物联网关键技术：从硬件到软件的融合创新

物联网作为当今信息科学与计算机网络领域的研究热点，其关键技术具有跨学科交叉、多技术融合等特点，每项关键技术都需要等待突破。物联网的关键技术可以从硬件和软件两方面来考虑，如图6所示。硬件技术包括射频识别技术（RFID）、无线传感器网络技术（WSNs）、智能嵌入式技术（Embedded Intelligence）以及纳米技术（Nanotechnology）；软件技术包括信息处理技术、自组织管理技术、安全技术（图2-6）。

图2-6 物联网关键技术

（一）硬件技术分析

通过定义如下三个抽象概念，可以进一步说明物联网硬件关键技术的作用。

（1）对象：客观世界中任何一个事物都可以看成一个对象，数以万计的对象证明了客观世界的存在。每个对象都具有两个特点：属性和行为，属性描述了对象的静态特征，行为描述了对象的动态特征。任何一个对象往往是由一组属性和一组行为构成的。

（2）消息：客观世界向对象发出的一个信息。消息的存在说明对象可以对客观世界的外部刺激作出反应。各个对象间可以通过消息进行信息的传递和交流。

（3）封装：将有关的属性和行为集成在一个对象当中，形成一个基本单位。

三者之间的关系如图2-7所示。

图2-7 对象关系示意图(www.xing528.com)

物联网的重要特点之一，就是使物体与物体之间实现信息交换，每个物体都是一个对象。因此物联网的硬件关键技术必须能够反映每个对象的特点。首先，RFID技术利用无线射频信号识别目标对象并读取该对象的相关信息，这些信息反映了对象的自身特点，描述了对象的静态特征。其次，除了标识物体的静态特征，对于物联网中的每个对象来说，探测它们的物理状态的改变能力，记录它们在环境中动态特征都是需要考虑的。就这方面而言，传感器网络在缩小物理和虚拟世界之间的差距方面扮演了重要角色，它描述了物体的动态特征。再次，智能嵌入技术通过把物联网中每个独立节点植入嵌入式芯片后，比普通节点具有更强大的智能处理能力和数据传输能力，每个节点可以通过智能嵌入技术对外部消息（刺激）进行处理并反应。同时，带有智能嵌入技术的节点可以使整个网络的处理能力分配到网络的边缘，增强了网络的弹性。最后，纳米技术和微型化的进步意味着越来越小的物体将有能力相互作用和连接以及有效封装。然而，现有纳米技术发展下去，从理论上会使半导体器件及集成电路的线幅达到极限。这是因为，如果电路的线幅继续变小，将使构成电路的绝缘膜变得越来越薄，这样必将破坏电路的绝缘效果，从而引发电路发热和抖动问题。

（二）软件技术分析

物联网的软件技术用于控制底层网络分布硬件的工作方式和工作行为，为各种算法、协议的设计提供可靠的操作平台。在此基础上，方便用户有效管理物联网络，实现物联网络的信息处理、安全、服务质量优化等功能，降低物联网面向用户的使用复杂度。物联网软件运行的分层体系结构如图2-8所示。

图2-8 物联网软件分层体系结构

如前所述，物联网硬件技术是嵌入式硬件平台设计的基础。板级支持包相当于硬件抽象层，位于嵌入式硬件平台之上，用于分离硬件，为系统提供统一的硬件接口。系统内核负责进程的调度与分配，设备驱动程序负责对硬件设备进行驱动，它们共同为数据控制层面提供接口。数据控制层实现软件支撑技术和通信协议栈，并负责协调数据的发送与接收。应用软件程序需要根据数据控制层提供的接口以及相关全局变量进行设计。

物联网软件技术描述整个网络应用的任务和所需要的服务，同时，通过软件设计提供操作平台供用户对网络进行管理，并对评估环境进行验证。网络的软件框架结构如图2-9所示。

图2-9 物联网软件框架结构

框架结构网络中每个节点通过中间件的衔接传递服务。中间件中的云计算信息处理技术、自组织管理技术、安全技术逻辑上存在于网络层，但物理上存在于节点内部，在网络内协调任务管理及资源分配，执行多种服务之间的相互操作。