物联网发展及其应用研究与未来展望

论文题目

物联网发展及其应用研究与未来展望

摘要

近年来物联网技术受到了人们的广泛关注。目前,物联网已成为许多国家的重要发展战略。物联网是新一代信息技术的重要组成部分,是互联网的应用拓展,它是传感器、互联网、通信等信息技术高度结合发展的产物。作为新兴技术,物联网应用发展迅猛,己被广泛的应用于许多领域,并且取得良好的应用效果。现在物联网技术在农业领域的应用也很快,己成为我国农业信息领域加快发展农业现代化的重要途径,是农业工程研究的热点和难点。物联网技术应用于农业领域可方便劳作者对农业活动的管理,通过物联网技术搭建的信息平台可与外界进行信息交流,从中获得先进的管理方式,改变传统落后的生产管理方式,从而大大的提髙农业生产效率,也可使商品更好的在市场流通,获得更多的利益。本文通过整理、研究物联网在农业生产等生产生活领域中的应用，最后指出物联网在未来发展中面临的问题,并为我国物联网的发展提出了一些建议。

关键词：物联网 射频识别 农业生产

引言

物联网被预言为继互联网之后全球信息产业的又一次科技与经济浪潮,受到各国政府、企业和学术界的重视,美国、欧盟、日本等甚至将其纳入国家和区域信息化战略。归纳起来,物联网的兴起有三个主要动力。首先是信息科学技术迅速发展。成熟的传感器技术、发达的网络、高速的信息处理能力为物联网提供了技术基础。其次是经济危机催生科技信息革命。

2008年爆发的全球性金融危机,直接或间接地推动了以物联网为核心的第三次信息技术革命的兴起。再次是政策和战略的引导。2009年以来,一些发达国家纷纷出台物联网发展计划,进行相关技术和产业的前瞻布局,我国也将物联网作为战略性的新兴产业予以重点关注和推进。2009年1月,IBM提出“智慧地球”概念,此概念上升至美国的国家战略;2004年日本总务省(MIC)提出U-Japan计划;韩国于2006年确立了U-Korea计划;2009年欧盟执委会发表了《欧盟物联网行动计划》。我国也将物联网作为战略性新兴产业予以重点关注和推进。2009年8月,温总理“感知中国”的讲话把我国物联网领域的研究和应用开发推向了高潮。同年11月，前总理温家宝发表《让科技引领中国可持续发展》讲话，明确提出“要着力突破传感网、物联网的关键技术”。2010年《政府工作报告》正式将“加快物联网的研发应用”列为新兴战略性重点发展产业。2011年11月，国家工信部出台了物联网“十二五”专题规划，我国的物联网发展如火如荼。

一、 物联网的概念及体系结构

1. 物联网的基本概念

目前,物联网仍没有一种权威的定义,从技术领域将,物联网是指将传感器、无线传感器、

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智能嵌入、互联网、射频识别、智能处理、纳米等这些技术融为一体,通过物联网,可实现万物互联,其还是具有控制精准、传输可靠及处理智能和感知全面等特征。

物联网思想由美国麻省理工学院(MTI)的Auto-ID实验室于1999年第一次提出,其指出通过RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)等信息传感器设备将所有物品与互联网相连,不仅具备智能化、还有自动识别和管理特征的网络。无线传感器网络技术和射频识别技术是其核也技术。

2005年11月,信息社会世界峰会(WSIS)在突尼斯举行,在该会议上,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报苦2005:物联网》,该报告首次正式阐述\"物联网\"。该报告认为：随着无线传感器网络技术(WSN)、射频识别技术(RFID)及纳米和智能嵌入等相关技术的发展,通过网络将可实现世界各物的连接,人们将迎来物联网时代。图1-1为典型物联网结构图。

图1-1物联网结构图

2. 物联网体系结构

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物联网技术中包含了计算机和互联网技术,通过现代信息技术对实物进斤识别与管理,利用无线通信技术实现信息交流。物联网优势明显,其中最显著特征就是在提高经济效益时还大幅度降低了生产成本,另外,物联网技术为我国经济发展提供强大的技术支持。许多国家都提出了物联网技术在本国未来发展中的规划。

通常将物联网分五部分,即阅读器、电子标签、物联网名称解析服务器、物联网中间件和物联网信息发布服务。在该系统中，电子标签中储存的RFID码是唯一的。RFID码中包括的信息项有名称、生产时间、保质期、商品类别。工作流程是闽读器读取识别电子标签中存储的信息,读取后发送到中间件,中间件发送指令到名称解析服务器,查询物品地址,名称解析器通过对应于相应名称下的地址引导査询物品的详细信息。在物联网信息发布服务器在接收到引导中间件发送的查询信息后,将记载该物品的详细信息传递给中间件服务器,从而获得与物品相应的具体信息。

在当前,物联网处于科技前端,技术严格且复杂,该技术还不够成熟。从物联网在当下的应用需求分析,学界一般将物联网为以下三个层次：1、感知层；2、网络层；3、应用层，如下图1-2所示。

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图1-2物联网技术体系框架

二、 国外物联网研究综述

20世纪90年代以后,国外关于物联网的研究 始萌芽,理论界投入大量的人力物力研究物联网。不过英文世界里的物联网并不是常以“Internet of Things”出现,在不同的场合也可能被其他不同的词所代替,如M2M (Machine to Machine)、传感网(Sensor Networks)、智慧地球(Smart Planet 或 Smart Earth)、泛在计算(Pervasive Computing)、普适计算(Ubiquitous Computing)等。国外物联网研究成果主要体现在以下四个方面：

1. 物联网概念的演化

麻省理工学院Auto-ID中心主任Ashton, K教授于1999年以RFID技术和无线传感网络作为支撑,提出了基于“EPC系统”的物联网。2000年,麻省理工学院的Neil, G教授

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撰写了《When Things Start to Think》一书。两位教授及他们团队的研究工作标志着国外物联网的发展和研究的开始。2005年,国际电信联盟(ITU)在信息社会世界峰会(WSLS)上发布了一份题为《The Internet of things》的年度报告,进一步全释和拓展了物联网的内涵,认为物联网是“任何时刻、任何地点、任意物体之间互联”(Any Time、Any Place、Any Things Connection), “无所不在的网络”(Ubiquitous networks)和“无所不在的计算”(Ubiquitous computing ) , 2008 年,欧盟通过《The Internet of Things in 2020》报告对物联网的定义进一步明确,认为物联网是由在智能空间中使用智慧接口与用户、社会和环境进行通信的具有标示、虚拟个性的物体或对象所组成的网络。2009年,IBM公司首席执行官彭明盛将物联网解读为“智慧地球”,认为人类可以通过传感器、互联网、云计算等技术将现实世界与网络世界相连,整合海量的物与物、人与物、人和人的信息,并进行分析与处理,从而最终实现智能化的控制与管理。此时的物联网逐渐从理论发展到应用,内涵进一步明确和细化。

2. 物联网的技术研发

美、日、英、法、德、俄等国家重点发展的核心技术有RFID技术、传感技术、M2M技术等,并把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。国外学者和企业界对物联网的技术研发主要集中在芯片、软件、互联网、高端应用集成等领域。Zorzi,M和Gluhak, A (2010)通过内联网和物联网的介绍,认为无线相关技术是物联网发展的挑战,通过解决技术难题促进未来物联网的发展。Atzoria,L等(2010)认为物联网的发展不仅受RFID、无线传感等技术的影响,其发展还受不同领域知识、不同环境的影响,处理好这种复杂的情况,有利于物联网的发展。

3. 物联网的产业应用

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美国“智慧地球”的应用范围包括城市安全与管理、公共管理与政务、智能交通与消防、工业生产与监测、个人健康与护理、食品追溯与检测等多个领域。Kranz,M (2010)等人认为可以通过RFID的识别和定位作用,将RFID等芯片和传感技术应用到生活各个领域,将会给人类的日常生活带来极大的便利。Broll,G(2009)等学者认为,移动通讯工具(比如手机)将成物联网应用的主要模式。移动通讯工具可以随时随地随人地将各类信息快速转化为数据,通过相应的平台和技术轻松实现信息交换和物联网,并且将成为整个物联网产业未来的发展方向。

4. 物联网发展前景的预测

2008年,欧洲智能系统集成技术平台(EPOSS)通过《Internet of Things in 2020》报告推测分析了物联网的发展阶段:“2010年之前是RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域的阶段,2010-2015年是物体互联的阶段,2015-2020年是物体进入半智能化的阶段,2020年之后物体进入全智能化的阶段。”国际电联(Mikko,A.U,2007)预测,未来世界是无所不在的物联网世界,到2017年将有7万亿传感器为地球上70亿人口提供服务。2010年,美国权威咨询机构弗雷斯特研究公司(Forrester Research)预测:十年后,物联网市场将是人与人的市场的30倍。类似不同角度的预测很多,是实证研究结果,还是感性经验数据?有待科研人员和市场的进一步验证。

三、 国内物联网研究综述

自1999年起,我国对物联网的核心技术——无线传感器网络及其应用开始研究,并在技术研发和标准制定领域已走在世界前列,与德国、美国、韩国一起,成为国际标准制定的主导国之一。国内明确以“物联网”命名的理论研究成果始于2003年、2004年在北京举办的第一、二届EPC与物联网联席会和首届中国国际EPC与物联网高层论坛。三次物联网会

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议跟踪了国际物联网技术发展动态,把握了国家在发展EPC与RFID技术方面的标准化工作以及市场推进工作,并就相关技术、政府政策、标准规范以及相关法律法规等热点问题进行了深人细致的探讨,形成了最早的理论成果。

1. 物联网概念的演化

研究初期,物联网的概念众说纷纟云,理论界尚未达成共识。部分学者认为物联网是基于RFID技术和互联网技术发展的网络。如,孟祥苑、张金刚(2009)等认为物联网是以RFID技术为主体,结合计算机网络技术和无线数据通信技术等,对每一个物体进行标志和识别,从而达到智能化监控和管理的过程。部分学者认为物联网就是传感网,如,刘海涛(2009)认为传感网是感知和传递现实世界的信息,物联网是让现实世界里的物物相连并进行智能管理,二者实际是一样的,只是传感网是由技术角度解读,而物联网是从用户主体和产业角度进行涂释的。侯赞慧(2010)等学者认为,物联网是合物理世界和人类社会,将物品与现有的互联网按指令相互关联和整合。这两种研究观点都得到了部分学者的赞同。同时,也有学者结合了上述两种观点定义物联网。如,朱仲英、魏凤(2010)等学者认为,物联网将RFID射频识别电子标签、红外感应器、全球定位系统等智能传感器安置在各类物体上,通过协议和端口与因特网互连,从而实现对人与物、物与物的智能化管理。

2. 物联网的技术研发

2006年,我国公布了《国家中长期科学与技术发展规划(2006—2020年)》,将物联网(传感网)列入重点研究领域,并列入新一代宽带移动无线通信网重大专项计划。随后,国家多部委还专门立项支持物联网核心技术的研发,特别是对射频识别(RFID)技术的研究和推广应用。张福生和边杏宾(2011)认为物联网中间件技术是物联网产业链的重要环节。粗略归纳我国物联网的技术研发主要集中于RFID技术、传感技术、识别技术、嵌入式系统技术、

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智能计算技术、无线通讯技术等。

3. 物联网的产业应用

从整体上看,物联网的行业应用势头良好,社会各界关于物联网的行业应用的研究成果非常丰富。他们或从宏观角度进行行业归纳,或从微观角度着意市场细分,不管出于何种立场进行的应用研究,在推动物联网的发展上着实功不可没。王斌义(2010)教授认为我国的物联网应以应用为先导,首先应用公共管理、服务市场,其次进行企业、行业应用市场,最后再到个人家庭市场,这是一个逐渐发展成熟和依次递进的过程。同时他认为交通、安防、物流、零售、电力、金融、环保、医疗等将成为物联网行业应用的重点领域。

4. 物联网发展前景的预测

国内对物联网价值和前景认可度非常高,但关于前景预测的研究甚少,多是对国外数据的解读和分析。少数的研究结果或依赖感性经验,或局限于某行业或地区。王汝林(2011)认为,物联网发展的主要趋势有:政务应用和商务应用将呈现加速融合趋势、电子标签将呈微型化趋势、在民生领域的应用将呈扩展化趋势、在城市管理的应用将呈泛在化趋势。

四、物联网技术简介

结合物联网在农业生产方面的应用，主要有两个个关键性的技术：标签事物的射频识别技术（RFID），感知事物的传感网络技术（Sensor technologies）。

1. 射频识别（RFID）技术

RFID也叫电子标签,就是所谓的无线视频识别。该技术利用射频信号可对目标对象的

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自动识别,并获取到需要的相关信息,该技术不需要对物体接触即可做到自动识别。该技术自动化程度高,不需要人为控制且受环境因素影响较小、可做到对高速运动物体的识別,而且可在同一时间做到对多个标签的识别。

2. 传感器网络技术

传感器是指能感受规定的被测量,并将感受到的数值转换成数字等可传输识别的信号,它是一种硬件装置。我国国家标准(GB7665-2005)对传感器的定义是：能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置\"。传感器是信息获取的终端器件,是一项重要技术,它的实现要与计算机、互联网共同支撑。

五、物联网技术在农业生产中的应用

农作物对生长环境的要求很高,光、温度、湿度、CO2浓度都能影响其生长,智能温室的意义就在于通过自动监测获取环境参数,通过参数分析调控室内环境,适应农作物的生长。传统的湿室大棚都是完全靠人自身的感觉或者经验来进行调整环境参数的,但是,由于每个人的感知都是不同的,这就非常容易产生误差,以至于对环境参数的调节产生差异,进而影响到农作物的生长。而基于物联网技术打造的智能温室大棚,是借助各种物理传感器来感知监测农作物的生长环境,得到的数据比较的有效和客观，可以对环境参数进行有效准确调节。实现智能温室有几个关键技术需要突破,首先是数据的采集,即采集终端技术的设计,主要包括各个环境参数传感器的选择。然后是服务器以及控制终端的设计,主要功能是数据的分析、处理、储存等功能,其中应用的主要技术是数据融合技术。

1. 数据采集

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数据采集过程中各个传感器要使用同一的时间,送就需要一个同一的时间基准,可以选择使用北斗卫星统一授时信号对时间进行校对。本文选择样本系统设计时参考对比了分布式和集中式采集方法。

分布式采集方法;在采集节点上安装分布式采集代理,实现对数据的采集,具体如图5-1所示。采集代理模块将采集到的数据通过无线网络传给服务器,采集服务器经过分析处理后存到数据库中。

图5-1分布式采集方法

2. 控制终端

本文选择样本系统控制终端的主要功能是对采集到的数字信息整合、分析、处理、存储,主要内容是对数据的处理方法。

多传感器数据最终进行融合的系统是由传感器、识别、校准、相关、估计等部分纽成,数据敲合技术可提商数据的传输可靠性,可有效解决数据传输中拥堵化及能耗等问题。数据融合技术原理如图5-2所示。

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图5-2数据融合系统原理图

六、国内物联网技术的现有不足

物联网技术拥有广阔的发展前景。但是,同时物联网技术在应用上还存在许多技术，外的问题，例如标准、规划、管理、协调、合作等等。

1.知识产权

在利用物联网技术的产业生产过程中,一些核也的关键性技术仍然使用的是国外的技术,由于没有知识产权,在使用这些技术的时候需要支付一定的费用,这样就增加了我们产品的成本,没有了价格的竞争优势。RFID技术就是最大的限制因素之一。

2.技术标准

目前我国万联网技术主要缺乏接口和模型两个方面的标准化。我国的无线射频识别技术联盟早在2005年就己经成立了,2006年发布了《中国射频识别技术政策白皮书》,其中

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要求把无线射频识别技术作为重要工作来进行研发,制定适合中国的标准。但是,到现在为止我国的无线射频识别产业还是没有统一的标准,还处在一片混乱的状态,技术倒是有所增强,标准还没有统一的趋势。但是,不管如何应尽快统一标准,不要像我言的3G技术那样最后出现3个标准,带来极大的不便。

3.行业协作

物联网技术应用于各个行业,而这些行业往往都分属于不同的政府部口管理,要想更好的发展物联网应用技术就必须要加强各个主管部口的协调互动,开诚布公打破行业、地域、行政部口之间的壁垒,加强优化体制改革,保证物联网技术又快又好的发展。

4.使用成本

物联网应用技术的实现是要把物与物连接起来进行统一的管理和操作,这必然会催生出许多其他产业,从而带动经济的发展。但是,在物联网应用技术推广的初期却有很多的困难,如成本高这一项就较大的阻碍了物联网技术的推广和应用。由于是初期,很多的元件和设备都很单一,价格贵成本高是不可避免的问题。而由于成本高的原因导致没有大规模的应用,没有大规模的应用和推广相反又导致了设备和元件的价格一直无法降低,达不到人们预期的价格。怎么样来打破送个怪现象,解决成本高的问题是打开物联网应用技术市场的关键。所以，总体来说,在物联网发展的初期出现的这些问题是正常的、不可避免的,关键是各个行业要共同努为推动这个产业又快又好的向前发展。

七、结论与展望

物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一,发展物联网对于促

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进经济发展和社会进步具有重要的现实意义。物联网将带来信息产业新一轮的发展浪潮,必将对经济发展和社会生活产生深远影响。

目前,我国物联网发展与全球一样同处于起步阶段,初步具备了一定的技术、产业和应用基础。近年来有关RFID等识别技术以及信息网络领域的研究成果不断涌现,为物联网的发展提供了推动作用。另一方面,我国物联网发展还存在一系列瓶颈和制约因素,主要表现在：核心技术和高端产品与国外差距较大,地址资源匮乏,应用水平较低,且规模化应用少,信息安全方面存在隐患等。“十二五”时期是我国物联网由起步发展进入规模发展的阶段,我国应当抓住机遇,明确方向,突出重点,加快培育和壮大物联网。

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