物聯網發展現狀研究*

2014-02-10 03:39:52崔振輝李華宇

通信技術 2014年8期

崔振輝,李華宇

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

物聯網發展現狀研究*

崔振輝,李華宇

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

在介紹物聯網概念的基礎上,首先簡單說明了物聯網的體系架構,闡述了射頻識別、無線傳感網絡、無線通訊、人工智能等物聯網關鍵技術,然后對當前美國、歐盟、日本、韓國、中國等世界各國物聯網發展戰略進行概述,重點闡述物聯網領域主要的標準化組織及其已經形成的物聯網相關標準,對物聯網的應用現狀進行了歸納,對應用前景進行了展望,最后對物聯網領域下一步亟待開展的相關工作進行說明。

物聯網技術標準應用

0 引言

近年來,被人們稱之為繼計算機和互聯網之后第三次信息革命的物聯網浪潮席卷全球,從天上、海上到陸地上,物聯網已無處不在,它正在以一種全新的方式影響著人們的觀念、生活方式甚至政治格局。隨著科技的不斷進步,這張用“物”聯結而成的“網”必將對人類的發展產生巨大影響。

1 物聯網概念

物聯網—“The Internet of Things”由美國麻省理工學院Auto-ID實驗室于1999年首次提出,國際電信聯盟《ITU互聯網報告2005:物聯網》引用了物聯網這一概念[1],2009年,在歐盟《物聯網戰略研究路線圖》中對物聯網的通用定義進行了詳盡論述。從實際上看,所謂物聯網,就是以網絡技術為核心,綜合采用射頻識別(FRID)、無線傳感網絡((Wireless Sensor Network)、人工智能、模式識別、自動控制、機械工程等技術,按照一定協議和規則將各類實物連接在一起,進行信息交換和通信,以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的網絡。在信息化高度發展的今天,物聯網的概念進一步擴展,廣義上講,凡涉及物與物之間信息技術的應用,都可以納入物聯網的范疇?？梢哉f,物聯網是人類社會信息化進程中現階段的必然產物,其核心是物與物以及人與物之間的信息交互。

2 體系架構

物聯網融合了傳感器、計算機、通信網絡、半導技術實現對物與物之間的互聯通信[2],基于全面感知、可靠傳遞和智能處理的特點,物聯網體系架構一般可分為感知層、網絡層和應用層3個層次:

感知層:感知層由各類傳感器和被感知物組成,各類傳感器包括環境探測器、視頻監控設備、電子標簽閱讀器等,被感知物主要包括物理世界中發生的物理事件和數據信息、包含特定信息的電子標簽等,感知層的主要功能是根據需要對物質屬性、環境狀況、行為態勢等靜、動態信息進信息獲取與狀態辯識。

網絡層:網絡層由互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統平臺等組成,主要負責傳遞感知層獲取的信息、向應用層傳達人類實體指令等。

應用層:應用層是物聯網和人類實體、指令執行系統(或設備)的接口,包括各類人機交互設備及其它管理設備等,它與具體的各式各樣的應用需求相結合,并根據各種應用特點集成相關的內容服務,以實現物聯網的智能應用。

3 關鍵技術

科技發展到今天,多學科交叉融合已成為趨勢,以智能化、網絡化為前進方向的物聯網所采用的技術涵蓋無線通信、射頻識別(RFID)、無線傳感網絡、人工智能、信息安全、嵌入式系統、數據挖掘等多個方面,最主要的技術有RFID、無線傳感網絡、無線通信和人工智能技術。

(1)RFID技術

RFID是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據[3]。一個完整的RFID系統由標簽(Tag)、閱讀器和天線組成。

RFID作為物聯網中最為重要的核心技術,對物聯網的發展起著至關重要作用。RFID利用射頻信號通過空間電磁耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實現物體識別。RFID系統主要由數據采集和后臺數據庫網絡應用系統兩大部分組成。目前已經發布或者正在制定中的標準主要與數據采集相關,其中包括電子標簽與讀寫器之間的接口、讀寫器與計算機之間的數據交換協議、RFID標簽與讀寫器的性能和一致性測試規范以及RFID標簽的數據內容編碼標準等。各路標準在RFID標簽的數據內容編碼領域的競爭最為激烈。

(2)無線傳感網絡

無線傳感網絡(WSN)是由部署在監測區域內大量傳感器節點相互通信形成的多跳自組織網絡系統,是物聯網底層網絡的重要技術形式[4]。一個典型的無線傳感器網絡結構通常由傳感器節點、接收發送器(Sink)、無線通信網絡、任務管理節點等部分構成,其通過動態自組織方式協同感知并采集傳感器節點周圍被查詢對象或事件的信息,用于狀態感知和跟蹤監控等。自組織、微型化和“對外部世界具有感知能力”是無線傳感網絡的突出特點。

(3)無線通信

無線通信是利用電磁波信號在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式。在物聯網領域應用較為普遍無線通信技術有藍牙、ZigBee、NFC等。藍牙(Bluetooth)一種無線數據與語音通信的開放性全球規范,傳輸距離短,可在較小范圍內為固定的或移動終端設備之間提供信息傳輸服務,具有低耗電、低成本等特點,但存在抗干擾能力差、傳輸距離太短、協議安全性不高等缺陷。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的低速短距離傳輸的無線網絡協議,適用于惡劣環境下及在偏遠位置各類遙控及傳感裝置的應用,ZigBee網絡主要特點是低功耗、低成本、低速率、支持大量節點、支持多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。NFC(Near Field Communication)是由飛利浦半導體、諾基亞和索尼公司共同研制開發一種短距高頻無線電技術,成本低,使用方便,安全性高,但傳輸速率較低。

(4)人工智能

人工智能是計算機科學、控制論、信息論、神經生理學、心理學、語言學等多種學科高度發展、緊密結合、互相滲透而發展起來的一門交叉學科。半個多世紀以來,人工智能在人類認識自身及改造世界的道路上扮演了重要角色。人工智能應用于物聯網的一個方向是專家系統,如遠程疾病診斷系統等,另一個方向為模式識別,通過對感知或探測到的情況進行分析,確定事物當前狀態,并決定下一步走向。

4 發展概況

目前,無論國內還是國外,物聯網的研究和開發都還處于初級階段,關于物聯網的模型、體系架構和關鍵技術還缺乏清晰、統一的界定,尤其物聯網相關政策法規、技術協議、標準規范等還未形成統一標準體系,但無疑物聯網的發展已引起世界各國的足夠重視。

4.1 發展戰略

美國非常重視物聯網的戰略地位,美國國家情報委員會(NIC)發表的《2025對美國利益潛在影響的關鍵技術》報告將物聯網列為六種關鍵技術之一。2009年,IBM首席執行官提出的“智慧地球”發展理念獲得了奧巴馬總統的首肯,并很快提升為國家物聯網的發展戰略。2009年2月17日,奧巴馬總統簽署生效的《2009年美國恢復與再投資法案》中提出將在與物聯網相關的智能電網、衛生醫療信息技術應用等領域進行大量投資。

2009年6月18日,歐盟委員會向歐盟議會、理事會、歐洲經濟和社會委員會及地區委員會遞交了《歐盟物聯網行動計劃》,該計劃囊括了物聯網管理、安全性保證、標準化等九個方面、十四點行動內容,提出了改善政府對物聯網的管理,推動歐盟物聯網產業發展的10條政策建議。10月,歐盟發布了未來物聯網戰略,提出要讓歐洲在基于互聯網的智能基礎設施發展上領先全球。12月,歐盟發布了《物聯網戰略研究路線圖》研究報告,進一步明確了歐盟到2010年、2015年、2020年三個階段物聯網的研究路線圖,并系統地提出了物聯網戰略研究的關鍵技術和路徑。

日本于2001年和2003年制定了兩期“e-Japan”戰略,加快了信息化基礎設施建設,為后期物聯網技術的發展提供了信息網絡、政策法規和人才儲備等方面的條件。2004年5月,提出了以發展U-biquitous社會為目標的“U-Japan”戰略,意在把日本建成一個“實現隨時、隨地、任何物體、任何人均可連接的泛在網絡社會”。2009年7月,日本發布“i-Japan”戰略,提出重點發展的物聯網業務,包括安全交通、遠程醫療、遠程辦公、環境監測等。

2004年3月,韓國發布“U-Korea”戰略,并成立“u-Korea”策略規劃小組,目標是“在全球最優的泛在基礎設施上,將韓國建設成全球第一個泛在社會”,后又提出“u-City”、“Telematics示范應用與發展”、“u-IT產業集群”和“u-Home”4項u-IT核心計劃,涉及城市發展、汽車通訊、新興科技應用服務、智能家居等方面。2009年10月,韓國通信委員會出臺《物聯網基礎設施構建基本規劃》,明確了把物聯網市場作為經濟新增長動力的定位。

2006年2月,國務院發布《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》,將無線傳感器網絡列為我國科技發展的“重大專項”和“前沿領域”。2009年8月,溫家寶總理在無錫考察時指出“要在激烈的國際競爭中,迅速建立中國的傳感信息中心或‘感知中國’中心”;2010年《政府工作報告》指出“加快物聯網的研發應用”,將物聯網提升到戰略高度;2010年10月18日,《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》提出要“加快推進三網融合,促進物聯網、云計算的研發和示范應用”;2011年11月,工業和信息化部發布的《物聯網“十二五”發展規劃》提出,到2015年我國要初步形成創新驅動、應用牽引、協同發展、安全可控的物聯網發展格局。2013年2月,國務院發布《關于推進物聯網有序健康發展的指導意見》,10月,國家發展改革委、工業和信息化部、科技部、教育部、國家標準委聯合物聯網發展部際聯席會議相關成員單位制定了頂層設計等10個物聯網發展專項行動計劃,為我國物聯網下一步的監控發展確立了方向。

4.2 技術標準

相對于世界各國在戰略上的超前規劃,物聯網相關標準規范的制定則相對滯后。物聯網跨接不同專業技術領域、面向各類應用與服務、系統和技術差異性大等特點,決定了物聯網標準的制定注定是一個漫長而復雜的過程。

目前,物聯網相關標準化組織有很多,主要有IEEE、EPC globals oneM2M、CCSA、ETSI、ITU-T等。

EPCglobal是國際物品編碼協會EAN和美國統一代碼委員會(UCC)聯合成立的非贏利性組織,主要負責EPC網絡的全球化標準。EPCglobal標準體系主要包括EPC數據交換、EPC基礎設施和EPC物理對象交換等方面的標準規范,現已發布了超高頻第二代空中接口標準(UHF Gen2)、標簽數據標準規范等。目前EPC global標準體系已經被很多歐美國家所接受。

歐洲電信標準化協會(ETSI)是1988年成立的一個非贏利性電信標準化組織。2009年1月,ETSI成立TC M2M(Machine-to-Machine Communications Technical Committee),專門負責統籌M2M標準研究,目前該組織發布了涵蓋服務需求、功能架構、定義、接口等系列M2M通信標準。

IEEE標準協會是世界領先的標準制定機構,該組織的無線個人區域工作組(WG802.15)是目前物聯網領域在無線傳感網層面的主要標準組織之一,已發布的標準有802.15.1-無線個人區域網絡(WPAN)的無線介質訪問控制(MAC)和物理層(PHY)規范、802.15.4-低速率個人無線網絡系列標準(6個)、802.15.6-基于可見光的短距離無線光通信標準、802.15.7-無線人體區域網絡標準。該組織的1888工作組在智能社區、智能家庭網絡方面形成了比較完整標準體系,發布了泛在綠色社區控制網絡協議標準。意識到RFID技術的日益重要性,IEEE于2008年11月成立了RFID技術委員會(CRFID),旨在通過IEEE的技術譜系,為RFID技術提供焦點。

中國通信標準化協會(CCSA)于2002年12月18日成立于北京,是我國開展通信技術領域標準化活動的非營利性法人社會團體。該組織的泛在網技術工作委員會(TC10)正在規劃泛在網絡標準體系,包括移動通信網面向物流信息服務的M2M協議、無線傳感器網絡與移動通信網融合的安全技術要求、車聯網總體技術要求、適用于6LoWPAN網絡的輕量級IPv6協議等,該組織在M2M技術、移動通信網等方面有很深入的研究。

國際電聯電信標準化部門(ITU-T)的第13工作組致力于下一代網絡等物聯網相關技術標準研究。2012年2月17日,該工作組會議正式審議通過了“物聯網概述”(Y.IoT-overview)標準草案,標準編號為Y.2060。該標準是全球第一個物聯網總體性標準,對于全球物聯網標準化具有重要的里程碑意義。

2012年7月24日,中國通信標準化協會(CCSA)、日本的無線工業及貿聯合會(ARIB)和電信技術委員會(TTC)、美國的電信工業解決方案聯盟(ATIS)和通信工業協會(TIA)、歐洲電信標準化協會(ETSI)以及韓國的電信技術協會(TTA)等七家聯合成立全球化組織OneM2M,該組織將致力于將致力于制定確保M2M設備能夠在全球范圍內實現互通的技術規范和相關報告。

此外,美國結構化信息標準發展委員會(OASIS)成立了MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)技術委員會,該委員會將以MQTT協議為基礎,進一步研究與規范更為開放、簡單、輕量的,適合在有限網絡和多平臺環境中使用的MQTT物聯網協議。

當前,研究和制定物聯網標準的組織很多,這些標準化組織各自沿著自己擅長的領域進行研究,各組織之間的競爭大于合作,目前尚缺乏整體的協調、組織與配合。

4.3 應用現狀

盡管目前物聯網相關標準規范并不完善,但其在個別領域及行業已取得迅猛發展,如智能物流、環境監測、車聯網、無人機系統等。

(1)智能醫療

借助FRID技術可以實現器械與物資的生產、配送、防偽、追溯,有效避免公共醫療問題,實現醫療器械與藥品從科研、生產、流動到使用以及過程中的全方位實時監控。當出現藥品質量問題時,可在藥品各留存環節根據藥品廠商、規格、批次情況快速精確定位并隔離問題藥品,大幅減少藥品召回周期時間并有效減小對無關藥品的不良影響[5]。

(2)智能倉儲及物流管理

目前,運用無線傳感、GPS、信息采集與監控等技術進行貨物入庫、出庫、庫存盤點、物流監測等技術已經非常成熟。具體到各倉儲管理及物流管理系統的實現則形式各異,但基本均包含貨品數據讀取終端、貨品數據二維碼、管理數據庫等。貨品數據讀取終端負責對貨品的二維碼進行讀取操作,并將這些代表入倉、出倉、物流等意義的讀取操作結果通過無線網絡記入管理數據庫,從而實現對貨品的智能化管理[6]。

(3)環境監測

隨著國家對森林、大氣、水質、土壤等方面監測力度的加大,各類環境監測技術和工具日益出現。環境監測系統的基本原理如下:通過裝配溫濕度探測器、特定物質探測器、視頻監控終端等設備,對特定環境的相關指標進行探測,并將探測結果通過無線信道傳回監控室,可實現對特定環境溫度、濕度、環境污染、火災等相關情況的遠程監控。

(4)車輛管理

2010年10月28日在無錫舉行的中國國際物聯網大會上提到了“車聯網”,2012年6月,福特公司在硅谷設立研究所,致力于自動駕駛技術研究。通用汽車的Onstar系統它通過全球衛星定位系統和無線通信技術為汽車提供自動撞車報警、道路求助、遠程車輛解鎖等安全信息服務。事實證明,將WSN和RFID技術融合是實現車聯網系統的絕好途徑,可以更好地實現車輛定位跟蹤,車/路況檢測,全面掌握交通信息,實現碰撞預警、交通信息發布、危險路段提示、重點車輛監管、尾氣排放監控、遠程故障診斷等應用[7]。

(5)無人機系統

目前,世界各國已經研制出了上百種無人機,無人機系統堪稱目前物聯網領域最復雜的應用之一,代表著物聯網發展的最高水平。無人機系統通常由無人飛行器、有效載荷、操作人員、控制單元、武器系統平臺、顯示器、通信結構、全生命周期的后勤補給等幾方面組成,能夠在無人直接參與的情況下,實現偵查與監視、目標識別、精準打擊、指揮控制與通信支援等作戰任務。

4.4 產業發展

工信部電信研究院發布的《物聯網白皮書(2014年)》數據顯示,我國已經形成涵蓋感知制造、網絡制造、軟件與信息處理、網絡與應用服務等門類相對齊全的物聯網產業體系,從產業規模來看, 2013年我國整體產業規模達到5 000億元,其中,傳感器產業突破1 200億元,RFID產業突破300億元,預計到2015年,我國物聯網產業整體規模將超過7 000億元。白皮書中還談到,GSMA與SBD聯合發布的車聯網報告中指出,預計到2018年全球車聯網市場總額將達390億歐元。

根據互聯網中心的數據,預計到2020年底,全球物聯網連接的"實物"將達到大約2 120億個,產生的收入將達8.9萬億美元;思科CEO認為,物聯網未來十年內在經濟效益方面能夠創造19萬億美元的價值。

種種數據表明,物聯網產業是信息技術運用最成功也是最有潛力的產業,是創造價值和財富,為人類謀福祉的產業。

5 應用展望

隨著物聯網技術的發展,人們的生活將越來越智能化、簡單化。同時,物聯網技術在軍事領域的應用將達到新的高度。

(1)智能化生活

未來智能化家居服務系統將人們的生活帶入數字化、智能化時代。當你下班走到家門口時,生物識別感應系統探測到來人并識別身份后將門打開,同時觸發咖啡機沖泡符合你特定口味的咖啡,并將電視機打開,切換到你最喜歡的頻道;你可以用手機操控電飯煲做飯,指揮清潔機器人打掃房間,實時展現家里某個攝像機的圖像;智能冰箱實時對家人的營養數據進行分析,并負責購買符合家庭營養需求的食品。

城市綠化服務系統通過在每個綠化帶安裝土壤環境智能分析系統,對該區域綠化情況進行監控和分析,并通過網絡呼叫最近的服務設施前來施肥和澆水。

物聯網技術在車輛管理中的應用更加廣泛,當駕駛員進入車輛后,生物識別感應系統首先對司機的身份和健康狀況進行分析,如探測到心率失常、有飲酒行為等情況,則阻止車輛啟動,并提出警告;通過車載智能交通分析系統,能夠對當前車輛及周圍其他的車輛的速度、方向、路況等信息進行分析,為當前車輛提供行車參考,必要時可提前觸發制動系統,以避免交通事故的發生;在車輛行駛過程中,安全駕駛保障系統負責對駕駛員的生命體征、清醒指數等進行實時監控,如果發現駕駛員出現不適宜駕駛的狀況,如心臟驟停、已處于睡眠狀態、連續駕駛時間過長等,則采取相應措施使車輛停止運行或給予提醒,并通過車載智能交通分析系統向其他車輛發出警告信息;車載智能交通分析系統還可以根據車輛的歷史GPS軌跡,對當前車輛的位置、路線、速度等信息進行實時分析,當認為出現異常時或超出車輛主人設定的行駛范圍時則通過網絡向特定的人發出警告信息。

(2)智能化戰爭

未來的主戰場是在空中,無人機將是戰爭的主角。屆時,地球表面上的每一平方厘米都會在衛星和無人機的監控之下,空中的每一個點都將具有固定的三維坐標,空中的任何區域都將處于由地面站、衛星和無人機組成的全方位立體監控系統的監控之下。對于攻擊系統來說,監控系統能夠引導攻擊系統對地面及空中的任何目標進行精準打擊;對于防御系統來說,監控系統能夠分辨任何空域正在飛行的鳥類或人造飛行器,并對其運行速度及運動軌跡進行實時監控與分析,當判斷到它具有危險性后,可引導防御系統將其擊落在安全區域之外。未來地面戰的主力部隊是機器人,這些機器人定形態各異、大小不一,隱藏于空中、水中、地面、建筑物等,能夠根據現場情況,協同執行通信、偵查、搜索、竊聽、行刺、爆破等多種任務?？傮w來講,未來戰爭中,人類將退居幕后,以物聯網為基礎和紐帶的各類武器或設備將是正面戰場上的士兵。

6 結語

物聯網是社會發展到當今階段的產物,是網絡和信息化發展的必然結果,代表了未來網絡的發展方向。物聯網無疑帶給了人們很多便利,但也也面臨很多亟待解決的難題。標準不統一是影響物聯網快速發展的首要制約因素,而物聯網之后存在的信息安全問題則是物聯網面臨的另一個巨大挑戰,此外,物聯網的產業化還依賴于芯片、傳感、人工智能等相關技術的突破性發展。在期待物聯網帶來更多更好舒適便利的同時,人們亦應致力于上述各類問題的解決。

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CUI Zhen-hui(1978-),male,M.Sci.,engineer,mainly engaged in information security。

李華宇(1976—),男,碩士,工程師,主要研究方向為信息技術,信息安全。

LI Hua-yu(1976-),male,M.Sci,engineer,mainly engaged in information technique,information security。

Study on Internet of Things Development Status

CUI Zhen-hui,LI Hua-yu
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

Based on introducing the concept of Internet of things,this paper firstly explains the architecture of Internet of things simply,elaborates the FRID,wireless sensor network,wireless communication,artificial intelligence and other key technologies of Internet of things,then outlines the current Internet of things development strategy of the United States,European Union,Japan,Korea,China and other countries in the world,elaborates the main organization for standardization and their relevant standards now available in the area of Internet of things in detail.Then it concludes the application status,gives the expectation of application of Internet of things,finally describes the subsequent work undertaken in the area of Internet of things urgently.

Internet of things;technology standards;application

TP393

1002-0802(2014)08-0841-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.001