“智慧地球”——物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探討

龔 麗

武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430205

地球是我們賴以生存的星球，這里有土地、山川、海洋、綠樹、花草，以及各種與人類同呼吸的生物。人類是地球的主宰，人類創(chuàng)造出了建筑、家具、電器等等各種物品。這些物品雖然沒有生命的，也沒有思想，但是聰明的人類可以賦予物品智慧，讓物品也能思想，讓我們的地球成為“智慧地球”?！爸腔鄣厍颉弊钤缡怯擅绹鳬BM2008年提出的。IBM認(rèn)為，IT產(chǎn)業(yè)下一階段的任務(wù)是把新一代IT技術(shù)充分運用在各行各業(yè)之中，具體地說，就是傳感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，并且被普遍連接，形成物聯(lián)網(wǎng)，并且在此類基礎(chǔ)建設(shè)的執(zhí)行中，植入“智慧”的理念，形成一個成熟的智慧基礎(chǔ)設(shè)施平臺，也就是“智慧地球”。所以，“智慧地球”其實是以“物聯(lián)網(wǎng)”為主要運行載體的一種新技術(shù)的總稱。

1 物聯(lián)網(wǎng)概念

“物聯(lián)網(wǎng)”這個概念最早出現(xiàn)在1995年比爾·蓋茨的圖書《未來之路》中，1998年美國麻省理工學(xué)院Auto-ID實驗室創(chuàng)造性地提出了被稱作EPC系統(tǒng)的“物聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想，1999年在美國召開的移動計算和網(wǎng)絡(luò)國際會議正式提出物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）這個概念。最近這幾年“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展特別引起人們的重視，可以算是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一次新革命。什么是“物聯(lián)網(wǎng)”？簡單來說，就是物品也可以上網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞和交換。這里的“物”可以是真實的存在，也可以是虛擬的存在，它能夠在空間和時間上存在和移動，也能夠被辨識。其核心和基礎(chǔ)仍然是“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”，但互聯(lián)網(wǎng)解決的是人與人的信息交流，物聯(lián)網(wǎng)是把物品連入網(wǎng)絡(luò)，是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。具體來說，通過裝置在各類物體上的SIM卡、傳感器、二維條碼等，經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡(luò)相連，給物體賦予智能，可實現(xiàn)人與物體間和物體與物體間的溝通和對話。

在中國，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)水平是處于世界前列的。中科院1999年就啟動了物聯(lián)網(wǎng)研究，當(dāng)時稱之為“傳感網(wǎng)”。2009年8月溫家寶總理在考察中國科學(xué)院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時，對該中心立志開辟“感知中國”（又稱“智慧中國”）的創(chuàng)新之舉，做出高度評價。物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，寫入“政府工作報告”。

2 物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)包含3個層次結(jié)構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層就象人的眼睛、耳朵、鼻子，人通過眼睛看、耳朵聽、鼻子聞來感知外部世界，接收外部信息，物聯(lián)網(wǎng)則通過感知層來識別物體、采集信息，即利用射頻識別（RFID）、傳感器、二維碼、攝像頭、GPS等設(shè)備隨時地獲取物體的信息。

網(wǎng)絡(luò)層則用于傳遞信息和處理信息，就象人的神經(jīng)系統(tǒng)和大腦。當(dāng)感知層獲取信息后，網(wǎng)絡(luò)層可以通過互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、局域網(wǎng)以及各類專網(wǎng)傳輸這些數(shù)據(jù)，并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、查詢、分析、決策，這需要用戶終端和數(shù)據(jù)中心（如云計算平臺）的參與。云計算平臺作為海量數(shù)據(jù)的存儲、分析平臺，將是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的重要組成部分。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層則是根據(jù)需求實現(xiàn)相應(yīng)的智能化交互，就象人會根據(jù)自己的需要把感知到并通過大腦分析處理的信息以某種合適的方式反饋出來。在這個層次中，涵蓋了電力、醫(yī)療、交通、物流、城市管理、家居生活等，其功能可包括監(jiān)控、支付、定位、安保等。

3 物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)

按照物聯(lián)網(wǎng)的3個層次結(jié)構(gòu)，我們可以逐層地探討一下物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)。

3.1 感知層－射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)

射頻識別（RFID）技術(shù)，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。其主要核心部件是一個電子標(biāo)簽。一個RFID系統(tǒng)一般由RFID電子標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物品接收到幾厘米到幾十米距離內(nèi)讀寫器發(fā)射的電磁波信號時，會通過無線電波把電子標(biāo)簽中攜帶的信息傳送到讀寫器，讀寫器讀取信息并解碼后，送至信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，完成信息的自動采集工作。

傳感器是一種檢測裝置，負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)信息的采集，并能將采集到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、控制等要求。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和控制的基礎(chǔ)。同時，為了感知和監(jiān)測采集來的數(shù)據(jù)，相應(yīng)地需要大容量的非易失性存儲器，這就是半導(dǎo)體技術(shù)的重要性。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層－無線傳感網(wǎng)技術(shù)

傳感器僅僅感知到信號，要想實現(xiàn)物聯(lián)及信息交換，則需要組成傳感器網(wǎng)。傳感器網(wǎng)是在一定作用范圍內(nèi)大量部署具有無線電通信與計算能力的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中任意地點任意時間的信息，包括溫度、濕度、光強度、壓力、噪聲等，并將所感知的信息傳送到用戶終端。

無線傳感網(wǎng)目前也有一些標(biāo)準(zhǔn)組織在做相關(guān)的規(guī)范，比如說ZigBee，它是IEEE802.15.4協(xié)議的實現(xiàn)，是一種短距離、低功耗的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，其最大特點是采用動態(tài)路由的自組織網(wǎng)模式。還有IETF6overLOWPAN，這是基于802.15.4網(wǎng)絡(luò)MAC的協(xié)議，采用IPv6地址。IPv6作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有豐富的地址資源，支持動態(tài)路由機(jī)制，但I(xiàn)Pv6幀頭過長、復(fù)雜度高，不能直接應(yīng)用到傳感器設(shè)備中，需要精簡。

3.3 應(yīng)用層－安全與隱私技術(shù)

其實安全問題不是只有應(yīng)用層需要面對的，而是物聯(lián)網(wǎng)的各層都面臨的問題，即如何保障網(wǎng)絡(luò)信息安全。物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模大，大量信號都需要無線傳輸，既容易被干擾，也容易被竊??；而且物聯(lián)網(wǎng)與人類社會緊密相連，其網(wǎng)絡(luò)一旦受到病毒攻擊，可能會造成比較嚴(yán)重的后果，比如大面積的交通癱瘓、銀行系統(tǒng)錯誤、工廠停產(chǎn)等等。同時，由于物聯(lián)網(wǎng)中我們的個人物品也會連上網(wǎng)絡(luò)，隨時隨地被感知，可能會帶來許多個人的隱私泄露。目前來講，移動網(wǎng)絡(luò)中的部分安全保障機(jī)制仍然適用物聯(lián)網(wǎng)，比如認(rèn)證機(jī)制、加密機(jī)制等。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是分開的，但在物聯(lián)網(wǎng)中，應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層緊緊綁在一起，網(wǎng)絡(luò)層的認(rèn)證不可缺少，但應(yīng)用層的認(rèn)證則不是必需的。同樣的道理，加密過程是采用逐跳加密還是端到端加密，也要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的需要選擇合適的方式。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)實例

中國移動推出的“宜居通”就是比較直接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例?！耙司油ā笔切乱淮悄馨卜李A(yù)警系統(tǒng)，源自TD-SCDMA無線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的完美結(jié)合，在具備G3無線移動座機(jī)功能之余，更從門窗告警、煙霧燃?xì)獗O(jiān)測、緊急呼叫等方面全方位提供安心居家，就此開啟物聯(lián)網(wǎng)智能生活，先享未來。廣泛應(yīng)用于家庭、小企業(yè)、小公司、小商鋪，解決用戶對于無線座機(jī)、智能安防、無線上網(wǎng)、無線視頻監(jiān)控等方面的需求。

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)發(fā)展和信息社會需求到達(dá)一定階段的必然結(jié)果，現(xiàn)在已經(jīng)成為我國重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。但目前尚屬起步階段，面臨的困難不少，比如成本過高、技術(shù)不完善、標(biāo)準(zhǔn)缺失、體制落后、安全隱患等，即使如此，物聯(lián)網(wǎng)仍然是信息網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展趨勢，前景美妙。

[1]艾浩軍，等編著.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展[M].人民郵電出版社，2011，5.

[2]楊正洪.云計算和物聯(lián)網(wǎng)[M].清華大學(xué)出版社，2011，9.

[3]劉海濤.物聯(lián)網(wǎng)：技術(shù)應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011，5.