作者簡介：凌志浩（1957-），男，博士，華東理工大學教授，博士生導師。兼任教育部高等學校自動化專業(yè)教學指導分委員會委員，中國儀器儀表學會過程檢測控制分會常務理事，中國自動化學會儀表與裝置專業(yè)委員會委員，上海市信息學會常務理事，上海市自動化學會理事。主要從現(xiàn)場總線、無線傳感器網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)應用等方面的教學和科研工作。

    摘要：在引出物聯(lián)網(wǎng)的來龍去脈后，敘述了物聯(lián)網(wǎng)的定義、技術框架，分析了當前物聯(lián)網(wǎng)所面臨和亟待解決的問題，討論了物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術、產(chǎn)業(yè)鏈和發(fā)展措施，介紹了國內外物聯(lián)網(wǎng)的一些應用及其具有應用優(yōu)勢的領域。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和推廣應用，必將推進經(jīng)濟發(fā)展和社會進步，并為人類生活帶來革命性的變化。

    關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；技術框架；關鍵技術；產(chǎn)業(yè)鏈；應用

    1 引言

    自1999年麻省理工學院自動標識中心（MIT Auto-ID Center）提出物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of things) 概念后，國際電信聯(lián)盟（ITU）在2005 年發(fā)布的年度技術報告中也指出了“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨， 2009年，歐洲物聯(lián)網(wǎng)研究項目工作組(CERP-IoT)在歐盟委員會資助下制訂了《物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略研究路線圖》、《RFID 與物聯(lián)網(wǎng)模型》等意見書，同年日本也制定了i-Japan 計劃。2008年11月，美國IBM 公司總裁彭明盛在紐約對外關系理事會上發(fā)表了題為《智慧地球：下一代領導人議程》的講話，正式提出“智慧地球”（Smarter Planet）設想，2009年1月奧巴馬對此給予積極回應，認為“智慧地球” 有助于美國的“巧實力”(Smart Power)戰(zhàn)略，是繼互聯(lián)網(wǎng)之后國家發(fā)展的核心領域。2009年8月，溫家寶總理在考察中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術研發(fā)中心時，明確指示要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術，并且明確要求盡快建立中國的傳感信息中心，或者叫“感知中國”中心；并指出“要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術，及早部署后IP時代相關技術研發(fā)，使信息網(wǎng)絡產(chǎn)業(yè)成為推動產(chǎn)業(yè)升級，邁向信息社會的‘發(fā)動機’”。隨著中美兩國領導人的表態(tài)， 物聯(lián)網(wǎng)/傳感網(wǎng)作為“智慧地球”的核心技術之一，被各方提到空前的高度，被媒體廣為報道。

    以感知和智能為特征的新技術的出現(xiàn)及其相互融合，使得未來信息技術的發(fā)展由人類信息主導的互聯(lián)網(wǎng)向物與物互聯(lián)信息主導的物聯(lián)網(wǎng)轉變，既兼顧物與物的相聯(lián)，又涵蓋人與物的溝通和人與人的通信，構建更智能的泛在信息社會。目前，已被美國列為振興經(jīng)濟的兩大工具之一，被歐盟定位成使歐洲領先全球的基礎戰(zhàn)略，被中國納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃重點。業(yè)界認為物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)之后信息產(chǎn)業(yè)的又一重大里程碑。從“智慧地球”到“感知中國”，“物聯(lián)網(wǎng)”已成為全球矚目的關鍵詞。 “智慧地球”是IBM對運用信息技術構建新的世界運行模型的愿景，而“感知中國”是對物聯(lián)網(wǎng)在中國泛在應用效果的概括。

    以上表明，物聯(lián)網(wǎng)/傳感網(wǎng)技術已成為當前各國科技和產(chǎn)業(yè)競爭的熱點，許多發(fā)達國家都加大對物聯(lián)網(wǎng)技術和智慧型基礎設施的投入與研發(fā)力度，力圖掄占科技制高點。我國也及時地將傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)列為國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。

    2 物聯(lián)網(wǎng)技術

    2.1 物聯(lián)網(wǎng)

    物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of things)是指在物理世界的實體中，部署具有一定感知能力、計算能力和執(zhí)行能力的嵌入式芯片和軟件，使之成為智能物體，通過網(wǎng)絡設施實現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實現(xiàn)物與物、物與人之間的互聯(lián)。具體地說，就是把感應器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。它是一種“萬物溝通”的、具有全面感知、可靠傳送、智能處理特征的、連接物理世界的網(wǎng)絡，可實現(xiàn)任何時間、任何地點及任何物體的連結，使人類可以更加精細和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)率水平，改善人和自然界的關系，從而提高整個社會的信息化能力。

    物聯(lián)網(wǎng)作為一種“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，無疑消除了人與物之間的隔閡，使人與物、物與物之間的對話得以實現(xiàn)。由于整個物聯(lián)網(wǎng)的概念涵蓋了從終端到網(wǎng)絡、從數(shù)據(jù)采集處理到智能控制、從應用到服務、從人到物等方方面面，涉及到射頻識別(RFID)裝置、WSN 網(wǎng)絡、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、Internet 與移動網(wǎng)絡、網(wǎng)絡服務、行業(yè)應用軟件等眾多技術。在這些技術當中，又以底層嵌入式設備芯片開發(fā)最為關鍵，來引領整個行業(yè)的上游發(fā)展。

    2.2 物聯(lián)網(wǎng)的技術框架

    基于ITU的架構，物聯(lián)網(wǎng)的技術體系框架包括感知層技術、網(wǎng)絡層技術、應用層技術和公共技術。若以電信網(wǎng)的架構來看，主要是向下多了一個感知延伸層，上面多了更多的應用，如圖1所示。

                   

                               圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術體系框架

    (1) 感知層：數(shù)據(jù)采集和感知主要用于采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集涉及傳感器、RFID、多媒體信息采集、二維碼和實時定位等技術。傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)和協(xié)同信息處理技術實現(xiàn)傳感器、RFID等數(shù)據(jù)采集技術所獲取數(shù)據(jù)的短距離傳輸、自組織組網(wǎng)以及多個傳感器對數(shù)據(jù)的協(xié)同信息處理過程。

    (2) 網(wǎng)絡層：實現(xiàn)更加廣泛的互聯(lián)功能，能夠把感知到的信息無障礙、高可靠、高安全地進行傳送，這需要傳感器網(wǎng)絡與移動通信技術、互聯(lián)網(wǎng)技術相融合。雖然這些技術已較成熟，基本能滿足物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸要求；但是，為了支持未來物聯(lián)網(wǎng)新的業(yè)務特征，現(xiàn)在傳統(tǒng)傳感器、電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)可能需要做一些優(yōu)化。

    (3) 應用層：主要包含應用支撐平臺子層和應用服務子層。其中應用支撐平臺子層用于支撐跨行業(yè)、跨應用、跨系統(tǒng)之間的信息協(xié)同、共享、互通等功能；應用服務子層包括智能交通、智能醫(yī)療、智能家居、智能物流、智能電力、環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)監(jiān)控等行業(yè)應用。

    (4) 公共技術：公共技術不屬于物聯(lián)網(wǎng)技術的某個特定層面，而是與物聯(lián)網(wǎng)技術架構的三層都有關系，它包括標識與解析、安全技術、網(wǎng)絡管理和QoS管理。

    由此可見，“全面感知、可靠傳送和智能處理”是物聯(lián)網(wǎng)必須具備的三個重要特征，也是“智慧地球”所期望的“更徹底的感知、更全面的互聯(lián)互通、更深入的智能化”之核心所在。

    2.3 物聯(lián)網(wǎng)所面臨的問題

    盡管Forrester預測表明，到2020年世界上“物物互聯(lián)”的業(yè)務較“人與人通信”的業(yè)務，其發(fā)展前景及對經(jīng)濟和社會的影響更巨大。然而，要真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，需要系統(tǒng)解決一系列問題，如核心技術、標準規(guī)范、產(chǎn)品研發(fā)、安全保護、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、體制機制、協(xié)調合作、推廣應用等技術問題和管理問題。

    (1) 突破核心技術。對于尚處于物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術研發(fā)和規(guī)?；瘧贸跏茧A段的中國，必須盡快突破核心技術，搶占制高點。首當其沖待攻克的核心技術包括傳感器技術、射頻識別技術、智能通信與控制技術、海量數(shù)據(jù)處理技術以及非IP數(shù)據(jù)交換技術、異構網(wǎng)絡融合技術、自治區(qū)域動態(tài)管理等技術。

    (2) 制定標準規(guī)范。作為處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期的物聯(lián)網(wǎng)，確有許多影響物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸亟待突破，缺乏統(tǒng)一標準體系和成熟商業(yè)模式已成為目前制約其發(fā)展的關鍵要素。因此，花大力氣制定相關的標準化體系、產(chǎn)業(yè)鏈體系、研發(fā)與應用項目規(guī)范等十分必要，它可為最終成為一種能被世界各國認可的統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)國際標準奠定基礎。

    (3) 關注信息安全。信息安全一直是困擾互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的痼疾，而在物聯(lián)網(wǎng)時代這個痼疾還將繼續(xù)威脅其生存和發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)中的物與物、物與人之間互聯(lián)，使用大量的信息采集和交換設備，信息采集和傳輸頻繁，承載著大量的國家經(jīng)濟社會活動和戰(zhàn)略性資源，其信息安全和保護隱私等問題必須重點考慮和解決。如果物聯(lián)網(wǎng)安全問題得不到有效的解決，我國的產(chǎn)業(yè)安全、經(jīng)濟安全乃至于國家安全都將被置于一個巨大的無底洞之中。因此，信息安全也是我國未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所面臨的一個根本問題。

    (4) 尋求統(tǒng)一協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，它是基于網(wǎng)絡的多種技術的結合，應該有相關協(xié)議標準做支撐。在物聯(lián)網(wǎng)核心層面是基于TCP/IP 協(xié)議；但是在接入層面，協(xié)議類別五花八門（如GPRS、短信、傳感器、TD-SCDMA 等），物聯(lián)網(wǎng)需要一個統(tǒng)一的協(xié)議棧。

    (5) 擴充IP地址。物聯(lián)網(wǎng)中的每個物品都需要被尋址，這就需要解決地址問題。由于物聯(lián)網(wǎng)需要更多的IP地址，這對目前即將耗盡的IPv4資源而言是無法支持的，那就需要IPv6來支撐。物聯(lián)網(wǎng)一旦使用IPv6地址，不盡會在IPv4向IPv6過渡過程中存在與IPv4的兼容性問題，而且對傳感網(wǎng)末梢節(jié)點如何承載IPv6 這種“重量級”通信協(xié)議，也需要有對策。

    (6) 推進官產(chǎn)學研用。物聯(lián)網(wǎng)作為新概念、新技術，其產(chǎn)業(yè)化推進還缺少國家級的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略謀劃，這更需要有高級別的官產(chǎn)學研用聯(lián)盟來組織引導，官產(chǎn)學研用各司其職，集中資源，形成合力。眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)熱潮源頭在科研院所和高效，他們側重基礎理論，能夠提供技術支持；但物聯(lián)網(wǎng)最終發(fā)展需要靠企業(yè)，通過大規(guī)模工程實踐牽引，形成物聯(lián)網(wǎng)的服務模式和商業(yè)模式，以應用為先導，兼顧國家安全需求和民用市場，這樣才能落在實際的應用上。

    3  物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術和發(fā)展措施

    3.1 物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術

    基于未來信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在由信息網(wǎng)絡向全面感知和智能應用兩個方向拓展、延伸和突破的需求，物聯(lián)網(wǎng)涉及從信息獲取、傳輸、存儲、處理、應用的全過程，材料、器件、軟件、系統(tǒng)、網(wǎng)絡各方面的創(chuàng)新都會促進物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。因此，毫無疑問物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術包括物體標識、體系架構、通信和網(wǎng)絡、安全和隱私、服務發(fā)現(xiàn)和搜索、軟件服務與算法、硬件、能量獲取和存儲、設備微型小型化、標準等。

    而由國際電聯(lián)報告所提出物聯(lián)網(wǎng)關鍵性應用技術主要包括RFID、傳感器、智能技術和納米技術等四個。

    3.2 物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈

    物聯(lián)網(wǎng)的研究和行進路徑主要包括信息匯聚、協(xié)同感知、泛在聚合3個階段，而每個階段的技術需求各異。如信息匯聚階段，其技術需求集中在先進傳感器和低功耗、小型化、高性能的新型傳感器設計與實現(xiàn)、短距離無線傳輸技術、低功耗技術和電磁兼容技術方面研發(fā)；協(xié)同感知階段，其技術需求集中在任務驅動的大規(guī)模自治組網(wǎng)技術、上下文感知技術、移動通信網(wǎng)絡與無線傳感器網(wǎng)絡無縫融合技術以及海量信息處理技術方面；泛在聚合階段，其技術需求集中在信息聚合理論、模糊控制技術、泛在異構網(wǎng)絡、人工智能、仿生學傳感器、納米材料以及生物芯片等方面。

    從產(chǎn)業(yè)鏈的角度來說，物聯(lián)網(wǎng)是以應用解決方案為核心、以傳感感知、傳輸通信、運算處理為關鍵環(huán)節(jié)的集成創(chuàng)新價值鏈，具體可以細分為標識、感知、處理和信息傳送四個環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)的關鍵技術分別為RFID、傳感器、智能芯片和運行商的無線傳輸網(wǎng)絡。綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)中，傳感是前提、計算是核心、安全是保障、網(wǎng)絡是基礎、應用服務是牽引，而標準則是支持物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的重要基礎。

    3.3 突破物聯(lián)網(wǎng)技術的措施

    基于我國物聯(lián)網(wǎng)總體還處于起步階段的現(xiàn)狀，我國工信部已提出相關措施來推進物聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新以及產(chǎn)業(yè)與應用的發(fā)展，國家科技部也已著手973及重大科學研究計劃立項，重點就物聯(lián)網(wǎng)基礎理論、體系結構、關鍵技術、驗證平臺和示范應用等方面協(xié)同攻關。

    (1) 突破物聯(lián)網(wǎng)核心技術和重大關鍵共性技術，實現(xiàn)科技創(chuàng)新。加強行業(yè)和領域物聯(lián)網(wǎng)技術解決方案的研發(fā)和公共服務平臺建設，引導產(chǎn)業(yè)鏈上下游的協(xié)作，面向重點業(yè)務應用，協(xié)同開展物聯(lián)網(wǎng)重大技術攻關和應用集成創(chuàng)新，形成更多更好的具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品和技術品牌。

    (2) 制訂我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，全面布局。重點發(fā)展高端傳感器、MEMS、智能傳感器和傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、傳感器網(wǎng)關、超高頻RFID、有源RFID和RFID中間件產(chǎn)業(yè)等，重點發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)相關終端和設備以及軟件和信息服務。

    (3) 選擇重點領域和重點工程，開展物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)示范應用，通過應用引導和技術研發(fā)的互動式發(fā)展，帶動物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。圍繞企業(yè)技術創(chuàng)新和應用的共性需求，建設物聯(lián)網(wǎng)技術、測試、信息等公共服務平臺。鼓勵支持物聯(lián)網(wǎng)與TD-SCDMA結合的技術和應用研究，通過物聯(lián)網(wǎng)應用促進TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈和技術的成熟，提升其產(chǎn)業(yè)鏈在物聯(lián)網(wǎng)應用過程中的整體價值。

    (4) 加快物聯(lián)網(wǎng)標準體系建設，確保我國在未來全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占據(jù)有利地位，以保障物聯(lián)網(wǎng)技術的可持續(xù)發(fā)展。一，要做好頂層設計，以滿足產(chǎn)業(yè)需要，形成技術創(chuàng)新、標準和知識產(chǎn)權協(xié)調互動機制；二，應面向重點業(yè)務應用，加強關鍵技術的研究，建設標準驗證、測試和仿真等標準服務平臺，加快關鍵標準的制定、實施和應用；三， 建立跨行業(yè)、跨領域的物聯(lián)網(wǎng)標準化協(xié)作機制，加強產(chǎn)學研用各環(huán)節(jié)的協(xié)作；四，積極參與國際標準制定，加強國際交流合作。以此推動具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng)新研究成果和國內標準成為國際標準。

    4  物聯(lián)網(wǎng)的應用

    代表了下一代信息技術發(fā)展方向的物聯(lián)網(wǎng)就其本身而言，需要借助多種技術的結合才能實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展離不開應用，未來一定是結合各個行業(yè)應用來發(fā)展，以提高人類的物質生活水平，促進企業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營管理模式的改變。

    物聯(lián)網(wǎng)的用途較其它傳統(tǒng)網(wǎng)絡更為廣泛，遍及智能交通、智能電網(wǎng)、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)控、護理等等，涉及人類生活、工作、健康和社會領域的方方面面。目前，國內外物聯(lián)網(wǎng)的一些應用及其物聯(lián)網(wǎng)具有應用優(yōu)勢的領域主要包括：生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測和保護、高效農(nóng)業(yè)工程傳感監(jiān)測、醫(yī)療健康應用、安全檢測與監(jiān)控、物流管理和配送、軍事領域。中國電信透露的已開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應用產(chǎn)品，已涵蓋了智能家居、智能醫(yī)療、智能城市、智能環(huán)保、智能交通、智能司法、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能校園、智能文博、M2M平臺等物聯(lián)網(wǎng)的主要應用領域。

    隨著社會生活、生產(chǎn)中不斷催生的新的需求，物聯(lián)網(wǎng)技術還將通過自身的創(chuàng)新來滿足用戶的需求，提供越來越廣泛的應用，為人們提供更好、更智能的服務，實現(xiàn)共促共榮的良好發(fā)展局面。

    5  結語

    互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)的發(fā)展，改善了人與人之間的交流方式和的交流效率，縮短了時間和空間的距離；而“物聯(lián)網(wǎng)”引入了人與物之間的交流，成為改變人類生活的技術首選，其發(fā)展目標就是使得人們可以在任意時間、任意地點都可以與任何物品相聯(lián)，無疑為人類生活帶來了革命性的變化。

    如何立足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展對物聯(lián)網(wǎng)技術的重大需求，構建物聯(lián)網(wǎng)新型體系結構，突破物聯(lián)網(wǎng)設計和實施的關鍵技術，并以應用為導向來帶動物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，需要繼續(xù)加大對物聯(lián)網(wǎng)基礎平臺和關鍵技術的投入，加快物聯(lián)網(wǎng)標準的建立，并以需求來驅動物聯(lián)網(wǎng)應用。筆者相信物聯(lián)網(wǎng)的推廣將會成為推進經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的驅動器。

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