技術發展與業務需求雙驅動下的物聯網演進

彭 聰，羅德安，夏林中，許志良

（深圳信息職業技術學院信息與通信學院，廣東 深圳 518172）

自2 0世紀9 0年代末業界首次引入物聯網（Internet of Things, IoT）概念至今，物聯網持續獲得發展并將在未來繼續進一步增長。越來越多的物品被聯網，比如智能手機、自動取款機、工業系統、工業產品、運輸集裝箱等等。如圖1所示，21世紀的前20年世界人口的人均聯網設備數獲得了不可思議的幾百倍增長。

圖1 21世紀前20年互聯設備的增長情況

物聯網發展演進的過程，是信息與通信技術領域的所有研發經驗在發展過程中交織融合的結果。物聯網自誕生以來，在關注重點、關鍵支撐技術、表現形式等方面都在持續發生變化，呈現出各有側重的特征。本文從進化的角度以不同時期物聯網關鍵技術發展及產業背景下新業務需求兩方面對物聯網的發展和演進進行分析和歸納，總結物聯網的演進路線。

物聯網的代際演進可以劃分為具備不同特征的三個階段。第一代物聯網的重點在于如何標記物理對象；第二代物聯網的重點在于如何將物理對象通過網絡技術互相聯通；第三代物聯網則重點關注物理對象之間的社交、語義數據表示和物云（Cloud of Things）。

1 注重物體標記的初代物聯網

初代物聯網的重點目標是完成針對物理對象的標記，所涉及的解決方案主要包括兩方面的內容：EPCGlobal網絡，機器對機器通信（Machine to Machine，簡稱M2M）。它們的形成和提出都離不開特定的背景和動機。

1.1 EPCGlobal網絡

20世紀末，后來被譽為物聯網之父的凱文·艾什頓開創性地提出將RFID技術應用于產品包裝，從而發掘出更智能的跟蹤產品的辦法。其后，凱文·艾什頓代表其雇主寶潔公司與麻省理工學院聯合成立了自動識別中心（Auto-ID Labs），專門研究RFID技術和智能包裝系統。該中心提出，通過將載有物品（或稱實體對象）信息的RFID標簽植入實體對象包裝，可以將物品網絡化映射為RFID網絡化，實現物品的聯網，這就是初代物聯網的重要特征之一 ——物品標簽化。

沿著這樣的思路，在物聯網發展的早期，為了基于物品的標簽化來實現物品聯網，就需要創建一個行業驅動的全球標準，該標準要支持在全球范圍內廣泛地使用電子產品代碼（Electronic Product Code，簡稱EPC）和RFID標簽解決方案[2]。EPC碼是一種分配和解釋全球唯一的標簽標識符的編碼體系，EPC碼存儲在附著于物品的RFID標簽中。RFID標簽解決方案憑借全球唯一標識符——EPC碼——實現對物品的唯一標識。方案克服了傳統條形碼方法的局限性，從功用的角度是行之有效的，而從成本的角度考慮也是比較經濟的。

EPCGlobal網絡是一種基于互聯網的全球信息架構，基于計算機網絡、RFID和EPC編碼等技術實現，是一個可以識別任何物品，同時可以追蹤物品在供應鏈中位置的開放性全球網絡。EPCGlobal網絡將信息與實物對象鏈接起來，這個實物對象帶有標簽，標簽內放置了為該物品所配備的全球唯一的EPC編碼。通過整合現有信息系統和技術，EPCGlobal 網絡能夠即時、準確、自動地識別和跟蹤貿易單元在全球供應鏈上的位置。有了EPCGlobal 網絡，供應鏈上貿易單元信息的透明度與可視性得到提高，供應鏈關聯的各機構組織則能夠更有效地運行。

EPCGlobal網絡體系結構主要基于面向服務的分層體系結構。面向服務的體系架構的重點是要定義好不同組件之間的接口，各個組件可以以模塊化的形式工作，多種技術就能在架構中以比較經濟和易用的形式充分發揮作用。EPCGlobal網絡包括的組件如圖2所示，其中一些是物理組件，一些是邏輯組件。

圖2 EPCGlobal網絡包括的組件

（1）RFID標簽是和實體對象所關聯的標簽。每個標簽都具有唯一的ID，標簽可以具有一定的數據處理能力。

（2）RFID閱讀器負責查詢附近的RFID標簽，并將從標簽收集到的信息傳遞給后端服務器。

（3）中間件負責接收來自上層的應用程序的請求（這些請求由EPC信息服務組件進行翻譯），以及處理來自下層的RFID閱讀器的數據，并將數據返回到請求者（或請求中所指定的其他系統）。RFID標簽的數據是以EPC標識符的形式被RFID閱讀器捕獲。

（4）EPC信息服務（EPC Information Service，簡稱EPCIS）負責存儲EPCIS事件，并響應來自應用程序的查詢。

（5）對象名服務（Object Name Service，簡稱ONS）的功能類似于互聯網上的域名系統，主要負責將EPC碼轉換為URL（互聯網上的統一資源定位符，可以理解為網址），反之亦然。

1.2 機器對機器通信

機器對機器通信[3]（Machine to Machine，簡稱M2M）由電信運營商在實際業務發展的過程中挖掘并發起，也稱為機器類型通信（Machine-type Communication，簡稱MTC），是一種涉及一個或多個實體的不需要人為干預的數據通信。隨著電信市場的逐步成熟，一方面，壟斷被打破，競爭更充分，中國移動通信業務的滲透率于2019年已超越110%，海外部分國家可達140%，用戶增速持續走低；另一方面，競爭的加劇壓制資費提升，運營商趨向于以更低廉的資費和更高的速度吸引新用戶。移動通信業務的單用戶平均收入（Average Revenue Per User，簡稱ARPU）持續下降，運營商亟待開發新的收入模式，以發掘新應用、新需求和深挖用戶新價值的方式提升ARPU值。在M2M推廣的過程中，移動網絡運營商敏銳地看到，不只是人類用戶，機器同樣可以被納入目標用戶池，這可以為運營商在傳統電信業務之外持續帶來新的利潤增長點。

歐洲電信標準協會（European Telecommunications Standards Institute，簡稱ETSI）定義的M2M高級體系架構如圖3所示，架構被分為兩個域：傳輸網部分和設備及網關部分。

圖3 ETSI定義的M2M通信高層架構

設備及網關部分的主要組件包括M2M應用組件和M2M服務能力組件。M2M服務能力組件的主要任務是提取M2M設備的資源，并在運行于網絡域中的應用程序和運行于M2M設備中的應用程序之間建立安全通信。M2M服務能力組件允許不同的應用程序在同一個M2M設備上運行。M2M應用組件則定義了應用程序的邏輯。M2M應用組件和M2M服務能力組件的實例可以同時在設備及網關域和網絡域中運行。

M2M應用組件和M2M服務能力組件的實現有兩種情形。一是M2M設備能力較為強大，M2M應用組件和M2M服務功能組件的功能可以在M2M設備中實現，由M2M設備直接執行。二是M2M設備相對能力較為受限，并沒有足夠的資源來運行和執行這些組件功能，則M2M應用組件和服務功能可以在M2M網關中實現和運行，M2M網關則可以看作網絡域和多個M2M設備之間的代理。

當需要M2M網關作為代理的情況下，M2M設備是通過M2M傳感網連接到M2M網關的，M2M傳感網是基于某種LAN標準（比如IEEE802.15.4）的區域網絡。ETSI作為歐洲電信運營商牽頭成立的標準化聯盟組織，其立場受蜂窩網絡運營商的強烈影響，因此，在ETSI定義的M2M架構中，M2M設備或M2M網關必須配備蜂窩無線接口。

在傳輸網部分，主要包括廣域網和M2M應用系統組件。具體地說，網絡域的組件包括接入網組件、核心網組件、M2M通用服務能力組件、M2M應用組件，以及M2M網絡管理組件和M2M管理功能組件。接入網組件為M2M設備提供對核心網絡的訪問（實現相應功能的設備通常是獨立于M2M技術，支持大多數可用的數據訪問標準）。核心網組件至少會提供包括IP連接、服務和網絡控制、與其他網絡的互聯和漫游等功能。

2 注重物體聯網的二代物聯網

在物聯網發展的第二階段，物聯網解決方案的目標開始轉向如何將功能受限的實體對象直接聯接到互聯網。以物理實體標簽化為中心的解決方案不再是關注的重點。為了達到這樣的目標，輕量級IP協議的發展和Web技術的流行至關重要。

一方面，國際互聯網工程工作組（Internet Engineering Task Force，簡稱IETF）提出了基于IP協議部署物聯網的思路，并很快在業界獲得了共識，這驅動了二代物聯網的發展重心轉向物體聯網。IETF提出的是很輕量級的解決方案，不但支持聯接大量傳統通信設備，更重要的是，其可以在小型的電池驅動嵌入式設備上運行。這樣一來，在二代物聯網解決方案中，半徑僅為若干米的個人區域網絡（Personal Area Network，簡稱PAN）的參考標準也能夠被納入二代物聯網的體系結構。在這樣的設計思想指引下，RFID設備同樣可以集成到IETF基于IP的物聯網愿景中。

另一方面，在基于IP協議部署物聯網的同一時期，基于瀏覽器的程序設計方法開始流行，互聯網應用程序可以設計為Web應用程序，這種Web程序能在Web瀏覽器中運行。在Web標準被重新啟用的背景驅動下，人們開始考慮為那些能支持嵌入式設備的日常生活對象嵌入Web服務器功能，使這些實物可以被看作是Web服務，從而能被連接和集成到網絡中。在這樣的技術發展背景下，物聯網大跨步進入了網絡互聯時代。

2.1 將受限設備集成到IP網絡

互聯網是以IP協議作為核心的網絡層協議，要想將實體對象無縫和高效地集成到互聯網中，該實體對象需要使用與其它傳統主機完全相同的IP協議和相關設施。

物聯網所連接的實體對象多為資源受限設備，基于IEEE 802.15.4——低速率無線個人網絡（簡稱LR-WPAN，指網絡覆蓋半徑在幾米的短距離網絡）的參考標準——相互聯接。想要將資源受限的設備集成到IP網絡，就要利用IEEE 802.15.4鏈路支持基于IPv6的通信，遵守開放標準，并保證所聯接的資源受限設備與其它標準IP設備的互操作性。在這一思路框架下，2005年開始，IETF圍繞著適用于低功耗無線個人網絡的IPv6（IPv6 over Low power WPAN，簡稱6LoWPAN[4]）開展了一系列工作。6LoWPAN是一個輕量級的IPv6版本，其將IEEE 802.15.4納入基于IPv6協議的網絡，并可以在資源受限的設備上運行。有了6LoWPAN，覆蓋半徑僅為幾米的短距離無線個人網絡也被納入了IP體系架構。

數據包的報頭越簡單，處理過程就越快。為了使得IPv6數據包可以在LR-WPAN上傳輸，需要解決標準IPv6數據包包頭過大的問題。作為輕量級IPv6版本，6LoWPAN為數據包頭的壓縮定義了適當的策略，目的是使IPv6的報文頭可以在LR-WPAN上傳輸，其特征是短幀，其有效負載幾乎可以通過IPv6和TCP頭的組合完全填滿。

將6LoWPAN網絡集成到互聯網中，需要部署網關，網關的主要功能是將6LoWPAN的數據包轉換為標準的IPv4（或IPv6）數據包。在6LoWPAN的支持下，無線傳感器、嵌入式設備等能力受限的終端節點可以被視為Internet的節點。6LoWPAN提供將每個設備轉換為Web服務器的功能。此外，可以利用傳感器虛擬化技術創建傳感器的抽象對象，從而屏蔽傳感器節點的特定特性。由此，上層的物聯網應用去調用和使用傳感器設備提供的Web服務時，只需要直接查詢傳感器節點對應的抽象對象。

2.2 將受限設備看做Web服務

對于以“網絡化物理實體對象”為主要關注點的二代物聯網來說，要實現將資源受限的簡單實體對象直接連接到互聯網的目標，僅僅做到令設備在功率受限的情況下在IP網絡中通信是不夠的，還需要方便地管理和處理這些連到IP網絡上的設備。

隨著互聯網技術的發展和盛行，大多數軟件開發人員已經在Web技術和編程方面有非常充分全面的積累。從軟件開發人員的角度看，利用Web服務（包括但不限于HTTP服務）來管理和處理所有連接到Internet的設備是可行的。為了方便地管理和處理連接到IP網絡上的資源受限的實體對象，使之真正變為萬維網中的設備，要充分利用Web技術的興起，令實體對象以Web服務的方式被訪問。為了滿足這樣的迫切要求，逐漸興起的嵌入式技術需要支持在最微小的通信設備中嵌入Web服務器功能。

物體聯網概念的引入正是上述的客觀環境和技術趨勢自然演化的結果。在二代物聯網解決方案中，物聯網設備被視作萬維網的資源。設備被視作Web服務，意味著設備可以像Internet中的網頁那樣，由通用資源標識符（URI）來唯一標識。

例如，對于一個配備了若干傳感器、執行器以及內部組件（如無線電收發器和電池）的Java可編程嵌入式系統，系統中每個組件可以被看作是網絡資源，分別被分配唯一的URI?？梢允褂肦ESTful方法（一種網絡應用程序的設計風格和開發方式）執行與這些資源的交互，比如，可以利用經典的HTTP方法。在物聯網中交換信息，信息的格式需要簡單易解釋。大多數解決方案建議使用用于構建網頁的HTML語言，或者JSON語言。

顯然，Web技術的使用有助于將設備連接到互聯網并對其實現便利的訪問。然而，如果在資源受限的設備及網絡環境中直接利用Web技術，在復雜性和流量生成方面，效率較為低下，很不方便。為此，IETF于2010年3月正式成立了CoRE（Constrained RESTful Environment）工作組，主要討論在資源受限的網絡環境下如何進行信息讀取及操控的應用問題。CoRE工作組提出了CoAP（Constrained Application）協議。CoAP協議是一種類似HTTP的應用程序協議，該協議可以很容易地轉換成HTTP，并且具有簡單、低開銷和支持多播通信的特點，特別適合資源受限的設備。它在應用程序之間提供請求——響應交互模型，并支持內置服務和資源發現。

在開放式系統互聯參考模型（Open System Interconnection，簡稱OSI）中，有兩個具有代表性的傳輸層協議，用戶數據報協議（User Data Protocol，簡稱UDP）和傳輸控制協議（Transmission Control Protocol，簡稱TCP）。UDP是一種面向無聯接的傳輸層通信協議，提供面向報文的簡單不可靠信息傳送服務。TCP則是一種面向聯接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議。和TCP相比，UDP的報文頭開銷小，傳輸數據報文時更高效。為了獲得低開銷，CoAP通常在UDP上執行。CoRE工作組指出，需要有一個網關將CoAP/UDP/6LoWPAN設備與互聯網的其余部分互聯。這個網關負責將消息格式從CoAP/UDP/6LoWPAN設備所指定的格式轉換為Internet所使用的標準格式，反之亦然，如圖4所示。

圖4 IETF CoRE工作組的物體聯網方案

圖5 不能提供Web服務功能的設備聯網方案

在物聯網的實際部署中，還有大量設備并不能提供Web服務器功能。對于這些設備，可以使用適當的代理（又稱作智能網關）將它們連接到物聯網，如圖5所示。這個智能網關與設備之間的通信可以基于ZigBee、藍牙等標準的短距離無線通信技術。有些應用場景需要智能網關和若干設備組成的設備集合（或稱設備組）進行交互，為此，需要為智能網關添加設備集合交互模塊，該模塊主要功能是提供與設備組（而不是單個設備）交互的API。

3 引入社交網絡技術的新物聯網

3.1 物聯網對人類社交網絡的利用

社交網絡，又稱為社交網絡服務（Social Network Service，簡稱SNS），是指以一定社會關系或共同興趣為紐帶、以各種形式為在線聚合的用戶提供溝通、交互服務的互聯網應用。自21世紀初至今，社交網絡迅速興起并蓬勃發展。傳統意義上的社交網絡局限在人與人之間的溝通，包括但不限于網絡聊天、交友、視頻分享、博客、播客、網絡社區、音樂共享等多種形式。

借鑒人類社交網絡解決互聯網中“人人聯接”的問題的思路，研究者們提出了將現有的社交網絡技術引入物聯網的想法，利用現有的社交網絡技術，幫助用戶在社交平臺上分享用戶擁有的智能對象生成的數據，比如，和認識或信任的人（例如親戚、朋友、同事等）共享數據[5]。這樣，用戶可以方便地通過社交平臺獲得由實物對象感知到的數據。將實物對象生成的數據用于社交網絡的各種應用場景，可以幫助實體對象更緊密地集成到物聯網服務中，具有巨大的想象空間和創新空間[6]。如何借助社交網絡技術來管理和利用這些數據，有以下幾種操作的思路。

第一，利用社交平臺管理實物對象。允許實物對象在其所有者（用戶）的社交平臺版面上發布消息，這樣，所有者就能夠輕松訪問自己所擁有的對象的數據。通過這種方式，用戶不但可以和社交網絡的好友聯系，還可以持續地與所擁有的實物對象發生聯系，更新對象的狀態。例如，在智慧農場應用中，允許在農場中部署的傳感器在社交網站上發布數據，從而農民可以時刻掌握和檢查動物、農作物和溫室的狀況。又例如，支持智能電表直接將電表所有者的用電信息在所有者的社交平臺上發布，這樣，社交用戶可以在社交平臺上將自己的用電情況與朋友進行比較，也可以和對應的興趣社區內用戶的平均行為（看做用電的基準水平）進行比較。

第二，利用社交平臺定向分享實物對象數據。用戶將所擁有的智能對象感測到的數據發布到社交網站，并對數據的可見性設置限制，允許選定的人查看這些數據。所謂選定的人，可以是當前好友，也可以是按某種規則定義的潛在好友。潛在好友，一般指通過社交網絡的判斷，與用戶有高度的相似性的陌生人。

第三，利用社交平臺實現物聯網服務。社交網絡平臺成為人、網絡服務和設備的匯聚點，特別適合作為向用戶提供物聯網服務的獲取端口，即物聯網服務的提供樞紐。當設備也可以訪問社交網絡帳戶，意味著設備也與Web服務實現了連接。有關社交平臺提供物聯網服務，一個有趣的案例就是豐田汽車面向車主推出的社交網絡平臺——豐田朋友（Toyota Friend）。Toyota Friend構建了一個以汽車為中心的社交網絡，將車主使用的公共社交網絡、Toyota售后服務以及Toyota公司相互聯通，車主可以與汽車、經銷商、豐田汽車公司開展互動。用戶通過手機、平板等移動終端在Toyota Friend上隨時隨地地了解汽車的狀況。實物物體——汽車——所生成的數據能夠用于人類的社交網絡中的營銷和市場推廣。例如，當純電動車或者混合動力車上電池電源不足，Toyota Friend將推送消息到用戶社交平臺，告知用戶。汽車還可以通過對數據分析預測用戶可能的后續操作，并通過Toyota Friend平臺向車主提供各種產品和服務的信息，比如維護保養知識，以創造良好的用戶體驗。

社交網絡應用程序通常需要處理和利用來自不同來源的數據，以構建個性化功能。構建個性化社交應用程序的工具有很多，一直在演變和豐富中。有的工具可以控制包括傳感器和執行器在內的設備，傳感器可以感知環境，執行器可以通過控制燈、電源插座等影響環境。更復雜的工具，則支持透過常見的社交網站（如Twitter、Facebook、Instagram）來驅動各種執行任務和感知任務的組合。例如，設計一種通過社交網絡平臺提供的Web服務，允許用戶透過社交網絡站點來創建包含多類型實物對象的簡單條件語句鏈：當實物對象監視的某些事件被觀測到且使得條件語句變為真時，觸發指定的對象來執行特定的操作。

3.2 實物對象的自主社交網絡化

最初，將社交網絡技術引入物聯網，還只限于實物對象通過人類的社交網絡服務與人類交互。這只是社交網絡和物聯網結合設計的初步嘗試，包括如何利用社交網絡中的延遲耐受、對等網絡、內容搜索、內容推薦等成熟的概念和技術。進一步發展下去，社交網絡和物聯網的結合方法還在以更創新甚至是顛覆的形式發展和豐富，即：將社交網絡的聯系對象從“人”擴展到“物”，“物”不再只是“人”的從屬，直接挖掘構建物聯網的實物對象的社交潛力，使之與外部環境直接交換數據。這顯然是一種更“純粹”的社交物聯網，意味著實物對象本身就具備自主的“社交”能力。

如果將構成物聯網的聯網設備看作“新一代的社交對象”，已經發展了十多年的、主要專注于人與人溝通聯系的社交網絡會如何進化？應該如何考慮納入了實物對象作為社交個體的新型社交網絡機制？這些都是非常有趣且具顛覆性的開放性問題，值得深入思考。

將人類社交網絡的聯系對象從“人”擴展到“物”，“物”不再只是“人”的從屬，意味更“純粹”的社交物聯網。在這樣的新型社交物聯網中，實物對象自主地建立社會關系，甚至創建與人類分離的、僅屬于實物對象自己的社交網絡。利用社交網絡技術將實物對象之間的溝通做“社交網絡化”處理，有利于促進高效解決方案的部署?；诔墒斓娜祟惿缃痪W絡已經儲備的技術，完全可以同樣方便地發現、選擇和靈活組合分布式實物對象提供的服務和數據。在可導航性、數據交換的可靠性和設備社區的可擴展性方面，這樣的社交物聯網都可能表現出有趣的特性。比如，愛立信研究實驗室領導開發的一個項目中，就考慮了更純粹的社交物聯網的愿景。在這個項目的設計中，實物對象更具有自主性，物聯網對象之間的交互與人們通常在各種社交網絡中體驗的交互類似。人們試圖通過這樣的研究，預測和掌握在引入社交物聯網組網模式之后的復雜性。

從理論的層面看，實物對象構成的社交網絡（簡稱實物社交網絡）可以直接模仿人類社交網絡的形態，像支持人類用戶一樣，去支持聯網對象加入對象社區、創建興趣組，甚至采取協作行動。從可行性的層面看，則需要考慮實際如何構建以“物”為社交個體的社交網絡，包括為實物社交物聯網設計合理的體系架構和協議，包含創建和管理社交物聯網的主要功能模塊。比如，可以探索聯網對象之間建立友誼關系的機制。這就需要考慮網絡中每個節點的可信度評估問題，采取的具體做法則可以借鑒人類社交網絡處理類似問題的經驗，支持聯網對象在評估朋友的可信度時模仿人類的行為。

3.3 引入數據分析和計算工具

無論是“人——物”還是“物——物”社交物聯，自主智能交互對于提升用戶體驗的重要性不言而喻。為此，有必要將大數據技術用于分析物聯網數據，特別是開發專注于物聯網的數據分析工具。此外，物聯網系統的計算能力提升亦有利于促進聯網物體之間的自主智能交互，從而幫助提升系統整體性能。計算能力對社交物聯網的重要性不言而喻，包括以服務器集群提供云計算、以分布式網關節點提供霧計算，以及以終端智能設備提供邊緣計算。[8]

目前，國內外相關公司開發的幾個開源的通用物聯網平臺，試圖解決設備接入、數據存儲和數據展現等問題，這些平臺包括Xively、Nimbits、OceanConnect等。這些物聯網平臺大多采取軟硬件結合的策略，并用到了云計算技術。一方面，平臺支持集成第三方應用并與之交互數據，可以被自由地用來開發各種應用程序，并通過Restful API Web界面實現對云服務的訪問；另一方面，統一的數據格式和接入方式亦允許第三方硬件接入到平臺。

4 結語

物聯網將在幾乎每一個可想象的行業領域造成巨大的破壞和創新，給經濟發展和生活方式帶來無限的機會和影響，是繼互聯網之后最令人激動的技術革命，這場技術革命始于20世紀90年代中期，經歷了初期階段的概念萌芽和近20年的代際演進。當前，隨著存儲、計算、通信等領域的各類新興技術的快速發展，物聯網也在繼續發展和成熟，這場技術革命對人類生產生活的影響正在繼續深入。從三個階段物聯網的演化可以看到，隨著關鍵技術的進步和業務需求的萌發，在不同的技術階段和應用場景，存在著各種為適應物聯網設備和應用的特征而開發的解決方案。這些解決方案促進了物聯網應用的開展，并為物聯網發展提供新的動力。從關鍵技術進步和業務需求發展的雙重角度分析物聯網的演進路徑，有助于更深刻地理解技術路線和用戶需求，有助于更有效地做好技術和市場的銜接，有助于更靈活機變地利用大數據、云計算、社交網絡等新興信息技術，構建契合用戶需求的物聯網解決方案。