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IT 领域即将到来的一场革命——物联网 “南湖教工百家讲坛”第四讲 蔡国强

管宇 插图

大概也就只有一年多的时间,物联网这个新名词已得到快速升温,并且正在成为一个 广泛关注的热点话题,报刊、杂志上时而能见到这个名字。 今年 7 月 13 日,上海物联网中心在嘉定奠基建造,上海市副市长艾宝俊和中科院副院 长江绵恒参加了奠基仪式。 作为一项新生事物,物联网在这几年的发展呈现出如下特征: 1.发展非常迅速,可以用“迅猛”一词来形容。 2.虽然发展迅猛,但同时又表现地比较“低调”,许多人对它的认识还不太清楚,甚 至还有人从未听说过。 3.与前两次信息革命截然不同,作为第三次信息革命的组成部分,我国在物联网研究 方面走在世界的前列,拥有较大的发言权。 4.国家非常重视,温家宝总理,吴邦国委员长等国家领导人在许多场合都为此作过重 要讲话。温家宝总理还为物联网作过定义,并提出了“感知中国”这个名词。 5.我国已建成了物联网的一些实例。如: 2004 年由中国电信开发的“全球眼”就是物联网的一种应用。 在浦东机场和世博会现场,防入侵传感网“电子围栏”已建成并投入使用,浦东机场 的防入侵传感网是目前世界上规模最大的。 在上海,智能电网和智能电表已进入了样板房,并将在 2014 年进行大力推广。 2010 年 9 月 28 日,在建的沪杭高铁进行了车辆试运行,国产 CRH380A 型“和谐号” 动车组列车跑出了时速 416.6 公里的成绩,创造了世界铁路运营试验的最高速。在此次的试 验列车下方,安装了一千多个传感器,实时监测每一组数据,列车每跑五公里便产生一份测 试报告,为我国今后的高铁建设提供了宝贵的资料和数据。这也是一个物联网应用的一个案 例。 在刚结束的世博会上, “电子围栏”为 3.28 平方公里的园区提供 24 小时的防护,作用 抵得上成百上千名保安、警察的轮番值守,红外、震动等各种传感器时刻感知并辨别各种入 侵,大风吹落的树叶、游客无意的触碰,或是有人恶意的闯入,它都能一一区分。微型雷达 能侦探到低空抛物的入侵,另有一些传感器被埋于地下,时刻监听地下挖掘的声音,防止地 下入侵。 现在,我国山东、福建、河南等许多省份都在积极进行物联网的研究与建设。 从物联网的性质和发展趋势看,物联网给人类社会带来的影响和变革,将要远大于互联 网。而且来势迅猛。 那么,物联网到底是一种什么样的新型网络,它与我们每天使用的因特网又有什么区 别呢?

一、“物联网”和“计算机网”的比较 1


目前大量使用的计算机网络,包括互联网在内,是用联网设备(网卡、中继站、集线 器、路由器、网线等)将许许多多的计算机联结而成的,如图 1 所示。

图 1 计算机网络示意图

在计算机网络中,联网的主角是计算机,这些计算机可分为服务器和客户机两类。 对整个计算机网络而言,正常运行时除了要有上面这些硬件外,还要有软件,如:网 络操作系统、网络协议等。 而在物联网系统中,联网的主角是各种物体,包括我们人在内,如图 2、图 3 所示。 按照物联网的设计理念,参加联网的可以是人们使用的任何一种设备,它们之间的通信方式 可以采用任何一种现有的通信方式。

图 2 物联网示意图

图 3 物联网示意图

与计算机网络最大的区别是:物联网中参加联网的对象可以是任何物体,包括人在内。 与计算机网络类似,物联网中也要有包含网络操作系统在内的网络软件。

二、物联网的定义 作为一项新事物,物联网到现在还没有一个统一的标准定义,一般可以这样认为: 通过信息传感设备,按约定的网络协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息的 2


交换与通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。这些信息传感设备 包括射频识别装置 RFID、传感器、红外线感应器、全球定位系统 GPS、激光扫描器等。 对物联网相对比较标准的定义是由国际电信联盟给出的: 物联网把新一代 IT 技术充分运用在各行各业之中,具体地说,就是把感应器嵌入和装 备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中,然 后将“物联网”与现有的互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合,在这个整合的网 络当中,存在能力超级强大的中心计算机群,能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础 设施实施实时的管理和控制,在此基础上,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。 2010 年 3 月 5 日,温家宝总理在十一届人大三次会议上所作的政府工作报告中,对 物联网作了这样的定义: 物联网是指通过信息传感设备,按照约定的协议,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。它是在互联 网基础上延伸和扩展的网络。 另外,还有一些国家和组织也对物联网作出了定义。 虽然关于物联网的定义很多,但从我国的国情出发,温家宝总理对物联网作的定义相 对具体而且具有明确的指导作用。 不光是“物联网”本身,物联网技术中的许多概念到现在也都还没有一个非常明确的定 义。 国际电信联盟在 2005 年的一份报告曾描绘“物联网”时代的图景:当司机出现操作 失误时汽车会自动报警;公文包会提醒主人忘带了什么东西;衣服会“告诉”洗衣机对颜色 和水温的要求等等。

三、物联网的基本概念 (一)基本内涵 从“物联网”这三个字的中文字面上来看,它只反映“将物体和物体互相之间连接起 来的网络”这样一个概念;但从它的英文名字“The Internet of Things”上看,可以发现,其 内涵应该包含两方面的意思:一是物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础之上 延伸和扩展的一种网络;二是其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间,可以包括我们 人在内,这可以从“Thing”这个词可以看出。 单纯地将物体和物体、或者物体和人联接起来,是没有多大意义的,比如,单纯把一 杯水和用户联在一起,则没有多大的意义。但如果在联接以后,能够告诉用户这杯水是用何 种茶叶泡出来的?现在的温度是多少?里面含有哪些矿物质?茶中的农药残留是多少?那 就非常的有用了。 又比如,现在的电子警察只能监测汽车的车流量、抓拍交通违章等,却不能做到安全 预警,但物联网就行。当你开车上一座高桥时,由于无法看到桥另一端的情况,如果这时另 一端正好有一个人在穿马路,就难免会发生交通事故。但如果我们在桥面下方安装了传感网, 3


并与你车上的传感网终端或手机相联接,那么一旦桥那端有人过马路,马上就会通过传感网 告诉你,就能避免交通事故的发生。 有人测算过,提前几秒钟刹车就可避免 90%以上的交通事故,而我国每年因交通事故 死亡的人数有近十万,如果能通过传感网实现交通安全预警,那将会挽救多少人的生命?

图 4 物联网应用实例示意图 这里要强调的是,物联网的精髓是在“感知”,并不是在联接。温家宝总理提出“感知 中国”的概念,是最形象和恰当的了。 (二)物联网的框架结构 可以用图 5 的形式来表示物联网的框架结构。

感知前端

数据传输

射频识别RFID、传感

第二代互联等

器、全球定位系统

一切通信手段,形式

GPS、激光扫描器等。

包括有线和无线。

感知终端

个人电脑 3G手机 PDA

图 5 物联网的框架结构

总的来说,物联网包括“感知前端” 、“数据传输”和“感知终端”三个部分。 1.感知前端 在物联网体系中, “感知前端”负责感知或获取“物”的状态等信息,并对“物”进行 操作或控制。它是物联网的神经末端和触角,在整个物联网体系中占有非常重要的地位,包 括所有能实现感知、操作控制的技术,用得较多的有 RFID、传感器等。 有了“感知前端”,就能获得物体现有状态的信息,或者说物体就变得“有感觉、有知 4


觉”了。 2.数据传输 一个物体上的信息,既要传递给另外物体,同时又要能接受到来自另外物体的信息, 这样才能说是联网。 按照物联网的建网理念,在应用上要渗透到社会生活的各个领域,在覆盖范围上要实 现“无处不在”,因此,物联网的数据传输将会利用到现有的任何一种通信手段,包括有线 或无线的通讯网络、第二代互联网等。 目前,满足物联网要求的信息传输技术已非常成熟,尤其是第二代互联网技术的开发 成功和建成。 3.感知终端 广义地说,物联网在运行中,里面的许多物,都是“感知终端”。但这里的“感知终端” 可以狭义地理解成:向“人”反映物联网信息的设备。 能够向人显示信息的设备有许多,但目前较为理想的感知设备可以是:个人电脑、PDA (Personal Digital

Assistant)、3G 手机等。

3G(第三代)手机与前两代手机最大的区别是具有更高的数据传输速率, 从而可使互联 网技术可充分融入到 3G 手机系统中。它是物联网理想的感知终端。前两代手机由于速度的 缘故,将无法担当此重任。 从目前的发展水平看, “数据传输”和“感知终端”两方面的技术都已非常成熟,最重 要、最需要发展、技术含量最高的是第一部分 —— 感知前端。

四、发展物联网涉及的几项技术 由于物联网“无处不在”的建网理念

涉及到的技术非常广泛,下面介绍几项最常见、

也是最重要的技术。 (一)传感器 传感器是一种能够将其它物理量转换成电学量的装置,因为在实际应用中,绝大多数 的物理量都不便测量,唯有“电”这个物理量除外,所以,在自动控制等工程技术中,人们 往往先用传感器将其它物理量转换成电量,然后再对这个“电量”进行测量和控制。 其实,在我们日常生活中,许多场合都能接触到带有传感器的装置,比如:电子秤、 防盗系统、烟雾报警器、话筒、摄像头、汽车上的速度表等。 传感器种类繁多,按照工作原理来分,可分为物理传感器和化学传感器两大类,如果 按照用途来分,可分为: 压力传感器

位移传感器

液面传感器

能耗传感器

速度传感器

热敏传感器

加速度传感器

射线辐射传感器

振动传感器

湿敏传感器

磁敏传感器

气敏传感器 5


真空度传感器

生物传感器

等等……

图 6 传感器 在物联网中,传感器主要用于获得物体的实时“信息”, 也就是当前物理量的大 小,如温度、速度、位置等。 在某些类型的机器人身上,就装有许多种类的传感器,在机器人领域,传感器又称为 电五官。

(二) 传感器网 任何技术的发展都具有传承性,物联网也不例外,人们研发物联网,当初也是从最简 单的形式——传感器网开始的。 传感器网最初的形式是由传感器节点和控制节点组成的局域无线网络,这一形式称为 狭义传感器网络;后来,人们将互联网加入到传感器网络中,从而能将传感器网中的信息传 送给更远的用户,这种结构形式称为广义传感器网络;在广义传感器网络的基础上,再加入 更多的可以感知外界信息的部件, (主要是 RFID,以及所有能有助于物与物、物与人之间交 换信息的感知部件),就构成了当前讨论的物联网的概念。 狭义和广义形式的传感网技术目前已非常成熟,并已在一定范围内得到了应用。如中 国电信的“全球眼”,世博会上的防入侵网、智能电网等。 传感器网技术和互联网技术一起构成了物联网的两大基础技术。

(三) RFID 技术 使用传感器可以获取物联网中物体的实时信息,但是,网络的正常运行还需要满足另 外一个条件 —— 个体识别。 在互联网中,是采用 IP 地址对计算机进行唯一标识的,在物联网使用的下一代互联 网条件下,用 IP 地址来区分联网的个体也是可行的,但 IP 地址是用于信息传输时路由定位 的技术,并不是专门根据个体信息对个体进行标识的技术。 物联网中可采用识别技术有很多,其中优点明显、成熟、也最有希望大量使用的是 RFID 技术。 RFID 是英文(Radio Frequency ID)射频标识的缩写,该技术由美国麻省理工学院的 自动识别研究中心开发,旨在通过互联网平台,利用射频识别、无线数据通信等技术,构造 一个实现全球物品信息实时共享的物联网。 6


RFID 设备由电子标签和阅读器两部分构成,电子标签固定在产品上,里面存放着反映 产品信息的 EPC(Electronic Product Code)编码。每个标签包含一个唯一的电子产品代码, 可以对所有实体对象提供一个唯一的有效标识。 RFID 电子标签的核心部分是集成电路芯片,根据是否含有电源而分为有源和无源两种 类型,图 7 是无源 RFID 设备的工作示意图。

图 7 无源 RFID 设备工作示意图

当附有电子标签的产品通过由识读器产生的射频区域时(即电磁波覆盖区),识读器发 出询问信号并向电子标签提供电磁能量,标签获得能量后,就向识读器返回存储在芯片中的 EPC数据信息。 网络中传输的是数字代码,但绝大多数的物体本身并不能直接产生数字代码,使用 RFID 设备的目的,就是帮助其产生一个标识其“身份”等信息的数字代码,从而使这个物 体能“自动开口说话”,再借助于因特网等技术,就可以将这个物体接入物联网,人们就可 以和物体对话,物体和物体之间也能够“交流” ,RFID 是解决身份识别的关键技术。 图 8 中显示的是 RFID 电子标签和手持式阅读器

图8

RFID 电子标签和手持式阅读器

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RFID 技术有点象超市等场合用到的条形码技术,但与后者有着本质的区别。 条形码识别技术存在着以下一些局限性: 1.只能识别一类产品,不能识别单品。如在超市中,只能识别出牛奶这一类产品,并 不能识别出是哪一包牛奶。 2.条形码是“可视”识别技术,扫描仪必须“看见”条码才能读取它,这意味着必须 将条形码对准扫描仪才有效。而且同时只能识别一件物品。 3.如遇到条形码被撕裂、污损或脱落,就无法扫描这些商品。 4.条形码是索引代码,必须实时和数据库联系,从数据库中寻找完整的描述数据 5.不能做到真正的“一物一码”,对每一个商品的管理不到位,无法实现对产品的实 时追踪。 6.没有分类和属性信息,不能实现分类查询、统计等应用。

RFID 技术克服了以上这些不足,并还具有以下突出的特点: 1.EPC 编码的信息容量极大,可唯一地标识每一个物体 2.可以非接触识别,即不一定要“看见”,甚至中间可以隔着障碍物��� 3.可以识别高速运动物体。 4.抗恶劣环境,不存在撕裂、污损或脱落等情况。 5.保密性强。 6.可同时识别多个对象。 RFID 具有快速读写、距离远、长期跟踪管理等特点,被认为是 21 世纪最有发展前途 的信息技术之一,作为物联网发展的上游产业,特别是最具有潜力的超高频 RFID,物联网 的到来将加速其产业的发展。反过来,RFID 也将有力地推动物联网的发展。

(四) EPC 系统和 EPC 编码 EPC 是英文 Electronic Product Code(电子产品编码)的缩写,RFID 标签芯片中存放 的就是 EPC 编码。EPC 编码标识范围巨大,能够给厂方的每一种产品提供一个唯一的编码。 EPC 标签芯片的面积不足一平方毫米,有 128 字节的信息存储容量,其中含有两组数 字,一组用来代表制造商及其产品,另一组用来唯一地标识单个产品。它能标识的容量上限 是:全球 2.68 亿家公司,每个公司生产 1600 万种产品,每种产品生产 680 亿个,如此之大 的标识容量甚至可以将全球每年生产的谷物逐粒标识清楚。所以,使用 EPC 系统可以给每 一个实体对象一个唯一的代码, EPC 系统是集编码技术、 射频标识技术和网络技术为一体的新兴技术,一个完整的 EPC 工作系统由 EPC 标签、阅读器、Savant 服务器、Internet、ONS(对象名称解析服务)服务 器、PML(实体标记语言)服务器以及众多的数据库组成。 EPC 和 RFID 的逻辑关系是: EPC 系统(物联网)

=

EPC 编码+RFID+Internet

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(五) 第二代互联网 物联网的远程数据传输和数据的广泛共享最终都离不开互联网,当前以 IPv4(Internet Protocol Vertion 4 互联网协议第 4 版)为主体的互联网在 IP 地址容量和数据传输速度方面 不能满足物联网的要求。物联网要求互联网具有可以为世界上万事万物分配IP地址、同时 又能快速传输海量数据的能力。 幸运的是,以 IPv6(Internet Protocol Vertion 6 互联网协议第 6 版)为主体的第二代 互联网能完全满足这些要求,并已开发成功。 这一次,与磁悬浮列车相似,我国走在了世界前列。2004 年,我国开创性地建成了世 界上第一个纯 IPv6 主干网 —— 第二代教育和科研计算机网,首次在全国主干网中大规模 使用国产的 IPv6 路由器。目前,已与全国 20 多个城市的 167 所高校科研机构进行了互联, 并与欧、美、亚太地区的第二代互联网高速互联,其传输速度是当前各国使用的第一代互联 网的 100 多倍。 目前,我国在第二代互联网方面已掌握了成熟的技术,并且已经开始对互联网的产业 升级,为我国发展物联网产业提供了良好的条件,也为我国在世界第二代互联网竞争中奠定 了重要的地位。 与现在的第一代互联网相比,第二代互联网的主要特征有: 1. 传输速度更快,是第一代互联网的 100 多倍。 2. 地址空间更大,采用 128 位形式的IP地址,能产生 2128 个IP地址,IP地 址资源极端丰富。因为,212 是如此之大的一个数字,足以使地球上的每一粒砂 子都分到一个IP 地址,不再需要现在的地址转换。 3. 网络信息更安全,可采用“实名制” 。 4. 数据传送更及时,可大规模开发实时交互应用。 传输速度快、地址范围大,这两个第二代互联网最基本的特征,正好满足了物联网的 对网络的基本要求。

五、物联网概念的产生与发展 物联网概念的发展可追溯到 1995 年,比尔.盖茨在他的《未来之路》一书中首次提到 了物联网,但由于受当时无线网络及硬件等方面的发展限制,并没有引起人们的注意。 1999 年,在美国召开的《移动计算和网络》国际会议上提出:传感网是 21 世纪人类 面临的又一个发展机遇,传感网的重要性首次得到了学术界的肯定。 2003 年,美国《技术评论》杂志提出,在未来改变人们生活的十大技术中,传感网络 技术位于之首。 2005 年,国际电信联盟在信息社会世界峰会上发布了《互联网报告 2005:物联网》报 告,正式提出了“物联网”这一概念。根据国际电信联盟的描述,无所不在的物联网通信时 代即将来临,在物联网时代,通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器, 人类在信息和通信世界里将获得一个新的沟通维度,将从人与人之间的沟通连接扩展到人与 物或物与物之间的沟通连接。 9


2009 年,就任美国总统不久的奥巴马,与 IBM 公司首席执行官彭明盛举行了圆桌会 议,会上,彭明盛首次提出了“智慧地球”的概念,建议美国政府投资物联网这一智慧型基 础设施。“智慧地球”这一概念随后受到美国各界的高度关注,有分析认为,这一构想极有 可能上升到美国的国家战略,并在世界范围内产生影响。 互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略引发的。上世纪九十年代,克 林顿政府利用互联网革命把美国带出当时的经济低谷,创造出了巨大的经济效益和社会效 益。今天, “智慧地球”战略被不少美国人认为与当年的“信息高速公路”有许多相似之处, 同样被他们认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。 IBM 前首席执行官郭士纳曾提出过一个重要的观点,认为每隔 15 年,计算模式将会 发生一次变革,请看下表: 1965 年前后

发生了以大型机为标志的变革

1980 年前后

发生了以个人电脑的普及为标志的变革

1995 年前后

发生了互联网革命

2010 年

若照以上发展情况推算,将会发生新的网络革命(物联网革命)

所以,人们称郭士纳的这一观点为“十五年周期定律”,每一次这样的技术变革,都将 会引起企业之间、产业之间甚至国家之间竞争格局的重大动荡和变化。 回顾物联网的过去,展望未来,物联网从诞生到成熟将会经历以下四个阶段: 概念形成阶段 —— 2000 年前后 技术形成阶段 —— 2010 年前后 实验验证阶段 —— 2020 年前后 应用拓展阶段 —— 2020……

六、物联网的应用 物联网用途极为广泛,涉及智能交通、现代物流、环境保护、智能电网、政府工作、公 共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。 有兴趣的朋友可以到网上去查一下如下智能家居产品的详情,定会有不少的收获。 海尔 U-home 智慧屋 西门子智能家庭 霍尼韦尔智能家庭 LG HomeNet 智慧家居

七、我国物联网的发展现状 我国中科院早在 1999 年就启动了传感网络的研究,组建了一支由 2000 多人的研究队 伍,投入了数亿元的研究经费,目前已形成从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。 2009 年 11 月,国家传感网创新示范区项目正式获国家批准。根据规划,到 2012 年建 设完成时,示范区将拥有较大规模的各类传感网企业 500 家以上,销售额 10 亿以上的龙头 企业有 5 家以上,产业规模达 1000 亿元,到 2015 年,产业规模将达 2500 亿元。 10


总体而言,在物联网这个全新的领域,我国的技术研发和产业化水平已经处于世界领 先的地位,在世界上拥有的话语权。当前,由政府主导、产学研相结合共同推动发展的良好 态势正在形成。 但同时,从实用的角度上看,我国物联网的产业、技术还处于概念和研发阶段,物联 网的整个产业模式还没有彻底形成,处于起步阶段。但从目前的实际情况看,物联网的发展 趋势是令人振奋的,未来的产业空间是巨大的。 这里还得谈一下作为物联网中枢之一的 RFID 技术,根据工作频率,RFID 可分为低频、 中频和高频,频率越高,应用价值就越高,但技术含量也越高。 纵观全球 RFID 产业,我国已经在高频应用领域占据了世界第一的位置,已形成从芯 片设计、制造、封装和读写机具设计、制造到应用的成熟的产业链。而在国际上重点发展的 超高频领域,我国的研究与应用也加紧了追赶的步伐。但在超高频领域,与国际先进水平相 比,还存在着以下这些瓶颈: 1. 企业技术研发水平薄弱 2. RFID 标签成本过高,限止了其应用范围的扩大 3. 推广中困难重重 4. 缺乏国家标准 5. 行业人才匮乏

八、物联网发展面临的问题 物联网作为一个新兴产业,其发展必将受到很多因素的制约,有观念、体制、机制、 技术、安全等方面的。目前大约有以下几个方面: 1.

国家安全问题成为首要的技术重点

2.

保证个人隐私不被侵犯

3.

物联网商用模式有待完善

4.

物联网的相关政策和法规

5.

技术标准的统一与协调

6.

管理平台的开发

7.

行业内需建立相关的体系

8.

应用的开发

互联网的浪潮刚过,物联网的波涛已扑面而来。以“感知”为特征的物联网被称为是 信息产业的第三次浪潮,物联网已位居我国 5 大战略性新兴产业的第二位,通过物联网,可 以在传统工业、交通管理、物流配送、国防军事、医疗健康等各个领域,建立起能在物体和 物体或物体和人之间进行信息沟通的智能系统,必将对整个社会和人们生活,产生重大的影 响。 回顾历史,不知是巧合还是有意,在大的危机之后,总会有新的行业诞生,引领经济 11


的复苏和发展,带动经济进入新的上升期。1857 年的世界经济危机,引发了以电气革命为 标志的第二次技术革命;1929 年的世界经济危机,引发了以电子、航空、核能为标志的第 三次技术革命;20 世纪末,东南亚金融危机后,诞生了互联网这一新兴行业;现在,新的 金融危机余波未了,物联网逐渐成为人们眼中的救世主,包括美国在内的一些国家正在试图 借助“物联网”走出经济泥潭。 许多专家大胆预测,物联网将成为推动下一轮经济增长的特别重要的手段。

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教工百家讲坛第4期