物联网技术1.docx

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物联网技术1

1.引言

2000年注定要成为中国物联网进展历史中具有里程碑意义的一年。

在这一年里，美国总统奥巴马，中国总理温家宝前后将物联网进展提升到国家科技进展战略的髙度，提出了“智慧地球”，“感知中国”等理念。

随之政府相关部门、运营商纷纷对物联网进展发表观点，一时刻物联网成为科技界大热的名词，有关物联网的概念、名词、消息不断见诸于媒体，专家预言物联网将是下一个万亿元级的通信业务，一晚上之间，大量的物联网公司神奇的出此刻世人眼前。

物联网乃至成为股市炒作的题材，其热度可见一斑。

大热之余，人们也心生诸多闲惑，专家们描述的物联网概念不尽相同，物联网、传感网、泛在网、M2M、RFID这些用来描述物联网的名词之间究竟是什么关系？

物联网究竟是什么？

它从何处来?

它向何处去?

它将给人类生活带来什么样的影响呢？

2.什么是物联网

物联网概念

到目前为止，国际上并无形成一个关于"物联网"的明确的通用官方概念。

相对权威的物联网（"Internetofthings"）描述来源于ITU的《ITU互联网报告2005：

物联网》。

在那个报告中，ITU也没有对"物联网"进行明确的概念，而是将"物联网"形容成为一个无所不在的，在任何时刻、任何地方，任何人、任何物体之间都能够彼此联接的计算及通信网络（见图1）。

如此一个概念既虚无，也很实在。

虛无在于它只描述了一个超级抽象的场景-4A（Anytime,Anyplace,Anyone,Anything）；实在在于它指出，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，可是其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，是任何物品与物品，物品与人之间进行信息互换和通信（事实上这也是ITU对于未来技术概念的通常手法。

ITU当初对第三代移动通信系统（3G）——IMT2000也是采用类似的概念方式，而今天3G早已经成为现实）。

互动百科对物联网做了更具体的概念，物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全世界定位系统、激光扫描器等信总传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息互换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

ITU的物联网概念更强调通信主休的扩展（由人与人进展到物与物，物与人），而互动百科的概念更强调通信网络

图1ITU关于物联网的描述

的组成（传感设备、互联网）。

由于目前传感器、通信技术、网络技术都处在卨速进展中，还无法精准描述物联网，因此,从通信主体扩展的角度概念物联网更适合些。

传感器网络、泛在网、M2M与物联网辨析

当前物联网概念容易令人糊涂的一个方面是媒体在报导物联网的时候，不问领域的专家对物联网具体描述采用了不同的名词，如传感器网络、泛在网、M2M等。

这些名词又是什么意思?

它们与物联网之间又是什么关系?

下面对这些概念做-辨析

2.2.1传感器网络

传感器网络顾名思义就是由传感器组成的网络:

传感器网络的网络结构如图2所示:

它包括传感节点、局部通信节点，互联网，和用户界面几个部份。

其顶用户界脸部份是信息的聚合与呈现;互联网包括有线互联网与无线互联网，主要实现广域的信息传输，局部通信节点主要实现传感节点在局部密集区域的通信和与互联网的通信；传感节点负责信息的采集。

目前,在学术上研究的的热点是无线传感器网络（WSN,WirelessSenrNetwork）。

WSN具休包括两个网络部份，局域网部份与广域网部份，在局域网络部份，它通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和收集各类环境或监测对象的信息，这些信息在局部通过无线通信方式，以自组织、多跳的网络方式与广域网络通信连接，局域网络部份通常采用近距离无线通信技术如ZigBee、Bluetooth、、UWB等；广域网络部份则利用现有的互联网，将信息传送到用户终端进行聚类与呈现，从而实现物理世界、计算世界和人类社会三元世界的连通。

学术界对说WSN的研究重点在于局域网络部份的传感器节点的数据收集和局域网络的通信与网络协议。

其应用重点在于军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等在局部区域无基础通信网络，而又有密集数据收集需求的应用领域。

例如，在军事领域，WSN用于战场情报搜集，其应用模式就是在战场局部区域，通过飞机或导弹撒布大量传感与通信节点，由于战场区域通常无基础通信网络，这些传感与通信节点形成局部自组织网络，通过卫星链路与广域网络连接。

依照ITU关于物联网的描述性概念，传感器网络实际上就是物联网的一部份。

泛在网

泛在网（UbiquitousNetwork）,指无所不在的网络，它以"无所不在"、"无所不包"、"无所不能"为大体特征，即在任何时刻、任何地址、任何人、任何物都能顺畅地通信，国际电信联盟ITU以为，泛在网是将本来不属于电信范围的技术，如传感器技术、标签技术等各类近距离通信技术纳入其中，从而构建起一个范围更大的网络体系。

泛在网的架构包括三个层次的内容:

一是无所不在的基础网络；二是无所不在的终端单元;三是无所不在的网络应用。

基础网络就是连接终端单元和网络的通道,通过那个通道，终端单元和网络应用才能够有效互动，实现泛在网的庞大效能。

泛在网的基础网络既包括各类局域通信网络,也包括各类广域通信网络。

终端单元是泛在网的神经末梢，它们形态多样、接入手腕多样、功能多样，能够是电话或PDA等手持终端，也能够是各类传感器单元，这些终端单元实现信息的感知、传送和响应网络应用控制中枢（或控制网络）所发出的控制指令。

基于基础网络与终端单元组成各类各样的泛在网应用，对人类生活产生深远影响。

单纯从概念上讲，泛在网等同或包括物联网。

若是仅从物物间通信的角度来看,泛在网与物联网，传感器网是等同的。

若是从强调物联网的物物通信、物人通信的角度，泛在网包含物联网。

目前，世界上大多数国家利用物联网那个概念，而日本、韩国则多用"泛在网络"概念。

2.2.3M2M（Machine-to-Machine）

M2M指机械对机械（Machine-to-Machine）类型的通信业务。

对M2M的概念有广义与狭义的两种理解。

狭义的理解是仅指机械对机械间的通信，乃至更狭义一点，仅指基于无线通信技术的机械通信业务。

广义的理解指M2M业务不仅是机械对Machine-to-Machine的通信业务，还包括了Machine-to-Machine类型（机械响应人员的操控指令从而执行必然的操作）和Machine-to-Man类型（机械能够将收集的信息传送给相应人员〉的通信业务。

实际上，在现实生活中，机械信息的流转最终都要抵达人，对M2M狭义的理解割裂了信息流转的现实模式，因此当试图用M2M狭义的概念去套一些M2M应历时，往往会产生困惑。

因此，利用M2M的广义理解更适合些。

与物联网，传感网、泛在网等概念偏重从网络层面概念不同，M2M更偏重从通信对象的角度概念。

当利用M2M的广义理解时，M2M就是物联网的具体应用。

M2M与无线传感网WSN不同的地方在于，WSN的应用重点在于局部区域无基础通信网络的场合,研究重点在于局部通信网络的构建，而M2M则更多的用于具有基础通信网络的场合，如移动通信网或互联网。

这也是为何前一段时刻运营商利用M2M作为物联网表述的原因。

简单的讲，M2M就是物联网的具体应用，它通常基于现有的广域基础公众通信网络，包括移动通信网与固定通信网。

基于上述分析,M2M、传感器网络，物联网、泛在网实际上表达的是同一个意思。

就是将通信从人与人世信息的交互扩展到人与物、物与物之间。

从而极大地扩展通信的应用范围。

出现不同表达概念的原因是因为要实现物与物、物与人之间的信息交互,技术上涉及到通信、电子、计算、网络等多学科，在应用领域涉及到工业、农业、国防等生产各个领域，基于不同的角度，给出的描述自然不同。

物联网关键技术

物联网层次结构图如图3所示，

它包括感知与执行层、通信与网络层、信息聚合与应用层。

感知与执行层主如果完成各类传感信息的收集与动作执行，如常规的温度、湿度、气流、压力、流量、超声波、照度、电压、电流和音频、视频等传感信息的收集；通信与网络层包括各类有线、无线通信网络，包括各类近场通信网、局域通信网和广域通信网络，如RFID、ZigBee、Bluetooth、、3G/4G、Internet/Intranet、卫星通信等；信息聚合与应用层主要完成信息的聚类、挖掘、分析与呈现等。

与物联网的层次结构对应，物联网义键技术涉及到材料、电子、通信、计算、网络等众多学科领域（这也是为何-夜之间出现众多物联网公司的原因）。

在感知与执行层，涉及的关键技术有：

●材料与器件技术：

包括各类新型传感器件和执行、显示器件的设计。

●嵌入式软硬件技术：

包括各类嵌入式操作系统、嵌入式芯片，如TinyOS,Linux等。

●新型能源技术：

如太阳能、燃料电池等。

在通信与网络层,涉及的关键技术有：

●近场通信技术:

近距离通信技术如RFID。

●局域通信技术:

局域网络通信技术,如ZigBee,Bluetooth,等实现局部区域通信和通信组网。

其研究核心在于通信协议设计、网络自组织架构设计、数据路由技术等。

●广域网通信技术：

主要指互联网，3G/4G等广域通信技术

●异构网络通信接口技术:

由于通信网络层涉及各类网络技术，必需要实现简练统一的接口，包括统—的接口协议架构与语意表达等技术。

在信息聚合与应用层,涉及的关键技术有：

●云计算：

信息的散布式计算技术。

●信息分析与协同技术：

海量信息的聚类、分析、挖掘、呈现与协同技术。

3.典型物联网应用

当前物联网应用按照网络应用形态可分为两大类，一类是无线传感器网应用类，一类是M2M应用类。

之所以存在如此的分类，是因为传感器网络与传统广域通信网络的技术要求有明显不同；传感器网络以数据为中心，而广域通信网以数据的传输为目的，为了适应普遍的应用程序，传统网络的设计遵循着"端到端"的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处置都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发；而对于传感器网络，应用程序更关心的是多节点数据的处置、融合缓和存；对于广域通信网络（如WLAN和蜂窝移动电话网络）而言，其设计目标是在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，同时为用户提供必然的服务质量保证。

而在无线传感器网络中，除少数节点需耍移动之外，大部份节点都是静止的。

因为它们通常运行在人无法接近的恶劣乃至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。

无线传感器网应用类主要用于局部区域无基础通信网络，而又有密集数据收集需求的应用领域。

如媒体重点报导的机场周界防范系统就是这一类应用的典型例子。

其他典型应用如：

●军事应用:

在战场投放无线传感器网络，能够实现对敌侦查、火力定位、轰炸效果评估等功能。

●环境科学：

随着人们对于环境的日趋关注，环境科学所涉及的范围愈来愈普遍。

通过传统方式收集原始数据是一件困难的工作。

传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便，如通过部署无线传感器网络来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依此进行山洪、泥石流、地震等自然灾害的预测；另外如传感器网络应用在精细农业中，对农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等进行监测。

●空间探索:

借助于航天器布撒的传感器网络节点实现对星球表面长时刻的监测。

M2M应用是基于广域通信网的物联网应用形式，也是目前电信运营商所主推的物联网应用形式。

与无线传感器网络不同，M2M应用重点在于信息的收集与传输,对于信息的处置集中在应用途置平台典型的M2M应用有：

●基站动力环境监控:

对运营商基站内部除主设备外的各类配套设备的集中远程监控-如门禁、温度、湿度、电池、油机、视频、空凋、电表等各类传感量的集中监控。

●远程测控：

如应用于智能电网中的远程抄表、负荷优化、运行状态监控等;应用于城市自来水、煤气管网的状态监测与远程阀门控制等；应用于人民防空的防空警报器远程监测系统；应用于环保的环保污水、废气、噪声监测系统。

应用于电梯的电梯状态远程监控系统，应用于铁路系统的铁路沿线天气环境监测系统等。

●销售与支付:

如基于RFSIM的移动支付应用:

通过电话刷卡，进行小额消费、电子通票，身份认证等应用。

●远程信息处置/车内应用：

包括行驶导航、行驶安全、车辆状况诊断、定位服务、交通信息等。

●安全监控:

如对重点区域的远程视频监控。

●物流与资产管理:

通过RFID与无线技术实现货物跟踪、线路计划、调度管理。

基于RFID与无线技术实现企业散布资产的管理等。

4.物联网产业链及商业模式分析

物联网产业链上包括如下角色：

●用户:

包括行业与个人。

对于个人而言，物联网应用主要用于提高生活的便利性。

如基于电话的移动支付应用。

对于企业而言，物联网应用主要用于提高企业的生产效率。

如电力的远程抄表，环保部门的环境监控等。

●系统集成商:

综合各类应用解决方案，为客户提供集成解决方案。

为客户提供包括设计、施工与保护等服务。

●运营商：

提供基础通信网络服务，亦提供集成解决方案。

●产品开发商:

幵发各类物联网应用产品与解决方案。

●标准化组织:

进行相关技术的标准化研究与制定。

●新材料与集成电路芯片供给商:

提供各类传感器和集成电路芯片。

由于物联网应用涉及到的行业领域超级普遍，而每一个行业领域的行业壁垒、信息化程度、技术能力、基础设施等情形千差万别,使得信息的互联与融合超级困难。

这就要求物联网产业链上的各角色在合理的商业模式设计上各司其责，实现物联网的良性进展。

标准化空白、基础设施不足、产业链混乱、各自为政是目前物联网进展面临的主要挑战。

物联网要进展，必需在标准化、基础设施、商业模式上取得冲破：

●标准化工作要有冲破。

第一，应用基础研究与标准化要先行。

相关标准化组织、科研机构、高校、运营商、通信设备厂商、行业应用厂商、终端厂商等合作伙伴需紧密配合，从信息感知、数据传送、业务平台和应用等多个层次进行标准化的工作。

物联网产业要成功，亟需从整个产业链的横向分工上进一步明确，从标准化、开放性、互通性方面进一步规范和增强，才能实现物联网产业的规模化进展。

目前我国相关标准化组织、科研机构、高校、运营商、通信设备厂商、行业应用厂商、终端厂商等合作伙伴正在一路制定相关规范和标准，从信息感知、数据传送、物联网业务平台和应用等多个层次进行标准化的工作。

●基础设施建设要冲破。

当前通信网络主要针对人与人世的话音通信进行设计的。

在网络计划、计费模式、服务模式、保护模式、号码资源等方面都需要针对物联网所针对的物物通信进行优化。

如号码资源，物的数量显然要大大超过人的数量，如何设计新的号码资源以知足这种需求?

如计费模式,物与物之间的通信模型显然与人与人之间的通信模型不一样，必需设计适合物物通信模型的资费模式；如服务模式，现有针对人的话音通信服务机制是依照属地服务的方式设计的，而物联网应用往往是跨越较大区域的，显然要设计新的服务机制来应对物联网的这种特点。

●商业模式要冲破。

从目前物联网应用的实际情形看，存在两种主要的商业模式：

（1）通信运营商推动的物联网应用模式。

在这种模式下，在产品开发层面，运营商选择适合的技术合作伙伴，肯定适合的技术体制，组织完成相关技术的开发与标准化工作，引导产品开发商完成产品化工作；在商业推行层面，运营商选择适合的系统集成商，由系统集成商进行客户拓展、系统集成与售后服务,运营商负责业务宣传、业务管理与计费。

这种模式适用于运营商掌握强势资源的应用，如基于RFSIM的移动支付与一卡通应用。

（2）客户推动的物联网应用模式。

在这种模式下，行业客户提出需求，并组织相应的系统集成商与产品开发商进行产品开发与部署，釆购运营商的资费卡，取得运营商的网络资源利用权。

实际上，目前大部份的M2M应用都是这种模式。

这种模式下,运营商处于从动地位，只能提供所有效户的标准化资费政策与网络资源保障，时刻要考虑如何平衡行业用户资费政策对公共用户的影响。

由于需要协调行业客户与运营商资源，使得产品供给商无法实现针对不同区域用户的应用复制，无法实现规模效益；而对于行业用户而言，除要向产品供给商提供付系统费用外，还需要向通信运营商支付通信费，流程复杂；另外，由于M2M应用均需要长期的服务保护，客户还要求产品供给商提供长期的保护服务，而由于缺乏规模效益，产品供给商也无兴趣提供长期的保护服务，尤其是当出现问题时候，尤其是涉及到无法明显区分设备与网络故障时候，问题的排查与解决加倍麻烦。

这也是为何目前运营商行业M2M应用绝大部份为亮点性应用、缺乏规模应用的原因。

运营商作为基础网络设施的拥有者，作为信息服务的提供商，能够成为物联网产业链条的主导者。

这种主导不是对业务开发、拓展、运营的全包办，而是资源的整合者。

在客户拓展层面，运营商负责整合业务拓展商与系统集成商，由业务拓展商与系统集成商进行客户拓展、系统集成、售后服务等面向客户的服务工作，运营商提供统一的标准化产品、计费和面向客户的业务服务界面，同时负责业务的服务质量考核。

运营商运营服务收人分为两大块，通信流量费与业务功能费。

运营收入由运营商统一收取。

再进行二次分派，通信流量费由运营商取得，业务功能费与系统集成商或客户拓展商分成。

如此对用户而言，只需面对运营商一个服务界面，工作流程简单；对于系统集成商或业务拓展商而言，由于他们通常在特定的行业有连年的耕耘，对行业客户的需求与客户的工作流程理解更深刻，功能费分成会促使他们有动力也有能力做好对客户的拓展服务；对于运营商而言，能够更关注基础网络的运营保护和行业应用服务质量的基础管理工作。

在技术与产品幵发方面，运营商与相关的产品开发商合作，面向行业客户提供标准化的解决方案与产品，由于运营商有遍及全国的分支机构，使得好的行业解决方案能够在不同区域进行复制，产品开发商能够取得规模效益，能够为用户提供更高性价比的产品，用户应用门坎降低。

5.物联网的进展阶段分析

当前人们以为物联网将是继运算机、互联网与移动通信网以后的又一次信息产业浪潮，并将引导又一次信息技术革命。

客观上讲,互联网完成了人类对信息的积累与快速大规模的分发，移动通信网实现了人与人在任何时问，任何区域的信息交流，物联网作为物与物、人与物之间信息的交流主要手腕,将对人类的生产生活产生深远的影响，这是毋庸置疑的。

但是，与历史上任何一次技术浪潮一样，物联网的进展之路也将是渐进、曲折的。

它将经历应用探索期、规模演进期、和谐进展期这几个阶段。

在应用探索期、将对物联网的技术标准化、网络适应性、商业模式等方面进行探索。

在技术标准化方面，由于物联网涉及较多的技术领域，标准化工作将加倍艰巨与复杂。

在网络适应性面,以前的广域通信网设计之初主要针对人与人之间的交流，而物与物、物与人之间的信息交流方式与人与人之间的信息交流模式显然是不同的，这需要通信网络进行适应性研究与改良，使之适应物联网的进展。

在商业模式方面，需要探索出一个有效的可复制的价值链合作模式。

对物联网技术、网络与商业模式的探索，不是单纯的学术探索，而是构建在大量典型性物联网应用项目研究、部署与商业应用基础之上的。

在规模演进期,有效的商业价值链已现雏形，网络的适应性改造大体完成，大量物联网应用在技术与商业层面日趋成熟，在广度与深度上具有大规模复制的能力。

在和谐进展期,物联网商业价值链已经成熟，物联网应用巳经渗入人们生产生活的各方面，实现人与自然的和谐进展。

6.结语

物联网是工业信息化进展的必然。

在过去的十几年间，计算机与网络技术的高速进展使得IT技术达到相对稳固的平台进展期。

一方面，IT基础设施的进展已经达到相当的规模，能够支撑工业信息化进展的需求；另一方面，传统工业的进展也到了进展瓶颈期，亟需通过信息化来提升。

物联网将物理基础设施与IT基础设施进行结合，人类能够以加倍精细和动态的方式管理生产和生活，从这一点上讲，物联网产业极具想象力。