初探物聯(lián)網(wǎng)感知互動層

摘要：聯(lián)網(wǎng)感知互動層由具有感知、識別、控制和執(zhí)行等能力的多種設(shè)備組成，采集物品和周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，通過這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取用戶感興趣的信息和知識，完成對現(xiàn)實物理世界的認知和識別，與此同時，物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)常需要根據(jù)用戶的需要，形成對物理世界的反饋控制，比如執(zhí)行功能的設(shè)備響應用戶或系統(tǒng)預先設(shè)定的決策機制等，代表用戶對各種事件或者狀態(tài)采取相應措施和行動。因此，可將感知互動層按照功能分為感知現(xiàn)實世界和執(zhí)行反饋決策這兩個部分。

關(guān)鍵詞：聯(lián)網(wǎng) 感知 互動層 決策機制

1 認知現(xiàn)實物理世界

感知現(xiàn)實物理世界是物聯(lián)網(wǎng)應用的基礎(chǔ)，在物聯(lián)網(wǎng)的感知互動層中，通過各種感知設(shè)備收集用戶感興趣的表征物理世界信息的數(shù)據(jù)或發(fā)生的物理事件，包括各類物理量，如標識、音頻、視頻數(shù)據(jù)等。物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集涉及傳感器、RFID、多媒體信息采集、二維碼等多種傳感和編碼技術(shù)。通過這些采集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行信息處理獲取信息和知識，從而完成對物理世界的認知過程。感知獲得的數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)在各種應用中運行和管理的基礎(chǔ)。比如在交通流量實時監(jiān)測與動態(tài)誘導應用中，在城區(qū)干、支線道路的車道上設(shè)置高靈敏度車輛檢測元件，將車輛信息收集，利用實時車速檢測與流量統(tǒng)計功能，對車速、流量數(shù)據(jù)進行實時采集、分析、比對與傳遞，以時、分、秒的時間片斷來分析機動車在各路段的流量、流向、是否暢通、擁堵的程度等。利用感知互動層獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以使交通管理部門對交通車流量等進行精確管理。再比如在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控應用中，物聯(lián)網(wǎng)可實時獲取農(nóng)作物、畜禽水產(chǎn)的生長信息和與生產(chǎn)過程直接相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，并將其作為作業(yè)管理智慧決策的判據(jù)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程管理精細化，并將監(jiān)測結(jié)果直接與農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。以RFID為代表的追蹤識別技術(shù)能為可追溯系統(tǒng)的建設(shè)提供保障，通過標識編碼、標識佩戴、身份識別、信息錄入與傳輸、數(shù)據(jù)分析和查詢，實現(xiàn)生產(chǎn)、屠宰加工、儲運、交易、消費等各個環(huán)節(jié)的可追蹤性。

在對物理世界感知的過程中，不僅要完成數(shù)據(jù)采集、處理存儲等功能，也需要完成數(shù)據(jù)處理的功能。數(shù)據(jù)處理將采集數(shù)據(jù)經(jīng)過多種處理方式提取出有用的感知數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理功能可包含協(xié)同處理、特征提取、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)匯聚等。同時需要完成設(shè)備之間的通信和控制管理功能，包括網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理技術(shù)等，實現(xiàn)傳感器、RFID等數(shù)據(jù)采集技術(shù)所獲取數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理的設(shè)備。

2 傳感器與環(huán)境感知

感知技術(shù)主要包括傳感器與傳感器節(jié)點組成的系統(tǒng)。傳感器是監(jiān)測現(xiàn)象，測量各種屬性，將監(jiān)測結(jié)果轉(zhuǎn)化為信號的單元。監(jiān)測屬性可以是物理量、化學量和生物量等。傳感器按照應用分為加速度傳感器、振動傳感器、磁敏傳感器、光敏傳感器、化學傳感器等。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由傳感器、執(zhí)行器（可選）、通信單元、存儲單元、處理單元及能量供給單元等組成，能夠執(zhí)行信息采集、傳輸、處理以及控制等功能的設(shè)備稱為傳感器節(jié)點（Sensor Node）。

傳感器節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)對物理世界信息的采集、傳輸和處理，這是物聯(lián)網(wǎng)的基本功能之一。

傳感器節(jié)點將硬件和軟件相結(jié)合，利用了嵌入式微處理器的低功耗、體積小、集成度高，以及嵌入式軟件的高效率、高可靠性等優(yōu)點，綜合人工智能技術(shù)，推動物聯(lián)網(wǎng)中智能環(huán)境的實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)涵蓋嵌入式硬件和軟件兩大部分，硬件由嵌入式處理器、存儲器與外圍設(shè)備、現(xiàn)場總線組成，軟件包括操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口等。

為了實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標準，需要提取出統(tǒng)一的傳感器元數(shù)據(jù)標準，類似于互聯(lián)網(wǎng)的HTML標準，再根據(jù)不同的應用擴展出行業(yè)的數(shù)據(jù)交換標準。

在傳感器研究方面，當前傳感器需要面向具有代表性的規(guī)?；袠I(yè)應用需求，研究高精度、低成本、低功耗、穩(wěn)定可靠的智能數(shù)字傳感器，例如應用于視頻監(jiān)控的微體積圖像傳感器、應用于實時定位服務(wù)的三維空間感知位置傳感器、應用于安全監(jiān)控的各種氣體濃度傳感器等，以及支持集成各類氣象參數(shù)的多傳感器融合技術(shù)、能適應極端環(huán)境的高集成度和高可靠性的傳感器設(shè)備與監(jiān)測裝置。

3 射頻標簽與識別

標識技術(shù)主要包括射頻標簽（RFID）、二維碼和條形碼等。射頻標簽（Radio Freqlaency Identification，RFID）是一種無線自動識別技術(shù)，它可以將物品編碼采用無線標簽的方式進行記錄，提供標簽信息讀取的小型發(fā)射設(shè)備。I疆ID又稱為射頻識別技術(shù)，目前廣范應用于交通、物流、醫(yī)療、安全等眾多領(lǐng)域，可以對各種物品、物資流動過程進行動態(tài)、快速、準確的識別和管理。RFID在應用中通常由RFID標簽、RFID讀寫器與數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)，RFID標簽由芯片和天線組成，芯片內(nèi)寫入了與物品相關(guān)的信息，RFID讀寫器通過掃描這個標簽，讀寫器發(fā)射出的電磁波被RFID天線接收，產(chǎn)生電流驅(qū)動RFID芯片將存儲的信息發(fā)送到RFID讀寫器，RFID讀寫器將接收到的信息再經(jīng)過后臺傳輸和應用。

在識類型方面，需要研究物體識別、位置識別和地理識別方法及技術(shù)；研究具有可遠距離識別和低成本優(yōu)勢的超高頻RFID技術(shù)，并進一步研制超高頻RFID和新型集成RFID的標簽、讀寫設(shè)備；研究用于室內(nèi)、從林、街道等復雜環(huán)境下的高精度、高魯棒性的定位算法，并進一步研制低成本的實時定位系統(tǒng)。在對周圍電磁環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境充分認知的基礎(chǔ)上，建立典型應用場景下的情境感知模型，配合智能化信息處理，實現(xiàn)用戶可定制的推拉式服務(wù)。

4 執(zhí)行反饋決策

物聯(lián)網(wǎng)被稱為信息技術(shù)的第一次革命性創(chuàng)新，其特征主要有三點：一是互聯(lián)網(wǎng)特征，即對需要聯(lián)網(wǎng)的“物”一定要有能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；二是識別與通信特征，即納入物聯(lián)網(wǎng)的“物”一定要具備自動識別與物物通信的功能；三是智能化特征，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應具有自動化、自我反饋與智能控制的特點。

根據(jù)與“物”相關(guān)的這些信息傳輸和處理所涉及的范圍大小，物聯(lián)網(wǎng)可以是一個僅僅由近距離信息采集傳輸系統(tǒng)和具有一般處理能力的計算機構(gòu)成的相對簡單的局域網(wǎng)，也可以是一個包括互聯(lián)網(wǎng)和“云計算機”在內(nèi)的一個大范圍的廣域網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)在與物理世界交互的過程中，不僅需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息感知、自動識別等功能，而且也需要建立對物理世界的反饋和控制，實現(xiàn)對物的信息控制，最終為人類提供信息服務(wù)。它是在感知的基礎(chǔ)上，融合計算、通信和控制的能力，實現(xiàn)物理世界和信息世界的雙向交互，使得整個系統(tǒng)更加智能化。下面舉出若干示例。

在智能交通系統(tǒng)中，通過在一些城市路面布設(shè)傳感器節(jié)點，對采集到的車流量信息進行傳輸，通過物聯(lián)網(wǎng)的分析系統(tǒng)，將當前的道路情況發(fā)布給附近的車主，或者規(guī)劃出最省時的交通路線。

利用傳感技術(shù)采集到的信息最終匯總到交警部門的指揮中心進行分析和總結(jié)，做出更加智能的管控。比如在當前時段路面的東西向的車少，南北向的車多，通過智能反饋，可以使南北向的綠燈時間延長，從而使得通行更加順暢，交通管理更加智能化。

在DARPA的沙漠與城市挑戰(zhàn)中，車輛的片上信息系統(tǒng)通過對大范圍覆蓋的多種傳感器進行數(shù)據(jù)采集和信息處理，從而可以完成車輛定位，地形推斷，周圍車輛、人、障礙的位置以及指示標識的判斷。

對物理世界的反饋控制的最終目標是實現(xiàn)智能化，通過對歷史數(shù)據(jù)的挖掘，先進的信息處理技術(shù)提取出可以提交給物聯(lián)網(wǎng)用戶用來做出決策的信息，用戶能夠根據(jù)這些信息做出判定，從而將這一判定的結(jié)果通過傳輸最終到達執(zhí)行器或節(jié)點，從而實現(xiàn)控制的功能。

物聯(lián)網(wǎng)的中間層是網(wǎng)絡(luò)傳輸層，它負責將感知互動層收集的各類信息，特別是來自于物理世界的信息，通過各種公共網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施，高效、可靠、安全地傳輸?shù)接脩艋蛘邞梅?wù)層，以實現(xiàn)人與物、物與物的互聯(lián)互動。

5 結(jié)語

本文對于物聯(lián)網(wǎng)中的感知互動層進行了初步分析。分別從分析現(xiàn)實物理世界，傳感器與環(huán)境感知，射頻標簽與識別，執(zhí)行反饋決策，這四個方面進行分析。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還處于剛剛起步階段，無論是規(guī)劃、技術(shù)、管理、協(xié)調(diào)，合作等方面都還有很多不足，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景非常樂觀，市場潛力也很巨大，但是這些并非一朝一夕就能夠?qū)崿F(xiàn)，它需要政府，企業(yè)、行業(yè)協(xié)會、媒體乃至公眾共同努力。

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