物联网技术综述
摘要：物联网是近年来信息技术研究的热点领域之一。从介绍物联网的基本概念、体系结构出发，概要分析了物联网发展所面临的关键技术问题，展望了物联网未来的发展趋势。
关键词：物联网;体系结构;数据处理;信息安全
0 引言
麻省理工学院的研究人员于1999年最先提出了物联网（Internet of Things, IoT）的概念，当时认为物联网就是在物体上增加一些RFID（Radio Frequency Identification ）和其他传感器使物体彼此连接形成网络。随着技术和应用的发展，物联网的内涵变得更加丰富。2005年国际电信联盟发布的物联网报告指出：物联网是通过RFID和智能计算机等技术实现全世界设备互联的网络。物联网的出现打破了人们的传统观念，将铁路、桥梁、建筑物等物理基础设施与服务器、通信网络、计算中心等IT基础设施整合为统一的基础设施，使人类社会与物理世界更加自由地交互、融合。
美国权威咨询机构Forrester预测：到2020年，世界上“物物互联”的业务，跟“人与人通信”的业务比例将达到30：1。物联网将成为一个万亿元级的超级产业。它包含了传感器、半导体、计算机等多个专业技术领域，在应用和推广中又将涉及大量的设备生产，这必将带动多个产业的发展。目前，美国、欧盟、中国、日本等都已投入巨资研究探索物联网，各国都把物联网作为后金融危机时代经济增
长的引擎。
1 概念解析
物联网的概念提出之后，一直在不断地变化、发展着，至今没有形成一个明确、统一的定义。
目前使用最为广泛的物联网定义是：通过信息传感设备，按照约定的协议，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。
欧盟关于物联网的定义是：物联网是未来互联网的一部分，能够被定义为基于标准和交互通信协议的具有自配置能力的动态全球网络设施，在物联网内物理和虚拟的“物件”具有身份、物理属性、拟人化等特征，它们能够被一个综合的信息网络所连接。
北京邮电大学的研究人员认为：狭义上的物联网指连接物品到物品的网络，实现物品的智能化识别和管理；广义上的物联网则可以看作是信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化、网络化。在物品之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互方式，并通过新的服务模式使各种信息技术融入社会行为，是信息化应用于人类社会的更高境界。
物联网目前没有明确定义一方面说明了物联网的发展还处于探索阶段，不同背景的研究人员、设备厂商、网络运营商都是从各自的角度去构想物联网的发展状况，对物联网的未来缺乏统一而全面的规划；另一方面也说明了物联网不是一个简单的技术热点，而是一个融合了感知技术、通信与网络技术、智能运算技术的复杂信息系统，
人们对它的认识还需要一个过程。
2 体系结构
虽然物联网目前尚无统一的定义，但业内人士对物联网的技术体系架构却基本达成了共识。物联网的体系结构从下至上依次是：感知层、网络层和应用层，如图1所示。
2.1 感知层
感知层是整个物联网系统的基础，主要使用传感器、智能终端、RFID电子标签等设备进行信息的采集，相当于人体的眼、耳、口、鼻、手等器官。感知层设备一方面运用智能传感、身份识别以及其他信息采集技术对物品进行基础的信息收集，另一方面又接收来自上层的控制指令对设备运行进行调整。
2.2 网络层
网络层主要是通过各种有线/无线通信网络实现信息数据的快速、可靠、安全传输，相当于人体的神经系统，既自下而上地传输感知信息，又自上而下地传输控制指令。
2.3 应用层
应用层是物联网系统的核心，主要负责对海量的感知信息进行汇总、共享、分析，并依据处理结果进行智能决策，相当于人体的大脑。应用层分为应用支撑子层和应用服务子层两个部分，应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享和互
通。应用服务子层负责为用户提供智能交通、智能家居、智能物流、智能电力、远程医疗、数字农业、数字林业等各种服务。
3 关键技术问题
从物联网的三层体系结构来看，每一层都有许多的技术问题需要解决。从感知层的终端接入组网到应用层的海量数据处理，从单个传感器节点的节能降耗到整个物联网系统的信息安全；待解决的问题涉及生物、物理、通信、微电子、计算机等众多学科领域。本文选取一些关键的技术问题进行讨论。
3.1 传感器节点问题
传感器节点是物联网系统的基础信息单元，是实现对现实世界感知的基础，是物联网服务和应用的基础。传感器节点目前主要存在问题有：①传感器节点部署通常具有数量大、分布广的特点，传感器节点只能由自身所携电池提供能量，而且在运行过程中电池无法被补充或替换，因此如何降低传感器节点功耗，延长使用寿命是一个亟待解决的技术问题；②传感器技术依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术，对技术工艺要求极高。因此，传感器节点目前还处于定制生产阶段，单个节点的造价成本相对过高，难以满足大规模部署的需求。
3.2 组网互联问题
RFID、智能卡、传感器等信息采集技术为客观世界中的物品和虚拟世界中的网络提供了沟通的桥梁。物联网的规模将远远超过现有的互联网，无以量计的物品将随时在物联网上交换信息。接入终端的
多元化、网络规模的迅速增长将给现有的网络体系带来严峻挑战：①IPv4地址空间有限，无法满足物联网终端大规模应用的接入需求；②IPv6协议虽然解决了IP地址分配的问题，但协议族过于庞大，无法满足传感器节点对轻量级协议要求；③IP网络都是采用“尽力而为”的传输策略，难以满足物联网应用的可信性、实时性需求。
由此可见，现有的IP协议体系难以满足物联网数据传输的要求。建立一套满足多元化终端接入需求，符合物联网应用特点的新型网络结构，对于物联网的发展具有极其重要的意义。
3.3 数据处理问题
物联网中包含了数量庞大的传感器节点以及其他信息采集设备。在信息感知过程中，如果每个节点都单独向上提交感知数据将会严重浪费节点的通信带宽和能量资源。由于传感器节点体积小，其电源能量、通信能力和计算能力有限，这样的浪费必然会降低信息收集效率，影响数据采集的及时性。由此可见，在物联网信息收集过程中，如何利用数据融合技术有效去除冗余数据，减少网络通信量，提高资源利用率是一个值得深入研究的问题。
物联网规模的爆炸式增长给数据处理也带来了巨大的挑战，一方面物联网中的信息种类、数量都成倍增加，其需要分析的数据量呈几何级数增加；另一方面物联网应用通常具有较强实时性，感知信息的处理时间更加有限。如何利用数据挖掘、并行计算等智能计算技术来提高海量数据处理效率成为了当前研究的热点问题之一。目前看来云计算是一个比较好的解决方案。
