黃孝彬，毛培霖，唐浩源，董曉鵬

(1.華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，北京 102206;2.北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司，北京 100039)

物聯(lián)網(wǎng)作為一種全新的信息傳播方式，已經(jīng)受到越來越多的重視。人們可以讓盡可能多的物品與網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)任何時間、地點的連接，從而對物體進行識別、定位、追蹤、監(jiān)控，進而形成智能化的解決方案，這就是物聯(lián)網(wǎng)帶給人們的生活方式。

1 物聯(lián)網(wǎng)的概念及其外延

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

物聯(lián)網(wǎng)的概念，于1999年由麻省理工學(xué)院Auto－ID研究中心提出，它是把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化的識別和管理［1］。受制于當時的技術(shù)發(fā)展，人們在考慮將物體連接起來的技術(shù)時，除了射頻識別技術(shù)外，沒有更多的其他方法，目前看來，這顯然是不能接受的。2005年，ITU－T發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)》，對“物聯(lián)網(wǎng)”涵義進行了擴展，報告分別從物聯(lián)網(wǎng)的概念、涉及到的技術(shù)、潛在的市場、面臨的挑戰(zhàn)、世界的發(fā)展機遇和未來的生活展望6大方面進行了闡述，報告以這樣的形式闡述了物聯(lián)網(wǎng)的概念［2］:信息世界和通訊技術(shù)已經(jīng)有了新的維度:任何人、任何物體，都能夠在任何時間、任何地點以多種多樣的形式連接起來，從而創(chuàng)建出一個新的動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)——物聯(lián)網(wǎng)。

除了上述兩種物聯(lián)網(wǎng)概念外，現(xiàn)在普遍接受的物聯(lián)網(wǎng)概念是指通過信息傳感設(shè)備，運用射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、紅外感應(yīng)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、激光掃描等技術(shù)，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)［3］，其中，全面感知、可靠傳遞、智能處理，是物聯(lián)網(wǎng)的3大特征。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的外延

要理解物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵，除了對物聯(lián)網(wǎng)的概念有所了解外，還必須清楚傳感網(wǎng)、泛在網(wǎng)、M2M、因特網(wǎng)、移動網(wǎng)等與物聯(lián)網(wǎng)密切相關(guān)的概念，圖1給出了這幾種概念之間的關(guān)系［4］，其中陰影部分為物聯(lián)網(wǎng)的范疇。

圖1 幾種網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系

泛在網(wǎng)也被稱作無所不在的網(wǎng)絡(luò)，包括3個層次的內(nèi)容:(1)無所不在的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。(2)無所不在的終端單元。(3)無所不在的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用［5］。其將4A作為主要特征，即可以實現(xiàn)在任何時間(Anytime)、任何地點(Anywhere)，任何人(Anyone)、任何物(Anything)都能方便地通信;傳感網(wǎng)，一般指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)，是指隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微小節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的最大區(qū)別就在于傳感網(wǎng)不強調(diào)對物體的標識，僅僅感知到信號，但并不一定明確標識出是眾多被感知物體中的哪一個［6］;M2M 是指“機器對機器通信(Machine to Machine)”，作為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)最常見、最普遍，也是最具有可行性的方法，M2M的應(yīng)用幾乎涵蓋了各行各業(yè)，其在現(xiàn)階段以及以后相當長的一段時間內(nèi)，都將是物聯(lián)網(wǎng)研究和應(yīng)用的主力軍。

從本質(zhì)上講，泛在網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、M2M實際上表達的是同一個思想，即將信息交互從人與人之間擴大到人與物、物與物之間，從而實現(xiàn)通信應(yīng)用范疇的極大擴展，以“信息化、智能化”改變?nèi)藗兊纳罘绞?。之所以會產(chǎn)生概念表述的不同，是由于其出發(fā)角度的不同。泛在網(wǎng)主要以人為主體，通過泛在的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、泛在計算以及泛在的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用滿足人們的各種需求;傳感網(wǎng)重點強調(diào)對于信息的感知，通過對數(shù)據(jù)進行采集、處理、融合和路由完成對于各種具體應(yīng)用的數(shù)據(jù)支持;M2M則主要關(guān)注節(jié)點之間的通信，通過節(jié)點之間的信息交流，使機器設(shè)備不再是信息孤島，實現(xiàn)對設(shè)備和資產(chǎn)有效地監(jiān)控與管理。對于泛在網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、M2M之間的關(guān)系，應(yīng)以辯證的方法認識到，其內(nèi)涵是在不斷變化的。

2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)，學(xué)術(shù)界有諸多不同觀點。文獻［7］提出物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)應(yīng)包括3個層次:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。文獻［8］提出物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)應(yīng)包括4個層次:感知層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層。表1對兩者的層次結(jié)構(gòu)進行了對比［7－8］。文中較為贊同文獻［9］的提法。其中指出，物聯(lián)網(wǎng)概念模型已經(jīng)無法采用傳統(tǒng)的分層模型進行描述，采用物品、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用三維模型建立了物聯(lián)網(wǎng)的概念模型，構(gòu)成由信息物品、自主網(wǎng)絡(luò)、智能應(yīng)用為構(gòu)件的物聯(lián)網(wǎng)概念模型。圖2為物聯(lián)網(wǎng)三維概念模型［9］。文獻［9］認為，采用分層模型構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)模型，得出的結(jié)果較為零散且需要進一步分類，從理論上可以說明，物聯(lián)網(wǎng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，無法采用二維分層模型構(gòu)造其邏輯模型。采用物聯(lián)網(wǎng)三維概念模型可以部分解釋物聯(lián)網(wǎng)研究和開發(fā)中存在的一些爭議。

表1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)層次對比

圖2 物聯(lián)網(wǎng)三維概念模型

2.2 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈可細分為標識、感知、信息傳送和數(shù)據(jù)處理這4個環(huán)節(jié)，其中的核心技術(shù)主要包括射頻識別技術(shù)，傳感技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)和數(shù)據(jù)的挖掘與融合技術(shù)等。

(1)射頻識別技術(shù)。RFID技術(shù)是一種無接觸的自動識別技術(shù)，利用射頻信號及其空間耦合傳輸特性，實現(xiàn)對靜態(tài)或移動待識別物體的自動識別，用于對采集點的信息進行“標準化”標識。鑒于RFID技術(shù)可實現(xiàn)無接觸的自動識別，全天候、識別穿透能力強、無接觸磨損，可同時實現(xiàn)對多個物品的自動識別等諸多特點，將這一技術(shù)應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，使其與互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息的共享，在物聯(lián)網(wǎng)“識別”信息和近程通訊的層面中，起著至關(guān)重要的作用。另一方面，產(chǎn)品電子代碼(EPC)采用RFID電子標簽技術(shù)作為載體，大大推動了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用［10］。

(2)傳感技術(shù)。信息采集是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，而目前的信息采集主要是通過傳感器、傳感節(jié)點和電子標簽等方式完成的。傳感器作為一種檢測裝置，作為攝取信息的關(guān)鍵器件，由于其所在的環(huán)境通常比較惡劣，因此物聯(lián)網(wǎng)對傳感器技術(shù)提出了較高的要求。一是其感受信息的能力，二是傳感器自身的智能化和網(wǎng)絡(luò)化，傳感器技術(shù)在這兩方面應(yīng)當實現(xiàn)發(fā)展與突破。

將傳感器應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中可以構(gòu)成無線自治網(wǎng)絡(luò)，這種傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、納米嵌入技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、無線通訊技術(shù)等，使各類能夠嵌入到任何物體的集成化微型傳感器協(xié)作進行待測數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、采集，并將這些信息以無線的方式發(fā)送給觀測者，從而實現(xiàn)“泛在”傳感［11］。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感節(jié)點具有端節(jié)點和路由的功能:首先是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理，其次是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和路由，綜合本身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到其他網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳感節(jié)點的好壞會直接影響到整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)和功能健全。

(3)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)涉及到近程通訊技術(shù)和遠程運輸技術(shù)。近程通訊技術(shù)涉及RFID，藍牙等，遠程運輸技術(shù)涉及互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)等技術(shù)。

作為為物聯(lián)網(wǎng)提供信息傳遞和服務(wù)支撐的基礎(chǔ)通道，通過增強現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的專業(yè)性與互聯(lián)功能，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)低移動性、低數(shù)據(jù)率的業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)信息安全且可靠的傳送，是當前物聯(lián)網(wǎng)研究的一個重點。傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)主要包括廣域網(wǎng)絡(luò)通信和近距離通信等兩個方面，廣域方面主要包括IP互聯(lián)網(wǎng)、2G/3G移動通信、衛(wèi)星通信等技術(shù)，而以iPv6為核心的新聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，更為物聯(lián)網(wǎng)的提供戶高效的傳送通道;在近距離方面，當前的主流則是以IEEE 802.15.4為代表的近距離通信技術(shù)。

M2M技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的關(guān)鍵［12］。與M2M可以實現(xiàn)技術(shù)結(jié)合的遠距離連接技術(shù)有GSM、GPRS、UMTS等，WIFI、藍牙、ZigBee、RFID和UWB等近距離連接技術(shù)也可以與之相結(jié)合，此外還有XML和Corba，以及基于GPS、無線終端和網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)技術(shù)等。M2M可用于安全監(jiān)測、自動售貨機、貨物跟蹤領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛。

(4)數(shù)據(jù)的挖掘與融合。從物聯(lián)網(wǎng)的感知層到應(yīng)用層，各種信息的種類和數(shù)量都成倍增加，需要分析的數(shù)據(jù)量也成級數(shù)增加，同時還涉及到各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或多個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的融合問題［13］，如何從海量的數(shù)據(jù)中及時挖掘出隱藏信息和有效數(shù)據(jù)的問題，給數(shù)據(jù)處理帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因此怎樣合理、有效的整合、挖掘和智能處理海量的數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)的難題。結(jié)合P2P、云計算等分布式計算技術(shù)，成為解決以上難題的一個途徑。云計算為物聯(lián)網(wǎng)提供了一種新的高效率計算模式，可通過網(wǎng)絡(luò)按需提供動態(tài)伸縮的廉價計算，其具有相對可靠并且安全的數(shù)據(jù)中心，同時兼有互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的便利、廉價和大型機的能力，可以輕松實現(xiàn)不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)與應(yīng)用共享，用戶無需擔心信息泄露，黑客入侵等棘手問題。云計算是信息化發(fā)展進程中的一個里程碑，它強調(diào)信息資源的聚集、優(yōu)化和動態(tài)分配，節(jié)約信息化成本并大大提高了數(shù)據(jù)中心的效率。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)的標準現(xiàn)狀

由于物聯(lián)網(wǎng)涵蓋的內(nèi)容和涉及到的技術(shù)廣泛，目前國際參與物聯(lián)網(wǎng)標準制定的組織眾多，尚無一個組織制定出完整的物聯(lián)網(wǎng)標準體系。表2列出了主要國際標準制定組織及其研究方向。

表2 主要標準制定組織及其研究方向

我國研究物聯(lián)網(wǎng)的標準組織主要有傳感器網(wǎng)絡(luò)標準工作組(WGSN)和中國通信標準化協(xié)會(CCSA)。WGSN是由國家標準化管理委員會批準籌建，全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會批準成立并領(lǐng)導(dǎo)，從事傳感器網(wǎng)絡(luò)標準化工作的全國性技術(shù)組織。目前WGSN已經(jīng)建立了若干的標準制定項目組［14］，其中，協(xié)同信息處理支撐服務(wù)及接口在國際標準化組織中推動了目前一個新的工作項目，2010年3月，這項標準已經(jīng)通過了新工作項目的投票，即將啟動國際標準化的制定工作。CCSA于2010年成立了泛在網(wǎng)技術(shù)工作委員會(TC10)，專門從事物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的研究工作，先后啟動了《無線泛在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)》、《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與電信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)關(guān)設(shè)備技術(shù)要求》等標準的研究與制定，但尚沒有發(fā)布標準文稿。

3 結(jié)束語

隨著技術(shù)、標準和體制的不斷成熟和完善，物聯(lián)網(wǎng)將對改善人們的生活方式帶來便捷的作用。但物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍處于初級階段，實現(xiàn)過程中仍然存在一定的問題，比如安全、標準、商業(yè)模式等，需要努力攻克核心技術(shù)，盡快制定物聯(lián)網(wǎng)國際標及一系列相應(yīng)的配套法律規(guī)范，不斷地將其完善。

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