2物联网的相关理论及技术
2.1物联网概述
2.1.1物联网的产生与发展
物联网的使用最早可向前追溯至1990年。美国施乐公司发明了第一台网络上用于贩卖可乐的贩售机Networked Coke Machine并正式投入了使用，这标示着物联网由理论正式投入实践。
1991年,美国麻省理工学院的教授Kevin Ash-ton第一次提出了 “物联网”的相关概念㈣。
1995年,微软前董事长Bill Gate在其所着的《未来之路》这一书中再一次对“物联网”这一概念进行了阐述。但由于当时互联网还没有广泛使用,无线网络并不完善,硬件、传感器等设施也尚未完全发展起来,因此并没有引起人们的广泛关注和重视[34]。
1999年,在美国召开的移动计算和网络国际会议中,人们将"传感网”这一技术称之为“21世纪人类所面临的重要发展机遇”并对其进行了较为详尽的解释。
2003年,美国麻省理工学院所主办的《技术评论》杂志中将传感网络技术称之为“未来改变人们生活的十大技术之首”再一次着重提出[33-34]。
2005年,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,报告中正式提出了 “物联网”这一概念。自此物联网的定义和范围发生了很大的变化,覆盖范围也有了极大的扩展。从此之后所谓的物联网不再局限于RFID技术方面,其连接扩展到了人与物和物与物的沟通。
奥巴马在就任美国总统之后也一直对物联网的发展极其关注。2009年,他召集美国工商业的领袖举行了一次“圆桌会议”,作为会上仅有的两名代表之一,IBM首席执行官彭明盛首次提出了所谓的“智慧地球”这一概念。彭明盛建议新政府大力投资包括RFID在内的新一代智慧型基础设施,从而促进物联网的发展。
同年,美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。物联网从此作为了公认的促进科技发展、寻找经济新的增长点的有效途径而存在,得到了社会各界的高度重视。
2.1.2物联网的定义
所谓的物联网(The Internet of Things)又被称之为传感网。顾名思义,物联网即是“实现物物相连的互联网络”,是在计算机互联网的基础上利用射频识别(RFID)技术、无线通信技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描仪等信息传感设备,按照约定的协议将互联网与任何物品连接起来,彼此之间进行信息交换和通讯,从而实现智能化识别、定位、跟踪、监测、管理等功效的一种网络物联网的定义包含了两层内涵:其一,物联网是在互联网的基础上的延伸和扩展,其核心和基础仍然是传统的互联网;其二,物联网的用户端已经延伸和扩展到了现实中存在的物品,使物品之间能够彼此进行信息交换和通信。物联网将新一代的IT技术与各行业结合起来,具体来说,就是将感应器嵌入到各个物体之中,从而将物联网与现有的互联网整合在一起,最终实现人类社会与系统的整。
2.1.3物联网对于现代化农业的意义
物联网技术在农业方面的应用具有十分广阔的前景,它能够显着推动农业信息化的发展。因而想要从根本上改变传统农业粗放的生产方式,就必须依托以物联网为代表的智能化技术。
物联网除了能够通过各种无所不在的传感器和无线传输设备对农田信息进行传输,实现农民和农产品的相互连接,还可以通过RFID等技术对农产品进行科学的运输和存储,对农产品信息进行监控溯源,保障食品安全。除此之外还能够通过物联网技术建立起土壤墒情分析、自然灾害预警等模型,从而实现信息共享,方便管理者随时随地地对农业进行监督控制,促进农业的自动化和信息化。
物联网技术能够显着地提升农业管理水平。物联网技术能够广泛地应用于农业生产的各个环节当中,在对农作物的生长环境进行分析的同时及时有效地对农业信息进行釆集和远程发送,能够最大可能地提升农作物产量,降低成本,提升品质,同时及时地对动植物病虫害等情况作出反应。
物联网技术可以最大限度地保证农产品安全。将物联网技术广泛应用于农产品的流通领域,集成使用电子标签、条形码、传感器等技术,建立起基于物联网的农产品质量跟踪、溯源系统,对农作物进行全过程的网络化、智能化管理,对从生产到运送直到销售的全过程进行监控,从而保证农产品的信息能够直接追溯至源头,最终安全放心地被人们使用[27]。
2.2物联网的体系架构
物联网的体系架构主要可分为三层:感知层、网络层和应用层。
所谓的感知层可以比喻成物联网的五官和皮肤——其主要由各种传感器以及传感器网关构成,主要负责的任务是对物体进行识别、采集各种信息并进行智能化的辨识,与人体结构中皮肤和五官的功能十分相似。物联网的感知层解决的问题主要集中在数据获取这一方面,其所获取的包括了物理世界和人类世界中广泛的数据。感知层位于物联网三层架构的最低层,作为物联网发展和应用的基础而存在。感知层具有十分重要的作用,一般来说,感知层包括了数据釆集和数据短距离传输这两方面的功能,即首先通过传感器、扫描仪、摄像头等设备对外部世界的数据进行广泛的采集,然后通过红外、蓝牙、WIFI等短距离的有线或无线传输技术将数据就地处理或者传送到网关设备。
网络层可以比喻成物联网的中枢大脑,其主要的功能是信息的传递与处理。
信息处理的平台包括了各种私有网络、互联网、网络管理中心、信息处理中心和计算机平台等M。网络层主要负责将感知层所获取到的数据进行相对而言较长距离的传输。但不可不说的是,现有网络在很多方面并不能满足物联网的需求,仍然需要长时间的发展和不断的融合扩展。
应用层的任务是实现信息的处理和决策、将获取到的信息进行更好的利用。
应用层是物联网与各行业的深入结合。具体来说,应用层能够将网络层传输而来的信息进行深入的分析和处理,并且通过各种设备与用户进行交互——这一层也可以按照其形态分为应用程序层和终端设备层两个子层。应用程序层负责数据的处理,使获取而来的信息跨行业、跨系统得到最充分的使用。而终端设备层则负责人机的交互以及与应用程序相连的设备对人的反馈。最终实现物联网的智能应用。物联网的主要原理和结构如图2.1、图2.2所示。
2.3物联网技术
目前所知的物联网技术主要可归纳为信息感知、信息通讯、信息处理、信息安全四个方面。
2.3.1信息感知技术
就目前来说,物联网的感知技术主要包括了传感器技术、RFID技术、坐标定位技术等[26]。
(1)传感器技术
传感器是构成物联网的基础单元,在物联网中作为感知的耳目而存在,除了负责获取相关信息之外还能够对当前的状态进行识别,当状态发生变化时也能够作出实时有效的反应并对其他单元发出信号。传感器在国家标准GB7665-87中被定义为“按照一定的规律感受规定的被测量,转换成可用信号的器件或装置,通常由转换元件和敏感元件组成。”即是说传感器作为一种感受信息的感测设备存在,并且能够将监测而来的信息按照一定规律进行变换,最终转化成为电子信号或者其他能够满足传输、处理、存储、显示、记录、控制要求的信息并且对信息进行输出[28]。传感器在发展经济、推动社会进步方面具有极其重要的作用,其特点有数字化、智能化、微缩化、多功能化、系统化、网络化等。因为有了传感器的存在,人们才能够广泛获取自然和生产领域中的信息,为物联网的广泛使用和发展提供了依据。
(2)RFID技术
RFID (Radio Frequency Identification)即射频识别,在社会生活中一般以电子标签、电子晶片、电子条码、感应卡、非接触卡等形式存在@3()]。通常来说,一套完整的RFID系统是由阅读器和应答器两部分组成——阅读器负责将特定频率的无线电波发送至应答器,而应答器则在其驱动之下将内部的ID码回馈至阅读器。在当前,RFID因其安全性高、无法复制的特点己广泛应用于防盗器、停车场、自动化生产线、门禁管制、超市等地点。
(3)坐标定位技术
在目前,坐标定位技术主要以卫星空间定位的形式存在,作为一种全新的现代定位方法,坐标定位技术与GPS卫星定位、现代通信技术相结合,使测绘技术、导航技术等均有了革命性的突破,并以其高精确度、高判断力、高动态性的特点广泛应用于社会生活的各个方面。
2.3.2信息通讯技术。
物联网的信息通讯技术主要包括了各种有线和无线的信息传输技术、交换技术、组网技术、光纤通信技术等。其以高可靠性、高安全性的特性,通过广泛的互联功能对各种信息进行传输。
(1)无线传输技术
在目前,无线传输技术主要分为了无线移动传输和无线局域网传输两类。两者的区别主要体现在传输的媒介之上——无线移动传输是利用电信局所提供的电话线、卫星等公共服务渠道为用户提供信息传输的功能,而无线局域网传输则大多是利用自主建设的发射器和接收器进行信号的传输。也正因二者的区别无线传输技术的发展也对应地分为两条主线:从1G、2G向3G、4G发展的蜂窝通信以及包括了无线肩域网(WLAN)、无线个人局域网(WPAN)、蓝牙(Bluetooth)、无线城域网(WIMAX)、RFID等技术的发展。并且至始至终地向着高效、便捷、移动的方向前进。
(2)交换技术
物联网的交换技术与普遍意义上的交换技术有所不同。物联网的交换技术在目前来说主要指代的是面临下一代网络(Next Generation Network,又称为次世代网络,NGN)的软交换技术[31]。软件换技术以其实时性的特点为WGN提供连接控制和业务呼叫控制功能,具有实时性、快捷性的特点。软交换作为NGN网络的核心技术,其独立于传送网络,具备资源分配、呼叫控制、协议处理、认证、计费、路由等功能,能够向用户提供现有交换机所能够提供的所有业务,对第三方提供可编程的能力,还能够封装网络资源,使其与应用层相连接,从而提供新的业务t26]。软交换技术有三个要素:业务生成接口、设备接入能力、运行支持系统。它作为一种针对与传统的通信业务和新型多媒体业务相关的网络和业务问题的解决手段,能够显着减少资本和运营的投入,提高收入组网技术。
互联网的组网技术主要可以分为以太网组网技术和ATM局域网组网技术两种——而物联网作为互联网一定程度上的扩展和延伸,也同样可以用以上两种组网技术来归纳。以太网作为国内外目前应用最为广泛的网络,其组网较为灵活和简便,能够使用多种物理介质,使用不同的拓扑结构。按其速率可以分为标准以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbit/s)和10G (10Gbit/s)以太网等,其统一采用IEEE802.3标准,以典型的总线型结构存在,采用同轴缆、双绞线和光纤等作为传输介质,连接十分简单。经常采用的拓扑结构主要有总线型和星型两种[26]。
ATM局域网组网技术是以ATM交换机为中心连接计算机所构成的局域网络,其将分组交换与电路交换的优点相结合,能够适应任何传输速度、介质、传送技术。但因为其协议较为复杂、设备相对昂贵,所以建网成本也较高,难以推广。
(4)光纤通信技术
光纤通信技术在现代信息通信上起着极为重要的作用,它的发展经历了短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤三个形态。光纤通信的原理如下:在发送端将需要传送的信息(如声音、文字等)转变为电信号,然后将其调制到激光器所发出的激光束之上,并使光的强度与电信号的幅度相对应,最终将其并通过光纤传送出去;相反在接收端检测器则负责将接收而来的光信号转变为电信号,经过解调后还原为原本的信息。随着信息技术传输速度的提升,光纤技术的作用日益重要。光纤技术最大限度上地满足了数据传输高效、准确、实时的要求。迄今为止已在社会生活的各个方面被广泛使用,为物联网所需求的高性能网络环境奠定了基础P4]。
2.3.3信息处理技术
信息处理技术是物联网重要的组成部分,为了确保物联网在各个领域可靠运行,必须对在其间传输的信息进行及时有效的处理。信息处理技术主要包括中间件、数据挖掘与系统分析技术、数据处理、智能技术等[26]。
(1)中间件
所谓的中间件(Middleware)即是一种独立的系统软件或应用程序,它主要负责提供系统软件和应用软件之间的连接,包括了一组服务,能够使运行在一台或多台机器上的多个软件通过网络进行交互。顾名思义,中间件处于操作系统软件与用户的应用软件二者之间,为处于上层的应用软件提供开发和运行的环境[341。作为基于分布式处理的软件,中间件具有网络通信的功能。中间件在现代信息技术中应用十分广泛,许多具有不同接口的应用服务器正因为中间件的存在才能够无阻碍地交换信息。
(2)数据挖掘
所谓的数据挖掘(Data mining)通常是指从大量的数据中通过各种算法搜索寻找隐藏于其间的信息的过程。作为一个代表性的概念,数据挖掘也可看作是一系列物联网分析和应用技术的统称。包括了数据挖掘和数据仓库(DataWarehousing)商业智能(Business Intelligence)、决策支持(Decision Support)、报表(Reporting)、ETL (数据抽取、转换和清洗等)、Dashboard、OLAP在线数据分析平衡计分卡(Balanced Scoreboard)等技术和应用。而物联网的数据挖掘则主要指的是以RFID信息数据为主要研究对象,利用数据挖掘技术分析发现物联网所连接的各种物品潜在的有价值信息。
(3)数据处理
物联网上的数据浩如烟海,因此对海量数据的处理对数据分析和挖掘的作用也愈发重要。要想从大量的数据中提取出有价值的信息,达到准确、高效的要求,就必须对数据库进行合理优化,对数据进行及时有效的分批处理,优化数据库查询语句[34],建立广泛的标签和索引,建立数据仓库。争取降低出错几率,对冗杂的数据进行合理的拣选和淘汰,提高数据处理的效率。
(4)智能技术
目前人们所研究的智能技术主要包括了人工智能理论方面的研究、人机交互技术、智能控制技术、智能信号处理技术四种,这些技术均和物联网的发展息息相关。广义上的智能技术将虚拟现实技术、多媒体技术、信息融合技术等物联网广泛使用的技术尽数囊括在内,贯穿了整个物联网的发展进程。
2.3.4信息安全技术
要想提升物联网信息安全保障,就必须注重物联网信息安全技术的发展。物联网开放性、匿名性的特点在提升其便利性的同时也带来了一定的安全隐患。
正因为如此,就必须要加强对物联网信息安全技术的研究,在满足其真实性、保密性、完整性、抗抵赖性要求的同时提升用户的信赖程度,保护用户的隐私。物联网的安全隐患主要集中在RFID系统安全、物联网业务安全、核心网络传输与信息安全、黑客侵入等几个方面。与传统网络的业务层与网络层的安全独立不同,物联网具有其特殊性。因此其虽然能够借鉴互联网的一部分安全机制,但也必须依照其特征来对加密机制、认证机制等进行相应的补充和调整。
