物聯網的新興技術與挑戰研究

摘要：將物聯網想象成一個動態網絡，該網絡中的日常對象可以彼此交互、感知環境并進行相應的響應。為了對物聯網這個看上去似乎很簡單，但其結構卻比較復雜的新型技術進行多方面的研究，文中闡述了物聯網發展所存在的一些挑戰，并提出了相關新興技術的研究方法與發展趨勢。
關鍵詞：物聯網；整合；傳感器；能量收集

0 引言
物聯網可以被看成一種動態網絡，每個日常對象都可以在這里相互通信，而且物聯網中的對象能夠感知環境并對其做出響應。它也可以被看作是從互聯網觸及客觀實體的一種演進。換句話說，它可以為任何人在任何時間，任何地點對任何東西建立連接。雖然物聯網的基本概念很簡單，但其構建所有日常對象的互聯面臨著很多建筑、技術和業務的挑戰。本文淪述了一些在物聯網發展中必須克服的挑戰，同時研究了如何用先進技術來推動這一進程。

1 RFID、WSN和RTLS技術
RFID、WSN和RTLS是物聯網中最有推動力的重要技術。物聯網中的標簽(如RFID標簽、內置傳感器節點和實時定位系統標記)幾乎都是建立在同一個組件上發展到現在，目前這些技術的使用已經相當獨立了。通常RFID定向于跟蹤應用，由于物體必須被區分，有時候還要標注和定位。然而，尢源RFID標簽通常不配備傳感器，因此他們不提供任何對象狀態和周圍環境的信息。半有源半無源RFID標簽和實時定位系統標記可能配備傳感器，以獲取周圍環境的信息。相比之下，無線傳感器網絡則是有針對性的遙感和監測方案，但是，它們往往缺少身份識別能力，而這是許多實際應用(如物流)中的關鍵要求。此外，WSN的一個獨特功能就是傳感器節點彼此之間可以溝通并能動態生成一個無需現有框架的網絡，這是應用中的一個關鍵要求，如災害救援。與此相反，RTLS是針對應用程序的，對象必須被頻繁和高精度定位。而RFID和WSN則很少提供準確定位。
同樣重要的是RFID、WSN和RTLS的整合越來越多。通過查看正在進行的DASH7聯盟的標準化進程可以看出，將來有源RFID標簽會有它們自己的電源、傳感器以及與其他標簽溝通的能力。此外，定位已經不再是高度專業化RTLS的專屬特性了，基于RFID和WSN的有限定位精度解決方案已經可以應用了。

2 RFID和傳感器的整合
把RFID和傳感器整合在一起應用于不同的對象和材料，這將成為實現物聯網的一個關鍵驅動因素。在許多應用中，這種集成并不是沒有意義的，因為周圍物質總會對天線產生影響，從而降低無線鏈路性能。由于金屬、木材和塑料都是物流應用中最常用的材料，RFID標簽制造商為了提高應用的高效性付出了很多努力，并提供了一系列解決方案。大多數研究活動的重點是提高讀取范圍(即降低功耗)和減少結構要素(即小型化)，以方便RFID技術的整合。目前正在研究將無線射頻技術中的低頻、高頻和超高頻整合到玻璃纖維增強塑料(FRP)中去。其目的是有利于玻璃纖維增強塑料的生產過程以使得這些材料能夠廣泛應用。然而，這一集成面臨著許多挑戰。例如FRP就是一種類似金屬導電性的材料，因此可降低RFID的鏈路性能。此外，不損害機械結構而實現RFID標簽整合的選擇也很有限。如果要以某種方式將傳感器技術集成到某些材料中去，那么就必須開發一種方法來為傳感器提供獲取有用數據的能力。在許多應用程序中，系統不允許設置與嵌入式傳感器的電纜連接。因此，如何設置無線連接，在嵌入式傳感器和外部讀出單元之間實現能量和數據的傳輸，就成為一個現實的研究主題。RFID技術在對象識別領域中具有廣泛直用，而它的另外一個重要應用是無線電力傳輸。RFID技術可用于提供嵌入式的光纖傳感技術和納米光子芯片技術，它們有足夠的力量妥善運作和提取有意義的數據。

3 能量收集
能量收集技術是利用環境能量來源(如熱、振動或光)為電子環路和系統提供能量。熱電發電機、換能器、壓電陶瓷材料或太陽能電池都可將環境能量轉換為電子能量。使用相應的電源管理系統可使電子能量適應電子環略的要求，或者把能量存儲到像電容器或者電池一樣的設備中去。每立方厘米輸出的幾百瓦功率取決于發電機的類型、能量來源和應用程序。能源收獲的主要概念是在某個時期從環境中積累這些小的能量，直到足夠的能量可供電源短操作測量、數據傳輸或信號發送等。面臨的挑戰是如何將小振動或溫度梯度的能量控制到最低限度。其中一種方法是增加尺寸、區域或能源換能器，但這樣會使系統體積加大并使成本昂貴。另一種方法是使用特殊的電子線路，它有能力加工和存儲極少量的能量而不會產生漏電。這樣，會產生一項挑戰，那就是如何使可用能源來源和能源傳感器匹配，尤其是在振動的情況下。大多數振動傳感器都是共振系統，只能在小的帶寬(如5 Hz)提供可用效能。而且來自于典型應用程序(如建筑、車輛或引擎)的振動也不是一成不變的，它取決于白天、速度或電機速度。因此，傳感器的設計不管是寬帶換能器還是能量預算的最高效能偏離，都必須考慮這些變化。最近的研究項目正在發展自校正傳感器，但是離工業化還比較遠。特別是在智能對象中，價格和小型化是重要點的問題。由于輸出功率與大小和成本之間存在聯系，低功耗成為能量采集技術應用的重點要求。目前，由于缺少像壓電傳感器或熱電設備發電機材料的批量生產，換能器的價格還相當高。如果未來實現更多的利基市場應用程序，那么，發電機的單位價格將會大幅下降。

4 傳感器融合與復雜事件處理
目前的系統大多采用的是一種類型的傳感器，在不久的將來，許多不同種類的傳感器就會在一起協同工作。傳感器融合能夠聯合不同傳感器信息，以便準確無誤地在復雜和龐大的環境中提取數據，與此同時，也可以提高數據質量。南于多種傳感器可以組合成一個傳感器，因而需要較高的綜合標簽。下游應用程序可以選擇多個感官輸入為用戶從準確性、成本等多方面要求提供最好的結果。其最大挑戰之一是如
何表示從小區域內成千上萬的傳感器產生的數據。新型調制器和頻道通道也將會服務于不斷增長的數據，并在標簽和基礎設施之間傳輸。傳感器網絡內將產生新型網絡進程，因而需要新的體系結構和協議來處理這種流媒體數據。復雜事件處理需要模糊實時定位系統數據的特殊要求，它允許直接控制業務流程，這將導致基于基礎架構的跨企業和機構的大規模并行處理。

5 物聯網技術的整合平臺
物聯網中的技術(像RFID、WSN和RTLS)在功能方面還是有很大不同的。這種背景下，它必定造成不同的物聯網應用并需要由不同的技術來支持。因此，這些技術會不可避免地在不同的物聯網環境下相遇，它們必須在相同的時間和相同的地點協同工作。因此，為了滿足這種需求，強烈需要合適的軟件，一般這種軟件可以被稱為中間件，但是更精確的叫法應該稱為整合平臺。
生命周期管理、信息竊取防護，溫度監測等都可以從用戶的角度看作物聯網的應用。這些應用程序可以由目前IT公司常用的軟件產品來支持，如企業資源計劃，先進規劃系統、倉庫管理和客戶關系管理等。因此，集成平臺可以聯結不同的物聯網技術到共享的技術抽象層，從而控制這些技術和現有企業基礎架構之間的協作、支持內部和跨公司整合，旨在大幅降低集成成本。很多公司(像沃爾瑪、麥德龍集團和德國郵政)在實施RFID技術以后，市場上就需要成群的RFID集成平臺。由于市場透明度低，從用戶的角度出發，從眾多產品中選擇一種產品并為顧客帶來真正價值也很難。而整合成本可以達到整個系統建設的35％到50％。因此，目前需要關注的是如何削減成本。就無線傳感器網絡和實時定位系統而言，由于這些技術存在有限的市場滲透率，目前集成平臺還很少。隨著WSN和RTLS系統的增加，產品數量也會增加。未來面臨的挑戰是將所有IOT技術集成到一個平臺，從而使復雜的整合減少并能使顧客接受。

6 安全與隱私
雖然IOT和專業的RFID能夠給日常事物提供實時的跟蹤信息，但是，這些技術也將威脅到個人隱私。因此，不同的政府機構已經頒發了與RFID安全與隱私相關的法規。近年來，一些RFlD威脅已經出現。總之，很多專家認為，RFID應用會危及以下一個或多個安全目標：隱私、完整性或可用性。因此，在使用RFID技術時，需要對付存在的內在威脅，并希望在未來可以找到一種新的技術來減少這種威脅。其步驟：第一要深入分析應用環境；第二是鑒定和評估可能存在的威脅；第三是鑒定和評估對已經造成的威脅應采取的對策與行動。還有就是通過環境分析驗證所選擇的策略是否能將威脅降低到可以承受的程度。如果會產生的威脅和影響是眾所周知的，那么對策的選擇就會比較有針對性。其中一個有效的對策就是技術創新。目前討論的有下列技術對策：
首先是對部分內存寫入進行永久鎖定，以確保存儲數據的完整性；其次是給無源RFID添加加密功能，以保護和確保動態存儲數據的完整性；第三是通過空中加密通信實現加密功能，以確保個人隱私；第四是為標簽添加不能復制功能，以確保其完整性。

7 結語
目前，物聯網的發展非常迅速，但是離真正實現還比較遠。本文只介紹了一些必須克服的重要挑戰，闡述了有助于實現這一進程的新興技術。RFID、WSN和RTLS是有利于物聯網發展的幾個關鍵技術，雖然它們各自都很先進，但是，如何使它們之間很好的集合與協同工作，還需要做很多努力。物聯網具有大量的標簽和傳感器，因此，能源管理將成為物聯網實際運作的重要基礎。此外，為實現所有信息管理，還必須對普通接口和數據模型的轉換進行定義。根據歐洲委員會的規定，物聯網應用需要關注的其中一個重點就是安全與隱私，它必須得到普遍的社會認可。