物聯(lián)網(wǎng)的研究進展與未來展望

引言

物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings）被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。物聯(lián)網(wǎng)一詞最早是在1999年由美國麻省理工Auto-IDCenterC自動識別研究中心）提出來的。日本早在2004年就提出了“U-Japan”戰(zhàn)略計劃，韓國在2006年提出“U-Korea”戰(zhàn)略,這些都是從國家工業(yè)角度提出的重大信息發(fā)展計劃。2009年1月8日，IBM首席執(zhí)行官彭明盛提出“智慧地球”這一概念，他提出“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)=智慧地球”，物聯(lián)網(wǎng)被美國政府列為振興經(jīng)濟的一大重點。

在我國國內(nèi)，借助政府層面的推動以及政策的支持，物聯(lián)網(wǎng)正在快速得到市場的積極響應(yīng)工。2009年8月，溫家寶在中科院無錫高科微納傳感網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時，提出了建立中國的傳感中心，或者叫“感知中國2009年秋，在北京國際通信展期間，中國移動正式推出關(guān)于“物聯(lián)網(wǎng)”的家庭安防等應(yīng)用。

1  物聯(lián)網(wǎng)的定義

物聯(lián)網(wǎng)的概念最早是由美國麻省理工學(xué)院的Auto-IDCenter（自動識別研究中心）在1999年提出來的。他們對物聯(lián)網(wǎng)的定義為：物聯(lián)網(wǎng)是指通過RFID（RadioFrequencyIdentification,射頻識別）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議，把任何商品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

2009年9月，在北京舉辦的物聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)環(huán)境中歐研討會上，歐盟委員會信息和社會媒體司RFID部門負責(zé)人LorentFerderix博士給出了歐盟對物聯(lián)網(wǎng)的定義:物聯(lián)網(wǎng)是一個動態(tài)的全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，它具有基于標(biāo)準(zhǔn)和互操作通信協(xié)議的自組織能力，其中物理的和虛擬的“物”具有身份標(biāo)識、物理屬性、虛擬的特性和智能的接口，并可與信息網(wǎng)絡(luò)無縫整合。

溫家寶總理在十一屆人大三次會議所作的政府工作報告中對物聯(lián)網(wǎng)的定義為:物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

中國工程院院士、航天科工集團公司二院科技委常務(wù)副主任李伯虎對物聯(lián)網(wǎng)的定義是:物聯(lián)網(wǎng)是通過識別、感知技術(shù)與設(shè)備獲取物體/環(huán)境的靜/動態(tài)信息，再由網(wǎng)絡(luò)傳輸通信技術(shù)與設(shè)備進行信息/知識的交換和通信，并最終經(jīng)智能信息/知識處理技術(shù)與設(shè)備實現(xiàn)物體/物理世界的智能化管理與控制的一種“人物互聯(lián)、物物互聯(lián)、人人互聯(lián)”的高效能、智能化網(wǎng)絡(luò)。

2 物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)

從技術(shù)架構(gòu)上看,物聯(lián)網(wǎng)可分為三層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層是由各種傳感器以及傳感網(wǎng)關(guān)構(gòu)成的，該層的主要任務(wù)是對物體的各種信息的及時、全面的感知、識別、釆集、捕獲。感知層所用的技術(shù)主要有二維碼、射頻識別、電子代碼、傳感器及GPS終端、全球定位系統(tǒng)、自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。感知技術(shù)和設(shè)備要向多功能、低功耗、小型化、高可靠、低成本及多傳感器信息融合方向發(fā)展,使感知層具備更敏感、更全面的感知能力；

網(wǎng)絡(luò)層是由各種私有網(wǎng)絡(luò)、有線和無線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺組成的，該層的主要任務(wù)是基于多網(wǎng)融合化的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息的可靠傳輸。網(wǎng)絡(luò)層所用的主要技術(shù)有基于協(xié)議的天/地、有線/無線通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。傳輸技術(shù)和設(shè)備正繼續(xù)向安全、高可靠、多媒體、高帶寬、融合化方向發(fā)展；

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用，該層的主要任務(wù)是通過對物聯(lián)網(wǎng)信息的處理實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)世界中物理的識別、定位、跟蹤、運算、監(jiān)控、管理。該層的主要技術(shù)是與應(yīng)用領(lǐng)域融合的各類基于人機友好截面、高效能計算機、云計算服務(wù)、智能科學(xué)等技術(shù)的識別、定位、跟蹤、運算、監(jiān)控、管理、處理等技術(shù)。信息處理技術(shù)與設(shè)施正向智能化、普適化、高效能方向發(fā)展。

3 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

國際電信聯(lián)盟(ITU)報告提出，物聯(lián)網(wǎng)的四個關(guān)鍵性技術(shù)為RFID(射頻識別技術(shù),RadioFrequencyIdentification)、傳感器、智能技術(shù)、納米技術(shù)。而RFID又稱為四大技術(shù)之首，是物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建基礎(chǔ)和核心。

3.1  RFID射頻識別技術(shù)

RFID是一種高級的自動識別技術(shù)，利用它可通過無線射頻方式進行非接觸式的全雙工數(shù)據(jù)通信，以實現(xiàn)對實物目標(biāo)的識別。RFID技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，到了20世紀(jì)90年代進入了實用階段。RFID作為一種具備巨大發(fā)展前途的應(yīng)用技術(shù)，不僅在物流領(lǐng)域具有強大的應(yīng)用優(yōu)勢，同時在商業(yè)、交通、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域也有著廣泛的發(fā)展前途。

RFID具有快速讀寫、可遠距離、長期跟蹤管理等特點，被認為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一。與條碼的功能相比，RFID在標(biāo)簽信息容量、一次讀取數(shù)量、讀取距離、讀寫能力更新、讀取方便性、惡劣環(huán)境適應(yīng)性等方面都大大優(yōu)于條碼。

3.2  傳感技術(shù)

傳感技術(shù)是研究從自然信息源獲取的信息，并對所獲取的信息進行處理和識別的一門多學(xué)科交叉的現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)，它涉及傳感器、信息處理和識別等技術(shù)。傳感器技術(shù)同計算機技術(shù)、通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱。對于物聯(lián)網(wǎng)來說，傳感技術(shù)涉及到物聯(lián)網(wǎng)中信息的采集和處理。傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律將被測量轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。信息處理主要是指對收集到的信息所進行的變化，在信息處理的過程中不會增加信息量。識別技術(shù)主要是對處理過的信息進行分辨和歸類，利用提取的信息特征與對象的關(guān)聯(lián)模型進行分類和識別。

3.3  散入式智能技術(shù)

嵌入式智能代理技術(shù)是把智能代理和嵌入式軟件融合在一起，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢,從而提升整個系統(tǒng)性能的一種技術(shù)。嵌入式智能技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，如智能家居、智能交通、智能汽車、導(dǎo)航系統(tǒng)等。嵌入式智能技術(shù)是在Internet的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展的,能夠安全和快速地與外界進行信息交換的一種技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)中,通過嵌入式智能技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)物品的智能化，使物品可與人或機器進行信息交換。

3. 4  納米技術(shù)

納米技術(shù)是指能操作細小到0.1-100nm物件的一類高新技術(shù)。納米技術(shù)不是物聯(lián)網(wǎng)的專有技術(shù)，早在1986年美國科學(xué)家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機器》一書中就提出了分子納米技術(shù),他認為可以任意的組合所有種類的分子，可以制造出任何種類的分子結(jié)構(gòu)。生物芯片和生物傳感器等都可歸于納米技術(shù)范疇。納米技術(shù)可以使傳感器尺寸更小，精確度更高，可以大大的改善傳感器的性能。

4 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將在全球范圍內(nèi)影響生產(chǎn)和生活的方方面面物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)深入到了各個領(lǐng)域，包括車輛管理、工業(yè)生產(chǎn)線管理、動物識別、智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)控、老人護理、個人健康、零售業(yè)、自動化以及電信產(chǎn)業(yè)、國家安全、物流、航空航天、環(huán)境監(jiān)管、遠程控制等公共服務(wù)或特殊行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，具體應(yīng)用如手機支付、全球眼、空氣溫濕感應(yīng)器等。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用分類可以分為：數(shù)據(jù)采集應(yīng)用、自動化控制應(yīng)用、日常便利性應(yīng)用、定位類應(yīng)用等。

4. 1  物流管理

EPC系統(tǒng)是由EPCglobal提出的，主要是針對物流領(lǐng)域建立的物聯(lián)網(wǎng)，其目的是增加供應(yīng)鏈的可視性和可控性，使整個物流領(lǐng)域能夠借助RFID技術(shù)獲得更大的經(jīng)濟效益。

基于EPC的物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用全球統(tǒng)一的物品編碼技術(shù)、射頻識別技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的單件產(chǎn)品的跟蹤和追溯。在產(chǎn)品生產(chǎn)完成時，貼上存儲有EPC碼的電子標(biāo)簽，該EPC碼成為產(chǎn)品的唯一標(biāo)識，以此EPC編碼，能實時的在物聯(lián)網(wǎng)上査詢和更新產(chǎn)品的相關(guān)信息，也可以實現(xiàn)對該物品的追蹤。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的RFID閱讀器可控制射頻模塊向電子標(biāo)簽發(fā)射和讀取信號，并接受標(biāo)簽的應(yīng)答信號，同時可將對象標(biāo)識信息連帶電子標(biāo)簽上的其他信息傳輸?shù)絊avant系統(tǒng)一并處理。

4.2  日常生活

物聯(lián)網(wǎng)在日常生活中的應(yīng)用主要有交通卡、新型支付、智能家庭、工業(yè)和樓宇自動化。事實上，在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，手機起到了很大的作用。通過手機與RFID的鏈接，可以及時掌握生活以及工作中的很多信息，同時可以通過手機來控制相關(guān)設(shè)備。與手機號碼綁定的手機支付只需用短信確認交易金額等信息即可完成交易山」。目前已實現(xiàn)手機支付的范圍包括手機購彩票,手機購電影票，手機影音書刊俱樂部等。通過手機和銀行帳號綁定，利用手機錢包就可以進行商品買賣、支付保險、交通養(yǎng)路費、水電費等項。

4. 3  數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集類應(yīng)用主要體現(xiàn)在公共事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、機械制造、零售業(yè)連鎖行業(yè)和質(zhì)量監(jiān)管行業(yè)。沃爾瑪2005年已有100個供應(yīng)商的貨箱貨盤開始采用RFID/EPC標(biāo)簽加上2006年第二批的200家以及2007年的300家。到2007年初沃爾瑪采用RFID/EPC的供應(yīng)商超過600家。同時，到2005年十月底，沃爾瑪已有500家商店、俱樂部和5個配送中心采用了RFID/EPC技術(shù)。

4.4  對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的研究

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的同時，對于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的研究也在不斷的發(fā)展中。賈凱，劉建生研究了物聯(lián)網(wǎng)在我國醫(yī)藥流通中的應(yīng)用。分析了物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)藥流通中的應(yīng)用框架和應(yīng)用流程。指出應(yīng)用框架整體上可分為射頻識別系統(tǒng)和信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兩部分。研究對流通過程中廣品的追蹤和識別，從而達到對藥品信息及時、準(zhǔn)確地采集與共享。謝勇，王紅衛(wèi)研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的自動入庫管理系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)來獲取產(chǎn)品的詳細信息并自動生成入庫單,在產(chǎn)品識別和產(chǎn)品信息的獲取兩個方面，利用電子標(biāo)簽作為產(chǎn)品識別的手段,利用物聯(lián)網(wǎng)來獲取入庫產(chǎn)品的詳細信息。在無線城市的研究方面，洪煜，李粵項認為物聯(lián)網(wǎng)概念的提出為解決缺乏核心應(yīng)用這個問題提供了一條思路，對人類而言，神經(jīng)是身體感應(yīng)外界刺激最為敏感的工具,而物聯(lián)網(wǎng)就是無線城市的一條神經(jīng)系統(tǒng)。高嵩，馬斌，孫偉松研究了物聯(lián)網(wǎng)在特種設(shè)備檢驗方面的應(yīng)用空。

5 存在的問題

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展仍然處在一個起步階段，還不成熟，無論是規(guī)劃、技術(shù)、管理、協(xié)調(diào)、合作等方面，都有很多問題有待解決。本文認為，在這些問題中，最受關(guān)注的是安全問題和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)問題。

5.1  安全問題

物聯(lián)網(wǎng)不只是M2M（MachinetoMachine，"機器”對“機器”）之間的聯(lián)系，它也包括人、機器和無線終端之間的聯(lián)系口」。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的日益普及，也使得它所涉及的安全問題越來越突出。大量的數(shù)據(jù)及用戶隱私如何得到保護，就成為有待解決的問題。在射頻識別系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽會被大量使用，任何物體中都有可能會植入電子標(biāo)簽，當(dāng)植入電子標(biāo)簽的物體進入到能夠識別的區(qū)域時，就會受到掃描、追蹤，其中的信息會被讀取，這對該物體的所有者來說既是侵犯其隱私。電子標(biāo)簽中的信息如果被惡意修改，將帶來無法估量的損失。因此，企業(yè)之間應(yīng)采用安全的私有連接，數(shù)據(jù)應(yīng)該進行加密，而且應(yīng)采用某種健壯的密鑰體系來進行身份驗證，以防御數(shù)據(jù)監(jiān)聽、篡改、破壞以及身份偽造等無意或惡意的網(wǎng)絡(luò)攻擊行為"。