物联网:发展、应用及关键技术

张 倩,张 盛,林孝康,胡泽明

(1.清华大学 深圳研究生院,广州深圳 518055;上海无线通信研究中心,上海 200335)

1 引 言

物联网(Internet of Things,IoT)[1-4]被预言为继互联网之后全球信息产业的又一次科技与经济浪潮,受到各国政府、企业和学术界的重视,美国、欧盟、日本等甚至将其纳入国家和区域信息化战略。归纳起来,物联网的兴起有3个主要动力。首先是信息科学技术迅速发展。成熟的传感器技术、发达的网络、高速的信息处理能力为物联网提供了技术基础。其次是经济危机催生科技信息革命。2008年爆发的全球性金融危机,直接或间接地推动了以物联网为核心的第三次信息技术革命的兴起。再次是政策和战略的引导。2009年以来,一些发达国家纷纷出台物联网发展计划,进行相关技术和产业的前瞻布局,我国也将物联网作为战略性的新兴产业予以重点关注和推进。

物联网,通俗来说就是物物相连的网络,是指利用传感器、射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)、二维码等作为感知元件,通过基础网络来实现物与物、人与物的互联。早在1995年,比尔·盖茨在新书《未来之路》[5]中首次提出了物联网的概念,此书推出后在IT界引起了极大的轰动。1999年,麻省理工大学的Kevin Ashton教授提出了以标识为特征的物联网概念,把RFID技术与传感器技术应用于日常物品中形成一个物联网[6]。2005年11月17日,在威尼斯举行的信息社会世界峰会(World Summit Of Information Society,WISS)上,ITU发布的《ITU互联网报告2005:物联网》[1]指出:物联网是通过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络,形成了以互联为特征的物联网概念。无所不在的物联网通信时代即将来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。随后,一些发达国家纷纷将物联网作为新兴产业,并出台战略措施予以落实。2009年1月,IBM提出“智慧地球”概念,此概念上升至美国的国家战略;2004年日本总务省(MIC)提出U-Japan计划;韩国于2006年确立了U-Korea计划[3,7];2009年欧盟执委会发表了《欧盟物联网行动计划》[3,8]。我国也将物联网作为战略性新兴产业予以重点关注和推进。2009年8月,温总理“感知中国”的讲话把我国物联网领域的研究和应用开发推向了高潮。

总体而言,目前无论国内还是国外,物联网的研究和开发都还处于起步阶段,物联网的系统模型和结构尚未形成标准,物联网的研究和开发在国内还存在一定程度的盲目性,物联网的概念、体系架构和关键技术等都还缺乏清晰化的界定。本文综述了物联网领域目前的研究状况,从物联网概念、发展历程、体系架构、关键技术等角度,对物联网研究的现实基础以及关键问题进行论述,得出物联网不同于互联网的特征;并举例说明物联网在智能用电、智能交通、智能家居和农业生产等生产生活领域中的应用。最后基于我国物联网发展中存在的问题,为今后我国的物联网研究和发展提出了几点建议。

2 物联网概念解析

随着信息领域及相关学科的发展,不同领域的科研工作者对物联网进行了一些研究,但是至今仍没有提出一个权威、完整和精确的物联网定义,系统模型、体系架构和关键技术仍缺乏清晰化的界定。下面总结了几个具有代表性的物联网定义。

2.1 物联网的几种定义

一种定义是,把所有物品通过RFID和条码等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。这个概念于1999年由麻省理工学院Auto-ID研究中心提出,实质上等于RFID技术和互联网的结合应用。

欧盟对物联网提出了一种定义:基于一定标准和交互通信协议的、具有自配置能力的动态全球网络设施,在物联网内物理和虚拟的“物品”具有身份、物理属性、拟人化属性等特征,它们能够通过一个综合的信息网络来连接,是未来互联网的一部分[9]。

2005年11月17日,国际电信联盟(International Telecommunications Union,ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,对物联网给出了一种定义:通过射频识别技术设备、红外感应器、全球定位系统GPS、激光扫描器等信息传感设备,通过一定的网络协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围:有信息的感应器和接收器;有数据传输的网络;有数据的存储功能;要有中央处理器;要有操作系统;要有相关的应用程序;要有信息的发送器;有相关的网络通信协议;有可以被识别的统一编码[1]。

本文认为,ITU对物联网的定义较为全面和准确。物联网将物理空间和信息空间通过信息传感设备联系到一起,并依托各种通信网络(比如互联网),将一切事物数字化网络化,在物品之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互。

2.2 物联网和互联网概念解析

物联网和互联网的关系如图1所示。互联网是将多个计算机终端、客户端、服务端通过信息技术手段互相联系起来的网络。物联网的底层借助RFID和传感器等实现对物件的信息采集与控制,通过传感器网络将传感器的信息汇集并连接到基础通信网络。基础通信网络是物联网的重要组成部分,用于承载物物互联或物与人互联的信息传递。物联网可用的基础通信网络可以有很多种,根据应用的需要,可以采用公众通信网络,或者采用行业专网,甚至无线网络(如Wi-Fi、蓝牙等),通常互联网最适合作为物联网的基础通信网络。物联网的上层实现信息的处理和决策支持。

图1 物联网和互联网的关系Fig.1 Relationship between IoT and internet

通俗讲,物联网的范围更广泛,互联网是物联网最常用的基础通信网络,物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络。物联网通过传感器、RFID等感知单元,按照一定的网络协议(如IP协议、802.11协议等),把物品与互联网(或其他通信网络)连接起来,进行信息交换和通信。从终端角度来讲,互联网的终端是计算机,物联网的终端可能是计算机、人及各种实在的物体。

表1从网络协议、通信技术和通信对象3个方面对物联网和互联网概念进行了对比。

表1 物联网和互联网的对比(从通信角度)Table 1 Contrast of IoT and internet from the telecommunications′perspective

3 物联网发展历程

整体而言,目前无论国内还是国外,物联网的研究和开发都还处于起步阶段。2004年,日本信息通信产业的主管机关总务省(MIC)提出U-Japan战略,希望在 2010年将日本建设成一个“Anytime,Anywhere,Anything,Anyone”都可以上网的环境;2005年11月17日,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,提出了“物联网”的新概念;2006年,韩国提出了为期10年的U-Korea计划。

之后,一些发达国家纷纷将物联网作为新兴产业,并出台战略措施予以落实。国际上,物联网研究的代表主要有美国、欧洲、日本和韩国。美国在物联网研究上处于国际领先的地位。2009年1月,IBM首席执行官在与美国总统奥巴马的圆桌会议中提出“智慧地球”概念,目前“智慧地球”的概念已上升至美国的国家战略。同时,美国主导的EPCglobal标准在国际上取得主动地位,美国计划全面推行电子产品编码(Electronic Product Code,EPC)标准体系,力图主导全球物联网的发展。在技术上,美国在物联网的很多关键技术上处于领先地位,如射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术、无线传感网络、网格计算、传感器开发等。

欧盟是第一个系统提出物联网发展和管理计划的机构。2009年6月,欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了《欧盟物联网行动计划》(Internet of Things-An action plan for Europe),以确保欧洲在构建物联网的过程中起主导作用。此外,自2007年至2013年,欧盟预计投入研发经费532亿欧元,以推动欧洲最重要的第7期欧盟科研架构(EU-FP7)研究补助计划。

在日本和韩国,物联网的发展也得到了积极的支持和推广。日本大力发展泛在网络,建立泛在识别(UID)的物联网标准体系。2009年7月,日本提出I-Japan战略,计划到2015年实现以国民为中心的数字安心、活力社会。I-Japan战略强化了物联网在交通、医疗、教育和环境监测等领域的应用。2009年10月,韩国通信委员会出台《物联网基础设施构建基本规划》,将物联网市场确定为新增长动力。

在中国,国家政府将物联网产业的发展上升到了国家战略高度,全面推进物联网建设。2009年2月,IBM大中华区首席执行官钱大群在2009 IBM论坛上发布了“智慧地球”发展策略;中国移动总裁王建宙多次表示物联网将会是中国移动未来的发展重点。2010年3月5日,国务院总理温家宝在十一届人大三次会议上作政府工作报告时指出积极推进“三网”融合取得实质性进展,加快物联网的研发应用。同时,国家“十二五”规划中明确提出,物联网将会在智能电网、智能交通、智能物流、金融与服务业、国防军事等十大领域重点部署,预计到2015年物联网的产业规模达2 000亿元。物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一,发展物联网对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义[10]。

4 物联网体系架构

体系架构是指导具体系统设计实现的首要前提。目前研究人员多采用ITU-T建议的USN(泛在传感器网络)分层架构[11],如图2所示。USN自下而上分成5层:边缘技术层、接入网络层、中间件层、骨干网络层和应用层。其中,最底层是边缘技术层,利用传感技术、近场通信(NFC)、RFID等技术随时随地采集物体信息;接入网络层和骨干网络层负责信息的传输;中间件层主要负责信息的处理;应用层完成信息的使用。

图2 USN分层架构Fig.2 Hierarchical structure of USN

5 物联网关键技术

参照物联网的体系构架,可归纳出物联网涉及的关键技术,包括信息采集技术、信息传输技术、信息处理技术和信息安全技术。

5.1 信息采集技术

对物理世界的识别是实现全面感知的基础。识别技术包括物体识别、位置识别和地理识别。常用的识别技术有RFID、二维码、条形码等。物联网的识别技术是以RFID为基础的。RFID是通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据的无线通信技术。每个物体上都有一个电子标签标识这个物体。电子标签能够自动或在外力的作用下,把存储的信息发射出去,读写器负责读取或写入电子标签的信息。

传感技术是从自然信源获取信息,并对之进行处理(变换)和识别的一种多学科交叉技术,与通信技术、计算机技术一起并称信息技术的三大支柱。

5.2 信息传输技术

物联网中的信息传输技术主要分为通信技术和网络技术。

通信网络是物联网信息传递和服务支撑的基础设施,通过泛在的互联功能,实现感知信息可靠性、高安全性的传送。物联网需要综合各种有线及无线通信技术,如常用的2G、3G蜂窝网络等。其中近距离无线通信技术将成为物联网的研究重点。目前使用较多的是近距离通信技术包括超宽带(UWB)、ZigBee、蓝牙等,此外还有近年来兴起的近场通信(Near Field Communication,NFC)技术。

物联网的网络技术涵盖泛在感知和骨干传输等多个层次。参照物体的具体运动特征,可以大致分为固定网络、移动网络、Ad-hoc网络等。

5.3 信息处理技术

海量感知信息计算与处理技术是物联网应用大规模发展后面临的重大挑战之一,具体包括对海量感知信息的数据融合、高效存储、语义集成、并行处理、知识发现、数据挖掘等技术,其核心是采用云计算技术。我国物联网“十二五”发展规划中指出要重点发展物联网信息处理技术,关键技术包括海量数据存储、数据挖掘、图像视频智能分析等[10]。

(1)海量数据存储:围绕重点应用行业,开展海量数据新型存储介质、网络存储、虚拟存储等技术的研发,实现海量数据存储的安全、稳定和可靠。

(2)数据挖掘:瞄准物联网产业发展重点领域,集中开展各种数据挖掘理论、模型和方法的研究,实现国产数据挖掘技术在物联网重点领域的全面推广。

(3)图像视频智能分析:结合经济和社会发展实际应用,有针对性的开展图像视频智能分析理论与方法的研究,实现图像视频智能分析软件在物联网市场的广泛应用。

5.4 信息安全技术

物联网“十二五”发展规划中指出,要构建“可管、可控、可信”的物联网安全体系架构,研究物联网安全等级保护和安全测评等关键技术,提升物联网信息安全保障水平[10],主要包括制定信息安全标准和加强物联网安全技术研发两个方面。

(1)制定信息安全标准。制定物联网安全标准体系框架,重点推进物联网感知节点、数据信息安全标准的制定和实施,建立国家重大基础设施物联网安全监测体系,明确物联网安全标准的监督和执行机制。

(2)加强物联网安全技术研发。研制物联网信息安全基本架构,突破信息采集、传输、处理、应用各环节安全共性技术、基础技术、关键技术与关键标准。重点开展隐私保护、节点的轻量级认证、访问控制、密钥管理、安全路由、入侵检测与容侵容错等安全技术研究,推动关键技术的国际标准化进程。

6 物联网应用案例

物联网的应用具有广阔的市场前景,其中仅在智能电网和机场防入侵系统方面的市场就有上千亿元。美国权威咨询机构FORRESTER预测,10年内物联网就可能大规模普及,物联网技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场,其产业要比互联网大30倍,因此物联网常被称为下一个万亿级的信息技术产业。

物联网的应用领域包括智能电网、农业生产、个人家庭、交通服务应用、安全监督等,广泛应用于社会生产、管理和人们的日常生活方面。

6.1 智能用电——无线智能抄表系统

我国“十二五”规划提出,智能电网总投资预计达2万亿元,居物联网十大领域之首。智能电网是世界电网未来的发展趋势,国内外均寄予极大关注。

智能电网的体系包括发电、配电、变电、输电、用电、网控等环节,其中与终端用户联系最为紧密的便是智能用电。为实现智能用电,用户端需要向电力门户提供实时用电数据,通过调节实时电价来避免出现用电高峰时的电量紧缺,从而节约能源[14]。传统的抄表方式已经无法满足这种实时的智能数据传输,也无法实现电力门户和消费者之间的互动,因而智能抄表(Aptitude Meter Reading,AMR)将成为未来抄表的主流技术。智能用电由户内网、本地通信网和远程通信网3部分组成,如图3所示。户内网由电脑、电视、冰箱等家用电器连接家庭网关组成,用户可以通过智能终端查看每个电器的用电信息,根据实时电价来调节用电量从而节约用电;本地通信网由水表、电表、燃气表、和数据采集集中器组成,他们之间的通信方式可以采用有线或无线方式,电表可以将用电数据发给数据采集集中器,再由集中器统一发给电力主站系统;远程通信网由数据采集集中器和电力主站系统之间的通信构成,集中器将打包后的用电数据通过3G网络发送给电力主站系统,电力主站系统再对这些数据进行分析处理。

图3 智能用电系统组成Fig.3 System composition of smart electricity

图4是利用WirlessHART技术设计的无线智能抄表系统。WirelessHART技术是一种面向工业过程控制,从HART总线技术的基础上结合无线通信技术发展而来的国际标准[13-14]。图中采集器(现场设备)之间以mesh拓扑结构链接,对于脱离网络的节点可以通过增加路由节点来连接。采集器采集到的用电数据发送至集中器(网关)。无线智能抄表系统的核心是解决用户用电采集终端(即采集器)和集中器之间的通信问题。采集器负责将采集到的数据发送给集中器,接收集中器下达的命令,以及充当转发数据的路由设备 。集中器充当网关和网络管理器,主要用来接收来自采集器的数据,将打包的数据发送给远程控制中心,接收来自远程控制中心的命令,也可以向采集器下达命令。

图4 基于WirelessHART的智能抄表系统Fig.4 AMR system based on WirelessHAR T

6.2 智能交通

智能交通系统(Intelligent Transport System,ITS)[15]是将传感器技术、RFID技术、无线通信技术、数据处理技术、网络技术、GPS、信息发布技术等应用于整个交通运输管理体系中,从而建立起实时的、准确的、高效的交通运输综合管理和控制系统。显然,智能交通行业中无处不在使用物联网技术、网络和设备来实现交通运输的智能化。智能交通行业已被公认为是物联网产业化发展落实到实际应用的最能够取得成功的行业之一,必将创造出巨大的应用空间和市场价值。

智能交通系统可以保障人、车、路与环境之间的相互交流,从而提高交通系统的安全和效率,以达到保护环境、降低能耗的目的[16]。智能交通系统主要包括公交行业无线视频监控平台、智能公交站台、电子票务、车管专家和公交手机一卡通5种业务。交通信息采集是其关键子系统,是发展智能交通的基础和前提。在交通信息采集中,可采用非接触式的磁传感器来定时收集和感知区域内车辆的速度、车距等信息,这些信息传送到处理中心,可对交通环境和车辆进行管理。终端节点上可安装温度、湿度、光照度、气体检测等多种传感器,监测路面状况、能见度和车辆尾气污染等。车辆上也可以配备RFID系统,为车辆制定唯一的身份标志,实现一车一卡有条管理,切实保证车辆的严格监管和交通顺畅。

2008年全球因交通事故死亡130万人,2 000～5 000万人受伤,直接经济损失5 180亿美元。传统交通基础设施效费比为1.68∶2.7,而智能交通的效费比为9∶1。智能交通在我国的应用能降低交通事故致死率,减少堵塞率,加强交通的监管并减少尾气排放。北京全市各主要街道均埋设有感应线圈,通过无线传感技术优化交通管理,城市道路效率提高了15%。上海延安高架路交通监控系统应用以来,在保持流量不变的情况下,全天的平均车速提高了15%。斯德哥尔摩在18个控制点用各种传感技术,探测车辆并按时段以不同费率收费,将流量、等待时间和尾气排放分别降低了20%、25%和12%。

6.3 智能家居

家庭是每个人活动的主要场所,因此智能家居将是物联网技术应用实现最广泛的领域之一。智能家居是利用信息传感设备同家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起,并与互联网连接起来,进行监控、管理信息交换和通信,实现家居智能化。

当前家居只存在一些简单的智能应用,例如电灯的自动开关、电暖气的温度自动调节等,未来各种家庭设备将通过智能家庭网络联网实现自动化。用户可以通过电信宽带、固话和3G无线网络实现对家庭设备的远程管理和控制,空调、照明灯等设备会自动感知学习主人生活习惯、自动调节室温、光线的明暗、减少能源浪费。智能家居将为人们提供舒适宜人且高品位的家庭生活空间,实现更智能的家庭安防系统并提供全方位的信息交互功能。

6.4 农业生产

物联网在农业上的应用非常广泛,主要体现在远程控制与实时采集两方面。智能农业产品可以通过无线信号收发模块传输数据,实现对大棚温湿度的远程控制,如自动开启或者关闭指定设备、调节温湿度等环境条件。还可实时采集温室内温度、湿度信号以及光照、土壤、温度、CO2浓度等环境参数,随时进行处理,为农业综合生态信息自动监测、环境的自动控制和智能化管理提供科学依据。另外,在产品出售方面,可以运用成熟的物联网传感技术,在生态农业基地与消费者之间搭建一个网络销售平台。这样消费者便可以通过实时的网络视频了解农副产品的种植全过程,对产品更具有信心。

物联网用于农业生产的一个成功案例是牲畜溯源。给放养的牲畜中的每一只羊都贴上一个二维码,这个二维码会一直保持到超市出售的肉品上,消费者可通过手机阅读二维码,知道牲畜的成长历史,确保食品安全。我国已有10亿存栏动物贴上了这种二维码。

6.5 其他应用

此外,物联网还可以在工业监控、公共安全、医疗服务、环境保护和物流管理等各个领域应用,发展前景十分广阔。从智慧地球到感知中国,物联网技术促进了人与物、物与物的交流,加快了物品与网络的融合,使我们的工作生活时时连通,事事链接,将成为世界经济复苏的新亮点。

7 结束语

物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一,发展物联网对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义。物联网将带来信息产业新一轮的发展浪潮,必将对经济发展和社会生活产生深远影响。

目前,我国物联网发展与全球一样同处于起步阶段,初步具备了一定的技术、产业和应用基础。近年来有关RFID等识别技术以及信息网络领域的研究成果不断涌现,为物联网的发展提供了推动作用。另一方面,我国物联网发展还存在一系列瓶颈和制约因素,主要表现在:核心技术和高端产品与国外差距较大,地址资源匮乏,应用水平较低,且规模化应用少,信息安全方面存在隐患等。为了物联网更好的发展,本文提出以下几个对策和建议。

(1)加强对物联网核心技术的研发

政府应加大对关键核心技术研发的扶持,有效提升自动识别技术水平。在我国已经拥有核心技术能力的条码识别技术方面,重点支持条码芯片等高端条码技术的发展。在RFID技术方面,加强资金投入和技术研发,重点强化应用,在应用中促进技术提升,尽快赶上国际水平。积极探索新的研发组织模式,将研发与产业化结合起来,建立物联网技术研发基地,聚集物联网研发人才和项目,开展物联网核心关键技术和相关产业关键技术的研发和产业化工作。

(2)加快物联网标准体系的建设

我国物联网还处于起步阶段,只有少量专门的应用项目,零散地分布在独立于核心网络的领域,采用的多数是私有协议。统一协议标准的缺失严重制约了我国物联网产业的发展壮大。针对国际上物联网统一的标准体系还没有形成的现状,我国应尽快制定符合我国发展需求的物联网技术标准,建立健全标准体系,并积极参与国际物联网标准制定,力争主导制定物联网国际标准,以掌握产业发展的主动权。

(3)提升物联网安全保障能力

物联网的发展与应用涉及到安全和隐私问题,安全体系的建立与形成刻不容缓。应提升物联网网络和重要信息安全防护水平,重点领域和关键应用要安全可控,形成与物联网发展相适应的安全保障能力。对可能出现的安全问题、出现问题的应对方法及屏蔽措施等的研究都需要进一步深入和发展,以保证其应用的安全性。加强物联网安全研究,探讨建立物联网安全应用示范。同时,加强保护个人隐私。

(4)积极推进物联网技术的示范和规模化应用

一是加快IPv6下一代互联网的应用步伐。积极发展IPv6下一代互联网是解决目前互联网地址资源不足的有效途径,应尽快建立IPv4向IPv6过渡的有效组织机制、制度与措施。同时,出台相关激励政策,鼓励互联网应用提供商进行IPv6改造,加快IPv6下一代互联网的应用步伐。

二是结合物联网技术研发和标准制定工作,以物联网运营企业(如中国移动)为实施主体,发挥政府在推进物联网应用中的能动作用,在工业、农业、公共服务(如环境监测、智能交通、智能电网)等领域开展形式多样的应用示范工程建设,探索物联网价值链合作模式和产业规模化发展模式[17]。

“十二五”时期是我国物联网由起步发展进入规模发展的阶段,我国应当抓住机遇,明确方向,突出重点,加快培育和壮大物联网。

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