物联网感知层

一、概述

物联网是“传感网”在国际上的通称,是传感网在概念上的一次拓展.通俗地讲，物联网就是万物都接入到互联网，物体通过装入射频识别设备、红外感应器、GPS 或其他方式进行连接，然后通过移动通信网络或其他方式接入到互联网，最终形成智能网络，通过电脑或手机实现对物体的智能化管理和信息采集分析.

物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。

在业界，物联网大致被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层,最上面则是内容应用层。其中感知层由各种具有感知能力的设备组成，主要用于感知和采集物理世界中发生的物理事件和数据。感知层至关重要,是物物相连的基础，是实现物联网的最底层技术。物联网感知层是物联网络建立的基础,深入的了解物联网感知层的网络层部分为建立低成本、高效、灵敏的物联网络提供一定的一局。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢,它是物联网获识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。物联网与传统网络的主要区别在于,物联网扩大了传统网络的通信范围，即物联网不仅仅局限于人与人之间的通信，还扩展到人与物、物与物之间的通信。

作为下一代信息浪潮的新热点,国内外政府公司和研究机构对物联网投入了极大的关注，IBM 公司提出“智慧地球\"，日本和韩国分别提出了“U—japan”和“U-Korea”战略,这都是从国家工业角度提出的重大信息发展战略。中国针对物联网到来的信息浪潮,提出了“感知中国”的发展战略。

二、感知层技术

1．传感器技术

人是通过视觉、嗅觉、听觉及触觉等感觉来感知外界的信息，感知的信息输入大脑进行分析判断和处理,大脑再指挥人做出相应的动作，这是人类认识世界和改造世界具有的最基本的能力。但是通过人的五官感知外界的信息非常有限,例如，人无法利用触觉来感知超过几十甚至上千度的温度，而且也不可能辨别温度的微小变化，这就需要电子设备的帮助。同样，利用电子仪器特别像计算机控制的自动化装置来代替人的劳动时,计算机类似于人的大脑,而仅有大脑而没有感知外界信息的“五官”显然是不够的，计算机也还需要它们的“五官”—传感器。

传感器是一种检测装置，能感受到被测的信息,并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

在物联网系统中，对各种参量进行信息采集和简单加工处理的设备，被称为物联网传感器。传感器可以独立存在，也可以与其他设备以一体方式呈现，但无论哪种方式,它都是物联网中的感知和输入部分.在未来的物联网中，传感器及其组成的传感器网络将在数据采集前端发挥重要的作用。

传感器的分类方法多种多样，比较常用的有按传感器的物理量、工作原理、输出信号的性质这3种方式来分类.此外，按照是否具有信息处理功能来分类的意义越来越重要，特别是在未来的物联网时代.按照这种分类方式，传感器可分为一般传感器和智能传感器。一般传感器采集的信息需要计算机进行处理；智能传感器带有微处理器，本身具有采集、处理、交换信息的能力,具备数据精度高、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高分辨力、强自适应性、低价格性能比等特点.

传感器是摄取信息的关键器件,它是物联网中不可缺少的信息采集手段，也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。传感器技术水平高低不但直接影响信息技术水平，而且还影响信息技术的发展与应用。目前，传感器技术已渗透到科学和国民经济的各个领域，在工农业生产、科学研究及改善人民生活等方面，起着越来越重要的作用。

2．RFID技术

RFID是射频识别(Radio Frequency Identification）的英文缩写,是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术,它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。RFID既可以看做是一种设备标识技术,也可以归类为短距离传输技术.

RFID是一种能够让物品“开口说话\"的技术，也是物联网感知层的一个关键技术。在对物联网的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过有线或无线的方式把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品）的识别，进而通过开放式的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。

RFID系统主要由三部分组成：电子标签（Tag)、读写器（Reader）和天线（Antenna）。其中，电子标签芯片具有数据存储区，用于存储待识别物品的标识信息；读写器是将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中（写入功能）,或在读写器的阅读范围内以无接触的方式将电子标签内保存的信息读取出来（读出功能)；天线用于发射和接收射频信号,往往内置在电子标签和读写器中。

RFID技术的工作原理是：电子标签进入读写器产生的磁场后，读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签);读写器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。

由于RFID具有无需接触、自动化程度高、耐用可靠、识别速度快、适应各种工作环境、可实现高速和多标签同时识别等优势，因此可用于广泛的领域，如物流和供应链管理、门禁安防系统、道路自动收费、航空行李处理、文档追踪/图书馆管理、电子支付、生产制造和装配、物品监视、汽车监控、动物身份标识等.以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的读写器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。

3．二维码技术

二维码（2—dimensional bar code)技术是物联网感知层实现过程中最基本和关键的技术之一。二维码也叫二维条码或二维条形码,是用某种特定的几何形体按一定规律在平面上分布（黑白相间）的图形来记录信息的应用技术。从技术原理来看,二维码在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”和“1”比特流的概念，使用若干与二进制相对应的几何形体来表示数值信息，并通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息的自动处理。

与一维条形码相比二维码有着明显的优势，归纳起来主要有以下几个方面：数据容量更大,二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息；超越了字母数字的限制；条形码相对尺寸小;具有抗损毁能力.此外，二维码还可以引入保密措施,其保密性较一维码要强很多.二维码可分为堆叠式/行排式二维码和矩阵式二维码。其中,堆叠式/行排式二维码形态上是由多行短截的一维码堆叠而成；矩阵式二维码以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上用“点”表示二进制“1”，用“空\"表示二进制“0”，并由“点”和“空\"的排列组成代码。

二维码具有条码技术的一些共性:每种码制有其特定的字符集;每个字符占有一定的宽度;具有一定的校验功能等.二维码的特点归纳如下：

（1）高密度编码，信息容量大：可容纳多达1850个大写字母或2710个数字或1108个字节或500多个汉字,比普通条码信息容量约高几十倍；

（2）编码范围广：二维码可以把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码，并用条码表示；

(3)容错能力强，具有纠错功能：二维码因穿孔、污损等引起局部损坏时，甚至损坏面积达50％时,仍可以正确得到识读；

（4）译码可靠性高：比普通条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千万分之一；

（5）可引入加密措施：保密性、防伪性好; （6）成本低，易制作，持久耐用；

（7）条码符号形状、尺寸大小比例可变;

（8)二维码可以使用激光或CCD摄像设备识读，十分方便。

与RFID相比，二维码最大的优势在于成本较低，一条二维码的成本仅为几分钱,而RFID标签因其芯片成本较高，制造工艺复杂，价格较高。对这两种标识技术进行了比较。 RFID 二维码 读取可同時读取多个RFID标签 一次只能读取一个二维码 数量 读取RFID标签不需要光线就可二维码读取时需要光线 条件 以读取或更新 容量 存储资料的容量大 存储资料的容量小 读写电子资料可以重复写 资料不可更新 能力 读取RFID标签可以很薄，如在包二维码读取时需要清晰可见 方便性 内仍可读取资料 资料准确性高 需靠人工读取，有人为疏失准确性 的可能性 坚固RFID标签在严酷、恶劣与肮当二维码污损将无法读取，性 脏的环境下仍然可读取资料 无耐久性 高速读取 高速在高速运动中仍可读取 移动中读取有所限制 读取 4．ZigBee

ZigBee是一种短距离、低功耗的无线传输技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术，它是IEEE 802.15。4协议的代名词。ZigBee的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，即蜜蜂靠飞翔和“嗡嗡\"（Zig)地抖动翅膀与同伴传递新发现的食物源的位置、距离和方向等信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。 ZigBee采用分组交换和跳频技术，并且可使用3个频段，分别是2.4GHz 的公共通用频段、欧洲的868MHz频段和美国的915MHz频段.ZigBee主要应用在短距离范围并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低.同时，由于ZigBee 技术的低速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术只适合于承载数据流量较小的业务。

ZigBee技术主要包括以下特点：

（1）数据传输速率低。只有10～250kbit/s，专注于低传输应用；

(2）低功耗。ZigBee设备只有激活和睡眠两种状态,而且ZigBee网络中通信循环次数非常少，工作周期很短，所以一般来说两节普通5号干电池可使用6个月以上;

（3)成本低.因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本； （4）网络容量大.ZigBee支持星形、簇形和网状网络结构，每个ZigBee网络最多可支持255个设备,也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接；

（5）有效范围小。有效传输距离10~75m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境;

(6）工作频段灵活。使用的频段分别为2。4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国）,均为免执照频段；

(7）可靠性高。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能,信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性;

（8）时延短。ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短；

(9)安全性高.ZigBee提供了数据完整性检查和鉴定功能，采用AES—128加密算法,同时根据具体应用可以灵活确定其安全属性。

由于ZigBee技术具有成本低、组网灵活等特点，可以嵌入各种设备，在物联网中发挥重要作用.其目标市场主要有PC外设(鼠标、键盘、游戏操控杆）、消费类电子设备（电视机、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置）、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具（电子宠物)、医护（监视器和传感器）、工控(监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域。

5．蓝牙

蓝牙（Bluetooth）是一种无线数据与话音通信的开放性全球规范，和ZigBee一样，也是一种短距离的无线传输技术.其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的短距离无线接口,将通信技术与计算机技术进一步结合起来,是各种设备在无电线或电缆相互连接的情况下，能在短距离范围内实现相互通信或操作的一种技术。

蓝牙采用高速跳频(Frequency Hopping）和时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA）等先进技术，支持点对点及点对多点通信.其传输频段为全球公共通用的2.4GHz频段,能提供1Mbit/s的传输速率和10m的传输距离,并采用时分双工传输方案实现全双工传输。

蓝牙除具有和ZigBee一样,可以全球范围适用、功耗低、成本低、抗干扰能力强等特点外，还有许多它自己的特点：

(1）同时可传输话音和数据.蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路话音信道以及异步数据与同步话音同时传输的信道；

（2）可以建立临时性的对等连接（Ad hoc Connection）；

（3)开放的接口标准。为了推广蓝牙技术的使用,蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过Bluetooth SIG的蓝牙产品兼容性测试,就可以推向市场。

蓝牙作为一种电缆替代技术，主要有以下3类应用:话音/数据接入、外围设备互连和个人局域网（PAN）。在物联网的感知层，主要是用于数据接入。蓝牙技术有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与因特网之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽了道路。ZigBee和蓝牙是物联网感知层典型的短距离传输技术.

由于物联网网络层是建立在Internet和移动通信网等现有网络基础上，除具有目前已经比较成熟的如远距离有线、无线通信技术和网络技术外，为实现“物物相连”的需求,物联网网络层将综合使用IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技术,实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。同时，网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括物联网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的技术。

三、小结

物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的信息产业新方向.本文简单介绍了物联网感知层的几种常见技术。物联网的发展前景相当广阔，在不久的将来可能会大规模普及,像如今的互联网一样变成人们日常生活的一部分。