摘 要由于人们对于智能化的高度需求，使得物联网得到了极大的发展，物联网技术已经深入到我们生产、生活的每一个方面，通过物联网技术，可以实现将所有的物品连入互联网中，无论人们在任何地方，只要有网络，均可以对接入物联网的物品进行监测和控制，物联网技术让许多的不可能成为了可能。本文对物联网结构和关键技术进行了介绍，对物联网技术用于智能家居和智能图书馆进行了分析。

【关键词】智能化 物联网技术 结构 关键技术 智能家居 智能图书馆

1 引言

人们希望在任何时间、任何地点均可以进行人与人之间的交流，寻找所需的资料，能够感知和控制万物。物联网（The Internet of Things）——一个能将物物相连的网络，通过使用全球统一的标识编码技术为所有的物品赋予一个唯一的代码ID，可以通过传感技术、无线射频识别技术（RFID）、通信技术、计算机网络和数据库技术将所有的物品通过互联网联系在一起，不仅任何地区的人与人之间均可以进行通信，还可以实现人与物、物与物之间的通信，同时还可以提取物品信息、控制物品、监测物品。物联网的核心和基础仍然是互联网，它是从互联网中延伸出的一个新的分支。物联网的发展给人们的生活带来极大的便利，让人们的生活发生了翻天覆地的变化。

2 物联网的结构及所需的关键技术

物联网并不是现有技术的革命性创新，而是现有技术跨学科的综合运用。它包含了传感器技术、通信网络技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术等学科。

物体标识标准化，对每一个物品赋予全球唯一的、不可更改的标识是物联网的基础，这就要求必须全球标准化，这样所有的物品的信息在全球网络中才能顺利无误的传输和管理。以前，标识主要是传统的二维码，现在，由于在射频识别技术（RFID）中，电子标签具有存储量大、可反复读写多次的优点得到广泛应用。对物品的电子标签中的芯片赋予全球唯一的IP地址来作为物品的身份，也就是ID。物联网利用各种传感设备，通过统一ID，将物品虚拟化、数字化，通过互联网，实现人与物、物与物的互联，利用云计算、大数据等技术，对海量数据进行智能分析处理，从而实现对物品的智能管理。可以极大地提高监管效率、生产效率和生活的便捷度。

2.1 物联网的结构

物联網主要由三部分构成：感知互动层，网络传输层，和应用服务层。

感知层互动层，主要由传感系统、识别系统和相关外围设备构成。包括各种传感器，二维码标签，RFID标签和读写器，摄像头等设备，主要进行信息采集、信息转换和信息收集。传感器是观察和测量的装置，类似于人类的感官系统，传感器技术涉及学科众多，包括：光学、声学、半导体技术、测量技术、信息技术、微电子技术等众多的学科。传感器能够将物理变量的状态和变化转变为数字信息。通过各种传感器，物体被数字化、虚拟化，变成了网络世界中的一份子，对于这些数字化的信息，通过全球互联网，超越时间和空间的限制，实现了物品在虚拟世界的互通互联，使人与物，物与物之间没有了时空的界限，让很多的不可能变成了可能。作为物理世界与信息世界的衔接层，感知层通过信息采集，识别和执行设备，通过互联网通信技术、信息技术、安全防范技术，可以实现物品与数字信息的感知互动。

网络传输层，包含GPRS，GSM，蓝牙，光纤和电缆等，主要负责信息的提取和传输，是连接应用层和感知层的数据通道。其关键技术包括无线通信技术、Web技术、数据管理技术，ZigBee技术等构成。物联网网关可以实现多种不同设备的网络接入，感知层中的感知设备与网络传输层的连接是通过物联网网关来实现的。

应用服务层，包含本地主机和控制器，包括物联网中间件和物联网应用平台。应用层主要是基于计算机和软件技术的各种数据处理。作为海量数据的存储和分析平台的云计算技术，是物联网应用层的重要组成部分。物联网中间件是一种介于RFID读写器与物联网端应用程序之间的独立的系统软件或服务程序，能够连接多个RFID读写器和后端应用程序，以减轻架构和维护的复杂性。中间件可以将计算机管理、设备控制和定位进行统一封装，将物联网技术与各个行业的服务系统连结，对互联网传来的数据进行处理、过滤、整合后，提供给所需的后端的应用系统。嵌入式中间件可以屏蔽操作系统、硬件平台和通信协议的异构性，为物联网的统一开发、运行提供了条件。

2.2 物联网所需的关键技术

在物联网的应用中，下列技术是必不可少的：

（1）信息处理技术，可以实现信息的转换、传输、发布和使用。在物联网中需要对基于多个感知层节点传来的数据进行处理，最终对物体的状态及变化形成系统性的信息，常常面临多源异构、目标混杂等不确定性因素。信息处理技术包括数据处理、融合、挖掘和整合等技术。在感知层，信息处理技术主要完成对传感器数据的预处理，通过数据预处理技术将传感器传来的原始信息进行信息的优化，数据的聚合等功能，感知层中信息处理关键技术包括数据预处理技术、特征提取技术、模式识别技术、决策树融合技术等。在服务层，信息处理技术主要完成信息的认知，态势分析，数据挖掘、搜索等功能。

（2）通信组网技术，为物联网各类信息传输提供了有力的技术支持，包括组网技术、网关技术、中间件技术和通信技术等方面。常用通信技术包括窄带通信技术、扩频通信技术和多载波通信技术，窄带通信技术根据承载信息的不同，可以分为频率调制技术、幅度调制技术和相位调制技术。

（3）异构网络融合技术，由于物联网发展过程中使用网络的多样化，不同摘 要的网络，接入方式和管理控制技术都大不相同，导致形成了网络体系高度异构混杂的现状。如何将异构网络中的资源进行协调管理，对网络利用率的最大化，是物联网亟待处理的问题。可以采用无线电协作技术来解决异构网络的相容性问题。

（4）应用服务技术，包括信息多粒度存储、数据挖掘、数据并行处理、云计算及服务支撑等方面。大量的信息数据汇聚到应用层后，首先需要进行存储，为以后的服务提供原始数据，接下来，需要对原始数据进行数学建模、数据挖掘以得到所需的信息。数据挖掘将从大量的、模糊、随机的信息中挖掘出有用的信息。由于物联网产生的信息数量是巨大的，传统的串行处理方式效率太低，需要采取并行计算，以实现每秒执行几十万亿次，甚至几百万亿次的浮点计算。

3 物联网应用

经过多年的发展，物联网已经与人们的生产、生活息息相关。

在交通中：通过物联网可以控制车辆的行驶状态，自动调整行驶速度，为管理中心和驾驶员提供道路信息，查询行驶路径和交通信息等。

在环境保护方面：可以监测空气质量，可以监测水资源情况，比如水位、污染等，可以监测动植物生活的环境，进行地质灾害预警，火警监控，应急通信。

在医疗保健中：可以进行药品安全监管，健康监测和咨询，实现医疗设备的运行管理，建立医院信息化平台、查房、重症监护、人员定位等，进行老人健康监护，日常生活，健康状况监测。

在智能农业中：可以实现农副产品安全溯源，有机食品是人们十分关注的东西，电子标签上会记录该产品从育种、生长、成熟过程中的每一个环节，比如：农作物的用药情况，牲畜的饲料成分，防疫情况等等，消费者凭着这个溯源码，就可以查询到自己所关心的所有信息，当产品出现问题也可以查出问题出现的环节。在农作物生长的过程中，可以智能控制生长情况，通过温度、湿度、光照等各种传感器，对土壤污染问题，光照，土壤含水量等进行实时监测采集，通过物联网进行远程监控调节，同时形成数据，为科学培育提供重要的理论依据。还可以安装摄像头，随时随地都可以远程查看。

下面，分别以物联网技术在智能家居和智能图书馆中的应用加以具体分析。

3.1 物联网技术应用于智能家居

人的一生中，生活和工作的大部分时间都在楼宇中完成，绿色建筑，家居节能、安全，家电的远程控制，低碳环保、高品质、高度智能的生活是我们生活中的迫切要求。楼宇中各种能源消耗巨大，大量的设备急需智能化控制。智能家居的目的就是让设备更加智能化，让用户使用起来更人性化。

对家居的控制，一般是采用手动控制，手动控制不依赖网络和遥控器，使用简单，能够适应不同层次用户的需求，但是不够方便。使用遥控器控制家里的灯光和电器，优点是方便，不用亲自开启电器开关，缺点是只能近距离操作，并且是在可视范围内操作。APP控制，可以通过手机，利用物联网技术，从手机上发送指令，通过网络，将指令传送到家庭局域网中，由局域网发送指令给物品中的电子标签，电子标签接收到指令，再通过控制电路，操控电器的运作。通过这种方式，还可以监控所有电器的工作状态是否正常。

通过物联网技术实现家居的智能化管理，首先需要给所有的智能设备安装RFID电子标签，家庭中所有的智能设备均通过局域网与外网相连，然后通过具有无线或有线功能的各种传感器节点反应家居环境的物理信息，用户状态，感知周围的温度、光照、湿度等信息，将这些信息转换为电信号存储于电子标签的芯片中。传感器一般由敏感元件和转换装置构成，敏感元件就是能够感知所测参数的元件，转换装置则负责将敏感元件所感知到的信息转换为电信号，由于这些信号都很弱，所以，需要进行放大和调制。一般来说，智能家居中人们对家居的控制主要通过应用层中的手机APP，通过APP可以远程查看家居中各种物品的状态，需要控制的时候，通过手机发出指令，指令通过各种通信网络，到达家庭网关，网关将指令传送到相应的智能设备加以监测或控制。家庭网关使得异构信息可以互相融合，感知设备通过家庭网关与网络传输层相连，家庭网关为智能家居提供了硬件支持，也是连接感知层和传输层的关键部件。另外，由于每一种智能设备的控制方式各不相同，要达到控制所有设施的目的，需要通过中间件技术来完成。

由于智能家居系统处处以人为本，是一个高度人性化的系统，所以，判断用户状态，预测用户行为都是至关重要的，是“智能”二字的核心。为了让设备更加智能化，让用户使用起来更人性化，需要对用户的行为习惯进行深度挖掘。传感器将监测到的信息包括：光照，開关状态，温度等信息传给控制中心，控制中心根据这些数据分析出用户的行为习惯、喜好，可以自主的触发相关行为，比如：在几点开灯，什么时候启动空调，什么时候启动机器人进行清扫工作。分析行为模式需要从大量的数据中得到有用信息，常用的方法有：数据建模，数据统计分析，数据挖掘和算法处理。目前已经可以做到：早上，在用户起床前让厨房用具开始工作，比如煮好早餐，热好洗澡水，出门回家前，空调、新风系统启动，让用户回到家有一个舒适的环境，又不会造成能源的浪费，当用户离开家之后，各种电器进入关闭状态，同时开启监控系统，保障无人在家时的财物安全，一旦有人侵入，则启动报警系统。同时，可以通过对日常行为的检测，判断生活是否有异常情况，异常时进行报警。

3.2 物联网技术应用于智能图书馆

智能图书馆能够根据用户需求，利用物联网技术，智能的满足读者需求，图书馆管理高度智能化、人性化。包括：图书馆自动化管理，数据收集能力，读者自助、读者数据收集等服务。

由于以往的IC卡和条形码，寿命短，一维条形码包含信息量小，无法修改，需要逐个扫描，容易损坏，门禁识别词条可以防止偷窃，但是容易受到电磁干扰产生错误报警，需要人对图书编码、进行数据处理，图书点检、排架，借还均需通过图书管理员辨识索书号，并进行扫描，容易造成点检、排架错误。

RFID电子标签的优点是很多的。RFID电子标签具有信息存储量大，识别距离较远的优点。RFID的工作是非接触式的，具有防潮、防热、防磁化的优点，使用年限可以长达30年，被读写次数最少可达10万次，电子标签成本较低，并且可以反复读写数据，极大降低了使用成本。通过信息加密技术，可以对电子标签中的信息进行加密，极大地保证图书信息和读者信息的安全。电子标签的可塑性较强，无论是图书、光盘还是期刊、杂志都可以使用。电子标签由于可以一次性识别多张电子标签，能够快速地批量处理读者借还的图书，极大地提高了图书的借阅效率和图书借阅的流通速度。

在利用物联网构建智能图书馆中，首先需要对图书、期刊、杂志、光盘等物品进行标识统一化，利用RFID电子标签中全球唯一的ID标识可以轻松的做到这一点，通过物联网系统轻松实现图书的自助查找、盘点、分拣和借还等功能，极大地提高图书馆运行效率。

图书馆物联网模型包括：

（1）感知互动层，主要由RFID读写器和电子标签构成。手持读写器、自助借还机、门禁等读写设备可以扫描读取电子标签信息。图书馆电子标签的类型是多样化的：包括图书标签、书架标签和书架每一层的标签等。图书标签用来存储图书的具体信息，层标签存储具体某个书架某一层的数据信息，书架标签存储某个书架的信息，书架标签是有源标签，可以进行远距离传输。

（2）网络传输层由互联网和物联网网关构成。物联网网关可以实现不同网络的协议转换及管理底层的感知节点。

（3）应用服务层，是为用户提供图书借阅和信息检索的平台。应用层接收到服务指令，连接信息数据库，按相关要求进行运算处理，最后将结果存储到数据库中。

物联网在智能图书馆中，主要用于以下几个方面：

（1）在自助借还系统中，通过物联网可以建立自助借还系统，首先给图书配备电子标签，利用无线射频识别技术（RFID），通过触摸屏和计算机网络，使读者操作简单方便，提高借还的效率，降低运营成本。

（2）在图书分拣系统中，将RFID应用到分拣设备上，可以自动快速地识别图书的位置，大大提高图书分拣和提书的效率。RFID射频模块和声光电报警系统相结合，可以防止图书盗窃的发生。通过手持RFID阅读器可以快速识别带有电子标签的图书，将信息通过网络传输到处理终端，再结合计算机系统中的馆藏图书清点软件完成对图书的清点工作。

（3）在控制室内环境方面，利用物联网技术，可以通过对照明，空气，温度，湿度进行智能调节。通过对瓦斯，二氧化碳，甲醛监测，当气体浓度超标时，报警或增大新风系统的进风量，或者控制门窗系统的启闭。通过对灯光、电器开关、明暗度、温度、窗帘自动开启的控制等等达到节能、节水、设备高效运行的目的。

（4）在整个图书馆图书资源的管理中，首先将图书馆里的所有图书、期刊、杂志全都通过射频识别技术（RFID），经过网络，与管理中心连接起来，通过自动收集与图书相关的所有信息，对图书资源实行全天候实时监测、监控。通过图书动态位置信息，对图书进行管理。这个系统主要由书架RFID系统、书库传感系统和馆藏图书管理系统构成。1）书架RFID系统，由一个书架读写器和这个书架上所有资源的电子标签组成，读写器向电子标签发送位置请求指令，获得电子标签的反馈信号，经过多次动态交互形成能实时更新的书架图书位置动态信息，实时监控该书架资源的流通情况。2）书库传感系统，它是由书库主站和所有的书架RFID系统构成，从书库主站向各个书架发送指令，获得整个书库所有资源的实时更新的动态位置信息。3）馆藏图书管理系统，由中心和各个书库站点构成。由中心向各书库站点发送请求指令，以获得整个图书馆所有资源的动态位置信息。

4 物联网应用展望

在以前，由于物联网要求为每一样物品都编上唯一的ID编码，这一要求限制了物联网的发展，但是随着IPv6（Internet Protocol Version 6）的大规模应用，这一问题可以得到解决，因为IPv6号称可以为地球上的每一粒沙子进行编码。可以预见物联网将会得到更为广泛的应用，我们生产、生活的每一个方面都离不开它，有了物联网，我们生产、生活将更为智能化。

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作者简介

胡宇轩（2001-），男，浙江省龙游县人。现就读于成都市石室中学文庙校区。对发明创造、电子信息、计算机技术、人工智能有浓厚兴趣。

作者单位

成都市石室中学文庙校区高二、四班 四川省成都市 610041