物聯(lián)網(wǎng)/傳感網(wǎng)發(fā)展之路初探*

封松林 葉甜春

（1中國(guó)科學(xué)院微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心 中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院(籌)/中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海 200050 2中國(guó)科學(xué)院微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心 中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心（籌）/中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 北京 100029）

1 傳感網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)

傳感網(wǎng)（sensor networks）通常是由大規(guī)模隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)（端機(jī)）、基站以及信息監(jiān)控中心構(gòu)成的信息系統(tǒng)，根據(jù)需求和傳感對(duì)象的變化，可以通過動(dòng)態(tài)自組織的方式協(xié)同地感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域的各種對(duì)象的信息，用于支持決策和監(jiān)控。

最早期的傳感網(wǎng)可以追溯到二戰(zhàn)時(shí)期的英國(guó)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)，冷戰(zhàn)時(shí)期的聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]，隨著計(jì)算機(jī)、通信、半導(dǎo)體和微機(jī)械電子系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了無線傳感網(wǎng)的研究。1998年美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局（DAPAR）啟動(dòng)的傳感器信息技術(shù)（Sensor Information Technology）拉開了現(xiàn)代傳感網(wǎng)研究的序幕。中科院在傳感網(wǎng)領(lǐng)域的研究幾乎與世界先進(jìn)國(guó)家同時(shí)起步，1999年完成的“知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究”中的信息與自動(dòng)化領(lǐng)域研究報(bào)告就將“無線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用”作為該領(lǐng)域5個(gè)重大項(xiàng)目之一，并于2001年成立了微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心協(xié)調(diào)全院傳感網(wǎng)和傳感器的研究，陸續(xù)部署了若干重大創(chuàng)新項(xiàng)目、方向性項(xiàng)目開展無線傳感網(wǎng)研究。

隨著傳感網(wǎng)研究的深入和不同學(xué)科科學(xué)家加入，傳感網(wǎng)概念的外延不斷擴(kuò)展，幾乎涵蓋了信息系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域，并且與其它學(xué)科的交叉及對(duì)不同行業(yè)的滲透越來越深。

物聯(lián)網(wǎng) (The Internet of things)概念是1999年由麻省理工學(xué)院自動(dòng)標(biāo)識(shí)中心（MIT Auto-ID Center）提出，早期的定義很簡(jiǎn)單：把所有物品通過射頻識(shí)別標(biāo)簽等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。2005年國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的年度技術(shù)報(bào)告[2]指出“物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即將來臨，信息與通信技術(shù)的目標(biāo)已經(jīng)從任何時(shí)間、任何地點(diǎn)連接任何人，發(fā)展到連接任何物品的階段，而萬物的連接就形成了物聯(lián)網(wǎng)。2009年，歐洲物聯(lián)網(wǎng)研究項(xiàng)目工作組(CERP-IoT)在歐盟委員會(huì)資助下制訂了《物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略研究路線圖》、《RFID與物聯(lián)網(wǎng)模型》等意見書，同年日本也制定了i-Japan計(jì)劃,旨在到2015年實(shí)現(xiàn)以人為本“安心且充滿活力的數(shù)字化社會(huì)”，讓數(shù)字信息技術(shù)如同空氣和水一般融入每一個(gè)角落，并由此改革整個(gè)經(jīng)濟(jì)社會(huì)，催生出新的活力，實(shí)現(xiàn)積極自主的創(chuàng)新。 物聯(lián)網(wǎng)概念的外延也如同傳感網(wǎng)一樣不斷擴(kuò)展，兩者的內(nèi)涵幾乎全部交疊，并進(jìn)一步拓展到全球信息化領(lǐng)域。

2008年11月，美國(guó)IBM公司總裁彭明盛在紐約對(duì)外關(guān)系理事會(huì)上發(fā)表了題為《智慧地球：下一代領(lǐng)導(dǎo)人議程》的講話，正式提出“智慧地球”（Smarter Planet）設(shè)想。2009 年1月28日，奧巴馬就任美國(guó)總統(tǒng)后與美國(guó)工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次“圓桌會(huì)議”,彭明盛推銷“智慧的地球”這一概念,建議新政府投資新一代的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施,闡明其短期和長(zhǎng)期效益。奧巴馬對(duì)此給予了積極的回應(yīng)。認(rèn)為 “智慧地球”有助于美國(guó)的 “巧實(shí)力”(Smart Power)戰(zhàn)略，是繼互聯(lián)網(wǎng)之后國(guó)家發(fā)展的核心領(lǐng)域?！拔锫?lián)網(wǎng)/傳感網(wǎng)”是“智慧地球”的核心技術(shù)之一。

2009年8月，溫家寶總理考察中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心，明確指示要早一點(diǎn)謀劃未來，早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)，并且明確要求盡快建立中國(guó)的傳感信息中心，或者叫“感知中國(guó)”中心。2009年11月3日，溫家寶在首都科技界講話中將物聯(lián)網(wǎng)/傳感網(wǎng)列入5大必爭(zhēng)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)之一。

隨著中美兩國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人的表態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)/傳感網(wǎng)（以下統(tǒng)一稱為“物聯(lián)網(wǎng)”）被各方提到空前的高度，被媒體廣為報(bào)道。但國(guó)內(nèi)外對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)”的理解眾說紛紜，傳感、通訊、網(wǎng)絡(luò)、處理等各領(lǐng)域都從自己的角度去闡述和放大。其實(shí)目前所說的物聯(lián)網(wǎng)就是帶有傳感/標(biāo)識(shí)器的智能感知信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是全球信息化發(fā)展的新階段，是從數(shù)字化向智能化的提升。

2 物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略需求

中科院“創(chuàng)新2050：科學(xué)技術(shù)與中國(guó)的未來，中國(guó)至2050年信息科技發(fā)展路線圖”也描述了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展路線圖[3]，指出：“傳感網(wǎng)是典型的多學(xué)科交叉的綜合研究，涉及到計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、網(wǎng)絡(luò)、通信、光學(xué)、微機(jī)械、化學(xué)、生物、航天、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域，由于學(xué)科的交叉融合和相互影響，使得許多技術(shù)趨勢(shì)成為可能，例如生物技術(shù)將極大地依賴于在芯片實(shí)驗(yàn)室里做分析的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及生物信息學(xué)的進(jìn)步；微機(jī)電系統(tǒng)、智能材料和新材料將使普遍設(shè)置的低成本小型傳感器成為可能；工程師將日益轉(zhuǎn)向生物學(xué)家，理解生物體如何解決涉及自然環(huán)境的問題；這些“仿生物”的努力，把來自天然的最好的解決辦法與人造的元件結(jié)合起來，能夠開發(fā)出比現(xiàn)存生物體更好的系統(tǒng)?；A(chǔ)支撐技術(shù)的發(fā)展又可以進(jìn)一步推動(dòng)傳感網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步。

……

作為典型傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的無線射頻標(biāo)簽（RFID）是未來信息存儲(chǔ)提取和處理的主流技術(shù)，越來越多的國(guó)際性大公司已經(jīng)加入到這種技術(shù)的開發(fā)研究，近幾年已顯出大規(guī)模發(fā)展的態(tài)勢(shì)，RFID受市場(chǎng)關(guān)注的程度不亞于任何一種新興技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展使得服務(wù)器的客戶端設(shè)備數(shù)量快速增加。

通過在所有道路、建筑、水域、危險(xiǎn)地區(qū)和空間建立三維立體傳感網(wǎng)絡(luò)，建立具有強(qiáng)大計(jì)算能力的分布式監(jiān)控預(yù)報(bào)中心，能夠預(yù)測(cè)到臺(tái)風(fēng)、大雨、洪水、森林火災(zāi)等自然災(zāi)害和人為突發(fā)事件的發(fā)生和演變，以便迅速?zèng)Q策和處置，從而大幅度減少自然災(zāi)害和人為突發(fā)事件造成的損失。傳感網(wǎng)絡(luò)還可能在節(jié)能減排和智能家居等方面發(fā)揮作用。

傳感網(wǎng)在大規(guī)模實(shí)時(shí)信息獲取、協(xié)同感知、高抗毀性、微型靈活部署等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，將成為實(shí)現(xiàn)“安全、可靠、智能”的路網(wǎng)智能交通和城軌交通安全的重要支撐技術(shù)之一。傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可以在動(dòng)態(tài)復(fù)雜環(huán)境下實(shí)時(shí)、協(xié)同地獲取路況、車況和駕駛員的狀態(tài)信息，形成全局、綜合的決策、判斷，來預(yù)防和處理交通事故的發(fā)生，提高道路利用率，以及準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)突發(fā)事件，增強(qiáng)應(yīng)急事件的協(xié)同處理能力。進(jìn)一步發(fā)展的“塵?！毙蛡鞲衅?執(zhí)行器，嵌入物流世界的各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)信息空間與物理世界的融合?！?/p>

3 物聯(lián)網(wǎng)的科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)涉及從信息獲取、傳輸、存儲(chǔ)、處理、應(yīng)用的全過程，材料、器件、軟件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)各方面的創(chuàng)新都會(huì)促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的過程中需發(fā)展：微納米智能集成傳感器和低功耗、高性能芯片；微電池與儲(chǔ)能技術(shù)、能量采集技術(shù)、智能化能源管理技術(shù)；智能化、遠(yuǎn)距、抗干擾、根據(jù)環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)適配的信道使用模式，低功耗、高數(shù)據(jù)通量的跨層協(xié)議；高效、大規(guī)模、完全自組網(wǎng)算法和相關(guān)智能化算法，多種接入方式兼容、融合技術(shù)；新型安全、可靠異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；滿足低成本、可互動(dòng)、模塊抽象化等功能開放式中間件平臺(tái)，低功耗微型OS，具備自優(yōu)化、自配置、自愈功能分布式自適配軟件；信息處理與應(yīng)用軟件，行業(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù)模式等。

歐盟《物聯(lián)網(wǎng)研究路線圖》將物聯(lián)網(wǎng)研究分為10個(gè)層面：

①感知：ID發(fā)布機(jī)制與識(shí)別

②物聯(lián)網(wǎng)宏觀架構(gòu)

③通訊（OSI物理與鏈路層）

④組網(wǎng)（OSI網(wǎng)絡(luò)層）

⑤軟件平臺(tái)、中間件（OSI網(wǎng)絡(luò)層以上）

⑥硬件

⑦情報(bào)提煉

⑧搜索引擎

⑨能源管理

⑩安全

中科院“創(chuàng)新2050：科學(xué)技術(shù)與中國(guó)的未來，中國(guó)至2050年信息科技發(fā)展路線圖”在描述物聯(lián)網(wǎng)的科學(xué)問題時(shí)指出：“物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)碰到其它信息系統(tǒng)類似的問題，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和接入系統(tǒng)的增加，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度不斷提升，同時(shí)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，還需要在非常有限的資源條件下滿足低成本、綠色節(jié)能、用戶和環(huán)境友好、用戶為中心、高效等極端要求。發(fā)展傳感網(wǎng)面臨著布爾代數(shù)和連續(xù)代數(shù)共存的難題，需要高效實(shí)用的不確定性推理、先進(jìn)的復(fù)雜系統(tǒng)理論、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)理論，對(duì)物理世界的新型感知機(jī)理提出了很高的要求。對(duì)于傳感網(wǎng)，協(xié)同與控制理論等是重點(diǎn)需要發(fā)展的基礎(chǔ)理論。傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)涉及能源、智能、通信、標(biāo)準(zhǔn)、微型化和制造等，傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求社會(huì)科學(xué)和自然科學(xué)高度的交叉融合，物理、化學(xué)、生物、認(rèn)知等的綜合，也需要科學(xué)和工程技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，還將對(duì)人類的倫理等提出挑戰(zhàn)。”

4 存在問題

盡管國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)工作推進(jìn)比較快，但其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)，還存在如下問題：

（1）物聯(lián)網(wǎng)正處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，仍有許多瓶頸有待突破，特別是缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系和成熟商業(yè)模式，被看作是制約發(fā)展的關(guān)鍵要素。

（2）作為新概念、新技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)缺少國(guó)家級(jí)的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略謀劃，需要成立高級(jí)別的官產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟來組織引導(dǎo)；

（3）研究機(jī)構(gòu)數(shù)量眾多，但大多要么側(cè)重基礎(chǔ)理論，與應(yīng)用需求較遠(yuǎn)，缺乏大規(guī)模工程實(shí)踐牽引；要么側(cè)重工程，與中小型企業(yè)同質(zhì)化，重復(fù)性工作居多，難以全面迅速推廣，缺乏盈利的商業(yè)模式；

（4）缺乏具有系統(tǒng)綜合解決方案集成能力的龍頭企業(yè)，小、雜、散的中小型企業(yè)居多；

（5）基礎(chǔ)和核心技術(shù)投入強(qiáng)度仍不足。

5 發(fā)展建議

發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，首先要通過政府引導(dǎo)，全社會(huì)參與，鼓勵(lì)民營(yíng)資本進(jìn)入，造就一大批科技型中小企業(yè)群；其次，結(jié)合我國(guó)低成本信息化的特點(diǎn)，選取若干與可持續(xù)發(fā)展、資源、安全、新媒體等相關(guān)行業(yè)為切入點(diǎn)，圍繞需求，開展核心技術(shù)公關(guān)和技術(shù)集成研發(fā)，進(jìn)行技術(shù)示范、探索發(fā)展途徑；再次，結(jié)合節(jié)能、降耗、綠色、低碳、低成本、智能的發(fā)展戰(zhàn)略和地方需求，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代，政府支持開展感知、控制、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)技術(shù)研究，選取特色行業(yè)進(jìn)行應(yīng)用示范；最后，通過示范、政府采購(gòu)和新產(chǎn)業(yè)發(fā)展拉動(dòng)內(nèi)需，扶持本土企業(yè)，避免買進(jìn)一個(gè)無內(nèi)生能力的信息化。

在發(fā)展策略上，應(yīng)采取政府主導(dǎo)、市場(chǎng)運(yùn)作，以應(yīng)用為先導(dǎo)，兼顧國(guó)家安全需求和民用市場(chǎng)，在發(fā)展前期，可以滿足國(guó)家安全需求為主帶動(dòng)民用市場(chǎng)的開拓。民用市場(chǎng)的開拓則可以應(yīng)急安全、環(huán)境監(jiān)控、政府綜合信息網(wǎng)為切入點(diǎn)，逐步在電力、石油、環(huán)境、能源等領(lǐng)域應(yīng)用，注重不同應(yīng)用平臺(tái)的建設(shè)以及相關(guān)增值服務(wù)的研究。在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的過程中一定要堅(jiān)持應(yīng)用牽引，結(jié)合中國(guó)國(guó)情來發(fā)展適合我國(guó)發(fā)展水平的綠色、開放、高可靠的物聯(lián)網(wǎng)，走一條有中國(guó)特色、能帶動(dòng)國(guó)內(nèi)核心技術(shù)企業(yè)發(fā)展的低成本信息化道路。

積極參與標(biāo)準(zhǔn)制訂。我們已經(jīng)在部分領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定方面獲得了有份量的發(fā)言權(quán)，未來應(yīng)當(dāng)以應(yīng)用為導(dǎo)向開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，制訂我國(guó)相關(guān)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，廣泛開展國(guó)際合作，利用我國(guó)的巨大市場(chǎng)影響并參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，提高我國(guó)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)中的籌碼，使得標(biāo)準(zhǔn)的制定朝著對(duì)我國(guó)有利的方向進(jìn)行。

政策扶持。鑒于國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，建議根據(jù)不同應(yīng)用特點(diǎn)由國(guó)家協(xié)調(diào)為物聯(lián)網(wǎng)劃出專用或共用的頻率資源，產(chǎn)業(yè)上可以由國(guó)家給予物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)類似于軟件產(chǎn)業(yè)、集成電路產(chǎn)業(yè)的相關(guān)優(yōu)惠政策。官產(chǎn)學(xué)研各司其職，培育需求，應(yīng)用研究和核心技術(shù)研究并重，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化戰(zhàn)略，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)布局，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的形成和發(fā)展，使我國(guó)在信息技術(shù)新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。

物聯(lián)網(wǎng)的普及需要商業(yè)模式的創(chuàng)新，物聯(lián)網(wǎng)未來將滲入到每一個(gè)行業(yè)，但每個(gè)行業(yè)的商業(yè)模式各不相同。物聯(lián)網(wǎng)特別適合創(chuàng)業(yè)型企業(yè)或中小企業(yè)，可為其提供創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。目前物聯(lián)網(wǎng)在行業(yè)應(yīng)用上的示范成本相對(duì)較高，但在得到廣泛應(yīng)用并形成規(guī)模后，成本會(huì)逐步下降。作為新技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)目前在一定程度上還需要政府進(jìn)行產(chǎn)業(yè)引導(dǎo)。

1 Chong and Kumar.Sensor networks:evolution,opportunities,and challenges.Proceedings of the IEEE,2003,91（8）.

2 ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things.

3 創(chuàng)新2050：科學(xué)技術(shù)與中國(guó)的未來.中國(guó)至2050年信息科技發(fā)展路線圖.北京：科學(xué)出版社,2009.