物联网的新兴技术与挑战研究

摘要：将物联网想象成一个动态网络，该网络中的日常对象可以彼此交互、感知环境并进行相应的响应。为了对物联网这个看上去似乎很简单，但其结构却比较复杂的新型技术进行多方面的研究，文中阐述了物联网发展所存在的一些挑战，并提出了相关新兴技术的研究方法与发展趋势。
关键词：物联网；整合；传感器；能量收集

0 引言
物联网可以被看成一种动态网络，每个日常对象都可以在这里相互通信，而且物联网中的对象能够感知环境并对其做出响应。它也可以被看作是从互联网触及客观实体的一种演进。换句话说，它可以为任何人在任何时间，任何地点对任何东西建立连接。虽然物联网的基本概念很简单，但其构建所有日常对象的互联面临着很多建筑、技术和业务的挑战。本文沦述了一些在物联网发展中必须克服的挑战，同时研究了如何用先进技术来推动这一进程。

1 RFID、WSN和RTLS技术
RFID、WSN和RTLS是物联网中最有推动力的重要技术。物联网中的标签(如RFID标签、内置传感器节点和实时定位系统标记)几乎都是建立在同一个组件上发展到现在，目前这些技术的使用已经相当独立了。通常RFID定向于跟踪应用，由于物体必须被区分，有时候还要标注和定位。然而，尢源RFID标签通常不配备传感器，因此他们不提供任何对象状态和周围环境的信息。半有源半无源RFID标签和实时定位系统标记可能配备传感器，以获取周围环境的信息。相比之下，无线传感器网络则是有针对性的遥感和监测方案，但是，它们往往缺少身份识别能力，而这是许多实际应用(如物流)中的关键要求。此外，WSN的一个独特功能就是传感器节点彼此之间可以沟通并能动态生成一个无需现有框架的网络，这是应用中的一个关键要求，如灾害救援。与此相反，RTLS是针对应用程序的，对象必须被频繁和高精度定位。而RFID和WSN则很少提供准确定位。
同样重要的是RFID、WSN和RTLS的整合越来越多。通过查看正在进行的DASH7联盟的标准化进程可以看出，将来有源RFID标签会有它们自己的电源、传感器以及与其他标签沟通的能力。此外，定位已经不再是高度专业化RTLS的专属特性了，基于RFID和WSN的有限定位精度解决方案已经可以应用了。

2 RFID和传感器的整合
把RFID和传感器整合在一起应用于不同的对象和材料，这将成为实现物联网的一个关键驱动因素。在许多应用中，这种集成并不是没有意义的，因为周围物质总会对天线产生影响，从而降低无线链路性能。由于金属、木材和塑料都是物流应用中最常用的材料，RFID标签制造商为了提高应用的高效性付出了很多努力，并提供了一系列解决方案。大多数研究活动的重点是提高读取范围(即降低功耗)和减少结构要素(即小型化)，以方便RFID技术的整合。目前正在研究将无线射频技术中的低频、高频和超高频整合到玻璃纤维增强塑料(FRP)中去。其目的是有利于玻璃纤维增强塑料的生产过程以使得这些材料能够广泛应用。然而，这一集成面临着许多挑战。例如FRP就是一种类似金属导电性的材料，因此可降低RFID的链路性能。此外，不损害机械结构而实现RFID标签整合的选择也很有限。如果要以某种方式将传感器技术集成到某些材料中去，那么就必须开发一种方法来为传感器提供获取有用数据的能力。在许多应用程序中，系统不允许设置与嵌入式传感器的电缆连接。因此，如何设置无线连接，在嵌入式传感器和外部读出单元之间实现能量和数据的传输，就成为一个现实的研究主题。RFID技术在对象识别领域中具有广泛直用，而它的另外一个重要应用是无线电力传输。RFID技术可用于提供嵌入式的光纤传感技术和纳米光子芯片技术，它们有足够的力量妥善运作和提取有意义的数据。

3 能量收集
能量收集技术是利用环境能量来源(如热、振动或光)为电子环路和系统提供能量。热电发电机、换能器、压电陶瓷材料或太阳能电池都可将环境能量转换为电子能量。使用相应的电源管理系统可使电子能量适应电子环略的要求，或者把能量存储到像电容器或者电池一样的设备中去。每立方厘米输出的几百瓦功率取决于发电机的类型、能量来源和应用程序。能源收获的主要概念是在某个时期从环境中积累这些小的能量，直到足够的能量可供电源短操作测量、数据传输或信号发送等。面临的挑战是如何将小振动或温度梯度的能量控制到最低限度。其中一种方法是增加尺寸、区域或能源换能器，但这样会使系统体积加大并使成本昂贵。另一种方法是使用特殊的电子线路，它有能力加工和存储极少量的能量而不会产生漏电。这样，会产生一项挑战，那就是如何使可用能源来源和能源传感器匹配，尤其是在振动的情况下。大多数振动传感器都是共振系统，只能在小的带宽(如5 Hz)提供可用效能。而且来自于典型应用程序(如建筑、车辆或引擎)的振动也不是一成不变的，它取决于白天、速度或电机速度。因此，传感器的设计不管是宽带换能器还是能量预算的最高效能偏离，都必须考虑这些变化。最近的研究项目正在发展自校正传感器，但是离工业化还比较远。特别是在智能对象中，价格和小型化是重要点的问题。由于输出功率与大小和成本之间存在联系，低功耗成为能量采集技术应用的重点要求。目前，由于缺少像压电传感器或热电设备发电机材料的批量生产，换能器的价格还相当高。如果未来实现更多的利基市场应用程序，那么，发电机的单位价格将会大幅下降。

4 传感器融合与复杂事件处理
目前的系统大多采用的是一种类型的传感器，在不久的将来，许多不同种类的传感器就会在一起协同工作。传感器融合能够联合不同传感器信息，以便准确无误地在复杂和庞大的环境中提取数据，与此同时，也可以提高数据质量。南于多种传感器可以组合成一个传感器，因而需要较高的综合标签。下游应用程序可以选择多个感官输入为用户从准确性、成本等多方面要求提供最好的结果。其最大挑战之一是如
何表示从小区域内成千上万的传感器产生的数据。新型调制器和频道通道也将会服务于不断增长的数据，并在标签和基础设施之间传输。传感器网络内将产生新型网络进程，因而需要新的体系结构和协议来处理这种流媒体数据。复杂事件处理需要模糊实时定位系统数据的特殊要求，它允许直接控制业务流程，这将导致基于基础架构的跨企业和机构的大规模并行处理。

5 物联网技术的整合平台
物联网中的技术(像RFID、WSN和RTLS)在功能方面还是有很大不同的。这种背景下，它必定造成不同的物联网应用并需要由不同的技术来支持。因此，这些技术会不可避免地在不同的物联网环境下相遇，它们必须在相同的时间和相同的地点协同工作。因此，为了满足这种需求，强烈需要合适的软件，一般这种软件可以被称为中间件，但是更精确的叫法应该称为整合平台。
生命周期管理、信息窃取防护，温度监测等都可以从用户的角度看作物联网的应用。这些应用程序可以由目前IT公司常用的软件产品来支持，如企业资源计划，先进规划系统、仓库管理和客户关系管理等。因此，集成平台可以联结不同的物联网技术到共享的技术抽象层，从而控制这些技术和现有企业基础架构之间的协作、支持内部和跨公司整合，旨在大幅降低集成成本。很多公司(像沃尔玛、麦德龙集团和德国邮政)在实施RFID技术以后，市场上就需要成群的RFID集成平台。由于市场透明度低，从用户的角度出发，从众多产品中选择一种产品并为顾客带来真正价值也很难。而整合成本可以达到整个系统建设的35％到50％。因此，目前需要关注的是如何削减成本。就无线传感器网络和实时定位系统而言，由于这些技术存在有限的市场渗透率，目前集成平台还很少。随着WSN和RTLS系统的增加，产品数量也会增加。未来面临的挑战是将所有IOT技术集成到一个平台，从而使复杂的整合减少并能使顾客接受。

6 安全与隐私
虽然IOT和专业的RFID能够给日常事物提供实时的跟踪信息，但是，这些技术也将威胁到个人隐私。因此，不同的政府机构已经颁发了与RFID安全与隐私相关的法规。近年来，一些RFlD威胁已经出现。总之，很多专家认为，RFID应用会危及以下一个或多个安全目标：隐私、完整性或可用性。因此，在使用RFID技术时，需要对付存在的内在威胁，并希望在未来可以找到一种新的技术来减少这种威胁。其步骤：第一要深入分析应用环境；第二是鉴定和评估可能存在的威胁；第三是鉴定和评估对已经造成的威胁应采取的对策与行动。还有就是通过环境分析验证所选择的策略是否能将威胁降低到可以承受的程度。如果会产生的威胁和影响是众所周知的，那么对策的选择就会比较有针对性。其中一个有效的对策就是技术创新。目前讨论的有下列技术对策：
首先是对部分内存写入进行永久锁定，以确保存储数据的完整性；其次是给无源RFID添加加密功能，以保护和确保动态存储数据的完整性；第三是通过空中加密通信实现加密功能，以确保个人隐私；第四是为标签添加不能复制功能，以确保其完整性。

7 结语
目前，物联网的发展非常迅速，但是离真正实现还比较远。本文只介绍了一些必须克服的重要挑战，阐述了有助于实现这一进程的新兴技术。RFID、WSN和RTLS是有利于物联网发展的几个关键技术，虽然它们各自都很先进，但是，如何使它们之间很好的集合与协同工作，还需要做很多努力。物联网具有大量的标签和传感器，因此，能源管理将成为物联网实际运作的重要基础。此外，为实现所有信息管理，还必须对普通接口和数据模型的转换进行定义。根据欧洲委员会的规定，物联网应用需要关注的其中一个重点就是安全与隐私，它必须得到普遍的社会认可。