学术论坛 １与应用 羲字技术 物联网关键技术 刘伟张益铭 （烟台工程职业技术学院山东烟台２６４００６） 摘要：物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展，物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点，应 用范围几乎覆盖了各行各业。本文首先介绍了物联网的概念，然后详细分析了物联网的关键技术，最后，对物联网的应用及存在的问题进行了探讨。 关键词：物联网ＲＦＩＤ传感器传感器网络 中图分类号：ＴＮ９２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－９４１６（２０１１）０６－０１７２－０２ １、概述 物联网概念１９９９年由麻省理工学院自动标识中心提出，早 期的定义很简单：把所有物品通过射频识别标签等信息传感设备 与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。它通过各种信息传 感设备，实时采集需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其 声、光、热、电等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨 大网络，实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便 识别、管理和控制。物联网是一个动态的全球网络基础设施，它 将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一道，构成未来互联 网。 ２、关键技术 根据国际电信联盟２００５年的《ＩＴＵ互联网报告２００５：物联 网》报告，目前影响全球物联网发展的主要有射频识别技术、传 感器技术、传感器网络技术、嵌入式智能技术以及纳米技术等。 ２．１射频识别（ＲＦＩＤ）技术 射频识别即ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｉｆｅａｔｉｏｎ）技术，是 一种２０世纪９０年代开始兴起的自动识别技术，其基本原理是利用 射频信号及其空间耦合和传输特性，实现对静止或移动物体的自 动识别。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。 ２．１．１基本组成 目前广泛使用的ＲＦＩＤ的基本组成部分有标签（Ｔａｇ）、阅读器 （Ｒｅａｄｅｒ）、天线（Ａｎｔｅｎｎａ）。 标签由耦合元件及芯片组成，含有内置天线，用于和射频 天线问进行通信，可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大 类。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，由射频识读器读取存储于标签中的数据。 阅读器是对ＲＦＩＤ标签进行读，写操作的设备，根据使用的结 构和技术不同可以是读或读／写装置，是ＲＦＩＤ系统的信息控制和 处理中心，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分，可设 计为手持式或固定式。在物联网中，阅读器将成为同时具有通 讯、控制和计算功能的ｃ３核心设备，呈现出智能化、小型化和集 成化趋势。 天线在标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线 通讯连接。天线的设计参数影响ＲＦＩＤ系统识别范围，高性能的天 线要求具有良好的阻抗匹配特性，应根据应用环境的特点对方向 特性、极化特性和频率特性等进行专门设计。 ２．１．２应用 ‘ＲＦＩＤ可以用来追踪和管理几乎所有物理对象，可应用于工 业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、身份认证、物流和 供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件、快运包裹 处理、文档追踪、图书馆管理动物身份标识、运动计时、门禁控 制、电子门票、道路自动收费等领域。因此，越来越多的人都在 ◎ 关心和支持这项可以有效降低成本的技术的发展与应用。至今。 射频识别技术的理论不断得到丰富和完善。 ２．２传感器与无线传感器网络 ２．２．１健感器 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检 测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的 信息输出。 传感器负责物联网信息的采集，它是实现自动检测和自动 控制的首要环节，是物联网服务和应用的基础。如果没有传感器 对被测信息进行捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实 现。随着技术的发展，传感器广泛的应用于工业生产自动化、国 防现代化、航空技术、航天技术、能源开发、环境保护与生物科 学等领域。 ２．２．２无线传感器网络 无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＳＮ）￣部署在监 测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形 成一个多跳自组织网络。无线传感器网络是一种全新的信息获取 平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信 息，并将这些信息发送到网关节点。 一个典型的传感器网络结构通常由传感器节点、接收发送器 （ｓｉｎｋ）、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或通信卫星、任务管理节点等部分构成。传感器网 络节点包括传感单元、处理单元、通信单元以及电源部分。在传 感器网络中，节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式 感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，以实现对任意地 点信息在任意时间的采集、处理和分析。传感节点之间可通过网 关完成和公用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络的连接，具有快速展开、抗毁性强等特 点，在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控 制以及商业等领域有着广阔的应用前景。 ２．３智能嵌入技术 嵌入式技术是在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的基础上产生和发展的，嵌入式系统 的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入、ｗｅｂ服务器技术以及嵌入式Ｉｎｔｅｒｎｅｔ安全技术，是 嵌入式系统Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术的关键和核心。物联网技术中所采用的各 类高灵敏度识别、专用信号代码处理等装置的研发，将进一步推 动智能嵌人技术在物联网中的应用。嵌入式系统以应用为中心， 将软件固化集成到硬件系统中，一般由嵌入式微处理器、外围硬 件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等部分组成。２ｌ世 纪后，各种家用电器如电冰箱、自动洗衣机、数字点电视机、数 码相机等广泛应用这种技术。 目前嵌入式技术面临以下挑战：多媒体的信息处理、日益增 长的功能密度及灵活的网络联接。为了支持应用软件的特定编程 模式，系统要相应的浏览器，￣ＩＨＴＭＬ、ＷＭＩ等。为适应嵌入式 分布处理结构，嵌入式系统要求配备标准的网络通信接口。除此 之外，新一代嵌入式设备还需具备ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、或Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ 通信接口。 ２．４纳米技术 纳米技术是能操作细小到Ｏ．１～ｌＯＯｎｍ￣的一类新发展的高 技术。它以多种先进科技为基础，是现代科学（混沌物理、量子 力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电 子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。 纳米技术主要包括：纳米级测量技术、纳米级表层物理力学 性能的检测技术、纳米级加工技术、纳米粒子的制备技术、纳米 ・・・・・・上接第仃１页 材料、纳米生物学技术和纳米组装技术等。目前，纳米技术在物 多谐振荡器是一种无稳态电路，它有两个暂稳态。 联网技术中的应用主要体现在ＲＦＩＤ设备、感应器设备的微小化设 只要接通电源，无需外加触发信号，多谐振荡器便能自 计、加工材料和微纳米加工技术上。使用纳米传感器技术能探测 动输出一定频率和脉宽的矩形脉冲。由于矩形脉冲波含有丰富 到物体的物理状态，这优势意味着物联网中体积越来越小的物体能 ［３］沈苏彬，范曲立，宗平等．物联网的体系结构与相关技术研究［Ｊ］．南京邮 电大学学报，２０Ｏ ２９（６）：卜１１． 够进行交互和连接。纳米技术的发展，为传感器提供了优良的敏 感材料，例如纳米粒子、纳米管、纳米线等。与传统的传感器相 比，纳米传感器尺寸减小、精度高，性能得到改善。更重要的是 站在原子尺度上利用纳米技术制作传感器，可极大地丰富传感器 的理论，推动传感器的制作水平提高，拓宽传感器的应用领域。 ３、物联网的应用及问题 ３．１应用 物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、 公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、水系监 测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。物联网把新一 代ＩＴ技术充分运用在各行各业之中，把感应器嵌入电网、铁路、 桥梁、隧道等物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起 来，实现人类社会与物理系统的整合，能够对整合网络内的人 员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。 ３．２问题 ３．２．１安全问题 在物联网中，传感网的建设要求将标签预先嵌入与人相关的 物品中，因此，如何确保枥；签物的拥有者隐私不受侵犯便成为射 频识别技术以至物联网推广的关键问题。如果中国大型企业、政 府机构与国外机构进行项目合作，如何确保企业商业信息，国家 机密等不会泄露也至关重要。所以说在这一点上，物联网的发展 不仅仅是一个技术问题，更有可能涉及到政治法律和国家安全问 题。 ３，２．２使用成本 物联网产业需要将物与物连接起来并且进行更好的控制管 理，其中的ＲＦＩＤ实施成本较高。目前在国内，ｌ＿Ｊ张ＲＦＩＤ标签一 般都在ｌ元以上，高成本使得ＲＦＩＤ的投资回报具有很大风险，所 ｈ 以在成本尚未降至能普及的前提下，物联网的发展将受到限制。 ３．２．３行业标准尚未统一 尽管ＲＦＩＤ起源很早，但目前还没有形成全球统一的技术标 准。物联网发展过程中，传感、传输、应用各个层面会有大量的 技术出现，可能会采用不同的技术方案。如果各行其是，相互无 法联网，不能形成规模经济，不能形成整合的商业模式，也不能 降低研发成本。因此，尽快统一技术标准，形成一个管理机制， 这是物联网马上就要面对问题。 ４、结语 上述仅提及了物联网发展需要解决的几个核心问题，虽然物 联网的概念已经引起国家的重视，但其发展之路仍然十分漫长。 参考文献 ［１］孙利民，李建中，陈渝等．无线传感器网络［Ｈ］．北京：清华大学出版 社，２００ ５Ｊ ［２］马华东，陶丹．多媒体传感器网络及其研究进展［Ｊ］．软件学 报，２Ｏ０６１７（９）：２０１３＿２０２８． 的多次谐波，所以习惯上把矩形波振荡器又称为多谐振荡器。 图２ 利用ＥＷＢ软件得到的５５５定时器构成的多谐振荡器如图１所 示，仿真得到的波形如图２所示。图１所示的电路是５５５定时器常 用的振荡器连接方法。图中Ｒ。，ｌＩ Ｒ：，Ｃ为外接定时元件。与５５５单稳 态触发器相比不同的是，外触发端 ￣ＪＩＴＨ连接在一起，取电容 电压为信号，ＲＣＭ路再接入电阻尼。接通电源后不需外加触发信 号，在输出端能得到矩形波。 ４、结语 由以上讨论可以看出ＥＷＢ应用于数字电路教学中十分方便， 无论在组合逻辑电路，时序逻辑电路还是脉冲电路中都可以进行 仿真实验。实验过程非常接近实际操作的效果，各元器件选择范 围广，参数修改方便，不会象实际操作那样多次地把元件焊下而 损坏器件和印刷电路板，电路调试变得快捷方便。｛￣ＥＷＢ毕竟是 一个仿真系统，不能完全代替实训操作，比如元件的插接工艺、 焊点的质量、电烙铁的使用等方面的技能在ＥＷＢ仿真系统中则无 法学习，必须经过反复的实践训练才能提高。 参考文献 ［１］余孟尝．数字电子技术基础简明教程．高等教育出版社，２００３ ［２］蒋卓勤，邓玉元．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ２００１及其在电子设计中的应用．西安电子科技 大学出版社，２００３．
