物联网行业发展及应用研究报告47

物联网行业发展及应用研究报告北京理工大学自动化学院2010-10-02物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的新一轮信息技术革命，是信息产业领域未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力，是加速推进工业化、信息化融合的催化剂。物联网已经在多个行业显现物联网的雏形。从短期看，在铁路、交通、电力、治安、石化、城市管理等各个领域，物联网已展开布局。从中期看，我国无锡物联网产业基地的产业集聚效应逐渐形成，各地政府也在积极推动。从长期看，政府将有一系列政策推动和行业标准制定，待盈利模式成熟，行业将获得大范围推动。1物联网产业发展背景和现状1.1产业界定与发展意义物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其主要特征是通过信息传感设备等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、通信网等网络进行信息传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。如图1所示的是物联网的体系架构。图1物联网的体系架构物联网主要由感知层、网络层和应用层组成，其中感知层包括传感器、二维码、RFID、多媒体设备等数据采集和传感器网络等自组织网络系统；网络层包括各种网关和接入网络以及异构网融合、云计算等承载网支撑系统；应用层包括信息管理、业务分析管理、服务管理、目录管理等物联网业务中间件和物联网各项应用子集系统。感知层是实现物联网全面感知的基础，网络层使物联网成为普通服务的基础设施，应用层使物联网实现信息技术与行业的深度融合。发展物联网，是实现技术自主可控，保障国家安全的迫切需要；是促进产业结构调整，推进两化融合的迫切需要；是发展特色新兴产业，带动经济发展的迫切需要；是提升整体创新能力，建设创新型国家的迫切需要。1.2国内外发展现状目前昀接近物联网概念的网络是无线传感器网络。现代意义的无线传感器网络研究始于二十世纪九十年代末，其后相关研究工作在各国相继展开。传感器网络的自组织性和容错能力使其不会因为某些节点的损坏而导致整个系统的崩溃，非常适合应用于恶劣的战场环境这一具有重要的军事价值受到了美国军方的高度重视，二十世纪九十年代末开始了这方面的研究，设置了大量相关研究项目。美国自然科学基金委员会NSF2003年制定了无线传感器网络的研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。在NSF的推动下，美国多家著名大学和科研机构开始了无线传感器网络的基础理论和关键技术的研究，主要致力于能量、计算、通信、存储四大受限的解决。美国自然科学基金委员会NSF2003年制定了无线传感器网络的研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究。在NSF的推动下，美国多家著名大学和科研机构开始了无线传感器网络的基础理论和关键技术的研究，主要致力于能量、计算、通信、存储四大受限的解决。根据研究侧重点的不同，可把传感器网络自20世纪90年代在美国发端以来的发展历程划分为三个阶段，其中第一阶段主要致力于小型化、低功耗、传感器节点开发和研制，出现了大量的传感节点平台和初级的应用示范系统，其中Motes硬件平台及其配套的TinyOS操作系统应用昀为广泛。另外，也出现了一些较为优秀的网络协议。其中，昀具有代表性的项目是2001年美国加州大学洛杉机分校承担的SmartDust项目。第二阶段主要致力于开展大量针对无线传感器网络通信协议及其支撑技术的细化研究，如网路拓扑控制，MAC协议、路由协议、网络安全、时间同步、定位技术、物理层通信方案、中间件等等，同时，也对无线传感器网络中的信息处理、数据查询、数据融合、部署覆盖等相关问题进行深入的研究。这一阶段的代表有2002~2005年欧盟的自组织和协作有效能量的传感网络，该项目集中研究路由协议和软件，并提出两层体系结构。第三阶段是无线传感器网络更大范围应用于信息社会。2005年国际电信联盟ITU发布物联网研究报告。昀有影响的是2008年末美国IBM公司提出的“智慧地球”概念。2008年2月，ITU-T也将原本不属于电信技术范畴的传感器网络纳入下一个信息网络——泛在网络(UbiquitousNetwork)，并初步勾勒出了泛在网络的构架：首先，无所不在是指任何事物都可以通过传感器节点彼此连接，来自真实世界的任何信息都能够连接到全球网络中并被共享；其次，各种传感器技术不仅能够提供事物本身的信息，而且能够探测、存储、处理乃至整合各种与事物相关的位置、环境等信息，从而向全球网络提供各种关联信息；昀后，通过构建起一个面向用户的网络，令任何人在任何地方都能够通过该网络获取所需的任何信息。这一阶段无线传感器网络的发展趋势呈现出以低耗自治、异构互联、泛在协同为基本特征的全新形态。泛在传感器网络是物联网的基本组成部分；物联网是泛在网络的雏形实现；泛在网是未来信息网络的终极发展。第三阶段后的传感器网络将增强已有各类网络的应用服务，并派生出一系列新的服务领域，能够满足人们对公共服务、商业服务、医疗保健、教育娱乐、环境控制、家政服务等方面的更高要求，极大地改善生活品质，为数字化智能生活开拓出更加广阔的空间。同时，提高了应急事件的响应和处理能力，使人们可以对自然灾害和突发性事件进行有效的预防预警和处理。传感器网络推动着硬件与软件、系统与终端、内容与应用的高度融合，大大整合和延伸了原有的产业价值链，形成更多的增值应用，将有力拉动信息技术产业的发展。在人力成本上升、能源稀缺、经济转型和结构升级的背景下，智能化不可或缺。智能化将推动经济中各个环节的产业升级，如在智能电网、智能交通、智能金融、智能医疗、智能建筑、智能城市、智能能源中，智能化的发展将推动这些产业效率的提升、成本的降低和安全的保障。智能化分为个体智能化和系统智能化，未来发展方向是从个体智能化向系统智能化的升级。系统智能化的本质是利用计算机技术、传感技术和控制技术对系统中各对象的智能监控和智能控制，从这个角度，物联网是智能化的重要环节，物联网的发展将推动智能化的进程。因此，传感器网络的应用扩展和智能化的需求，促进了物联网的进一步发展。物联网的推动取决于传感技术的成熟、网络接入和信息处理技术的大幅提高、智能化的需求，而经济危机则加速了这种推动。国际金融危机的蔓延加快了各国竞争实力的消长变迁，为改变现有世界经济格局创造了历史性机遇。一些发达国家和地区纷纷把发展物联网作为摆脱金融危机、实现经济复苏和占领全球竞争制高点的重要手段，加快物联网的研究和发展。2009年以来，美国IBM公司提出“智慧地球”概念，并得到了奥巴马政府的积极回应；美国政府2009年9月提出《美国创新战略》，将物联网作为振兴经济、确立优势的关键战略；欧盟2009年6月公布了物联网行动计划，将物联网上升至区域战略高度；日本将物联网列为国家重点战略之一；韩国出台了《基于IP的传感器网基础设施构建基本规划》，将物联网确定为新增长动力。日本提出了U-Japan计划构想，韩国提出了U-Korea战略及IT839战略，新加坡和中国台湾等都发布了泛在网络部署计划。目前，全球物联网相关的技术标准、应用服务和产业发展还处于起步阶段。ISO/IEC（国际标准化组织及国际电工委员会）在传感器网络、ITU-T（国际电信联盟远程通信标准化组）在泛在网络、ETSI（欧洲电信标准化协会）在物联网、IEEE（美国电气和电子工程师协会）在近距离无线通信、IETF（互联网工程任务组）在IPv6（下一版本的互联网协议）的应用、3GPP（第三代合作伙伴计划）在M2M（机器与机器）等方面纷纷启动了相关标准研究工作，竞争日益激烈，全球应用主要集中在交通物流、工业控制、环境监控、智能安防等行业领域，通信运营商纷纷开发M2M业务与应用，面向公众的应用刚刚起步，大多仍处于试验阶段。我国在1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中提出无线传感器网络，并将它作为该领域的重大项目之一。中国科学院和国家科技部在无线传感器网络方向上先后陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目。我国将物联网作为战略性新兴产业予以重点关注和推进。国务院2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》中关于“重要领域及其优先主题”、“重大专项”和“前沿技术”部分均有涉及传感网和物联网的内容。温家宝总理2009年11月3日在向首都科技界发表题为“让科技引领中国可持续发展”的讲话时明确指出“要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的‘发动机’”。2009年9月11日，工业和信息化部副部长奚国华宣布中国传感网标准工作组正式成立，这成为了中国系统化研究传感网的重要里程碑。在2010年的两会上，温家宝总理首次在政府工作报告中涉及物联网内容，并提出大力发展物联网产业，会上也有多位代表提出将物联网提升为国家战略。北京、江苏、广东、浙江、上海等地方政府已开始抓紧布局。我国在国家自然科学基金、国家“863”计划、国家科技重大专项（新一代宽带无线移动通信网）等科技计划中已部署物联网相关技术研究。2010年8月通过评审的973计划中，有3项物联网项目获批（首席单位：北京邮电大学、同济大学、中科院上海微系统所），共涉及物联网标准、体系结构等。我国在芯片、通信协议、网络管理、协同处理、智能计算等领域组织开展了技术攻关，并已取得了初步的成果，并在IEEE短距离无线通信、3GPP移动网络优化、ISO/IEC物联网体系架构标准研究等方面已实现局部突破。国内成立了传感器网络标准工作组、泛在网技术委员会，正在开展传感器网络接口、标识、安全、传感器网络与通信网融合发展、泛在网体系架构等相关技术标准的研究。物联网相关技术在国内交通、物流、灾情监测、环保、医疗等领域已经开展应用，在智能电网、智能安防等方面的应用也开始实施，电信运营商开展了多种M2M业务应用，并积极推进传感器网络与3G移动通信网络的融合。我国已具有了一定的物联网发展基础，但还存在许多问题，主要是缺乏具有自主知识产权的核心技术，产业规模小、分布散、产业链发育不健全，应用水平低、范围窄、用户需求有待培育，标准体系尚未建立等。2物联网发展重点2.1物联网关键技术2.1.1新型传感器及传感节点研发技术通过新原理、新材料、新能源和新结构的研发，开发新型传感器技术，提升传感器性能；着力研发超高射频识别和各类物理、化学、生物信息传感器的设计；以低功耗、小型化、高性能为目标推动传感节点集成化，通过片上系统设计、生产、封装和测试技术及工艺的开发，实现传感节点中的感知单元、处理单元、传输单元和电源单元的高度集成；加快传感节点专用操作系统、微组装技术研发，加快传感节点及组成单元的工艺和设备技术研发。2.1.2传感节点组网与协同处理技术研究不同应用场景下传感节点的通信技术与组网技术。重点研发网络体系架构、通信芯片技术、大规模自治组网与可靠信息交互技术、协同检测与数据处理技术、分布式处理技术、多网融合技术、网络管理技术以及网络安全等技术，实现传感节点之间有效、可靠、安全的信息交互与协同处理。研究物联网地址编码技术、推动相关协议和技术标准的建立，大力发展网关技术，实现多网无缝接入与信息交互标准化，推动多样化应用和业务的快速发展。2.1.3短距离无线通信技术集中攻关WLAN、UWB、Zigbee、NFC、高频RFID等核心等距离无线通信技术，研究物联网短距离通信与3G等远距离通信混合组网技术，研制相关接口、接入网关设备，着力形成模块化产品，并推动接和设计的标准化工作。2.1.4物联网软件及系统集成技术针对应用，加快系统级软件开发，重点研究网络集成、多功能集成、软硬件操作界面基础和系统集成、智能控制系统、数据库软件、中间件等基础性软件；针对多网融合需求，加大应用管理和服务软件，以及信息服务平台技术的开发力度，以推动物联网应用的快速发展。2.1.5物联网应用抽象及标准化技术重点突破设备软件系统级抽象技术、平台软件开发环境和开发工具技术、核心框架及中间件构造、应用服务级抽象与标准化的上层接口设计技术、应用描述及服务数据结构规范化