物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實踐

物聯(lián)網(wǎng)簡介

物聯(lián)網(wǎng)的概念，早在1995年，國內(nèi)許多高校和研究所就有所研究，但真正讓國際上接受的，是美國IBM向奧巴馬提出的即互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)=智慧地球。奧巴馬認為，物聯(lián)網(wǎng)是下一代革命性的技術(shù)。今年8月7號，溫總理到無錫考察后，物聯(lián)網(wǎng)才真正得到大家的重視。

關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的定義，我有兩點補充:第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò);第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。 實際上，互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了人與人之間的信息交互，而物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了人與物、物與物之間的信息交互，因此它的范圍有了很大的推廣。

物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成有這幾個方面:傳感器(SENSOR)/攝像頭、無線射頻(RFID)、無線傳感網(wǎng)(WSN)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、互連網(wǎng)(INTERNET)，當然在識別端還有一些別的設(shè)備，這里就不一一介紹了。總之，它是一個范圍更廣泛的網(wǎng)絡(luò)。所以，物聯(lián)網(wǎng)的功能實現(xiàn)了對物體的智能識別、跟蹤、定位、監(jiān)控和管理。

物聯(lián)網(wǎng)有三層的架構(gòu):最下面一層是物物網(wǎng)絡(luò)，即利用各種傳感器、RFID形成的物體與物體之間進行身份識別和數(shù)據(jù)交流的網(wǎng)絡(luò)，也就是數(shù)據(jù)采集層。當數(shù)據(jù)匯集到一起，會匯集到第二層——泛在接入層，也就是數(shù)據(jù)傳輸層。現(xiàn)在所有的網(wǎng)絡(luò)形式，包括有線的和無線的，以及無線網(wǎng)絡(luò)形式中的無線局域網(wǎng)、2G、3G，等，都是一種有效的傳輸結(jié)構(gòu)。在最上一層，即數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交互層，包括存儲、計算，甚至云計算的概念。因此，物聯(lián)網(wǎng)是一個有三層架構(gòu)的，沒有統(tǒng)一組合的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每一種應(yīng)用都是一種不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的組合，例如RFID+互聯(lián)網(wǎng)、傳感器+傳感網(wǎng)+互聯(lián)網(wǎng)、有時與有線網(wǎng)絡(luò)連接、有時與無線網(wǎng)路連接，因此它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是不固定的、非常靈活的組織結(jié)構(gòu)。而最重要的架構(gòu)就是更好地適應(yīng)應(yīng)用需求的架構(gòu)。

物聯(lián)網(wǎng)核心:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

談到物聯(lián)網(wǎng)，我們不得不要回顧一下IBM 在2008年提出的“智慧地球(Smarter Planet)”概念。所謂智慧地球，就是在數(shù)字地球和智能地球概念基礎(chǔ)上提升層次，上升到擬人化、有智慧的地球的概念。其核心是無處不在的智能對象，被無處不達的網(wǎng)絡(luò)與人連接在一起，再被無所不能的超級計算機調(diào)度和控制，將廣泛的應(yīng)用人的生活領(lǐng)域。 這個概念非常廣泛，用一個形象的比喻，智慧地球就像人的大腦(如下圖)。

物聯(lián)網(wǎng)有很多環(huán)節(jié)組成，其中的重點，即研究的核心，是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指大規(guī)模、高密度、隨機布置、自組織多跳的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的無線通訊、數(shù)據(jù)交換以及與各種傳感器連接。

下圖是典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲構(gòu)成。

與一般網(wǎng)絡(luò)比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有以下幾個特點:

一是低功耗:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用都需要組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)備具有低的功耗，如對轉(zhuǎn)動設(shè)備的監(jiān)測，大規(guī)模部署造成換電池困難的場合。

二是低成本:設(shè)備的數(shù)量比較大時，節(jié)點的成本是一個必需要考慮的問題。

三是通信距離近:通常從幾十米到幾百米，合局域的大密度的布置。

四是自組織:不依賴基礎(chǔ)設(shè)施，通過多跳路由形成自組織網(wǎng)絡(luò)。

五是容錯能力強:傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件必須具有很強的容錯性，以保證系統(tǒng)具有高強壯性，以適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

六是數(shù)據(jù)吞吐率低:相對于藍牙(IEEE 802.15.1)和其它的WPANs和WLANs，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對于數(shù)據(jù)吞吐量的要求是有限的 。

因此，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點以及容易與各種傳感器和其他網(wǎng)絡(luò)形式融合的優(yōu)勢，可以很好的智能識別、智能檢測和精確定位等功能。美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分別評為21世紀最有影響的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一之首。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用及實際案例

目前，物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了三類功能的應(yīng)用:

第一類功能是智能識別。利用RFID和星狀拓撲結(jié)構(gòu)的WSN，可實現(xiàn)對物體的智能身份識別。除了應(yīng)用于大家熟悉了物流管理以外，還可廣泛應(yīng)用于城市部件、車輛、設(shè)備、物資和生物等的識別管理。

第二類功能是智能監(jiān)測。可集成多種傳感器，通過自組無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和匯總，具有不依賴基礎(chǔ)設(shè)施、組網(wǎng)靈活、免布線、免維護、低功耗等特點。可廣泛應(yīng)用于環(huán)境信息、交通流量信息、城市管網(wǎng)狀態(tài)信息，能源消耗狀況和各種設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測，為政府相關(guān)職能部門的日常管理和應(yīng)急指揮提供實時準確的數(shù)據(jù)信息。

第三類功能是定位跟蹤。基于WSN的定位跟蹤技術(shù)，通過計算信標結(jié)點和目標結(jié)點的電磁波傳輸時間來實現(xiàn)跟蹤定位。該單位技術(shù)具有定位精度高(室外可達到1米以內(nèi)的精度)、部署靈活、環(huán)境適應(yīng)性好并可實現(xiàn)室內(nèi)定位的特點。

結(jié)合這三大類應(yīng)用，有以下的實施應(yīng)用案例。

1、城市部件的管理

隨著網(wǎng)絡(luò)化實施，城市管理演化成動態(tài)的事件管理和靜態(tài)的部件管理。部件的管理都需要身份的智能識別，比如窨井蓋、廣告牌、電線桿這些都是一種部件。而很多的部件都需要審批，但是在實際管理中，審批部門和執(zhí)法部門不是同一個部門，這樣就在管理過程中產(chǎn)生了很多問題。如果我們在部件上貼上標簽，記錄所有審批的信息，那么在執(zhí)法時，就可以遠距離的收集信息，促進執(zhí)法。

2、資產(chǎn)管理

在實際生產(chǎn)生活中，經(jīng)常會遇到需要對設(shè)備進行檢修的情況。但檢修的狀態(tài)有時可能沒有記錄下來，這就給下一次檢修提供信息帶來困難。我們設(shè)計了一個系統(tǒng)，給設(shè)備上加一個標簽，把每次檢修的信息寫進去，并實時發(fā)到后臺。這樣在每次巡檢的時候，就可以了解每次的檢修情況和每臺設(shè)備的故障情況，大大提高了效率。

3、準運車輛管理

城市里除了私家車以外，有很多種類的車輛，比如垃圾車、灑水車、危險品車等等，都存在著準運車輛管理的問題。如果我們在每輛車上安裝識別、定位設(shè)備，就可以實現(xiàn)不停車的車輛證件的查處，同時各個部門還可以實現(xiàn)信息的共享。

4、城市底層數(shù)據(jù)采集

城市底層的數(shù)據(jù)采集包括交通流量、環(huán)境數(shù)據(jù)、窨井蓋管網(wǎng)的信息等，這些信息同過有線是很難采集的。如果我們通過物聯(lián)網(wǎng)有效的聯(lián)合，就可以實時地把各種各樣的底層信息采集上來，使城市管理從事后處理變成事前預(yù)防，大大提高城市管理和應(yīng)急的效率。

另外，還可以對建筑物環(huán)境及能源消耗狀態(tài)檢測，包括分區(qū)域控制和遠程抄表。

還有無線智能空調(diào)節(jié)能控制、垃圾物流管理、工業(yè)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測、人、車、物精確定位跟蹤等等。物聯(lián)網(wǎng)在港口物流、倉儲管理、建筑安全檢測、農(nóng)作物生長環(huán)境等方面都有很多的應(yīng)用。

“物聯(lián)網(wǎng)”之所以被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，是因為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展會拉動各種產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。例如它會拉動傳感器的發(fā)展，而傳感器的發(fā)展又會拉動上流新型材料的發(fā)展，也會推動芯片的發(fā)展、電池的發(fā)展等等。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)生不光是技術(shù)的發(fā)展，它還將會對管理模式上產(chǎn)生變革，因為物聯(lián)網(wǎng)將會使很多管理從事后變成事前，變成智能化管理，從而最終導(dǎo)致人類生活模式的變革，使我們的生活更舒適、更便捷、更安全、更環(huán)保，甚至使人與自然的生活更加和諧。

(作者系北京時代凌宇科技有限公司博士)

(本文根據(jù)黃孝斌在“物聯(lián)網(wǎng)和中國信息化論壇”上的演講錄音整理)