通信工程專業(yè)研究方法論

1、 通信工程專業(yè)研究方法論物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)及應(yīng)用夫英雄者，胸懷大志，富有良謀，有包藏宇宙之機，吞吐天地之志者也。 姓名： 學(xué)號： 手機： 班級： 老師： 物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)及應(yīng)用摘要：過去10年間，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和應(yīng)用取得巨大的突破，近些年隨著全球信息技術(shù)革命的深入和3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，更是引起了國內(nèi)學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和新聞媒體的高度重視?！拔锫?lián)網(wǎng)”被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。美國權(quán)威咨詢機構(gòu)FORRESTER預(yù)測：到2020年，世界上物物互聯(lián)的業(yè)務(wù)，跟人與人通信的業(yè)務(wù)相比，將達(dá)到30比，因此，“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為是下一個萬億級的通信業(yè)務(wù)。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)

2、的概念定義、架構(gòu)以及所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并舉例描述了物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)、無線射頻技術(shù)、傳感器技術(shù)、云計算、智能1 引言 物聯(lián)網(wǎng)的概念是1999年由麻神理工學(xué)院的Auto-ID實驗室提出的，它的定義是：利用二維碼、射頻識別、各類傳感器等技術(shù)和設(shè)備，使物體與互聯(lián)網(wǎng)等各類網(wǎng)絡(luò)相連，獲取無處不在的現(xiàn)實世界的信息，實現(xiàn)物與物、物與人之間的信息交互，支持智能的信息化應(yīng)用，實現(xiàn)信息基礎(chǔ)設(shè)施與物理基礎(chǔ)設(shè)施的全面融合，最終形成統(tǒng)一的智能基礎(chǔ)設(shè)施。從本質(zhì)上看，物聯(lián)網(wǎng)是架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)上的一種聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和通信的能力。物聯(lián)網(wǎng)把新一代IT技術(shù)充分運用到各行各業(yè)中，具體的說，就是把傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、

3、隧道、公路、建筑、大壩、供水系統(tǒng)、油氣管道等各類物體中，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合，在這個整合的網(wǎng)絡(luò)中，存在能力超級強大地中心計算機群，能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實時的管理和控制，在此基礎(chǔ)上，人類可以以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然的關(guān)系。毫無疑問，如果“物聯(lián)網(wǎng)”時代來臨，那么人們的日常生活將發(fā)生翻天覆地的變化。2 物聯(lián)網(wǎng)及其架構(gòu)2005年11月，國際電信聯(lián)盟ITU發(fā)布了國際電信聯(lián)盟互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)報告，ITU指出：人類正處在一個通信新時代的邊緣，信息與通信技術(shù)

4、（ICT）的目標(biāo)已經(jīng)從滿足人與人之間的溝通，發(fā)展到人與物、物與物之間的鏈接，無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時代即將來臨。我聯(lián)網(wǎng)使我們在信息與現(xiàn)實的世界里獲得一個全新的溝通維度，將任何時間、任何地點、連接任何人，擴展到連接任何物品，萬物的連接形成了物聯(lián)網(wǎng)。簡單說：物聯(lián)網(wǎng)就是把任何物品通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，實現(xiàn)物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)大致被公認(rèn)為有三個層次，底層是用來感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，最上面則是內(nèi)容應(yīng)用層。如下圖所示：【具體應(yīng)用】智能家居 智能交通 智能電網(wǎng) 智能物流 智能醫(yī)療 智能農(nóng)業(yè) 工業(yè)監(jiān)控 城市管理 環(huán)境檢測【數(shù)

5、據(jù)分析處理】云計算、數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用 層 【廣域網(wǎng)通訊】PSTN、2G/3G移動網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)絡(luò)、專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層 【短距離無線網(wǎng)絡(luò)】紅外、藍(lán)牙、WiFi、Zigbee、其他無線【數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行控制】各類傳感器、RFID、條碼、攝像頭動作執(zhí)行部件感知 層 圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系基本結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用層應(yīng)用層完成物品信息的匯總、協(xié)同、共享、互通、分析、決策等功能，相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的控制層、決策層。物聯(lián)網(wǎng)的根本還是為人服務(wù)，應(yīng)用層完成物品與人的最終交互，前面兩層將物品的信息大范圍地收集起來，匯總在應(yīng)用層進(jìn)行統(tǒng)一分析、決策，用于支撐跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之問的信息協(xié)同、共享、互通，提高信息的綜合利用度，最大程度地為人類服

6、務(wù)。其具體的應(yīng)用服務(wù)又回歸到前面提到的各個行業(yè)應(yīng)用，如智能交通、智能醫(yī)療、智能家居、智能物流、智能電力等。 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層完成大范圍的信息溝通，主要借助于已有的廣域網(wǎng)通信系統(tǒng)(如PSTN網(wǎng)絡(luò)、2G/3G移動網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等)，把感知層感知到的信息快速、可靠、安全地傳送到地球的各個地方，使物品能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍的通信，以實現(xiàn)在地球范圍內(nèi)的通信。這相當(dāng)于人借助火車、飛機等公眾交通系統(tǒng)在地球范圍內(nèi)的交流。當(dāng)然，現(xiàn)有的公眾網(wǎng)絡(luò)是針對人的應(yīng)用而設(shè)計的，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展之后，能否完全滿足物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的要求還有待驗證。即便如此，在物聯(lián)網(wǎng)的初期，借助已有公眾網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣域網(wǎng)通信也是必然的選擇，如同上世紀(jì)90

7、年代中期在ADSL與小區(qū)寬帶發(fā)展起來之前，用電話線進(jìn)行撥號上網(wǎng)一樣，它也發(fā)揮了巨大的作用，完成了其應(yīng)有的階段性歷史任務(wù)。 感知層感知層是讓物品說話的先決條件，主要用于采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)，包括各類物理量、身份標(biāo)識、位置信息、音頻、視頻數(shù)據(jù)等。物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集涉及傳感器、RFID、多媒體信息采集、二維碼和實時定位等技術(shù)。感知層又分為數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行、短距離無線通信2個部分。數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行主要是運用智能傳感器技術(shù)、身份識別以及其他信息采集技術(shù)，對物品進(jìn)行基礎(chǔ)信息采集，同時接收上層網(wǎng)絡(luò)送來的控制信息，完成相應(yīng)執(zhí)行動作。這相當(dāng)于給物品賦予了嘴巴、耳朵和手，既能向網(wǎng)絡(luò)表達(dá)自己的各種信息，又能

8、接收網(wǎng)絡(luò)的控制命令，完成相應(yīng)動作。短距離無線通信能完成小范圍內(nèi)的多個物品的信息集中與互通功能，相當(dāng)于物品的腳。3 物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)3.1 RFID（射頻識別技術(shù)）射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，縮寫RFID），是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新興的自動識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、讀寫器、應(yīng)用接口等硬件設(shè)備與中間件軟件、傳輸網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)應(yīng)用、管理系統(tǒng)等構(gòu)成。電子標(biāo)簽是一個內(nèi)部保存數(shù)據(jù)的無線收發(fā)裝置，負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器。讀寫器是

9、一個捕捉和處理標(biāo)簽數(shù)據(jù)的裝置，同時還負(fù)責(zé)與后臺處理系統(tǒng)接口。軟件包括RFID系統(tǒng)軟件、RFID中間件、后臺應(yīng)用程序。RFID系統(tǒng)軟件是在標(biāo)簽和讀寫器之間進(jìn)行通信所必須的功能集合。RFID中間件是在讀寫器和后臺處理系統(tǒng)之間運行的一組軟件，它將標(biāo)簽和讀寫器上運行的RFID系統(tǒng)軟件和在后臺處理系統(tǒng)上運行的應(yīng)用軟件聯(lián)系起來。后臺應(yīng)用程序接收后由標(biāo)簽發(fā)出，經(jīng)過讀寫器和RFID中間件處理過濾后的標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)。這樣的RFID系統(tǒng)可以實時自動地對物體進(jìn)行識別、定位、監(jiān)控、追蹤。32 無線傳感網(wǎng)技術(shù)無線傳感網(wǎng)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié) 點構(gòu)成的多個、自組織的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通常被用來監(jiān)測 在不同地點的物理

10、或者環(huán)境參量，如光、溫度、濕度、聲音、振動、壓力、運動或者污染等。它主要是通過各節(jié)點相互協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域 的監(jiān)測信息，并發(fā)布給觀察者。物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展依賴于終端的大規(guī)模、大范圍的部署，而物聯(lián)網(wǎng)終端的多形態(tài)和泛在化既是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的特點，也是其面臨的重點和難點；具體研究對象為傳感器、傳感器適配器、傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)等。而在未來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的拓?fù)淇刂啤⒍ㄎ患夹g(shù)、時間同步、數(shù)據(jù)融合處 理技術(shù)以及終端設(shè)備的能量獲取和存儲技術(shù)、設(shè)備小型化/低成本/低功耗等問題將引領(lǐng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的熱點研究。3.3 中間件技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)的理念是要實現(xiàn)任何時間、任何地點及任何物體的連接，這個特點就決定了屏

11、蔽底層硬件的多樣性和復(fù)雜性以及上層信息交換的復(fù)雜應(yīng)用性。中間件為底層與上層之間的數(shù)據(jù)傳遞提供了很好的交互平臺，實現(xiàn)各類信息資源之間的關(guān)聯(lián)、整合、協(xié)同、互動、按需服務(wù)等。所以現(xiàn)在中間件的研究熱點集中在基于遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用管理方式；支持多種傳感設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)采集和處理功能，從而降低應(yīng)用與硬件的耦合性；具備符合多種應(yīng)用通用需求的API集合；具有跨平臺的靈活性移植。3.4 云計算技術(shù) 隨著互聯(lián)網(wǎng)時代信息與數(shù)據(jù)的快速增長，有大規(guī)模、海量的數(shù)據(jù)需要處理。當(dāng)數(shù)據(jù)計算量超出自身IT架構(gòu)的計算能力時，一般是通過加大系統(tǒng)硬件投入來實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展性。另外，由于傳統(tǒng)并行編程模型應(yīng)用的局限性，客觀上還需要一種易學(xué)習(xí)、

12、使用、部署的并行編程框架來處理海量數(shù)據(jù)。為了節(jié)省成本和實現(xiàn)系統(tǒng)的可擴放性，云計算的概念因此應(yīng)運而生 。 云計算最基本的概念是通過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計算處理程序自動分拆成無數(shù)個較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)處理。通過云計算技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在數(shù)秒之內(nèi)，處理數(shù)以千萬計甚至億計的信息，提供與超級計算機同樣強大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。云計算作為一種能夠滿足海量數(shù)據(jù)處理需求的計算模型，將成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石。之所以說云計算是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石，一是因為云計算具有超強的數(shù)據(jù)處理和存儲能力，二是因物聯(lián)網(wǎng)無處不在的信息采集活動，需要大范圍的支撐平臺以滿足其大規(guī)模的需求。 實現(xiàn)云計算的關(guān)鍵技術(shù)是虛擬化技術(shù)

13、。通過虛擬化技術(shù)，單個服務(wù)器可以支持多個虛擬機運行多個操作系統(tǒng)，從而提高服務(wù)器的利用率。虛擬機技術(shù)的核心是 Hypervisor(虛擬機監(jiān)控程序)。Hypervisor 在虛擬機和底層硬件之間建立一個抽象層，它可以攔截操作系統(tǒng)對硬件的調(diào)用，為駐留在其上的操作系統(tǒng)提供虛擬的CPU和內(nèi)存。 實現(xiàn)云計算系統(tǒng)目前還面臨著諸多挑戰(zhàn)，現(xiàn)有云計算系統(tǒng)的部署相對分散，各自內(nèi)部能夠?qū)崿F(xiàn) VM 的自動分配、管理和容錯等，云計算系統(tǒng)之間的交互還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于云計算系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作還存在一系列亟待解決的問題，需要更進(jìn)一步的深入研究。然而，云計算一經(jīng)提出便受到了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。3.5 信息安全技術(shù) 由于

14、物聯(lián)網(wǎng)終端感知網(wǎng)絡(luò)的私有特性，因此安全也是一個必須面對的問題。物聯(lián)網(wǎng)中的傳感節(jié)點通常需要部署在無人值守、不可控制的環(huán)境中，除了受到一般無線網(wǎng)絡(luò)所面臨的信息泄露、信息篡改、重放攻擊、拒絕服務(wù)等多種威脅外，還面臨傳感節(jié)點容易被攻擊者獲取，通過物理手段獲取存儲在節(jié)點中的所有信息，從而侵入網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)的威脅。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的信息安全主要有兩類：一是來自于物聯(lián)網(wǎng)本身安全隱患；二是源于構(gòu)建和實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層功能的相關(guān)技術(shù)的安全弱點和協(xié)議缺陷。網(wǎng)絡(luò)層存在的問題是業(yè)務(wù)流量模型、空中接口和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)安全問題。地址空間短缺的解決方法是采用IPV6技術(shù)，用128位的地址長度并采納IPSee協(xié)議，在IP層上對數(shù)據(jù)包進(jìn)行

15、高強度的安全處理，提供數(shù)據(jù)源地址驗證、無連接數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)機密性、抗重播和有限業(yè)務(wù)流加密等安全服務(wù)，增強了網(wǎng)絡(luò)的安全性。目前采用IPv6和IPv4雙協(xié)議棧模式。3.6 數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)是由大量傳感網(wǎng)節(jié)點構(gòu)成的，在信息感知的過程中，采用各個節(jié)點單獨傳輸數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點的方法是不可行的。因為網(wǎng)絡(luò)存在大量冗余信息，會浪費大量的通信帶寬和寶 貴的能量資源。此外，還會降低信息的收集效率，影響信息采集的及時性，所以需要采用數(shù)據(jù)融合與智能技術(shù)進(jìn)行處理。 3.6.1 分布式數(shù)據(jù)融合 所謂數(shù)據(jù)融合是指將多種數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出高效且符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。在傳感網(wǎng)應(yīng)用中，多數(shù)情況只關(guān)心監(jiān)測結(jié)果

16、，并不需要收集大量原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)融合是處理該類問題的有效手段。例如，借助數(shù)據(jù)稀疏性理論在圖像處理中的應(yīng)用，可將其引入傳感網(wǎng)用于數(shù)據(jù)壓縮，以改善數(shù)據(jù)融合效果。 分布式數(shù)據(jù)融合技術(shù)需要人工智能理論的支撐，包括智能信息獲取的形式化方法、海量信息處理的理論和方法、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下信息的開發(fā)與利用方法，以及計算機基礎(chǔ)理論。同時，還需掌握智能信號處理技術(shù)，如信息特征識別和數(shù)據(jù)融合、物理信號處理與識別等。 3.6.2 海量信息智能分析與控制 海量信息智能分析與控制是指依托先進(jìn)的軟件工程技術(shù)，對物聯(lián)網(wǎng)的各種信息進(jìn)行海量存儲與快速處理，并將處理結(jié)果實時反饋給物聯(lián)網(wǎng)的各種控制部件。智能技術(shù)是為了有效 地達(dá)到某種預(yù)期的目

17、的，利用知識分析后所采用的各種方法和手段。通過在物體中植入智能系統(tǒng)，可以使得物體具備一定的智能性，能夠主動或被動的實現(xiàn)與用戶的溝通，這也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能分析與控制技術(shù)主要包括人工智能理論、先進(jìn)的人-機交互技術(shù)、智能控制技術(shù)與系統(tǒng)等。物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)是給物體賦予智能，以實現(xiàn)人與物體的交互對話，甚至實現(xiàn)物體與物體之間的交互或?qū)υ?。為了實現(xiàn)這樣的智能性，例如，控制智能服務(wù)機器人完成既定任務(wù)包括運動軌跡控制、準(zhǔn)確的定位及目標(biāo)跟蹤等，需要智能化的控制技術(shù)與系統(tǒng)。4 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用4.1 智能電力 長期以來靠人的自覺性節(jié)能，不能根據(jù)實際需求的量度，有針對性地進(jìn)行能源供應(yīng)；而且還要靠人的積極性進(jìn)行需求

18、的管理。 而在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代，使人們在生活質(zhì)量不受影響甚至更舒適的情況下，靠信息技術(shù)進(jìn)步將能源節(jié)約下來。將需求管理融入到每一個電器產(chǎn)品設(shè)計上和系統(tǒng)的構(gòu)建上，并是終端與電網(wǎng)及分布式能源進(jìn)行響應(yīng)和交流，在互聯(lián)網(wǎng)是的分布式能源系統(tǒng)構(gòu)筑的智能電網(wǎng)中，用戶可以通過調(diào)節(jié)用電秩序，關(guān)閉或啟動燃?xì)?、小水電等靈活機組，控制需求和蓄電設(shè)備調(diào)節(jié)等多樣化手段，解決分布式可再生能源的自由接入。4.2 智能家居家是每個人活動的主要場所，所以智能家居將是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)最廣泛的地方。當(dāng)前家居只存在一些簡單的智能應(yīng)用，例如電燈的自動開關(guān)，電暖氣的溫度自動調(diào)節(jié)等。在未來，各種家庭設(shè)備將通過智能家庭網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)自動化，用戶可

19、以通過電信寬帶、固話和3G無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和控制；像空調(diào)、照明燈等設(shè)備會自動感知學(xué)習(xí)主人生活習(xí)慣，自動調(diào)節(jié)室溫、光線的明暗，減少能源浪費智能家居將為人們提供舒適宜人且高品味的家庭生活空間，實現(xiàn)更智能的家庭安防系統(tǒng)并提供全方位的信息交互功能。4.3 智能城管 長期以來靠城管人員巡查公共設(shè)施損失、違章攤位查處等，不能有規(guī)律的智能獲取公共設(shè)施狀態(tài)，無法智能管理、調(diào)配資源；如果利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，各種傳感器設(shè)備就能及時檢測公共設(shè)施狀態(tài)、故障發(fā)生時間和地點等數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)對城市管理問題的精確定位，現(xiàn)場問題的實時發(fā)現(xiàn)、實時報送、及時解決。如此一來，就能增加城管執(zhí)法的快速、高效、可靠性。譬如說當(dāng)某物品被取走，監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)遺失指令給后臺，后臺將物品的位置信息和遺失情況返回給前臺，這樣就會減少偷竊犯罪率。4.4 智能物流基于RFID、全球定位系統(tǒng)（GPS）的智能配送可視化管理網(wǎng)絡(luò)、全自動的物流配送中心以及基于智能配貨的物流網(wǎng)絡(luò)化公共信息平臺是物聯(lián)網(wǎng)在物流業(yè)中主要應(yīng)用。分析和模擬軟件可以優(yōu)化從原材料至成品的整個供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)，幫助企業(yè)