物联网为嵌入式系统带来机遇

王 莹

摘要：智能电网、智能医疗、智能汽车／智能交通信息系统(ITS)、数字出版与发行(电子书)等等网络组成了物联网，其市场规模可达10¹²数道级。物联网的基础是RFID，但更重要的是知和行，在此会遇到一系列的技术挑战。

关键词：物联网；CPS；感知中国；嵌入式；RFID

10¹²的大市场

在1999年物联网概念就开始提出，实际上就是互联网向物联网的转移，要上物联网的设备是1012数量级，非常巨大。但我们现在的Internet网的利用率该产品还很低，只有2％-5％。目前嵌入式设备需要联成网络，但嵌入式设备一般无浏览器，需要建立信息平台，实现低端和高端的连接。

与物联网相关的热调

感知中国、物联网、智慧地球、CPS(Cyber-Physical System，信息融合物理系统)等与传感网络相关的词汇最近很热……

物联网的概念最早是从RFID(射频识别)技术这个领域来的，1999年专门做RFID的EPC global前身——麻省理工Auto-ID中心提出。它当时指每一个物品上都贴一个电子标签，这样通过后台信息系统构成一个借助于Internet、所有物品都能互相联系起来的一个物联网。但是这个概念当年并没有太多人关注，真正受到关注是从2005年ITU(国际电信联盟)重新定义了物联网的概念。它主要是从信息和通信的角度去考虑，集中在三个“Any”(anytime、anyplace、anyone)去获取信息。从此概念能看出，RFID技术、传感器技术以及嵌入式智能技术是物联网的基础部分，即底层技术。

物联网的发展主要是2008年IBM从商业角度提出所谓的“智慧地球”。物联网有三大层，底层是感知层，中间是网络层，上层是应用层。基于此，智慧地球的核心技术有三个i：instrument，传感技术(物联化)；interconnected(互联化)；intelligent(智能化)。

目前，学术界流行一个词CPS。我们人类社会生活在两个世界上，一个是信息世界，一个是物理世界。信息世界跟物理世界的融合，就称为CPS。中国计算机学会微机专业委员会嵌入式学组组长、复旦大学的陈章龙教授一年前开始研究CPS，但是他和IBM和Intel等公司去探讨时，这些商用公司说他们知道CPS，但现在不会去做CPS、因为做CPS风险很大。CPS实际上就是信息和物理系统的融合，即三个c：1，把物理设备Computer化；2，通过通讯(communication)和后台连起来；3，Control。这不是把CPS单独拆离开来一个一个的系统，从控制层面来看，是整个的一个大系统。这样一来，我们的计算机就要有一个变更性的革命，因为我们计算机处理的是数字的、离散的、跟时间无关的对象，而现在如果是CPS，处理的对象则是模拟的、连续的、跟时间相关的，那么所有的理论、语言都要配套重来。所以美国也是首先在自然资金里面展开这个方面的探索工作。

温家宝总理2009年8月到无锡考察时，提出重视发展“感知中国”。目前要做的工作是三个方面：把传感系统和3G中的TD技术结合起来：在国家重大科技专项中，加快推进传感网的发展：尽快建立中国的传感信息中心。

不仅感，还要知、行

陈章龙教授认为，“感知中国”的感知耐人寻味，“感”是传感器通过RFID对信息的采集和传输：关键是“知”，就是要通过处理计算，并返回去，才会产生真正的价值。

无线传感器网络在国内已经炒了十年，现在重新拿出来，我们一定要认真考虑以前的十年炒无线传感器网络为什么没有“量变成质变”?因为我们只发展了“感”，还没有去“知”。

中国科学院自动化所的关强博士提出要重视“知”和“行”。物联网的架构包括几层：基础层、传输层，还有执行，即所谓感知的“知”和行动的“行”，控制、中间件、公共信息服务，最后结合到具体的应用去。

嵌入式的机遇

无论是物联网三要素(感知行)，还是智慧地球3i，CPS的3C，实际上都是在讲一件事：人、机、物的和谐发展。这对嵌入式系统的要求是什么?陈童龙教授认为第一要多功能化、低功耗、微型化，这些已经都在做了，比如无线传感器的结点的智能汇集，传感器的设计趋向一体化。由于嵌入式系统无处不在，有的可做得很小，例如智能灰尘，它里面的一些软件，即嵌入式软件也需要很小。

第二，嵌入式系统要网络化。假如现在就把互联网复制到物联网，这在技术上是行不通的，因为我们面向对象是数据，是连续的、动态的、是非结构化的。所以浏览就不能简单地设为嵌入式浏览器，因此需要在低端和高端之间建立信息中间件，OSGi(Open Service Gateway initiative)应运而生(图2)，是开放性的机构，专门针对汽车电子、家庭网络、移动设备和工业环境等特定领域的互联网中间件的应用。例如，OSGi联盟专门成立了一个名为汽车专家组(Vehicle Expert Group)的特别机构，为OSGi在汽车电子领域的应用制定规范。

关强博士从RFID应用角度介绍了嵌入式的发展机会。他说，很多案例是通过一定的技术手段来实现从终端到终端，一般来说是闭环应用。闭环只在一个特定的范围或是应用领域之内，还达不到开环，譬如公共领域的信息服务。因为实际上物联网的发展受制于应用模式，如果要做到开环，会面临复杂的问题：要找怎样的一种商业模式、基础设施由谁掏钱。

欧洲一家专门研究物联网、智能系统集成的协会对物联网的预测是四个阶段：

·2010年之前从RFID技术角度去讨论；

·2010到2015年电子标签、传感器网络实现更深层次的信息交互；

·2015到2020年实现互联物品智能化；

·2020年实现全面的智能化。

技术层包括以下几类(图3)：RFID标签、读写器等基础设备。还有传感器、传感器网络、传感设备。传输层(这也是ITU重新定义物联网的原因)主要是在网络层考虑，从网络技术、通信技术去考虑。我国提出利用3G去传输物联网，但这里还是涉及许多问题，比如信息终端，还有现在的操作系统，像中国移动推出的OMS操作系统，如果真正涉及到基础设施，还有工业以太网、交通、离散控制领域等特殊的网络，当然基础设施上还有一些软件的工作，比如中间件、中间件的功能、实时信息处理、海量的数据怎么处理。如果实现物联网应用，一定要正开环，因为开环要为公

共服务，涉及到更多的问题。

目前，物联网相关标准还很多，但总体上。与理想的物联网标准还差得很远。

那么RFID与嵌入式系统之间的关系如何?关强认为，首先是射频前端的特殊设计；再一个就是嵌入式系统设计方面，主要是把RFID作为一个组成部分。RFID产品的嵌入式系统设计看起来难度不大，因为只要RFID读写设备是固定式设备，基本上基于嵌入式Linux平台，主流产品目前是国外厂商实力较强，本土产品的操作系统还待完善。

应形成本土战略

到此看来本文就该结束，但本国家863计划信息技术领域专家组组长、北京航空航天大学校长怀进鹏院士提出不要成为国外理念的实验场，应该探索自己特色之路。他指出，物联网和智慧地球是美国人提出的，是否这次我们再为美国做注解。注解其发展的合理性，和中国成为其一个巨大的应用示范、产业化开动前期的一个试点?

通常来说，如果你自己提出了一个新概念。想坚持下来也许比较难，但是他们有了我们说我们也曾经想过了，这样再拿来更容易得到支持，尤其在特定的应用服务范围内。所以当时863小组在规划时认为，要借鉴国外的发展模式，再结合我们自己的重大的问题、重大的任务来进行谋划。我们需要思考三件事：第一，一种发展的畅想，能否在重大技术、产生重大突破的机会没有到来之前，我国有可能引领并坚持一些方向，也许最后还能形成国际社会的趋势；第二，在信息技术未来发展当中，建立以纯技术驱动为主的，结合以应用为创新模式的这种互动方式，也许在最近五年甚至十年当中，重大应用的突破对孕育和推进技术的发展带来机会，具体体现就是在网络和通讯技术上。最后，需要走从参与到主导的模式。

五年十年后面临互联网应用大突破

对于网络化，很多国内外专家和产业界有一个共识，到2020年前后，信息技术将会遭遇到渐进式改进难以持续发展的重大障碍，或者另一种解释是，十年之内在信息技术领域，想要在技术上取得重大突破的可能性比较小。而男一种机会孕育着重大技术突破的，就是应用当中新模式所带来的大规模应用技术、集成性技术或系统集群技术的突破，它的重要性将会凸显。而再往后发展的20年当中，可能出现信息科学在一些基础的微电子、电路、体系结构、模型、算法和重大系统带来的突破，但这时一定是重大应用所汇聚的系统级的技术和基础研究的新突破。

所以总体上，在多核、高并行、网络化、海量多元化这样发展的模式下，怎样来建立新的发展空间就给我们带来了思考。因为计算技术面临的新的技术墙在五年走不动，诸如摩尔定律、还有存储墙、软件的复杂性墙、数据的规模墙还有功耗等一系列的问题。也就是说过去在我们过度关注系统复杂性的时候，开始关注了人如何作为一种重要的方式和系统进行结合，来降低系统的复杂性，变成今后作为应用发展当中一个重要的内容。同时在软件的可信、数据的不确定、以及情感感知等等有很多的问题。在这些问题中，最突出的是信息化和两化融合面临的应用墙，怎样把应用墙推倒来看到另一个世界，使那些墙来直接服务。

总之，如何为这五年十年做好准备?这是摆在所有人面前的机遇和挑战。