1.4 无线传感网与物联网

1.4.1 物联网概述

物联网即物物相连的互联网，其英文名称为IOT（Internet of Things）。物联网是通过各种手段，将现实世界的物理信息进行自动化、实时性、大范围、全天候的标记、采集、汇总和分析，并在必要时进行反馈控制的网络系统。它通过标准的协议，依靠自动识别技术，通过计算机互联网实现物品（或商品）的自动识别和信息的互连与共享，即通过装置在各类物体上的 RFID 电子标签、传感器、二维码等，经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能和通信能力。这种将物体连接起来的网络被称为物联网。

物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。物联网将用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信。过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开，一方面是机场、公路、建筑物等，另一方面是数据中心、个人电脑、宽带等。而在物联网时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施。在此意义上，基础设施更像是一块新的地球，是实现智慧地球的核心技术。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等技术广泛应用于各类网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业发展的第三次浪潮，是继因特网之后的下一个万亿级市场引擎。物联网等信息化技术是建设智慧城市的手段和工具，是承载智慧城市建设的技术基础。在互联网技术日益发达的今天，云计算、物联网、大数据挖掘等新技术层出不穷，这些新技术也促进着互联网，让互联网技术本身获得史无前例的快速发展。

1.物联网的特征

和传统的互联网相比，物联网具有以下鲜明特征。

（1）物联网是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性地采集环境信息，不断更新数据。

（2）物联网是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。

（3）物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。物联网从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

2.物联网的体系结构

物联网的体系结构一般划分为三个层次，从下而上依次是：感知层、网络层、应用层，如图1-17所示。

（1）感知层。感知层包括电子标签、各种传感器等数据采集设备等，共同实现包括各种人或物的识别与管理、各种监测指标的数字化获取等。

（2）网络层。网络层的主要功能是通过现有互联网（IPv4/IPv6网络）、移动通信网（如GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、无线接入网、无线局域网等）、卫星通信网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输。网络层还包括能够接入各种异构网的设备，如接入互联网的网关、接入移动通信网的网关等。物联网的网络层将建立在现有的移动通信网和互联网基础上，通过各种接入设备与移动通信网和互联网相连，如手机付费系统中由刷卡设备将内置手机的 RFID 信息采集分析并传到互联网，网络层完成后台鉴权认证后从银行网络划账。

（3）应用层。应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。物联网的应用可分为监控型（如物流监控、污染监控）、查询型（如智能检索、远程抄表）、控制型（如智能交通、智能家居、路灯控制）、扫描型（如手机钱包、高速公路不停车收费）等。

无线传感网络技术的发展为物联网信息的采集提供方便快捷的手段，同时也出现了以往所没有的各种海量数据（Massive Data）和大数据（Big Data）。大数据的处理必须借助专用的数据处理以及数据挖掘、云计算等前沿技术手段。为了更好地提供准确的信息服务，应用层还必须结合不同行业的专业知识和业务模型，需要集成和整合各种各样的用户应用需求，并结合行业应用模型（如水灾预测、环境污染预测等）构建面向行业实际应用的综合管理平台，以便完成更加精细和准确的智能化信息管理。例如，当对自然灾害、环境污染等进行检测和预警时，需要相关生态、环保等各种学科领域的专门知识和行业专家的经验。在应用层建立的诸如各种面向生态环境、自然灾害监测、智能交通、文物保护、文化传播、远程医疗、健康监护、智能社区等应用平台，一般以综合管理中心的形式出现，并可按照业务分解为多个子业务中心，每个业务中心将采集和传输的各种数据进行存储、聚类、挖掘等处理，为各种应用提供数据基础。因此，当前在三层物联网体系结构下，又出现了一个数据层，如图1-18所示。数据层专门用来对无线传感网、RFID（射频识别）等各种感知手段获取的大量数据进行存储、分析与处理，建立大数据中心。其核心技术包括云计算、云存储、数据处理、数据挖掘、专家决策等，该层为上层应用提供统一的平台服务和数据汇集与存储，也是应用层众多应用的基础。

无线传感网必须与物联网中的其他关键技术相结合，只有进行多技术的融合研究才能推动物联网的快速应用。随着机器与机器（Machine to Machine,M2M）、中间件、云计算、数据挖掘、IPv6等技术的发展与应用，未来无线传感网将与物联网全面走向融合，成为新一代信息技术的重要组成部分。

1.4.2 无线传感网与物联网

在物联网概念如日中天的今天，无线传感网常常被误认为与物联网等同，无线传感网似乎成了物联网的别名。而实际上，早在物联网概念提出之前，无线传感网就已经得到了广泛的应用，例如，由有多个温度传感器组成、通过巡检方式工作的温控网，再比如具有多种声、光、电、机械甚至图像探测能力的安防网等。因此，无线传感网与物联网在网络架构、通信协议、应用领域上都存在很大的不同。

在物联网发展的大背景下，无线传感网由于其固有的特性和优点成为了物联网感知物体信息、获取信息来源的首选。从物联网的体系架构可以清楚地看出，无线传感网只是物联网感知层的一部分，无线传感网为物联网提供了快速方便的信息获取手段，与 RFID、GPS/北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System,BDS）、视频识别、红外与激光扫描等感知技术一起构成物联网自动识别与物物通信的末梢神经。无线传感网能够实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标的检测与跟踪。

物联网感知层中用来获取信息的手段主要有两种：一种是基于 RFID 的物联网感知，另一种就是基于无线传感网络的物联网感知，如图1-19所示。

在第一种情况下，物联网中被检测的信息是RFID标签内容，高速公路不停车收费系统、超市仓储管理系统等都是基于这一类结构的物联网应用。由于 RFID 抗干扰性较差，而且有效距离一般小于10m，这对其应用是个限制。在第二种情况下，感知层由无线传感网络和接入网关组成，无线传感网络中工作节点感知目标信息（温度、湿度、压力、加速度等），并自行组网传递到上层网关接入点，由网关将收集到的感应信息通过网络层提交到后台处理，环境监控、污染监控等应用就是基于这一类结构的物联网应用。

当前有很多应用领域将RFID与无线传感网络隔离开来，这使得RFID标签/阅读器与同级别的各种无线传感器物理分开。然而，当数据从 RFID 标签和无线传感节点被转寄到普通控制中心时，在软件处理中就会存在RFID与WSN两种数据来源，这会使数据处理复杂化。如果将无线传感网络同 RFID 结合起来，利用前者高达100m 有效半径，形成无线传感标识（Wireless Sensor Identification,WSID），共同构建物联网感知层，使得系统可以利用更多的传感器和更少的网关，大大方便物联网应用部署和拓展物联网的应用领域。

从物联网的发展趋势来看，RFID最终将会与WSN融合，成为物联网感知层的一个信息采集整体。例如，可以扩充现有的RFID阅读器功能，增加通用即插即用（Universal Plug and Play,UPnP）和简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol,SNMP）等技术将无线传感网络包括进来，这样，RFID阅读器就可以为RFID应答器数据和无线传感器数据提供适用的、统一的接口配置，使得无线传感网络数据能当作 RFID 的数据送给高层应用，这样上层不需要区别RFID和WSN的数据来源，从而实现WSN与RFID结合来共同实现物联网的目标信息获取。