物联网技术应用实践及其体系结构

于 君 王 洋 张雪英

(太原理工大学信息工程学院，山西 太原 030024)

0 引言

物联网(Internet of things，IoT)被称为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业新浪潮。麻省理工学院Auto-ID中心首次将物联网定义为:“把所有物品通过射频识别(radio frequency identification，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功能的网络”［1］。

国际电信联盟在《ITU互联网报告2005:物联网》中正式提出了物联网的定义:“通过射频识别、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，使得‘物’具备自动标志、智能感知能力，实现物理世界与虚拟的数字世界的相联;通过‘物’的智能接口实现与信息网络的无缝结合，进行信息交换与通信，从而达到智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，最终达到任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联，实现无所不在的网络和无所不在的计算”［2］。

1 物联网应用实践

世界各国均对物联网发展进行了战略规划，如美国的“智能电网”、“智慧地球”、“智能微尘”等;日本的“I-Japan战略2015”;韩国的“U-Korea战略”以及欧盟的“物联网战略研究路线图”［3］。我国在《国家中长期科学与技术发展规划(2006～2020年)》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域，并设立了“物联网安全关键技术研究”、“面向‘物联网’的未来网络技术发展战略研究”和“物联网环境下基于物物感知驱动的协同控制研究”等国家自然科学基金项目［4］。

随着2009年11月国务院批复同意《关于支持无锡建设国家传感网创新示范区(国家传感信息中心)情况的报告》，我国电信运营商对于物联网产业也给予了高度重视。

中国移动通信集团与无锡市人民政府就共同推进TD-SCDMA与物联网融合举行战略合作签约仪式，设立了中国移动无锡物联网研究院;中国电信集团公司与无锡市人民政府签署合作协议，在无锡成立了中国电信物联网应用和推广中心及物联网重点技术研究室;中国联合网络通信集团有限公司与无锡市人民政府签署融合发展的战略框架合作协议，在无锡成立了物联网研究院、物联网研究院技术应用开发和研究中心、云计算中心、容灾与应急中心，并且设立了“下一代互联网宽带业务应用国家工程实验室”;国家电网在无锡设立了智能电网信息通信技术中心并将无锡(太湖)国际科技园作为智能园区试点;广电部门在无锡设立了物联网应用研发中心并率先在无锡(太湖)国际科技园推行数字化园区。

随着技术方案的逐渐成熟，物联网在医疗卫生事业、环境监控保护、农业畜牧管理、楼宇建筑工程、工业设备管理、电子消费应用、智能电网规划、国家公共安全等领域都有所推广应用。

1.1 医疗卫生事业

物联网技术在医疗卫生事业领域的应用包括医药卫生和食品安全等多个方面。物联网技术用于患者的登记、标志和监护。采用电子医通卡，有效缩短患者特别是危重病人的登记时间。医务人员通过数据资料库，能够准确获取病人身体状况、患病及治疗历史信息。同时，医通卡还具备支付功能。医务人员借助集成医学传感器的腕带实现对患者的实时监护。物联网技术用于药品的生产、防伪、流通管理药房管理，有助于准确实现对于不合格药品的有效责任追溯和销售追回。物联网技术用于医疗器械及血液制品管理，可以通过RFID实现专业医务人员准许操作制度，避免闲杂人员进入手术室等关键部门，精确管理医用器械，防止诸如手术器械在人体内遗漏等问题的出现。将RFID血袋纳入国家血液库登记系统，减少患者等待时间，提高血液登记、贴标和追踪过程的透明性和准确性［5］。

RFID食品安全方案实现了从食品源头到消费者的整个流程管理，其逆向过程则实现了质量追溯。通过食品信息可以对食品保质期进行有效控制，在顾客购买时即可通过购物车显示商品属性和总体价格，在结账时无需再对每个商品进行结算处理，并且具有食品防盗功能。

1.2 环境监控保护

以“感知太湖·智慧水利”应用为例。该实例布防了数百个球状浮标微纳传感器，用来探测湖水水质及蓝藻生长等信息。通过传感器组成的微纳传感器群实现动态观测太湖水域的变化，将收集到的数据信息通过全湖覆盖的通信网络传输至水利局现有的信息中心设备;通过智能分析处理系统，实现水利管理人员与智慧水利信息中心之间的实时双向信息交互以及智能车船调度，并执行应急处理预案［6］。

1.3 农业畜牧管理

农业物联网应用主要包括农业生产、动物溯源、温室监控、森林防火监控等方面的应用。在农业生产方面，采用农业环境适应编解码、农业环境能量管理、农业环境抗干扰、农业环境适应通信以及智能传感器等技术获取环境信息(包括太阳有效辐射，耕地土壤温度、湿度、导电率、紧实度，农机油耗、速度、位置等)，通过M2M运营支撑平台和GPRS/TD网络传输方式，采用短信息、WEB、WAP等手段将异构传感器数据传输至农牧业感知服务及安全中心(同时需传送至物联网治理运营中心)进行分析处理，然后应用于粮食生产、农机调度、资源监测等。农业部和财政部2009年行业物联网农业科研专项重点支持应用项目“小麦苗情数字化远程监控与诊断管理关键技术”属于物联网农业的典型应用［7］。

畜牧业中利用RFID技术对肉畜进行个体标记并跟踪，记录肉畜饲养、监管、屠宰到销售全过程的状态数据，并基于所记录的信息，在流通过程的关键控制点的基础上，依据既定的规则对目标进行监控、干预的信息和管理［8］。在乳制品生产领域，可以采用RFID技术实现奶牛自动识别，对饲喂、体重测量、医治信息及用药情况等状况进行全程监控，掌握鲜奶产量、鲜奶运输车装卸等信息，并将这些信息实时传输到系统管理平台。监管部门通过监控平台可以及时掌握整个区域奶源产运整体状况，结合质量检测措施还可以监控奶源质量，从而避免掺假现象［9］。

1.4 楼宇建筑工程

以中国移动“电梯卫士”为例，该系统通过安装在电梯外围的传感器采集电梯冲顶、蹲底、停电、关人等故障以及电梯维保信息，并通过无线传输模块将数据传输到电梯卫士平台;然后由该平台实现电梯运行安全监控、故障管理和维保管理等业务功能，帮助电梯安全管理部门、电梯厂商、维护单位和使用单位实现电梯安全的信息化管理。

基于物联网的道路照明系统是通过在每盏路灯中嵌入无线通信模块实现其自组网络，接收控制中心的命令并将路灯的状态反馈给控制中心。控制箱采用ZigBee技术与所管辖道路的所有路灯通信，采用GPRS与控制中心通信，并根据控制中心的指令或时间和日照亮度对每盏路灯发出控制命令(路灯开启、关闭、照明度(功率大小)等)，自动调节整条道路的功率平衡。中央控制系统软件平台采用3D设计，通过缩放变换，以俯视的角度观察和控制整个城市、一个街道、一条道路甚至一盏路灯的照明情况。移动计算工具(笔记本电脑、PDA、手机)和路灯维护车也能通过控制中心进行远程遥测和遥控［10］。中国移动“无线路灯控制解决方案”在此基础上还实现了终端自动报警(报警信息可以实时提醒到负责人手机)、防盗异常报警、电压电流等参数采集以及监测数据统计分析等功能。

中国电信“家庭物联网系统”包括智能家电、生活用品、家居设备、家用健康设备等，这些设备配置了传感器、RFID、RF读写器，可实现对家庭用品、家居设备的状态监控以及家庭成员的健康数据采集等。采集到的数据通过宽带网络和家庭物联网平台传送至由商场、制造商、医疗机构等组成的物联网应用平台，实现对家庭物件的检测、控制、配送，提供商品的售后服务跟踪以及及时为家庭成员提供健康服务等［11－12］。中国移动“家庭安防”应用可为用户提供图像、声音、信息和各种报警信息的采集、传输、存储和处理，并广泛应用于家居安全、病人看护和宠物看管等领域［13］。

1.5 工业设备管理

以中国移动“企业安防”为例，物联网技术为企业主动防护综合管理提供了有力工具。该系统不仅将告警信息存储起来作为事后分析的依据，还能在远端随时监控安防设备的工作状态;在数据处理上，提出了细分布防区间，按客户需求进行布防和功能搭配;在统一平台上查看企业所有告警记录，便于综合分析告警数据，帮助客户管理公司。

中国电信“数字油田”包括油井生产数据远程采集传输系统、油井生产远程分析管理系统、油井生产远程控制系统。该系统通过ZigBee接收模块传输采集到的油料油温、油压、电量以及抽油机井、电泵井、螺杆泵井等工况的载荷、位移、压力、温度、电参量、流量等参数，最终由生产远程分析管理系统对采集的数据进行有效利用，实现油井工作运行状况的综合诊断，并选择最佳变频和启停等工程方案［14］。

1.6 物流供应链控制

物流读写器通过天线发送出一定频率的射频信号，当电子标签进入探测区域时，天线产生感应电流，使被动型RFID标签获得能量被激活并向读写器发送出自身编码等信息。电子标签的载波信号对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理。计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，并针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号。电子标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接收指令并完成存储、发送数据或其他操作［15］。

通过上述流程可以实现对物品的生产、流通等环节的及时跟踪反馈，便于物流企业人员、车辆的最优化调配;同时，此项技术也可用于通关物流、智能超市等领域。类似的应用方案有中国移动“智能交通”、中国电信“物流e通”服务平台等。根据美国Symbol公司的调查报告可知，采用基于RFID技术的物联网物流方案，生产商可以使库存降低5%～30%，运输成本降低3%～13%，产品供货周期缩短10% ～50%;零售商可以使货架利用率提高5% ～8%，库存降低5% ～10%，销售额增加2% ～10%，物流成本降低3% ～4%［16］。

1.7 其他

在物联网技术应用实践中还包括电子消费应用、智能电网规划［17］、国家公共安全［18］以及政府应急管理平台等。

2 物联网体系与通信网

综合上述应用方案，物联网通常包括信息的获取、传递、处理过程，整个体系可以划分为感知(传感网)、传输(通信网)和信息处理三个部分，物联网体系结构模型如图1所示。

图1 物联网体系结构模型Fig.1 The architecture model of the Internet of Things

信息感知层(第一层)用于感知、识别特定物体信息，包括传感器及传感器网络/网关、二维码标签及标签识读器、RFID标签及标签读写器、摄像头、全球定位系统(global positioning system，GPS)、SIM卡等设备，涉及的关键技术包括传感器技术、微机电系统(micro-electro-mechanical systems，MEMS)、多标签多读写器防碰撞技术［19］、短距离组网传输技术。从信息论的角度来看，信息感知层由于处于整个体系的信源位置，因此要求其具备准确的感知能力;就微观层面而言，该层涉及到传感器/复合传感器组的感知能力，因此要求其具有精确、全面的感知能力，同时满足低功耗、微型化、高可靠、低成本;就宏观层面而言，传感器产业存在着标准化、产业化程度不足以及关键技术仍需突破等问题。

数据交互层(第二层)的作用是数据交互传输，承载数据的网络可以是宽带互联网、有线接入网络、无线移动通信网络等［20］，涉及2G/3G/4G通信技术、NGN技术、异构网络融合技术、信息编码/鉴权技术、自适应网络传输技术、电力线通信(power line communication，PLC)等。综合分析各种信息传递方式，无线移动通信网络就覆盖范围、便捷性而言有着无可替代的优势。在物联网体系中，该层结构的标准化程度最高、应用最成熟、产业化能力最强。由于该层起着承上启下的作用，因此在设备部署、网络建设、系统维护、运营管理、技术支撑等方面也有着较高的要求。

信息应用层(第三层)提供适用于个人、企业、政府的应用解决方案，涉及海量数据存储技术、云计算技术、数据库与数据挖掘技术等，同时融入全球定位系统(GPS)、地理信息系统(geographic information system，GIS)、遥感技术(remote sensing，RS)等现有成熟应用平台。由于应用行业的广泛性和多样性要求，对于不同行业的信息资源开发有着不同的商业应用模式，同时对于信息安全的保障性要求也较高。特别是在联网软件和应用软件方面，不能简单地将现有软件直接用于物联网环境，需要在引入控制环路理念的基础上重新研究、设计和开发面向高稳定、高可靠的网络接入和网络应用平台软件［21］。

基于传感器网络的信息汇聚感知和物联网的协同处理，移动通信系统与无线传感器网络的充分融合将形成更广泛的网络，它将实现任何时间、任何地点、任何人、任何物均能顺畅地通信，并以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征，形成“泛在网”，为用户提供更优质的行业项目方案和更便捷的服务体验。

移动通信网以其覆盖范围广、应用技术成熟、产业标准化程度高、各层次终端丰富等特点成为较容易实现物联网传输、控制和管理的媒介。移动通信网的基站、手机以及其他智能终端均可成为传感节点用于感知信息获取;其较成熟的网络、网关等设备成为可靠地数据传输通道;移动通信运营商对于网络设备、业务实现、业务管理、用户管理、信息安全等方面也有着丰富的经验。

3 结束语

物联网技术应用方案包括五个关键要素，即:可接入网络的智能设备、无处不在的有线或无线的宽带网络、数据管理设备、数字化管理设备以及应用支撑和运营平台［22－23］。电信运营商作为物联网体系中移动通信网络的主导者有着强大的潜在资源优势，它同时扮演着集成商和服务商的双重角色。在品牌认知价值方面，物联网技术方案推广过程依赖其广泛而强烈的品牌认知力，更容易实现物联网产品的应用;在商务实践拓展方面，电信运营商历经多年的市场拓展和培育拥有较为稳固的顾客群体，同时在客户关系管理方面有着丰富的经验，因此在目标客户群的锁定、培育、管理以及深度理解客户需求等方面占据着无可替代的地位;在网络运营管理方面，电信运营商在通信领域具备了高标准的信息网络覆盖、完善的计费结算流程、强大的运营支撑能力、高品质的服务，这些都与物联网体系构建有着高度的匹配;在承载传输保障方面，特别是云计算(中国移动“大云计划”、中国电信“星云计划”、中国联通“互联云”战略)的发展、容灾备份功能和快速稳定主备切换技术的进步，使得物联网体系构建更加安全健康。

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