物联网的产生与发展

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摘要:物联网是计算机科学技术的新挑战,它的出现将掀起新一次科技革命。物联网有前后端之分,前端是研究的热点,后端是结构和技术的实现,还有待进一步研究。文章介绍了物联网的产生背景、概念与原理、应用、研究与发展。

关键词:物联网;射频识别;云计算

1物联网产生背景

物联网(the Internet of Things)的出现是计算机科学技术的新挑战。物联网通信无所不在,所有的物体,从洗衣机到冰箱、从房屋到汽车都可以通过物联网进行信息交换。物联网技术融入了射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术、传感器技术、纳米技术、智能技术与嵌入技术。物联网技术将是改变人们生活和工作方式的重要技术。

在日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器,在任何时空,人与人之间的沟通连接扩展到人与物、物与物之间的沟通连接,这使人类在信息与通信世界中将获得一个新的沟通维度。具体地说,就是把感应器嵌入和装备到各种物体中,并且连接形成物联网。总结近年来计算机科学技术的变革,得出15年周期定律,即计算模式每隔15年发生一次变革。1965年前后出现大型计算机,1980年前后出现个人计算机,而1995年前后出现互联网。目前,物联网掀起了又一次科技革命。

2物联网概念与原理

顾名思义,物联网就是物物相连的互联网,一个覆盖世界上万事万物的互联网。物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品通过互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通讯。

物联网主要包括三个层次,第一个层次是传感器网络,也就是目前所说的包括RFID、条形码、传感器等设备在内的传感网,主要用于信息的识别和采集;第二个层次是信息传输网络,主要用于远距离无缝传输来自传感网所采集的巨量数据信息;第三个层次是信息应用网络,该网络主要通过数据处理及解决方案来提供人们所需要的信息服务。

预计物联网产业要比互联网大30多倍。物联网产业链可以分为标识、感知、处理和信息传送四个环节,每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。

物联网中重要的技术是射频识别技术,是20世纪90年代出现的一种先进的非接触自动识别技术。以简单RFID系统为基础,结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等,构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的、比Internet更为庞大的物联网。在物联网中,RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息,通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统,实现物品的识别,进而通过计算机网络实现信息交换和共享,实现对物品的透明管理。

物联网将物理基础设施和IT基础设施的分离。利用物联网,将建筑物、电缆与芯片、宽带等整合为统一的基础设施。建立物联网需要有规模,才能使物品的智能发挥作用。必须保持物品在运动状态,甚至高速运动状态下都能随时实现对话。

3物联网应用

物联网将极大地改变目前的生活方式,发展前景广阔。物联网把生活拟人化了,万物成了人的同类。在这个物物相联的世界中,物品能够彼此进行交流,而无需人的干预。物联网利用射频自动识别技术,通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。

物联网用途广泛,遍及众多领域。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中,具体地说,就是把感应器嵌入和装备到各种物体中,然后与现有的互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合,在这个整合的网络当中,存在能力超级强大的中心计算机群,能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制,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,达到智能状态,提高资源利用率和生产力水平,改善人与自然间的关系。

例如医疗辅助系统,通过让患者身穿带有RFID和传感器的衣物,可以将患者的心跳速率等与健康有关的信息上传网络,医生获得这些信息后,通过各种先进医疗设备进行远程即时诊断,并安排护士帮助患者治疗。又例如在提醒系统中,利用物联网可以极大改善人们的生活质量和方式。在雨伞上加上一个小型装置,就可以知道是否下雨,如果下雨或即将下雨,则在用户出门时,自动提醒带伞出门。

4物联网的研究与发展

物联网理论上的研究已经展开,但是实际应用还局限于行业内部。物联网技术是一项综合性的技术,物联网研发的关键在于射频自动识别技术、传感器、嵌入式软件以及传输数据和计算等领域的研究[1]。

4.1物联网的研究

物联网要发展为国家下一代的新兴战略产业,关键在核心技术、标准和应用的研究,在传感器网络和物联网方面的研究基础上要尽快形成核心技术体系。

4.1.1构建物联网系统

一般来说,构建物联网系统的主要工作如下:

(1) 首先对物体属性进行标识,属性包括静态属性和动态属性,静态属性可以直接存储在标签中,动态属性由传感器实时探测;

(2) 需要识别设备,进而完成对物体属性的读取,并将信息转换为适合网络传输的数据格式;

(3) 将物体的信息通过网络传输到信息处理中心,处理中心可能是分布式的,也可能是集中式的,由处理中心完成物体通信的相关计算。

前两项为前端计算,后一项为后端计算。

4.1.2研究的主要问题

物联网技术是一门综合的技术,植根于计算机科学,充分体现了学科的力量, 需要研究与解决大量的问题。

(1) 政策和法规。物联网不仅与技术有关,还牵涉各个行业及多种力量的整合。这就要求制定出适合这个行业发展的政策和法规,保证行业的正常发展。因此,对于复杂的物联网,必须要有政策支持,必须要有专门的机构来研究和协调,物联网才能有真正意义的发展。

(2) 技术标准。正是因为非常好地解决了标准化问题,才促进了互联网发展,TCP/IP协议、路由器协议、终端的构架与网络操作系统等都促进了互联网的发展。物联网发展过程中,应尽快统一技术标准,形成一个管理机制,这是物联网必须要面对的问题。

(3) 管理平台。物联网的重点是网,而不是物。传感容易做到,但是感知到的信息,如果没有一个庞大的网络体系,不能进行管理和整合,那这个网络就没有意义。因此,建立一个庞大的、综合的业务管理平台,收集各种传感信息,进行分门别类的管理,进行有指向性的传输,这是一个重要的研究课题。

(4) 后端与云计算。互联网通过各种信息感应、探测、识别、定位、跟踪和检控等方法和设备向物理世界的延伸,这只是人类社会对物理世界实现感、知、控的环节,通常将这一环节称为物联网的前端,而将基于互联网的智能及对物理世界的反馈和控制称为物联网的后端。学术界和企业界注重前端,但对于后端应有针对性研究[2],云计算是大规模的分布式并行计算,是针对后端的重要技术。

(5) 安全体系。装入射频自动识别芯片的物品,可以被物品的拥有者利用物联网系统方便地进行管理。在感知、传输、应用过程中,要保证有价值的灵敏信息的安全性,需要强大的安全体系,这对于管理平台的提供者是非常复杂的难题。

(6) 大规模数据[3]。物联网的应用出现了大规模的数据,如果地球上的所有物体都被标识,他们的所有属性信息都转变为在物联网内流通,这对现有网络的数据管理预处理机制提出新的挑战。为应对这一挑战,须建立大规模数据中心和强大的物联网搜索引擎等。

(7) 应用开发。物联网的构建,必须有各个行业的参与,根据行业的特点,进行物联网研究和开发工作。物联网应用不能仅依靠运营商或物联网企业,因为运营商和技术企业都无法完全理解行业要求和行业的业务特点。

4.2物联网的发展

(1) 射频自动识别技术。2009年10月24日,中国的物联网“唐芯一号”芯片研制成功,“唐芯一号”芯片是一颗2.4G超低功耗射频可编程片上系统PSoC,可以满足各种条件下无线传感网、无线个域网、有源RFID等物联网应用的特殊需要,为我国的物联网产业的发展奠定了基础。无线网络是实现物联网必不可少的基础设施,安置在电子介质产生的数字信号可随时随地通过无处不在的无线网络传送出去。对物联网后端技术的研究和发展,可以实现数以亿计的各类物品的实时动态管理。

(2) 又一场科技革命。物联网使物品和服务功能都发生了质的飞跃,强大的功能将给使用者带来进一步的效率、便利和安全,由此形成新兴产业。

(3) 发展潜力巨大。物联网需要信息高速公路的建立,移动互联网的高速发展以及宽带的普及是物联网海量信息传输交互的基础。依靠网络技术,物联网

将生产要素和供应链进行深度重组,成为信息化带动工业化的现实载体。物联网产业链将创造巨大的产值,成为后3G时代最大的市场热点。

(4) 技术创新的产物。物联网是技术创新的产物,物联网的发展是以移动技术为代表的普适计算发展的结果。它带动的不仅仅是技术进步,而是通过应用创新进一步带动经济社会形态、创新形态的变革。开放创新、共同创新、大众创新、用户创新成为知识社会环境下的创新特征,以人为本的创新随着物联网技术的发展成为现实。

(5) 物联网发展阶段。预计物联网的发展将经历下述阶段,在2010年之前,RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域;2010―2015 年,物体进入互联阶段;2015―2020年,物体进入半智能化阶段;2020年之后物体进入全智能化阶段。预测到2020年,世界上物物互联的业务与人与人之间通信的业务相比,将达到30∶1,因此,物联网被称为是下一个万亿级的通信业务。

(6) 物联网安全问题。在射频识别系统中,标签有可能预先被嵌入任何物品中,因此,如何确保标签物拥有者的个人隐私不受侵犯便成为射频识别技术乃至物联网推广的关键问题。

5结语

信息获取、传输和处理是信息领域的三大支柱。PC的发展支持了数据处理技术;互联网技术支持了信息传输;物联网的核心是感知,是信息的获取。物联网的迅猛发展及其蕴藏的智能信息服务空间预示着新的变革的到来。物联网带动的不仅仅是技术进步,而是通过应用创新进一步带动社会经济形态、创新形态的变革。物联网产业链将创造巨大的产值,成为后3G时代最大的市场热点。千里之行,始于足下,培养物联网领域的专门人才是社会发展的需要[4],我们要紧跟计算机科学发展的步伐,面向应用,研究物联网专业的培养目标和课程体系,致力于培养具有专业素质的物联网领域的专门人才。

参考文献:

[1] 甘志祥. 物联网发展中的初析[J]. 中国科技信息,2010(5):94-96.

[2] 韩燕波,赵卓峰,王桂岭,等. 物联网与云计算[J]. 中国计算机学会通讯,2010,6(2):58-62.

[3] 孔令和,伍民友. 信息产业新革命之争:物联网还是CPS?[J]. 中国计算机学会通讯,2010,6(4):8-12.

[4] 陈明. 计算机科学与技术专业应用型人才培养的研究[J]. 计算机教育,2009(16):55-60.

Emergence and Development of the Internet of Things

CHEN Ming, WANG Suo-zhu

(College of Information Engineering, Capital Normal University, Beijing 100048, China)

Abstract: The Internet of Things is a new challenge in computer science technology, which will trigger a new emergence of a technological revolution. There are front-end and back-end for the Internet of Things, frond-end is focus of research, back-end architecture and technology need further study. This article describes the background, concepts and principles, application, research and development of the Internet of Things.

Key words: the Internet of Things; Radio Frequency Identification; Clouds Computing