地理区域内分布的现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。
典型的GIS系统结构如下：
物理网技术是构建“智慧地球”、“智慧城市”、“智慧物流”、“智慧能源”、“智慧电力”等基础，其技术的发挥，必须将每个传感器和动态信息进行空间定位，摆脱单点应用的限制。而地理信息系统正好为物联网技术的发展提供了所需的空间基础，还可以进行空间处理、空间分析、建模等功能，并且有利于跨行业、跨地区的数据共享及相互操作，是物联网发展的强劲动力和重要支撑。
（五）、智能技术
智能技术是为了有效的达到某种预期的目的，利用知识所采用的各种方法和手段，它是一些列技术的统称和综合应用。目前较为成熟的智能技术主要有：机器学习、数据挖掘、语言网格、知识网格、自主计算、神经计算、内容计算和专家系统等。智能技术的发展很大程度上促进了人们所处的物质世界的数字化、网络化和智能化。
物联网的重要价值之一在于它试图将世界中的物体以传感和智能的方式关联起来，因而智能技术也是物联网成功实现的关键技术之一。通过将智能系统植入物体，如嵌入式芯片等，使物体能够主动或被动的与用户进行沟通和交流，从而具备一定的智能性。
五、物联网技术的应用
物联网应用领域非常广泛，大到国际性军事反恐、区域性的城市交通，小到家庭、个人。当物联网与互联网、移动通讯网相联时，可随时随地全方位“感知”对方，人们的生活方式将从“感觉”过渡到“感知”阶段，并进一步过渡到“控制”阶段，应用前景十分广泛，正如IBM所描述的“智慧地球”理念一样：
“我们把智慧系统嵌入系统和流程当中，使服务的交付、产品开发、制造、采购和销售得以实现，使从人、资金到石油、水资源乃至电子的运动方式都更加智慧，使亿万人生活和工作方式都变得更加智慧。”
物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体的说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种设备中，然后将物联网与互联网整合起来，实现信息的共享，是物体达到智慧状态，并且使人类能够随时捕捉物体的动态信息，从而提高资源利用率、生产力水平，改善人与自然之间的关系。
（一）、车辆定位与监控
该类应用是将GIS系统与物联网技术充分结合，从而实现车辆的准确定位以及跟踪其实时的运转情况，如机器部件是否正常运转，汽车油耗程度等等。该类应用典型的系统拓扑结构如下：
系统描述：
油箱传感器安装在油箱内部采集油箱液位数据； 采集和传输设备安装在驾驶室内； 中国移动GPRS覆盖整个中国地区；
油量监控应用系统PC服务器部署在运营商IDC机房；
企业办公网络可以通过internet,通过浏览器访问油量监控系统web获得服务； 管理人员手机访问GPRS服务，无线访问油量监系统Wap服务。
（二）、无线医疗
很难想象病人无需住在拥挤的病房就能享受到同等医疗服务，然而随着物联网技术的
快速发展，它正逐渐成为现实。通过将相应的无线监测设备与人体绑定，或者人体直接带上无线设备，或者将其植入人体的某个器官，远程的医疗服务中心就能够随时捕捉到人体的生理和病例变化，既能够提高疾病的预防能力，同时还能及时追踪疾病的监控和治疗情况，得到病人的病人的及时反馈，而且大大节省了病人的看病时间和成本，医院的病房安排。
戴着“多功能手表”
（三）、智能电网
优化电力工业的结构和布局，减轻电力发展对资源和环境的依赖，是我国电力工业当前和今后一个时期必须给与高度重视的一个重要问题。物理网技术的成熟为解决这一难题提供了可行的解决方案。在当期整个电力系统的生产、储存、配送、输送和消费的各个环节，存在着生产效率低下、传输浪费严重、配送安排不合理以及消费不能及时反馈的诸多问题。智能电网则通过终端遥感器在客户之间、客户和电网公司之间形成及时链接的网络互动，实现数据的实时、高效、双向的效果，从而提高电网的综合效率。在智能电网的指导下，电力资源将在充分满足用户需求的情况下，实现合理的生产、科学合理的配送计划、以最低的成本进行电力传输；而不再是由供向需的单方向流动。
（四）、智能物流
物联网最重要的应用是现代物流领域，该领域明确提出要把物联网最为发展的重点。目前我国物流领域成本偏高，占总成本的18%-20%。物联网在物流管理中的应用目标是通过物联网的建设，形成集成化的信息平台，实现物流系统的现代化。具体来说，可利用物联网相关技术对包裹进行统一编码，嵌入EPC标签，这样在物流途中就可以实施监控，有利于及时发现物品运输过程中出现的问题；另外，通过RFID技术读取EPC编码，并将其传输到数据处理中心，可供企业和消费者实时查询，切实增强用户满意度，有效提高物流服务质量。
（五）、农业生产
物联网在农业生产上的应用同样广泛，主要体现在远程控制和实时采集方面。智能农业可以通过无线信号收发模块传输数据，实时监控大棚的温湿度、光照、土壤酸碱性、CO2浓度等影响农作物生长的重要因子，并随时进行科学处理，从而确保农产品的正常生长，提高农作物产量和质量。另外，在农作物的销售环节，可以运用成熟的物联网技术在农产品基地与消费者之间搭建网络消费平台，这样可以让消费者了解农作物的生长过程，从而在最为需要的时候购买到最为舒心的产品。
六、结语
继计算机、互联网两次浪潮之后，物联网技术定义应用和普及必将带来新一轮信息产业浪潮。事实证明，这一趋势已经不可阻挡。它不仅会带来产业的变革，还会对管理模式、人们的生活方式产生深远影响。随着物联化与智能化技术的不断提高，智慧将充斥在地球的每一个角落，我们将享受到最新的科技文明成果，并依靠这一成果科学合理的规划、指导工业生产、农业安排、医疗卫生、城市交通、能源开发、自然保护等等，我们期待这一天的早日到来，并为之而不懈努力。
参考文献：
[1] 呈
曼 王让会，《物联网技术与应用》，《物联网与地理信息系统》，2010。 [2] 甘志祥，《物联网的起源和发展背景的研究》，《现代经济信息》，2009。 [3] 百度百科，www.daodoc.com 。 [4] 《物联网周刊》，2010年03月
