陕西省科学技术协会科普宣传专栏 走向万物互联 几项有关物联网的新技术

张梅文/图

说起物联网，大家都不陌生。不管是日常生活中的智能家居、智能手机、运动手环等应用，还是现代制造业、物流等工业领域，都有着物联网技术的应用。但是，这些离万物互联还有一定距离。

近年来，西北大学房鼎益、陈晓江科研团队通过开展国际合作研究，在感知识别、无源物联网、物联网安全、物联网智能计算等物联网的瓶颈技术上取得了一系列突破。随着这些技术的不断成熟并走向应用，我们离万物互联将更近一步。

更敏锐的感知与识别

你喝的牛奶还新鲜吗？你买的香水是真是假？

普通消费者要想弄清楚这些，只能寻求专业机构和设备的帮助。有没有更简单、更廉价的检测手段呢？

在西北大学信息科学与技术学院实验室，笔者目睹了无线电波快速识别牛奶新鲜与否以及鉴别香水真假的全过程。研究人员分别拿了一杯刚倒的牛奶和倒出来1个小时以上的牛奶，放到离检测仪器大约1米的地方。很快，电脑上就显示出了杯中牛奶的与“标准牛奶”的对比曲线图。研究人员介绍，两条曲线越接近，证明牛奶越新鲜。检测香水等其他液体，也是一个道理。

这是该团队联合美国麻省大学的熊杰助理教授研究的一种可以应用于食品安全和真伪鉴别方面的创新技术。这项技术可以让普通消费者简单快速鉴别食品安全程度和一些商品的真伪。

房鼎益介绍，该技术利用“无线信号穿过不同材质时，信号（相位、幅度）等特征会被材质影响而发生变化”这一原理进行材质识别。“通俗地讲，这类似利用Wi-Fi/RFID等常见物联网设备给待检测材质测得了一个‘心电图’，不同的‘心电图’上对应不同材质的种类。当把不同种类的材质放到Wi-Fi等设备前时，通过‘心电图’就可以直观识别。”他说，通过识别系统所产生的“心电图”不仅可以分辨不同种类，还可以分辨出同种类别不同浓度的液体。例如糖水或盐水当浓度仅有2%改变的时候，“心电图”就会有明显不同。“所以，它可以轻松分辨出牛奶新不新鲜，白酒有没有勾兑甲醇。”

这项技术具有广阔的应用前景。“在机场、地铁的安检中，不再需要专业设备，通过Wi-Fi等无线信号的检测就可以知道人们携带的是酒精、燃料还是水；智能机器人在服务真实环境时可以准确区分酱油和醋，这将极大程度提升智能机器人领域的研究现状。”房鼎益表示。

同时，这项技术成本低廉，通过Wi-Fi/RFID等常见物联网设备就可以实现，为大规模应用奠定了基础。据了解，为了使感知更加简单方便，团队研究人员正在尝试利用智能手机上的声波信号给材质建立“心电图”。届时，我们的手机将更加智能，人与物、物与物的联系将更紧密。

无需电池的远距离互联

供电问题一直是制约物联网应用的瓶颈难题。比如，在没有供电设施的秦岭深处对珍稀野生动物进行大规模监测时，对万亩农田土壤的温湿度、PH值检测等，人工更换电池或利用太阳能等可能都不现实。

团队联合美国普林斯顿大学kely副教授研究团队提出了一种“无源物联网”新方法，可以不用电池实现远距离数据采集和传输。该研究成果发表在2018年8月19日举办的国际通信网络领域最顶级的会议ACMSIG-COMM2018上，引起广泛关注。

陈晓江介绍，这项技术的基本原理是从自由空间无线信号中吸收能量，即将无线信号转化成电能，并融合太阳能供电手段，使这种“无源物联网”技术的可操作性更强。“因为没有电池，从空中捕获的能量又很微弱，因此，我们的方案解决了低功耗的电路设计关键技术挑战，设计了更为简洁高效的编码方式。简单说来，就是我们的设备在接收到信号后，只需要利用一点能量，就可以通过类似‘反射’的方式，把采集到的数据利用信号自身反射传输出去。”陈晓江表示，该“无源物联网”通过廉价的LoRa网关节点，传输距离超过了1.1公里，已初步应用于秦岭金丝猴监测和智慧农田。

这项突破为无源物联网产业化应用奠定了基础，具有重要的科学价值和广阔的应用前景。同时，团队还与清华大学研究团队一起，在提高异构多种协议共存的物联网数据传输效率方面进行了有意义的探索，发现了无源物联网节点并发信号的特有规律，设计了一种新并发解码技术，使得无源物联网节点在强干扰环境下也能实现高速并发传输，在大型仓储、物流等物联网领域有广泛应用前景。

与此同时，团队在物联网安全、物联网智能计算等领域均取得了一系列突破。其中，在物联网智能计算领域，团队利用计算机视觉技术实现了书法教学过程中书写动作的规范性评估。“未来，我们希望在现有研究的基础上，能不断突破物联网应用中的瓶颈技术，使得信息感知更加灵敏便捷、信息采集与传输更加节能高效、信息处理更加智能，同时成本大大下降，那时候万物互联就不是梦想了。”陈晓江表示。

据了解，目前，团队正在积极寻求产业化合作伙伴，希望这些技术能早日应用到物联网发展中。

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