鄭改成

(太原理工大學(xué)輕紡工程學(xué)院，山西 晉中 030600)

自2009 年以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)幾乎成為從事網(wǎng)絡(luò)通信的相關(guān)人員言必稱(chēng)及的術(shù)語(yǔ)，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)也被列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，寫(xiě)入政府報(bào)告。在繼web2.0/3.0、云計(jì)算、SNS(Social Network Service、社交網(wǎng)絡(luò)服務(wù))等技術(shù)名詞后，物聯(lián)網(wǎng)也成為眾人追捧的新貴。目前多個(gè)國(guó)家都在花巨資進(jìn)行深入研究，如日本的“U－Japan”計(jì)劃到“I－Japan”戰(zhàn)略;韓國(guó)的“U－Korea”計(jì)劃;美國(guó)的“智慧的地球”;歐盟的“物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)”;中國(guó)的“感知中國(guó)”計(jì)劃等?？梢灶A(yù)見(jiàn)，物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)的第3 次浪潮，它將直接改變?nèi)藗兊纳罘绞?，極大地推進(jìn)社會(huì)的變革，使人類(lèi)的社會(huì)生產(chǎn)和生活快速步入現(xiàn)代化［1］。

1 物聯(lián)網(wǎng)的概念和體系架構(gòu)

顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)物物、物人相連的互聯(lián)網(wǎng)，將其用戶(hù)端延伸和擴(kuò)展到任何物體和物體之間，使其進(jìn)行信息交換和通信。狹義上講，物聯(lián)網(wǎng)是將每個(gè)物體打上電子標(biāo)簽，通過(guò)RFID 和通信技術(shù)形成信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物品的智能識(shí)別、定位和監(jiān)控。ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)發(fā)布的《ITU 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005:物聯(lián)網(wǎng)》指出:無(wú)所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代即將來(lái)臨，世界上的所有物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行交換［1］。中國(guó)移動(dòng)總裁王建宙提出物聯(lián)網(wǎng)的概念是:通過(guò)裝置在各類(lèi)物體上的RFID、傳感器、二維碼等經(jīng)過(guò)接口與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，給物體賦與智能，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的溝通與對(duì)話。同時(shí)提出，建立一個(gè)有效的物聯(lián)網(wǎng)有兩個(gè)重要因素:一是規(guī)模性，只有具備了規(guī)模，才能使物品的智能發(fā)揮作用;二是流動(dòng)性，即對(duì)處于運(yùn)動(dòng)甚至是高速運(yùn)動(dòng)下的物品都要適時(shí)地進(jìn)行監(jiān)控和對(duì)話［5］。

總之，“物聯(lián)網(wǎng)”概念至今沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，但就本質(zhì)而言，其體現(xiàn)了一種虛擬世界和現(xiàn)實(shí)物理世界的雙向融合趨勢(shì)。首先是現(xiàn)實(shí)世界向虛擬世界的融合，主要包括通過(guò)移動(dòng)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)等使現(xiàn)實(shí)世界處處產(chǎn)生數(shù)字信息，進(jìn)入通信網(wǎng)絡(luò)和虛擬世界(數(shù)字世界泛在化);其次是虛擬世界向現(xiàn)實(shí)世界的融入，通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)，RFID 等技術(shù)使得現(xiàn)實(shí)物體可感知、可識(shí)別、可控制，為人類(lèi)創(chuàng)造一個(gè)智能環(huán)境(物理世界智能化)。二者相生相伴，代表了物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值所在［1］。

可想而知，物聯(lián)網(wǎng)是可以打破地域限制，實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的信息獲取、交互傳遞、儲(chǔ)存、融合、使用等服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)［1］。其應(yīng)該具備三個(gè)功能:全面感知物理世界(包括用戶(hù)中的物體位置、周邊環(huán)境溫度、濕度及用戶(hù)業(yè)務(wù)感受、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等);信息的可靠傳遞(通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、終端和運(yùn)營(yíng)管理的融合，適時(shí)準(zhǔn)確地傳遞物體的信息);智能處理(利用云計(jì)算、模糊識(shí)別等技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能控制)［1］。基于該三方面的功能的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)如圖1 所示［9］。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)的三層體系架構(gòu)

其中，感知層(最底層)是整個(gè)體系的信息反饋環(huán)節(jié)，由各種類(lèi)型的無(wú)線智能傳感器、RFID、二維碼、攝像頭等識(shí)別物理世界數(shù)據(jù)，并通過(guò)短距離無(wú)線發(fā)送/接收器(如藍(lán)牙、ZigBee 技術(shù)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線等傳輸距離小于100 m，速率低于1 Mbit/s)傳輸數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，同時(shí)接收應(yīng)用層發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層物品的操作和控制;網(wǎng)絡(luò)層(中間層)屬遠(yuǎn)距離無(wú)線有線網(wǎng)絡(luò)，借助現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，如PSTN(公用有線電話網(wǎng)絡(luò))、有線廣電網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線2G/3G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、Wimax(全球微波互聯(lián)接入)等。其接收感知層的數(shù)據(jù)，進(jìn)行大范圍內(nèi)的信息溝通，并將數(shù)據(jù)無(wú)障礙、高可靠性、高安全性地傳輸給應(yīng)用層控制器和用戶(hù)終端，使物品能夠遠(yuǎn)距離地、大范圍內(nèi)進(jìn)行通信，同時(shí)接收它們發(fā)送給感知層物體的操作控制數(shù)據(jù);物聯(lián)網(wǎng)的根本還是為人服務(wù)，應(yīng)用層完成物品與人的最終交互，完成物品信息的匯總、協(xié)同、共享、互通、分析、決策等功能，相當(dāng)于物聯(lián)網(wǎng)的控制層、決策層。文獻(xiàn)［9］指出:“感知層和網(wǎng)絡(luò)層將物品的信息大范圍地收集起來(lái)，匯總在應(yīng)用層進(jìn)行統(tǒng)一分析、處理和決策，用于支撐跨行業(yè)、跨應(yīng)用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享、互通，提高信息的綜合利用度，最大程度地為人類(lèi)服務(wù)”。最終通過(guò)應(yīng)用層完成物聯(lián)世界的智能管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

三層體系架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)很多，如RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知技術(shù)、智能嵌入技術(shù)、M2M、納米技術(shù)、中間件、云計(jì)算、安全與隱私、智能用戶(hù)卡等。本文主要介紹無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)知技術(shù)、中間件和M2M。

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)位于感知層，是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，如圖2［1］所示。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖2 中的傳感器有靜止的或者可移動(dòng)的，它們以自組織和多跳的方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸檢測(cè)區(qū)域的物體信息(包括視頻、音頻、圖像等多媒體信息—無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)，WMSN，Wireless Multi-media Sensor Network)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)沿著其它傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，也就是說(shuō)該數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳路由后到匯集節(jié)點(diǎn)，最后經(jīng)外部網(wǎng)絡(luò)到達(dá)遠(yuǎn)程任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，用戶(hù)通過(guò)該節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，收集測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)布檢測(cè)任務(wù)［1］。

以溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)為例，組成如圖3 所示。其實(shí)質(zhì)是集成有傳感器、μc、執(zhí)行器和通信單元的智能微型系統(tǒng)［7］。

圖3 無(wú)線溫度傳感器組成

通過(guò)傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由嵌入式處理器對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)無(wú)線方式將采集來(lái)的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。匯集結(jié)點(diǎn)承擔(dān)的任務(wù)繁重，其連接無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)它們之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)擔(dān)任組網(wǎng)、協(xié)調(diào)時(shí)間同步和采集數(shù)據(jù)任務(wù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給外部網(wǎng)絡(luò)。

2.2 認(rèn)知技術(shù)

認(rèn)知技術(shù)是人工智能的產(chǎn)物。筆者認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的認(rèn)知技術(shù)包含兩個(gè)層面，一是將人對(duì)物的屬性認(rèn)識(shí)要求用數(shù)據(jù)形式來(lái)表達(dá)，同時(shí)使物具有一定的“智能”甚至“智慧”，即將人工智能(如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、模糊算法、遺傳算法、專(zhuān)家系統(tǒng)等)嵌入至物體中。文獻(xiàn)［4］指出，智能意味著機(jī)器能對(duì)外界剌激信息做出反應(yīng)，并通過(guò)學(xué)習(xí)和規(guī)劃做出決策以應(yīng)對(duì)外界的變化—人類(lèi)智能融入物理世界;二是物與物、人與人之間通過(guò)對(duì)話、決策與控制，就類(lèi)似于人與人之間的學(xué)習(xí)與溝通、命令傳達(dá)與執(zhí)行一樣，通過(guò)自學(xué)習(xí)系統(tǒng)獲取全自動(dòng)知識(shí)時(shí)把學(xué)到的知識(shí)用于未來(lái)的估計(jì)、分類(lèi)、決策與控制，以改進(jìn)物理系統(tǒng)的性能［2］—智慧的物理世界融入人類(lèi)。

總之，認(rèn)知是物體的自我感知，能模擬人類(lèi)的一些智能活動(dòng)，能感知其內(nèi)部發(fā)生了什么，必須做什么，且能確定適當(dāng)措施去達(dá)到目標(biāo)和學(xué)習(xí)這些過(guò)程?？赏ㄟ^(guò)感知、規(guī)劃、決策、學(xué)習(xí)、行動(dòng)和策略六個(gè)步驟完成這一過(guò)程［4］。認(rèn)知技術(shù)的體系構(gòu)成可以用圖4［2］來(lái)描述。

圖4 認(rèn)知學(xué)習(xí)基本模型

從認(rèn)知科學(xué)來(lái)看，人類(lèi)的認(rèn)知知識(shí)有兩種形式，分別是編碼知識(shí)(客觀的或描述性的)和默會(huì)知識(shí)(主觀的或親知的)，兩者之間不可通約和相互還原。因此在機(jī)器的認(rèn)知學(xué)習(xí)模型中摻雜有人類(lèi)的主觀和情感認(rèn)知，其雖可模擬但不能完全還原和計(jì)算，這就導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知功能的局限性，即被關(guān)聯(lián)的物體的數(shù)字化描述不能等同于物體的本質(zhì)和原貌。也就是說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)拓展的技術(shù)感識(shí)只是人類(lèi)的認(rèn)知和信息傳遞過(guò)程的模擬和仿真，并不能代替人類(lèi)本身的認(rèn)知結(jié)構(gòu)與功能［3］。

2.3 中間件

中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，是連接兩個(gè)獨(dú)立應(yīng)用程序或獨(dú)立系統(tǒng)的軟件。其主要功能是使相連的兩個(gè)系統(tǒng)(即使接口不同)能夠相互交換信息［1］。在物聯(lián)網(wǎng)中，中間件的類(lèi)型很多，如RFID 中間件、嵌入式中間件、數(shù)字電視中間件，M2M 中間件等。以RFID 中間件為例，它在RFID 電子標(biāo)簽和應(yīng)用程序之間起中介角色，如圖5［1］所示。

圖5 RFID 中間件

要求:1)同一種類(lèi)型的產(chǎn)品要有相同的電子編碼;2)與中間件相關(guān)的接口與協(xié)議必須統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化。這樣就使應(yīng)用軟件與讀/寫(xiě)器之間的非標(biāo)準(zhǔn)的、非開(kāi)放的通信接口轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用系統(tǒng)軟件與中間件、讀/寫(xiě)器與中間件之間的標(biāo)準(zhǔn)的、開(kāi)放的通信接口。從而實(shí)現(xiàn)封閉的RFID 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其彼此間的電子標(biāo)簽信息共享［1］。

2.4 M2M

.M2M 的全稱(chēng)為Machine-to-Machine(機(jī)器對(duì)機(jī)器)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同也詮釋為Man-to-Machine(人對(duì)機(jī)器)、Machine-to-Man(機(jī)器對(duì)人)、Mobile-to-Machine(移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器)、Machine-to-Mobile(機(jī)器對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò))。字面上講The internet of things(物聯(lián)網(wǎng))中的Things 指的是更抽象的物體，范圍很廣，而Machine 特指人造的機(jī)器，因此說(shuō)，M2M 技術(shù)實(shí)際上是物聯(lián)網(wǎng)下的一個(gè)主要應(yīng)用(子集)［1］。

M2M 是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用形式，也是物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。其主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)機(jī)器的無(wú)線通信，提供了設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)之間、遠(yuǎn)程設(shè)備之間，機(jī)器與人之間建立無(wú)線連接，并實(shí)現(xiàn)暢通無(wú)阻，隨時(shí)隨地的通信。M2M 的具體實(shí)現(xiàn)是在機(jī)器內(nèi)部嵌入M2M 硬件，典型產(chǎn)品如Nokia12GSM 嵌入式無(wú)線數(shù)據(jù)模塊、SONY Ericsson 的GR48、GT48、Motorola 的G18/G20for GSM、C18for CDMA、Siemens 的用于GSM 網(wǎng)絡(luò)的TC45、TC35i、MC35i 嵌入模塊等，使機(jī)器通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、中間件實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器、機(jī)器與人之間的通信。目前我國(guó)的M2M 用戶(hù)數(shù)居全球首位［8］，中國(guó)移動(dòng)M2M 已成為全球最大的M2M 運(yùn)營(yíng)商，其幫助南方電網(wǎng)、北京、重慶等地電力公司100 多萬(wàn)臺(tái)電表實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表，為江西地區(qū)的2 萬(wàn)多臺(tái)配電變壓器提供了用電檢測(cè)、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)等服務(wù)，也為北京、上海、遼寧等地出租車(chē)安裝了超過(guò)110多萬(wàn)臺(tái)M2M 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)出租車(chē)的智能化管理;此外，中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信的M2M 業(yè)務(wù)目前的用戶(hù)也在急劇膨脹［1］。

當(dāng)下，M2M 發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題是要形成高效互通的整體環(huán)境?，F(xiàn)有的M2M 應(yīng)用多為垂直行業(yè)應(yīng)用，形成了越來(lái)越多的應(yīng)用和信息孤島，沒(méi)有最大化的利用現(xiàn)有資源，傳統(tǒng)的松散互聯(lián)方式使M2M 資源整合成為一大難題。因此，應(yīng)當(dāng)建立統(tǒng)一的M2M 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資源和應(yīng)用之間的高效整合，并基于此催生新的M2M 應(yīng)用模式［8］。

3 應(yīng)用

眼觀時(shí)下，展望未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以說(shuō)在國(guó)民生產(chǎn)和生活的各個(gè)行業(yè)，在人類(lèi)生活的各個(gè)層面，無(wú)處不在，比比皆是，信手拈來(lái)。如智能工業(yè)生產(chǎn)管理、智能交通、智能電力、智能醫(yī)療、智能家居、智能物流、智能農(nóng)業(yè)、智能生態(tài)管理、智能安防等，各地提出打造智慧城市的目標(biāo)也是基于物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段的這些應(yīng)用而提出來(lái)的。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)不是空中樓閣，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、信息測(cè)控技術(shù)等科技高度融合發(fā)展的產(chǎn)物。其目標(biāo)是在全球范圍內(nèi)任何人、任何對(duì)象、任何國(guó)家、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可以進(jìn)行信息交換，這就是所謂的“智慧地球”和“感知中國(guó)”的含義所在。據(jù)美國(guó)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)Forrester 預(yù)測(cè)，至2020 年，全球“物物相連”的業(yè)務(wù)與“人與人通信”的業(yè)務(wù)比將達(dá)到30∶1。屆時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)值將是互聯(lián)網(wǎng)的30 倍以上［6］。雖然現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展還不完善，還有很多關(guān)鍵技術(shù)不成熟和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，成本也很高，但可以預(yù)見(jiàn)其強(qiáng)大的發(fā)展態(tài)勢(shì)，若干年后，人類(lèi)將以全新的方式生活在物聯(lián)網(wǎng)世界之中。

［1］張春紅.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2014.

［2］易繼鍇，侯媛彬.智能控制技術(shù)［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2002，2：31－32.

［3］王治東，劉君.認(rèn)知視域下的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(人文社會(huì)科學(xué)版)，2004，3：91.

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