物联网中的关键技术研究及其应用

黑龙江大学成人高等教育

本科学生毕业论文

论文题目：物联网中的关键技术研究及其应用 学习形式： 年级：2013级 专业： 通信工程 层次： 姓名： 学号： 指导教师：

2015年3月15日

摘要

物联网是在互联网（Internet）基础上，利用射频识别（RFID）技术、无线通信技术、计算机技术等，构造的一个实现全球物品信息实时共享的网络。它使得机器之间不需要人的参与即可实现实时的信息交互，大大方便了人们的工作和生活。其实质就是将传感器等装置嵌入物体并进行联网以最终接入互联网，通过使物体具有“智慧”，从而延伸人类感知、控制外部世界的能力。

本文研究了物联网的关键技术及其应用前景。首先,对物联网的概念,应用发展状况进行了分析,阐述了物联网的特点和发展方向。其次,本文总结了现有的物联网初级应用,并提出了适用于物联网的商业模式和物联网带来的新型商业模式。 本文最后通过对物联网发展的分析,提出物联网的发展是要靠大规模的应用来推动的,具备应用的集成和推广能力的企业将成为行业发展的关键,终端企业和电信运营商属于这类关键推动企业,但是在现阶段他们单独主导产业链有较大难度,经研究表明运营商定制业务将会是有效拉动产业链的方式。根据物联网发展的特征,具体研究这两大行业的行业优势、发展机会和发展方向建议。

关键词

物联网；RFID；感知层；网络层

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目录

摘要 ............................................................................................................................... 1 第一章绪论 ................................................................................................................... 4

1.1 研究背景.......................................................................................................... 4 1.2 问题的提出...................................................................................................... 4 1.3 研究意义.......................................................................................................... 5

1.3.1 理论意义................................................................................................ 5 1.3.2 现实意义................................................................................................ 5 1.4 研究思路、方法和主要内容.......................................................................... 5

1.4.1 研究思路................................................................................................ 5 1.4.2 研究方法................................................................................................ 5 1.4.3 研究内容................................................................................................ 6

第二章物联网关键技术 ............................................................................................... 7

2.1 物联网的概念.................................................................................................. 7

2.1.1 物联网基本定义.................................................................................... 7 2.1.2 物联网与传感网、泛在网之间的关系................................................ 7 2.1.3 物联网的特点........................................................................................ 9 2.2 物联网的体系架构........................................................................................ 10 2.3 物联网的关键技术........................................................................................ 11

2.3.1 感知层关键技术.................................................................................. 11 2.3.2 网络层关键技术.................................................................................. 13 2.3.2 应用层关键技术.................................................................................. 15 2.4 本章小结........................................................................................................ 16 第三章物联网典型应用 ............................................................................................. 17

3.1 典型应用........................................................................................................ 17

3.1.1 环境监测.............................................................................................. 17 3.1.2 智能交通.............................................................................................. 18 3.1.3 智能物流.............................................................................................. 19 3.2 物联网终端行业发展分析............................................................................ 21

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3.2.1 物联网终端分类.................................................................................. 21 3.2.2 物联网移动终端特点.......................................................................... 21 3.2.3 移动终端商开发物联网终端的优势.................................................. 22 3.2.4 面临的主要问题.................................................................................. 23 3.2.5 终端发展思路...................................................................................... 25 3.3 物联网应用的发展前景................................................................................ 26 结论 ............................................................................................................................. 28 参考文献 ..................................................................................................................... 29

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第一章 绪论

1.1 研究背景

网络技术得以深远发展的今天,信息化社会对通信的要求己经不仅仅限于 人与人之间的通信;传感技术、RFID和网络技术的成熟使人与物品,物品与物品之间的通信成为可能,这就带来了物联网概念。发展物联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。 目前,物联网的初级应用MZM实现主要是通过传感节点(包含嵌入式智能)、 网络(包含无线网络、有线网络)、信息处理平台实现的。为了促进物联网产业 健康、有序、规模化的快速发展,具有先天优势和产业规模的互联网运营商和 终端设备商更应该在新兴的物联网产业中找准位置,发挥自己应有的作用和价 值。商业模式问题一直是物联网行业的关注焦点,要想加快物联网的推进,就需要建立一个多方共赢的商业模式,让所有参与物联网建设的各个环节都能从中受益,获得相应的回报,让物联网产业链的各个环节,从终端设备提供者到运营者都受到商业利益的驱动,该模式就更具有推广的价值。

1.2 问题的提出

由于盈利模式和产业链建设还在发展之中,物联网还有很多发展问题需要 解决。虽然物联网目前的初步应用MZM的确具备被广泛采用的市场潜力,但是 相关的传感技术统一标准和平台接口标准尚未统一,阻碍了物联网的大规模推 广,物联网商业模式也还未成熟,我国物联网行业相关技术标准制定的研究机 构己经成立,但是设备生产商、电信运营商、方案提供商、系统集成商等都还 没有明确在新兴的物联网产业中的定位和合适的运营模式,使物联网产业发展 缓慢,虽然国家大力提倡,但企业实际参与积极性不高,持观望态度,根据现在的设施情况,物联网初期建设成本是巨大的,需要巨额资金的支持。基于物联网产业在建设过程中遭遇的种种问题,有必要对现有的物联网产业进行深入的研究和分析,以指导未来物联网产业的建设。

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1.3 研究意义

1.3.1 理论意义

本论文的理论意义在于:

首先,对物联网的概念,应用发展状况进行了分析,阐述了物联网的特点 和发展方向。

其次,本文总结了现有的物联网初级应用,并提出了适用于物联网的商业 模式和物联网带来的新型商业模式。

最后,通过对物联网发展的分析,针对关键行业对在理论上如何实现多赢, 并保证不断提升竞争能力,如何可以持续的创造价值,提供了研究思路。

1.3.2 现实意义

本论文的现实意义在于:

分析物联网这个新兴产业的应用,探索商业模式。促使物联网产业建设者、运营者以及外围相关产品服务提供者,特别是电信运营商和移动终端设备商有关的企业如何根据自己的优势进行发展,争取创造尽可能多的价值,提高自身的重要性,推动整个产业发展。

1.4 研究思路、方法和主要内容

1.4.1 研究思路

本文按照问题的提出、分析、解决的方法进行写作。首先,介绍物联网的 概念、发展现状和典型行业应用。同时分析物联网产业组成以及促使其发展的 各方面的推动力量,分析影响物联网发展的政策、经济、社会和技术环境。最 后,针对我国物联网产业的具体情况,总结了适用于物联网的商业模式,为产业链各环节提供了可供参考的发展建议。

1.4.2 研究方法

1．通过广泛的资料收集、实际考察等工作了解物联网产业的建设现状,总结基本的应用场景和发展方向。

2．在分析环境和用户需求的情况下,研究商业模式和行业发展思路。

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1.4.3 研究内容

整篇论文共分为三章,研究内容如下:

第一章,前言。本章介绍选题的背景、问题的提出、研究意义、研究思路、方法和内容以及论文的创新点。

第二章,物联网技术。对物联网的基本概念、特点、体系架构、关键技术进行了详细介绍，并对当前与物联网的概念比较容易混淆的两个概念传感网、泛在网与物联网进行了比较分析，使物联网的概念更加明确。

第三章,物联网典型应用，总结目前行业的主要应用及前景。

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第二章 物联网关键技术

自 2009年，温家宝总理在无锡发表讲话鼓励发展物联网技术、建立中国的“感知中心”以来，物联网引起了社会各界的关注，目前，物联网已被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一，国内多所高校也相继设立了物联网相关专业。

2.1 物联网的概念

2.1.1 物联网基本定义

物联网的英文名称为“Internet of Things”，简称 IOT，由此可见，物联网有两层含义，一方面，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网的基础之上延伸和扩展的一种网络，另一方面，其延伸和扩展到了任何人与人，人与物，物与物之间进行信息交换和通信。

物联网的定义有很多，2010年 3月，我国政府工作报告[1]的注释中给出的定义是：“通过 RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描仪等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络”。

2.1.2 物联网与传感网、泛在网之间的关系

在不同版本的物联网的定义中不乏有将物联网与传感网混为一谈的，这些定义中直接声明物联网就是传感网，其实，物联网的概念要比传感网宽泛的多。 ITU-T Y. 2221 建议[2]中定义传感器网是包含互联的传感器节点的网络，这些节点通过有线或无线通信交换传感数据。顾名思义，传感器节点是必然是包含传感器，此外，它还可能包含能够处理数据以及能够联网的执行元件。而传感器是感知物理条件或化学成分并且传递与被观察的特性成比例的电信号的电子设备。 传感节点的数据采集处理能力以及自组织通讯能力使得它们能够完成复杂的检 测任务，但是传感节点只能感知到信号，还不能像物联网一样能实现物品的标识，此外，传感网只能在小范围内进行信号采集和数据传递，也达不到物联网中实现的物与物之间的连接通信。

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泛在网的英文名是“ubiquitous network”，在全国科学技术名词审定委员会网站上给出这样一个定义：泛在网是指“可以随时随地供给人使用，让人想用无处不在服务的网络，其通信服务对象由人扩展到任何东西。”

简单来说，泛在网就是无处不在的网络，它的涵盖范围非常广，电信网、互联网、下一代网络以及一些专用网络都包含在泛在网中，它还涵盖了宽带接入技术，如宽带无线移动通信技术、光纤接入等，此外，传感器网络和 RFID等近距离通信技术也是属于泛在网络范围之内的。总之，它是在原有网络的基础上，根据人们的需求来实现在任何时间（Anytime）、任何地点（Anywhere）、任何人（Anyone）、任何物（Anything）都能通信的 4A化通讯，这能够极大方便人们的生活。如图 1.1 所示，为 Y.USN 标准草案中定义的泛在网的结构，草案中将泛在网分为了四个层次：传感网络层、接入网层、中间件层、应用层：

图2-1 Y.USN标准草案中泛在传感器网络架构

基于以上所述可以知道，传感网只是物联网中的一部分而泛在网则包含着物联网，泛在网可以说是物联网实现的终极目标，他们三者之间的关系可以由下图2-2 表示出来：

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图 2-2 传感网、物联网、泛在网之间的关系

2.1.3 物联网的特点

物联网是当前信息技术发展的一个重要方向，实现物与物，人与物之间的通信是它区别于传统网络的主要特点，也是物联网的核心。它的特点主要表现在：全面感知，可靠传递以及智能处理三方面：

1．全面感知：物联网是通过传感器、射频识别系统、二维码等感知、获取数据的，处于物联网中的人或物上都会有传感器或者 RFID 标签，亦或是二维码等识别设备，因此物联网可以随时随地的对这些人或物的信息进行感知，这些信息都具有实时性，使得物联网中心数据库不断更新。

2．可靠传递：物联网技术通过各种有线或者无线接入技术，将人或物品接入到互联网中，将相关信息数据实时准确地传递出去，使得在物联网中可以随时随地的进行信息共享和交互。物联网传输的数据是非常庞大的也是很重要的，为了保证物联网中数据的安全性，数据的传输必须适应各种异构网络和协议。

3．智能处理：物联网不只是各种感知设备的相互连接感知，物联网还运用了各种智能计算技术，如云计算、模式识别等，它将各种感知技术与智能处理技术相结合，能够对海量的数据信息进行分析加工，以获取有用的数据来适应不同的需求，实现智能化的决策和控制。

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将计算 任务分布在大量的分布式计算机资源池中使企业用户或者大众用户根据需求获取计算力、存储空间以及各种软件服务。

云计算有三种服务形式：软件即服务（SaaS）、平台即服务（PaaS）以及基础设施服务（Iaas），SaaS旨在基于互联网提供软件服务，PaaS则是将服务器平台作为一种服务来提供，IaaS按计量为客户提供由多台服务器组成的“云端”基础设施（即内存、I/O设备，计算能力、存储空间等组成的一个虚拟资源池）。 云计算技术提供了一种高效的计算模式，它可以将数据集中起来，有云中心提供集中服务，解决了传统计算机系统零散计算带来的低效率问题，它旨在将数据资源聚集、优化、动态分配，从而节约信息化成本、降低功耗、提高信息处理效率，能够大大提高海量数据的处理效率。而这符合物联网数据中心海量数据处理的需求，所以，云计算技术是物联网能够大规模推广发展必不可少的基石。实现物联网与云计算的融合是物联网发展的必然趋势。

2.3.2 应用层关键技术

1．中间件技术

中间件是一种独立的基于分布式处理的服务程序，它应用于客户机、服务器的操作系统之上，用来管理计算机资源和网络通信、连接两个独立的应用程序或者独立系统，能够使相连接的系统即使拥有不同的接口仍然能相互交换信息[8]。它主要是用来屏蔽网络硬件平台的差异性以及操作系统与网络协议的异构性，是应用软件能够比较平滑的运行于不同的平台之上。

中间件可以运行于多种硬件和操作系统平台，支持分布计算，提供跨网络、硬件、操作系统平台的透明的应用和服务的交互，它的这些特性使得它成为物联网应用中的关键部分，它实现了各种传感器、RFID 系统等感知设备与应用系统之间的数据传输转换，开发人员只需要提供一个中间件的接口就可以保证应用软件在物联网中的正常使用，这就很大程度上降低了应用开发难度。 2．人工智能技术

2008 年 IBM 公司提出的“智慧地球”概念，得到了世界各国的普遍认可，这里“智慧地球”即指物联网，而要实现智慧物联网，那么物联网中数据的处理自然少不了人工智能技术。

人工智能技术是研究使计算机模拟人的某些思维过程和智能行为，使人类的

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智慧得以物化与延伸的一门学科，比如，学习、推理、思考、规划等，它综合了计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、仿生学等多种学科。人工智能技术研究领域主要包括自然语言理解、数据库的智能检索、专家系统、机器人、语言识别、图像识别等。在物联网中，人工智能技术通过对感知信息的分析及智能处理来实现物 联网的智能化。

2.4 本章小结

目前，物联网的定义和架构还没有一个统一的标准，本章节首先通过介绍物联网的定义、特点以及与传感网泛在网的比较全面阐述了物联网的概念，然后介绍了当前被业界普遍认同的物联网的三层体系结构，并分别介绍了物联网三层结构中各自的关键技术。

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第三章 物联网典型应用

物联网的应用需要智能化信息处理技术的支撑，主要需要针对大量的数据通过深层次的数据挖掘，并结合特定行业的知识和前期科学成果，建立针对各种应用的专家系统、预测模型、内容和人机交互服务，专家系统利用业已成熟的某领域专家知识库，从终端获得数据，比对专家知识，从而解决某类特定的专业问题。预测模型和内容服务等基于物联网提供的对物理世界精确、全面的信息，可以对物理世界的规律（如洪水、地震）进行更加深入的认识和掌握，以做出准确的预警，以及应急联动管理。人机交互与服务也体现了物联网“为人类服务”的宗旨。人机交互提供了人与物理世界的互动接口。物联网能够为人类提供的各种便利也体现在服务之中。

虽然目前物联网处在零散应用的产业启动期,但是应用己经较为广泛,目前己经较为成熟的应用包括环境监测系统、物流信息化系统、智能交通、食品溯源、系统及基础设施安全系统等。

3.1 典型应用

3.1.1 环境监测

环境监测是物联网的一个重要应用领域，物联网自动、智能的特点非常适合环境信息的监测。一般来讲，环境监测物联网系统结构包括下面几个部分： 1.感知层：该层的主要功能是通过传感器节点等感知设备，获取环境监测的信息，如温度、湿度、光照度等。由于环境监测需要感知的地理范围比较大，所包含的信息量也比较大，该层中的设备需要通过无线传感组成一个自治网络，采用协同工作的方式，提取出有用的信息，并通过接入设备与互联网中的其它设备实现资源共享与交流互通。

2.接入层：该层的主要功能是通过现有的公用通信网（始有线Internet网络、WLAN网络、GSM网、TD-SCDMA网）、卫星网等基础设施，将来自感知层的信息传送到互联网中。

3.互联网层：该层的主要功能是以IPv6/IPv4为核心建立的互联网平台，将网络内的信息资源整合成一个可以互联互通的大型智能网络，为上层服务管理和大规模环境监测应用建立起一个高效、可靠、可信的基础设施平台。

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4.服务管理：该层的主要功能是通过大型的中心计算平台（如高性能并行计算平台等），对网络内的环境监测获取的海量信息进行实时的管理和控制，并为上层应用提供一个良好的用户接口。

5.应用：该层的主要功能是集成系统底层的功能，构建起面向环境监测的行业实际应用，如生态环境与自然灾害时监测、趋势预测、预警及应急联动等。

通过上面几个部分，环境监测物联网就可以实现协同环境信息，进行态势分析，并预测发展趋势。

3.1.2 智能交通

智能交通是指采用先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、控制技术和计算机技术，使车辆和道路智能化，以实现安全快速的道路交通环境，从而达到缓解道路交通拥堵、减少交通事故、节约交通能源和减轻驾驶疲劳等目的。智能交通是一个综合性体系，包含的子系统分为以下几个方面： 1.交通管理系统

该系统包括：1.在途驾驶员信息 2.交通状况监视 3.车流量管理 4.交通指挥控制 5.突发事件管理系统 2.公共交通运营系统

该系统包括：1.公共运输管理 2.途中换乘信息 3.满足个人需求的非定线公共交通 3.电子收费系统

该系统通过电子卡或RFID电子标签由计算机实现自动收费，大大提高车辆通行能力，降低收费口拥堵风险。 4.运营车辆高度管理系统

该系统通过汽车的车载电脑、管理中心计算机与GPS、传感器等设备联网，实现驾驶员与调度管理中心之间的双向通信、信息查询、自动售票和车辆自动定位等功能，来提高商业车辆、公共汽车和出租汽车的运营效率。 5.紧急事故处理系统

该系统包括：紧急告警与人员安全、应急车辆管理、危险品应急处理、应急响应和疏散。

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图3-1 智能公共交通系统示意图

在以上众多智能交通子系统中，有两点功能为每个系统所共有且必备：首先要求每个智能交通控制系统需要具备数据感知和采集功能，其次要求每个系统需要具备数据分析处理和汇总分发功能。智能交通系统的发展趋势将表现为综合化、社会化的发展模式。由于智能交通体系涉及相关的市民、公安交通管理、交通部门车辆管理、城市建设、通信等相关部门，因而未来智能交通必然是一个涉及以交通与公安为主的多部门驱动的发展过程。

3.1.3 智能物流

智能物流是将RFID技术、数据通信传输技术、控制技术及计算机技术等应用在物流配送系统中，帮助实现物品跟踪与信息共享，提高物流企业的运行效率，实现可视化供应链管理，提升物流信息化程度。

1、RFID作为前端的自动识别和数据采集技术，被应用在物流的零售、存储、运输、配送/分销和生产等各主要作业环节，是实现智能物流的重点。

（1）提高物流基础设施的信息化和自动化水平

通过将RFID标签放置在货柜、集装箱、车辆等物流基础设施内，在物流企业仓库内部、出入库口、物流关卡等安装RFID读写器，实现物品自动化出入库、盘点、交接环节中的RFID信息采集，达到对物品库存的透明化管理。通过RFID

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