基于開(kāi)放架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

任勁松

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

基于開(kāi)放架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

任勁松

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)物與物之間智能聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)，是繼計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)之后的又一個(gè)重大產(chǎn)業(yè)。依托RFID、紅外傳感器、GPS、激光掃描等傳感技術(shù)及移動(dòng)通訊、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)通訊處理技術(shù)，按約定協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，形成互聯(lián)網(wǎng)＋，因此從結(jié)構(gòu)上分析，物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成是開(kāi)放架構(gòu)的?；仡櫫宋锫?lián)網(wǎng)概念的提出及產(chǎn)生背景，詳細(xì)闡述了其開(kāi)放的技術(shù)架構(gòu)及組成物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合當(dāng)前國(guó)際上物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，提出了我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的思路和建議。

物聯(lián)網(wǎng)；開(kāi)放架構(gòu)；互聯(lián)網(wǎng)＋；無(wú)線(xiàn)傳輸

1 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）這個(gè)詞，最早由MIT Auto－ID中心Ashton教授1999年在研究RFID時(shí)提出來(lái)，在2005年國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的同名報(bào)告中，物聯(lián)網(wǎng)的定義被明確下來(lái)，覆蓋范圍有了新的拓展，不再只是指基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。

在我國(guó)，自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國(guó)”以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一并寫(xiě)入“政府工作報(bào)告”，物聯(lián)網(wǎng)在中國(guó)受到了全社會(huì)極大的關(guān)注。

具體而言，物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外傳感器、GPS、激光掃描等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)被稱(chēng)為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，它是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展，因此與其說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)，不如說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。從這一定義我們可以明確物聯(lián)網(wǎng)的兩層含義：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展；第二，其用戶(hù)端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。

2 物聯(lián)網(wǎng)組成架構(gòu)

2．1 物聯(lián)網(wǎng)組成

宏觀上看，物聯(lián)網(wǎng)由三部分組成：網(wǎng)絡(luò)終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理中心。網(wǎng)絡(luò)終端以傳感器為核心，是物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，也被成為感知層。通過(guò)各種傳感器（RFID、Zigbee、Bluetooth、Wlan等）采集各種有用的數(shù)據(jù)信息，形成原始網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；傳輸網(wǎng)絡(luò)包括傳統(tǒng)的Internet及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，組成信息傳輸平臺(tái)，將終端采集的各種信息通過(guò)此平臺(tái)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)云計(jì)算技術(shù)及大數(shù)據(jù)挖掘處理技術(shù)進(jìn)行分類(lèi)、整合，篩選出有用數(shù)據(jù)，形成控制信息及各種存儲(chǔ)信息，完成物聯(lián)網(wǎng)最終的數(shù)據(jù)處理。其組成如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)組成

2．2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)多元化的元素組成要求其技術(shù)架構(gòu)必須是開(kāi)放式架構(gòu)，具體分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS等感知終端，其作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體，采集信息的來(lái)源，其主要功能是識(shí)別物體，采集信息；網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(hù)（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。目前物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應(yīng)用已深入到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，包括工業(yè)控制、公共安全、城市管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。其組成架構(gòu)如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

2．3 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

從以上物聯(lián)網(wǎng)的概念及開(kāi)放式的多元化組成架構(gòu)可以看出，組成物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)有如下幾個(gè)：

（1）傳感器技術(shù)：這也是計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。大家都知道，到目前為止絕大部分計(jì)算機(jī)處理的都是數(shù)字信號(hào)。自從有計(jì)算機(jī)以來(lái)就需要傳感器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)才能處理。

（2）RFID標(biāo)簽：也是一種傳感器技術(shù)，RFID技術(shù)是融合了無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，RFID在自動(dòng)識(shí)別、物品物流管理等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

（3）嵌入式系統(tǒng)技術(shù)：是綜合了計(jì)算機(jī)軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)為一體的復(fù)雜技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年的演變，以嵌入式系統(tǒng)為特征的智能終端產(chǎn)品隨處可見(jiàn)，小到人們身邊的MP3，大到航天航空的衛(wèi)星系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)正在改變著人們的生活，推動(dòng)著工業(yè)生產(chǎn)以及國(guó)防工業(yè)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)組成示意圖如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

（4）云計(jì)算技術(shù)及大數(shù)據(jù)挖掘存儲(chǔ)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)終端采集的數(shù)據(jù)是龐大、多元、異構(gòu)的，如何將這些數(shù)據(jù)高效地傳輸、整合、篩選、計(jì)算和存儲(chǔ)是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心的核心任務(wù)。運(yùn)用目前開(kāi)放先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)及數(shù)據(jù)庫(kù)挖掘技術(shù)，極大提高了物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理能力，使得物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理更加高效、安全和可靠。

2．4 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別與融合

盡管從某種意義上看，可以認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)就是互聯(lián)網(wǎng)從人向物的延伸，但物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)還是有本質(zhì)區(qū)別的。

想要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)了解一個(gè)東西，必須要有人去收集這個(gè)東西的相關(guān)信息，數(shù)字化后再放置到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（服務(wù)器）上供人們?yōu)g覽其信息，人在其中要做很多的工作，且難以動(dòng)態(tài)了解其變化。

物聯(lián)網(wǎng)是物體自己“說(shuō)話(huà)”，通過(guò)在物體上植入各種微型感應(yīng)芯片、借助無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)接，讓其“開(kāi)口”。不僅人可以和物體“對(duì)話(huà)”，物體和物體之間也能“交流”。

所以說(shuō)，互聯(lián)網(wǎng)是連接的虛擬世界網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)是連接物理的、真實(shí)的世界網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)與互聯(lián)網(wǎng)充分互聯(lián)、無(wú)縫整合，并與通信網(wǎng)一起，組成一個(gè)更加龐大、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)現(xiàn)物理世界與人類(lèi)社會(huì)系統(tǒng)的全面互聯(lián)互通。

3 物聯(lián)網(wǎng)的安全性問(wèn)題

和一般互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全基本一樣，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全主要有8個(gè)方面：讀取控制，隱私保護(hù)，用戶(hù)認(rèn)證，不可抵賴(lài)性，數(shù)據(jù)保密性，通訊層安全，數(shù)據(jù)完整性，隨時(shí)可用性。前4項(xiàng)主要處在物聯(lián)網(wǎng)DCM三層架構(gòu)的應(yīng)用層，后4項(xiàng)主要位于傳輸層和感知層。其中“隱私權(quán)”和“可信度”（數(shù)據(jù)完整性和保密性）問(wèn)題在物聯(lián)網(wǎng)體系中尤其受關(guān)注。如果從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系架構(gòu)的各個(gè)層面仔細(xì)分析，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的安全體系基本上可以滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求，尤其在其初級(jí)和中級(jí)發(fā)展階段。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特有（比一般IT系統(tǒng)更易受侵?jǐn)_）的安全問(wèn)題有如下幾種：

（1）Skimming：在末端設(shè)備或RFID持卡人不知情的情況下，信息被讀取；

（2）Eavesdropping：在一個(gè)通訊通道的中間，信息被中途截??；

（3）Spoofing：偽造復(fù)制設(shè)備數(shù)據(jù)，冒名輸入到系統(tǒng)中；

（4）Cloning：克隆末端設(shè)備，冒名頂替；

（5）Killing：損壞或盜走末端設(shè)備；

（6）Jamming：偽造數(shù)據(jù)造成設(shè)備阻塞不可用；

（7）Shielding：用機(jī)械手段屏蔽電信號(hào)讓末端無(wú)法連接。

目前物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)方興未艾，導(dǎo)致很多安全監(jiān)管措施都沒(méi)有形成，因此迫切需要出臺(tái)配套保障信息安全、保護(hù)個(gè)人隱私的法令、法規(guī)，加強(qiáng)信息應(yīng)用的監(jiān)管。同時(shí)還要加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)的力度，用高技術(shù)的安全產(chǎn)品確保物聯(lián)網(wǎng)的安全運(yùn)行。

4 我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景

與計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)不同，中國(guó)在‘物聯(lián)網(wǎng)’領(lǐng)域已經(jīng)走到了世界前列。

目前，我國(guó)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施。而在“物聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)全新產(chǎn)業(yè)中，我國(guó)的技術(shù)研發(fā)水平也處于世界前列，具有重大的影響力。中科院早在1999年就啟動(dòng)了傳感網(wǎng)研究，與其它國(guó)家相比具有同發(fā)優(yōu)勢(shì)。目前已擁有從材料、技術(shù)、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。在世界傳感網(wǎng)領(lǐng)域，中國(guó)與德國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)一起，成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)國(guó)之一。

目前全球都將物聯(lián)網(wǎng)視為信息技術(shù)的第三次浪潮，確立未來(lái)信息社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。據(jù)美國(guó)獨(dú)立市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Forrester預(yù)測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)所帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)價(jià)值要比互聯(lián)網(wǎng)高30倍，物聯(lián)網(wǎng)將形成下一個(gè)上萬(wàn)億元規(guī)模的高科技市場(chǎng)。

在我國(guó)，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已被寫(xiě)入“政府工作報(bào)告”和“十二五規(guī)劃綱要”中，物聯(lián)網(wǎng)必將成為我國(guó)未來(lái)發(fā)展的戰(zhàn)略性資源。據(jù)工信部預(yù)測(cè)，“到2020年，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將經(jīng)歷應(yīng)用創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新三個(gè)關(guān)鍵的發(fā)展階段，成長(zhǎng)為一個(gè)超過(guò)五萬(wàn)億規(guī)模的巨大市場(chǎng)?！?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展一日千里。目前，互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、電視網(wǎng)甚至是電網(wǎng)的“多網(wǎng)融合時(shí)代”已經(jīng)來(lái)臨，成為新世紀(jì)又一個(gè)發(fā)展機(jī)遇。物聯(lián)網(wǎng)是多網(wǎng)融合時(shí)代的必然產(chǎn)物，它將人與人之間的溝通連接擴(kuò)展到了人與物、物與物之間的溝通連接，智能化、網(wǎng)絡(luò)化的生活將讓人們工作、生活更加便捷和人性化。做好我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的首要前提。

［1］ GEI．中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展線(xiàn)路圖［J］，通信世界，2010（4）：48－49．

［2］ 徐培利．泛在網(wǎng)／物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)化探討［R］．華為技術(shù)有限公司技術(shù)報(bào)告，2010．05．19

［3］ 孫利民．無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005．

［4］ 李航，陳后金．物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用前景［J］．中國(guó)科技論壇．2011（1）：81－85．

［5］ 黃衛(wèi)東，岳中剛．物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)鏈演進(jìn)及其產(chǎn)業(yè)政策研究［J］．中國(guó)人民大學(xué)學(xué)報(bào)．2011（4）：47－53．

Design on IOT based on open Architecture

Ren Jinsong
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Internet of things（IOT）is the network to achieve intelligent connection between the physical objects，which is an important industry following computer industry and internet industry．Based on the sensing technology such as RFID，IR sensor，GPS，laser scan，etc，and data communication processing technology such as mobile communication，cloud computing，large data storage，etc，according to the regulated protocol，the physical objects are connected to the internet to produce internet plus．So，by analysis of the structure，the architecture of IOT is open．In this paper，the definition and background of IOT are reviewed，the opened technical architecture and the key technology for composing IOT are described in detail and the concept and suggestion of the future IOT development are proposed combining with the present focuses in the field of international IOT．

Internet of things（IOT）；Open architecture；Internet plus；Wireless transmission

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．007

TP393

A

1002－2279（2015）04－0024－03

任勁松（1969－），女，河北省邯鄲市人，工程師，主研方向：信息化。

2015－03－15