物联网天线技术研究进展

万鑫宁文佳伟

摘要：现阶段，我国已经全面进入了大数据时代，网络技术和计算机技术也得到了快速发展。物联网技术是信息时代的产物，大数据时代物联网技术对人们生活、学习和工作的方方面面都造成了巨大的影响，各个领域都充分利用物联网技术来促进行业发展，实现产业变革。

关键词：物联网技术；进展

引言

随着现代信息技术的快速演进，物联网应用的浪潮已经渗透到生活的各个领域。目前我国处于互联网的成熟期、物联网的起步期，在国家全力推进“互联网+”发展战略下，万物互联成为各运营商、科技企业和产业联盟积极布局的方向。物联网技术在垂直行业中的智能应用越来越广泛，基于物联网的各类智能系统为民生发展带来了极大的便利，整个产业链蕴含着巨大商机。

1物联网天线的发展概况

1.1射频识别天线

从RFID（radiofrequencyidentification，RFID）系统的基本构成来看，RFID天线可分为读写器天线（readerantenna）和标签天线（tagantenna）两大类；按工作机理及其传感范围区分，则可分为远场辐射型和近场感应型两大类。以900MHz超高频（UHF）RFID系统为例，兼容多标准RFID制式的宽带读写器天线是长期以来天线领域的研究热点之一，利用共享孔径（shared-aperture）概念还能在缩小天线体积的情况下将其拓展至多频段工作，而工作在高频近场感应状态下的读写器天线更是属于RFID天线设计领域的挑战性难题。与读写器天线相比，标签天线设计则更侧重于小型化，特别是适用于金属部件识别的小型标签天线。由于标签体积受限、工作环境多变而苛刻，因此如何在小型化基础上确保系统具有足够大的读出距离，成为RFID标签天线的研究难点和热点：通过引入各种折叠和介质加载手段，可成功地将标签天线的尺寸缩小至1/10波长以下而保持足够长的读出距离。而对于工作在高频（HF）的近场通信（NFC）天线，研究工作则侧重于与UHF频段天线的兼容设计，特别是与金属外壳的便携式终端、可穿戴设备等的集成化设计，其主要技术是利用涡流与NFC环天线之间的耦合增强来提升其读出性能。总而言之，随着物联网应用环境的多样化和复杂化，未来的RFID天线可能会工作在体积进一步受限、传播特性更加复杂恶劣的电磁环境中。在这一系列因素的制约下，RFID天线的小型化和宽带化设计仍是具有挑战性的难题。

1.2多物理量传感天线

物联网末梢采用各种传感器来精确拾取各种非电物理量（如压力、物质浓度/pH值、温度、湿度、声音等），准确地感知网络环境状态数据，于是催生出多物理量传感天线的概念设计。就其本质工作机理而言，可以不失合理地把多物理量传感天线视作RFID标签天线的一种外延类型，或将其称为“广义RFID标签天线”。通过将不同性质的新型信息材料集成到常规RFID标签天线上，就能将上述多种物理量映射成RFID标签天线的电参数，对多种物理参数进行精确传感和测量。目前已见报道的多物理量传感天线类型很多，主要包括湿敏天线、气敏天线（“电子鼻”天线）、压敏天线、热敏天线、pH值检测天线以及复合功能传感天线等。为了提高传感灵敏度，多物理量传感天线的工作带宽必须足够窄，然而这将导致系统传输数据率受限。如何在确保传感灵敏度的前提下，同时在一定程度上增加天线工作带宽、提高传感数据传输速率，可能成为天线领域与未来新型传感材料及制造工艺领域交叉的一大挑战性课题。

1.3能量收集天线

与前述天线类型相比，能量收集天线的定义并不唯一：第一种可能定义是整流天线（rectantenna），即其主要功能和作用并不是为了实现信息传输，而是为了解决物联网节点的能源问题，它能够将环境中的交变电磁能量转化成直流电能，存储在超级电容器中作为无线节点的备用电源，从而延长节点的生存周期；第二种可能定义是反向散射（backscattering）通信系统的收发天线，即能量收集天线应类似于无源RFID标签天线，主要针对物联网环境中海量低功耗、低速率节点的接入通信而设计。为了区别于RFID标签天线，此处将按照前一种定义来描述能量收集天线。常见的能量收集天线包括常规整流天线以及近年来出现的、采用铟化合物或纳米金属（金、银）材料制成的透明天线（transparentan-tenna）。能量收集天线比较常见的工作频段是2.4GHzISM波段，也可以覆盖超宽频段或多个无线通信/广播频段，甚至覆盖至太赫兹及红外波段。通过工作原理的分析可知，能量收集天线的性能在很大程度上取决于整流电路效率以及环境电磁能量密度，故如何结合新材料（如研制具有低损耗和光学透明特性的新型导体材料）、新器件和新工艺（如研制具有极低导通电压的精密整流二极管）、优化提升其整流效率及口径效率，或将成为能量收集天线设计领域的重要课题。

2物联网应用展望

2.1智能交通

智能交通是智慧城市的重要组成部分，其基于信息网络实现人员、车辆和路网基础设施之间的互联，进而达成优化交通运行环境、增强运输安全保障、提高交通管理效率的目的。主要应用手段包括远程监控、综合调度、场站管理、站点检测、路线跟踪、统一结算、路牌提醒、车载WiFi等，可服务于智能路网、城市公共交通、共享交通工具、新能源充电网、智慧停车场以及自动驾驶等典型场景。在智能网联汽车产业化进程上，基于5G的V2X技术体制成为大型车企和科技公司的创新应用方向。

2.2智能安防

安全是人类社会活动的一项重要诉求，传统的安防系统主要依赖视频监控及安保人员，大量监控数据通过人工处理的方式已经无法满足日趋复杂的应用环境，如何通过大数据和人工智能进行海量数据的结构化处理和智能分析，进而提高监控定位效率和预防能力，成为智能安防行业的发展方向。智能安防系统包括前端信息采集、数据传输存储、应用分析管理以及运行控制各个模块，在万物互联时代，移动终端、嵌入式系统、云平台将成为智能安保的关键元素。随着产业链条的逐步成熟，支持多种接口协议以及集成多个应用场景的协同平台成为智能安防发展成熟标志。

2.3智能医疗

国家新医改启动10年以来，医疗行业信息化市场持续快速发展，尤其在电子病历和远程医疗领域普及率日益增高。随着健康中国云服务计划的逐步落地，高清音视频远程会诊、医学影像大数据量低时延传送、医疗相关检验检测急救设备的连接和远程控制、各类医用系统安全高效接入对信息网络提出了更严格的要求，智慧医疗将更多的基于物联网、云平台、大数据等前沿技术，配合可穿戴终端实现医疗行业服务资源与病患群体间更紧密的联动呼应，提供全民健康信息服务和智慧医疗服务，进而提高医疗行业的服务管理水平。

2.4智慧农业

农业作为国民经济的基础产业关系到国计民生，对比发达国家我国在现代化农业生产、流通、社会服务等各方面相对薄弱。因此无论对于国家还是企业，让农村经济走向信息化快速道路，形成网络化、智能化、协同化的智慧农业生态体系显得尤为重要。智慧农业目前正处于市场培育和技术攻坚阶段，一方面需要将物联网、大数据等新兴技术应用到农业生产过程，通过自动采集控制获得农作物生长的最佳环境，实现集约、高产、高效、优质和生态的目标，同时在销售服务环节促成农业电商、食品溯源、农业信息服务等应用的快速发展。

结语

物联网技术是大数据时代的产物，充分利用物联网技术能够更好地实现数据的传递和共享，因此物联网技术在很多领域都得到了广泛的应用，其在智慧城市建设、医疗卫生方面、地质信息化方面以及物流管理领域中都表现出非常大的应用优势，有效促进了行业的发展。

参考文献

[1]林玉瑛.分析智慧城市中大数据时代下物联网技术的运用[J].通讯世界,2017,11(21):36-37.

[2]肖飞.大数据时代基于物联网和云计算的地质信息化研究[J].电子技术与软件工程,2014,23(16):221-221.