物联网发展研究_杨震

　第12卷　第2期　　2010年6月南　京　邮　电　大　学　学　报　(社　会　科　学　版)JournalofNanjingUniversityofPostsandTelecommunications(SocialScience)Vol.12　No.2

Jun.2010

中图分类号:F49　　　文献标识码:A　　　文章编号:1673-5420(2010)02-0001-10　　

　　编者按:在十一届全国人大三次会议的政府工作报告中,国务院总理温家宝指出要大力培育战

略性新兴产业,积极推进“三网”融合取得实质性进展,加快物联网的研发应用。至此,物联网建设正式上升到国家战略层面,我国将进入到物联网应用以及与之相关的产业高速发展的时期。物联网发展最核心的在于技术上的不断创新以及技术标准的制定,但同时也相伴着政策调控、市场机会、产业战略、商业领域、社会变革等现实问题。早在2009年9月,南京邮电大学就利用雄厚的物联网技术研究优势,率先在全国高校成立了物联网与传感网研究院、物联网学院、南邮无锡物联网研究院、物联网科技园。在开展物联网技术研究的同时,还从管理学、政治学、经济学、社会学、生态学等学科多角度、全方位地探索物联网发展所引发的各种现实问题。在此,我们特别推出南京邮电大学校长杨震教授的《物联网发展研究》一文,全面、系统地介绍物联网的基本概念、相关技术发展及标准化进程、物联网的标识管理、商业应用、商业模式以及物联网产业联盟等。文章深刻地指出:真正使物联网技术推向广阔发展的,不是技术的完善程度,而是它所能带来的商业机会,以及这个机会能不能深入到人们的日常生活之中,能不能引导出广大公众的最迫切的需求并且满足这些需求,而最有能力从整体上引领物联网产业链发展的可能是正在转型中的电信运营商。

我们希望借助杨震教授的文章进一步引起学界、政界、业界对物联网发展的关注和探讨,今后还将不断推出有关物联网发展的理论文章,欢迎广大学者参与讨论。

物联网发

杨　震

展研究

南京邮电大学校长办公室,江苏南京　　　通俗地讲,物联网就是一个通过信息技术将各种物体连接成网络、以帮助我们获取这些物体

信息的“东西”,英文称为IOT(InternetofThings)。物联网和互联网有着本质的区别,互联网是连接虚拟世界的网络,物联网是连接物理的、真实世界的网络。现在中国已基本掌握发展物联网必需的技术如传感技术、射频识别技术、通信网络技术等,但要想在物联网发展方面有大的建树,还要更多地关注物联网商业应用问题、物品标识管理问题以及物联网产业链、价值链、

产业联盟等商业模式问题。引领和发展物联网,将它变成泛在的日常应用的责任,已经历史地落到中国的信息通信运营企业的肩上。　　一、物联网的基本概念

1991年,一个年轻的美国科学家MarkWeiser在《科学美国人》杂志发表的文章中预言21世纪的计算将是泛在计算。从字面上看,“泛在”这个词就是到处都有、无所不在。他从字典中找出了

　　收稿日期:2010-05-18

作者简介:杨　震(1961-),男,南京邮电大学校长,教授,博士生导师,主要研究方向为信号与信息处理,通信理论与技术。”R82)

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一个生僻的词ubiquitous表示他的想法。于是,ubiquitous,无所不在,到处都存在或者泛在这个

词流行了起来。MarkWeiser认为将来的计算技术是泛在的,即到处可以被人所用,但不为人所知。用他的话就是“increasing`availability'ofprocessingpowerwouldbeaccompaniedbyitsde-creasing`visibility'”(处理能力的可达性将伴随着它可见性的降低而增加)。如同他所观察到的,最深刻的技术是那些不显山、不露水的技术,把这些技术编织到我们日常使用的纺织品中间去的话,人们根本就不能把它辨别出来。通观20世纪最后20年影响人类日常生活的发明,哪个也比不上移动电话。现在,全世界移动电话用户数已经超过40亿,手持着这个又轻又小的玩具似的东西,我们的生活从根本得到改变,它超过了因特网的影响,成了千千万万人日常生活中不可缺少的亲密的朋友。甚至在地震突然降临的时候,人们第一时间是把手机揣到怀中。移动电话可以说是一种泛在信息和通信网络的早期形式。

时间到了1998年1月,当时的美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心首次提出“DigitalEarth”(数字地球)的概念,很快风靡世界。十多年来,通过遥感技术和海量数据存贮以及地理信息系统的普遍推广,戈尔描绘的一个可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的“数字地球”已经实现,然而,“数字地球”并没有让人类摆脱当前这种资源极度浪费、环境急剧恶化的生存困境。原因在于数字地球的概念中,所推崇的用数字的方法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中,实现在网络上的流通,但是没有考虑这些应用对普通百姓生活生产不是不可或缺的,因此很难使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。所以,根据MarkWeiser的思路想下去,自然可以看到,一种技术尽管非常先进,但如果不能使之“傻瓜化”,即被人们日常的生活生产广泛使用,那么这种技术就很难成为商业应用的突破点,很难在当今这个变化万端的世界中立足。在移动通信和互联网蓬勃发展的今天,无所不在的人人通信和人机通信已经具备广泛基础的今天,下一个重大的发展突破点可能是什么呢?

人们都注意到,1999年,在美国召开的移动世纪人类面临的又一个发展机遇”;2003年,美国《技术评论》提出传感器网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络,这些装置使用传感器相互协调地监控着不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物),并将这些变化传送到用无线传输的方式组成的网络里。虽然它最初起源于战场监测等军事应用,但现在已经被应用于很多民用领域,如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化以及交通控制等。其实,传感器网络的重要性主要还不在于它可以实现计算机联网,而在于它广泛地利用了射频自动识别(RFID)技术,通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享,从而为物物之间的网络奠定了基础。某种意义上,传感网、射频识别加上移动通信和互联网的整合呼之欲出。正由于此,到2005年,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,正式提出了物联网的概念。物联网是利用无所不在的网络技术,整合起传感技术和射频识别技术而建立起来的物品之间的互联网,是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮,是一个全新的技术领域。

我们知道,信息技术产业有个“十五年周期律”,即每隔10～15年这个领域会发生一次重大变革,并催生新市场、新业务模式、新产业:1950年前后电子计算机投入使用,1965年前后大型计算机问世,1980年前后个人电脑开始流行,1994～1995年,互联网爆发性成长。现在物联网的热潮正好吻合了这个神奇的十五年周期律。物联网的萌发,使通信技术和互联网引发的人人通信和人机通信大大地拓宽到机机和物物通信的更广泛的领域。

回顾国际电联从1997年在“网络的挑战”标题下出版的各个年度报告题目,可以看出国际电联及团结在其周围的各国专家和同行们对网络技术经济发展走向和热点问题的认识过程。

·1997年网络的挑战:电信和因特网(Chal-lengestotheNetwork:TelecommunicationsandtheInternet)

·1999年为了发展的因特网(Internetfor

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·2001年IP电话(IPTelephony)

·2002年移动时代的因特网(InternetforaMobileGeneration)

·2003年宽带的诞生(TheBirthofBroad-band)

·2004年可携带的因特网(ThePortableIn-ternet)

·2005年物联网(TheInternetofThings)·2006年数字生活(Digitallife)

由此可见,在移动时代的互联网、宽带技术和便携式互联网业逐步推开以后,建立一个物品之间的泛在的互联网并用它来改变我们的生活是各国同行们对信息通信技术基本走势的一个共识。

2005年在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,来自国际电联的战略政策部(SPU)的专家小组全面分析了下一步“永远在线”的通信问题,其中新的技术,例如射频识别卡和智能计算能够让各式各样的设备连接成为一个网络的世界。任何物品,从汽车轮胎到牙刷,很快就能在通信领域中出现,因而,我们已经从今天的“数据与人的因特网时代”快步地走向“物品的因特网”时代。

人类社会正在迈向计算和通信无所不在的时代,这将从根本上改变我们的企业、我们的社区和我们个人的生活方式。今天,技术的开发已经能够展现出这样一种现象:把一个小小的短距离移动接收发送器植入到一些不起眼的日常生活小器具中,就能建立人和物品之间以及物品和物品之间的通信,使得信息与通信技术(ICT)增加了新的维度:从原来的任何时间、任何地点的任何人的通信,变成了任何时间、任何地点的任何人和任何物的通信。这样,连接成了多重的,并在整体上出现了新的、动态的网络之网络:物品连接起来的因特网。这个物联网既不是科学幻想,也不是产业骗局,而是建立在具有网络泛在性技术和前景的可靠的基础上的。当今社会正在热切地要去实现它。物联网技术给用户、制造商、通信运营企业和各行各业以巨大的潜力。当然,从特定产品的概念到大规模市场的应用,这种颠覆了原有基础的创新还需要经历一个困难的市场化过程,会涉及到各类的市场参与者,包括标准化组织、国家研究中心、服务提供商、网。

　　二、物联网的相关技术及标准化进程

1.物联网的相关技术

在国际电联报告中形容物联网的相关技术用三个形容词enabling,emerging和underlying。enab-ling的意思是“使能的”,即这项技术可以像催化剂一样让其他技术更好和更有效地发挥作用。e-merging的意思是凸现的、浮现出的,使用这个词描述物联网背后的支撑技术(即underlyingtechnolo-gies),人们似乎看见了这类技术此起彼伏不断涌现出来的图景。除了已经发展非常成熟的电信技术(包括有线和无线通信技术等),支撑物联网的新兴技术分别是射频识别(RFID)、近距离通信(NFC)、灵巧物品(smartthings)、传感器、无线传感器网络技术、纳米技术和小型化技术。

(1)射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)是一种非接触式的自动符号识别技术。最简单的RFID系统由标签(Tag)、读卡器(Reader)和天线(Antenna)三部分,加上其他外部硬件和内部软件构成。基本工作原理是:读卡器向外部发出射频信号,产生范围很小的一个电磁场,当标签进入磁场后,接收到读卡器发出的射频信号,产生标签内部的一个小小的感应电流,借此所获得的能量将存储在芯片中的产品信息传给读卡器。这是无源标签或被动标签(PassiveTag)的工作原理。有源标签或主动标签(ActiveTag)则是主动发送某一频率的信号供读卡器读取信息和解码。读卡器将信息通过天线系统用无线传输方式将所得到的信息送至中央数据库进行处理。

RFID在本质上是物品标识的手段,它有可能最终会取代目前应用广泛的条形码,成为物品标识管理的最有效方式。它具有一些非常明显的优点。

·读取方便快捷。数据的读取无需光源,甚至可以透过外包装来进行。

·有效识别距离更大。采用自带电池的主动标签时,有效识别距离可达到30米以上。·识别速度快。标签一进入磁场,读卡器就可以即时读取其中的信息,而且能够同时处理多个标签,实现批量识别。

·数据容量大。数据容量最大的二维条形码(PDF417),最多也只能存储2725个数字,若包含字母,存储量则会更少;RFID标签则可以根K

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·使用寿命长,应用范围广。其无线电通信方式,使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境

和放射性环境,而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码。

·标签数据可动态更改。利用编程器可以写入数据,从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能,而且写入时间比打印条形码更少。

·更好的安全性。不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上,而且可以为标签数据的读写设置密码保护,从而具有更高的安全性。

·动态实时通信。标签以每秒50～100次的频率与读卡器进行通信,所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内,就可以对其位置进行动态的追踪和监控。

(2)近距离通信(NearFieldCommunications,NFC)又称为近场通信,由非接触式射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来,是一种用于近距离无线通信的技术。

NFC技术支持三种不同的操作模式:第一,读写模式(对FeliCa或ISO14443A卡的读写);第二,卡模式(如同FeliCa和ISO14443A/MI-FARE卡的通信);第三,NFC模式(NFC芯片间的通信)。

NFC国际标准ISO/IEC18092、ISO/IEC21481涵盖通信模式、调制与编码、防冲突机制、帧结构等内容。NFC工作于13.56MHz频段,支持主动和被动两种工作模式和多种传输数据速率。在主动模式下,主呼和被呼各自发出射频电磁场来激活通信;在被动工作模式下,如果主呼方发出射频电磁场,被呼方将响应并且装载一种调制模式激活通信。也就是说在一对NFC通信设备中(主呼和被呼),至少有一方是主动的。

NFC技术简化了用户移动商务应用时的操作,成本较低,功耗极小,安全性好,同时速率能满足一般应用的需求,兼具了无线通信和射频ID卡的功能,对于音视频流等需要较高带宽的应用,可以与蓝牙等其他无线技术相结合,在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。其应用可以分为四种类型,非常适于泛在计算和通信的要求:

·移近通过,如车站定票,只需将用户的移动设备靠近读取装置即可完成。

·移近确认,如付费时,先将移动设备靠近读取装置,若是大额支付,必须输入密码确认该交,刷卡消费。

·移近传输,如用手机下载电脑上的音乐,

或者将图片传输给电脑,只需将均内置NFC芯片的两个设备移近,传输会自动完成。

·移近浏览,如作为简易的数据读取应用,从海报上的智能型标签直接读取网址,无需输入URL就可上网。

(3)传感技术通指传感器和传感网所采用的技术。传感器是指能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。如果将许多在空间上分布的传感器组成计算机网络,使之协作地监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物),就形成了传感器网络,或简称为传感网。传感网的通信通常采用无线方式,每个节点除配备了一个或多个传感器之外,还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源(通常为电池)。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒,小到一粒尘埃。传感器节点的成本也是不定的,从几百美元到几美分,这取决于传感网的规模以及单个传感器节点所需的复杂度。传感器节点尺寸与复杂度限制了能量、存储、计算速度与频宽。传感技术是沟通物理世界与因特网虚拟世界之间的桥梁,它的发展最初起源于战场监测等军事应用,现在已经被应用于很多民用领域,如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化以及交通控制等。

(4)无线传感器网络(WirelessSensingNet-work),简称为WSN,是物联网体系中低层直接采集世界上各种物体信息的传感器信息网络。无线传感网络技术包括Wi-Fi传输技术、低功率蓝牙技术、自组网技术、tinyOS等。Zigbee协议是802.15(无线个域网标准委员会)制定的一个低速、低功耗网络标准(802.15.4),相对比较适合WSN,目前,不少传感器厂商直接采用它。

无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议(包括MAC层、路由、网络层、应用层等),而传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等要求,这种情况下,ZigBee协议应运而生。ZigBee的基础是IEEE802.15,但IEEE仅处理低线MAC层和物理层协议,因此ZigBee联盟扩展了IEEE,对其网络层协议和API进行了标准i

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网络技术,主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台,与现有的移动通信的CDMA网或GSM网十分类似,每一个Zig-Bee网络数传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75米,到扩展后的几百米,甚至几公里;另外整个ZigBee网络还可以与现有的其他的各种网络连接。通常,符合如下条件之一的应用,就可以考虑采用ZigBee技术做无线传输:需要数据采集或监控的网点多;传输的数据量不大,设备成本低;数据传输可靠性高,安全性高;设备体积很小,不便放置较大的充电电池或者电源模块;电池供电;地形复杂,监测点多,需要较大的网络覆盖;现有移动网络的覆盖盲区;使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统;使用GPS效果差,或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。值得注意的是,在已经发布的ZigBeeV1.0中并没有规定具体的路由协议,具体协议由协议栈实现。

(5)微小化和灵巧技术。微小化是当前科技发展的一个趋势,它应用了微米和纳米级技术。纳米技术一般指纳米级(0.1～100nm)的材料设计、制造、测量、控制产品的技术,其技术领域主要包括:纳米级测量技术、纳米级表层物理力学性能的检测技术、纳米级加工技术、纳米粒子的制备技术、纳米材料、纳米生物学技术、纳米组装技术等。目前纳米已经慢慢进入我们的生活,比如手机,以前只有打电话的功能,现在体积越来越小、功能越来越强;数码相机的摄像头包括电路也只有黄豆粒大小了;计算机的双核64位CPU依靠微纳米技术制成……纳米技术是一项有望为21世纪人类生活的各个方面带来革命的技术。所以,纳米技术也是物联网背后的重要支撑技术之一。

如果利用纳米技术把传感器做到像一粒尘埃那么小,就成了灵巧尘埃(smartdust)或叫微尘。当然目前它的大小是在5立方毫米左右。这个传感器尽管如此之小,但每一粒都具有传感器、微处理器、通信系统和电源四大部分,具有电和无线网络的软件使它们能够组成一个无线通信网络,而且这个网络是以自组织方式构成的。这是一种不需要基础设施的自创造、自组织和自管理的网络,网络中的各个灵巧的尘埃能够相互定位、收集数据并向观察者传递信息。如果其中一个功能失常,其他微尘会对其进行修复,并不会影响观察数据的获取。灵巧尘埃的出现及其无线网络的发展应用带来了一种新的信息获取和处理模式。虽然应用前景十分美好,但仍存在着若干技术难题,还不能走向广泛应用。研究者当前的目标是如何将5立方毫米级的微尘缩小到1立方毫米。

2.物联网标准化研究进展IOT发展动态如下:

·1995年比尔·盖茨在《未来之路》中首次提出IOT;

·1999年EPCglobal联合100多家企业成立IOT联盟;

·1999年我国中科院上海微系统和信息技术研究所开始相关研究;

·2005年我国开始传感网标准化研究工作;·2005年11月,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电联(ITU)发布的《ITU互联网报告2005:物联网》指出,无所不在的物联网通信时代即将来临;

·2007年底,ISO/IECJTC1成立传感网研究组;

·2008年底,ISO/IEC成立传感网标准化研究组;

·2008年底和2009年1月,IBMCEO彭明盛、美国总统奥巴马,提出“智慧地球”的概念,其中包括美国要形成智慧型基础设施物联网;·2009年5月,欧洲科研人员、官员和企业负责人齐聚欧盟总部所在地布鲁塞尔,就物联网新科技的发展前景做了广泛讨论;

·2009年8月7日温家宝总理到中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心视察,提出“尽快建立中国的`感知中国'中心”;

·2009年8月中国移动负责人提及,物联网将会成为中国移动未来的发展重点;

·2009年9月11日,中国传感网国家标准化工作组成立。

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