“智慧地球”——物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)探討

龔 麗

武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430205

地球是我們賴以生存的星球，這里有土地、山川、海洋、綠樹、花草，以及各種與人類同呼吸的生物。人類是地球的主宰，人類創(chuàng)造出了建筑、家具、電器等等各種物品。這些物品雖然沒有生命的，也沒有思想，但是聰明的人類可以賦予物品智慧，讓物品也能思想，讓我們的地球成為“智慧地球”。“智慧地球”最早是由美國(guó)IBM2008年提出的。IBM認(rèn)為，IT產(chǎn)業(yè)下一階段的任務(wù)是把新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中，具體地說(shuō)，就是傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成物聯(lián)網(wǎng)，并且在此類基礎(chǔ)建設(shè)的執(zhí)行中，植入“智慧”的理念，形成一個(gè)成熟的智慧基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，也就是“智慧地球”。所以，“智慧地球”其實(shí)是以“物聯(lián)網(wǎng)”為主要運(yùn)行載體的一種新技術(shù)的總稱。

1 物聯(lián)網(wǎng)概念

“物聯(lián)網(wǎng)”這個(gè)概念最早出現(xiàn)在1995年比爾·蓋茨的圖書《未來(lái)之路》中，1998年美國(guó)麻省理工學(xué)院Auto-ID實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造性地提出了被稱作EPC系統(tǒng)的“物聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想，1999年在美國(guó)召開的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議正式提出物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）這個(gè)概念。最近這幾年“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展特別引起人們的重視，可以算是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一次新革命。什么是“物聯(lián)網(wǎng)”？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是物品也可以上網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞和交換。這里的“物”可以是真實(shí)的存在，也可以是虛擬的存在，它能夠在空間和時(shí)間上存在和移動(dòng)，也能夠被辨識(shí)。其核心和基礎(chǔ)仍然是“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”，但互聯(lián)網(wǎng)解決的是人與人的信息交流，物聯(lián)網(wǎng)是把物品連入網(wǎng)絡(luò)，是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)裝置在各類物體上的SIM卡、傳感器、二維條碼等，經(jīng)過(guò)接口與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相連，給物體賦予智能，可實(shí)現(xiàn)人與物體間和物體與物體間的溝通和對(duì)話。

在中國(guó)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)水平是處于世界前列的。中科院1999年就啟動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)研究，當(dāng)時(shí)稱之為“傳感網(wǎng)”。2009年8月溫家寶總理在考察中國(guó)科學(xué)院無(wú)錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時(shí)，對(duì)該中心立志開辟“感知中國(guó)”（又稱“智慧中國(guó)”）的創(chuàng)新之舉，做出高度評(píng)價(jià)。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，寫入“政府工作報(bào)告”。

2 物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)包含3個(gè)層次結(jié)構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層就象人的眼睛、耳朵、鼻子，人通過(guò)眼睛看、耳朵聽、鼻子聞來(lái)感知外部世界，接收外部信息，物聯(lián)網(wǎng)則通過(guò)感知層來(lái)識(shí)別物體、采集信息，即利用射頻識(shí)別（RFID）、傳感器、二維碼、攝像頭、GPS等設(shè)備隨時(shí)地獲取物體的信息。

網(wǎng)絡(luò)層則用于傳遞信息和處理信息，就象人的神經(jīng)系統(tǒng)和大腦。當(dāng)感知層獲取信息后，網(wǎng)絡(luò)層可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)、局域網(wǎng)以及各類專網(wǎng)傳輸這些數(shù)據(jù)，并能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢、分析、決策，這需要用戶終端和數(shù)據(jù)中心（如云計(jì)算平臺(tái)）的參與。云計(jì)算平臺(tái)作為海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析平臺(tái)，將是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的重要組成部分。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層則是根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的智能化交互，就象人會(huì)根據(jù)自己的需要把感知到并通過(guò)大腦分析處理的信息以某種合適的方式反饋出來(lái)。在這個(gè)層次中，涵蓋了電力、醫(yī)療、交通、物流、城市管理、家居生活等，其功能可包括監(jiān)控、支付、定位、安保等。

3 物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)

按照物聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)層次結(jié)構(gòu)，我們可以逐層地探討一下物聯(lián)網(wǎng)的主要技術(shù)。

3.1 感知層－射頻識(shí)別技術(shù)、傳感器技術(shù)

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。其主要核心部件是一個(gè)電子標(biāo)簽。一個(gè)RFID系統(tǒng)一般由RFID電子標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物品接收到幾厘米到幾十米距離內(nèi)讀寫器發(fā)射的電磁波信號(hào)時(shí)，會(huì)通過(guò)無(wú)線電波把電子標(biāo)簽中攜帶的信息傳送到讀寫器，讀寫器讀取信息并解碼后，送至信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，完成信息的自動(dòng)采集工作。

傳感器是一種檢測(cè)裝置，負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)信息的采集，并能將采集到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、控制等要求。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和控制的基礎(chǔ)。同時(shí)，為了感知和監(jiān)測(cè)采集來(lái)的數(shù)據(jù)，相應(yīng)地需要大容量的非易失性存儲(chǔ)器，這就是半導(dǎo)體技術(shù)的重要性。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層－無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)

傳感器僅僅感知到信號(hào)，要想實(shí)現(xiàn)物聯(lián)及信息交換，則需要組成傳感器網(wǎng)。傳感器網(wǎng)是在一定作用范圍內(nèi)大量部署具有無(wú)線電通信與計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中任意地點(diǎn)任意時(shí)間的信息，包括溫度、濕度、光強(qiáng)度、壓力、噪聲等，并將所感知的信息傳送到用戶終端。

無(wú)線傳感網(wǎng)目前也有一些標(biāo)準(zhǔn)組織在做相關(guān)的規(guī)范，比如說(shuō)ZigBee，它是IEEE802.15.4協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，是一種短距離、低功耗的無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)，其最大特點(diǎn)是采用動(dòng)態(tài)路由的自組織網(wǎng)模式。還有IETF6overLOWPAN，這是基于802.15.4網(wǎng)絡(luò)MAC的協(xié)議，采用IPv6地址。IPv6作為下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有豐富的地址資源，支持動(dòng)態(tài)路由機(jī)制，但I(xiàn)Pv6幀頭過(guò)長(zhǎng)、復(fù)雜度高，不能直接應(yīng)用到傳感器設(shè)備中，需要精簡(jiǎn)。

3.3 應(yīng)用層－安全與隱私技術(shù)

其實(shí)安全問(wèn)題不是只有應(yīng)用層需要面對(duì)的，而是物聯(lián)網(wǎng)的各層都面臨的問(wèn)題，即如何保障網(wǎng)絡(luò)信息安全。物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模大，大量信號(hào)都需要無(wú)線傳輸，既容易被干擾，也容易被竊取；而且物聯(lián)網(wǎng)與人類社會(huì)緊密相連，其網(wǎng)絡(luò)一旦受到病毒攻擊，可能會(huì)造成比較嚴(yán)重的后果，比如大面積的交通癱瘓、銀行系統(tǒng)錯(cuò)誤、工廠停產(chǎn)等等。同時(shí)，由于物聯(lián)網(wǎng)中我們的個(gè)人物品也會(huì)連上網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地被感知，可能會(huì)帶來(lái)許多個(gè)人的隱私泄露。目前來(lái)講，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的部分安全保障機(jī)制仍然適用物聯(lián)網(wǎng)，比如認(rèn)證機(jī)制、加密機(jī)制等。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是分開的，但在物聯(lián)網(wǎng)中，應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層緊緊綁在一起，網(wǎng)絡(luò)層的認(rèn)證不可缺少，但應(yīng)用層的認(rèn)證則不是必需的。同樣的道理，加密過(guò)程是采用逐跳加密還是端到端加密，也要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的需要選擇合適的方式。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例

中國(guó)移動(dòng)推出的“宜居通”就是比較直接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)例。“宜居通”是新一代智能安防預(yù)警系統(tǒng)，源自TD-SCDMA無(wú)線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的完美結(jié)合，在具備G3無(wú)線移動(dòng)座機(jī)功能之余，更從門窗告警、煙霧燃?xì)獗O(jiān)測(cè)、緊急呼叫等方面全方位提供安心居家，就此開啟物聯(lián)網(wǎng)智能生活，先享未來(lái)。廣泛應(yīng)用于家庭、小企業(yè)、小公司、小商鋪，解決用戶對(duì)于無(wú)線座機(jī)、智能安防、無(wú)線上網(wǎng)、無(wú)線視頻監(jiān)控等方面的需求。

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)發(fā)展和信息社會(huì)需求到達(dá)一定階段的必然結(jié)果，現(xiàn)在已經(jīng)成為我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。但目前尚屬起步階段，面臨的困難不少，比如成本過(guò)高、技術(shù)不完善、標(biāo)準(zhǔn)缺失、體制落后、安全隱患等，即使如此，物聯(lián)網(wǎng)仍然是信息網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，前景美妙。

[1]艾浩軍，等編著.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展[M].人民郵電出版社，2011，5.

[2]楊正洪.云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)[M].清華大學(xué)出版社，2011，9.

[3]劉海濤.物聯(lián)網(wǎng)：技術(shù)應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011，5.