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智能车辆的物联网发展概述

Keertikumar M. ， Shubham M. ， R.M. Banakar

克莱理工大学，电子与通信工程学院

摘要：本文介绍了从ARPANET到车载无线通信的发展历程，和无线通信技术在物联网中的应用历史，给出了不同通信方式的物联网技术所遵循的规则。显然Wi-Fi是物联网使用的所有无线标准中传输速度最快的，互联网连接是信息交流的必须前提条件。物联网在车辆通信中的广泛应用推动了开发新路由和数据采集协议的研究工作。文章接着介绍了物联网在车载通信中的发展，以及路由协议的概况。值得注意的是，目前的智能车辆拥有数据传感及采集模块(DSG)、数据融合模型，以改善向用户提供的数据服务。本研究描述了截至2015年的物联网发展趋势，简要概述了物联网系统的设计方案，并提出了在部署阶段必须注意的一些典型问题。

关键词：物联网，无线通信标准，智能汽车，Wi-Fi

前言

目前物联网是应用于多媒体程序、智能交通系统、智能城市设计和部署问题最先进的技术。智能交通系统可以成为未来智能城市规划的一部分，这是因为使用和开发物联网应用程序所涉及内容的性质。

进入21世纪，互联网的主导地位、智能手机技术和移动通信标准的发展加速了物联网技术的应用和普及。显然，世界各地的互联网用户已经成为了物联网发展的一个重要因素，将物联网技术应用于电子政/商务、电子计费等，如公共汽车、火车和航班的电子预订系统。我们还可以对物联网的基础设施、云计算和提供的服务进行研究。

物联网的历史

1969年，ARPANET诞生，它是互联网的前生。1990年，约翰·罗基(John Romkey)发明了第一台互联网“设备”——一台可以在通过互联网控制其开关的烤面包机。在1989年10月的INTEROP大会上，INTEROP的总裁丹·林奇向约翰·罗基保证，如果他能够“在网上展示他的烤面包机”，该设备将在大会的全楼层展商中获得明星展位。烤面包机通过TCP/IP网络连接到一台计算机上，使用一个信息库(SNMP MIB)来打开电源。

1991年，Tim Berners-Lee创建了第一个网页。1999年对罗得来说是重要的一年，凯文·阿什顿创造了“罗得”这个词。以研究为导向的继承者——麻省理工学院自动识别中心(MIT Auto-ID Center)，最初由凯文·阿什顿(Kevin Ashton)、戴维·布洛克(David Brock)和桑杰·夏尔马(Sanjay Sharma)创立。他们帮助开发了电子产品代码(EPC)，这是一种基于全局RFID的物品识别系统，旨在取代UPC条形码。

2005年，联合国国际电信联盟(ITU)就这一主题发表了第一份报告，使这一数字达到了另一个水平。2008年，多间公司成立IPSO联盟，推广在“智能物品”网络中使用互联网协议(IP)，使物联网成为了可能。IPSO联盟目前拥有50多家成员企业，包括博世、思科、爱立信、英特尔、SAP、Sun、谷歌和富士通等。在2008至2009年之间，物联网诞生了，因为在这段时间里，与互联网相连的“事物或物体”的数量要多于人。以智能手机、平板电脑等的增长为例，2010年连接互联网的设备数量达到125亿，而世界人口增加到68亿，但人均连接设备的数量在历史上首次超过1台(准确地说是1.84台)。

世界人口vs连接到互联网的设备

图1所示为接入互联网的对象或设备数量多于用户数量。据预测，到2050年，连接的设备数量将是用户数量的5倍。2011年，全球互联网用户已达20亿。

物联网发展与展望

表1展示了全球在物联网领域的发展和进步。尽管ARPANET的概念是在1969年发展起来的，但它花了约8年时间才商业化。TCP/IP协议于1974年开发，1977年在ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network)中首次投入商业使用。

Robert E. Kahn和Vint Cerf在1974年开发了ARPANET分组交换协议。Tim Berners-Lee在1991年推出了万维网(WWW)，这被认为是互联网服务的一个突破。Wi-Fi在1997年推出后，许多应用程序开始使用互联网。1999年，物联网这个词被创造出来，同年，第一台设备被设计成使用RFID通信模式，其范围为10cm-200m。

据预测，到2020年，将有500亿设备接入互联网，76亿人接入互联网。

物联网通信方式

表2显示自1972年发明无线电频率识别(RFID)技术这一约200米的短距离无线通讯方式以来，物联网通讯方式的发展情况。GPRS的概念是在1978年发展起来的，这意味着对无线通信的大量研究和开发。GSM是1987年设计开发的。1991年万维网(WWW)的发展与1997年IEEE 802.11 Wi-Fi标准的结合，见证了Wi-Fi应用的巨大潜力。后来，随着物联网在1999年的出现以及直到2007年的应用开发工作，学术界和产业界开始看到物联网应用的新范例及巨大潜力。

物联网中使用的无线连接标准

RFID：这里介绍的物联网中使用的无线标准的描述来自参考文献[1][2][17]。1972-75年间，Kriofsky和Kaplan开发了RFID设备。后来在1979年至1982年，贝格尔将该装置的尺寸缩小到最小。射频识别系统使用标签或标签附加到要识别的对象。它有收发器，收发器将信号发送给标签并读取其响应，然后将该信号发送给在其上运行RFID软件的计算机。其频率为120-150 kHz (LF)， 13.56 MHz (HF)和433 MHz (UFH)，射程从10cm到200m。

ZIGBEE：^[3][4][5] 1998年，ZigBee的发明彻底改变了网络的连通性。ZigBee这个术语是由蜜蜂嗡嗡声的概念拟声演变而来的。在2000年，它成为了WPANS的IEEE 802.15.4标准。2004年，ZigBee设备发布。ZigBee标准允许低功率设备沿网络发送数据，每个设备都能够将数据转发到其预期的目的地。这让我们建立一个真正有效的网络。这个标准的范围是1~75米，带宽大约是20~250kbps。

GPRS：^[6][7][8]业余无线电爱好者在1978年发明了GPRS。在1980年，AX.25是第一个开发的GPRS设备。1984年，GPRS的V2.0标准，这是第一个分组交换网络。GPRS使得2G向3G的迁移成为可能。

GSM：^[9][10][11] 1975年，GSM概念出现。1987年，GSM被开发出来，这一年被认为是GSM的诞生年。1990年，Alain Molabert成功地将GSM技术嵌入移动电话。1991年，Kevin Holey提出了短信的概念。1992年，Fred Hillebrand和Bernard M.使短信服务成为可能。

蓝牙：^[3]蓝牙是一种用于在短时间内交换数据的无线技术标准。2004年，蓝牙提高了数据传输速率。该通信介质的频率为2.4GHz，范围约为1 ~ 100m。蓝牙被标准化为IEEE 802.15.1，主要用于代替有线通信，其带宽是720kbps。

Wi-Fi：^{[12][13][14][15]}1988年，IEEE 802.11标准发布。Wi-Fi是在1997年开发的，当时使用的是IEEE 802.11标准，由Vic Hayes负责。Wi-Fi是专门为网络、视频和邮件目的而开发的。Wi-Fi的带宽超过11000 kbps，范围在1~100m之间，以速度快、通讯灵活著称。

基于物联网的智能交通系统的发展

移动自组织网络（MANETs）是一种所需基础设施较少的网络，每个节点都可以自由地向任何方向移动。因此，它可以断开与一个设备的连接，并连接到范围内附近的另一个设备或节点上。在这种技术中，每个节点都必须被路由，以便将信息从源发送到目的地。形成这个网络的主要挑战是，创建的节点应该自更新到网络中最新的信息流。MANETs网络是一种高度动态的网络拓扑结构，因为节点不是固定在一个点上的，可能导致连接中断。MANETs用于收集传感器读取的数据，因此它们在监测空气污染等各种各样的应用程序中是非常有用的，但这一技术的问题是附近的传感器节点将收集类似的数据可能导致数据冗余，这是MANETs的主要缺点。为了纠正这一缺陷，人们开发了许多算法。如果源节点和目标节点之间的网络中有许多节点，目标节点可能会延迟接收数据。在MANETs中，源节点将同时且连续地向附近的节点发送数据包，这可能会导致数据冗余或产生垃圾数据，从而导致数据包丢失。为了防止这种数据泛滥，已经引入了许多协议，它们使用自己的算法来寻找从源节点到目标节点发送数据的最短路径。

在参考文献[18]中，作者主要研究了移动自组网（MANETs）和车辆自组网（VANETs）。他描述了MANETs和VANETs之间的区别，讨论了MANETs和VANETs的架构和各种特性。在MANETs中使用的各种路由协议是主动的、被动的和混合的。在反应性协议中，DSDV和AODV又有不同的协议。他们再次提出了DSDV和AODV的区别。类似地，他们列出了VANETs中使用的各种协议，给出了MANETs和VANETs的性能分析。性能变量：“节点的动态变化”，是这两方面的主要变化。同时他们分析了结果的模式，并利用各种协议设计了性能矩阵。

VANETs可进一步应用于智能交通系统。在参考文献[20]中，识别出的典型问题是车祸、道路安全、城市污染和减少拥堵。评价方法是将ITL (Intelligent Traffic Lights，智能交通灯)放置在4条道路的每个交叉口，在VANETs的帮助下，车辆与基础设施之间的通信解决了所识别出的问题。

本文还讨论了电子通知的另一个特性——自动事故检测。在本文中，他们提出AODV协议在流量管理方面优于GPRS和GOPS。本文提出的要求是ITL在城市各个角落的分布是可行的，向驶入的车辆更新本地的交通和天气相关的信息，也从车辆上读取信息，是有实际意义的。这是他们展示的智慧城市框架。作者编写了自己的算法来进行流量管理。

使用路由表管理警告消息的算法是有效的。在这种情况下，他们根据天气状况和交通密度来限制车辆的速度，对驾驶员反应时间和行驶距离进行了分析。此外，亦讨论了交通及天气的时间因素分析，包括有或没有的要求，比如国际货运量。

在参考文献[19]中，典型问题是根据服务质量确定的。作者强调了集中的、基于服务器的流量有许多缺点：1. 缺乏隐私；2. 可扩展性存疑；3. 抑制创新和服务质量。在评价方法方面，他们采用基于堆叠的Geo-cast系统,定义了一个入侵者模型。结果表明，在没有附加保护机制的情况下，单个节点的监控难度较低。他们讨论了可能的改进方法，如Overdrive和覆盖表征的Geo-cast覆盖，并讨论了Overdrive的功能和隐私概念。对于请求者请求的交通信息，根据其开发的算法将消息传输到最近的相邻车辆。首先，当消息进入地理上划分的同心圆时，目标

资料编号：[5382]