物聯(lián)網(wǎng)初探

張立平

(武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430205)

1 物聯(lián)網(wǎng)的起源

1998 年，美國麻省理工大學(xué)(MIT)的 Sarma、Brock、Siu 創(chuàng)造性地提出將信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與RFID 技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，即利用全球統(tǒng)一的物品編碼(EPC，Electronic Product Code)作為物品標(biāo)識，利用RFID 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的“物品”與Internet 的聯(lián)接，無需借助特定系統(tǒng)，即可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對任何物品的識別與管理。

1999 年，由美國統(tǒng)一代碼委員會(UCC)吉列和寶潔等組織和企業(yè)共同出資，在美國麻省理工大學(xué)成立Auto -ID Center。在隨后的幾年中，英國、澳大利亞、日本、瑞士、中國、韓國等國的6 所著名大學(xué)相繼加入Auto-ID Center，對“物聯(lián)網(wǎng)”相關(guān)研究實(shí)行分工合作，開展系統(tǒng)化研究，提出最初物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架:有射頻標(biāo)簽、識讀器、Savant 軟件、對象名稱解析服務(wù)(ONS)、實(shí)體標(biāo)記語言服務(wù)器(PML-Server)等名詞概念。

2003 年11 月1 日，國際物品編碼組織(GS1)出資正式接管EPC 系統(tǒng)，并組成EPC Global 進(jìn)行全球推廣與維護(hù)。與此同時(shí)，原6 所大學(xué)的AUTO-ID 實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)到EPC Global 下的技術(shù)組，作為EPC 實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)對EPC 系統(tǒng)的應(yīng)用提供技術(shù)支持，提出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu):有EPC 編碼、EPC 標(biāo)簽、讀寫器、中間件、對象名稱解析服務(wù)(ONS)、EPC 信息服務(wù)(EPCIS)等名詞解析。

2 物聯(lián)網(wǎng)概念的發(fā)展歷程

1995 年Bill Gates 在《未來之路》中提及物聯(lián)網(wǎng)概念;1998年MIT 的Kevin Ashton:把RFID 技術(shù)與傳感器技術(shù)應(yīng)用于日常物品中形成一個(gè)“物聯(lián)網(wǎng);1999 年EPC global 的Auto-ID 中心:物聯(lián)網(wǎng)是成千上萬的物品采用無線方式接入了Internet 的網(wǎng)絡(luò)。這是物聯(lián)網(wǎng)概念真正的提出2005 年ITU 報(bào)告:物聯(lián)網(wǎng)是通過RFID 和智能計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)全世界設(shè)備互連的網(wǎng)絡(luò)。2008 年IBM:互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)=智慧地球。也有解釋說，把傳感器設(shè)備安裝到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且普遍連接形成網(wǎng)絡(luò)，即“物聯(lián)網(wǎng)”。

2009 年8 月7 日，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(shí)，對該中心正在對繼互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信之后的全新技術(shù)領(lǐng)域傳感網(wǎng)進(jìn)行攻關(guān)，立志開辟“感知中國”(有稱“智慧中國”)的創(chuàng)新之舉作出高度評價(jià)?！霸趥鞲芯W(wǎng)發(fā)展中，要早一點(diǎn)謀劃未來，早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)”“在國家重大科技專項(xiàng)中，加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展”“盡快建立中國的傳感信息中心，或者叫‘感知中國’中心”。

3 物聯(lián)網(wǎng)(IOT)提出的背景

要從以下三個(gè)方面來描述物聯(lián)網(wǎng)(IOT)提出的背景。首先它是經(jīng)濟(jì)危機(jī)下的推手。經(jīng)濟(jì)長波理論:每一次的經(jīng)濟(jì)低谷必定會催生出某些新的技術(shù)，而這種技術(shù)一定是可以為絕大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)業(yè)提供一種全新的使用價(jià)值，從而帶動(dòng)新一輪的消費(fèi)增長和高額的產(chǎn)業(yè)投資，以觸動(dòng)新經(jīng)濟(jì)周期的形成。過去的10年間，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得巨大成功;目前的經(jīng)濟(jì)危機(jī)讓人們又不得不面臨緊迫的選擇，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為推動(dòng)下一個(gè)經(jīng)濟(jì)增長的特別重要推手。其次是傳感技術(shù)的成熟。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，涉及人類生活、生產(chǎn)、管理等方方面面的各種傳感器已經(jīng)比較成熟。例如常見的無線傳感器(WSN)、RFID、電子標(biāo)簽等，還有網(wǎng)絡(luò)接入和信息處理能力大幅提高等。目前，隨著網(wǎng)絡(luò)接入多樣化、IP 寬帶化和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的飛躍發(fā)展，基于海量信息收集合分類處理的能力大大提高。

4 物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)概念解析

4.1 物聯(lián)網(wǎng)初步概念

根據(jù)以上分析、描述，什么是物聯(lián)網(wǎng)的概念呢?物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)其中，Internet 是指計(jì)算機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議連接形成的全球性網(wǎng)絡(luò)。Things 是指客觀世界的物理實(shí)體。Internet of Things 解釋為由可唯一標(biāo)識的物理實(shí)體通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議形成的全球性網(wǎng)絡(luò)。也就是說，物聯(lián)網(wǎng)是由具有自我標(biāo)識、感知和智能的區(qū)里實(shí)體基于通信技術(shù)相互連接形成的網(wǎng)絡(luò)，這些物理設(shè)備可以在無需人工干預(yù)的條件下實(shí)現(xiàn)協(xié)同和互動(dòng)，為人們提供只會和集約的服務(wù)。傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是物聯(lián)網(wǎng)的組成部分。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的定義

早在1995 年，比爾·蓋茨在《未來之路》一書中就已經(jīng)提及物聯(lián)網(wǎng)概念。但是，“物聯(lián)網(wǎng)”概念的真正提出是在1999 年，由EPCglobal 的Auto-ID 中心提出，被定義為:把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理。

2005 年，國際電信聯(lián)盟(ITU)正式稱“物聯(lián)網(wǎng)”為“The Internet of things”，并發(fā)表了年終報(bào)告《ITU 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》。報(bào)告指出，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即將來臨，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因特網(wǎng)主動(dòng)進(jìn)行交換;并描繪出“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的圖景:當(dāng)司機(jī)出現(xiàn)操作失誤時(shí)汽車會自動(dòng)報(bào)警;公文包會提醒主人忘帶了什么東西;衣服會“告訴”洗衣機(jī)對顏色和水溫的要求等等。

現(xiàn)在較為普遍的理解是，物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別(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)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。通過裝置在各類物體上的電子標(biāo)簽(RFID)、傳感器、二維碼等經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡(luò)相連，從而給物體賦予智能，可以實(shí)現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實(shí)現(xiàn)物體與物體互相間的溝通和對話。

4.3 廣義的物聯(lián)網(wǎng)涵義

利用條碼、射頻識別(RFID)、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物的在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的連接(anything、anytime、anywhere)，從而進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的龐大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

5 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1 所示。分為上層、中層和下層。其中上層是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，主要是物聯(lián)網(wǎng)的信息存儲、物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算決策;中層是泛在接入，主要是指無線網(wǎng)絡(luò)(蜂窩、WiFi 等)、有線網(wǎng)絡(luò);下層是物物網(wǎng)絡(luò)，只要是智能嵌入式設(shè)備、感知、標(biāo)識和通信、協(xié)同、互動(dòng)等。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

6 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)要從以下幾個(gè)方面關(guān)注:體系結(jié)構(gòu)、能量自供、設(shè)備小型化、資源自治。

6.1 體系結(jié)構(gòu)

數(shù)以億計(jì)的智能設(shè)備，將導(dǎo)致海量的數(shù)據(jù)傳輸和存儲，需要我們重新審視現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系和存儲結(jié)構(gòu)。

6.2 能量自供

當(dāng)前技術(shù)仍不足以解決智能設(shè)備的能量受限問題，需要設(shè)計(jì)低能耗芯片，甚至能夠自供能量的設(shè)備。

6.3 設(shè)備小型化

智能設(shè)備的泛在應(yīng)用，使其將會嵌入到各式各樣的物體是哪個(gè)，需要智能設(shè)備更加小型化，向單晶體管實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的目標(biāo)邁進(jìn)。

6.4 資源自治

系統(tǒng)復(fù)雜性的顯著增加，使得維護(hù)和管理更加困難，需要系統(tǒng)資源具有自配置、自管理和自恢復(fù)功能。

7 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用非常廣泛。比如在市政管理、智能交通、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、工業(yè)監(jiān)控、國防軍事、防災(zāi)減災(zāi)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)感知城市的描述該如何體現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域細(xì)化如下:

7.1 公共安全方面應(yīng)用

1)自然災(zāi)害:氣象災(zāi)害。

2)事故災(zāi)難:電梯安全、地下空間事故、危化品事故。

3)公共衛(wèi)生:“三品一械”安全事件。

4)社會安全:重特大群體性事件、公共場所治安事件。

7.2 市政管理方面

1)城市部件:廣告牌、停車場、市政車輛、垃圾物流、市政井蓋、古木名樹、地下管網(wǎng)、路燈監(jiān)測、市政供暖監(jiān)測、公共場所環(huán)境監(jiān)測等。

2)城市事件:聚集、游商、闖入禁區(qū)等。

7.3 節(jié)能減排方面

1)建筑物節(jié)能:公共場所溫度監(jiān)測、空調(diào)無線監(jiān)控、照明智能控制、水電風(fēng)氣監(jiān)測。

2)能源設(shè)備安全:燃?xì)鈨廨斔桶踩O(jiān)測、電力變電設(shè)備和傳輸設(shè)備的監(jiān)控。

3)智能電網(wǎng):智能電表、記錄用戶的用電習(xí)慣、無線抄表、遠(yuǎn)程上傳。

7.4 智能交通方面

交通引導(dǎo)、Bus 通告、停車場信息獲取、事件發(fā)現(xiàn)/處理/發(fā)布、車輛自身狀況的發(fā)布、乘客通信和娛樂、城市人員分布/流動(dòng)、自動(dòng)收費(fèi)等。

8 物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用后，需要解決的問題

8.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題

世界各國存在不同的標(biāo)準(zhǔn)。中國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會于2006 年成立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目組。2009 年9月，傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組正式成立了PG1(國際標(biāo)準(zhǔn)化)、PG2(標(biāo)準(zhǔn)體系與系統(tǒng)架構(gòu))、PG3(通信與信息交互)、PG4(協(xié)同信息處理)、PG5(標(biāo)識)、PG6(安全)、PG7(接口)和 PG8(電力行業(yè)應(yīng)用調(diào)研)等8 個(gè)專項(xiàng)組，開展具體的國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

8.2 安全問題

信息采集頻繁，其數(shù)據(jù)安全也必須重點(diǎn)考慮。

8.3 協(xié)議問題

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，在物聯(lián)網(wǎng)核心層面是基于TCP/IP。但在接入層面，協(xié)議類別五花八門，GPRS/CDMA、短信、傳感器、有線等多種通道，物聯(lián)網(wǎng)需要一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議棧。

8.4 IP 地址問題

每個(gè)物品都需要在物聯(lián)網(wǎng)中被尋址，就需要一個(gè)地址。物聯(lián)網(wǎng)需要更多的IP 地址，IPv4 資源即將耗盡，那就需要IPv6 來支撐。IPv4 向IPv6 過渡是一個(gè)漫長的過程，因此物聯(lián)網(wǎng)一旦使用IPv6 地址，就必然會存在與IPv4 的兼容性問題。

8.5 終端問題

物聯(lián)網(wǎng)終端除具有本身功能外，還擁有傳感器和網(wǎng)絡(luò)接入等功能，且不同行業(yè)需求千差萬別。如何滿足終端產(chǎn)品的多樣化需求，對運(yùn)營商來說是一大挑戰(zhàn)。

［1］WEBER R H. Internet of Things-New security and privacy challenges［J］. Computer Law ＆ Security Review，2010，26:23 -30.

［2］CONTI J P. The Internet of things［J］. Communications Engineer，2006，4(6):20 -25.