張 倩,張 盛,林孝康,胡澤明

(1.清華大學(xué) 深圳研究生院,廣州深圳 518055;上海無線通信研究中心,上海 200335)

1 引 言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)[1-4]被預(yù)言為繼互聯(lián)網(wǎng)之后全球信息產(chǎn)業(yè)的又一次科技與經(jīng)濟(jì)浪潮,受到各國政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的重視,美國、歐盟、日本等甚至將其納入國家和區(qū)域信息化戰(zhàn)略。歸納起來,物聯(lián)網(wǎng)的興起有3個(gè)主要?jiǎng)恿?。首先是信息科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展。成熟的傳感器技術(shù)、發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)、高速的信息處理能力為物聯(lián)網(wǎng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。其次是經(jīng)濟(jì)危機(jī)催生科技信息革命。2008年爆發(fā)的全球性金融危機(jī),直接或間接地推動(dòng)了以物聯(lián)網(wǎng)為核心的第三次信息技術(shù)革命的興起。再次是政策和戰(zhàn)略的引導(dǎo)。2009年以來,一些發(fā)達(dá)國家紛紛出臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展計(jì)劃,進(jìn)行相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的前瞻布局,我國也將物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)予以重點(diǎn)關(guān)注和推進(jìn)。

物聯(lián)網(wǎng),通俗來說就是物物相連的網(wǎng)絡(luò),是指利用傳感器、射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)、二維碼等作為感知元件,通過基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)物與物、人與物的互聯(lián)。早在1995年,比爾·蓋茨在新書《未來之路》[5]中首次提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念,此書推出后在IT界引起了極大的轟動(dòng)。1999年,麻省理工大學(xué)的Kevin Ashton教授提出了以標(biāo)識(shí)為特征的物聯(lián)網(wǎng)概念,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)[6]。2005年11月17日,在威尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)(World Summit Of Information Society,WISS)上,ITU發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》[1]指出: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),形成了以互聯(lián)為特征的物聯(lián)網(wǎng)概念。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。隨后,一些發(fā)達(dá)國家紛紛將物聯(lián)網(wǎng)作為新興產(chǎn)業(yè),并出臺(tái)戰(zhàn)略措施予以落實(shí)。2009年1月,IBM提出“智慧地球”概念,此概念上升至美國的國家戰(zhàn)略;2004年日本總務(wù)省(MIC)提出U-Japan計(jì)劃;韓國于2006年確立了U-Korea計(jì)劃[3,7];2009年歐盟執(zhí)委會(huì)發(fā)表了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃》[3,8]。我國也將物聯(lián)網(wǎng)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)予以重點(diǎn)關(guān)注和推進(jìn)。2009年8月,溫總理“感知中國”的講話把我國物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用開發(fā)推向了高潮。

總體而言,目前無論國內(nèi)還是國外,物聯(lián)網(wǎng)的研究和開發(fā)都還處于起步階段,物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)模型和結(jié)構(gòu)尚未形成標(biāo)準(zhǔn),物聯(lián)網(wǎng)的研究和開發(fā)在國內(nèi)還存在一定程度的盲目性,物聯(lián)網(wǎng)的概念、體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)等都還缺乏清晰化的界定。本文綜述了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域目前的研究狀況,從物聯(lián)網(wǎng)概念、發(fā)展歷程、體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等角度,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)研究的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)以及關(guān)鍵問題進(jìn)行論述,得出物聯(lián)網(wǎng)不同于互聯(lián)網(wǎng)的特征;并舉例說明物聯(lián)網(wǎng)在智能用電、智能交通、智能家居和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等生產(chǎn)生活領(lǐng)域中的應(yīng)用。最后基于我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中存在的問題,為今后我國的物聯(lián)網(wǎng)研究和發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。

2 物聯(lián)網(wǎng)概念解析

隨著信息領(lǐng)域及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,不同領(lǐng)域的科研工作者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了一些研究,但是至今仍沒有提出一個(gè)權(quán)威、完整和精確的物聯(lián)網(wǎng)定義,系統(tǒng)模型、體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)仍缺乏清晰化的界定。下面總結(jié)了幾個(gè)具有代表性的物聯(lián)網(wǎng)定義。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的幾種定義

一種定義是,把所有物品通過RFID和條碼等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。這個(gè)概念于1999年由麻省理工學(xué)院Auto-ID研究中心提出,實(shí)質(zhì)上等于RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合應(yīng)用。

歐盟對(duì)物聯(lián)網(wǎng)提出了一種定義:基于一定標(biāo)準(zhǔn)和交互通信協(xié)議的、具有自配置能力的動(dòng)態(tài)全球網(wǎng)絡(luò)設(shè)施,在物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)物理和虛擬的“物品”具有身份、物理屬性、擬人化屬性等特征,它們能夠通過一個(gè)綜合的信息網(wǎng)絡(luò)來連接,是未來互聯(lián)網(wǎng)的一部分[9]。

2005年11月17日,國際電信聯(lián)盟(International Telecommunications Union,ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)給出了一種定義:通過射頻識(shí)別技術(shù)設(shè)備、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)GPS、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,通過一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。這里的“物”要滿足以下條件才能夠被納入“物聯(lián)網(wǎng)”的范圍:有信息的感應(yīng)器和接收器;有數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò);有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能;要有中央處理器;要有操作系統(tǒng);要有相關(guān)的應(yīng)用程序;要有信息的發(fā)送器;有相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議;有可以被識(shí)別的統(tǒng)一編碼[1]。

本文認(rèn)為,ITU對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義較為全面和準(zhǔn)確。物聯(lián)網(wǎng)將物理空間和信息空間通過信息傳感設(shè)備聯(lián)系到一起,并依托各種通信網(wǎng)絡(luò)(比如互聯(lián)網(wǎng)),將一切事物數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化,在物品之間、物品與人之間、人與現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)高效信息交互。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)概念解析

物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系如圖1所示。互聯(lián)網(wǎng)是將多個(gè)計(jì)算機(jī)終端、客戶端、服務(wù)端通過信息技術(shù)手段互相聯(lián)系起來的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的底層借助RFID和傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)物件的信息采集與控制,通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將傳感器的信息匯集并連接到基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)?；A(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分,用于承載物物互聯(lián)或物與人互聯(lián)的信息傳遞。物聯(lián)網(wǎng)可用的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)可以有很多種,根據(jù)應(yīng)用的需要,可以采用公眾通信網(wǎng)絡(luò),或者采用行業(yè)專網(wǎng),甚至無線網(wǎng)絡(luò)(如Wi-Fi、藍(lán)牙等),通?；ヂ?lián)網(wǎng)最適合作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的上層實(shí)現(xiàn)信息的處理和決策支持。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系Fig.1 Relationship between IoT and internet

通俗講,物聯(lián)網(wǎng)的范圍更廣泛,互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)最常用的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò),物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器、RFID等感知單元,按照一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(如IP協(xié)議、802.11協(xié)議等),把物品與互聯(lián)網(wǎng)(或其他通信網(wǎng)絡(luò))連接起來,進(jìn)行信息交換和通信。從終端角度來講,互聯(lián)網(wǎng)的終端是計(jì)算機(jī),物聯(lián)網(wǎng)的終端可能是計(jì)算機(jī)、人及各種實(shí)在的物體。

表1從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、通信技術(shù)和通信對(duì)象3個(gè)方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)概念進(jìn)行了對(duì)比。

表1 物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的對(duì)比(從通信角度)Table 1 Contrast of IoT and internet from the telecommunications′perspective

3 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程

整體而言,目前無論國內(nèi)還是國外,物聯(lián)網(wǎng)的研究和開發(fā)都還處于起步階段。2004年,日本信息通信產(chǎn)業(yè)的主管機(jī)關(guān)總務(wù)省(MIC)提出U-Japan戰(zhàn)略,希望在 2010年將日本建設(shè)成一個(gè)“Anytime,Anywhere,Anything,Anyone”都可以上網(wǎng)的環(huán)境;2005年11月17日,在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)(WSIS)上,國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》,提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的新概念;2006年,韓國提出了為期10年的U-Korea計(jì)劃。

之后,一些發(fā)達(dá)國家紛紛將物聯(lián)網(wǎng)作為新興產(chǎn)業(yè),并出臺(tái)戰(zhàn)略措施予以落實(shí)。國際上,物聯(lián)網(wǎng)研究的代表主要有美國、歐洲、日本和韓國。美國在物聯(lián)網(wǎng)研究上處于國際領(lǐng)先的地位。2009年1月,IBM首席執(zhí)行官在與美國總統(tǒng)奧巴馬的圓桌會(huì)議中提出“智慧地球”概念,目前“智慧地球”的概念已上升至美國的國家戰(zhàn)略。同時(shí),美國主導(dǎo)的EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)在國際上取得主動(dòng)地位,美國計(jì)劃全面推行電子產(chǎn)品編碼(Electronic Product Code,EPC)標(biāo)準(zhǔn)體系,力圖主導(dǎo)全球物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在技術(shù)上,美國在物聯(lián)網(wǎng)的很多關(guān)鍵技術(shù)上處于領(lǐng)先地位,如射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)格計(jì)算、傳感器開發(fā)等。

歐盟是第一個(gè)系統(tǒng)提出物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和管理計(jì)劃的機(jī)構(gòu)。2009年6月,歐盟委員會(huì)向歐盟議會(huì)、理事會(huì)、歐洲經(jīng)濟(jì)和社會(huì)委員會(huì)及地區(qū)委員會(huì)遞交了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃》(Internet of Things-An action plan for Europe),以確保歐洲在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的過程中起主導(dǎo)作用。此外,自2007年至2013年,歐盟預(yù)計(jì)投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)532億歐元,以推動(dòng)歐洲最重要的第7期歐盟科研架構(gòu)(EU-FP7)研究補(bǔ)助計(jì)劃。

在日本和韓國,物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也得到了積極的支持和推廣。日本大力發(fā)展泛在網(wǎng)絡(luò),建立泛在識(shí)別(UID)的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系。2009年7月,日本提出I-Japan戰(zhàn)略,計(jì)劃到2015年實(shí)現(xiàn)以國民為中心的數(shù)字安心、活力社會(huì)。I-Japan戰(zhàn)略強(qiáng)化了物聯(lián)網(wǎng)在交通、醫(yī)療、教育和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用。2009年10月,韓國通信委員會(huì)出臺(tái)《物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建基本規(guī)劃》,將物聯(lián)網(wǎng)市場確定為新增長動(dòng)力。

在中國,國家政府將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上升到了國家戰(zhàn)略高度,全面推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。2009年2月,IBM大中華區(qū)首席執(zhí)行官錢大群在2009 IBM論壇上發(fā)布了“智慧地球”發(fā)展策略;中國移動(dòng)總裁王建宙多次表示物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)是中國移動(dòng)未來的發(fā)展重點(diǎn)。2010年3月5日,國務(wù)院總理溫家寶在十一屆人大三次會(huì)議上作政府工作報(bào)告時(shí)指出積極推進(jìn)“三網(wǎng)”融合取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用。同時(shí),國家“十二五”規(guī)劃中明確提出,物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、金融與服務(wù)業(yè)、國防軍事等十大領(lǐng)域重點(diǎn)部署,預(yù)計(jì)到2015年物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)2 000億元。物聯(lián)網(wǎng)已成為當(dāng)前世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一,發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[10]。

4 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

體系架構(gòu)是指導(dǎo)具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的首要前提。目前研究人員多采用ITU-T建議的USN(泛在傳感器網(wǎng)絡(luò))分層架構(gòu)[11],如圖2所示。USN自下而上分成5層:邊緣技術(shù)層、接入網(wǎng)絡(luò)層、中間件層、骨干網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中,最底層是邊緣技術(shù)層,利用傳感技術(shù)、近場通信(NFC)、RFID等技術(shù)隨時(shí)隨地采集物體信息;接入網(wǎng)絡(luò)層和骨干網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)信息的傳輸;中間件層主要負(fù)責(zé)信息的處理;應(yīng)用層完成信息的使用。

圖2 USN分層架構(gòu)Fig.2 Hierarchical structure of USN

5 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

參照物聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)架,可歸納出物聯(lián)網(wǎng)涉及的關(guān)鍵技術(shù),包括信息采集技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、信息處理技術(shù)和信息安全技術(shù)。

5.1 信息采集技術(shù)

對(duì)物理世界的識(shí)別是實(shí)現(xiàn)全面感知的基礎(chǔ)。識(shí)別技術(shù)包括物體識(shí)別、位置識(shí)別和地理識(shí)別。常用的識(shí)別技術(shù)有RFID、二維碼、條形碼等。物聯(lián)網(wǎng)的識(shí)別技術(shù)是以RFID為基礎(chǔ)的。RFID是通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。每個(gè)物體上都有一個(gè)電子標(biāo)簽標(biāo)識(shí)這個(gè)物體。電子標(biāo)簽?zāi)軌蜃詣?dòng)或在外力的作用下,把存儲(chǔ)的信息發(fā)射出去,讀寫器負(fù)責(zé)讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽的信息。

傳感技術(shù)是從自然信源獲取信息,并對(duì)之進(jìn)行處理(變換)和識(shí)別的一種多學(xué)科交叉技術(shù),與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)一起并稱信息技術(shù)的三大支柱。

5.2 信息傳輸技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)中的信息傳輸技術(shù)主要分為通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

通信網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)信息傳遞和服務(wù)支撐的基礎(chǔ)設(shè)施,通過泛在的互聯(lián)功能,實(shí)現(xiàn)感知信息可靠性、高安全性的傳送。物聯(lián)網(wǎng)需要綜合各種有線及無線通信技術(shù),如常用的2G、3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。其中近距離無線通信技術(shù)將成為物聯(lián)網(wǎng)的研究重點(diǎn)。目前使用較多的是近距離通信技術(shù)包括超寬帶(UWB)、ZigBee、藍(lán)牙等,此外還有近年來興起的近場通信(Near Field Communication,NFC)技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涵蓋泛在感知和骨干傳輸?shù)榷鄠€(gè)層次。參照物體的具體運(yùn)動(dòng)特征,可以大致分為固定網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)等。

5.3 信息處理技術(shù)

海量感知信息計(jì)算與處理技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用大規(guī)模發(fā)展后面臨的重大挑戰(zhàn)之一,具體包括對(duì)海量感知信息的數(shù)據(jù)融合、高效存儲(chǔ)、語義集成、并行處理、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù),其核心是采用云計(jì)算技術(shù)。我國物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中指出要重點(diǎn)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)信息處理技術(shù),關(guān)鍵技術(shù)包括海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘、圖像視頻智能分析等[10]。

(1)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ):圍繞重點(diǎn)應(yīng)用行業(yè),開展海量數(shù)據(jù)新型存儲(chǔ)介質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、虛擬存儲(chǔ)等技術(shù)的研發(fā),實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全、穩(wěn)定和可靠。

(2)數(shù)據(jù)挖掘:瞄準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)領(lǐng)域,集中開展各種數(shù)據(jù)挖掘理論、模型和方法的研究,實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)領(lǐng)域的全面推廣。

(3)圖像視頻智能分析:結(jié)合經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展實(shí)際應(yīng)用,有針對(duì)性的開展圖像視頻智能分析理論與方法的研究,實(shí)現(xiàn)圖像視頻智能分析軟件在物聯(lián)網(wǎng)市場的廣泛應(yīng)用。

5.4 信息安全技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃中指出,要構(gòu)建“可管、可控、可信”的物聯(lián)網(wǎng)安全體系架構(gòu),研究物聯(lián)網(wǎng)安全等級(jí)保護(hù)和安全測評(píng)等關(guān)鍵技術(shù),提升物聯(lián)網(wǎng)信息安全保障水平[10],主要包括制定信息安全標(biāo)準(zhǔn)和加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)研發(fā)兩個(gè)方面。

(1)制定信息安全標(biāo)準(zhǔn)。制定物聯(lián)網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)體系框架,重點(diǎn)推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)信息安全標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施,建立國家重大基礎(chǔ)設(shè)施物聯(lián)網(wǎng)安全監(jiān)測體系,明確物聯(lián)網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)督和執(zhí)行機(jī)制。

(2)加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)研發(fā)。研制物聯(lián)網(wǎng)信息安全基本架構(gòu),突破信息采集、傳輸、處理、應(yīng)用各環(huán)節(jié)安全共性技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。重點(diǎn)開展隱私保護(hù)、節(jié)點(diǎn)的輕量級(jí)認(rèn)證、訪問控制、密鑰管理、安全路由、入侵檢測與容侵容錯(cuò)等安全技術(shù)研究,推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。

6 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用具有廣闊的市場前景,其中僅在智能電網(wǎng)和機(jī)場防入侵系統(tǒng)方面的市場就有上千億元。美國權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)FORRESTER預(yù)測,10年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)就可能大規(guī)模普及,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會(huì)發(fā)展成為一個(gè)上萬億元規(guī)模的高科技市場,其產(chǎn)業(yè)要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍,因此物聯(lián)網(wǎng)常被稱為下一個(gè)萬億級(jí)的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、個(gè)人家庭、交通服務(wù)應(yīng)用、安全監(jiān)督等,廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)、管理和人們的日常生活方面。

6.1 智能用電——無線智能抄表系統(tǒng)

我國“十二五”規(guī)劃提出,智能電網(wǎng)總投資預(yù)計(jì)達(dá)2萬億元,居物聯(lián)網(wǎng)十大領(lǐng)域之首。智能電網(wǎng)是世界電網(wǎng)未來的發(fā)展趨勢,國內(nèi)外均寄予極大關(guān)注。

智能電網(wǎng)的體系包括發(fā)電、配電、變電、輸電、用電、網(wǎng)控等環(huán)節(jié),其中與終端用戶聯(lián)系最為緊密的便是智能用電。為實(shí)現(xiàn)智能用電,用戶端需要向電力門戶提供實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù),通過調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)電價(jià)來避免出現(xiàn)用電高峰時(shí)的電量緊缺,從而節(jié)約能源[14]。傳統(tǒng)的抄表方式已經(jīng)無法滿足這種實(shí)時(shí)的智能數(shù)據(jù)傳輸,也無法實(shí)現(xiàn)電力門戶和消費(fèi)者之間的互動(dòng),因而智能抄表(Aptitude Meter Reading,AMR)將成為未來抄表的主流技術(shù)。智能用電由戶內(nèi)網(wǎng)、本地通信網(wǎng)和遠(yuǎn)程通信網(wǎng)3部分組成,如圖3所示。戶內(nèi)網(wǎng)由電腦、電視、冰箱等家用電器連接家庭網(wǎng)關(guān)組成,用戶可以通過智能終端查看每個(gè)電器的用電信息,根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)來調(diào)節(jié)用電量從而節(jié)約用電;本地通信網(wǎng)由水表、電表、燃?xì)獗?、和?shù)據(jù)采集集中器組成,他們之間的通信方式可以采用有線或無線方式,電表可以將用電數(shù)據(jù)發(fā)給數(shù)據(jù)采集集中器,再由集中器統(tǒng)一發(fā)給電力主站系統(tǒng);遠(yuǎn)程通信網(wǎng)由數(shù)據(jù)采集集中器和電力主站系統(tǒng)之間的通信構(gòu)成,集中器將打包后的用電數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給電力主站系統(tǒng),電力主站系統(tǒng)再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

圖3 智能用電系統(tǒng)組成Fig.3 System composition of smart electricity

圖4是利用WirlessHART技術(shù)設(shè)計(jì)的無線智能抄表系統(tǒng)。WirelessHART技術(shù)是一種面向工業(yè)過程控制,從HART總線技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合無線通信技術(shù)發(fā)展而來的國際標(biāo)準(zhǔn)[13-14]。圖中采集器(現(xiàn)場設(shè)備)之間以mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鏈接,對(duì)于脫離網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以通過增加路由節(jié)點(diǎn)來連接。采集器采集到的用電數(shù)據(jù)發(fā)送至集中器(網(wǎng)關(guān))。無線智能抄表系統(tǒng)的核心是解決用戶用電采集終端(即采集器)和集中器之間的通信問題。采集器負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給集中器,接收集中器下達(dá)的命令,以及充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由設(shè)備 。集中器充當(dāng)網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)管理器,主要用來接收來自采集器的數(shù)據(jù),將打包的數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程控制中心,接收來自遠(yuǎn)程控制中心的命令,也可以向采集器下達(dá)命令。

圖4 基于WirelessHART的智能抄表系統(tǒng)Fig.4 AMR system based on WirelessHAR T

6.2 智能交通

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transport System,ITS)[15]是將傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPS、信息發(fā)布技術(shù)等應(yīng)用于整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系中,從而建立起實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的、高效的交通運(yùn)輸綜合管理和控制系統(tǒng)。顯然,智能交通行業(yè)中無處不在使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸?shù)闹悄芑Ｖ悄芙煌ㄐ袠I(yè)已被公認(rèn)為是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展落實(shí)到實(shí)際應(yīng)用的最能夠取得成功的行業(yè)之一,必將創(chuàng)造出巨大的應(yīng)用空間和市場價(jià)值。

智能交通系統(tǒng)可以保障人、車、路與環(huán)境之間的相互交流,從而提高交通系統(tǒng)的安全和效率,以達(dá)到保護(hù)環(huán)境、降低能耗的目的[16]。智能交通系統(tǒng)主要包括公交行業(yè)無線視頻監(jiān)控平臺(tái)、智能公交站臺(tái)、電子票務(wù)、車管專家和公交手機(jī)一卡通5種業(yè)務(wù)。交通信息采集是其關(guān)鍵子系統(tǒng),是發(fā)展智能交通的基礎(chǔ)和前提。在交通信息采集中,可采用非接觸式的磁傳感器來定時(shí)收集和感知區(qū)域內(nèi)車輛的速度、車距等信息,這些信息傳送到處理中心,可對(duì)交通環(huán)境和車輛進(jìn)行管理。終端節(jié)點(diǎn)上可安裝溫度、濕度、光照度、氣體檢測等多種傳感器,監(jiān)測路面狀況、能見度和車輛尾氣污染等。車輛上也可以配備RFID系統(tǒng),為車輛制定唯一的身份標(biāo)志,實(shí)現(xiàn)一車一卡有條管理,切實(shí)保證車輛的嚴(yán)格監(jiān)管和交通順暢。

2008年全球因交通事故死亡130萬人,2 000～5 000萬人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失5 180億美元。傳統(tǒng)交通基礎(chǔ)設(shè)施效費(fèi)比為1.68∶2.7,而智能交通的效費(fèi)比為9∶1。智能交通在我國的應(yīng)用能降低交通事故致死率,減少堵塞率,加強(qiáng)交通的監(jiān)管并減少尾氣排放。北京全市各主要街道均埋設(shè)有感應(yīng)線圈,通過無線傳感技術(shù)優(yōu)化交通管理,城市道路效率提高了15%。上海延安高架路交通監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用以來,在保持流量不變的情況下,全天的平均車速提高了15%。斯德哥爾摩在18個(gè)控制點(diǎn)用各種傳感技術(shù),探測車輛并按時(shí)段以不同費(fèi)率收費(fèi),將流量、等待時(shí)間和尾氣排放分別降低了20%、25%和12%。

6.3 智能家居

家庭是每個(gè)人活動(dòng)的主要場所,因此智能家居將是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最廣泛的領(lǐng)域之一。智能家居是利用信息傳感設(shè)備同家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起,并與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進(jìn)行監(jiān)控、管理信息交換和通信,實(shí)現(xiàn)家居智能化。

當(dāng)前家居只存在一些簡單的智能應(yīng)用,例如電燈的自動(dòng)開關(guān)、電暖氣的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)等,未來各種家庭設(shè)備將通過智能家庭網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。用戶可以通過電信寬帶、固話和3G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和控制,空調(diào)、照明燈等設(shè)備會(huì)自動(dòng)感知學(xué)習(xí)主人生活習(xí)慣、自動(dòng)調(diào)節(jié)室溫、光線的明暗、減少能源浪費(fèi)。智能家居將為人們提供舒適宜人且高品位的家庭生活空間,實(shí)現(xiàn)更智能的家庭安防系統(tǒng)并提供全方位的信息交互功能。

6.4 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛,主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)采集兩方面。智能農(nóng)業(yè)產(chǎn)品可以通過無線信號(hào)收發(fā)模塊傳輸數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫濕度的遠(yuǎn)程控制,如自動(dòng)開啟或者關(guān)閉指定設(shè)備、調(diào)節(jié)溫濕度等環(huán)境條件。還可實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)溫度、濕度信號(hào)以及光照、土壤、溫度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù),隨時(shí)進(jìn)行處理,為農(nóng)業(yè)綜合生態(tài)信息自動(dòng)監(jiān)測、環(huán)境的自動(dòng)控制和智能化管理提供科學(xué)依據(jù)。另外,在產(chǎn)品出售方面,可以運(yùn)用成熟的物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù),在生態(tài)農(nóng)業(yè)基地與消費(fèi)者之間搭建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)銷售平臺(tái)。這樣消費(fèi)者便可以通過實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)視頻了解農(nóng)副產(chǎn)品的種植全過程,對(duì)產(chǎn)品更具有信心。

物聯(lián)網(wǎng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)成功案例是牲畜溯源。給放養(yǎng)的牲畜中的每一只羊都貼上一個(gè)二維碼,這個(gè)二維碼會(huì)一直保持到超市出售的肉品上,消費(fèi)者可通過手機(jī)閱讀二維碼,知道牲畜的成長歷史,確保食品安全。我國已有10億存欄動(dòng)物貼上了這種二維碼。

6.5 其他應(yīng)用

此外,物聯(lián)網(wǎng)還可以在工業(yè)監(jiān)控、公共安全、醫(yī)療服務(wù)、環(huán)境保護(hù)和物流管理等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用,發(fā)展前景十分廣闊。從智慧地球到感知中國,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促進(jìn)了人與物、物與物的交流,加快了物品與網(wǎng)絡(luò)的融合,使我們的工作生活時(shí)時(shí)連通,事事鏈接,將成為世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的新亮點(diǎn)。

7 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)已成為當(dāng)前世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一,發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。物聯(lián)網(wǎng)將帶來信息產(chǎn)業(yè)新一輪的發(fā)展浪潮,必將對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

目前,我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與全球一樣同處于起步階段,初步具備了一定的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用基礎(chǔ)。近年來有關(guān)RFID等識(shí)別技術(shù)以及信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究成果不斷涌現(xiàn),為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了推動(dòng)作用。另一方面,我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還存在一系列瓶頸和制約因素,主要表現(xiàn)在:核心技術(shù)和高端產(chǎn)品與國外差距較大,地址資源匱乏,應(yīng)用水平較低,且規(guī)模化應(yīng)用少,信息安全方面存在隱患等。為了物聯(lián)網(wǎng)更好的發(fā)展,本文提出以下幾個(gè)對(duì)策和建議。

(1)加強(qiáng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的研發(fā)

政府應(yīng)加大對(duì)關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)的扶持,有效提升自動(dòng)識(shí)別技術(shù)水平。在我國已經(jīng)擁有核心技術(shù)能力的條碼識(shí)別技術(shù)方面,重點(diǎn)支持條碼芯片等高端條碼技術(shù)的發(fā)展。在RFID技術(shù)方面,加強(qiáng)資金投入和技術(shù)研發(fā),重點(diǎn)強(qiáng)化應(yīng)用,在應(yīng)用中促進(jìn)技術(shù)提升,盡快趕上國際水平。積極探索新的研發(fā)組織模式,將研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化結(jié)合起來,建立物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)基地,聚集物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)人才和項(xiàng)目,開展物聯(lián)網(wǎng)核心關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。

(2)加快物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)

我國物聯(lián)網(wǎng)還處于起步階段,只有少量專門的應(yīng)用項(xiàng)目,零散地分布在獨(dú)立于核心網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域,采用的多數(shù)是私有協(xié)議。統(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的缺失嚴(yán)重制約了我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。針對(duì)國際上物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系還沒有形成的現(xiàn)狀,我國應(yīng)盡快制定符合我國發(fā)展需求的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),建立健全標(biāo)準(zhǔn)體系,并積極參與國際物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定,力爭主導(dǎo)制定物聯(lián)網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn),以掌握產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主動(dòng)權(quán)。

(3)提升物聯(lián)網(wǎng)安全保障能力

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用涉及到安全和隱私問題,安全體系的建立與形成刻不容緩。應(yīng)提升物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和重要信息安全防護(hù)水平,重點(diǎn)領(lǐng)域和關(guān)鍵應(yīng)用要安全可控,形成與物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展相適應(yīng)的安全保障能力。對(duì)可能出現(xiàn)的安全問題、出現(xiàn)問題的應(yīng)對(duì)方法及屏蔽措施等的研究都需要進(jìn)一步深入和發(fā)展,以保證其應(yīng)用的安全性。加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)安全研究,探討建立物聯(lián)網(wǎng)安全應(yīng)用示范。同時(shí),加強(qiáng)保護(hù)個(gè)人隱私。

(4)積極推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的示范和規(guī)?；瘧?yīng)用

一是加快IPv6下一代互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用步伐。積極發(fā)展IPv6下一代互聯(lián)網(wǎng)是解決目前互聯(lián)網(wǎng)地址資源不足的有效途徑,應(yīng)盡快建立IPv4向IPv6過渡的有效組織機(jī)制、制度與措施。同時(shí),出臺(tái)相關(guān)激勵(lì)政策,鼓勵(lì)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供商進(jìn)行IPv6改造,加快IPv6下一代互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用步伐。

二是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)制定工作,以物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營企業(yè)(如中國移動(dòng))為實(shí)施主體,發(fā)揮政府在推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的能動(dòng)作用,在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、公共服務(wù)(如環(huán)境監(jiān)測、智能交通、智能電網(wǎng))等領(lǐng)域開展形式多樣的應(yīng)用示范工程建設(shè),探索物聯(lián)網(wǎng)價(jià)值鏈合作模式和產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展模式[17]。

“十二五”時(shí)期是我國物聯(lián)網(wǎng)由起步發(fā)展進(jìn)入規(guī)模發(fā)展的階段,我國應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)遇,明確方向,突出重點(diǎn),加快培育和壯大物聯(lián)網(wǎng)。

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