物联网技术及其在车辆中的应用.docx

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物联网技术及其在车辆中的应用

物联网技术及其在车辆中的应用

黄胜龙

2011年5月18日

1.物联网技术开展

物联网可分为三层：

感知层、网络层和应用层。

感知层是物联网的皮肤和五官识别物体，采集信息。

感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等，主要是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。

网络层是物联网的神经中枢和大脑信息传递和处理。

网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。

网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。

应用层是物联网的“社会分工〞与行业需求结合，实现广泛智能化。

应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。

感知层技术

1、传感器技术

传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。

从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑〞，把通信系统看成传递信息的“神经系统〞的话，那么传感器就是“感觉器官〞。

传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理〔变换〕和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器〔又称换能器〕、信息处理和识别的规划设计、开发、制／建造、测试、应用及评价改良等活动。

获取信息靠各类传感器，它们有各种物理量、化学量或生物量的传感器。

按照信息论的凸性定理，传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质量，是高品质传感技术系统的构造第一个关键。

信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。

识别的主要任务是对经过处理信息进行辨识与分类。

它利用被识别〔或诊断〕对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。

因此，传感技术是遵循信息论和系统论的。

它包含了众多的高新技术、被众多的产业广泛采用。

它也是现代科学技术开展的根底条件，应该受到足够地重视。

微型无线传感技术以及以此组件的传感网是物联网感知层的重要技术手段。

2、射频识别〔RFID〕技术

射频识别〔RadioFrequencyIdentification，简称RFID〕是通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据的无线通讯技术。

在国内，RFID已经在身份证件、电子收费系统和物流管理等领域有了广泛的应用。

RFID技术市场应用成熟，标签本钱低廉，但RFID一般不具备数据采集功能，多用来进行物品的身份甄别和属性的存储，且在金属和液体环境下应用受限，RFID技术属于物联网的信息采集层技术。

物联网主要涉及电子标签、传感器、芯片及智能卡等三大领域，而在对传感网技术的开发和市场的拓展中，其中非常关键的技术之一是RFID技术。

实质是利用RFID技术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阅读器Reader和无数移动的标签Tag组成比互联网更为庞大的物联网，因此RFID技术成为物联网开展的排头兵。

RFID技术是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别技术，是一项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到达物体识别的技术。

RFID系统主要由三局部组成：

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或读写器中。

RFID技术的工作原理是：

电子标签进入读写器产生的磁场后，接收解读器发出的射频信号，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〕；解读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。

RFID按应用频率的不同分为低频〔LF〕、高频〔HF〕、超高频〔UHF〕、微波〔MW〕，相对应的代表性频率分别为：

低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M-960MHz、微波。

目前，实际RFID应用以低频和高频产品为主，但超高频标签因其具有可识别距离远和本钱低的优势，未来将有望逐渐成为主流。

据统计，2021年全球RFID市场规模将从去年的49.3亿美元上升到52.9亿美元，这个数字覆盖了RFID市场的方方面面，包括标签、阅读器、其他根底设施、软件和效劳等。

RFID卡和卡相关根底设备将占今年市场的57.3%，达30.3亿美元。

来自金融、安防行业的应用，如非接触支付、门禁控制将推动RFID卡类市场的增长。

全球标签使用数将到达21.6亿个，2007年为17.4亿个，而2006年仅为10.2亿个。

在所有21.6亿个标签使用量中，强制性的货盘和货箱贴标应用的标签将为3.25亿个，即占总量的15%。

除零售商强制要求应用外，零售业标签的总体应用量都呈上升趋势。

动物贴标应用快速增长，特别是中国和澳大利亚、新西兰等国家。

2021年动物贴标应用将消费900万个标签。

智能纸质标签是最主要的标签应用形式，据预测，到2021年，RFID纸质标签将占标签总数的99.1%。

2021年中国RFID市场规模将到达50亿元，年复合增长率为33%，其中电子标签超过38亿元、读写器接近7亿元、软件和效劳到达5亿元的市场格局。

3、微机电系统〔MEMS〕

微机电系统〔MicroElectroMechanicalSystems，简称MEMS〕是指利用大规模集成电路制造工艺，经过微米级加工，得到的集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。

MEMS技术近几年的飞速开展，为传感器节点的智能化、小型化、功率的不断降低制造了成熟的条件，目前已经在全球形成百亿美元规模的庞大市场。

近年更是出现了集成度更高的纳米机电系统〔Nano-ElectromechanicalSystem，简称NEMS〕。

具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适合大批量生产等特点。

MEMS技术属于物联网的信息采集层技术。

4、GPS技术

GPS又称为全球定位系统〔GlobalPositioningSystemGPS〕，是具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

GPS是由空间星座、地面控制和用户设备等三局部构成的。

GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通（船舶、飞机、汽车等）导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活（人员跟踪、休闲娱乐）等不同领域。

GPS作为移动感知技术，是物联网延伸到移动物体采集移动物体信息的重要技术，更是物流智能化、可视化重要技术，是智能交通重要技术。

1.2网络层技术

网络层是物联网的神经中枢和大脑-用于传递信息和处理信息。

网络层包括通信网与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。

网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。

网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问题。

这些数据可以通过移动通信网、互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等进行传输。

特别是在三网融合后，有线电视网也能承当物联网网络层的功能，有利于物联网的加快推进。

网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。

物联网的网络层将建立在现有的移动通信网和互联网根底上。

物联网通过各种接入设备与移动通信网和互联网相连，例如付费系统中由刷卡设备将内置的RFID信息采集上传到互联网，网络层完成后台鉴权认证，并从银行网络划账。

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，包括传感网数据的存储、查询、分析、挖掘和理解，以及基于感知数据决策的理论与技术。

云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，将是物联网网络层的重要组成局部，也是应用层众多应用的根底。

在产业链中，通信网络运营商和云计算平台提供商将在物联网网络层占据重要的地位。

物联网的核心技术之组网〔OSI网络层〕

组网要解决的问题

在不同网络拓扑下信息元〔如数据包〕的发送路径，尤其是大范围MESH拓扑、自身或其他节点移动时，路由能力需要高度智能化；

数据流的分布与管理：

数据源节点、目标节点的分布，接入点位置；

利用跨层信息优化路径和系统各个指标〔移动性、稳定性、寿命等〕

2、通用组网技术

条件组网〔基于各种预设的索引信息〕：

支持较大网络容量，算法简单，但移动性差，鲁棒性差，安装维护严重依赖人工。

如IP-v4、IP-v6、Zigbee、HierarchicalStateRoutig、GeographicalRoutig、TORA等；

　无条件组网〔完全自组模式〕：

支持移动节点，鲁棒性较强，但算法复杂，通讯需求较高，对节点功耗和运算能力也较高。

如DSDV、AODV、DSR等。

3、研究前沿

高效、大规模、完全自组网算法和相关智能化算法：

如功耗-流量均衡、链路优化、数据延时优化等；

多种接入方式兼容技术。

目前网络多采用IP架构，需后IP时代的兼容技术；

异构网络发现、识别、网际语义理解技术。

物联网引起全世界的广泛关注以来，终端数量持续上升，逐渐成为上百亿终端的市场，给网络运营提出了两个方面的挑战。

首先是码号寻址需求，从国际和国内两个方面看，IPv4地址缺乏已经成为不争的事实。

一方面，截止到2021年3月，全球可分配的A类IPv4地址段只剩下22个，预计2021年亚洲地址管理分支机构APNIC的IPv4地址池将耗尽，届时国内公司将无法再申请到IPv4地址；另一方面，我国已获得的IPv4地址份额只占到全球的6.3%，势必影响我国巨大潜在市场的开展。

由此可见，IPv4地址尚不能满足互联网和移动互联网的地址需求，对于开展中的物联网，特别是具有数量众多的感知层节点的标识问题，这个问题更为明显。

其次，物联网业务开展问题也凸显出现，目前，感知终端上的数据格式多种多样，难以统一管理运营，新型业务难以落地。

由于缺乏统一的网络层通信标准，应用程序的开发处于无章可循的状态，且广泛基于TCP/IP协议栈开发的互联网应用不容易移植。

因此，物联网的开展需要统一标准的协议来支撑网络向大规模泛在化开展，也需要一个标准的网络根底设置来孵化各种新型的业务模式，真正实现“无处不在的网络、无所不能的业务〞。

基于这两个方面的需求，物联网和IPv6产生了广泛的联系。

IETF从一开始研究物联网相关技术以来，就把IPv6作为惟一选择，IETF相关工作组的工作都是在IPv6根底上展开的，相关的产业联盟IPSOAlliance〔IPSmartObjectAlliance〕也开始了IPv6产品化推广的路线。

最初不支持IP相关技术的Zigbee组织，也在其智能电网〔SmartEnergy〕的最新标准标准中参加了对IPv6协议的支持。

本文介绍了物联网感知层的IPv6协议标准化动态，介绍了IPv6技术在IETF，IPSO，Zigbee，ISA-100多个标准化组织的根本原理和工作进展。

2 IETF工作进展

IETF成立了3个工作组来进行低功耗IPv6网络方面的研究。

6LowPan〔IPv6overLow-powerandLossyNetworks〕工作组主要讨论如何把IPv6协议适配到IEEE802.15.4MAC层和PHY层协议栈上的工作。

RoLL〔RoutingOverLowPowerandLossyNetworks〕主要讨论低功耗网络中的路由协议，制订了各个场景的路由需求以及传感器网络的RPL〔RoutingProtocolforLLN〕路由协议。

CoRE〔ConstrainedRestfulEnvironment〕工作组由6LowApp兴趣小组开展而来，主要讨论资源受限网络环境下的信息读取操控问题，旨在制订轻量级的应用层协议〔ConstrainedApplicationProtocol，CoAP〕。

 6LowPan工作组

6LowPan工作组成立于2006年，属于IETF互联网领域。

该工作组已完成两个RFC：

?

在低功耗网络中运行IP6协议的假设、问题和目标?

〔RFC4919，Informational〕；?

在IEEE802.15.4上传输IPv6报文?

〔RFC4944，ProposedStandard〕。

在IEEE802.15.4网络中运行IPv6协议的主要挑战来自于两个方面，一方面802.15.4物理层支持的最大帧长度是127字节，而IPv6的报头就占据了40字节，再加上MAC层报头，平安报头、传输层报头的长度，实际能够给应用层使用报文长度变得非常小。

另一方面，IPv6协议〔RFC2460〕中规定的MTU值最小是1280字节，说明IP层最小只会把数据包分片到1280字节。

如果链路层支持的MTU小于此值，那么链路层需要自己负责分片和重组。

所以，6LowPan工作组为IEEE802.15.4设计了一个适配层，把IPv6数据包适配到IEEE802.15.4规定的物理层和链路层之上，支持报文分片和重组，同时6LowPan规定了IPv6报头的无状态压缩方法，减小IPv6协议带来的负荷。

6LowPan工作组的工作在低功耗节点协议栈中的位置如图1所示。

图1 6LowPan协议栈模型

报头压缩的主要原理是通过压缩编码省略掉报头中冗余的信息。

不包含扩展头的IPv6报头一共有40个字节，但是在网络感知层，IPv6报头中的很多信息可以省略或者压缩，IPv6报头中的各个信息域的压缩方法如下：

〔1〕版本号Version〔4位〕：

取值为6，在运行IPv6协议的网络中，此项可以省略。

〔2〕流类型TrafficClass〔8位〕：

可以通过压缩编码压缩。

〔3〕流标识Flowlabel〔20位〕：

可以通过压缩编码压缩。

〔4〕载荷长度PayloadLength〔16位〕：

可以省略，因为IP头长度可以通过MAC头中的载荷长度字段计算出来。

〔5〕下一个头NextHeader〔8位〕：

可以通过压缩编码压缩，假设下一个头是UDP，ICMP，TCP或者扩展头的一种。

〔6〕跳极限HopLimit〔8位〕：

惟一不能进行压缩的信息。

〔7〕源地址SourceAddress〔128位〕：

可以进行压缩，省略掉前缀或者IID。

〔8〕目标地址DestinationAddress〔128位〕：

可以进行压缩，省略掉前缀或者IID。

为了对IPv6报头进行无状态压缩，6LowPan工作组制定了两种压缩算法LOWPAN_HC1〔RFC4944〕和LOWPAN_IPHC〔draft-ietf-6LowPan-hc-06〕，其中HC1算法用于使用本地链路地址〔Link-localAddress〕的网络，节点的IPv6地址前缀固定〔FE80：

：

/10〕，IID可以由MAC层的地址计算而来，但是这种算法不能有效压缩全局的可路由地址和播送地址，因此不能用于LOWPAN网络与互联网互访的应用。

LOWPAN_IPHC算法的提出主要是为了有效压缩可路由的地址，目前LOWPAN_IPHC算法正在IETF6LowPan工作组进行最后的修订状态。

LOWPAN_HC1算法和LOWPAN_IPHC算法在MAC报头之后定义了8位的一个选择报头，此选择报头的取值决定了压缩报头的具体格式和算法。

详细信息见表1。

例如，如果前8位的取值是01000001，那么表示接下来是LOWPAN_HC1算法对应的压缩报头，如果前3位的取值是011，那么表示接下来的是LOWPAN_IPHC算法对应的压缩报头。

表1 6LowPan选择报头的含义

在选择报头后紧跟的是压缩编码，压缩编码由一些指示位组成，指示位的不同取值说明了IPv6报头压缩的不同方法。

具体参见RFC4944。

除了IPv6无状态报头压缩的方法之外，6LowPan工作组还制定了一系列相关标准，包括支持MeshRouting的方法，简化的IPv6NeighborDiscovery协议，应用场景和路由需求等几个关键的技术标准。

6LowPan工作组是IETF物联网感知层工作的发源地，其中的很多研究和探索直接影响了另外几个工作组的成立和方向，下面将分别介绍。

 IPv6路由工作组RoLL

RoLL〔RoutingoverLossyandLow-powerNetworks〕工作组于2021年2月成立，属于IETF路由领域的工作组。

IETFRoLL工作组致力于制定低功耗网络中IPv6路由协议的标准。

ROLL工作组的思路是从各个应用场景的路由需求开始，目前已经制定了4个应用场景的路由需求，包括家庭自动化应用〔HomeAutomation，RFC5826〕、工业控制应用〔IndustrialControl，RFC5673〕、城市应用〔UrbanEnvironment，RFC5548〕和楼宇自动化应用〔BuildingAutomation，draft-ietf-roll-building-routing-reqs〕。

为了制订出适合低功耗网络的路由协议，ROLL工作组首先对现有的传感器网络的路由协议进行了综述分析，工作组文稿draft-ietf-roll-routing-survey分析了相关协议的特点以及缺乏。

然后研究了路由协议中路径选择的定量指标。

ROLL工作组文稿draft-ietf-roll-routing-metrics包含两个方面的定量指标，一方面是节点选择指标，包括节点状态，节点能量，节点跳数〔HopCount〕；另一方面是链路指标，包括链路吞吐率、链路延迟、链路可靠性、ETX、链路着色〔区分不同流类型〕。

为了辅助动态路由，节点还可以设计目标函数〔ObjectiveFunction〕来指定如何利用这些定量指标来选择路径。

 IPv6应用工作组CoRE

2021年3月，CoRE〔ConstrainedRESTfulEnvironment〕工作组正式成立，属于应用领域〔ApplicationArea〕。

CoRE起源于6lowapp兴趣组〔BOF〕，主要讨论受限节点上的应用层协议。

随着讨论的深入，IETF技术专家把工作组的内容界定在为受限节点制定相关的REST形式的协议上。

REST〔RepresentationalStateTransfer〕是指表述性状态转换架构，是互联网资源访问协议的一般性设计风格。

REST提出了一些设计概念和准那么：

网络上的所有对象都被抽象为资源；每个资源对应一个惟一的资源标识；通过通用的连接器接口；对资源的各种操作不会改变资源标识；对资源的所有操作是无状态的。

HTTP协议就是一个典型的符合REST准那么的协议。

在资源受限的传感器网络中，HTTP过于复杂，开销过大，因此也需要设计一种符合REST准那么的协议，这就是CoRE工作组正在制订的CoAP协议〔ConstrainedApplicationProtocol〕。

目前，CoAP协议还处于讨论状态，暂时没有工作被IETF接受为工作组文稿。

应用CoAP协议之后，互联网上的效劳就能够直接通过CoAP协议或者通过HTTP与CoAP协议之间的网关来进行资源读取、修改、删除等操作。

图2显示了CoAP协议在传感器、网关、互联网效劳器上的呈现。

图2〔a〕显示了CoAP通过网关与HTTP协议进行转换的方式，图2〔b〕显示了传感器节点直接与支持CoAP协议的互联网效劳器进行信息交互的方式。

图中也显示了这两种方式中，节点和网关的协议栈都是建立在IPv6和6LowPan协议栈之上的。

图2 利用CoAP协议进行资源访问的节点、网关和效劳器的协议栈

除了CoAP协议，资源受限环境中的资源发现、平安、API等都在工作组的工作范围之内，相关的工作正在积极地展开。

3   ZigbeeAlliance

Zigbee是IEEE802.15.4组织对应的产业联盟。

Zigbee制订了短距离无线通信标准的网络层和应用层，针对不同的应用制订了相应的应用标准。

Zigbee对应的物理层和链路层是在IEEE802.15.4组织研究制订的。

Zigbee目前正式发布的标准涵盖了下面几种应用：

智能电力，遥控，家庭自动化，医疗，楼宇自动化，电信效劳应用，零售效劳应用等。

Zigbee组织目前包含23个工作组和任务组，涵盖技术相关的工作组：

架构评估、核心协议栈、IP协议栈、低功耗路由器、平安，以及应用相关的工作组：

楼宇自动化、家庭自动化、医疗、电信效劳、智能电力、远程控制、零售业务，还有与市场、认证相关的一些工作组。

Zigbee最初是不支持IP协议的，目前Zigbee已经正式发布的应用标准都没有对IP协议的支持。

但是随着IETF，IPSO相关工作的推进，以及Zigbee内部成员单位的推动，Zigbee的智能电力SmartEnergy2.0应用已经开始全面支持IP协议。

同时，Zigbee内部成立了IP-stack工作组，专门制定IPv6协议在Zigbee标准中的应用方法。

ZigbeeSmartEnergy2.0应用也将采用IETF6LowPan制订的适配层，要求IEEE802.15.4设备的网络中使用这种轻载的IPv6协议栈，同时把对6LowPan的支持作为一种必选。

在应用层，新的标准也支持轻量级的COAP协议。

ZigbeeIP-stack工作组的工作范围可以从图3显示出来。

图3 ZigbeeIPStack工作组的工作范畴

适配层〔AdaptionLayer〕提供报头压缩和解压缩功能，IP报文分片重组的能力；网络层提供IPv6地址配置、ICMPv6协议、邻居发现、路由、平安接入的能力；传输层要求提供多路数据流效劳，进行拥塞控制和流量控制；在根底设施效劳层，ZigbeeIPStack工作组正在制订EAP认证，TLS，端到端平安的相关架构和技术标准。

 ISA-100ISA〔InternationalSocietyofAutomation〕是无线传输在工控领域的产业联盟，ISA专门成立了一个由终端用户和技术提供者组成的ISA-100委员会，该委员会的主要任务是制定标准、推荐操作规程、起草技术报告等，用以定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术。

ISA工作组主要由10个子工作组组成：

系统工作组、聚集工作组、PHY/MAC层工作组、平安工作组、网络/传输层工作组、网络管理工作组、评估工作组、应用层工作组、编辑工作组合网关工作组。

其中，在网络/传输层上，ISA组织也要求支持RFC4944的网络层协议栈，支持6LowPan，IPv6协议和TCP/UDP。

1.3应用层技术

主要是根据行业特点，借助互联网技术手段，开发各类的行业应用解决方案，将物联网的优势与行业的生产经营、信息化管理、组织调度结合起来，形成各类的物联网解决方案，构建智能化的行业应用。

如交通行业，涉及的就是智能交通技术；电力行业采用的是智能电网技术，物流行业采用的是智慧物流技术等等。

行业的应用还要更多涉及系统集成技术、资源打包技术等。

2.物联网的应用

2.1物联网在生活中的应用范围

智能物联网产品的十一大主要应用领域。

11月23日下午，中国电信物联网应用和推广中心、中国电信物联网技术重点实验室在江苏无锡成立，在成立仪式上，中国电信透露，目前，其已经开发十一项物联网应用产品，涵盖了物联网的主要应用领域。

（1）智能家居 

智能家居产品融合自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体，将各种家庭设备（如