物聯網“云管端”的技術發展與應用

刁兆坤, 曹世強, 孟繁麗

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

1 物聯網概念與物聯網的“十二五”發展規劃

1.1 物聯網概念闡釋

目前對物聯網還沒有一個統一的標準定義，但從物聯網本質上看，物聯網是現代信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術提升，將各種感知技術、現代網絡技術和人工智能與自動化技術聚合與集成應用，使人與物智慧對話，創造一個智慧的世界。物聯網指的是將無處不在的末端設備和設施通過各種無線、有線的長距離和短距離通信網絡實現互聯互通、應用大集成以及基于云計算的SaaS營運等模式，在內網、專網或互聯網環境下，采用適當的信息安全保障機制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、定位追溯、報警聯動、調度指揮、預案管理、遠程控制、安全防范、遠程維保、在線升級、統計報表、決策支持、領導桌面等管理和服務功能，實現對“萬物”的“高效、節能、安全、環?！钡摹肮?、控、營”一體化。目前，物聯網發展被正式列入國家發展戰略。

1.2 物聯網“十二五”發展規劃

為抓住機遇，明確方向，突出重點，加快培育和壯大物聯網，根據我國《物聯網“十二五”發展規劃》，到2015年，我國要在核心技術研發與產業化、關鍵標準研究與制定、產業鏈條建立與完善、重大應用示范與推廣等方面取得顯著成效，初步形成創新驅動、應用牽引、協同發展、安全可控的物聯網發展格局。

首先，技術創新能力顯著增強。攻克一批物聯網核心關鍵技術，在感知、傳輸、處理、應用等技術領域取得500項以上重要研究成果；研究制定200項以上國家和行業標準；推動建設一批示范企業、重點實驗室、工程中心等創新載體，為形成持續創新能力奠定基礎。

其次，初步完成產業體系構建。形成較為完善的物聯網產業鏈，培育和發展10個產業聚集區，100家以上骨干企業，一批“專、精、特、新”的中小企業，建設一批覆蓋面廣、支撐力強的公共服務平臺，初步形成門類齊全、布局合理、結構優化的物聯網產業體系。

最后，應用規模與水平顯著提升。在經濟和社會發展領域廣泛應用，在重點行業和重點領域應用水平明顯提高，形成較為成熟的、可持續發展的運營模式，在9個重點領域完成一批應用示范工程，力爭實現規?；瘧?。

2 物聯網的“云管端”

“云管端”的概念由華為率先提出。構建“云、管、端”一體化的運營體系，將大大降低運營商單位比特的資費成本及綜合的運營成本，提供更具有競爭力的通信質量和網絡服務。“云、管、端”一體化的運營體系如圖1所示。

“云”指的是云計算。云計算的核心思想，是將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池向用戶按需服務。提供資源的網絡被稱為“云”。“云”中的資源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，按需使用，隨時擴展，按使用付費。云應用作為物聯網運營平臺的一部分，實現行業應用的業務流程，在技術上通過應用虛擬化技術讓一個物聯網行業應用的多個不同租戶共享存儲、計算能力等資源。按照云計算的思想，系統的拓撲結構包括3個層次的備份云:廣域(公共)云,區域云及本地(私有)云。按照就近服務原則，完成新注冊用戶的調度分配。云計算為用戶提供最可靠，最安全的數據存儲中心，對用戶端設備要求最低，使用方便，可以實現不同用戶設備間的數據與應用共享，為用戶使用網絡提供無限可能。通過引入云計算等新技術，構建標準化和開放性的綜合平臺，著力打造兩大應用提供模式：以綜合平臺能力開放為基礎的合作應用提供模式和以核心能力為基礎的自營應用創新提供模式。

“管”指的是信息傳送通道（或管道）?，F在管道的概念已經遠遠超過電信行業數據通信網絡的概念，它包括電信行業的固定數據通信網、移動通信網、廣電行業的有線電視網等運營商的傳輸網絡，也包括電力行業中電力線為介質的傳輸網絡、鐵路系統的數據通信網絡等行業專網?？傊灰峭瓿蓴祿鬏敼δ艿耐ǖ?，都可以把它納入“管”的范圍，是真正意義上的多網融合。通過引入先進網絡技術建成的智能化管道，向上承接綜合平臺以及聚合內容和應用，向下協同用戶終端，為用戶提供從底層網絡到上層增值應用的協同服務，著力凸顯“光速化、智能化、層次化”等特點。光速化，支持光網高帶寬接入，從EPON/GPON向10G PON等更高速率網絡演進，統籌應用FTTB、FTTH（FTTO）等接入方式，實現用戶可分配帶寬持續增長的能力，滿足原有業務質量提升及新業務引入的應用需求；智能化，融合DPI、策略控制、統一認證等智能管理新技術，完善對網絡流量和應用的深入感知與分析能力，實現基于用戶和業務的精確識別、流量管控和端到端服務質量保證；層次化，根據用戶的應用層次需求，提供居家、社區和外出的綜合信息化服務，從家庭信息化網絡、社區服務網絡和運營商基礎通信網絡3個層次，構建客戶感知良好、運營管理方便、業務開通靈活的智能化管道。

“端”指的是所有和管道相連接的作為最終觸角的設備。它包括各類傳感器、攝像頭、智能家電、POS機、遠程電表、工控機器人等。“端”作為服務載體覆蓋最終用戶。

圖1 “云、管、端”一體化的運營體系示意圖

3 物聯網“云管端”層次結構特征和體系架構

從物聯網“云管端”層次結構來看，它應該具備3個特征：

一是全面感知，即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息；

二是可靠傳遞，通過各種通信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；

圖2 物聯網體系架構圖

三是智能處理，利用云計算、模糊識別等各種智能計算技術，對海量的數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。

物聯網體系架構如圖2所示。

4 物聯網的4大網絡支撐

物聯網的發展依賴如下4大網絡的支撐，如圖3所示。

4.1 短距離無線通信網

它包括10多種已存在的短距離無線通信（如RFID、ZigBee、藍牙等）標準網絡以及組合形成的無線網狀網（Mesh Networks)。射頻識別技術（RFID）是物聯網發展的排頭兵，是市場最為關注的技術。RFID是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術，是目前比較先進的一種非接觸識別技術。以簡單RFID系統為基礎，結合已有的網絡技術、數據庫技術、中間件技術等，構筑一個由大量聯網的閱讀器和無數移動的標簽組成的，比Internet更為龐大的物聯網成為RFID技術發展的趨勢。

4.2 長距離無線通信網

它包括2G、3G、LTE等蜂窩網以及真正的長距離衛星移動通信網。無線接入網承載物聯網業務的資源配置應按照物聯網業務的區域與業務的類型靈活選擇。針對移動性高、業務區域廣、相對數據流量小、速率要求不高的業務，可選擇由現有2G 網絡承載；業務區域相對較廣、數據流量與速率有一定要求的業務，可以考慮由3G網絡承載；對于業務區域較小、數據流量與速率要求較高的業務，按其移動性要求可相應的選擇TD-LTE及WLAN網絡進行承載。

圖4 物聯網的4大網絡支撐

4.3 短距離有線通信網

主要依賴10多種現場總線（如ModBus、DeviceNet等）標準，以及PLC電力線載波等網絡。ModBus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。

4.4 長距離有線通信網

支持IP協議的網絡，包括計算機網、廣電網和電信網（三網融合）以及國家電網的通信網。所謂“三網融合”，就是指電信網、廣播電視網和計算機通信網的相互滲透、互相兼容、并逐步整合成為全世界統一的信息通信網絡。“三網融合”是為了實現網絡資源的共享，避免低水平的重復建設，形成適應性廣、容易維護、費用低的高速寬帶的多媒體基礎平臺。

5 物聯網“云管端”技術發展分析

5.1 云計算技術發展

云計算是隨著處理器技術、虛擬化技術、分布式存儲技術、寬帶互聯網技術和自動化管理技術的發展而產生的。從技術層面上講，云計算基本功能的實現取決于兩個關鍵的因素，一個是數據的存儲能力，另一個是分布式的計算能力。因此，云計算中的“云”可以再細分為“存儲云”和“計算云”，也即“云計算=存儲云+計算云”。

云計算基礎關鍵技術包括如下5大關鍵技術：

5.1.1 虛擬化技術

虛擬化是一個廣義的術語，是指計算元件在虛擬的基礎上而不是真實的基礎上運行，是一個為了簡化管理，優化資源的解決方案。如同空曠、通透的寫字樓，整個樓層幾乎看不到墻壁，用戶可以用同樣的成本構建出更加自主適用的辦公空間，進而節省成本，發揮空間最大利用率。這種把有限的固定的資源根據不同需求進行重新規劃以達到最大利用率的思路，在IT領域就叫做虛擬化技術。虛擬化能在降低費用的同時幫助將資源的利用率最大化。根據企業的需要去選擇虛擬化技術和提供商。

5.1.2 分布式文件系統

目前在云計算領域研究較為成熟以及應用較為廣泛的主要有GFS（Google Filesystem）和HDFS（Hadoop Distributed Filesystem）等。GFS是一個可擴展的分布式文件系統，用于大型的、分布式的、對大量數據進行訪問的應用。它運行于廉價的普通硬件上，但可以提供容錯功能。它可以給大量的用戶提供總體性能較高的服務。HDFS是一個分布式文件系統，其有著高容錯性的特點，并且設計用來部署在低廉的硬件上。而且它提供高傳輸率來訪問應用程序的數據，適合那些有著超大數據集的應用程序。

5.1.3 分布式計算模型

Map/Reduce是一個用于大規模數據處理的分布式計算模型，它最初是由Google工程師設計并實現的，Google已經將它完整的MapReduce論文公開發布了。其中對它的定義是，Map/Reduce是一個編程模型，是一個用于處理和生成大規模數據集的相關的實現。

5.1.4 分布式數據庫

分布式數據庫系統通常使用較小的計算機系統，每臺計算機可單獨放在一個地方，每臺計算機中都有DBMS的一份完整拷貝副本，并具有自己局部的數據庫，位于不同地點的許多計算機通過網絡互相連接，共同組成一個完整的、全局的大型數據庫。分布式數據庫中，處于各地的計算機由數據通信網絡相聯系，從而提高了系統的可靠性。

5.1.5 數據中心的構建（對象存儲的實現方式）

數據中心是全球協作的特定設備網絡，用來在Internet基礎設施上加速信息的傳遞。采用Internet接入時，只需要一臺能上網的PC加數據中心軟件即可。

5.2 智能化信息傳送管道技術發展分析

物聯網網絡提供商指數據的傳輸承載網絡服務商，以通信網為主，包括固網和移動通信網。國內3家電信運營商都已經涉足了這一領域，另外，也有廣電網絡運營商的參與。作為物聯網信息的傳送管道，由“啞管道”走向“金管道”，將通信網絡打造成物聯時代的“核心價值紐帶”具有非常意義。目前，各通信網絡運營商正以需求和應用為導向，建設和豐富物聯網平臺，在統一標準和規范的指導下，面向各類物聯網應用，采用多種模式和手段，開展物聯網業務平臺服務模式，并實現現有平臺實現有效整合。

5.3 智能化感知終端技術發展分析

物聯網終端是物聯網中連接傳感網絡層和傳輸網絡層，實現采集數據及向網絡層發送數據的設備。它擔負著數據采集、初步處理、加密、傳輸等多種功能。物聯網終端基本由外圍感知（傳感）接口、中央處理模塊和外部通信接口3個部分組成，通過外圍感知接口與傳感設備連接，如RFID讀卡器，紅外感應器，環境傳感器等，將這些傳感設備的數據進行讀取并通過中央處理模塊處理后，按照網絡協議，通過外部通信接口，如GPRS模塊、以太網接口、Wi-Fi等方式發送到以太網的指定中心處理平臺。物聯網終端屬于傳感網絡層和傳輸網絡層的中間設備，也是物聯網的關鍵設備，通過他的轉換和采集，才能將各種外部感知數據匯集和處理，并將數據通過各種網絡接口方式傳輸到互聯網中。如果沒有它的存在，傳感數據將無法送到指定位置，“物”的聯網將不復存在。

6 物聯網的應用前景

物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。物聯網一方面可以提高經濟效益，大大節約成本；另一方面可以為全球經濟的復蘇提供技術動力。目前，美國、歐盟、中國等都在投入巨資深入研究探索物聯網。

經過10多年的發展，互聯網仍然停留在虛擬世界，而融合了互聯網及感應技術的物聯網的出現，則使互聯網真正開始從虛擬走向現實。一旦物聯網大規模普及，無數的日常生活用品需要加裝小巧智能的傳感器，或者直接升級換代，給市場帶來的商機將大得難以估量。在未來10年內，物聯網就可能大規模普及，將廣泛運用于智能交通、環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、老人護理、個人健康等多個領域。美國權威咨詢機構Forrester預測，到2020年，世界上物物互聯的業務，跟人與人通信的業務相比，將達到30：1，因此，“物聯網”被稱為是下一個萬億級的通信業務。

物聯網包含如圖4所示的各種豐富應用。

圖4 物聯網應用范圍示意圖

從目前物聯網發展現狀看，首先受益的是RFID和傳感器廠商，接著是系統集成商，最后是物聯網運營商。這是因為：

（1）RFID和傳感器需求量最為廣泛，且廠商目前最了解客戶需求；

（2）物聯網涉及眾多技術和行業，系統集成需求巨大，且系統集成商有可能掌控上游供應商；

（3）物聯網的應用將從行業垂直應用向橫向擴展，對海量數據處理和信息管理需求將催生運營商巨頭。

從增長空間的角度看，增長最大的是物聯網運營商，其次是系統集成商，最小的是RFID和傳感器供應商。這是因為：

（1）物聯網運營商是新興的子行業，且未來很可能形成寡頭壟斷的格局；

（2）系統集成的需求將遠高于目前電信網和互聯網的需求；

（3）RFID和傳感器廠商由于核心技術掌握度較低，很可能形成完全競爭的格局。

7 結束語

目前，物聯網已正式列入國家重點發展的五大戰略性新興產業之一。我國“十二五”期間物聯網產業發展的重點：初步形成完整產業鏈，培育一批具有較強國際競爭力的領軍企業；突破一批核心關鍵技術，實現自主研發和技術創新。能否擁有核心自主知識產權、制定建立核心標準體系，將成為影響我國能否及時搶占物聯網產業制高點的關鍵。從目前的發展來看，行業應用將成為未來幾年物聯網產業發展的主要驅動力。成熟度較高的智能交通、城市安防、智能電網等市場前景廣闊，投資機會巨大，將成為未來幾年物聯網產業發展的重點領域。隨著物聯網相關技術、標準以及政策的發展完善，相信有更多領域會完善成熟起來。

[1] 中國物聯網“十二五”發展規劃[Z]. 2011,11.

[2] 移動互聯網應用協議特別組（TC2）無線移動終端與應用工作組(WG2). 移動互聯網云計算研究[R]. 2010,8.

[3] 劉越. 云計算技術及應用，專題研究報告，2009,12.

[4] 中國移動物聯網白皮書[Z]. 2010,2.

[5] 中國移動物聯網產業發展研究報告[R]. 2010,3.