物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)關(guān)鍵技術(shù)與模式探討.doc

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)關(guān)鍵技術(shù)與模式探討劉兆元1 概述 近來，“物聯(lián)網(wǎng)”成了熱點概念詞匯，正像“物聯(lián)網(wǎng)”所推崇的無處不在，其概念已首先成為了無處不在的熱點詞匯。從一般性的網(wǎng)站、技術(shù)報刊、行業(yè)報刊，到機上讀物、廣告宣傳，以及技術(shù)論壇、行業(yè)評估、股票等，無不鋪天蓋地在熱議“物聯(lián)網(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)概念并不是新概念，其最早出現(xiàn)在比爾蓋茨1995年的未來之路一書，而后2005年國際電信聯(lián)盟正式提出物聯(lián)網(wǎng)概念，如泛在網(wǎng)絡(luò)、m2m（machine to machine）等技術(shù)名稱其實都是物聯(lián)網(wǎng)的前稱。 但到底什么是“物聯(lián)網(wǎng)”呢？物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱叫“the internet of things”，就是由許多在空間上分布的自動裝置通過無線/有線等通信網(wǎng)絡(luò)連接組成的計算機應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息采集、分析處理和設(shè)備監(jiān)控等功能，從而達到對物品跟蹤、監(jiān)控、管理等目的。舉個例子，危險品運輸中為了保證物品在運送過程中的安全，可以利用物聯(lián)網(wǎng)實施對物品狀態(tài)的全程監(jiān)控，這時通過分布在危險品周圍的溫度、濕度、氣壓、振動等傳感器探頭和gps定位模塊等，定期或不定期地采集危險品溫度、濕度、氣壓、振動、位置等信息，然后通過通信網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到遠程的集中監(jiān)控處理系統(tǒng)，由該系統(tǒng)進行信息處理，并根據(jù)處理結(jié)果實施相應(yīng)的控制處理。 國內(nèi)外不同產(chǎn)業(yè)對于m2m類型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)研究和開發(fā)多年，比如2004年orange公司推出了m2mconnect產(chǎn)品（其理念是使企業(yè)實現(xiàn)設(shè)備無線連接的、安全的中央控制網(wǎng)關(guān)，通過m2m connect實現(xiàn)后端設(shè)備與前端采集控制設(shè)備的連接，如圖1所示）；“m2mconnect”，提供的應(yīng)用包括：office equipment互聯(lián)、utilities(電子抄表)、security(安全監(jiān)控)、vendingmachine(自動售貨機)、物流車輛跟蹤。而同樣vodafone公司也推出了基于m2m gateway services的業(yè)務(wù)。 圖1 orange “m2m connect”業(yè)務(wù)架構(gòu)示意圖 物聯(lián)網(wǎng)有別于互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)主要目的是構(gòu)建一個全球性的信息通信計算機網(wǎng)絡(luò)，而物聯(lián)網(wǎng)則主要從應(yīng)用出發(fā)，利用互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)資源進行業(yè)務(wù)信息的傳送，是互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的延伸，是自動化控制、遙控遙測及信息應(yīng)用技術(shù)的綜合展現(xiàn)。當物聯(lián)網(wǎng)概念與近距離通信技術(shù)、采集技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)、用戶終端設(shè)備結(jié)合后，其價值才將逐步得到展現(xiàn)。2 物聯(lián)網(wǎng)分類 物聯(lián)網(wǎng)的分類有多種，如按照接入方式、應(yīng)用類型等方式進行分類，類似于計算機網(wǎng)絡(luò)劃分為專用網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和公眾網(wǎng)絡(luò)，我們從物聯(lián)網(wǎng)的用戶范圍不同，可分為公眾物聯(lián)網(wǎng)和專用物聯(lián)網(wǎng)兩種。公眾物聯(lián)網(wǎng)是指為滿足大眾生活和信息的需求提供的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，而專用物聯(lián)網(wǎng)就是滿足企業(yè)、團體或個人特色應(yīng)用需求，有針對性地提供的專業(yè)性的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。專用物聯(lián)網(wǎng)可以利用公眾網(wǎng)絡(luò)（如：internet）、專網(wǎng)（局域網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)或移動通信互聯(lián)網(wǎng)中公用網(wǎng)絡(luò)中的專享資源）等進行信息傳送。 表1 物聯(lián)網(wǎng)分類方式舉例3 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展瓶頸 圖2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的組成示意圖 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的組成架構(gòu)包括：末梢節(jié)點（應(yīng)用采集控制層）、接入層（末梢網(wǎng)絡(luò)）、承載網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用控制層、用戶，其中由計算機網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的承載網(wǎng)絡(luò)為業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。如圖2物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)組成示意圖。末梢節(jié)點層由各種類型的采集和控制模塊組成，如溫度感應(yīng)器、聲音感應(yīng)器、振動感應(yīng)器、壓力感應(yīng)器、rfid讀寫器、二維碼識讀器等，完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制功能。接入層由基站節(jié)點（sink節(jié)點）和接入網(wǎng)關(guān)（accessgateway）組成，完成應(yīng)用末梢各節(jié)點信息的組網(wǎng)控制和信息匯集，或完成向末梢節(jié)點下發(fā)信息的轉(zhuǎn)發(fā)等功能。也就是末梢節(jié)點之間完成組網(wǎng)后，如果末梢節(jié)點需要上傳數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站節(jié)點，基站節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，通過接入網(wǎng)關(guān)完成和承載網(wǎng)絡(luò)的連接，而應(yīng)用控制層需要下發(fā)控制數(shù)據(jù)時，接入網(wǎng)關(guān)接收到承載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)后，由基站節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給末梢節(jié)點，從而完成末梢節(jié)點與承載網(wǎng)絡(luò)之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)和交互的功能。 末梢節(jié)點與接入層構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的信息采集和控制，其按照接入網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性不同可分為簡單接入方式和多跳接入方式。簡單接入就是在采集設(shè)備獲取信息后直接通過有線或無線方式將信息直接發(fā)送至承載網(wǎng)絡(luò)，如目前rfid讀寫設(shè)備主要采用簡單接入方式；簡單接入方式可用于終端設(shè)備分散、數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)應(yīng)用。而多跳接入是利用無線傳感器（wsn）技術(shù)，將具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式，各節(jié)點能根據(jù)環(huán)境的變化，自主地完成網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組織和信息的傳遞；由于節(jié)點間距離較短，一般采用多跳方式進行通信。而后傳感器網(wǎng)絡(luò)最終將信息通過接入網(wǎng)關(guān)傳遞到承載網(wǎng)絡(luò)。典型的無線傳感器設(shè)備有zigbee、uwb等。多跳接入方式適用于終端設(shè)備分別集中、終端與網(wǎng)絡(luò)間傳遞數(shù)據(jù)量較小的應(yīng)用。通過采用多跳接入方式可以降低末梢節(jié)點、接入層和承載網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)投資和應(yīng)用成本，以及方便建設(shè)實施工作和提升接入網(wǎng)絡(luò)的健壯性。 承載網(wǎng)絡(luò)是指現(xiàn)行的通信網(wǎng)絡(luò)，可以是internet網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)等，完成物聯(lián)網(wǎng)接入層與應(yīng)用控制層之間的信息通信功能。 應(yīng)用控制層由各種應(yīng)用服務(wù)器組成（包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器），主要功能包括對采集數(shù)據(jù)的匯集、轉(zhuǎn)換、分析，以及用戶層呈現(xiàn)的適配和事件的觸發(fā)等。對于信息采集，由于從末梢節(jié)點獲取大量的原始數(shù)據(jù)，并且這些原始數(shù)據(jù)對于用戶來說只有經(jīng)過轉(zhuǎn)換、篩選、分析處理后才有實際價值，這些有實際價值的內(nèi)容應(yīng)用服務(wù)器將根據(jù)用戶的呈現(xiàn)設(shè)備不同完成信息呈現(xiàn)的適配，并根據(jù)用戶的設(shè)置觸發(fā)相關(guān)的通知信息，應(yīng)用控制層就承擔(dān)了該項工作；同時在需要完成對末梢節(jié)點控制時，應(yīng)用控制層將完成控制指令的生成和指令下發(fā)控制功能。針對不同的應(yīng)用將設(shè)置不同的應(yīng)用服務(wù)器。 用戶層為用戶提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用ui接口，包括用戶設(shè)備（如pc、手機）、客戶端等。 如果把物聯(lián)網(wǎng)比作一個神經(jīng)系統(tǒng)，那么末梢節(jié)點、接入層就構(gòu)成了外周神經(jīng)（系統(tǒng)末梢神經(jīng)系統(tǒng)），承載網(wǎng)絡(luò)層（物聯(lián)網(wǎng)的“脊髓”）、應(yīng)用控制層（物聯(lián)網(wǎng)的“大腦”）和用戶層構(gòu)成了中樞神經(jīng)系統(tǒng)。通過神經(jīng)系統(tǒng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)信息采集和設(shè)備控制功能。 結(jié)合多應(yīng)用、泛在網(wǎng)絡(luò)“無處不在”、海量信息等特點，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)除了傳統(tǒng)的信息及通信技術(shù)外，尚需引入傳感器技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ipv6、云計算等，以及定位等輔助技術(shù)支撐。 由于ipv4地址資源的匱乏，ipv6商用是實現(xiàn)真正意義上“泛在網(wǎng)絡(luò)”概念的必然條件，ipv6應(yīng)用貫穿物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的各個環(huán)節(jié)設(shè)備持；云計算是滿足海量數(shù)據(jù)處理的要求，是未來物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將是云計算技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。而物聯(lián)網(wǎng)中最關(guān)鍵的設(shè)備是終端設(shè)備，包括末梢節(jié)點和接入層的設(shè)備，它們是物聯(lián)網(wǎng)的靈魂。然而這些設(shè)備技術(shù)目前雖然都已具備了一定的理論基礎(chǔ)，部分技術(shù)在一定應(yīng)用環(huán)境下還得到了商用化應(yīng)用，但如果要在更廣泛領(lǐng)域得到普及性應(yīng)用，在功耗、安全性、網(wǎng)絡(luò)可靠性健壯性等方面還存在很多技術(shù)難題需要突破。 構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)末梢節(jié)點的外圍神經(jīng)系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備類型最豐富、數(shù)量最多、應(yīng)用環(huán)境最復(fù)雜的一部分。一個應(yīng)用從幾個到幾萬、上百萬不等，應(yīng)用環(huán)境除了室內(nèi)外，還包括在不同溫度、濕度、電磁干擾下的戶外環(huán)境，因此突破末梢節(jié)點采集控制設(shè)備、接入層技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵和難點。末梢節(jié)點的組成包括4個基本單元：傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成，如rfid、二維碼識讀設(shè)備、溫感設(shè)備）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括cpu微處理器、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)cos等）、通信單元（由無線通信模塊組成，實現(xiàn)末梢節(jié)點間、以及與基站節(jié)點的通信）、以及電源/供電部分。其綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、智能組網(wǎng)技術(shù)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到接入層的基站節(jié)點和接入網(wǎng)關(guān)，最終到達用戶終端，從而真正實現(xiàn)“無處不在”物聯(lián)網(wǎng)的理念 目前的標準主要有rfid、zigbee、802.15.4、uwb等。末梢節(jié)點的關(guān)鍵技術(shù)包括耗電（電源管理）技術(shù)、安全性技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、野外耐用性等。 由于末梢節(jié)點分布廣，如果采用有線供電將帶來巨大的成本和限制設(shè)備應(yīng)用，如目前m2m應(yīng)用中電力抄表得到較大發(fā)展，其中一個原因就是電力抄表最容易解決供電問題，因此解決采集設(shè)備供電問題是面臨的關(guān)鍵問題之一。其主要途徑有：（1）提升微電子工藝水平：通過提高產(chǎn)品的工藝水平減低芯片功耗；（2）加強電源管理控制：通過合理使用設(shè)備休眠、喚醒，以及采用發(fā)送功率低的rf等減低傳感功耗等方式來進一步減低設(shè)備整體功耗；（3）供電設(shè)備入手，使用高能電池提高續(xù)航時間，利用感應(yīng)線圈、太陽能實現(xiàn)供電和電磁充電。對于一些無源環(huán)境下，如果能夠突破采用高性能的無線感應(yīng)線圈或太陽能蓄電方式供電將有利于產(chǎn)品的普及和擴大產(chǎn)品的應(yīng)用面。 信息安全是末梢節(jié)點的另外一個難題，需要解決惡劣環(huán)境和人為因素帶來的對數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)和節(jié)點間信息傳送中的安全性問題。引起安全性的因素包括傳統(tǒng)的無線電電磁干擾和對傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由機制進行攻擊，從而造成節(jié)點發(fā)送錯誤數(shù)據(jù)和非法數(shù)據(jù)，侵入節(jié)點致使網(wǎng)絡(luò)的某些節(jié)點和某些網(wǎng)段互發(fā)大量的無用數(shù)據(jù)，造成節(jié)點能量很快耗盡，傳感器網(wǎng)絡(luò)分立，形成監(jiān)測黑洞，無法完成正常監(jiān)測工作。目前主要解決方案包括采用擴頻通信、傳感器節(jié)點接入認證、鑒權(quán)、數(shù)據(jù)水印和數(shù)據(jù)加密等技術(shù)提高采集和網(wǎng)絡(luò)的安全性。 以zigbee為例，其功耗水平，在休眠狀態(tài)下耗電量為幾w，在短距離通信的工作狀態(tài)下耗電約為40mw，在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通干電池可使用6個月左右；在安全性方面，zigbee具有數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒別功能，其硬件支持crc和aes-128。基本能夠滿足短距離通信的安全特性要求。zibee在國內(nèi)使用的頻段為2.4ghz的ism頻段。 4 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及發(fā)展模式 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展面臨互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期相似的問題，如何解決內(nèi)容應(yīng)用豐富和商業(yè)運營模式的問題，互聯(lián)網(wǎng)雖然到目前為止尚無一個固定的發(fā)展模式，但通過開放的內(nèi)容和形式、采用傳統(tǒng)電視廣告模式，以及投資者著眼于長線發(fā)展等方式逐步解決了整個互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展瓶頸。物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用延伸，是信息網(wǎng)絡(luò)上的一種增值應(yīng)用，其有別于語音電話、短信等基本的通信需求，因此物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期面臨著廣泛開展需求挖掘及投資消費引導(dǎo)的工作。 在目前技術(shù)背景、政府高度重視的大環(huán)境下，需要產(chǎn)業(yè)鏈各方深度挖掘物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢和價值。 首先，對于消費者來說，物聯(lián)網(wǎng)到底能給大家?guī)硎裁矗?1) 自動化，減低生產(chǎn)成本和效率，提升企業(yè)綜合競爭能力(2) 信息的實時性，借助通信網(wǎng)絡(luò)，及時地獲取遠端的信息(3) 提高便利性，如rfid電子支付交易業(yè)務(wù)(4) 有利于安全生產(chǎn)，及時發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患，便于實現(xiàn)安全監(jiān)控監(jiān)管(5) 提升社會的信息化程度(6) 總體來說，物聯(lián)網(wǎng)將在提升信息傳送效率、改善民生、提高生產(chǎn)率、降低企業(yè)管理成本等方面發(fā)揮重要的作用。 從實際價值和購買能力來看，企業(yè)將有望成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的第一批用戶，其應(yīng)用也將是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期的主要應(yīng)用。從企業(yè)點點滴滴應(yīng)用開始，逐步延伸擴大，推進產(chǎn)業(yè)鏈成熟和應(yīng)用的成熟。 其次，物聯(lián)網(wǎng)成熟應(yīng)用有哪些？ 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用極其廣泛，從日常的家庭個人應(yīng)用，到用于工業(yè)自動化應(yīng)用。目前比較典型的應(yīng)用包括水電行業(yè)無線遠程自動抄表系統(tǒng)、數(shù)字城市系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)、危險源和家居監(jiān)控系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管系統(tǒng)等，如表2所示 表2 物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用類型。 這些應(yīng)用都是在線應(yīng)用或潛在應(yīng)用，一些應(yīng)用還取得了較好的示范效果，如國內(nèi)電表抄送應(yīng)用，雀巢公司在2004年在英法建立冰淇淋銷售機，加拿大cstar無現(xiàn)金自動販賣機，londonwaste公司應(yīng)用orange公司的fleetlink系統(tǒng)為其在倫敦提供廢物回收處理服務(wù)汽車進行跟蹤定位服務(wù)。智能停車場系統(tǒng)能夠及時準確地提供車位使用情況及停車收費等應(yīng)用，北京奧運會期間實行的奧運路線交通流信息實時監(jiān)測系統(tǒng)；家庭安防應(yīng)用通過感應(yīng)設(shè)備和圖像系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)對家居安全的遠程監(jiān)控；水電表抄送通過遠程電子抄表，減少抄表時間間隔，對企業(yè)用電情況能夠及時掌握；危險區(qū)域/危險源監(jiān)控實現(xiàn)一些危險的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實施安全監(jiān)測，以有效遏制和減少惡性事故的發(fā)生。第三，如何協(xié)同推進業(yè)務(wù)發(fā)展？ 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中包括設(shè)備提供商（前端終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機系統(tǒng)設(shè)備等）、應(yīng)用開發(fā)商、方案提供商、網(wǎng)絡(luò)提供商，以及最終用戶。如圖3所示。 圖3 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈基本組成 初期，業(yè)務(wù)的推動以終端設(shè)備提供商為主，終端設(shè)備提供商通過獲取行業(yè)客戶需求，尋求應(yīng)用開發(fā)商根據(jù)需求進行業(yè)務(wù)開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)提供商(電信運營商)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，終端設(shè)備最終提供商擔(dān)當方案集成提供商角色提供整體解決方案各業(yè)務(wù)使用方或業(yè)務(wù)應(yīng)用方。這種終端設(shè)備廠商推動型的模式，雖然能夠適時根據(jù)客戶需求，滿足客戶對終端設(shè)備多樣化的需求，但由于市場零星，缺乏規(guī)?；l(fā)展的條件，市場比較混亂，業(yè)務(wù)功能比較單一，特別是對系統(tǒng)的可靠性、安全性要求較高的行業(yè)應(yīng)用，該模式下很難得到整體質(zhì)量保障。因此隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模的進一步擴大，面臨產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和統(tǒng)籌發(fā)展的問題，包括技術(shù)規(guī)劃、業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃等，正當其時，國家從戰(zhàn)略層面提出了“加快推進傳感網(wǎng)發(fā)展”的目標。因此在這種政府引導(dǎo)和鼓勵環(huán)境下，再加上一定的產(chǎn)業(yè)扶持政策，將形成國家統(tǒng)籌指導(dǎo)，需求方主導(dǎo)，科研、設(shè)備制造、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈多方通力合作局面。目前網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商已將在推動發(fā)展中發(fā)揮更加主動的作用，從中國電信成立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和推廣中心、中國移動物聯(lián)