一年來(lái),從IT界到一些國(guó)家首腦,都高度關(guān)注傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與智慧地球的發(fā)展動(dòng)態(tài),認(rèn)為這是繼20世紀(jì)8O年代PC機(jī)、90年代因特網(wǎng)(Intemet,又稱(chēng)互聯(lián)網(wǎng))、移動(dòng)通信網(wǎng)之后,將引發(fā)IT業(yè)突破性發(fā)展的第三次IT產(chǎn)業(yè)化浪潮。當(dāng)今世界,信息技術(shù)正處于新一輪重大技術(shù)突破的前夜。
2009年1月,奧巴馬就任總統(tǒng)后第一次舉行的美國(guó)工商業(yè)領(lǐng)袖圓桌會(huì)上,IBM總裁兼CEO彭明盛提出“智慧地球”(smarteal'th)的新理念,建議投資新一代智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。奧巴馬給予積極的回應(yīng),表示要投資寬帶網(wǎng)絡(luò)等新興技術(shù),以保持美國(guó)在21世紀(jì)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。表明智慧型基礎(chǔ)設(shè)施和“智慧地球”將可能上升為美國(guó)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的動(dòng)向。
2009年8月7日,溫家寶總理到中科院無(wú)錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時(shí)說(shuō):“當(dāng)計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展時(shí),我們因?yàn)闆](méi)有掌握核心技術(shù)而走過(guò)一些彎路。在傳感網(wǎng)發(fā)展中,要早一點(diǎn)謀劃未來(lái),早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)。”提出要加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展,建立中國(guó)傳感信息中心。
2009年9月11日,傳感網(wǎng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)工作組在京成立。“感知中國(guó)”高峰論壇召開(kāi),中國(guó)移動(dòng)稱(chēng):物聯(lián)網(wǎng)是“萬(wàn)億”級(jí)產(chǎn)業(yè)。2009年11月3日,溫家寶總理在北京向首都科技界發(fā)表了題為《讓科技引領(lǐng)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展》時(shí)強(qiáng)調(diào),“要著力突破傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),及早部署后IP時(shí)代相關(guān)技術(shù)研發(fā),使信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、邁向信息社會(huì)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。
以上表明,傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為當(dāng)前各國(guó)科技和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn),許多發(fā)達(dá)國(guó)家都加大對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智慧型基礎(chǔ)設(shè)施的投入與研發(fā)力度,力圖掄占科技制高點(diǎn)。我國(guó)也及時(shí)地將傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)之一。
1、傳感網(wǎng)的由來(lái)與進(jìn)展
信息技術(shù)(IT)是指實(shí)現(xiàn)信息的獲取、傳輸、處理和應(yīng)用等功能的一類(lèi)技術(shù)。它由感測(cè)、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)和控制等四大基本部分組成。傳感器技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù),分別承擔(dān)對(duì)信息的獲取、傳輸和處理,它們的融合構(gòu)建了現(xiàn)代信息系統(tǒng)的“感官”、“神經(jīng)”和“頭腦”。
(1)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)
20世紀(jì)90年代末,隨著現(xiàn)代傳感器、無(wú)線(xiàn)通信、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、嵌入式計(jì)算、微機(jī)電(Micro.Electro.MechanicalSystemsMEMS)、集成電路、分布式信息處理與人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展與融合,以及新材料、新工藝的出現(xiàn),傳感器技術(shù)向微型化、無(wú)線(xiàn)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向迅速發(fā)展。由此研制出了各種具有感知、通信與計(jì)算功能的智能微型傳感器。由大量的部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式智能組網(wǎng),形成一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),具有信號(hào)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、信息傳輸、協(xié)同處理、信息服務(wù)等功能,能感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)所覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的各種信息,并將處理后的信息傳遞給用戶(hù)。
WSN可以使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下,獲取大量詳實(shí)可靠的物理世界的信息,這種具有智能獲取、傳輸和處理信息功能的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng),正在逐步形成IT領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)。它可以廣泛應(yīng)用于軍事、科研、環(huán)境、交通、醫(yī)療、制造、反恐、抗災(zāi)、家居等領(lǐng)域。
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)學(xué)科交叉綜合的、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域,正受到各方面的高度關(guān)注。美國(guó)國(guó)防部在2000年時(shí)就把傳感網(wǎng)定為五大國(guó)防建設(shè)領(lǐng)域之一;美國(guó)研究機(jī)構(gòu)和媒體認(rèn)為它是21世紀(jì)世界最具有影響力的、高技術(shù)領(lǐng)域的四大支柱型產(chǎn)業(yè)之一,是改變世界的十大新興技術(shù)之一。日本在2004年就把傳感器網(wǎng)絡(luò)定為四項(xiàng)重點(diǎn)戰(zhàn)略之一。
我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006.2020年)》中把智能感知技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、寬帶無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信等技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)。
(2)基于射頻識(shí)別(RFID)的傳感器網(wǎng)絡(luò)
基于射頻識(shí)別RFID(RadioFrequencyIdentification)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),是目前最主要的一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型。射頻識(shí)別是一種利用無(wú)線(xiàn)射頻方式在讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽之問(wèn)進(jìn)行非接觸的雙向數(shù)據(jù)傳輸,以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換目的的技術(shù)。它能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,將客觀世界的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算機(jī)世界以及人類(lèi)社會(huì)的交流。
通常,RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、微型天線(xiàn)和信息處理系統(tǒng)組成。
1)電子標(biāo)簽:即應(yīng)答器,它由耦合元件和微電子芯片組成,粘附在物體上,內(nèi)部存儲(chǔ)待識(shí)別物體的信息。通常電子標(biāo)簽沒(méi)有自備的供電電源,其工作所需要的能量,由讀寫(xiě)器通過(guò)耦合元件傳遞給電子標(biāo)簽。
2)讀寫(xiě)器:又稱(chēng)掃描器,它能發(fā)出射頻信號(hào),掃描電子標(biāo)簽而獲取數(shù)據(jù)。讀寫(xiě)器包含高頻模塊(發(fā)送器和接受器)、控制單元、與電子標(biāo)簽連接的耦合元件以及與PC機(jī)或其它控制裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌凇?br /> 3)微型天線(xiàn):它在電子標(biāo)簽和閱讀器問(wèn)傳遞射頻信號(hào)。
4)信息處理系統(tǒng):即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
在實(shí)際應(yīng)用中,RFID系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)有約定格式數(shù)據(jù)的電子標(biāo)簽,粘附在待識(shí)別物體的表面。讀寫(xiě)器通過(guò)天線(xiàn)發(fā)出一定頻率的射頻信號(hào),當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入感應(yīng)磁場(chǎng)范圍時(shí)被激活產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量,發(fā)送出自身的編碼等信息,被讀寫(xiě)器無(wú)接觸地讀取、解碼與識(shí)別,從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的。然后將識(shí)別的信息送至主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)信息處理。
(3)傳感網(wǎng)技術(shù)優(yōu)先攻關(guān)的瓶頸
據(jù)有關(guān)方面研究表明:現(xiàn)在傳感器問(wèn)的信息量已超過(guò)計(jì)算機(jī)或其它應(yīng)用,成為信息交互的主流。其在感知層、網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層都有各自攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)的高效融合,能實(shí)現(xiàn)人與物、物與物的互聯(lián),從而形成“物聯(lián)網(wǎng)”。因此,傳感器核心芯片和傳感器網(wǎng)接入因特網(wǎng)的技術(shù)將成為今后幾年IT前沿技術(shù)進(jìn)展中優(yōu)先攻關(guān)的瓶頸。
2、物聯(lián)網(wǎng)的由來(lái)與進(jìn)展
(1)物聯(lián)網(wǎng)的由來(lái)
今年以來(lái),“物聯(lián)網(wǎng)”(IntemetofThings)成為國(guó)內(nèi)外IT業(yè)界和社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)之一,實(shí)際上它已經(jīng)走過(guò)了l0年的發(fā)展歷程。1999年正式提出物聯(lián)網(wǎng)概念后,世界各國(guó)都在加緊物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)。我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)始于1999年,當(dāng)時(shí)中科院?jiǎn)?dòng)了傳感網(wǎng)研究,在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)、智能微型傳感器、現(xiàn)代通信技術(shù)等方面取得了重要進(jìn)展。2004年國(guó)家金卡工程把RFID應(yīng)用試點(diǎn)列為重點(diǎn)工作之一;2005年1O月原信息產(chǎn)業(yè)部批準(zhǔn)成立了“電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)工作組”,開(kāi)展電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)的研究;2006年23個(gè)部門(mén)f行業(yè))共同成立了國(guó)家金卡辦RFID應(yīng)用工作組,啟動(dòng)了相關(guān)RFID應(yīng)用試點(diǎn)工作。
據(jù)了解,國(guó)內(nèi)RFID企業(yè)數(shù)量不斷增加,在市場(chǎng)中已占據(jù)主導(dǎo)地位。目前我國(guó)RFID產(chǎn)業(yè)鏈逐步擴(kuò)大,集電子信息產(chǎn)業(yè)、軟件業(yè)、通信運(yùn)營(yíng)業(yè)、信息服務(wù)業(yè)和面向各相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈正在逐步形成。2008年上半年無(wú)錫市與中科院上海微系統(tǒng)研究所合作成立中科院無(wú)錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心,大力推進(jìn)傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前,我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)從材料、器件、技術(shù)、系統(tǒng)到無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)等方面也正在形成產(chǎn)業(yè)鏈。
截至2009年6月,我國(guó)擁有固定電話(huà)3;30億戶(hù)、移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)6.95億戶(hù)、因特網(wǎng)用戶(hù)3.38億戶(hù),均居
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(2)物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵
目前,對(duì)物聯(lián)網(wǎng)概念,說(shuō)法不一,有的說(shuō),它與傳感網(wǎng)是同一概念,也有的說(shuō),兩者有區(qū)別。關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的準(zhǔn)確定義,目前國(guó)家傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作組正在從標(biāo)準(zhǔn)化的角度進(jìn)行研究,有望在不久后發(fā)布。本文僅從應(yīng)用角度闡述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的內(nèi)涵。
眾所周知,因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了世界上計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、人與計(jì)算機(jī)、人與人之間的對(duì)話(huà)與交互;而物聯(lián)網(wǎng)則正在實(shí)現(xiàn)世界上物與物、人與物、人與自然之間的對(duì)話(huà)與交互。通過(guò)裝置在各類(lèi)物體上的射頻識(shí)別電子標(biāo)簽fIID)、二維碼、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等組成的智能傳感器,經(jīng)過(guò)接口與無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)互連,以實(shí)現(xiàn)人與物、物與物相互間智能化地獲取、傳輸與處理信息的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為“物聯(lián)網(wǎng)”,其核心是智能傳感網(wǎng)技術(shù)。
“物聯(lián)網(wǎng)”的精髓是感知,感知包括傳感器的信號(hào)采集、協(xié)同處理、智能組網(wǎng)、信息服務(wù),以達(dá)到控制指揮的目的。其中,傳感網(wǎng)是感知的網(wǎng)絡(luò),是物和物的互聯(lián);移動(dòng)通信網(wǎng)是信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò),是人和人的互聯(lián);因特網(wǎng)是聯(lián)接虛擬信息共享的網(wǎng)絡(luò),而物聯(lián)網(wǎng)是聯(lián)接現(xiàn)實(shí)物理世界的網(wǎng)絡(luò)。實(shí)質(zhì)上,物聯(lián)網(wǎng)是傳感網(wǎng)與因特網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng),“三網(wǎng)”高效融合的產(chǎn)物,是信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)高效融合的產(chǎn)物(又稱(chēng)為信息物理融合系統(tǒng))。
微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),使數(shù)字化信息處理技術(shù)普及化,形成了第一次IT產(chǎn)業(yè)化浪潮;因特網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)的出現(xiàn),使全球性信息傳輸技術(shù)普及化,形成了第二次盯產(chǎn)業(yè)化浪潮;傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),破解了智能化信息獲取技術(shù),使虛擬因特網(wǎng)與現(xiàn)實(shí)傳感網(wǎng)高效融合,為信息傳輸和信息處理,提供強(qiáng)大的需求驅(qū)動(dòng)力,將掀起第三次IT產(chǎn)業(yè)化浪潮。
(3)物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要問(wèn)題
物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)巨大。但是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)需要解決一系列問(wèn)題,主要是核心技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、產(chǎn)品研發(fā)、安全保護(hù)等技術(shù)方面問(wèn)題,和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、體制機(jī)制、協(xié)調(diào)合作、推廣應(yīng)用等管理方面的問(wèn)題。
第一,核心技術(shù)有待突破。目前,我國(guó)處于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和規(guī)模化應(yīng)用的初始階段,關(guān)鍵在于盡快突破核心技術(shù),搶占制高點(diǎn)。其中,傳感器核心芯片和傳感器網(wǎng)接入因特網(wǎng)的技術(shù),將是今后幾年優(yōu)先攻關(guān)的瓶頸l2J。
第二,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有待制定。制定一種能被世界各國(guó)認(rèn)可的統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),難度很大。據(jù)悉目前我國(guó)正處于研究制定物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)框架階段,需要集中力量制定標(biāo)準(zhǔn)化體系、產(chǎn)業(yè)鏈體系、研發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目規(guī)范等。
第三,信息安全有待解決。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(shè)備,信息安全和保護(hù)隱私成為亟待解決的問(wèn)題Il?。
第四,統(tǒng)一協(xié)議有待制定。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)議種類(lèi)很多,如GPRS、短信、傳感器、TD.SCDMA等,物聯(lián)網(wǎng)需要一個(gè)統(tǒng)一的協(xié)議基礎(chǔ)。
第五,IP地址有待擴(kuò)充。物聯(lián)網(wǎng)中的每個(gè)物件都需要一個(gè)唯一的IP地址,這只能依靠IPv6來(lái)支撐。由IPv4向IPv6轉(zhuǎn)型以及妥善處理與IPv4的兼容性問(wèn)題,將是一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程。
(4)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)
目前全球物聯(lián)網(wǎng)狀況尚處于概念、論證與試驗(yàn)階段,處于攻克關(guān)鍵技術(shù)、制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與研發(fā)應(yīng)用的初級(jí)階段,我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)處于與國(guó)際同步地位。但是,在核心技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模方面都還有差距。2009年國(guó)務(wù)院將傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)上升為國(guó)家五大戰(zhàn)略性的新興產(chǎn)業(yè)。
當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)展中,從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出融合化、嵌入化、可信化、智能化的特征,從管理應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、服務(wù)化、開(kāi)放化、工程化的特征。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵在于應(yīng)用,只有以應(yīng)用需求為導(dǎo)向,才能帶動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。2008年底IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧的地球(Smartearth)”新理念,據(jù)了解,“智慧地球”戰(zhàn)略主要是把IT前沿技術(shù)應(yīng)用到各行各業(yè)之中,把傳感器嵌入和裝置到全球的電網(wǎng)、鐵路、公路、橋梁、建筑、供水系統(tǒng)等各種物體中,井通過(guò)互連形成“物聯(lián)網(wǎng)”;而后通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算技術(shù),對(duì)海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析與處理,將“物聯(lián)網(wǎng)”整合起來(lái),實(shí)施智能化的控制與管理,從而達(dá)到全球的“智慧”狀態(tài),最終實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)=智慧地球”。
IBM還進(jìn)一步推出其各種“智慧”解決方案,包括智慧能源系統(tǒng)、智慧交通系統(tǒng)、智慧金融和保險(xiǎn)系統(tǒng)、智慧零售系統(tǒng)、智慧醫(yī)療保健系統(tǒng)與智慧城市系統(tǒng)等。“智慧地球”的核心是“更透徹的感知、更全面的互聯(lián)互通和更深入的智能化”:其基礎(chǔ)是傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和因特網(wǎng)在各行各業(yè)的高效融合與綜合應(yīng)用。這種能夠?qū)崿F(xiàn)人與人、人與物乃至物與物之間隨時(shí)隨地溝通的全新網(wǎng)絡(luò)環(huán)境稱(chēng)為泛在網(wǎng)(UbiquitousNetwork)。
物聯(lián)網(wǎng)、因特網(wǎng)與空間信息系統(tǒng)f基于RS/GIS/GPS的SIS:Spatialinformationsystem)的高效融合,將使數(shù)字地球、智慧地球從理念逐步轉(zhuǎn)為實(shí)際應(yīng)用。
總之,我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過(guò)十年磨一劍的積累,已經(jīng)與國(guó)際同步發(fā)展,前景廣闊。但是,我國(guó)要形成規(guī)模化的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè),全面進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,還需要經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)與應(yīng)用的再積累和創(chuàng)業(yè)過(guò)程。我們既需要熱情的追求,更需要理智的思考和扎實(shí)的工作,去迎接中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)春天的來(lái)臨。
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