物联网的应用与挑战

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-03-14 10:11 热度：

　　摘要：物联网是在互联网的基础上延伸和扩展的网络。作为新一代信息技术，物联网几乎无所不在，并渗透到了社会生产和生活的方方面面。本文简要介绍了物联网的定义和研究现状，重点介绍了物联网在不同领域的应用，并指出了物联网的发展面临的挑战。

　　关键词：物联网;RFID;智能家居;安全

　　1 物联网的基本概念

　　物联网是未来互联网的一部分，是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。

　　1.1 物联网的定义

　　物联网英文名为 Internet of things，即物物相连的网络。物联网的概念最早由KevinAshton在1999年提出。他将物联网称为应用射频识别技术(RFID)的唯一可识别的互操作连接对象。随着时间的推移，物联网不断地演进和发展，其定义也在不断扩展。

　　从技术实现角度看，可以把物联网定义为通过 RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将物体与互联网连接，进行信息交换和通信，以实现对物的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

　　传统互联网主要解决计算机到计算机的连接问题，而物联网不再受限于网络终端的类型。随着智能传感器、无线通信和云计算等技术的进步，越来越多的 “东西”可以连接到物联网。物联网利用RFID、传感器等技术可以随时采集事物的信息，通过无线网络或者移动网络进行信息传输，并结合大数据、云计算、智能识别等技术，实现对海量数据的处理，并对物体进行智能控制。

　　1.2 物联网的研究现状

　　物联网可以使信息在物体间传递和共享，充分发挥信息网络的优势，并对事物进行全面感知。目前，世界各国都认识到了发展物联网的重要性，并提出了国家战略来探索物联网技术。例如，美国于2009年就提出了“智慧地球”的概念和战略，2015年又宣布投入1.6 亿美元推动智慧城市计划，将物联网应用试验平台的建设作为首要任务。欧盟于 2015 年成立了横跨欧盟及产业界的物联网创新联盟(AIOTI)，并投入5000万欧元推进委员会统领的“四横七纵”架构。日本于2008 和 2009 年提出“u-Japan x ICT”和“i-Japan 策略”，这些项目旨在将物联网部署在日常生活的各个领域。韩国于2011年推进RFID/ USN和“新IT战略”计划，推动物联网基础设施发展。中国于2010年6月正式启动“感知中国”项目，旨在推动我国物联网产业健康发展，引领信息产业第三次浪潮，培育新的经济增长点，增强可持续发展能力和竞争力。

　　2 物联网的主要应用领域

　　过去，由于 IT 基础设施建设相对薄弱，许多物联网应用只能停留于概念。现如今，随着物联网相关软硬件技术的发展与完善，物联网应用加快了扩展的步伐。目前，在人们生产生活中的诸多领域都可以看到物联网应用的身影，同时还有更多物联网应用等待普及和发展。在物联网强大的信息采集、传输及处理能力面前，许多传统产业长期存在却又无法妥善处理的问题将得到解决，物联网应用正逐步成为推动社会经济发展的新动力。下面将从仓储与物流、健康与医疗、智慧城市、智能家居 4 个方面对常见的物联网应用进行介绍。

　　2.1 仓储与物流

　　物联网常被用来解决仓储与物流方面的问题。电子标签可以贴附于绝大多数产品，服装、家居用品、电子设备甚至是食品都可以在电子标签的帮助下实现快速识别和自动分拣。过去，企业管理人员很难完成产品全生命周期的追踪，现如今，利用物联网，产品在生产、仓储、物流配送和销售等各个环节都可以被跟踪和定位。例如，随生产线安装部署的RFID读取器允许企业管理人员对整个生产过程进行监控，使其可以清晰地了解不同生产环节的产出效率，智能货架可以实时获取库存信息，帮助企业管理人员做出扩大或减少产能的判断，以避免缺货或积压，减少材料浪费，从而降低制造商的成本并提高利润率。此外，一些环境监测传感器可以连续监测储藏室或冷库内的温度和湿度，这有助于确保易腐食品(例如水果、蔬菜、冷冻食品)的新鲜度，一些整合了执行器的智能传感器还可以根据当前环境状态自动修改温度和湿度，在使储藏物保存在最佳状态的同时节约能源开销。与此同时，企业还可以为消费者提供基于RFID的产品追溯，这有助于帮助企业开拓市场并赢得消费者的信赖。

　　目前，相对成熟的物联网应用包括产品的溯源和智能可视化的物流管理(通过 RFID、GPS 定位和传感器实现车辆定位、物品追踪和货物的在线调动)。一些大型企业如京东、美的、海尔等都已经着手建立和打造智慧物流体系或智能物流中心。京东在固安建立的超大型的智能物流中心是京东目前最大最先进的物流园区之一，该园区拥有全品类、千万量级商品的仓储，即便在最火爆的促销活动期间，北京及周边城市也能享受到自营产品当日达或次日达的配送速度，这跟京东强大的智能物流体系是分不开的。

　　2.2 健康与医疗

　　健康与医疗是物联网十分重要的应用领域。用户通过佩戴嵌入微型传感器的设备，就能在几乎不影响生活的情况下，轻松获得自己的健康数据或者医疗指标。在用户同意的情况下，这些健康数据还可以实时上传到云端以供分享和存储。近年来十分流行的智能手环就是其中的代表，利用嵌入手环中的传感器，我们可以对自己的身体状态和健康状况进行监控和记录。例如每天实时的步数、运动中消耗的热量和卡路里、心率以及睡眠状况。一些智能手环还可以根据用户的健康状态为用户提供定制化的运动量规划。

　　除了基本的健康数据外，一些专业的辅助医疗传感器还可以帮助患者实时监测具有诊断意义的医疗指标。传感器收集的信息可以通过互联网发送给医生或上传到远程医疗中心以获取更优化的治疗方案。这种利用网络实现的远程医疗使医生可以跨越地域的限制，不仅有助于提高医疗服务的质量，还降低了医疗成本。现如今，可穿戴式的生物传感器已被应用于患者的日常活动监测和老年人护理等方面，能监测体温、血糖和血压水平的医疗传感器已在实际生活中得到了应用并获得了很好的效果。

　　除了采集健康数据，物联网还可以应用于医疗监管。例如，在药品监管中，要求药品生产企业在药品包装中加入电子标签并分配具有唯一性的药品标识码。消费者可以根据标识码便捷地查询药品生产信息并鉴别真伪。一旦药品出现质量问题，还可以利用标识码追溯药品来源，对问题药品进行下架和召回。另外，一些药品具有十分严格的保存和运输要求，例如，2016年发生的山东毒疫苗事件中，疫苗的储存温度没有达到国家标准，直接导致了疫苗质量无从保证。而利用物联网构建的智能仓储和物流可以实时采集药品所处环境的温度、湿度等关键参数，并实时上传到服务器进行分析和存储。企业可以对环境参数设置阈值，一旦出现不符合要求的情况则立即发出警报，通知相关人员进行及时处理。监管部门也可以对药品的保存和运输环境进行实时监控或调阅历史信息进行审计。

　　2.3 智慧城市

　　随着信息和通信技术的发展，人们可以对城市运行的各项信息进行数字化管理。利用信息系统对交通、环保、商业及城市服务等各种需求进行分析和响应，实现城市的智慧化运营和管理，即智慧城市。

　　在智慧城市中，物联网无处不在。例如，集成在汽车中或乘客的智能手机中的传感器可以收集更细粒度的交通信息(道路流量、车辆行驶状况及行驶规律)。收集到的数据可以通过车联网传送到控制中心，为交通疏导和道路规划提供依据。智能停车系统可以根据司机的位置和道路情况，将司机引导到最近的可用停车位，从而节省时间和燃料。放置在停车位上的传感器还可以帮助检测非法停泊的车辆。

　　基于物联网实现的智能电网也是智慧城市不可或缺的组成部分。智能电网被定义为一种智能配电系统。与传统电网中能源仅由几个中央发电厂生产，并通过大型电缆网络向最终客户“广播”的方式不同，在智能电网中最终客户也可以成为电力的生产者。客户的微电网(太阳能电池板、风力发电机)产生的能量被发送到电网，电网通过智能能量控制服务来适当地管理它，并将其存储在特定的能量存储器中。使用智能电表、智能开关和智能电器，电网能够提前了解预期的需求以协调电力的生产和消费，从而避免高峰负荷，并在发生故障或泄露时迅速处理。与此同时，还可以根据用电规律进行动态定价，以提高人们对能源消费的认识，促进人们更加合理地使用能源。

　　在城市安全方面，物联网也发挥着重要的作用。利用物联网，人们可以更好地监测紧急情况(化学品泄漏、火灾、洪水和地震等)，并更及时地进行救援。专用传感器、智能相机、提供实时定位的GPS等设备可以帮助分析灾害分布及人员流动情况，并预测紧急状况的发展趋势(例如火灾的蔓延情况和速度、化学品泄漏时的重大危险区域等)，从而制定动态应急预案，协调救援行动。个人可穿戴设备上的传感器，可以帮助消防员了解建筑物内被困人员的数量和位置，引导消防员营救被困人员。另外，在火灾发生时，无线摄像机可以帮助提供有关火情的实时信息，以计算最佳逃生路线和建筑倒塌时间。可穿戴式的健康监控设备还可以实时通报消防员或被困人员的身体状况，当出现紧急情况时(例如快速或不规则的心跳)发出警报。

　　物联网还可以在城市生态环境监测方面做出贡献。通过放置在特定观测点的各类传感器(如声学、光学、化学、红外灯传感器)采集数据，利用传感器网络和可靠传输将数据传递给信息中心，为环境治理和污染防治提供支撑。例如，江苏省建立的生态环境监控系统就对饮用水水源地、流域水环境、大气环境、重点污染源、机动车尾气、辐射环境、危险废物等进行实时监控，对重点污染源、污水处理厂、大型燃煤电厂、危险废物处置单位等各类企业单位实施全方位自动监控，实现了监管的透明化。

　　2.4 智能家居

　　智能家居以住宅为平台，通过物联网将家中的各种设备连接到一起，通过收集、分析用户行为数据为用户提供个性化生活服务。智能家居利用家电的自动控制、照明控制、温度控制、防盗和报警控制等多种功能和手段让家居生活变得更加安全、便捷和舒适。

　　作为物联网的一个新兴产业，智能家居经历了萌芽期、探索期、市场启动期这几个阶段，现在已经进入快速发展期。有数据表明，到2020年智能家居产值有望达到2万亿元。智能家居在未来几年内仍有非常大的发展空间。现在市场上比较流行的智能家居产品有智能插座、智能摄像头、智能灯控、智能卫浴等，市场发展开始由爆款单品向智能家居系统发展，系统集成厂商开始发挥优势。例如，海尔公司推出的 U-home 平台，允许家居中各类家电、各种安防设施实现跨品牌、跨产品的互联互通。

　　智能家居通过预先安装和配备的传感器，结合住宅中的通信网络，对家居产品进行自动化和智能化的操控。例如用于解决家居安全问题的视频监控、入侵检测和来访者管理，用于家居设备维护的故障检测与恢复、产品管理与升级，用于生活服务的自动照明、自动温度调节，用于家庭娱乐的分发多媒体等。在智慧城市中，智能家居还可以和其他类型的应用如智能电网集成。通过以动态的方式调节家用电器的使用时间(例如洗衣机或洗碗机)，从而避免用电高峰期的昂贵电价(基于智能电网中的动态定价)。还可以通过摄像头和用户的智能手机定位来判断用户当前的状态，并据此做出响应(例如，在用户离开房间后关闭无需开启的用电设备)。通过跟踪用户的生活轨迹，智能家居还可以根据用户的习惯提供更舒适的家居生活。例如，系统可以学习到主人到家的时间，从而在合适的时间开启照明系统和空调，甚至提前在浴缸中放好热水。

　　3 物联网面临的挑战

　　可以预见，新兴的物联网在不久的将来会为人们的生活带来前所未有的便利。同时，也不能忽视物联网发展中伴随的问题。物联网是一个全新的概念，将这种新生事物融入公共生活的方方面面必然面对很多困难与挑战。一方面，社会需要不断地在物联网带来的便利与其可能产生的个人信息泄露风险间做出抉择;另一方面，如何改造相对滞后的 IT 基础架构使其能够支撑崭新的物联网应用也是一个难题。下面将从安全、隐私、标准及资源这4个方面对物联网面临的挑战进行介绍。

　　3.1 物联网的安全问题

　　物联网设备通常采用无线通信来传递数据，虽然如今的无线通信技术已经在数据加密方面有了成熟的解决方案，但是这些加密方法往往需要数据传输节点具有较强的运算能力以支持复杂的加密算法。然而，限于体积和能耗，物联网的许多传感器设备尚不能提供足够的运算能力。同时，随着物联网应用的发展，物联网设备可能需要频繁的加入网络。因此，为防止可能破坏系统的恶意设备进入，用以鉴别身份的安全认证机制必不可少。加入网络的每个对象都必须被正确认证并接受授权检查，同时需要构建有效的访问控制策略来防止对象非法越权访问私人的敏感数据。现有的公共密钥分发机制可以帮助构建这种认证和授权体系，但是由于物联网设备的海量数量，密钥的分发可能导致过于庞大的传输开销。因此，为了在物联网上实现可靠的加密、认证与授权，需要学术界提供更加高效和低功耗的安全解决方案。

　　同时，安全漏洞也是物联网必须考虑的问题。赛门铁克公司在2013年11月发现的一个被称为“Linux. Darlloz”的恶意软件标志着攻击者已经将目光瞄准到了物联网领域。一个受感染的设备可以向整个网络传播恶意软件。一些安装在室外的物联网外围设备(如摄像头)往往首当其冲成为恶意软件的牺牲品，攻击者甚至可以直接通过物理连接，在这些设备上种植病毒。鉴于物联网的种种特殊性，需要设计轻量级的入侵检测系统和防病毒软件以应对最新的安全威胁。

　　3.2 物联网的隐私问题

　　物联网设备通常会收集有关个人日常生活的信息，并将其交由智能对象存储和分析，以便根据用户的偏好提供个性化解决方案。但是，这也有可能导致个人隐私信息的泄露与滥用。因此，必须明确建立从智能对象收集的数据的所有权。数据所有者必须确保在未经他人同意的情况下个人隐私数据不会被使用或共享。

　　建立完备的隐私政策是确保个人隐私信息得到保护的一种方法。物联网中的采集设备必须符合隐私政策的要求，当采集特定信息时，必须通知数据权所有人并得到其认可。物联网设备持有者可以随时检查采集设备所采用的隐私政策，以确保自己的隐私信息不会在未授权的情况下被采集和使用。数据匿名化也是解决隐私问题的一种方法，通过掩盖数据与其所有者之间的直接关系来匿名数据，这往往被用于区域数据分析。数据的使用者只能获取到经过了足够程度混淆的统计信息，以保证第三方无法通过这些统计信息反向追踪用户隐私。如何混淆数据以在数据有效性和隐私保护性两个方面取得平衡将成为未来一段时间学者们研究的重点。

　　在隐私保护方面，物联网还可能面临法律问题。物联网应用收集的个人数据本质上是私有的，全体物联网从业者必须在隐私信息收集与保护问题上达成共识。可以预见，相关部门必然会出台法律法规以约束和督促物联网应用开发商切实地将隐私保护落实在他们的产品里。

　　3.3 物联网的标准化问题

　　物联网包含各种各样的设备，因此各种设备之间的互操作性是一个非常重要的问题。由于大多数的智能对象都有自己的底层硬件和软件平台，并且大多数智能设备的厂商都倾向于使用自己的内部专利或技术，因而各种设备之间很难实现交互操作。因此，需要对各种技术的标准进行统一，以在交互操作时提供无缝连接。

　　标准化在物联网发展中起着关键作用。物联网的标准化旨在降低新用户和新的制造商的进入壁垒，从而提高互操作性，并使产品或服务获得更大的竞争力。然而，物联网的快速增长使得标准化变得困难。物联网的标准化具体涉及互操作问题，无线接入级别问题，以及安全和隐私问题等。物联网的开放标准，如安全标准，通信标准和识别标准，是扩大物联网技术的几个关键推动因素。智能设备需要可扩展的应用层和通用的编程框架，使程序员只用专注于应用程序开发，而不用过多的考虑底层架构实现。这就要求RFID和传感器技术的标准化，以及通信协议和关键中间件的创新。借助于标准化通信协议和中间件技术，可以使物联网框架中的各种设备实现互操作。

　　另外，将物联网架设在云上，在云上运行应用程序可以省去很多麻烦。因为节点上有足够的内存空间可用，最重要的是，开发人员无需担心硬件架构。后者将有助于在云上开发应用程序，并增强异构节点之间的通信。

　　3.4 物联网的资源问题

　　随着物联网发展的不断深入和扩展，物联网与基础设施资源间的问题也越来越明显。这包括物联网中智能对象的唯一标识问题、能源问题和频谱资源问题等。

　　物联网框架中包含很多设备，这些设备连接到互联网，需要有效的识别机制，以便唯一地识别框架中的每个对象。传统互联网使用IP地址作为网络设备的唯一标识，但是IPv4地址的快速耗尽，使其已经无力解决物联网中巨大数量的智能设备的标识问题，推广和使用128位的IPv6地址或许可以帮助缓解问题。

　　能源问题主要来源于设备的连续监控、数据采集和数据的传输，这些需要大量的电力，对于使用低蓄能电池供电的节点来说是一个严重的挑战。此外，与有线传输相比，通过无线介质将这些设备收集的数据传输到控制点需要更大的功率。因此需要采用绿色节能技术，使节点工作在较低功率，并利用太阳能和风能等技术为电池供电，以延长设备的使用寿命。

　　物联网网络传输以无线方式为主，这就注定了物联网将成为无线频谱资源的需求大户。物联网上成百上千亿的设备和智能终端需要通过无线连接，其中既有类似于健康监测的小流量应用，也有类似于视频监控的占用高带宽的应用，这对频谱的需求绝不是当前分配的移动通信和无线接入频率所能承载的。物联网的巨大规模及其数据流量的突发性，容易造成用户在热点领域堆积，引发网络拥堵或者资源不均。因此，要充分了解资源，合理智慧地利用资源。要提高利用率并科学规划频谱资源的使用，并探索认知无线电等技术在动态频谱资源分配上的应用。——论文作者：朱佳佳　赵 妍

文章名称：物联网的应用与挑战

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