智慧城市的支撐技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

文│ 北京郵電大學(xué) 蘆效峰

中國(guó)電信昆山分公司 景培榮

1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

1999年提出的“物聯(lián)網(wǎng)”（Internet of Things），指的是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是讓所有的物品都與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，系統(tǒng)可以自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的信息交互和生產(chǎn)生活信息流的無(wú)縫鏈接，進(jìn)而達(dá)到對(duì)物理世界的實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策。智慧城市用物聯(lián)網(wǎng)延伸到人與人、人與物、物與物的信息交互，而物聯(lián)網(wǎng)讓城市的信息獲取隨手可得。

“物聯(lián)網(wǎng)”概念的問(wèn)世，打破了傳統(tǒng)思維，以往的概念一直是將物理基礎(chǔ)設(shè)施和IT基礎(chǔ)設(shè)施分開(kāi)：一邊是機(jī)場(chǎng)、公路、建筑物；而另一邊是數(shù)據(jù)中心、個(gè)人電腦、寬帶等。而在“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代，鋼筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施。在此意義上，基礎(chǔ)設(shè)施更像是一塊新的地球工地，世界的運(yùn)轉(zhuǎn)就在它上面進(jìn)行，其中包括經(jīng)濟(jì)管理、生產(chǎn)運(yùn)行、社會(huì)管理乃至個(gè)人生活。

2005年國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》。報(bào)告指出，無(wú)所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即將來(lái)臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過(guò)因特網(wǎng)主動(dòng)進(jìn)行信息交換，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

2009年2月24日IBM公司提出，IT產(chǎn)業(yè)下一階段的任務(wù)是把新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中，具體地說(shuō)，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且將之普遍連接，形成物聯(lián)網(wǎng)。

2 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)體系與服務(wù)體系

物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)通常認(rèn)為有三個(gè)層次：底層是感知層，也就是傳感網(wǎng)絡(luò)；中間層是網(wǎng)絡(luò)層，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通道；上層則是應(yīng)用層。實(shí)際上，將信息的傳輸和處理放在同一層次，或者將處理和應(yīng)用放在同一層次，限制了信息的處理范圍，構(gòu)成了單點(diǎn)的閉環(huán)應(yīng)用，不利于不同應(yīng)用之間以及不同物品之間的資源共享和復(fù)用。因此，在當(dāng)前階段，人們更加傾向于將信息的傳輸和處理分開(kāi)，將通用、公共的信息處理部分獨(dú)立出來(lái)，作為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，可以供多個(gè)應(yīng)用共同使用。這樣，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)被劃分為四個(gè)層次：感知層、傳輸層、智能層和應(yīng)用層，分別承擔(dān)“感”、“傳”、“智”、“用”的任務(wù)。

（1）感知層面。感知層主要負(fù)責(zé)識(shí)別物體，采集信息。感知層的工作需要依靠一些終端設(shè)備來(lái)完成，如二維碼標(biāo)簽和識(shí)讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS、各種傳感器等。以農(nóng)業(yè)應(yīng)用為例，常用的終端設(shè)備包括溫度和濕度傳感器、CO2探測(cè)傳感器、光照度傳感器、土壤養(yǎng)分傳感器等。由于終端設(shè)備類型多樣，各類設(shè)備輸出的信號(hào)類型、使用的傳輸接口、生成的數(shù)據(jù)格式都不盡相同，而面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)所期望的物物相聯(lián)，需要設(shè)備信息的共享和交換，因此如何規(guī)范化各種傳感器的輸出數(shù)據(jù)，讓使用者能夠識(shí)別這些數(shù)據(jù)是一項(xiàng)重要工作。

（2）傳輸層面。傳輸層主要負(fù)責(zé)信息傳遞。當(dāng)前的主流技術(shù)包括：通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)及融合網(wǎng)絡(luò)。以當(dāng)前的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為例，傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)通常采用兩種方式，一種是由電信、移動(dòng)、聯(lián)通三大運(yùn)營(yíng)商提出的3G+WLAN組網(wǎng)模式，另一種是利用Wi-Fi技術(shù)組建的無(wú)線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)。傳輸層的目標(biāo)是能夠滿足大量、實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)的傳輸需求，而這也是傳輸層面臨的一大挑戰(zhàn)。據(jù)北京市智能交通應(yīng)用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，面對(duì)200個(gè)節(jié)點(diǎn)的攝像頭終端，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)就已經(jīng)不堪重負(fù)。因此，設(shè)計(jì)新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬，以保證大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸是一項(xiàng)重要工作。

（3）智能層面。智能層主要通過(guò)對(duì)傳感信息的動(dòng)態(tài)匯聚、分解、合并等處理和服務(wù)，在數(shù)字/虛擬空間內(nèi)創(chuàng)建物理世界所對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)視圖。一方面，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中涉及的各類傳感設(shè)備進(jìn)行一體化管理，實(shí)現(xiàn)傳感器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，提高傳感器的共享利用程度，避免傳感信息的重復(fù)采集；另一方面得到的數(shù)據(jù)和信息提供存儲(chǔ)、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的基礎(chǔ)服務(wù)。智能層的功能是融合在網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層之中。

（4）應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用到人們的生產(chǎn)與生活中，例如基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚種植、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大廈、基于物聯(lián)網(wǎng)的電力管理、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能交通、基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療、公共監(jiān)控、公共安全管理、城市管理等。

3 RFID技術(shù)

RFID（Radio Frequency Identification）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)通過(guò)空間電磁耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別。

RFID是一種能夠讓物品“開(kāi)口說(shuō)話”的技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)感知層的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，RFID標(biāo)簽中存儲(chǔ)著規(guī)范而具有互用性的信息，通過(guò)有線或無(wú)線的方式把它們自動(dòng)采集到中央信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物品的識(shí)別，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息匯聚和共享。

RFID系統(tǒng)主要由三部分組成：電子標(biāo)簽（Tag）、讀寫(xiě)器（Reader）和天線（Antenna）。其中，電子標(biāo)簽芯片具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用于存儲(chǔ)待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)信息；讀寫(xiě)器一般是一臺(tái)內(nèi)含天線和芯片解碼器的讀寫(xiě)設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式；讀寫(xiě)器將約定格式的待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)信息寫(xiě)入電子標(biāo)簽的存儲(chǔ)區(qū)中（寫(xiě)入功能），或在讀寫(xiě)器的閱讀范圍內(nèi)以無(wú)接觸的方式將電子標(biāo)簽內(nèi)保存的信息讀取出來(lái)（讀出功能），從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的目的。通常讀寫(xiě)器與電腦相連，所讀取的標(biāo)簽信息被傳送到電腦上進(jìn)行下一步處理。天線用于發(fā)射和接收射頻信號(hào)，往往內(nèi)置在電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器中。

RFID是一種利用電磁能量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)，可以提供無(wú)人看管的自動(dòng)監(jiān)視與報(bào)告作業(yè)。當(dāng)裝有電子標(biāo)簽的物體接近微波天線時(shí)，閱讀器受控發(fā)出微波查詢信號(hào)。安裝在物體表面的電子標(biāo)簽收到經(jīng)微波天線發(fā)出的查詢信號(hào)后，根據(jù)查詢信號(hào)中的命令要求，將標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息反射回微波天線。微波天線接收到電子標(biāo)簽反射回的微波合成信號(hào)后，經(jīng)閱讀器內(nèi)部微處理器處即可將電子標(biāo)簽中的識(shí)別代碼等信息分離出來(lái)。這些識(shí)別信息作為物體的特征數(shù)據(jù)被傳送到控制計(jì)算機(jī)作進(jìn)一步處理，從而完成與物體有關(guān)的信息查詢、統(tǒng)計(jì)、管理等應(yīng)用。

采用RFID的整個(gè)識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，并且閱讀器能自行判斷RFID標(biāo)簽是否被重復(fù)讀取處理。RFID技術(shù)的這些功能特性很適合流水線上產(chǎn)品的控制，以實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)管理，得以使整個(gè)流水線管理自動(dòng)化。

4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器是機(jī)器感知物質(zhì)世界的“感覺(jué)器官”，可以感知熱、力、光、電、聲、位移等信號(hào)，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的處理、傳輸、分析和反饋提供最原始的信息。

傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，對(duì)各種參量進(jìn)行信息采集和簡(jiǎn)單加工處理的設(shè)備，被稱為物聯(lián)網(wǎng)傳感器。傳感器可以獨(dú)立存在，也可以與其他設(shè)備以一體方式呈現(xiàn)，但無(wú)論哪種方式，它都是物聯(lián)網(wǎng)中的感知和輸入部分。在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器及其組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)將在數(shù)據(jù)采集前端發(fā)揮重要的作用。

隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的傳感器正逐步實(shí)現(xiàn)微型化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化，正經(jīng)歷著一個(gè)從傳統(tǒng)傳感器（dumb sensor）→智能傳感器（smart sensor）→嵌入式Web傳感器（embedded web sensor）的內(nèi)涵不斷豐富的發(fā)展過(guò)程。智能傳感器帶有微處理器，本身具有采集、處理、交換信息的能力，具備數(shù)據(jù)精度高、高可靠性與高穩(wěn)定性、高信噪比與高分辨力、強(qiáng)自適應(yīng)性、低價(jià)格性能比等特點(diǎn)。

具有無(wú)線傳輸能力的傳感器可以組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless sensor network）。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集分布式信息采集、信息傳輸和信息處理技術(shù)于一體的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，以其低成本、微型化、低功耗和靈活的組網(wǎng)方式，以及適合移動(dòng)目標(biāo)等特點(diǎn)受到廣泛重視，是關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全的重要技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)正是通過(guò)遍布在各個(gè)角落和物體上形形色色的傳感器以及由它們組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，來(lái)最終感知整個(gè)物質(zhì)世界的。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成包括如下幾個(gè)基本單元：傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由無(wú)線通信模塊組成）以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)飛機(jī)布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式實(shí)時(shí)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，并通過(guò)多條網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將整個(gè)區(qū)域信息傳送到遠(yuǎn)程控制管理中心。另一方面，遠(yuǎn)程管理中心也可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和操縱。

5 二維碼技術(shù)

二維條碼/二維碼（2-dimensional bar code）是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形來(lái)記錄數(shù)據(jù)信息的。二維碼在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的0、1比特流的概念，使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來(lái)表示文字?jǐn)?shù)值信息，通過(guò)圖象輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理。

二維碼與一維條形碼相比，二維碼有著明顯的優(yōu)勢(shì)，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)容量更大，二維碼能夠在橫向和縱向兩個(gè)方位同時(shí)表達(dá)信息，因此能在很小的面積內(nèi)表達(dá)大量的信息；超越了字母數(shù)字的限制；條形碼相對(duì)尺寸??；具有抗損毀能力。此外，二維碼還可以引入保密措施，其保密性較一維碼要強(qiáng)很多。