物聯(lián)網(wǎng)為嵌入式系統(tǒng)帶來機遇

王 瑩

摘要：智能電網(wǎng)、智能醫(yī)療、智能汽車／智能交通信息系統(tǒng)(ITS)、數(shù)字出版與發(fā)行(電子書)等等網(wǎng)絡組成了物聯(lián)網(wǎng)，其市場規(guī)?？蛇_10¹²數(shù)道級。物聯(lián)網(wǎng)的基礎是RFID，但更重要的是知和行，在此會遇到一系列的技術挑戰(zhàn)。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；CPS；感知中國；嵌入式；RFID

10¹²的大市場

在1999年物聯(lián)網(wǎng)概念就開始提出，實際上就是互聯(lián)網(wǎng)向物聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)移，要上物聯(lián)網(wǎng)的設備是1012數(shù)量級，非常巨大。但我們現(xiàn)在的Internet網(wǎng)的利用率該產(chǎn)品還很低，只有2％-5％。目前嵌入式設備需要聯(lián)成網(wǎng)絡，但嵌入式設備一般無瀏覽器，需要建立信息平臺，實現(xiàn)低端和高端的連接。

與物聯(lián)網(wǎng)相關的熱調(diào)

感知中國、物聯(lián)網(wǎng)、智慧地球、CPS(Cyber-Physical System，信息融合物理系統(tǒng))等與傳感網(wǎng)絡相關的詞匯最近很熱……

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早是從RFID(射頻識別)技術這個領域來的，1999年專門做RFID的EPC global前身——麻省理工Auto-ID中心提出。它當時指每一個物品上都貼一個電子標簽，這樣通過后臺信息系統(tǒng)構成一個借助于Internet、所有物品都能互相聯(lián)系起來的一個物聯(lián)網(wǎng)。但是這個概念當年并沒有太多人關注，真正受到關注是從2005年ITU(國際電信聯(lián)盟)重新定義了物聯(lián)網(wǎng)的概念。它主要是從信息和通信的角度去考慮，集中在三個“Any”(anytime、anyplace、anyone)去獲取信息。從此概念能看出，RFID技術、傳感器技術以及嵌入式智能技術是物聯(lián)網(wǎng)的基礎部分，即底層技術。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展主要是2008年IBM從商業(yè)角度提出所謂的“智慧地球”。物聯(lián)網(wǎng)有三大層，底層是感知層，中間是網(wǎng)絡層，上層是應用層。基于此，智慧地球的核心技術有三個i：instrument，傳感技術(物聯(lián)化)；interconnected(互聯(lián)化)；intelligent(智能化)。

目前，學術界流行一個詞CPS。我們?nèi)祟惿鐣钤趦蓚€世界上，一個是信息世界，一個是物理世界。信息世界跟物理世界的融合，就稱為CPS。中國計算機學會微機專業(yè)委員會嵌入式學組組長、復旦大學的陳章龍教授一年前開始研究CPS，但是他和IBM和Intel等公司去探討時，這些商用公司說他們知道CPS，但現(xiàn)在不會去做CPS、因為做CPS風險很大。CPS實際上就是信息和物理系統(tǒng)的融合，即三個c：1，把物理設備Computer化；2，通過通訊(communication)和后臺連起來；3，Control。這不是把CPS單獨拆離開來一個一個的系統(tǒng)，從控制層面來看，是整個的一個大系統(tǒng)。這樣一來，我們的計算機就要有一個變更性的革命，因為我們計算機處理的是數(shù)字的、離散的、跟時間無關的對象，而現(xiàn)在如果是CPS，處理的對象則是模擬的、連續(xù)的、跟時間相關的，那么所有的理論、語言都要配套重來。所以美國也是首先在自然資金里面展開這個方面的探索工作。

溫家寶總理2009年8月到無錫考察時，提出重視發(fā)展“感知中國”。目前要做的工作是三個方面：把傳感系統(tǒng)和3G中的TD技術結(jié)合起來：在國家重大科技專項中，加快推進傳感網(wǎng)的發(fā)展：盡快建立中國的傳感信息中心。

不僅感，還要知、行

陳章龍教授認為，“感知中國”的感知耐人尋味，“感”是傳感器通過RFID對信息的采集和傳輸：關鍵是“知”，就是要通過處理計算，并返回去，才會產(chǎn)生真正的價值。

無線傳感器網(wǎng)絡在國內(nèi)已經(jīng)炒了十年，現(xiàn)在重新拿出來，我們一定要認真考慮以前的十年炒無線傳感器網(wǎng)絡為什么沒有“量變成質(zhì)變”?因為我們只發(fā)展了“感”，還沒有去“知”。

中國科學院自動化所的關強博士提出要重視“知”和“行”。物聯(lián)網(wǎng)的架構包括幾層：基礎層、傳輸層，還有執(zhí)行，即所謂感知的“知”和行動的“行”，控制、中間件、公共信息服務，最后結(jié)合到具體的應用去。

嵌入式的機遇

無論是物聯(lián)網(wǎng)三要素(感知行)，還是智慧地球3i，CPS的3C，實際上都是在講一件事：人、機、物的和諧發(fā)展。這對嵌入式系統(tǒng)的要求是什么?陳童龍教授認為第一要多功能化、低功耗、微型化，這些已經(jīng)都在做了，比如無線傳感器的結(jié)點的智能匯集，傳感器的設計趨向一體化。由于嵌入式系統(tǒng)無處不在，有的可做得很小，例如智能灰塵，它里面的一些軟件，即嵌入式軟件也需要很小。

第二，嵌入式系統(tǒng)要網(wǎng)絡化。假如現(xiàn)在就把互聯(lián)網(wǎng)復制到物聯(lián)網(wǎng)，這在技術上是行不通的，因為我們面向?qū)ο笫菙?shù)據(jù)，是連續(xù)的、動態(tài)的、是非結(jié)構化的。所以瀏覽就不能簡單地設為嵌入式瀏覽器，因此需要在低端和高端之間建立信息中間件，OSGi(Open Service Gateway initiative)應運而生(圖2)，是開放性的機構，專門針對汽車電子、家庭網(wǎng)絡、移動設備和工業(yè)環(huán)境等特定領域的互聯(lián)網(wǎng)中間件的應用。例如，OSGi聯(lián)盟專門成立了一個名為汽車專家組(Vehicle Expert Group)的特別機構，為OSGi在汽車電子領域的應用制定規(guī)范。

關強博士從RFID應用角度介紹了嵌入式的發(fā)展機會。他說，很多案例是通過一定的技術手段來實現(xiàn)從終端到終端，一般來說是閉環(huán)應用。閉環(huán)只在一個特定的范圍或是應用領域之內(nèi)，還達不到開環(huán)，譬如公共領域的信息服務。因為實際上物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展受制于應用模式，如果要做到開環(huán)，會面臨復雜的問題：要找怎樣的一種商業(yè)模式、基礎設施由誰掏錢。

歐洲一家專門研究物聯(lián)網(wǎng)、智能系統(tǒng)集成的協(xié)會對物聯(lián)網(wǎng)的預測是四個階段：

·2010年之前從RFID技術角度去討論；

·2010到2015年電子標簽、傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)更深層次的信息交互；

·2015到2020年實現(xiàn)互聯(lián)物品智能化；

·2020年實現(xiàn)全面的智能化。

技術層包括以下幾類(圖3)：RFID標簽、讀寫器等基礎設備。還有傳感器、傳感器網(wǎng)絡、傳感設備。傳輸層(這也是ITU重新定義物聯(lián)網(wǎng)的原因)主要是在網(wǎng)絡層考慮，從網(wǎng)絡技術、通信技術去考慮。我國提出利用3G去傳輸物聯(lián)網(wǎng)，但這里還是涉及許多問題，比如信息終端，還有現(xiàn)在的操作系統(tǒng)，像中國移動推出的OMS操作系統(tǒng)，如果真正涉及到基礎設施，還有工業(yè)以太網(wǎng)、交通、離散控制領域等特殊的網(wǎng)絡，當然基礎設施上還有一些軟件的工作，比如中間件、中間件的功能、實時信息處理、海量的數(shù)據(jù)怎么處理。如果實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用，一定要正開環(huán)，因為開環(huán)要為公

共服務，涉及到更多的問題。

目前，物聯(lián)網(wǎng)相關標準還很多，但總體上。與理想的物聯(lián)網(wǎng)標準還差得很遠。

那么RFID與嵌入式系統(tǒng)之間的關系如何?關強認為，首先是射頻前端的特殊設計；再一個就是嵌入式系統(tǒng)設計方面，主要是把RFID作為一個組成部分。RFID產(chǎn)品的嵌入式系統(tǒng)設計看起來難度不大，因為只要RFID讀寫設備是固定式設備，基本上基于嵌入式Linux平臺，主流產(chǎn)品目前是國外廠商實力較強，本土產(chǎn)品的操作系統(tǒng)還待完善。

應形成本土戰(zhàn)略

到此看來本文就該結(jié)束，但本國家863計劃信息技術領域?qū)＜医M組長、北京航空航天大學校長懷進鵬院士提出不要成為國外理念的實驗場，應該探索自己特色之路。他指出，物聯(lián)網(wǎng)和智慧地球是美國人提出的，是否這次我們再為美國做注解。注解其發(fā)展的合理性，和中國成為其一個巨大的應用示范、產(chǎn)業(yè)化開動前期的一個試點?

通常來說，如果你自己提出了一個新概念。想堅持下來也許比較難，但是他們有了我們說我們也曾經(jīng)想過了，這樣再拿來更容易得到支持，尤其在特定的應用服務范圍內(nèi)。所以當時863小組在規(guī)劃時認為，要借鑒國外的發(fā)展模式，再結(jié)合我們自己的重大的問題、重大的任務來進行謀劃。我們需要思考三件事：第一，一種發(fā)展的暢想，能否在重大技術、產(chǎn)生重大突破的機會沒有到來之前，我國有可能引領并堅持一些方向，也許最后還能形成國際社會的趨勢；第二，在信息技術未來發(fā)展當中，建立以純技術驅(qū)動為主的，結(jié)合以應用為創(chuàng)新模式的這種互動方式，也許在最近五年甚至十年當中，重大應用的突破對孕育和推進技術的發(fā)展帶來機會，具體體現(xiàn)就是在網(wǎng)絡和通訊技術上。最后，需要走從參與到主導的模式。

五年十年后面臨互聯(lián)網(wǎng)應用大突破

對于網(wǎng)絡化，很多國內(nèi)外專家和產(chǎn)業(yè)界有一個共識，到2020年前后，信息技術將會遭遇到漸進式改進難以持續(xù)發(fā)展的重大障礙，或者另一種解釋是，十年之內(nèi)在信息技術領域，想要在技術上取得重大突破的可能性比較小。而男一種機會孕育著重大技術突破的，就是應用當中新模式所帶來的大規(guī)模應用技術、集成性技術或系統(tǒng)集群技術的突破，它的重要性將會凸顯。而再往后發(fā)展的20年當中，可能出現(xiàn)信息科學在一些基礎的微電子、電路、體系結(jié)構、模型、算法和重大系統(tǒng)帶來的突破，但這時一定是重大應用所匯聚的系統(tǒng)級的技術和基礎研究的新突破。

所以總體上，在多核、高并行、網(wǎng)絡化、海量多元化這樣發(fā)展的模式下，怎樣來建立新的發(fā)展空間就給我們帶來了思考。因為計算技術面臨的新的技術墻在五年走不動，諸如摩爾定律、還有存儲墻、軟件的復雜性墻、數(shù)據(jù)的規(guī)模墻還有功耗等一系列的問題。也就是說過去在我們過度關注系統(tǒng)復雜性的時候，開始關注了人如何作為一種重要的方式和系統(tǒng)進行結(jié)合，來降低系統(tǒng)的復雜性，變成今后作為應用發(fā)展當中一個重要的內(nèi)容。同時在軟件的可信、數(shù)據(jù)的不確定、以及情感感知等等有很多的問題。在這些問題中，最突出的是信息化和兩化融合面臨的應用墻，怎樣把應用墻推倒來看到另一個世界，使那些墻來直接服務。

總之，如何為這五年十年做好準備?這是擺在所有人面前的機遇和挑戰(zhàn)。