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一個(gè)畢業(yè)于北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系，在中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所、計(jì)算中心和網(wǎng)絡(luò)中心工作過(guò)，在澳大利亞科工組織DMS、香港浸會(huì)學(xué)院數(shù)學(xué)系和中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心等處工作過(guò)，多次獲國(guó)家和中科院科技獎(jiǎng)并享受政府特殊津貼的退休老頭?，F(xiàn)在在【中國(guó)科普博覽】網(wǎng)“科學(xué)新語(yǔ)林”欄目里開(kāi)設(shè)一個(gè)《數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)》的個(gè)人專欄，愿和愛(ài)好數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的各界網(wǎng)友和青少年朋友，談?wù)剬?duì)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的看法、想法。
物聯(lián)網(wǎng)（1）
張建中
2012年10月23日
1、什么是物聯(lián)網(wǎng)？
2、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展簡(jiǎn)史
3、物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)
毫無(wú)疑問(wèn)，如果“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代來(lái)臨，人們的日常生活將發(fā)生翻天覆地的變化。然而，不談什么隱私權(quán)和輻射等問(wèn)題，單把所有物品都植入識(shí)別芯片這一點(diǎn)現(xiàn)在看來(lái)還不太現(xiàn)實(shí)。人們正走向“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代，但這個(gè)過(guò)程可能需要很長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)間。
2004年日本總務(wù)省提出 u-Japan 構(gòu)想，希望在2010 年將日本建設(shè)成一個(gè) “Anytime,Anywhere,Anything,Anyone”都可以上網(wǎng)的環(huán)境。同年，韓國(guó)政府制定了u-Korea 戰(zhàn)略，韓國(guó)信通部發(fā)布的《數(shù)字時(shí)代的人本主義：IT839 戰(zhàn)略》以具體呼應(yīng) u-Korea。
2005年11月在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)（WSIS）上，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，報(bào)告指出，無(wú)所不在的 “物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即將來(lái)臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過(guò)因特網(wǎng)主動(dòng)進(jìn)行信息交換。射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)等將得到更加廣泛的應(yīng)用。
2009年6月歐盟委員會(huì)提出針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)方案，方案明確表示在技術(shù)層面將給予大量資金支持，在政府管理層面將提出與現(xiàn)有法規(guī)相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管方案。
2009年8月溫家寶總理在無(wú)錫考察傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)明確指示要早一點(diǎn)謀劃未來(lái)，早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)，并且明確要求盡快建立中國(guó)的傳感信息中心，或者叫“感知中國(guó)”中心。目前，經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)，全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組建了傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組，標(biāo)準(zhǔn)工作組現(xiàn)聚集了中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司等國(guó)內(nèi)傳感網(wǎng)主要的技術(shù)研究和應(yīng)用單位。
2011年11月,中國(guó)工業(yè)和信息化部制定并發(fā)布了2011-2015 年《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,以加快物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，培育和壯大新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)?！栋l(fā)展規(guī)劃》提出了“十二五”期間物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的八項(xiàng)主要任務(wù)，包括大力攻克核心技術(shù)、加快構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系、協(xié)調(diào)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、著力培育骨干企業(yè)、積極開(kāi)展應(yīng)用示范、合理規(guī)劃區(qū)域布局、加強(qiáng)信息安全保障、提升公共服務(wù)能力等。
RFID 系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)兩大部分組成，作為物聯(lián)網(wǎng)中最為重要核心技術(shù)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起著至為重要的作用。但RFID 目前仍然面臨著諸多問(wèn)題有待解決。RFID存在諸多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如影響力最大的 EPC Global 標(biāo)準(zhǔn),支持各頻段的 ISO/IEC 標(biāo)準(zhǔn),以及日本本土制造商 SONY，NEC 等支持的 UID 標(biāo)準(zhǔn)。各國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)間互不兼容，導(dǎo)致 RFID 應(yīng)用難以大范圍內(nèi)推廣。目前，歐盟下的 GRIFS 項(xiàng)目致力于各 RFID 標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)間相互合作。RFID 的標(biāo)簽成本仍然過(guò)高和中國(guó)自主制定的 RFID 標(biāo)準(zhǔn)推廣問(wèn)題都成為制約物聯(lián)網(wǎng)的瓶頸。除此之外，目前 RFID 應(yīng)用集中為閉環(huán)市場(chǎng)，集中于醫(yī)療，軍工等，到普及的開(kāi)環(huán)市場(chǎng)還有一段時(shí)日。
WSN是wireless sensor network的簡(jiǎn)稱，即無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有展開(kāi)速度快、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)商業(yè)周刊和 MIT 技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，分別將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。
WSN 網(wǎng)絡(luò)通常分為物理層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，應(yīng)用層。物理層定義 WSN 中的 Sink, Node 間的通信物理參數(shù)，使用哪個(gè)頻段，使用何種信號(hào)調(diào)制解調(diào)方式等。MAC 層定義各節(jié)點(diǎn)的初始化，通過(guò)收發(fā) beacon, request, associate 等消息完成自身網(wǎng)絡(luò)定義，同時(shí)定義的MAC 幀的調(diào)試策略，避免20多個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的通信沖突。在網(wǎng)絡(luò)層，完成邏輯路由信息采集，使收發(fā)網(wǎng)絡(luò)包裹能夠按照不同策略通過(guò)使用最優(yōu)化路徑到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。傳輸層提供包裹傳輸?shù)目煽啃?，為?yīng)用層提供入口。應(yīng)用層最終將收集后的節(jié)點(diǎn)信息整合處理，滿足不同應(yīng)用程序計(jì)算需要。
2、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展簡(jiǎn)史
3、物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)
1、什么是物聯(lián)網(wǎng)？
物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡(jiǎn)記為IoT），通俗地講就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，也就是將各種信息傳感設(shè)備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把物品與物品結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，所以在我國(guó)也稱其為傳感網(wǎng)?！拔锫?lián)網(wǎng)”含如下兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴(kuò)展，其核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)；第二，其用戶端不僅僅是個(gè)人，還包括任何物品。網(wǎng)示意圖.png)
物聯(lián)網(wǎng)示意圖
物聯(lián)網(wǎng)把新一代 IT 技術(shù)充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中，具體地說(shuō)，就是把傳感器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合。在這個(gè)整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在能力超級(jí)強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)群，能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理和控制；在此基礎(chǔ)上，人類可以以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。毫無(wú)疑問(wèn)，如果“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代來(lái)臨，人們的日常生活將發(fā)生翻天覆地的變化。然而，不談什么隱私權(quán)和輻射等問(wèn)題，單把所有物品都植入識(shí)別芯片這一點(diǎn)現(xiàn)在看來(lái)還不太現(xiàn)實(shí)。人們正走向“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代，但這個(gè)過(guò)程可能需要很長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)間。
2、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展簡(jiǎn)史
1999年MIT Auto-ID Center 提出“物聯(lián)網(wǎng)”的概念，即把所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。2004年日本總務(wù)省提出 u-Japan 構(gòu)想，希望在2010 年將日本建設(shè)成一個(gè) “Anytime,Anywhere,Anything,Anyone”都可以上網(wǎng)的環(huán)境。同年，韓國(guó)政府制定了u-Korea 戰(zhàn)略，韓國(guó)信通部發(fā)布的《數(shù)字時(shí)代的人本主義：IT839 戰(zhàn)略》以具體呼應(yīng) u-Korea。
2005年11月在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)（WSIS）上，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，報(bào)告指出，無(wú)所不在的 “物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即將來(lái)臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過(guò)因特網(wǎng)主動(dòng)進(jìn)行信息交換。射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)等將得到更加廣泛的應(yīng)用。
國(guó)際電信聯(lián)盟
2008年11月IBM提出“智慧地球”概念，即“互聯(lián)網(wǎng) + 物聯(lián)網(wǎng) = 智慧地球”，以此做為經(jīng)濟(jì)振興戰(zhàn)略。如果在基礎(chǔ)建設(shè)的執(zhí)行中，植入“智慧”的理念，不僅僅能夠在短期內(nèi)有力的刺激經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)就業(yè)，而且能夠在短時(shí)間內(nèi)為中國(guó)打造一個(gè)成熟的智慧基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)。2009年6月歐盟委員會(huì)提出針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)方案，方案明確表示在技術(shù)層面將給予大量資金支持，在政府管理層面將提出與現(xiàn)有法規(guī)相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管方案。
2009年8月溫家寶總理在無(wú)錫考察傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)明確指示要早一點(diǎn)謀劃未來(lái)，早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)，并且明確要求盡快建立中國(guó)的傳感信息中心，或者叫“感知中國(guó)”中心。目前，經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)批準(zhǔn)，全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組建了傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組，標(biāo)準(zhǔn)工作組現(xiàn)聚集了中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司等國(guó)內(nèi)傳感網(wǎng)主要的技術(shù)研究和應(yīng)用單位。
2011年11月,中國(guó)工業(yè)和信息化部制定并發(fā)布了2011-2015 年《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,以加快物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，培育和壯大新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)?！栋l(fā)展規(guī)劃》提出了“十二五”期間物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的八項(xiàng)主要任務(wù)，包括大力攻克核心技術(shù)、加快構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系、協(xié)調(diào)推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、著力培育骨干企業(yè)、積極開(kāi)展應(yīng)用示范、合理規(guī)劃區(qū)域布局、加強(qiáng)信息安全保障、提升公共服務(wù)能力等。
3、物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)
物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)包括射頻識(shí)別（RFID）裝置、WSN 網(wǎng)絡(luò)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、Internet與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，行業(yè)應(yīng)用軟件。在這些技術(shù)當(dāng)中，又以底層嵌入式設(shè)備芯片開(kāi)發(fā)最為關(guān)鍵，引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)的上游發(fā)展，以下我們著重介紹RFID技術(shù)和WSN技術(shù)。
物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)
3.1 RFID裝置RFID 系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)兩大部分組成，作為物聯(lián)網(wǎng)中最為重要核心技術(shù)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起著至為重要的作用。但RFID 目前仍然面臨著諸多問(wèn)題有待解決。RFID存在諸多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如影響力最大的 EPC Global 標(biāo)準(zhǔn),支持各頻段的 ISO/IEC 標(biāo)準(zhǔn),以及日本本土制造商 SONY，NEC 等支持的 UID 標(biāo)準(zhǔn)。各國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)間互不兼容，導(dǎo)致 RFID 應(yīng)用難以大范圍內(nèi)推廣。目前，歐盟下的 GRIFS 項(xiàng)目致力于各 RFID 標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)間相互合作。RFID 的標(biāo)簽成本仍然過(guò)高和中國(guó)自主制定的 RFID 標(biāo)準(zhǔn)推廣問(wèn)題都成為制約物聯(lián)網(wǎng)的瓶頸。除此之外，目前 RFID 應(yīng)用集中為閉環(huán)市場(chǎng)，集中于醫(yī)療，軍工等，到普及的開(kāi)環(huán)市場(chǎng)還有一段時(shí)日。
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FRID系統(tǒng)
3.2 WSN技術(shù)WSN是wireless sensor network的簡(jiǎn)稱，即無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤，具有展開(kāi)速度快、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)商業(yè)周刊和 MIT 技術(shù)評(píng)論在預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展的報(bào)告中，分別將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。
WSN 網(wǎng)絡(luò)通常分為物理層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，應(yīng)用層。物理層定義 WSN 中的 Sink, Node 間的通信物理參數(shù)，使用哪個(gè)頻段，使用何種信號(hào)調(diào)制解調(diào)方式等。MAC 層定義各節(jié)點(diǎn)的初始化，通過(guò)收發(fā) beacon, request, associate 等消息完成自身網(wǎng)絡(luò)定義，同時(shí)定義的MAC 幀的調(diào)試策略，避免20多個(gè)收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的通信沖突。在網(wǎng)絡(luò)層，完成邏輯路由信息采集，使收發(fā)網(wǎng)絡(luò)包裹能夠按照不同策略通過(guò)使用最優(yōu)化路徑到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。傳輸層提供包裹傳輸?shù)目煽啃?，為?yīng)用層提供入口。應(yīng)用層最終將收集后的節(jié)點(diǎn)信息整合處理，滿足不同應(yīng)用程序計(jì)算需要。