物联网发展现状研究*

崔振辉,李华宇

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川 成都610041)

物联网发展现状研究*

崔振辉,李华宇

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川 成都610041)

在介绍物联网概念的基础上,首先简单说明了物联网的体系架构,阐述了射频识别、无线传感网络、无线通讯、人工智能等物联网关键技术,然后对当前美国、欧盟、日本、韩国、中国等世界各国物联网发展战略进行概述,重点阐述物联网领域主要的标准化组织及其已经形成的物联网相关标准,对物联网的应用现状进行了归纳,对应用前景进行了展望,最后对物联网领域下一步亟待开展的相关工作进行说明。

物联网 技术标准 应用

0 引 言

近年来,被人们称之为继计算机和互联网之后第三次信息革命的物联网浪潮席卷全球,从天上、海上到陆地上,物联网已无处不在,它正在以一种全新的方式影响着人们的观念、生活方式甚至政治格局。随着科技的不断进步,这张用“物”联结而成的“网”必将对人类的发展产生巨大影响。

1 物联网概念

物联网—“The Internet of Things”由美国麻省理工学院Auto-ID实验室于1999年首次提出,国际电信联盟《ITU互联网报告2005:物联网》引用了物联网这一概念[1],2009年,在欧盟《物联网战略研究路线图》中对物联网的通用定义进行了详尽论述。从实际上看,所谓物联网,就是以网络技术为核心,综合采用射频识别(FRID)、无线传感网络((Wireless Sensor Network)、人工智能、模式识别、自动控制、机械工程等技术,按照一定协议和规则将各类实物连接在一起,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。在信息化高度发展的今天,物联网的概念进一步扩展,广义上讲,凡涉及物与物之间信息技术的应用,都可以纳入物联网的范畴。可以说,物联网是人类社会信息化进程中现阶段的必然产物,其核心是物与物以及人与物之间的信息交互。

2 体系架构

物联网融合了传感器、计算机、通信网络、半导技术实现对物与物之间的互联通信[2],基于全面感知、可靠传递和智能处理的特点,物联网体系架构一般可分为感知层、网络层和应用层3个层次:

感知层:感知层由各类传感器和被感知物组成,各类传感器包括环境探测器、视频监控设备、电子标签阅读器等,被感知物主要包括物理世界中发生的物理事件和数据信息、包含特定信息的电子标签等,感知层的主要功能是根据需要对物质属性、环境状况、行为态势等静、动态信息进信息获取与状态辩识。

网络层:网络层由互联网、有线和无线通信网、网络管理系统平台等组成,主要负责传递感知层获取的信息、向应用层传达人类实体指令等。

应用层:应用层是物联网和人类实体、指令执行系统(或设备)的接口,包括各类人机交互设备及其它管理设备等,它与具体的各式各样的应用需求相结合,并根据各种应用特点集成相关的内容服务,以实现物联网的智能应用。

3 关键技术

科技发展到今天,多学科交叉融合已成为趋势,以智能化、网络化为前进方向的物联网所采用的技术涵盖无线通信、射频识别(RFID)、无线传感网络、人工智能、信息安全、嵌入式系统、数据挖掘等多个方面,最主要的技术有RFID、无线传感网络、无线通信和人工智能技术。

(1)RFID技术

RFID是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据[3]。一个完整的RFID系统由标签(Tag)、阅读器和天线组成。

RFID作为物联网中最为重要的核心技术,对物联网的发展起着至关重要作用。RFID利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。RFID系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。目前已经发布或者正在制定中的标准主要与数据采集相关,其中包括电子标签与读写器之间的接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、RFID标签与读写器的性能和一致性测试规范以及RFID标签的数据内容编码标准等。各路标准在RFID标签的数据内容编码领域的竞争最为激烈。

(2)无线传感网络

无线传感网络(WSN)是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统,是物联网底层网络的重要技术形式[4]。一个典型的无线传感器网络结构通常由传感器节点、接收发送器(Sink)、无线通信网络、任务管理节点等部分构成,其通过动态自组织方式协同感知并采集传感器节点周围被查询对象或事件的信息,用于状态感知和跟踪监控等。自组织、微型化和“对外部世界具有感知能力”是无线传感网络的突出特点。

(3)无线通信

无线通信是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在物联网领域应用较为普遍无线通信技术有蓝牙、ZigBee、NFC等。蓝牙(Bluetooth)一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,传输距离短,可在较小范围内为固定的或移动终端设备之间提供信息传输服务,具有低耗电、低成本等特点,但存在抗干扰能力差、传输距离太短、协议安全性不高等缺陷。ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的低速短距离传输的无线网络协议,适用于恶劣环境下及在偏远位置各类遥控及传感装置的应用,ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。NFC(Near Field Communication)是由飞利浦半导体、诺基亚和索尼公司共同研制开发一种短距高频无线电技术,成本低,使用方便,安全性高,但传输速率较低。

(4)人工智能

人工智能是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、语言学等多种学科高度发展、紧密结合、互相渗透而发展起来的一门交叉学科。半个多世纪以来,人工智能在人类认识自身及改造世界的道路上扮演了重要角色。人工智能应用于物联网的一个方向是专家系统,如远程疾病诊断系统等,另一个方向为模式识别,通过对感知或探测到的情况进行分析,确定事物当前状态,并决定下一步走向。

4 发展概况

目前,无论国内还是国外,物联网的研究和开发都还处于初级阶段,关于物联网的模型、体系架构和关键技术还缺乏清晰、统一的界定,尤其物联网相关政策法规、技术协议、标准规范等还未形成统一标准体系,但无疑物联网的发展已引起世界各国的足够重视。

4.1 发展战略

美国非常重视物联网的战略地位,美国国家情报委员会(NIC)发表的《2025对美国利益潜在影响的关键技术》报告将物联网列为六种关键技术之一。2009年,IBM首席执行官提出的“智慧地球”发展理念获得了奥巴马总统的首肯,并很快提升为国家物联网的发展战略。2009年2月17日,奥巴马总统签署生效的《2009年美国恢复与再投资法案》中提出将在与物联网相关的智能电网、卫生医疗信息技术应用等领域进行大量投资。

2009年6月18日,欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了《欧盟物联网行动计划》,该计划囊括了物联网管理、安全性保证、标准化等九个方面、十四点行动内容,提出了改善政府对物联网的管理,推动欧盟物联网产业发展的10条政策建议。10月,欧盟发布了未来物联网战略,提出要让欧洲在基于互联网的智能基础设施发展上领先全球。12月,欧盟发布了《物联网战略研究路线图》研究报告,进一步明确了欧盟到2010年、2015年、2020年三个阶段物联网的研究路线图,并系统地提出了物联网战略研究的关键技术和路径。

日本于2001年和2003年制定了两期“e-Japan”战略,加快了信息化基础设施建设,为后期物联网技术的发展提供了信息网络、政策法规和人才储备等方面的条件。2004年5月,提出了以发展U-biquitous社会为目标的“U-Japan”战略,意在把日本建成一个“实现随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络社会”。2009年7月,日本发布“i-Japan”战略,提出重点发展的物联网业务,包括安全交通、远程医疗、远程办公、环境监测等。

2004年3月,韩国发布“U-Korea”战略,并成立“u-Korea”策略规划小组,目标是“在全球最优的泛在基础设施上,将韩国建设成全球第一个泛在社会”,后又提出“u-City”、“Telematics示范应用与发展”、“u-IT产业集群”和“u-Home”4项u-IT核心计划,涉及城市发展、汽车通讯、新兴科技应用服务、智能家居等方面。2009年10月,韩国通信委员会出台《物联网基础设施构建基本规划》,明确了把物联网市场作为经济新增长动力的定位。

2006年2月,国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》,将无线传感器网络列为我国科技发展的“重大专项”和“前沿领域”。2009年8月,温家宝总理在无锡考察时指出“要在激烈的国际竞争中,迅速建立中国的传感信息中心或‘感知中国’中心”;2010年《政府工作报告》指出“加快物联网的研发应用”,将物联网提升到战略高度;2010年10月18日,《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》提出要“加快推进三网融合,促进物联网、云计算的研发和示范应用”;2011年11月,工业和信息化部发布的《物联网“十二五”发展规划》提出,到2015年我国要初步形成创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控的物联网发展格局。2013年2月,国务院发布《关于推进物联网有序健康发展的指导意见》,10月,国家发展改革委、工业和信息化部、科技部、教育部、国家标准委联合物联网发展部际联席会议相关成员单位制定了顶层设计等10个物联网发展专项行动计划,为我国物联网下一步的监控发展确立了方向。

4.2 技术标准

相对于世界各国在战略上的超前规划,物联网相关标准规范的制定则相对滞后。物联网跨接不同专业技术领域、面向各类应用与服务、系统和技术差异性大等特点,决定了物联网标准的制定注定是一个漫长而复杂的过程。

目前,物联网相关标准化组织有很多,主要有IEEE、EPC globals oneM2M、CCSA、ETSI、ITU-T等。

EPCglobal是国际物品编码协会EAN和美国统一代码委员会(UCC)联合成立的非赢利性组织,主要负责EPC网络的全球化标准。EPCglobal标准体系主要包括EPC数据交换、EPC基础设施和EPC物理对象交换等方面的标准规范,现已发布了超高频第二代空中接口标准(UHF Gen2)、标签数据标准规范等。目前EPC global标准体系已经被很多欧美国家所接受。

欧洲电信标准化协会(ETSI)是1988年成立的一个非赢利性电信标准化组织。2009年1月,ETSI成立TC M2M(Machine-to-Machine Communications Technical Committee),专门负责统筹M2M标准研究,目前该组织发布了涵盖服务需求、功能架构、定义、接口等系列M2M通信标准。

IEEE标准协会是世界领先的标准制定机构,该组织的无线个人区域工作组(WG802.15)是目前物联网领域在无线传感网层面的主要标准组织之一,已发布的标准有802.15.1-无线个人区域网络(WPAN)的无线介质访问控制(MAC)和物理层(PHY)规范、802.15.4-低速率个人无线网络系列标准(6个)、802.15.6-基于可见光的短距离无线光通信标准、802.15.7-无线人体区域网络标准。该组织的1888工作组在智能社区、智能家庭网络方面形成了比较完整标准体系,发布了泛在绿色社区控制网络协议标准。意识到RFID技术的日益重要性,IEEE于2008年11月成立了RFID技术委员会(CRFID),旨在通过IEEE的技术谱系,为RFID技术提供焦点。

中国通信标准化协会(CCSA)于2002年12月18日成立于北京,是我国开展通信技术领域标准化活动的非营利性法人社会团体。该组织的泛在网技术工作委员会(TC10)正在规划泛在网络标准体系,包括移动通信网面向物流信息服务的M2M协议、无线传感器网络与移动通信网融合的安全技术要求、车联网总体技术要求、适用于6LoWPAN网络的轻量级IPv6协议等,该组织在M2M技术、移动通信网等方面有很深入的研究。

国际电联电信标准化部门(ITU-T)的第13工作组致力于下一代网络等物联网相关技术标准研究。2012年2月17日,该工作组会议正式审议通过了“物联网概述”(Y.IoT-overview)标准草案,标准编号为Y.2060。该标准是全球第一个物联网总体性标准,对于全球物联网标准化具有重要的里程碑意义。

2012年7月24日,中国通信标准化协会(CCSA)、日本的无线工业及贸联合会(ARIB)和电信技术委员会(TTC)、美国的电信工业解决方案联盟(ATIS)和通信工业协会(TIA)、欧洲电信标准化协会(ETSI)以及韩国的电信技术协会(TTA)等七家联合成立全球化组织OneM2M,该组织将致力于将致力于制定确保M2M设备能够在全球范围内实现互通的技术规范和相关报告。

此外,美国结构化信息标准发展委员会(OASIS)成立了MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)技术委员会,该委员会将以MQTT协议为基础,进一步研究与规范更为开放、简单、轻量的,适合在有限网络和多平台环境中使用的MQTT物联网协议。

当前,研究和制定物联网标准的组织很多,这些标准化组织各自沿着自己擅长的领域进行研究,各组织之间的竞争大于合作,目前尚缺乏整体的协调、组织与配合。

4.3 应用现状

尽管目前物联网相关标准规范并不完善,但其在个别领域及行业已取得迅猛发展,如智能物流、环境监测、车联网、无人机系统等。

(1)智能医疗

借助FRID技术可以实现器械与物资的生产、配送、防伪、追溯,有效避免公共医疗问题,实现医疗器械与药品从科研、生产、流动到使用以及过程中的全方位实时监控。当出现药品质量问题时,可在药品各留存环节根据药品厂商、规格、批次情况快速精确定位并隔离问题药品,大幅减少药品召回周期时间并有效减小对无关药品的不良影响[5]。

(2)智能仓储及物流管理

目前,运用无线传感、GPS、信息采集与监控等技术进行货物入库、出库、库存盘点、物流监测等技术已经非常成熟。具体到各仓储管理及物流管理系统的实现则形式各异,但基本均包含货品数据读取终端、货品数据二维码、管理数据库等。货品数据读取终端负责对货品的二维码进行读取操作,并将这些代表入仓、出仓、物流等意义的读取操作结果通过无线网络记入管理数据库,从而实现对货品的智能化管理[6]。

(3)环境监测

随着国家对森林、大气、水质、土壤等方面监测力度的加大,各类环境监测技术和工具日益出现。环境监测系统的基本原理如下:通过装配温湿度探测器、特定物质探测器、视频监控终端等设备,对特定环境的相关指标进行探测,并将探测结果通过无线信道传回监控室,可实现对特定环境温度、湿度、环境污染、火灾等相关情况的远程监控。

(4)车辆管理

2010年10月28日在无锡举行的中国国际物联网大会上提到了“车联网”,2012年6月,福特公司在硅谷设立研究所,致力于自动驾驶技术研究。通用汽车的Onstar系统它通过全球卫星定位系统和无线通信技术为汽车提供自动撞车报警、道路求助、远程车辆解锁等安全信息服务。事实证明,将WSN和RFID技术融合是实现车联网系统的绝好途径,可以更好地实现车辆定位跟踪,车/路况检测,全面掌握交通信息,实现碰撞预警、交通信息发布、危险路段提示、重点车辆监管、尾气排放监控、远程故障诊断等应用[7]。

(5)无人机系统

目前,世界各国已经研制出了上百种无人机,无人机系统堪称目前物联网领域最复杂的应用之一,代表着物联网发展的最高水平。无人机系统通常由无人飞行器、有效载荷、操作人员、控制单元、武器系统平台、显示器、通信结构、全生命周期的后勤补给等几方面组成,能够在无人直接参与的情况下,实现侦查与监视、目标识别、精准打击、指挥控制与通信支援等作战任务。

4.4 产业发展

工信部电信研究院发布的《物联网白皮书(2014年)》数据显示,我国已经形成涵盖感知制造、网络制造、软件与信息处理、网络与应用服务等门类相对齐全的物联网产业体系,从产业规模来看, 2013年我国整体产业规模达到5 000亿元,其中,传感器产业突破1 200亿元,RFID产业突破300亿元,预计到2015年,我国物联网产业整体规模将超过7 000亿元。白皮书中还谈到,GSMA与SBD联合发布的车联网报告中指出,预计到2018年全球车联网市场总额将达390亿欧元。

根据互联网中心的数据,预计到2020年底,全球物联网连接的"实物"将达到大约2 120亿个,产生的收入将达8.9万亿美元;思科CEO认为,物联网未来十年内在经济效益方面能够创造19万亿美元的价值。

种种数据表明,物联网产业是信息技术运用最成功也是最有潜力的产业,是创造价值和财富,为人类谋福祉的产业。

5 应用展望

随着物联网技术的发展,人们的生活将越来越智能化、简单化。同时,物联网技术在军事领域的应用将达到新的高度。

(1)智能化生活

未来智能化家居服务系统将人们的生活带入数字化、智能化时代。当你下班走到家门口时,生物识别感应系统探测到来人并识别身份后将门打开,同时触发咖啡机冲泡符合你特定口味的咖啡,并将电视机打开,切换到你最喜欢的频道;你可以用手机操控电饭煲做饭,指挥清洁机器人打扫房间,实时展现家里某个摄像机的图像;智能冰箱实时对家人的营养数据进行分析,并负责购买符合家庭营养需求的食品。

城市绿化服务系统通过在每个绿化带安装土壤环境智能分析系统,对该区域绿化情况进行监控和分析,并通过网络呼叫最近的服务设施前来施肥和浇水。

物联网技术在车辆管理中的应用更加广泛,当驾驶员进入车辆后,生物识别感应系统首先对司机的身份和健康状况进行分析,如探测到心率失常、有饮酒行为等情况,则阻止车辆启动,并提出警告;通过车载智能交通分析系统,能够对当前车辆及周围其他的车辆的速度、方向、路况等信息进行分析,为当前车辆提供行车参考,必要时可提前触发制动系统,以避免交通事故的发生;在车辆行驶过程中,安全驾驶保障系统负责对驾驶员的生命体征、清醒指数等进行实时监控,如果发现驾驶员出现不适宜驾驶的状况,如心脏骤停、已处于睡眠状态、连续驾驶时间过长等,则采取相应措施使车辆停止运行或给予提醒,并通过车载智能交通分析系统向其他车辆发出警告信息;车载智能交通分析系统还可以根据车辆的历史GPS轨迹,对当前车辆的位置、路线、速度等信息进行实时分析,当认为出现异常时或超出车辆主人设定的行驶范围时则通过网络向特定的人发出警告信息。

(2)智能化战争

未来的主战场是在空中,无人机将是战争的主角。届时,地球表面上的每一平方厘米都会在卫星和无人机的监控之下,空中的每一个点都将具有固定的三维坐标,空中的任何区域都将处于由地面站、卫星和无人机组成的全方位立体监控系统的监控之下。对于攻击系统来说,监控系统能够引导攻击系统对地面及空中的任何目标进行精准打击;对于防御系统来说,监控系统能够分辨任何空域正在飞行的鸟类或人造飞行器,并对其运行速度及运动轨迹进行实时监控与分析,当判断到它具有危险性后,可引导防御系统将其击落在安全区域之外。未来地面战的主力部队是机器人,这些机器人定形态各异、大小不一,隐藏于空中、水中、地面、建筑物等,能够根据现场情况,协同执行通信、侦查、搜索、窃听、行刺、爆破等多种任务。总体来讲,未来战争中,人类将退居幕后,以物联网为基础和纽带的各类武器或设备将是正面战场上的士兵。

6 结 语

物联网是社会发展到当今阶段的产物,是网络和信息化发展的必然结果,代表了未来网络的发展方向。物联网无疑带给了人们很多便利,但也也面临很多亟待解决的难题。标准不统一是影响物联网快速发展的首要制约因素,而物联网之后存在的信息安全问题则是物联网面临的另一个巨大挑战,此外,物联网的产业化还依赖于芯片、传感、人工智能等相关技术的突破性发展。在期待物联网带来更多更好舒适便利的同时,人们亦应致力于上述各类问题的解决。

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

李华宇(1976—),男,硕士,工程师,主要研究方向为信息技术,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

A

1002-0802(2014)08-0841-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.001

崔振辉(1978—),男,硕士,工程师,主要研究方向为信息安全;

2014-05-09;

2014-06-20 Received date：2014-05-09;Revised date：2014-06-20