计算机物联网专题系列讨论15P.docx

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计算机物联网专题系列讨论15P

摘要：

本报告从物联网定义及发展历史入手，对物联网现状、各国发展战略、技术关联、关键技术、标准化等方面进行了分析，指出了其中需要进一步研究的核心问题。

1引言

物联网（InternetofThingsIoT）代表了未来计算与通信技术发展的方向，被认为是继计算机、Internet之后，信息产业领域的第三次发展浪潮。

最初，IoT是指基于Internet利用射频标签（RadioFrequencyIdentificationRFID）技术、电子产品编码（ElectronicProductCodeEPC）标准在全球范围内实现的一种网络化物品实时信息共享系统。

后来，IoT逐渐演化成为一种融合了传统网络、传感器、AdHoc无线网络、普适计算等的ICT（InformationandCommunicationsTechnology）技术，并正在形成一种新的信息产业。

物联网将信息与通讯技术充分应用到各行各业，将传感器嵌入到汽车、家电、电网、桥梁、建筑等物体中，通过网络实现智能物体的互联与信息采集，通过云计算平台实现海量数据的高效处理，有效共享设备、信息、服务等资源。

未来的物联网将最终实现物理网络与社会网络的融合，大幅提高人们生产、生活的智能化水平。

本文从物联网的定义及发展历程入手，对物联网现状、关键技术进行了分析，对IoT应用、标准进行了分类，指出了物联网的研究方向。

2概念

物联网概念最早由美国MITAuto-IDCenter于1999年提出。

当时，Auto-IDCenter的研究人员只是想通过条码、智能卡、RFID等实现物体的识别与管理，提高工业自动化系统的自动化程度，降低故障率。

后来，IoT概念被人们迅速接受，演化成“物物相联的互联网”。

2005年，国际电信联盟（ITU）发布《ITUInternetReport2005:

TheInternetOfThings》，正式提出了物联网这一术语。

目前，物联网在国际上尚无统一定义，几个代表性定义如下：

ITU定义

从时-空-物三维视角看，物联网是一个能够在任何时间（Anytime）、地点（Anyplace），实现任何物体（Anything）互联的动态网络，它包括了PC之间、人与人之间、物与人之间、物与物之间的互联[1]。

欧盟委员会的定义

物联网是计算机网络的扩展，是一个实现物物互联的网络。

这些物体可以有IP地址，嵌入到复杂系统中，通过传感器从周围环境获取信息，并对获取的信息进行响应和处理[2]。

IERC定义

作为未来Internet的重要组成部分，物联网以一系列标准和可互操作的通讯协议为基础，构成了一个具有自配置能力的全球化、动态网络基础设施。

同时，它也是一个信息网络，在该网络中物理的、虚拟的物体都具有可标识性，其物理属性、虚拟特征均可被读取，并能通过智能接口无缝集成[3]。

中国物联网年度发展蓝皮书定义

物联网是一个通过信息技术将各种物体与网络相连，以帮助人们获取所需物体相关信息的巨大网络。

物联网通过使用射频识别RFID、传感器、红外感应器、视频监控、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备，通过无线传感网、无线通信网络（如Wi-Fi、WLAN等）把物体与互联网连接起来，实现物与物、人与物之间实时的信息交换和通讯，以达到智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的目的[4]。

这些定义从不同角度，对物联网进行了阐述，侧重点各不相同。

但归结起来物联网概念有以下几方面技术特征：

（1）物体数字化与虚拟化

物体的数字化、虚拟化使物理实体成为彼此可寻址、可识别、可交互、可协同的智能物；

（2）泛在互联

以互联网为基础，将数字化、智能化的物体接入其中，实现自组织互联，是互联网的延伸与扩展；

（3）信息感知与交互

在网络互联基础上，实现信息的感知、采集以及在此基础之上的响应、控制；

（4）信息处理与服务

支持信息处理，为用户提供基于物物互联的新型信息化服务。

从不同关注点来看，物联网的特征也有所不同。

（1）IT技术

物联网是下一代互联网，它通过嵌入到物体上的各种数字化标识、感应设备，如RFID标签、传感器、响应器等，使物体具有可识别、可感知、交互和响应的能力，并通过与Internet的集成实现物物相联，构成一个协同的网络信息系统。

（2）产业

物联网是一个具有巨大市场潜力的信息技术产业，其产业链包含了芯片/传感器/RFID标签制造商、设备提供商、软件企业、系统集成商、网络提供商、系统集成商、运营及服务商、最终用户。

IoT将为产业链的各个环节带来巨大商机。

（3）用户

物联网是一个将人、物、Internet实现无缝互联的网络化信息系统，并能向用户提供新型IT服务。

3技术关联

物联网是在现有技术基础上发展起来的，与RFID、无线传感器网络、CPS（Cyber-physicalSystems）[5]、普适计算、M2M（Machine-to-Machine）[6]等有密切关系。

随着IoT的发展这些技术相互交叠，彼此之间的界线也越来越模糊。

RFID是物联网的重要支撑技术。

它通过无线电波识别目标并获取相关数据。

MITAuto-IDCenter提出物联网概念时，即是对物品进行EPC编码，利用RFID完成物品数据采集，通过互联网实现物品的自动化管理。

现在物联网的含义已经远远超出了当初系统所涉及的范围。

单纯的RFID网络化信息系统不等同于现在的物联网。

尽管RFID标签也可以被看作是一种简单的传感器，但现有RFID标签及读写设备并不具备感知环境变化并自动做出响应的能力。

无线传感器网络最初是指通过无线网络连接起来的一组传感器节点。

与传统传感器网络不同，无线传感器网络没有固定的网络基础设施，没有中央控制节点。

无线传感器网络侧重传感功能，一般不存在物体标识问题，它感知的是外部环境中的未知因素。

不少研究人员认为传感器网络与物联网的区别在于：

传感器网络只具有感知、互联功能，不具备控制功能。

物联网是对已知、可识别物体的感知、互联和管理，并且具备控制功能，能对外提供信息服务。

CPS是一种集成了计算机系统、感知系统、控制系统与通讯系统的复杂系统，它将物理世界与信息世界统一起来。

有些研究人员认为物联网与CPS是相同的；有的则不赞同这一观点，认为CPS具有更强的反馈控制能力。

从侧重点来看，CPS着重于物理世界与信息世界的融合，主要用在传感器系统和自动化系统中；物联网侧重全球范围内物物互联之后的新型服务，应用范围更广。

普适计算关注小型、微型设备（如：

手机、传感器、笔记本电脑等）的计算能力，强调无论何时、何地、何物均可实现计算。

在普适计算中这些小型、微型设备也可以与互联网相连。

但是，物联网所涉及的范围、面向的用户群要比现在的普适计算更广，规模也更大。

M2M是一种实现设备间通讯的技术。

在传感器参与下，M2M可以感知外部事件，并向上层应用提供信息。

M2M可以用在物联网中，为物物通信及感知提供支持。

4体系结构

从感应、传输、服务角度，按照功能纵向划分，物联网可以分为应用层、网络层和感知层，这三个层次可以进一步细化为以下结构：

图1物联网层次结构

（1）应用层

该层包括了物联网在各个领域的应用，如：

物流管理、智能家庭、远程医疗、工业自动化、环境监测、军事应用、灾害应急、智能电网、智能大厦等。

（2）公共服务层

为物联网应用提供公共服务，包括安全与隐私保护、位置服务、名字解析、跟踪与追溯、检索服务、信息服务等。

（3）中间件层

负责数据存储管理、设备管理、服务管理、电源管理、QoS管理等。

（4）网络层

负责物体与物体之间的网络互连，为物联网提供路由、数据传输支持。

主要支撑包括广域网及局域网\个域网技术。

广域网如Internet、3G通讯网络等，局域网\个域网如IEEE802.3网络、IEEE802.11网络、IEEE802.15网络、无线自组织网络等。

（5）基础设备层

包含了物联网所涉及的各种物理设备，如传感器、响应器、RFID标签、RFID读写器、移动终端、智能手机等。

这些设备主要实现信息采集\预处理、事件响应及用作用户终端或控制设备。

5战略研究计划

5.1国际

目前，欧盟、美国、日本、韩国等国家都投入大量资金进行物联网研发。

2007年，欧盟采纳了物联网发展战略。

2009年6月，欧盟委员会向欧盟议会递交了《InternetofThings-AnactionplanforEurope》，将物联网确立为欧洲下一代信息技术的发展重点，并着重网络基础设施建设与信息安全、隐私保护的研究。

目前，欧盟第7框架计划已至少资助了25个物联网研究项目。

2008年，美国国家情报委员会将物联网确定为未来对美国产生重要影响的6项重要技术之一。

2009年1月，美国信息技术与创新基金会（InformationTechnologyandInnovationFoundationITIF）向政府提交了题为《TheDigitalRoadtoRecover:

AStimulusPlantoCreateJobs，BoostProductivityandRevitalizeAmerica》的报告，推动物联网技术的发展。

随后，美国政府在总金额为7870亿美元的《RecoveryandReinvestmentAct》中予以支持。

此外，美国自然科学基金委员会推出了Cyber-PhysicalSystems研究计划予以支持。

2004年，日本提出了U-Japan战略，计划在2006-2010年发展与物联网密切相关的泛在网络技术。

2009年2月，日本又推出了ICTHatoyamaPlan纲要，研发与物联网相关的关键技术，旨在革新以T-Engine嵌入式操作系统、uID标准体系为核心的普适计算技术，创造新的ICT市场和就业机会，使日本信息通信产业的总产值在2020年达到百万亿日元。

2004年韩国提出了U-Korea战略，并在2009年10月通过了《物联网基础设施构建基本规划》，力图打造世界上最先进的物联网基础设施，重点发展物联网服务、物联网扩散环境等关键技术。

5.2国内

在我国，无论是政府、企业还是科研机构都对物联网给予了极大关注。

2009年，我国将物联网正式列为国家五大新兴战略性产业之一。

2010年1月4日我国第一个物联网研究院无锡物联网产业研究院正式成立。

2010年10月18日，十七届五中全会通过《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》，明确将战略新兴产业确定为国家未来重点扶持的对象，物联网将是其中的重点。

2010年11月8日首届全球物联网发展论坛在中国上海召开。

大会上，由中科院上海微系统与信息技术研所、大唐电信、上海移动、中国联通、中国电信等研究机构、企业发起的上海物联网产业联盟正式成立。

该联盟涵盖了科研、系统集成、运营、用户等产业链关键环节，将致力于物联网标准化、产业化与关键技术研发。

同时，上海物联网产业基地也正式成立，致力于物联网硬件（重点包括核心芯片、高端传感器、RFID标签等）、软件及系统集成、高性能超级计算机、大容量存储设备等的研发。

2007-2010年中国自然科学基金委员会共批准了百余项与物联网相关的研究项目。

2010年，国家重点基础研究发展计划（973计划）资助物联网基础研究项目3项。

预计未来10年我国将投入4万亿人民币发展物联网，并重点推动它在智能电网、远程医疗、智能家庭等领域的应用。

目前，我国的物联网尚处在初创阶段。

与国外相比，在某些技术上还存在一定差距。

以我国优先发展的RFID技术为例。

从2005年开始，我国的RFID技术发展很快，并在第十一个五年计划中被重点规划。

但所发展的技术主要集中在LF和HF频段，这两个频段的RFID技术门槛较低，在国内已比较成熟；在UHF频段，尽管也有了铁路车号自动识别、烟草物流管理这样的应用，但还是缺少具有自主知识产权的关键技术。

目前，这方面的核心技术主要被Metech、Atmel、Metrics等公司垄断。

UHF频段RFID核心技术的欠缺直接影响了RFID在我国的产业化应用。

6研究方向

物联网是一种信息基础设施、新型网络、新型信息系统，更是一个具有广阔前景的新兴产业。

它涉及的技术领域很广，从无线传感器网络、纳米技术、海量数据管理、智能信息处理到智能物体几乎无所不包。

目前，各国都从自身实际情况出发，确定了要研发的核心技术。

例如：

美国将M2M接口及通讯协议、无线通讯技术、微控制器、RFID、能量收集技术、传感器、响应器、定位技术、计算机软件、生物测定技术、机器视觉列为物联网使能技术。

日本将网络技术、机器人、普适计算、硬件设备、安全技术、计算机软件、人机交互、内容信息技术等确定为物联网支撑技术。

综合起来，物联网支撑技术分为两类：

一类是构建物联网必不可少的，称作直接使能技术，如无线网络、RFID、传感器等；另一类在物联网构建中起辅助作用，称作辅助支撑技术，如生物测定技术等。

在直接使能技术中，以下几方面是其中的核心。

6.1物理硬件设备

物联网所涉及的硬件设备种类繁多，包括传感器、RFID标签、新型电源、路由器、智能终端、智能物体、非硅基组件、高性能计算机等。

在硬件设备上仍有不少问题需要探索：

（1）感知设备：

可感知更多环境信息的新型传感器、低成本高性能安全可靠的传感器、绿色低能耗智能物体、纳米传感器[7]、光纤传感器、新型无线天线、具有感知/响应及存储功能的标签、具有自愈合自配置能力的芯片。

（2）标识设备：

超低功耗RFID标签、HF/UHF/SHF/EHF设备及RFID标签、智能化移动标签、低成本低能耗高性能的安全识别/验证设备、具有冲突识辨功能的RFID读写设备、支持隐私数据保护的RFID标签[8]。

（3）计算及存储设备：

超低能耗高性能计算机、超低能耗海量数据存储设备、低能耗微处理器及控制器、新型非挥发性存储器、绿色计算设备、超低功耗芯片。

（4）终端设备：

具有自适应能力的多频段可配置终端。

（5）网络设备：

具有自适应及自组织能力的网络设备、自适应网络芯片、电能供应控制路由。

6.2标识技术

标识即是辨别、标识物联网中所涉及的物体。

标识是物联网中非常关键的一个技术点[22]。

物联网中的物体只有被识别之后才能与相关信息绑定，与其他物体及信息系统交互，并发挥作用。

RFID标签、识辨传感器等是物联网识别技术的重要组成部分。

在物联网中如何对物体进行编码、标识未知，如何处理同一物体的多个编码、组合物体的编码、标签冲突等都值得进一步研究。

尽管ISO15459、EPC、URI等在这方面能提供不少支持，但在编码管理、语义、存储、授权、寻址等方面仍有不少问题并没有得到很好解决，标识体系的可扩展性也有待进一步改进。

RFID与智能手机的融合是一个技术发展趋势[9]。

将来手机在近距离通讯技术支持下，会发展成为一种兼具RFID读写及RFID标签功能的新型设备。

与之相关的标识方法、应用结构有待进一步研究。

随着应用的深入，RFID标签中会含有丰富的个人隐私数据及商业情报，采用什么样的RFID体系结构、协议保证这些数据的安全，是一个很值得关注的问题。

目前，我国在低成本RFID标签技术方面还存在欠缺，在高端RFID核心芯片的产业化方面还有不少问题需要解决。

尤其是UHF频段的RFID仍需在低功耗设计、片上天线、天线适配等方面有所突破。

此外，在可标识传感器方面，有不少高端技术被国外垄断，这些都为我国物联网的产业化制造了障碍。

6.3体系结构

作为一种基础设施、一种网络和信息系统，物联网应该有一个合理的体系结构，以支持不同设备的集成、异构数据的交互、信息模型的互操作以及子系统的自治与协同。

在物联网体系结构中，系统的模块化、互操作性、可集成性、协同性、扩展性和开放性都是值得考虑的问题[10]。

物联网本身具有子网异构、自治的特点，异构网络的整合需要体系结构的支持。

异构网络融合模型、子网局部自治机制、网络行为建模、网络动态拓扑结构分析等都需要进一步研究。

围绕体系结构，在应用开发范型、遗留系统集成、业务过程处理等方面还需要进一步探讨。

为了支持网络、感知与应用的有机结合和信息的有效聚合，需要对整个物联网的信息、网络结构进行分析，在分析模型理论基础上，设计合理的满足感知、信息聚合及响应处理需求的物联网软件体系结构。

6.4网络基础设施

物联网的另一个基础问题是物体的互联。

这种互联可以是无线的，也可以是有线的。

但很显然，通过无线网络进行动态互联已经成为一种趋势。

在通讯与网络方面，还有不少问题需要解决。

例如：

高效节能的通讯方法、网络拓扑结构的管理、异构网络的互操作、物联网QoS管理、网络规模控制、动态频段分配和调度机制、智能化的无线网络通讯系统、安全可靠的移动AdHoc网络、自治与自愈合的传感器网络等[11]。

此外，超高速低能耗光通讯网络、信息交互基础设施、频率可复用的无线通讯系统、嵌入式智能网络、动态自组织环境下数据的可靠传输等也需要进一步研究。

物联网涉及多种异构网络的融合，这些网络的结构、协议存在很大差异，如何高效、低代价地解决异构网络集成问题很值得进一步研究。

6.5动态配置与自适应

物联网本身具有动态性，随着物体的加入与退出，网络拓扑结构动态变化。

对动态性的管理是是物联网应该具备的一种能力。

在应用层面上，也需要系统能够适应网络环境、个人信息、设备状态等的变化，向用户提供个性化新型服务。

围绕这一问题，网络自动配置、物体自定位、设备动态发现、隐私保护等都需要相应的支撑机制。

同时，物联网节点众多，设备庞杂，许多嵌入式小型设备可用的计算、存储资源有限，使用环境复杂，人工部署、配置困难。

研究物联网的动态配置机制，支持设备、网络的自组织，提高故障自修复能力，是一个很值得研究的问题。

物联网在运行过程中具有高度灵活性，其网络资源的可用性也随着位置移动、物理环境变化而动态改变，如何在资源、网络动态变化的情况下保证系统可靠、稳定的运行，提供满足用户需求的优质服务，需要物联网在系统自治、自组织、自配置方面有所突破。

6.6软件、算法与方法

物联网不仅仅是数字化物体在物理上的连接，从用户角度来说，它更是一个提供新型服务的应用系统。

为了构建这种应用系统，物联网需要新型网络协议、算法的支持、高效节能嵌入式操作系统等的支持。

在软件、算法与设计方法学方面有不少问题还有待研究。

在感知层面，物联网节点软件接口、物节点软件及构造方法、物体数字化抽象等还需要进一步研究。

个人隐私增强技术（PrivacyEnhancingTechniquesPETs）[12]与现有RFID技术的集成仍有不少低能耗算法问题需要解决。

低存贮、电池消耗的RFID数据编解码算法需要进一步研究。

在中间件层面，普适计算中间件、支持海量数据管理与处理的软件技术、支持用户按需使用的资源分配技术都有许多问题没有得到很好解决。

物联网各部分的协同工作也需要中间件的支持[25]。

此外，由于物联网节点数量巨大，拓扑结构动态易变，如何降低服务延迟，平衡性能、服务质量和能量消耗，需要在中间件层面提供相应支持。

在公共支撑上，动态解析物体名字，获取与物体相关的服务地址，灵活跟踪物体的空间数据[20]，回溯物体状态信息，动态搜索与物体相关的信息、服务等尚需进一步研究。

在网络层面，开放信道中多RFID标签通讯的防冲突算法、物联网优化理论模型、物联网服务发现机制、网络自治管理理论等问题都需要进一步研究。

在公共服务层面，基于QoS的资源优化调度算法、数据加密解密服务、轻量级服务模型、可信的信息服务模型、物联网服务的动态演化机制、信息聚合模型、软件可信性的形式化验证方法、物物关联模型及语义分析等都是值得研究的问题。

此外，关于物联网应用开发工具、方法的研究还很薄弱。

目前，尚无集成化开发环境支持物联网应用开发。

尽管nesC可以支持TinyOS上应用的开发，但应用的开发、调试、部署十分困难，对高层应用开发的支持非常弱。

6.7数据与语义

未来的物联网将融合到工业、服务业以及人们社会生活的各个领域。

在这些应用中数据的采集、交换与处理是一个重要问题。

物联网将物理设备、嵌入式系统、Web应用聚合在一起，将物理控制过程与业务逻辑相交织，本身具有很强的复杂性、动态性。

物理世界的信号要在用户可理解的业务逻辑中体现和处理，动态信息要畅通无阻地交换，需要信息表达、数据语义、数据共享、语义互操作、数据同步与处理模型等方面的支持。

尽管XML、DAML、OWL等技术有助于问题的解决，但物联网数据与传感器网络、移动互联网、嵌入式系统及智能物体等多种异构系统的关联增加了问题的复杂性和难度。

在数据处理、管理与使用中，异构数据交换、数据及服务语义建模、语义关联与解析、基于语义的信息处理与服务体系都需要进一步研究[13]。

其中，多层次数据聚合、处理及分析模型是一个很具挑战性的研究内容。

在物联网中，和某个物体相关的数据可能分布在不同的系统中，且随着物体位置、环境的变化，这些数据及访问权限也会发生变化。

不同系统、自治域之间数据的互操作会引发安全问题。

这一点在基于RFID的供应连管理中尤其突出。

RFID标签数据与其他数据（如：

IATABaggageIdentificationNumber）关联时，数据访问认证、授权机制需要安全协同机制的支持。

此外，物联网会产生大量数据。

在数据传递之前如何消除冗余，聚合有效信息，在数据分析过程中采用什么样的海量数据处理方法都需要进一步研究。

6.8人机交互与用户接口

作为下一代互联网，物联网将向用户提供新型服务[21]。

用户将采用什么样的方式使用物联网所提供的信息?

信息的提供者与使用者能否在保证各自隐私的情况下，实现高效的信息交互？

在交互过程中，如何定位相关物体？

物体与物体之间如何相互协同，提供用户所需的信息？

这些都是值得关注的问题。

为了给用户提供更好的人机交互方式，基于语音识别的人机交互接口、超高密度图像广播、下一代3D技术、网络语音翻译、不同类型信息（声音-图像-文字）的可信性验证、服务及信息的精确搜索与分析技术等都是很值得研究的课题。

6.9网络管理

物联网包括了多种异构网络，网络拓扑结构动态变化，其服务质量、可靠性、性能、配置、负载呈现出更强的动态性，网络管理要比传统网络复杂得多。

物联网的管理不仅涉及到网络壅塞处理、网络拓扑管理，还包括了控制流、数据流的管理以及网络故障的自诊断。

除了传统网络中的设备，物联网中还有大量数字化异构物体。

有不少这样的物体是作为网络节点存在的，并且具有移动性。

物体、协议的异构性都增加了管理的难度。

此外，物联网涉及多种异构网络的融合，各网络可能彼此自治，自治网络之间如何协作，资源如何有效分配是一个很具挑战性的问题。

这些问题的解决需要在网络自治管理模型、算法及异构网融合机制上有所突破。

物联网中各自治子网的多样性也为资源的优化、分配、监控带来了挑战，网络资源动态监控模型、网络性能评价与度量体系、动态网络拓扑模型[14]、跨层跨域的资源优化分配机制、物联网自治与协同模型都是值得研究的问题。

6.10能源获取

在物联网中，大部分数字化物体都是资源受限的。

例如：

许多传感器靠电池维持运转。

如何有效地存储、节省电能是一个很具挑战性的问题。

太阳能、风电、热能、声能都是为物联网提供能源的可选手段[15]。

在这一领域，新型能源转换设备、新型能量采集技术、高效畜能设备、节能芯片、耗电可感知的软件技术、微电池技术等都是很值得探索的课题。

6.11安全与隐私保护

在物联网中，信息加密、隐私保护、数据安全及可信计算是重要的研究内容。

物联网在将各种物体数字化、可感知的同时，也将我们暴露在开放的互联网中，例如：

RFID标签中含有个人隐私数据、商业情报数据。

这些数据只能由有访问权限的人获得。

同时，无论是在航空航天、灾害应急等关键任务领域还是在智能家庭、多媒体娱乐等个人应用领域，人们都无法想象一个失控的、被入侵的物联网会给我们