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物联网相关概念综述
物联网相关概念
由于物联网概念出现不久,其内涵在不断发展和丰富,目前对于物联网的概念在业界一直存在着很多不同的意见。
本节先介绍与物联网有着密切关系的智慧地球、M2M系统、CPS系统、SensorWeb系统等相关概念;随后对物联网的内涵进行辨析,同时探讨泛在网络、普适计算与物联网的关系;最后介绍物联网的系统组成。
1.智慧地球
长久以来,将物理基础设施和IT基础设施割裂开来是人们的思维惯性。
于是,一侧是公路、建筑物、电网、油井等,另一侧是计算机、数据中心、移动设备、宽带等,各自为政。
互联网技术的成熟使人们憧憬在不远的未来几乎任何系统都可以实现数字量化和互联。
同时,计算能力的高度发展,使爆炸式的信息量得到高速且有效的处理,从而实现智慧的判断、处理和决策。
在此基础上,人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活,从而达到“智慧”的状态。
IBM公司在其提出的“智慧的地球”的愿景中,勾勒出了世界智慧运转之道的三个重要维度:
第一,我们需要也能够更透彻地感应和度量世界的本质和变化;第二,我们的世界正在更加全面地互联互通;第三,在此基础上所有的事物、流程、运行方式都具有更深入的智能化,我们也获得更智能的洞察。
智慧地球涵盖了医疗、城市、电力、铁路、银行、零售等多个领域。
(1)智慧的医疗
建立一套智慧的医疗系统,保障患者只需要用较短的治疗时间、支付较低的医疗费用,就可以享受到更多的治疗方案、更高的治愈率,还有更友善的服务、更准确及时的信息。
通过部署新业务模型和优化业务流程,医疗保健和生命科学体系中的所有实体都可以经济有效地进行。
(2)智慧的城市
建设更智慧的城市是为了将数字技术应用到物理系统中去,并利用所有产生的数据改善和提高生活的空间、效率与质量。
一方面,智慧城市的实施将能够直接帮助城市管理者在交通、能源、环保、公共安全、公共服务等领域取得进步;另一方面,智慧基础设施的建设将为物联网、新材料、新能源等新兴产业提供广阔的市场,并鼓励创新,为知识型人才提供大量的就业岗位和发展机遇。
(3)智能的电力
通过电网和发电资产优化管理、智能电网成熟度模型、智能停电优化管理等方案,使发电、输电、配电、送电、用电5方互动互通。
电力企业建立起可自测、自愈的智能电网,主动监管电力故障并进行迅速反应,可以实现更智慧的电力供给和配送,更高的可靠性和效率,以及更高的生产率。
(4)智慧的铁路
在智慧铁路系统中,可以动态调整时刻表,以应对因天气等原因导致的停运状况;以智能化提升运能和利用率,减少拥堵;拥有自我诊断子系统,减少延误。
它的智慧传感器,能在造成延误或脱轨之前,检测出潜在问题。
列车可以进行自我监控、监控供应链,并分析乘客的出行模式,以便将环境影响降到最低限度。
(5)智慧的银行
智慧的银行能够预测客户需求,感知客户行为模式的变化,随时随地通过便捷的渠道提供个性化金融产品与服务;实时、准确地预测及规避各类金融风险,优化内部资本结构;通过快捷、智能地分析银行内的海量客户与交易数据来提升洞察力和判断力;创建一种智能又安全,适应多变商业环境的灵活的IT架构,以满足来自于不同部门、客户和合作伙伴的各种需求。
(6)智慧的零售
智能的零售系统使零售商可以收集客户数据并做出反应,从而生产和销售满足市场需求的产品。
具体功能包括:
根据消费者特点提供相应的商品陈列;合理地管理商品和运营信息;利用敏捷的供应链优化库存投资;以客户为中心的商品采购和生产。
智慧地球的核心是借助微处理器和射频识别标签等IT手段,使整个社会网络化、智能化。
通过数据分析、比较和数据建模,使各种数据可视化,进而对所有信息进行统一管理,为人们创造智慧的生活、工作方式。
2.M2M系统
M2M(MachinetoMachine/Man)是指通过在机器内部嵌入无线通信模块(M2M模组),以无线通信等为主要接入手段,实现机器之间智能化、交互式的通信,为客户提供综合的信息化解决方案,以满足对监控、数据采集和测量、调度和控制等方面的信息化需求。
图1-1给出了简化的M2M系统结构。
从中可以看到,M2M系统在逻辑上可以分为3个不同的域,即终端域、网络域和应用域,其中终端域包括M2M终端、M2M终端网络及M2M网关等,经有线、无线或蜂窝等不同形式的接入网络连接至核心网络,M2M平台可为应用域用户提供终端及网关管理、消息传递、安全机制、事务管理、日志及数据回溯等服务。
(1)M2M技术的核心价值
M2M使机器、设备、应用处理程序与后台信息系统共享信息,并与操作者共享信息,并为设备提供了与系统之间、远程设备之间或与个人之间建立实时无线连接与传输数据的手段。
M2M技术的核心价值在于以下几个方面。
可靠的通信保障。
由于物联网中大部分机器终端具有无人值守的特点,因此有对机器远程监控和维护的基本管理需求,要求能实时监测机器的运行状况以及所连接和控制的外设状态,及时排查和定位故障,以便快速诊断和修复。
M2M为物联网数以亿万计的机器终端提供远程监控和维护功能,为物联网的自由传输提供通信保障。
统一的通信语言。
由于物联网的应用横跨几乎所有行业,同一信息需要被多方广泛共享,因此必须有一种统一的语言描述来规范对同一信息的共同理解,并确保信息在网络的传输过程中采用统一的通信机制,以及信息能被准确识别和还原。
M2M为物联网数以亿万计的机器与机器之间、人与机器之间的通信提供了统一的通信语言。
智能的机器终端。
M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输,而是提供机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信方式,即使人们没有实时发出信号,机器也会根据既定程序主动进行数据采集和通信,并根据所得到的数据智能化地做出选择,对相关设备发出指令而进行控制。
可以说,智能化、交互式特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”。
(2)M2M的主要业务类型
目前来看,M2M涵盖以下5种主要类型的业务。
数据测量。
数据测量就是指远程测量并通过无线网络传递测量的信息和数据。
自动抄表即是一种典型的数据测量应用。
这种业务被广泛应用于公共事业领域,比如自来水供应、电力供应以及天然气供应等行业,传感器被广泛地安装到用户的终端上,到指定日期或时间,传感器将自动读取计量仪表的数据并把相关的数据通过无线网络传输到数据中心,然后由数据中心进行统一的处理。
监控与告警。
监控与告警包括远程测量和数据传输报告两个部分。
监控的主要目的是通过远程测量去检测异动或者非正常事件,以触发相应的反应。
通常,在后台系统处理远程测量通过无线网络传输回来的数据,一旦突破设定的临界值便会触发警报,提醒有关人员进行处理。
如安全监控系统,使用各种传感器监控敏感区域,一旦有异常情况,即触发告警,通知安全管理人员前往处理。
控制。
控制常与数据测量、监控等联合应用,它通常是指通过无线网络发出指令对机器进行远程控制。
控制过程一般是自动的,包括打开或者关闭机器以及重新启动发生故障的机器等。
控制类业务的典型应用是在有大量分散资产和设备的公共事业部门,它们可以利用M2M远程关闭或者打开设备。
比如,市政单位可以通过M2M自动控制路灯的关闭和打开。
支付与交易处理。
通过使用无线M2M可以进行支付与交易处理,使得远程的自动售货机、移动支付或者其他新商业模式的应用成为可能。
自动售货机可以通过M2M系统进行移动支付处理和经营信息分析,移动POS机也可以通过M2M平台安全地处理交易信息。
追踪与物品管理。
追踪与物品管理业务功能通常被用做物品管理或者位置管理,典型的应用有车辆管理。
这种业务被交通运输企业大量使用,它们可以通过远程的传感器结合无线网络,监控车队和司机,收集速度、位置、里程等大量信息,这些信息不仅能够使管理人员实时掌控车队现状,还能被存储和分析,应用于路线规划、车辆调度等用途。
M2M表达的是多种不同类型的通信技术的有机结合:
机器之间通信、机器控制通信、人机交互通信和移动互联通信等。
这种M2M通信机制是建立物联网的重要基础。
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3.信息物理系统
信息物理系统(Cyber-PhysicalSystems,CPS)概念的起源最早可以追溯到工业监视控制与数据采集系统(SupervisoryControlandDataAcquisition,SCADA)、物理计算系统(PhysicalComputingSystem)等概念在一些IEEE国际学术会议上被陆续提出。
2006年10月,美国国家自然科学基金会在其举办的一系列研讨会上首次提出CPS的概念,并围绕CPS的基本概念、网络化嵌入式控制(NetworkedEmbeddedControl)、高可信软件平台(High-ConfidenceSoftwarePlatform)等问题展开了热烈的讨论。
2007年,美国国家自然科学基金会召开了有关CPS的工业界圆桌会议。
此后,CPS得到了学术界和工业界的广泛关注。
2007年8月,美国总统科技顾问委员会在其报告中对CPS在维持美国工业竞争力的重要性与紧迫性等问题上给予了极大的关注,并将CPS列为美国联邦科研投入应当优先关注的技术之一。
作为对该报告的回应,2008年美国国家自然基金会再次主办Cyber-PhysicalSystems峰会,参与这次峰会的机构来自学术界和工业界,涵盖了当今美国主要的顶尖大学和著名企业,如卡耐基梅隆大学、加州大学伯克利分校、宾夕法利亚大学、美国国家仪器公司、微软公司、霍尼韦尔公司、罗克韦尔公司等。
此次峰会对CPS的定义进行了讨论和归纳,概述如下:
CPS是将物理系统及过程与网络化计算相结合催生出的新一代工程系统。
在该系统中,计算、通信被深深地嵌入物理过程并且与之相互作用,使物理系统具有了新的能力。
CPS是将计算、信息处理和物理过程紧密结合的系统,并且三者结合的紧密程度已能使得如果要对系统表现出的行为特征进行判断,则可以区分出该特征是由计算还是物理规律作用的结果,抑或是它们共同作用的结果是一件不可能完成的任务。
CPS的功能性和主要系统特征是在物理实体与计算相互作用的过程中表现出来的。
在CPS中,计算资源、网络、设备以及它们所嵌入的环境之间存在交互的物理属性,它们共享资源并共同决定系统的整体表现。
从CPS现阶段的存在形式来看,依赖于计算机的控制系统(Computer-MediatedControlSystems)可以被看做常见以及简单的信息系统与物理系统结合的实例之一。
目前,信息系统可用于复杂传感和决策判断,其复杂程度已经远远超过了简单的专用反馈控制回路。
如在DARPA组织开展的应对沙漠与城市环境挑战的军事研究项目中,车辆的片上信息系统通过对大范围覆盖的多种传感器进行数据采集和信息处理,可以完成车辆定位,地形推断,周围车辆、人、障碍的位置以及指示标识的判断等。
图1-2给出了CPS系统中核心概念之间的关系。
CPS系统实现了通信能力、计算能力、控制能力的深度融合。
就目前的情况来看,CPS的发展还存在诸多问题,以CPS为议题的会议多以学术研讨会的形式展开,有关的讨论也多处于前期理论体系、框架结构的建立,内涵、关键技术的划分等阶段。
美国国家自然基金会2009年的Cyber-PhysicalSystems项目指南也明确指出:
我们仍然不具有实现CPS愿景所必需的有关原理、方法和工具。
CPS的发展也缺乏可将信息与物理资源包含到同一框架下的理论。
尽管如此,CPS在交通、国防、能源与工业自动化、健康与生物医学、农业和关键基础设施等方面所表现的广阔应用前景,正推动着CPS相关理论和技术的发展,使之进一步走向成熟。
在国内物联网被热烈讨论的同时,CPS相关概念正日益受到越来越多人的关注,抓住时机认真研究CPS相关理论和技术,对我国在信息技术变革和发展浪潮中占据有利地位具有重要意义。
4.SensorWeb系统
SensorWeb系统旨在将异构传感器通过多种接入方式直接接入互联网络,基于开放的、标准化的Web服务和透明的网络信息通信与交互服务,实现传感器数据测量、设备管理、反馈控制、任务分配和任务协作等用户服务。
基于下一代互联网技术和Web服务技术,传感器Web系统可实现大尺度时空范围内高效的、实时或非实时的传感器信息感知和反馈决策服务。
开放地理信息联盟(OpenGeospatialConsortium,OGC)专门成立了一个名为SWE(SensorWebEnablement)的工作小组,其目标是制定相关标准,基于Web实现传感器、变送器或传感器数据存储系统的可发现、可访问和可使用的服务。
图1-3给出了一个简化的OGCSWE标准相关概念模型。
可以看到,用户基于标准化的数据编码和信息模型,使用如SPS、SOS、SAS和WNS等标准化服务,可以实现传感器的任务规划、观测、告警及事件通知等服务。
万维网联盟(WorldWideWebConsortium,W3C)和OGC目前正在一起制定语义SensorWeb相关标准,旨在将语义Web的相关技术应用到SensorWeb系统中,提供针对传感器数据描述和访问的服务,同时探索具有参考价值的物联网应用和服务模式。
5、传感器网络
传感器网络(SensorNetworks)诞生于军事应用中,最早可以追溯到20世纪60年代的越南战争。
由于密林和多雨的天然屏障,大大削弱了卫星与航空侦察的效果。
美军从1968年开始,在胡志明小道上投放了数十万个具有音频和振动感知功能的无线传感器,以期建立电子屏障来切断越军的补给线。
这个项目的名称为OperationIglooWhite。
这一阶段的无线传感器除了与侦察机点对点通信外,还不具备现代传感器网络所具备的节点计算功能和节点间的通信功能。
1980年,美国国防部先进研究计划局(DefenseAdvancedResearchProjectsAgency,DARPA)启动了分布式传感器网络(DistributedSensorNetworks,DSN)项目。
但由于技术条件的限制,传感器网络的研究热潮在20世纪90年代才开始真正出现。
早期传感器网络的研究主要来自美国军方和自然科学基金的资助项目。
1993年开始的无线集成网络传感器(WirelessIntegratedNetworksSystems,WINS)项目,由美国加州大学洛杉矶分校和罗克韦尔自动化中心共同开发。
1996年开始的由美国麻省理工学院承担的μAMPS(Micro-AdaptiveMulti-domainPowerAwareSensors)项目致力于开发一个完全面向低功耗需求的无线传感器网络系统。
1998年开始的SensIT(SensorInformationTechnology)项目致力于研究大规模分布式军事传感器系统。
SmartDust和PicoRadio项目在1999年启动,由美国加州大学伯克利分校负责。
上述传感器网络科研项目主要致力于研究和开发小型化、低功耗无线传感器网络节点。
其中,WINS项目涵盖了MEMS传感器、通信芯片、信号处理体系、网络通信协议等多个研究领域;μAMPS项目有一个重要研究成果,即著名的低功耗无线传感器网络组网LEACH(LowEnergyAdaptiveClusterHierarchy)协议;SensIT项目的首要任务是为网络化微传感器开发所需要的软硬件;SmartDust和PicoRadio项目负责研究低成本、低功耗的传感器网络节点芯片。
早期传感器网络科研项目的主要成果是一系列无线传感器网络平台和初级应用示范系统,其中以Motes硬件平台及其配套操作系统TinyOS的影响最为广泛,目前已被全球400多家研究机构所采用。
进入21世纪以来,传感器网络系统不再只局限于军事应用,在非军事方面也获得了日益广泛的应用。
例如,部署于美国缅因州大鸭岛的传感器网络主要用于监测环境;部署于旧金山金门大桥的传感器网络主要用于监测桥梁状态;部署于地下矿井的传感器网络主要用于保证煤矿安全生产。
这些实际的应用场景为传感器网络提供了真实的测试验证环境,同时也发掘了传感器网络研究的新方向。
近期传感器网络的科研工作主要致力于开展大量针对传感器网络通信协议及其支撑技术的细化研究,如网络拓扑控制、MAC协议、路由协议、网络安全、时间同步、节点定位等,同时也对传感器网络中的信息处理、数据查询、数据融合、部署覆盖等相关问题进行了深入研究。
综合以上介绍不难看出,与传感器网络相关的研究工作起步于传感器节点平台的研制,随后以应用为驱动扩展到网络通信协议、数据信息处理等研究领域,目前已经在数据信息的采集、处理、传输、应用等方面取得了丰硕的技术成果并积累了宝贵经验。
从技术和应用两方面的经验总结来看,传感器网络最显著的技术特征和最重要的应用目标是感知现实物理世界。
许多专家和学者认为,物联网最重要的特点之一同样是感知现实物理世界。
随着传感器网络技术的进步和应用领域的延伸,使得物联网的目标逐渐清晰、发展时机日趋成熟。
因此,传感器网络被视为物联网的一个主要起源。
6、射频识别(RFID)
射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)技术利用无线射频方式进行非接触双向通信,以达到目标识别目的并交换数据。
RFID技术能实现多目标识别、运动目标识别,便于通过互联网实现物品的识别、跟踪和管理,因而受到广泛的关注。
产品电子编码(ElectronicProductCode,EPC)是与EAN/UCC码兼容的编码标准,其特点是给每一个单独的产品编号,并且为RFID标签的编码和解码提供一致的标准。
EPC标准的出现使得RFID标签在整条物流供应链中的任何时候都可以提供产品的流向信息,使每个产品信息有了共同的沟通语言。
通过互联网实现物品的自动识别和信息交换与共享,进而实现对物品的透明化管理。
在1999年成立的Auto-ID中心最早开展RFID技术的研究工作。
在2003年,Auto-ID中心将研究成果和相关技术形成了无线射频身份标签的标准草案。
同年10月,Auto-ID中心的管理职能正式终止,其研究功能并入新成立的Auto-ID实验室,而商业功能则由新成立的EPCglobal负责。
Auto-ID实验室已建立一个具有商业驱动力、全球可持续、经济高效、面向未来的RFID基础设施网络。
这种基础设施网络具有很强的鲁棒性和灵活性,能够很好地支持未来的技术、应用和产业。
目前,Auto-ID实验室的总部设在美国的麻省理工学院,并且包括全球顶尖的6所研究型大学的实验室参与,它们是英国的剑桥大学、澳大利亚的阿德莱德大学、日本的庆应义塾大学、瑞士的圣加仑大学、中国的复旦大学和韩国的信息与通信大学。
EPCglobal是国际(欧洲)物品编码协会(EuropeanArticleNumberAssociation,EANA)和美国统一代码委员会(UniformCodeCouncil,UCC)的一个合资公司,它是一个受业界委托而成立的非盈利组织。
EPCglobal在许多著名的跨国公司和世界范围内的顶级大学之间建立了密切的合作关系。
EPCglobal的主要职责是在全球范围内对各个行业建立和维护EPC网络,保证供应链上各环节信息的自动、实时识别采用全球统一标准,通过发展和管理EPC网络标准来提高供应链上贸易单元信息的透明度与可视性,以此来提高全球供应链的运作效率。
综合以上介绍不难看出,Auto-ID实验室和EPCglobal分别从研究和应用的角度推动了RFID技术的不断发展。
近年来,RFID技术的重要进展包括:
超高频RFID读写器功能增强,并向低功耗、低成本、一体化、模块化发展;采用新开发的喷墨打印制造工艺生产RFID电子标签,可以使单个电子标签价格降至4美分;RFID新型中间件的推出使标签数据、读写器的管理更加快捷和简单。
RFID技术的这些进步,为准确、高效地实现物品识别提供了可靠保障。
目前,RFID技术的应用领域包括电子门票、手机支付、车牌识别、不停车收费、港口集装箱管理、食品安全管理等。
由于具备实现物品自动识别和信息交换的能力,RFID技术被形象地比喻为“物物通信技术”。
加之RFID技术广泛应用于物流领域的现状,RFID被视为物联网的起源之一。
7、GIS(地理信息系统GeographicInformationSystem)
8、AIS系统
AIS系统是船舶自动识别系统(AutomaticIdentificationSystem)的简称,由岸基(基站)设施和船载设备共同组成,是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。
9、智能图像识别
集装箱号码自动识别,简称箱号识别,是基于图像识别中的OCR(OpticalCharacterRecognition,光学字符识别)技术发展而来的一种实用技术,包括触发、图像抓拍、字符识别等几个关键环节。
它能对集装箱图像进行实时抓拍,对集装箱号和箱型代码(ISO号码)进行识别。
10、集群通信技术
集群通信系统是按照动态信道指配的方式实现多用户共享多信道的无线电移动通信系统。
该系统一般由终端设备、基站和中心控制站等组成,具有调度、群呼、优先呼、虚拟专用网、漫游等功能。
集群通信系统,是一种高级移动调度系统,代表着通信体制之一的专用移动通信网发展方向。
CCIR称之为TrunkingSystem(中继系统),为与无线中继的中继系统区别,自1987年以来,更多译者将其翻译成集群系统。
11、EDI
电子数据交换(ElectronicDataInterchange)是由国际标准化组织推出使用的国际标准,他是指一种通过电子信息化的手段,在贸易伙伴之间传播标准化的商务贸易元素方法和标准。
例如,国际贸易中的采购订单、装箱单、提货单等数据的交换。
特点
(1)EDI使用电子方法传递信息和处理数据的。
EDI一方面用电子传输的方式取代了以往纸单证的邮寄和递送,从而提高了传输效率,另一方面通过计算机处理数据取代人工处理数据,从而减少了差错和延误。
(2)EDI是采用统一标准编制数据信息的。
这是EDI与电传、传真等其它传递方式的重要区别,电传、传真等并没有统一格式标准,而EDI必须有统一的标准方能运作。
(3)EDI是计算机应用程序之间的连接
一般的电子通信手段是人与人之间的信息传递,传输的内容即使不完整、格式即使不规范,也能被人所理解。
这些通信手段仅仅是人与人之间的信息传递工具,不能处理和返回信息。
EDI实现的是计算机应用程序与计算机应用程序之间的信息传递与交换。
由于计算机只能按照给定的程序识别和接受信息,所以电子单证必须符合标准格式并且内容完整准确。
在电子单证符合标准且内容完整的情况下,EDI系统不但能识别、接受、存储信息,还能对单证数据信息进行处理,自动制作新的电子单据并传输到有关部门。
在有关部门就自己发出的电子单证进行查询时,计算机还可以反馈有关信息的处理结果和进展状况。
在收到一些重要电子邮件时,计算机还可以按程序自动产生电子收据并传回对方。
(4)EDI系统采用加密防伪手段
EDI系统有相应的保密措施,EDI传输信息的保密通常是采用密码系统,各用户掌握自己的密码,可打开自己的“邮箱”取出信息,外人却不能打开这个“邮箱”,有关部门和企业发给自己的电子信息均自动进入自己的“邮箱”。
一些重要信息在传递时还要加密,即把信息转换成他人无法识别的代码,接收方计算机按特定程序译码后还原成可识别信息。
为防止有些信息在传递过程中被篡改,或防止有人传递假信息,还可以使用证实手段,即将普通信息与转变成代码的信息同时传递
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