物聯網你應該知道和所不知道的

鄔賀銓院士為“物聯網”正名

隨著今年初我國第三顆北斗導航衛星發射成功，中國自主研制的北斗衛星導航系統便進入了組網高峰期，預計在2020年左右形成覆蓋全球的衛星導航定位系統。隨著中國“北斗”系統的建成，將使中國在衛星應用方面擺脫對國外衛星導航系統的依賴，并帶動一大批高技術產業，形成新的經濟增長點，而這其中，不能沒有物聯網。

2009年如果是中國物聯網元年，2010年將是中國物聯網產業發展最關鍵的一年。

在2010年我國的政府工作報告所附的注釋中對物聯網有如下的說明:是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。它是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡。

“現在很多地方都在建物聯網中心，但是通過我們所做的一個物聯網的咨詢項目，我感覺一些地方技術準備、規劃還不夠。不是說不能建，而是要規劃好，要考慮到怎樣才能融入產業鏈中，冷靜地看待產業分工。”“戰略性新興產業不是短期行為，要著眼長遠，從技術研發做起。我只是擔心，最后很多技術還是要靠國外，那就失去發展物聯網的意義了。”

中國工程院副院長、院士，我國光纖傳送網與寬帶信息網專家鄔賀銓，將帶領大家走進物聯網的真實世界，讓你我共同徜徉在正處在革命中的一種網絡時代新生活的咫尺夢境。

物理對象，不論是智能的或非智能的物體數量非常巨大，需要聯網互動、通信、控制以便參與業務流程或管理的物件，其數量也比人口多百倍

從傳感網到物聯網

RFID:物聯網的最早應用

RFID(射頻標簽)目前已廣泛應用于供應鏈，這是物聯網的最早的應用。Gartner公司報告2009年RFID系統在全球供應鏈市場規模達到100億美元 。RFID已從第一代最基本功能、第二代RFID(抗碰撞、可重寫、外天線和識別功能)、第三代傳感RFID(半無源、傳感、監控、數據處理、通信、功率管理功能) 到第四代主動RFID(有源設備、監控、傳感器、數據處理、通信、功率管理、本地化功能)，還將發展到第五代交互RFID(智能設備、無源—有源、監控、傳感器、數據處理、網絡通信、功率管理、本地化-定位、與用戶交互功能)，此時，RFID與傳感器的界限已很難區分。

傳感器網，何許物?

傳感器是物聯網的重要感知器件，在ITU-T Y.2221建議中定義傳感器為敏感物理條件或化學成分并且傳遞與被觀察的特性成比例的電信號的電子設備。定義傳感器節點是由傳感器和可選的能夠檢測數據處理及聯網的執行元件組成的設備。傳感器網——包含互聯的傳感器節點的網絡，這些節點通過有線或無線通信交換傳感數據。

傳感器網絡可以以自組織(Ad hoc)網方式工作，但其與自組織網應用上有不同:傳感器網絡中的節點數量大，節點的配置非常密集;傳感器節點的位置并不一定需要預先設計和計算，傳感器網絡拓撲的變化十分頻繁;傳感器網絡中的部分或全部節點可以移動;傳感器網每個節點既是終端，也可能又是路由器;傳感器節點不一定有全球性的標識;傳感器節點的電能，計算能力及存儲器容量都很有限;傳感器網絡主要用廣播方式通信，而大部分Ad hoc網絡基于點到點通信方式。

傳感器網絡有與互聯網不同的協議要求。物理層:工作在915MHz(工業、科學和醫學)或其他頻段，發送功率和傳輸距離的2～4次方成正比，使用上往往需要接力。數據鏈路層:MAC 協議的作用是節點公平和有效地共享通信資源，現有MAC協議以提高網絡的性能和帶寬利用率為主要目標，而傳感器網絡需優化節能、移動管理和故障恢復。網絡層:需要適應拓撲頻繁改變和可擴展性的協議、基于節能優先的路由選擇、基于屬性的尋址、數據匯聚(將來自多個傳感器節點，具有相同屬性的數據匯聚，解決數據破碎和重復)。傳送層:有限的電能和存儲量限制使傳感器節點不能存儲大量的數據， 而且TCP方式開銷太大，需要有適合傳感器網的協議。應用層:傳感器管理協議、任務分配和數據通告協議、傳感器詢問和數據分發協議等。傳感器網需要有多種管理平面功能:電源管理平面(管理傳感器節點的電源使用方式，可以使傳感器節點在收到一個消息后關閉接收器，當一個節點電量低時，可以向鄰居節點廣播電量不足消息，并不再參與轉發數據)、移動管理平面(檢測和登記傳感器節點的移動，了解誰是自己的相鄰節點)、任務管理平面(在一個特定的區域內均衡及調度傳感任務，在一個區域內并非所有的傳感器節點都要同時執行傳感任務，傳感網的節點部署與功能)。

何為物聯網?

歐盟關于物聯網的定義(Internet of Things: Strategic Research Roadmap， CERP-IoT SRA ， first presentation 16 September 2009):物聯網是未來互聯網的一部分，能夠被定義為基于標準和交互通信協議具有自配置能力的動態全球網絡設施，在物聯網內物理和虛擬的“物件”具有身份、物理屬性、擬人化、使用智能接口并且無縫綜合到信息網絡中。在2010年我國的政府工作報告所附的注釋中對物聯網有如下的說明:是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。它是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡。

物聯網(Internet of Things)的主要特征——在物聯網中連網的每一件物體均可尋址，每一件物體均可通信，每一件物體均可控制。物聯網強調的是認知，是互聯網從感知平臺到數據挖掘的拓展。

物聯網的組成包括三部分，即泛在化的傳感單元及網絡、異構性的互聯網基礎設施、普適性的數據分析與服務。

物聯網與互聯網

當前關于物聯網與互聯網的關系有一些模糊概念需要澄清。物聯網的底層借助RFID和傳感器等實現對物件的信息采集與控制，通過傳感網將一組傳感器的信息匯集，并連到核心網絡;基礎網絡是物聯網的重要組成部分，用于承載物物互聯或物與人互聯的信息傳遞;物聯網的上層實現信息的處理和決策支持。物聯網可用的基礎網絡可以有很多種，根據應用的需要，可以采用公眾通信網絡，或者采用行業專網，甚至新建專用于物聯網的通信網。互聯網既可以連接人也可以連接物，既可以連接虛擬世界也可以連接實際世界。通常互聯網最適合作為物聯網的基礎網絡，特別是當物物互聯的范圍超出局域網時，以及當需要利用公眾網傳送需處理和利用的信息時。

盡管下一代互聯網將以支持物聯網的應用作為主要目標之一，但物聯網并不是互聯網的下一代，物聯網可以說是互聯網上一種業務或應用。物聯網與互聯網上傳統業務相比有不同的特點:在物聯網以公眾網絡(例如互聯網)作為基礎網絡平臺的情況下，物聯網相當于互聯網上面向特定任務來組織的VPN;互聯網是全球性的，但物聯網往往是行業性的或區域性的;一些物聯網的應用例如智能電網對網絡承載平臺的可靠性有很高的要求;物聯網的行業應用的多樣性與承載平臺的通用性之間需要有中間件來適配;物聯網的上層即智能信息處理、數據挖掘與決策支撐等是傳統互聯網業務不一定需要的功能。

物聯網的進一步發展是泛在網(Ubiquitous Networking)，ITU-T給出泛在網的定義[ITU-T Recommendation Y.2002 (Y.NGN-UbiNet)， Overview of ubiquitous networking and of its support in NGN]:在預訂的服務的情況下，個人和/或設備無論何時、何地、何種方式以最少的技術限制接入到服務和通信的能力。

傳感網、物聯網與泛在網的區別與包含關系可以概括如下:是否利用基礎網絡是傳感器網與物聯網的主要區別，物聯網的感知單元除了傳感器外還包括如RFID、紅外感應器、GPS、激光掃描器、二維碼、內置移動通信的各種模塊等;泛在網與物聯網的主要區別是從物與物通信到物與人以及人與人通信，而且泛在網涉及多個異構網的互聯。

物聯網的支撐技術與標準化方向

識別技術

識別技術需要支持現有的和未來的識別方案，能夠與在互聯網和WWW中已經使用的諸如統一的資源識別(URI)結構所互通，未來需要研究全球識別方案、識別管理、識別編碼/加密、匿名、使用識別和尋址方案的認證和儲存管理、認證和尋址方案、全球查號業務和發現業務。

體系技術

在異構物品及其環境中的可擴展性、模塊化和交互性是物聯網的關鍵設計要求，需要研究分布開放體系，該體系具有端到端特征、異構系統可交互性、隨遇接入、清楚的分層和應對物理網障礙的可生存性;研究基于節點對等通信的無中心自治體系;研究云計算技術、事件驅動體系、斷連操作與同步。

通信技術

需要研究以下方面:物聯網能效優化的通信;多頻無線前端和協議;通信頻譜及頻率分配;軟件定義無線電;認知無線電;具有協議間通信能力的能效無線傳感器網;后IP的無連接通信;高性能可擴展算法和協議。

網絡技術

物聯網關注在多樣性的聯網系統間的安全性、可擴展性和跨平臺兼容性，需要研究固定、無線和移動網及Ad-hoc網技術、自治計算與連網、動態支持小區域無尺度連接的“網中網”;網絡級的口令和身份分配機理、匿名連網、IP和后IP技術等。

網絡發現

在物聯網中，網絡是動態變化的，新的物品的加入將改變網絡的拓撲，而且物品的特征還會隨自治程度而變，自動發現機理和映射能力對網絡管理至關重要。目前可參考使用的在LAN級別的發現協議有WS-Discovery (作為 WS-DD的一部分)、 Bonjour和 SSDP (作為UPnP的一部分)。

軟件與算法

需要研究開放中間件平臺;能效微操作系統;能量感知的操作系統及其實現;實現自優化、自配置、自愈的分布自適應軟件;基于交互單元/模塊抽象的資源和網絡功能的輕型開放中間件;目標交互的語言、仿生算法(例如自組織)和游戲理論;避免增加復雜性和節能的自管理技術;提高安全性和隱私性的口令分配機理;在普適和動態環境中優化資源分配的算法;庫存管理、產品調度和數據挖掘的數學模型及算法等。

硬件

硅IC技術、納電子與高分子聚合物電子支持超低功耗、低電壓和低漏電設計。需要研究納米技術、自配置自優化自愈電路體系、天線、能效的射頻前端、嵌入的傳感器、激勵器、低成本制造技術等。

數據和信號處理技術

需要研究語義互操作性、服務發現、服務組合、語義傳感器Web;數據共享與合作;自治代理;人機接口;邊緣處理、過濾和集成;QOS和流處理。

發現和搜索引擎技術

物聯網要求開發查表/介紹服務，物品還要求能夠發現在其所處環境內的對等物品的存在和身份，以便協商分享的任務。需要研究設備發現、分布存儲、定位，研究實際、數字與虛擬實體的映射，地面映射數據等。

網管技術

物聯網的網管不僅是對設施，還要包括對流量和擁塞管理，這要求識別突發的過載，監視物聯網和Web的應用，識別黑客的沖擊。需要研究身份、關系和信譽管理。

功率與能量存儲技術

需要研究電池和能量存儲技術、MEMS和微系統的能量獲得/提取技術、靜電、壓電和電磁轉換方案、熱電系統和微致冷、光伏系統、微燃料電池和微反應器、微引擎、微功率IC和換能器、能量存儲和超電容技術、能源消耗映射、硬件元件的細顆粒測量/估計功率技術、基于能量優先調度的軟件技術。

安全與隱私技術

需要研究對網絡設備的智能和自感知行為使能的事件驅動代理，研究對異構設備的隱私保護技術，研究無中心的認證和可信的模型，研究能效加密和數據保護技術，研究云計算的安全和可信性，研究物品和網絡的認證技術，研究匿名機理，研究云計算的安全與可信性，研究在物品合作“云”中數據擁有者的接入和使用權等。

物聯網在重要領域的應用

物聯網在工業領域應用

RFID技術廣泛用于生產流水線，改進庫存、增加質量控制和改進個性化服務。在交通運輸中與旅客、機組、行李、貨物相關的RFID、傳送帶上的RFID和傳感器、鏈接到安全數據庫的低成本讀取系統、有線電視和數據圖像軟件。

智能電網

因發電與用電量不匹配，電網利用率很低，美國也僅有55%。每年美國因電網擾動與斷電損失790億美元。智能電網使用健壯的雙向通信、高級傳感器和分布式計算機來改善電力交換和使用的效率，提高可靠性。以前因發電量不平穩難以接入電網的風電、太陽能等分布式能源可以用于補助主網發電。智能電網實時監控用戶的電力負荷，賦予消費者選擇電價和能源類型的權力。

智能交通

據統計，交通擁堵造成的損失占GDP的1.5%到4%。美國每年因交通堵塞燃料損失相當于裝載58個超大型油輪的裝載，每年的損失高達780億美元。利用物聯網技術可以實時監控交通流量，優化交通網絡設計和管理。歐盟認為通過利用ICT優化物流安排和智能流量管理，還可以幫助交通運輸效率提升17%。

智慧物流

2006年物流成本占GDP的比例:日本為11%，美國為8%，歐盟為7%，中國為18%(其中運輸成本占55%，存儲成本占30%)。使用分析和模擬軟件可以優化從原材料至成品的供應鏈網絡。幫助企業確定生產設備的位置，優化采購地點，亦能幫助制定庫存分配戰略，降低成本，減少碳排放，改善客戶服務。

智慧醫療

美國的醫療保健支出已占GDP的16%，而且醫療事故已成為死亡的第五位原因，醫療信息化成為與醫保改革的重要內容。在醫療信息化中物聯網將起重要作用。利用各種傳感器對需要監護的人進行實時監控， 利用具有RFID-傳感器能力的移動電話手機作為平臺監控醫療參數和藥品，藥品上的智能標簽能夠提醒患者服藥時間和用量，植入人體的起搏器、心臟防顫器、支架等若同時嵌入無線通信功能，便可組成人體域網，實現與內科醫生、急救服務人員以及陪護人員通信。

智能建筑

美國辦公用建筑物在壽命期間的電能消耗成本與建筑物初次建設成本相當。據統計，建筑能耗目前占我國一次能源消耗總量的27.8%，我國的建筑能耗是世界上同緯度國家的三倍左右。日本曾經試驗在一座大樓內裝2萬個傳感器并用IPv6連網，實時掌握在大樓內不同房間在不同時間需要的空調和照明狀況，實行智能控制，可以節省能耗近30%。

物聯網在其他領域的使用

物聯網在農業、流程工業、環境監測、節能降耗、安防保衛、智能家居、媒體娛樂、保險業等都有廣泛的應用前景。

參考資料:

[1]European Research Projects on the Internet of Things (CERP-IoT) Strategic Research Agenda (SRA)， Internet of Things – Strategic Research Roadmap， 15 SEPTEMBER， 2009.

[2] http://www-900.ibm.com/ibm/ideasfromibm/cn/smarterplanet/20081106

延伸閱讀

可以預見，繼計算機、互聯網與移動通信網之后，物聯網將帶來信息產業新一輪的發展浪潮，更是一場世界性的新技術革命，必將對經濟發展和社會生活產生深遠影響

培育新興戰略性產業，我國無線傳感器網技術研發和標準化已經起步

隨著信息采集與智能計算技術的迅速發展、互聯網與移動通信網的廣泛應用以及與傳感器網結合的不斷深入，積極發展無線傳感器網的時機日趨成熟。在全球應對金融危機的環境下，主要發達國家和地區紛紛提出與物聯網相關的信息化戰略，加大對無線傳感器網等在內的物聯網的投入，力圖占據領先位置，尋求經濟增長的新模式。

可以預見，繼計算機、互聯網與移動通信網之后，物聯網將帶來信息產業新一輪的發展浪潮，更是一場世界性的新技術革命，必將對經濟發展和社會生活產生深遠影響。我國在無線傳感器網領域的研究起步較早，技術和標準以及產業發展等方面具備了一定基礎，在相關領域的應用也初見成效。

在專項三無線傳感器網總體研究課題的支持下，我國開展了一系列的國際國內標準推進工作。由我國提出的無線傳感器網絡標準體系、技術領域等已被原ISO/IEC JTC1傳感器網絡研究組(SGSN，該研究組已經與2009年10月正式轉化為制定標準的傳感器網絡工作組，即ISO/IEC JTC1 WG7)的技術文檔所采納，可作為日后傳感器網絡工作組開展工作的參考依據。在中國、美國、挪威、德國、韓國、英國等國家的推動下，ISO/IEC JTC1 WG7工作組(Working Group On Sensor Networks)的建立，為我國在傳感器網絡國際標準制定中取得重要話語權奠定了基礎。在工作組中我國擔任了 “傳感器網應用和服務參考架構”以及“傳感器網安全框架”提案的聯合編輯。另外，由我國提出并擔任編輯的“智能傳感器網絡協同信息處理支撐服務和接口規范”也已經進入了新工作項目投票階段。術語、總體技術規范、網絡傳輸協議、安全機制、標識、傳感器接口等6項國家標準已經立項，為形成無線傳感器網標準體系、產業分工和產業鏈奠定了重要基礎。

我國提出的F-DSSS物理層技術標準和EGTS媒體接入層技術標準已被IEEE802.15.4所采納，基于上述標準的低功耗核心芯片已順利完成第一版樣片的研制，同時正在開展全球第一款針對IEEE802.15.4e的專業測試平臺的研發。

基于已有的中國移動M2M(物與物)平臺，初步實現了傳感器網與TD-SCDMA網絡的結合方案，并在智能家居、智能停車場管理系統等得到了驗證，為下一步實現傳感器網和TD的融合以及物物互聯奠定了重要基礎。

2010年3月5日，溫家寶總理《政府工作報告》所涉“物聯網”部分

1.“加快轉變經濟發展方式，調整優化經濟結構”部分

大力培育戰略性新興產業。國際金融危機正在催生新的科技革命和產業革命。發展戰略性新興產業，搶占經濟科技制高點，決定國家的未來，必須抓住機遇，明確重點，有所作為。要大力發展新能源、新材料、節能環保、生物醫藥、信息網絡和高端制造產業。積極推進新能源汽車、“三網”融合取得實質性進展，加快物聯網的研發應用。加大對戰略性新興產業的投入和政策支持。

2.注釋部分

物聯網:是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。它是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡。