我國傳感網(wǎng)發(fā)展的思考

朱建勇，馬 瑩，湯 熠

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所，北京100083）

傳感網(wǎng)概述

傳感網(wǎng)，即物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things)概念是1999年美國麻省理工學(xué)院（MIT）首次提出的，被預(yù)言為繼互聯(lián)網(wǎng)后全球信息產(chǎn)業(yè)的又一次革命性浪潮[1]。2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）的年度報(bào)告中對(duì)其進(jìn)行了定義：通過對(duì)物體的屬性進(jìn)行感知，把收集到的物體屬性信息傳輸?shù)教幚砥脚_(tái)，進(jìn)行智能處理并提出最優(yōu)化的解決方案。感知主要是通過二維碼、射頻識(shí)別(RFID)、全球定位系統(tǒng)（GPS）、攝像頭、麥克風(fēng)以及物理、化學(xué)、生物等傳感器實(shí)時(shí)地采集、捕獲、感知、測(cè)量物體屬性信息；傳輸主要是通過互聯(lián)網(wǎng)、各種通信網(wǎng)絡(luò)把物體的屬性信息接入，實(shí)時(shí)地進(jìn)行可靠的交互、傳輸和共享；智能處理是指利用云計(jì)算、普適計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算、高性能并行計(jì)算等各種智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)跨地域、跨行業(yè)、跨部門的海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行計(jì)算、分析和處理，達(dá)到對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各種活動(dòng)和變化能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)反饋、動(dòng)態(tài)控制和智能化的決策，從而構(gòu)建一個(gè)和諧的社會(huì)。

傳感網(wǎng)具有部署靈活、方便擴(kuò)展等特點(diǎn)，受到人們的廣泛重視。傳感網(wǎng)可有效地用于事件檢測(cè)、目標(biāo)定位、跟蹤和識(shí)別、信息無線傳輸和智能處理，在國防軍事、安全反恐、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生和工業(yè)生產(chǎn)制造等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。傳感網(wǎng)改變了人與自然界的交互方式，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的互聯(lián)，把虛擬的信息世界與現(xiàn)實(shí)的物理世界鏈接起來，融為一體，擴(kuò)展了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識(shí)改造世界的能力。傳感網(wǎng)巨大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，已引起了世界各國學(xué)術(shù)界、軍事部門和工業(yè)界的極大關(guān)注，被譽(yù)為本世紀(jì)最有影響的技術(shù)革命和改變世界的技術(shù)。因此，我國開展傳感網(wǎng)的相關(guān)研究，具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義和長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

國際上傳感網(wǎng)研究發(fā)展現(xiàn)狀

傳感網(wǎng)的研究起步于20世紀(jì)80年代末期。從21世紀(jì)開始，傳感網(wǎng)引起了各國軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，世界各國(特別是美國)相繼啟動(dòng)了多項(xiàng)關(guān)于傳感網(wǎng)的研究計(jì)劃。隨著研究的深入，它正在逐漸深入到人類生活的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

國防和安全反恐領(lǐng)域

傳感網(wǎng)的研究，最先源自國防軍事領(lǐng)域的需求，其最新研究成果和主要進(jìn)展也是在軍事領(lǐng)域率先獲得的。美國軍方為了搶占傳感網(wǎng)的制高點(diǎn)，先后實(shí)施了分布式傳感網(wǎng)項(xiàng)目、WINS(Wireless Integrated Network Sensors)項(xiàng)目、智能塵埃(Smart Dust)等一系列項(xiàng)目研究[2-3]，取得豐碩成果。20世紀(jì)80年代，美國國防部啟動(dòng)分布式傳感網(wǎng)項(xiàng)目，在傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、信息處理和分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等技術(shù)領(lǐng)域開展了研究。20世紀(jì)90年代，美國軍方提出未來戰(zhàn)爭(zhēng)主要模式，將從“平臺(tái)中心戰(zhàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬W(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”，傳感網(wǎng)可有機(jī)結(jié)合交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)，支持完成各作戰(zhàn)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化和一體化，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。2000年，美國陸軍實(shí)施了無人地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)UGS(Unattended Ground Sensors)項(xiàng)目[4]，將傳感器節(jié)點(diǎn)靈活部署到任何區(qū)域，實(shí)施戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控以擴(kuò)展陸軍的視野。當(dāng)前，美國通過傳感網(wǎng)將通信、指揮、計(jì)算機(jī)、控制、情報(bào)及監(jiān)視與偵察等各種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)整合，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)的實(shí)時(shí)獲取、信息的智能化綜合處理和利用。隨后，還啟動(dòng)了sensIT(Sensor Information Technology)項(xiàng)目[5]，實(shí)現(xiàn)在高度動(dòng)態(tài)變化的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，快速部署一個(gè)準(zhǔn)確、可靠、快速、廉價(jià)、無處不在的傳感網(wǎng)。2001年，美國陸軍實(shí)施了靈巧傳感網(wǎng) SSW(Smart Sensor Web)項(xiàng)目，在戰(zhàn)場(chǎng)上布設(shè)大量傳感器以收集和傳輸信息，并對(duì)相關(guān)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，再把重要信息傳送到數(shù)據(jù)融合中心進(jìn)行分析處理，從而獲得戰(zhàn)場(chǎng)的綜合信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的整體把握。2002年，美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了監(jiān)測(cè)生化武器恐怖襲擊的傳感網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過可檢測(cè)有毒氣體的化學(xué)傳感器，能夠盡早發(fā)現(xiàn)地鐵或車站等公共場(chǎng)所的生化物質(zhì)，及時(shí)采取防范措施。

除了美國以外，加拿大、英國、德國、芬蘭、意大利和日本等國都對(duì)傳感網(wǎng)技術(shù)展開了相關(guān)研究。在相關(guān)外文期刊和國際會(huì)議中，每年有大量關(guān)于無線傳感網(wǎng)各層面研究成果的論文發(fā)表，且呈逐步增多趨勢(shì)。

工業(yè)生產(chǎn)和民用領(lǐng)域

在工業(yè)生產(chǎn)和民用領(lǐng)域，無線傳感網(wǎng)可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理、智能家居、智能交通監(jiān)控等方面。環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，傳感網(wǎng)可用于監(jiān)控工廠設(shè)備和人員運(yùn)作情況，以及工作場(chǎng)所的燈光、空氣溫度或濕度等條件；監(jiān)視農(nóng)作物生長、灌溉、土壤空氣、氣象形成和地質(zhì)變化等；監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)火山、洪水或地震等災(zāi)害現(xiàn)象；還可用于對(duì)動(dòng)物種群生活習(xí)性進(jìn)行跟蹤研究等。醫(yī)療護(hù)理方面，傳感網(wǎng)可用于監(jiān)測(cè)人體內(nèi)各種生理數(shù)據(jù)，跟蹤和監(jiān)控醫(yī)院內(nèi)醫(yī)生和患者的行動(dòng)，以及實(shí)施藥物管理等。智能家居方面，通過置于房間內(nèi)的各種傳感器感知居室不同部分的微觀狀況，從而對(duì)空調(diào)、門窗以及其他家電進(jìn)行自動(dòng)控制，可提供更舒適、方便和人性化的智能家居環(huán)境。智能交通方面，美國交通部計(jì)劃應(yīng)用先進(jìn)的傳感器、數(shù)據(jù)通信、控制及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，建立一個(gè)大范圍、全方位的實(shí)時(shí)高效綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。航天探索方面，傳感網(wǎng)可部署在飛行器或空間站的各個(gè)角落，實(shí)施狀態(tài)監(jiān)控，也可借助飛行器撒播在外星體，對(duì)星球表面和空間物質(zhì)進(jìn)行長時(shí)間監(jiān)測(cè)。

我國傳感網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在傳感網(wǎng)方面的研究與國外差不多同時(shí)起步，并從一開始就得到政府各部門和院校的重視，已取得了一些成果。1999年中國科學(xué)院就把傳感網(wǎng)列為該領(lǐng)域的五個(gè)重大項(xiàng)目之一。2006年初，國務(wù)院發(fā)布《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》，進(jìn)一步將傳感網(wǎng)及其智能信息處理技術(shù)作為信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中的優(yōu)先發(fā)展課題之一。國家自然科學(xué)基金委員會(huì)己經(jīng)審批了無線傳感網(wǎng)相關(guān)的重點(diǎn)課題和多個(gè)面上課題。國家發(fā)展改革委員會(huì)在下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程中部署了傳感網(wǎng)相關(guān)課題。國防科工委也資助了相關(guān)項(xiàng)目的研究。工業(yè)和信息化部在2008年、2009年、2010年和2011年連續(xù)三年在“新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)”國家重大專項(xiàng)中安排了“項(xiàng)目6短距離無線互聯(lián)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”。上海微系統(tǒng)研究所、華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所 （電子六所）、中科院軟件研究所和中科院計(jì)算所等科研機(jī)構(gòu)，上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、蘭州大學(xué)、大連理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、西安交通大學(xué)等院校都開展了傳感網(wǎng)的研究工作。一些企業(yè)，如中興通訊公司、華為公司等單位也加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的行列。

我國傳感網(wǎng)應(yīng)采取的發(fā)展思路

在“十一五”已經(jīng)有一定探索并取得一些成果的基礎(chǔ)上，“十二五”進(jìn)行傳感網(wǎng)大規(guī)模、大系統(tǒng)的行業(yè)應(yīng)用研究和工程示范。在中央企業(yè)，無錫、安徽、武漢、遼寧等基礎(chǔ)比較好的地區(qū)建設(shè)我國傳感網(wǎng)研發(fā)與示范基地，使我國傳感網(wǎng)在“十二五”期間能夠在研究上處于國際前列，通過部署大的傳感網(wǎng)示范工程帶動(dòng)傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，初步形成我國有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈體系，使傳感網(wǎng)成為我國新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

我國傳感網(wǎng)的發(fā)展重點(diǎn)

根據(jù)我國行業(yè)和區(qū)域特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)需求強(qiáng)烈的行業(yè)和地區(qū)，安排行業(yè)或者區(qū)域傳感網(wǎng)國家重大工程示范應(yīng)用，以應(yīng)用促發(fā)展，以此帶動(dòng)傳感網(wǎng)技術(shù)的成熟和大規(guī)模的應(yīng)用。

重大行業(yè)示范工程

針對(duì)當(dāng)前傳感網(wǎng)應(yīng)用不成規(guī)模、不成體系的現(xiàn)狀，充分利用政府投入引導(dǎo)拉動(dòng)社會(huì)資本的策略。在災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測(cè)、減災(zāi)、郵政、交通、物流、智能家居、航天等領(lǐng)域推出大規(guī)模的傳感網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用示范工程。比如，基于傳感網(wǎng)的郵件智能處理系統(tǒng)示范工程；基于傳感網(wǎng)的智能交通系統(tǒng)示范工程；基于傳感網(wǎng)技術(shù)的核材料監(jiān)控系統(tǒng)示范工程；基于傳感網(wǎng)面向制造業(yè)的物流供應(yīng)鏈?zhǔn)痉豆こ?；基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療示范工程。

重大區(qū)域應(yīng)用示范工程

針對(duì)區(qū)域重大應(yīng)用需求，集中優(yōu)勢(shì)技術(shù)和地區(qū)急需進(jìn)行區(qū)域重大應(yīng)用示范工程。如，區(qū)域車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用示范工程；皖江感知示范工程；汶川(青藏高原)地震帶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示范工程；基于傳感網(wǎng)的物流示范工程；基于傳感網(wǎng)的全國煤礦等安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)示范工程。

我國傳感網(wǎng)發(fā)展的建議措施

(1)盡快出臺(tái)傳感網(wǎng)有關(guān)規(guī)劃或發(fā)展指導(dǎo)意見

為了積極響應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整、產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式的需要，積極應(yīng)對(duì)金融危機(jī)帶來的發(fā)展機(jī)遇，開展我國傳感網(wǎng)中長期發(fā)展前瞻性、基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性課題和規(guī)劃研究，盡快出臺(tái)全國性的傳感網(wǎng)有關(guān)規(guī)劃和發(fā)展指導(dǎo)意見，就顯得尤為重要和急迫。

(2)建立傳感網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)基金

為了更好地推進(jìn)傳感網(wǎng)工作，落實(shí)傳感網(wǎng)發(fā)展重點(diǎn)和示范工程，需要加大國家對(duì)傳感網(wǎng)的資金投入，支持傳感網(wǎng)發(fā)展所急需的各類基礎(chǔ)性研究、示范工程、公共服務(wù)支撐平臺(tái)及通用軟硬件產(chǎn)品的開發(fā)與商品化工作。建立傳感網(wǎng)發(fā)展專項(xiàng)基金，各地區(qū)提供配套資金支持，主要用于支持傳感網(wǎng)發(fā)展重點(diǎn)行業(yè)、重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)工程、重點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè)。

(3)建設(shè)行業(yè)或區(qū)域傳感網(wǎng)示范區(qū)

在國家已有無錫傳感網(wǎng)研究基地的基礎(chǔ)上，盡快選擇應(yīng)用需求迫切、條件比較好的行業(yè)或者地區(qū)建設(shè)傳感網(wǎng)示范區(qū)，為傳感網(wǎng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用先行試點(diǎn)示范，為我國傳感網(wǎng)研究擁有更大的話語權(quán)，在世界傳感網(wǎng)領(lǐng)域占有一席之地奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(4)建立傳感網(wǎng)公共服務(wù)體系

傳感網(wǎng)建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，是一個(gè)專業(yè)性非常強(qiáng)的長期任務(wù)，需要建立公共服務(wù)體系。傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)涉及面廣、實(shí)施過程復(fù)雜，不同行業(yè)、不同領(lǐng)域、不同規(guī)模、不同應(yīng)用深度對(duì)傳感網(wǎng)需求是不同的。因此，要求第三方的服務(wù)平臺(tái)要能夠結(jié)合中國的實(shí)際需要，形成有中國特色的服務(wù)理念、服務(wù)規(guī)范、服務(wù)流程、服務(wù)方法。建設(shè)與完善我國傳感網(wǎng)公共服務(wù)體系，建立面向區(qū)域或行業(yè)的公共技術(shù)服務(wù)平臺(tái)、體驗(yàn)中心，為行業(yè)及中小企業(yè)參與傳感網(wǎng)提供技術(shù)咨詢、解決方案、工業(yè)軟件、系統(tǒng)集成以及專業(yè)培訓(xùn)等服務(wù)。

(5)建立區(qū)域聯(lián)動(dòng)、行業(yè)協(xié)作的傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈體系

傳感網(wǎng)涉及的產(chǎn)業(yè)鏈很長，包括了傳感測(cè)量、微電機(jī)系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanism System)、嵌入式計(jì)算以及網(wǎng)絡(luò)通信、智能信息處理、海量信息存儲(chǔ)等多個(gè)學(xué)科專業(yè)，是一門新興綜合性科學(xué)技術(shù)。一方面，一個(gè)行業(yè)或者一個(gè)地區(qū)無法實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)所涉及領(lǐng)域各個(gè)學(xué)科專業(yè)的全面發(fā)展；另一方面，全國有些區(qū)域或者行業(yè)在傳感網(wǎng)研究和應(yīng)用中走在了中國前列，甚至具有世界一流的水平，可以為國家傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的建立提供某個(gè)環(huán)節(jié)的強(qiáng)力支撐。建立區(qū)域聯(lián)動(dòng)、行業(yè)協(xié)作的傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈體系勢(shì)在必行。

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[3]WARNEKE B，LAST M，LIEBOWITZ B，et al.Smart dust：Communicating with a cubic-millimeter computer[J].IEEE Computer Magazine，2001，34(1)：44-51.

[4]Unattended Ground Sensors(UGS).U.S.Army.http：//www.army.mil/fcs/factfiles/ugs.html.

[5]DARPA Sensor Information Technology Program.http：//www.darpa.mil/ito/research/sensit/index.html.