物联网技术进展与应用20

物联网技术进展与应用物联网(InternetofThings,IoT)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、日本等甚至将其纳人国家和区域信息化战略。1991年美国麻省理工学院(MIT)的KevinAsh-ton教授首次提出物联网的概念。1995年比尔.盖茨在《未来之路》一书中也曾提及物联网,但未引起1999年美国麻省理工学院建立了“自动识别中心((Auto-ID)”,提出“万物皆可通过网络互联”,阐明了物联网的基本含义。早期的物联网是依托射频识别(RFID)技术的物流网络,随着技术和应用的发展,物联网的内涵已经发生了较大变化。2005年国际电信联盟(ITU-T)发布的物联网报告中提出:通过一些关键技术,用互联网将世界上的物体都连接在一起,使世界万物都可以上网。这些关键技术包括通信技术、RFID、传感器、机器人技术、嵌人式技术和纳米技术等。在未来10年左右时间广泛重视。里,物联网将得到大规模应用,革命性地改变世界的面貌。2004年日本总务省(MIC)提出u-Japan计划,该战略力求实现人与人、物与物、人与物之间的连接,希望将日本建设成一个随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络社会。2009年7月,日本IT战略本部发布了日本新一代信息化“i-Ja-pan”战略,提出到2015年通过数字技术实现“新的行政改革”,使行政流程效率化、标准化和透明化,同时推动电子病历、远程医疗、远程教育等应用的发展。韩国于2006年确立了u-Korea计划,该计划旨在建立无所不在的社会(ubiquitoussociety),在民众的生活环境里建设智能型网络(如IPv6、BcN、USN)和各种新型应用(如DMB、Telematics、RFID),让民众可以随时随地享有科技智慧服务。2009年韩国通信委员会出台了《物联网基础设施构建基本规划》,将物联网确定为新增长动力,提出到2012年实现“通过构建世界最先进的物联网基础实施,打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国”的目标。2009年欧盟执委会发表了欧洲物联网行动计划,描绘了物联网技术的应用前景,提出欧盟政府要加强对物联网的管理,促进物联网的发展。行动方案的主要内容为:(1)加强物联网管理;善隐私和个人数据保护;(2)完善隐私和个人数据保护(3)提高物联网的可信度、接受度和安全性;(4)评估现有物联网的有关标准并推动新标准的制定;(5)推进物联网方面的研发;(6)通过欧盟竞争力和创新框架计划(CIP)推动物联网应用;统计和管(7)加强对物联网发展的监测、理等。2009年1月,IBM与美国信息技术与创新基金会(ITIF)智库组织共同向奥巴马政府提交了“复兴的数字之路:增加工作、提高生产率和复兴美国的刺激计划”建议报告,提出通过信息通信技术(ICT)投资可在短期内创造就业机会,美国政府如果新增300亿美元的ICT投资(包括智能电网、智能医疗、宽带网络三个领域),就可以创造出94.9万个就业机会。2009年1月,在奥巴马就任总统后的首次美国工商业领袖圆桌会议上,IBM首席执行官建议政府投资建设新一代的智能基础设施,提议得到了奥巴马总统的积极回应,美国政府把宽带网络等新兴技术定位为振兴经济、确立美国全球竞争优势的关键战略,随后出台的总额为7870亿美元的《复苏和再投资法》中对上述提议进行具体落实。《复苏和再投资法》中鼓励物联网发展的政策主要体现在推动能源、宽带通信与医疗三大领域实施物联网应用。我国在物联网领域与技术先进国家相比不算落后。2009年2月IBM大中华区首席执行官钱大群在2009IBM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。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,无锡市率先建立了“感知中国”研究中心,中国科学院、运营商、多所大学在无锡建立了物联网研究院。物联网是继PC、互联网、无线通信技术之后第四次信息技术革命,有重大的科学意义和应用价值。依靠物联网人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活,达到“智慧”状态,提高资源利用率和生产力水平,改善人与自然间的关系。物联网的出现将从生活、生产、社会、经济、政治、军事、科技等方方面面影响人类生活和世界。根据美国权威咨询机构FORRESTER预测,到2020年世界上物对物互联的业务与人对人通信的业务将达到30比1,因此物联网常被称为下一个万亿级的通信业务。1物联网概述ITU对物联网的定义为:物联网实现物到物(ThingtoThing:T2T)、人到物(HumantoThing:H2T)和人到人(HumantoHuman)的互连。这里人与物的互连指人使用传感器等设备后与物体的互连,而人与人的互连指人使用传感系统而不是现在的电脑实现人与人之间的互连。物联网的核心是实现物体(包含人)之间的互连,从而能够实现物体与物体之间的信息交换和通信。物体信息通过网络传输到信息处理中心后可实现各种信息服务和应用。物联网的主要作用是缩小物理世界和信息系统之间的距离,它可以通过射频识别(RFID)、传感器、全球定位系统、移动电话等设备,按约定的协议,将世界上的所有物体全部连接到信息网络中,使得它们在事件处理中成为积极的参与者,体现了物理空间和信息空间的融合。服务可以和这些智能物体通过网络进行交互,获得与这些物体相关的任何信息。传感网可以看作是物联网的末端延伸网之一。无线传感器网络由大量随意分布的、能耗及资源受限的传感节点组成,它具有感知能力、计算能力和通信能力,通过自组织方式构成无线网络,协作地实时采集和处理物理世界的大量信息,实现物联网全面感知的功能。泛在网是一种无所不在的网络,它可以使任何人在任何时间、任何地点通过网络获得任何信息,它是一个大通信的概念,是面向经济、社会、企业和家庭全面信息化的概括。泛在网不是一个全新的网络,它是充分挖掘已有网络的潜能,结合不断出现的物联网发展中最重要的理念是融合。物联网通过设备融合、网络融合、平台融合实现服务融合、业务融合和市场融合。设备融合指研发出一体化的感知终端。网络融合指用户可使用任意终端(移动台、PDA、PC等)通过任一方式接人网络(WLAN、GPRS、3G网络等),而且号码唯一、帐单唯一。平台融合指用户数据集中管理、公用的业务平台、分类的管理平台和应用平台,支撑用户跨业务系统的互操作,形成统一认证系统,实现基于统一账号、统一密码的集中认证。服务融合指在服务层面实现融合,例如在固话和移动网络之间共享收信人的地址、电话号码、用户名称等。业务融合指物联网同时提供语音、数据、视频等多种业务。市场融合就是以市场机制为引导,把各类通信和信息产品和服务捆绑起来打包销售。新技术,将网络触角不断延伸,实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策等服务。泛在网具有比物联网更广泛的内涵,而物联网是迈向泛在网的第一步。从覆盖的技术范围来看,泛在网包含了物联网,而物联网又包含了传感网。物联网全景如图1所示。图1物联网全景图2物联网关键技术2.1物联网的体系结构物联网包含感知延伸层、网络层、业务和应用层三层。第一层负责采集物和物相关的信息;第二层是异构融合的泛在通信网络,包括现有的互联网、通信网、广电网以及各种接人网和专用网,通信网络对采集到的物体信息进行传输和处理;第三层是应用和业务,为手机、PC等各种终端设备提供感知信息的应用服务。(1)感知延伸层物联网中由于要实现物与物和人与物的通信,感知延伸层是必须的。感知延伸层主要实现物体的信息采集、捕获和识别。感知延伸层的关键技术包括传感器、RFID、GPS、自组织网络、传感器网络、短距离无线通信等。感知延伸层必须解决低功耗、低成本和小型化的问题,并且向灵敏度更高、更全面的感知能力方向发展。(2)网络层网络层是物联网的神经系统,主要进行信息的传递,包括接人网和核心网。网络层要根据感知延伸层的业务特征,优化网络特性,更好地实现物与物之间的通信、物与人之间的通信以及人与人之间的通信,这就要求必须建立一个端到端的全局物联网络。物联网中有很多设备的接人,是一个泛在化的接人、异构的接人。接人方式多种多样,接人网有移动网络、无线接人网络、固定网络和有线电视网络。移动通信网具有覆盖广、建设成本低、部署方便、具备移动性等特点,使得移动网络将成为物联网主要的接人方式,通信网络就要是通过多种方式提供广泛的互联互通。除此以外,物体是可以移动的,而它们的要求是随时随地都可以“上网”。因此在局部形成一个自主的网络,还要连接大的网络,这是一个层次性的组网结构。这要借助有线和无线的技术,实现无缝透明的接人。随着物联网业务种类的不断丰富、应用范围的扩大、应用要求的提高,对于通线网络也会从简单到复杂、从单一到融合,从多种的接人方式到核心网的融合整体的过渡。(3)业务和应用层业务和应用层是物联网的信息处理和应用,面向各类应用,实现信息的存储、数据的挖掘、应用的决策等,涉及海量信息的智能处理、分布式计算、中间件、信息发现等多种技术。由于网络层是由多种异构网络组成的,而物联网的应用是多种多样的,因此在网络层和应用层之间需要有中间件进行承上启下。中间件是一种独立的系统软件或者服务程序,能够隐藏底层网络环境的复杂性,处理网络之间的异构性,分布式应用软件借助于中间件在不同的技术之间共享资源,它是分布式计算和系统集成的关键组件。文章介绍了中间件的基本概念,阐述了一种基于系统层次的分类方法,并详细讨论了现存各类中间件技术的特点、相关标准及发展应用情况。它具有简化新业务开发的作用,并且可以将已有的各种技术结合成一个新的整体,因此是物联网中不可缺少的一部分。在过去的几年中,中间件都是采用面向服务的架构(ServiceOrientedArchitecture,SOA),通过构建在SOA基础上的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互,实现业务的灵活扩展。云计算是物联网智能信息分析的核心要素。云计算技术的运用,使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。随着物联网应用的发展、终端数量的增长,可借助云计算处理海量信息,进行辅助决策,提升物联网信息处理能力。因此,云计算作为一种虚拟化、硬件/软件运营化的解决方案,可以为物联网提供高效的计算、存储能力,为泛在链接的物联网提供网络引擎。从目前的物联网应用来看,都是各个行业自己建设系统,不便于多种业务的扩展,如果没有统一建设标准、规范的物联网接人、融合的管理平台,物联网将因为各行业的差异无法产生规模化效应,增加了使用复杂度与成本。上述三层体系结构是笔者认为的物联网的一般体系结构。在已有的研究成果中,自主体系结构和EPC是两种比较有代表性的物联网体系结构,下面分别简要介绍。文献讨论了一种物联网的自主体系结构,该体系结构面向异构无线通信环境,采用自主通信。自主通信的核心是自主件(selfware),自主件执行网络控制平面功能,最重要的特性是能够保证网络的可演进性,也就是自主件能够执行网络新的功能。物联网的自主体系主要由四类平面组成:数据平面、控制平面、知识平面和管理平面。数据平面传送数据,控制平面向数据平面发送配置信息来优化数据平面的吞吐量和可靠性,知识平面包含整个网络的信息,服务于控制平面的适应性控制;管理平面管理数据平面、控制平面和知识平面的交互。EPC(产品电子代码)是目前一种比较典型的物联网应用体系结构。EPC体系结构如图2所示。EPC体系结构涉及到EPC编码标准、EPC标签、读写器、对象名解析服务(ObjectNamingServ-ice,ONS)、物理标记语言(PhysicalMarkupLan-guage,PML)等。EPC编码对物体及其相关信息进行代码化,从而建立全球通用的产品电子代码。EPC标签上存储有物体的产品电子代码和其他信息,安装在物体上。读写器通过射频方式读取物体标签中的有关信息,或者往标签中写人有关信息。对象名解析服务则将产品电子代码匹配到相应的商品信息,其功能类似于互联网中的域名解析服务(DNS)