物联网业务关键技术与模式探讨刘兆元1 概述 近来，“物联网”成了热点概念词汇，正像“物联网”所推崇的无处不在，其概念已首先成为了无处不在的热点词汇。从一般性的网站、技术报刊、行业报刊，到机上读物、广告宣传，以及技术论坛、行业评估、股票等，无不铺天盖地在热议“物联网”。物联网概念并不是新概念，其最早出现在比尔盖茨1995年的未来之路一书，而后2005年国际电信联盟正式提出物联网概念，如泛在网络、M2M（Machine to Machine）等技术名称其实都是物联网的前称。 但到底什么是“物联网”呢？物联网的英文名称叫“The Internet of things”，就是由许多在空间上分布的自动装置通过无线/有线等通信网络连接组成的计算机应用网络，通过该网络实现信息采集、分析处理和设备监控等功能，从而达到对物品跟踪、监控、管理等目的。举个例子，危险品运输中为了保证物品在运送过程中的安全，可以利用物联网实施对物品状态的全程监控，这时通过分布在危险品周围的温度、湿度、气压、振动等传感器探头和GPS定位模块等，定期或不定期地采集危险品温度、湿度、气压、振动、位置等信息，然后通过通信网络将信息发送到远程的集中监控处理系统，由该系统进行信息处理，并根据处理结果实施相应的控制处理。 国内外不同产业对于M2M类型的物联网应用已经研究和开发多年，比如2004年Orange公司推出了M2MConnect产品（其理念是使企业实现设备无线连接的、安全的中央控制网关，通过M2M Connect实现后端设备与前端采集控制设备的连接，如图1所示）；“M2MConnect”，提供的应用包括：Office equipment互联、utilities(电子抄表)、security(安全监控)、vendingMachine(自动售货机)、物流车辆跟踪。而同样Vodafone公司也推出了基于M2M Gateway Services的业务。 图1 Orange “M2M Connect”业务架构示意图 物联网有别于互联网，互联网主要目的是构建一个全球性的信息通信计算机网络，而物联网则主要从应用出发，利用互联网、无线通信网络资源进行业务信息的传送，是互联网、移动通信网络应用的延伸，是自动化控制、遥控遥测及信息应用技术的综合展现。当物联网概念与近距离通信技术、采集技术与通信网络、用户终端设备结合后，其价值才将逐步得到展现。2 物联网分类 物联网的分类有多种，如按照接入方式、应用类型等方式进行分类，类似于计算机网络划分为专用网网络和公众网络，我们从物联网的用户范围不同，可分为公众物联网和专用物联网两种。公众物联网是指为满足大众生活和信息的需求提供的物联网服务，而专用物联网就是满足企业、团体或个人特色应用需求，有针对性地提供的专业性的物联网业务应用。专用物联网可以利用公众网络（如：Internet）、专网（局域网、企业网络或移动通信互联网中公用网络中的专享资源）等进行信息传送。 表1 物联网分类方式举例3 物联网关键技术及发展瓶颈 图2 物联网网络的组成示意图 物联网网络的组成架构包括：末梢节点（应用采集控制层）、接入层（末梢网络）、承载网络、应用控制层、用户，其中由计算机网络和通信网络构成的承载网络为业务的基础网络。如图2物联网网络组成示意图。末梢节点层由各种类型的采集和控制模块组成，如温度感应器、声音感应器、振动感应器、压力感应器、RFID读写器、二维码识读器等，完成物联网应用的数据采集和设备控制功能。接入层由基站节点（sink节点）和接入网关（AccessGateway）组成，完成应用末梢各节点信息的组网控制和信息汇集，或完成向末梢节点下发信息的转发等功能。也就是末梢节点之间完成组网后，如果末梢节点需要上传数据，则将数据发送给基站节点，基站节点收到数据后，通过接入网关完成和承载网络的连接，而应用控制层需要下发控制数据时，接入网关接收到承载网络的数据后，由基站节点将数据发送给末梢节点，从而完成末梢节点与承载网络之间的信息转发和交互的功能。 末梢节点与接入层构成了物联网的信息采集和控制，其按照接入网络的复杂性不同可分为简单接入方式和多跳接入方式。简单接入就是在采集设备获取信息后直接通过有线或无线方式将信息直接发送至承载网络，如目前RFID读写设备主要采用简单接入方式；简单接入方式可用于终端设备分散、数据量的业务应用。而多跳接入是利用无线传感器（WSN）技术，将具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式，各节点能根据环境的变化，自主地完成网络自适应组织和信息的传递；由于节点间距离较短，一般采用多跳方式进行通信。而后传感器网络最终将信息通过接入网关传递到承载网络。典型的无线传感器设备有ZigBee、UWB等。多跳接入方式适用于终端设备分别集中、终端与网络间传递数据量较小的应用。通过采用多跳接入方式可以降低末梢节点、接入层和承载网络的建设投资和应用成本，以及方便建设实施工作和提升接入网络的健壮性。 承载网络是指现行的通信网络，可以是Internet网络、移动通信网络、企业网等，完成物联网接入层与应用控制层之间的信息通信功能。 应用控制层由各种应用服务器组成（包括数据库服务器），主要功能包括对采集数据的汇集、转换、分析，以及用户层呈现的适配和事件的触发等。对于信息采集，由于从末梢节点获取大量的原始数据，并且这些原始数据对于用户来说只有经过转换、筛选、分析处理后才有实际价值，这些有实际价值的内容应用服务器将根据用户的呈现设备不同完成信息呈现的适配，并根据用户的设置触发相关的通知信息，应用控制层就承担了该项工作；同时在需要完成对末梢节点控制时，应用控制层将完成控制指令的生成和指令下发控制功能。针对不同的应用将设置不同的应用服务器。 用户层为用户提供物联网应用UI接口，包括用户设备（如PC、手机）、客户端等。 如果把物联网比作一个神经系统，那么末梢节点、接入层就构成了外周神经（系统末梢神经系统），承载网络层（物联网的“脊髓”）、应用控制层（物联网的“大脑”）和用户层构成了中枢神经系统。通过神经系统实现物联网信息采集和设备控制功能。 结合多应用、泛在网络“无处不在”、海量信息等特点，物联网业务除了传统的信息及通信技术外，尚需引入传感器技术、传感器网络技术、IPv6、云计算等，以及定位等辅助技术支撑。 由于IPv4地址资源的匮乏，IPv6商用是实现真正意义上“泛在网络”概念的必然条件，IPv6应用贯穿物联网网络中的各个环节设备持；云计算是满足海量数据处理的要求，是未来物联网业务将是云计算技术应用的重要领域之一。而物联网中最关键的设备是终端设备，包括末梢节点和接入层的设备，它们是物联网的灵魂。然而这些设备技术目前虽然都已具备了一定的理论基础，部分技术在一定应用环境下还得到了商用化应用，但如果要在更广泛领域得到普及性应用，在功耗、安全性、网络可靠性健壮性等方面还存在很多技术难题需要突破。 构成物联网末梢节点的外围神经系统是物联网设备类型最丰富、数量最多、应用环境最复杂的一部分。一个应用从几个到几万、上百万不等，应用环境除了室内外，还包括在不同温度、湿度、电磁干扰下的户外环境，因此突破末梢节点采集控制设备、接入层技术是物联网的关键和难点。末梢节点的组成包括4个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成，如RFID、二维码识读设备、温感设备）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU微处理器、存储器、嵌入式操作系统COS等）、通信单元（由无线通信模块组成，实现末梢节点间、以及与基站节点的通信）、以及电源/供电部分。其综合了传感器技术、嵌入式计算技术、智能组网技术及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到接入层的基站节点和接入网关，最终到达用户终端，从而真正实现“无处不在”物联网的理念 目前的标准主要有RFID、ZigBee、802.15.4、UWB等。末梢节点的关键技术包括耗电（电源管理）技术、安全性技术、自组织网络技术、野外耐用性等。 由于末梢节点分布广，如果采用有线供电将带来巨大的成本和限制设备应用，如目前M2M应用中电力抄表得到较大发展，其中一个原因就是电力抄表最容易解决供电问题，因此解决采集设备供电问题是面临的关键问题之一。其主要途径有：（1）提升微电子工艺水平：通过提高产品的工艺水平减低芯片功耗；（2）加强电源管理控制：通过合理使用设备休眠、唤醒，以及采用发送功率低的RF等减低传感功耗等方式来进一步减低设备整体功耗；（3）供电设备入手，使用高能电池提高续航时间，利用感应线圈、太阳能实现供电和电磁充电。对于一些无源环境下，如果能够突破采用高性能的无线感应线圈或太阳能蓄电方式供电将有利于产品的普及和扩大产品的应用面。 信息安全是末梢节点的另外一个难题，需要解决恶劣环境和人为因素带来的对数据采集环节和节点间信息传送中的安全性问题。引起安全性的因素包括传统的无线电电磁干扰和对传感器网络的路由机制进行攻击，从而造成节点发送错误数据和非法数据，侵入节点致使网络的某些节点和某些网段互发大量的无用数据，造成节点能量很快耗尽，传感器网络分立，形成监测黑洞，无法完成正常监测工作。目前主要解决方案包括采用扩频通信、传感器节点接入认证、鉴权、数据水印和数据加密等技术提高采集和网络的安全性。 以ZigBee为例，其功耗水平，在休眠状态下耗电量为几W，在短距离通信的工作状态下耗电约为40mW，在低耗电待机模式下，两节普通干电池可使用6个月左右；在安全性方面，ZigBee具有数据完整性检查和鉴别功能，其硬件支持CRC和AES-128。基本能够满足短距离通信的安全特性要求。ZiBee在国内使用的频段为2.4GHz的ISM频段。 4 物联网应用及发展模式 物联网的发展面临互联网发展初期相似的问题，如何解决内容应用丰富和商业运营模式的问题，互联网虽然到目前为止尚无一个固定的发展模式，但通过开放的内容和形式、采用传统电视广告模式，以及投资者着眼于长线发展等方式逐步解决了整个互联网发展瓶颈。物联网是通信网络的应用延伸，是信息网络上的一种增值应用，其有别于语音电话、短信等基本的通信需求，因此物联网发展初期面临着广泛开展需求挖掘及投资消费引导的工作。 在目前技术背景、政府高度重视的大环境下，需要产业链各方深度挖掘物联网的优势和价值。 首先，对于消费者来说，物联网到底能给大家带来什么？(1) 自动化，减低生产成本和效率，提升企业综合竞争能力(2) 信息的实时性，借助通信网络，及时地获取远端的信息(3) 提高便利性，如RFID电子支付交易业务(4) 有利于安全生产，及时发现和消除安全隐患，便于实现安全监控监管(5) 提升社会的信息化程度(6) 总体来说，物联网将在提升信息传送效率、改善民生、提高生产率、降低企业管理成本等方面发挥重要的作用。 从实际价值和购买能力来看，企业将有望成为物联网应用的第一批用户，其应用也将是物联网发展初期的主要应用。从企业点点滴滴应用开始，逐步延伸扩大，推进产业链成熟和应用的成熟。 其次，物联网成熟应用有哪些？ 物联网应用极其广泛，从日常的家庭个人应用，到用于工业自动化应用。目前比较典型的应用包括水电行业无线远程自动抄表系统、数字城市系统、智能交通系统、危险源和家居监控系统、产品质量监管系统等，如表2所示 表2 物联网主要应用类型。 这些应用