一年來，從IT界到一些國家首腦，都高度關(guān)注傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)與智慧地球的發(fā)展動態(tài)，認(rèn)為這是繼20世紀(jì)8O年代PC機(jī)、90年代因特I~(Intemet，又稱互聯(lián)網(wǎng))、移動通信網(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工商業(yè)領(lǐng)袖圓桌會上，IBM總裁兼CEO彭明盛提出“智慧地球”(SmartEarth)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)，以保持美國在21世紀(jì)的競爭優(yōu)勢。表明智慧型基礎(chǔ)設(shè)施和“智慧地球”將可能上升為美國國家發(fā)展戰(zhàn)略的動向。
2009年8月7日，溫家寶總理到中科院無錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時說：“當(dāng)計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展時，我們因?yàn)闆]有掌握核心技術(shù)而走過一些彎路。在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要早一點(diǎn)謀劃未來，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，建立中國傳感信息中心。
2009年9月11日，傳感網(wǎng)國家標(biāo)準(zhǔn)工作組在京成立。“感知中國”高峰論壇召開，中國移動稱：物聯(lián)網(wǎng)是“萬億”級產(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)中國可持續(xù)發(fā)展》時強(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)成為推動產(chǎn)業(yè)升級、邁向信息社會的“發(fā)動機(jī)”。
以上表明，傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為當(dāng)前各國科技和產(chǎn)業(yè)競爭的熱點(diǎn)，許多發(fā)達(dá)國家都加大對物聯(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)。我國也及時地將傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)列為國家重點(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)用等功能的一類技術(shù)。它由感測、通信網(wǎng)絡(luò)、計算機(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)和計算機(jī)技術(shù)，分別承擔(dān)對信息的獲取、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”。
1．1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)
20世紀(jì)90年代末，隨著現(xiàn)代傳感器、無線通信、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、嵌入式計算、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、無線化、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、通信與計算功能的智能微型傳感器。由大量的部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線通信方式智能組網(wǎng)，形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有信號采集、實(shí)時監(jiān)測、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)域中感知對象的各種信息，并將處理后的信息傳遞給用戶。
WSN可以使人們在任何時間、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)化智能傳感器和無線傳感器網(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。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個學(xué)科交叉綜合的、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，正受到各方面的高度關(guān)注。美國國防部在2000年時就把傳感網(wǎng)定為五大國防建設(shè)領(lǐng)域之一；美國研究機(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《國家中長期科學(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)、寬帶無線移動通信等技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)。
1．2基于射頻識別(RFID)的傳感器網(wǎng)絡(luò)
基于射頻識別RFID(RadioFrequencyIdentification)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是目前最主要的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)類型。射頻識別是一種利用無線射頻方式在讀寫器和電子標(biāo)簽之問進(jìn)行非接觸的雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換目的的技術(shù)。它能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，將客觀世界的物理信號轉(zhuǎn)換成電信號，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計算機(jī)世界以及人類社會的交流。
通常，RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器、微型天線和信息處理系統(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)部存儲待識別物體的信息。通常電子標(biāo)簽沒有自備的供電電源，其工作所需要的能量，由讀寫器通過耦合元件傳遞給電子標(biāo)簽。
2）讀寫器：又稱掃描器，它能發(fā)出射頻信號，掃描電子標(biāo)簽而獲取數(shù)據(jù)。讀寫器包含高頻模塊(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?/p>
3）微型天線：它在電子標(biāo)簽和閱讀器問傳遞射頻信號。
4）信息處理系統(tǒng)：即計算機(jī)系統(tǒng)。
在實(shí)際應(yīng)用中，RFID系統(tǒng)內(nèi)存儲有約定格式數(shù)據(jù)的電子標(biāo)簽，粘附在待識別物體的表面。讀寫器通過天線發(fā)出一定頻率的射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入感應(yīng)磁場范圍時被激活產(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，被讀寫器無接觸地讀取、解碼與識別，從而達(dá)到自動識別物體的目的。然后將識別的信息送至主計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)信息處理。
1．3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)在傳感器問的信息量已超過計算機(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)的由來與進(jìn)展
2．1物聯(lián)網(wǎng)的由來
今年以來，“物聯(lián)網(wǎng)”(IntemetofThings)成為國內(nèi)外IT業(yè)界和社會關(guān)注的焦點(diǎn)之一，實(shí)際上它已經(jīng)走過了l0年的發(fā)展歷程。1999年正式提出物聯(lián)網(wǎng)概念后，世界各國都在加緊物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)。我國物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)始于1999年，當(dāng)時中科院啟動了傳感網(wǎng)研究，在無線傳感網(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年國家金卡工程把RFID應(yīng)用試點(diǎn)列為重點(diǎn)工作之一；2005年10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”，開展電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)的研究；2006年23個部門行業(yè))共同成立了國家金卡辦RFID應(yīng)用工作組，啟動了相關(guān)RFID應(yīng)用試點(diǎn)工作。
據(jù)了解，國內(nèi)RFID企業(yè)數(shù)量不斷增加，在市場中已占據(jù)主導(dǎo)地位。目前我國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年上半年無錫市與中科院上海微系統(tǒng)研究所合作成立中科院無錫微納傳感網(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，我國物聯(lián)網(wǎng)從材料、器件、技術(shù)、系統(tǒng)到無線通信網(wǎng)絡(luò)等方面也正在形成產(chǎn)業(yè)鏈。
截至2009年6月，我國擁有固定電話3．30億戶、移動電話用戶6．95億戶、因特網(wǎng)用戶3．38億戶，均居世界第一。因特網(wǎng)和無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們獲取信息和人際溝通的基礎(chǔ)設(shè)施，這為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。我國與德國、美國、英國、韓國等已成為物聯(lián)網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)國。我國物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用雛形已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)，如上海浦東國際機(jī)場的“圍界防入侵系統(tǒng)”，它通過埋設(shè)在地下的傳感器，在機(jī)場圍欄外面設(shè)置了一道傳感網(wǎng)，一旦有人或動物靠近，系統(tǒng)就會自動發(fā)出識別信號，并且精確地進(jìn)行定位。它實(shí)際上是一個電子圍界防入侵系統(tǒng)。歷史經(jīng)驗(yàn)表明，全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)往往孕育著新的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命。任何國家都需要在經(jīng)濟(jì)危機(jī)后尋找一個能夠有效拉動經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的“引擎”，物聯(lián)網(wǎng)就在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。“兩化融合”一直是我國倡導(dǎo)工業(yè)信息化的發(fā)展方向，從國家政府到企業(yè)個人都在尋找有效的解決途徑，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)有望成為“兩化融合”的突破口。
2．2物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵
目前，對物聯(lián)網(wǎng)概念，說法不一，有的說，它與傳感網(wǎng)是同一概念，也有的說，兩者有區(qū)別。關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的準(zhǔn)確定義，目前國家傳感網(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)了世界上計算機(jī)與計算機(jī)、人與計算機(jī)、人與人之間的對話與交互；而物聯(lián)網(wǎng)則正在實(shí)現(xiàn)世界上物與物、人與物、人與自然之間的對話與交互。通過裝置在各類物體上的射頻識別電子標(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)過接口與無線通信網(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(又稱為信息物理融合系統(tǒng))。
微型計算機(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)動力，將掀起第三次IT產(chǎn)業(yè)化浪潮。
2．3物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要問題
物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?jié)摿褪袌鼍薮蟆５菍?shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)需要解決一系列問題，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)用等管理方面的問題。
第一，核心技術(shù)有待突破。目前，我國處于物聯(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。
第二，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有待制定。制定一種能被世界各國認(rèn)可的統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)，難度很大。據(jù)悉目前我國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題。
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)議種類很多，如GPRS、短信、傳感器、TD．SCDMA等，物聯(lián)網(wǎng)需要一個統(tǒng)一的協(xié)議基礎(chǔ)。
第五，IP地址有待擴(kuò)充。物聯(lián)網(wǎng)中的每個物件都需要一個唯一的IP地址，這只能依靠IPv6來支撐。由IPv4向IPv6轉(zhuǎn)型以及妥善處理與IPv4的兼容性問題，將是一個很長的過程。
2．4物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢
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)用的初級階段，我國物聯(lián)網(wǎng)處于與國際同步地位。但是，在核心技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模方面都還有差距。2009年國務(wù)院將傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)上升為國家五大戰(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)展趨勢呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、服務(wù)化、開放化、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，井通過互連形成“物聯(lián)網(wǎng)”；而后通過超級計算機(jī)和云計算技術(shù)，對海量的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析與處理，將“物聯(lián)網(wǎng)”整合起來，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隨地溝通的全新網(wǎng)絡(luò)環(huán)境稱為泛在網(wǎng)(UbiquitousNetwork)。
物聯(lián)網(wǎng)、因特網(wǎng)與空間信息系統(tǒng)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，我國物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過十年磨一劍的積累，已經(jīng)與國際同步發(fā)展，前景廣闊。但是，我國要形成規(guī)模化的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，全面進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時代，還需要經(jīng)歷相當(dāng)長時間的技術(shù)與應(yīng)用的再積累和創(chuàng)業(yè)過程。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，去迎接中國物聯(lián)網(wǎng)春天的來臨。
