基于開放架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)設計

任勁松

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

基于開放架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)設計

任勁松

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)物與物之間智能聯(lián)系的網(wǎng)絡，是繼計算機產(chǎn)業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)之后的又一個重大產(chǎn)業(yè)。依托RFID、紅外傳感器、GPS、激光掃描等傳感技術(shù)及移動通訊、云計算、大數(shù)據(jù)存儲等數(shù)據(jù)通訊處理技術(shù)，按約定協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，形成互聯(lián)網(wǎng)＋，因此從結(jié)構(gòu)上分析，物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成是開放架構(gòu)的。回顧了物聯(lián)網(wǎng)概念的提出及產(chǎn)生背景，詳細闡述了其開放的技術(shù)架構(gòu)及組成物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術(shù)，結(jié)合當前國際上物聯(lián)網(wǎng)領域的熱點問題，提出了我國物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的思路和建議。

物聯(lián)網(wǎng)；開放架構(gòu)；互聯(lián)網(wǎng)＋；無線傳輸

1 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）這個詞，最早由MIT Auto－ID中心Ashton教授1999年在研究RFID時提出來，在2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布的同名報告中，物聯(lián)網(wǎng)的定義被明確下來，覆蓋范圍有了新的拓展，不再只是指基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。

在我國，自2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”以來，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一并寫入“政府工作報告”，物聯(lián)網(wǎng)在中國受到了全社會極大的關注。

具體而言，物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識別（RFID）、紅外傳感器、GPS、激光掃描等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，它是互聯(lián)網(wǎng)的應用拓展，因此與其說物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡，不如說物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)基礎上的業(yè)務和應用。從這一定義我們可以明確物聯(lián)網(wǎng)的兩層含義：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。

2 物聯(lián)網(wǎng)組成架構(gòu)

2．1 物聯(lián)網(wǎng)組成

宏觀上看，物聯(lián)網(wǎng)由三部分組成：網(wǎng)絡終端、傳輸網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)處理中心。網(wǎng)絡終端以傳感器為核心，是物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)來源，也被成為感知層。通過各種傳感器（RFID、Zigbee、Bluetooth、Wlan等）采集各種有用的數(shù)據(jù)信息，形成原始網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；傳輸網(wǎng)絡包括傳統(tǒng)的Internet及無線網(wǎng)絡，組成信息傳輸平臺，將終端采集的各種信息通過此平臺傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心將采集的數(shù)據(jù)通過云計算技術(shù)及大數(shù)據(jù)挖掘處理技術(shù)進行分類、整合，篩選出有用數(shù)據(jù)，形成控制信息及各種存儲信息，完成物聯(lián)網(wǎng)最終的數(shù)據(jù)處理。其組成如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)組成

2．2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)多元化的元素組成要求其技術(shù)架構(gòu)必須是開放式架構(gòu)，具體分為三層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關構(gòu)成，包括二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端，其作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體，采集信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息；網(wǎng)絡層由各種私有網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息；應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用。目前物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)應用已深入到社會生活的各個領域，包括工業(yè)控制、公共安全、城市管理、遠程醫(yī)療、智能家居、智能交通、環(huán)境監(jiān)測等。其組成架構(gòu)如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

2．3 物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術(shù)

從以上物聯(lián)網(wǎng)的概念及開放式的多元化組成架構(gòu)可以看出，組成物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術(shù)有如下幾個：

（1）傳感器技術(shù)：這也是計算機應用中的關鍵技術(shù)。大家都知道，到目前為止絕大部分計算機處理的都是數(shù)字信號。自從有計算機以來就需要傳感器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號計算機才能處理。

（2）RFID標簽：也是一種傳感器技術(shù)，RFID技術(shù)是融合了無線射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，RFID在自動識別、物品物流管理等領域有著廣闊的應用前景。

（3）嵌入式系統(tǒng)技術(shù)：是綜合了計算機軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應用技術(shù)為一體的復雜技術(shù)。經(jīng)過幾十年的演變，以嵌入式系統(tǒng)為特征的智能終端產(chǎn)品隨處可見，小到人們身邊的MP3，大到航天航空的衛(wèi)星系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)正在改變著人們的生活，推動著工業(yè)生產(chǎn)以及國防工業(yè)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術(shù)組成示意圖如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術(shù)

（4）云計算技術(shù)及大數(shù)據(jù)挖掘存儲技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)終端采集的數(shù)據(jù)是龐大、多元、異構(gòu)的，如何將這些數(shù)據(jù)高效地傳輸、整合、篩選、計算和存儲是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中心的核心任務。運用目前開放先進的云計算技術(shù)及數(shù)據(jù)庫挖掘技術(shù)，極大提高了物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理能力，使得物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)管理更加高效、安全和可靠。

2．4 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別與融合

盡管從某種意義上看，可以認為物聯(lián)網(wǎng)就是互聯(lián)網(wǎng)從人向物的延伸，但物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)還是有本質(zhì)區(qū)別的。

想要通過互聯(lián)網(wǎng)了解一個東西，必須要有人去收集這個東西的相關信息，數(shù)字化后再放置到互聯(lián)網(wǎng)絡（服務器）上供人們?yōu)g覽其信息，人在其中要做很多的工作，且難以動態(tài)了解其變化。

物聯(lián)網(wǎng)是物體自己“說話”，通過在物體上植入各種微型感應芯片、借助無線通信網(wǎng)絡，與現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)絡相互聯(lián)接，讓其“開口”。不僅人可以和物體“對話”，物體和物體之間也能“交流”。

所以說，互聯(lián)網(wǎng)是連接的虛擬世界網(wǎng)絡，物聯(lián)網(wǎng)是連接物理的、真實的世界網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)未來與互聯(lián)網(wǎng)充分互聯(lián)、無縫整合，并與通信網(wǎng)一起，組成一個更加龐大、復雜的網(wǎng)絡，將實現(xiàn)物理世界與人類社會系統(tǒng)的全面互聯(lián)互通。

3 物聯(lián)網(wǎng)的安全性問題

和一般互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全基本一樣，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全主要有8個方面：讀取控制，隱私保護，用戶認證，不可抵賴性，數(shù)據(jù)保密性，通訊層安全，數(shù)據(jù)完整性，隨時可用性。前4項主要處在物聯(lián)網(wǎng)DCM三層架構(gòu)的應用層，后4項主要位于傳輸層和感知層。其中“隱私權(quán)”和“可信度”（數(shù)據(jù)完整性和保密性）問題在物聯(lián)網(wǎng)體系中尤其受關注。如果從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系架構(gòu)的各個層面仔細分析，我們會發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的安全體系基本上可以滿足物聯(lián)網(wǎng)應用的需求，尤其在其初級和中級發(fā)展階段。

物聯(lián)網(wǎng)應用特有（比一般IT系統(tǒng)更易受侵擾）的安全問題有如下幾種：

（1）Skimming：在末端設備或RFID持卡人不知情的情況下，信息被讀取；

（2）Eavesdropping：在一個通訊通道的中間，信息被中途截取；

（3）Spoofing：偽造復制設備數(shù)據(jù)，冒名輸入到系統(tǒng)中；

（4）Cloning：克隆末端設備，冒名頂替；

（5）Killing：損壞或盜走末端設備；

（6）Jamming：偽造數(shù)據(jù)造成設備阻塞不可用；

（7）Shielding：用機械手段屏蔽電信號讓末端無法連接。

目前物聯(lián)網(wǎng)的建設方興未艾，導致很多安全監(jiān)管措施都沒有形成，因此迫切需要出臺配套保障信息安全、保護個人隱私的法令、法規(guī)，加強信息應用的監(jiān)管。同時還要加強技術(shù)研發(fā)的力度，用高技術(shù)的安全產(chǎn)品確保物聯(lián)網(wǎng)的安全運行。

4 我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景

與計算機、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)不同，中國在‘物聯(lián)網(wǎng)’領域已經(jīng)走到了世界前列。

目前，我國的無線通信網(wǎng)絡已經(jīng)基本實現(xiàn)全覆蓋，無線網(wǎng)絡是實現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”必不可少的基礎設施。而在“物聯(lián)網(wǎng)”這個全新產(chǎn)業(yè)中，我國的技術(shù)研發(fā)水平也處于世界前列，具有重大的影響力。中科院早在1999年就啟動了傳感網(wǎng)研究，與其它國家相比具有同發(fā)優(yōu)勢。目前已擁有從材料、技術(shù)、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡的完整產(chǎn)業(yè)鏈。在世界傳感網(wǎng)領域，中國與德國、美國、韓國一起，成為國際標準制定的主導國之一。

目前全球都將物聯(lián)網(wǎng)視為信息技術(shù)的第三次浪潮，確立未來信息社會競爭優(yōu)勢的關鍵。據(jù)美國獨立市場研究機構(gòu)Forrester預測，物聯(lián)網(wǎng)所帶來的產(chǎn)業(yè)價值要比互聯(lián)網(wǎng)高30倍，物聯(lián)網(wǎng)將形成下一個上萬億元規(guī)模的高科技市場。

在我國，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已被寫入“政府工作報告”和“十二五規(guī)劃綱要”中，物聯(lián)網(wǎng)必將成為我國未來發(fā)展的戰(zhàn)略性資源。據(jù)工信部預測，“到2020年，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將經(jīng)歷應用創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、服務創(chuàng)新三個關鍵的發(fā)展階段，成長為一個超過五萬億規(guī)模的巨大市場。”

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展一日千里。目前，互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、電視網(wǎng)甚至是電網(wǎng)的“多網(wǎng)融合時代”已經(jīng)來臨，成為新世紀又一個發(fā)展機遇。物聯(lián)網(wǎng)是多網(wǎng)融合時代的必然產(chǎn)物，它將人與人之間的溝通連接擴展到了人與物、物與物之間的溝通連接，智能化、網(wǎng)絡化的生活將讓人們工作、生活更加便捷和人性化。做好我國物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、設計和開發(fā)工作是實現(xiàn)這一目標的首要前提。

［1］ GEI．中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展線路圖［J］，通信世界，2010（4）：48－49．

［2］ 徐培利．泛在網(wǎng)／物聯(lián)網(wǎng)應用與標準化探討［R］．華為技術(shù)有限公司技術(shù)報告，2010．05．19

［3］ 孫利民．無線傳感器網(wǎng)絡［M］．北京：清華大學出版社，2005．

［4］ 李航，陳后金．物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術(shù)及其應用前景［J］．中國科技論壇．2011（1）：81－85．

［5］ 黃衛(wèi)東，岳中剛．物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)鏈演進及其產(chǎn)業(yè)政策研究［J］．中國人民大學學報．2011（4）：47－53．

Design on IOT based on open Architecture

Ren Jinsong
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Internet of things（IOT）is the network to achieve intelligent connection between the physical objects，which is an important industry following computer industry and internet industry．Based on the sensing technology such as RFID，IR sensor，GPS，laser scan，etc，and data communication processing technology such as mobile communication，cloud computing，large data storage，etc，according to the regulated protocol，the physical objects are connected to the internet to produce internet plus．So，by analysis of the structure，the architecture of IOT is open．In this paper，the definition and background of IOT are reviewed，the opened technical architecture and the key technology for composing IOT are described in detail and the concept and suggestion of the future IOT development are proposed combining with the present focuses in the field of international IOT．

Internet of things（IOT）；Open architecture；Internet plus；Wireless transmission

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．007

TP393

A

1002－2279（2015）04－0024－03

任勁松（1969－），女，河北省邯鄲市人，工程師，主研方向：信息化。

2015－03－15