物物之連 解析物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的通信技術(shù)

　在法國和瑞士之間，阿爾卑斯山高拔險峻，佇立在歐洲的北部。高海拔地帶累積的永久凍土與巖層歷經(jīng)四季氣候變化與強風的侵蝕，積年累世所發(fā)生的變化常會對登山者與當?shù)鼐用竦纳a(chǎn)和生活造成極大影響，要獲得對這些自然環(huán)境變化的數(shù)據(jù)，就需要長期對該地區(qū)實行監(jiān)測，但該區(qū)的環(huán)境與位置，決定了根本無法以人工方式實現(xiàn)監(jiān)控。在以前，這一直是一個無法解決的問題。

　　但不久前，一個名為PermaSenseProject的項目使這一情況得以改變。

　　PermaSenseProject計劃希望通過物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT)中無線感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)對瑞士阿爾卑斯山地質(zhì)和環(huán)境環(huán)境狀況的長期監(jiān)控。監(jiān)控現(xiàn)場不再需要人為的參與，而是通過無線傳感器對整個阿爾卑斯山脈實現(xiàn)大范圍深層次監(jiān)控，包括：溫度的變化對山坡結(jié)構(gòu)的影響以及氣候?qū)ν临|(zhì)滲水的變化。參與該計劃的瑞士巴塞爾大學、蘇黎世大學與蘇黎世聯(lián)邦理工學院，派出了包括計算機、網(wǎng)絡(luò)工程、地理與信息科學等領(lǐng)域?qū)＜以趦?nèi)的研究團隊。據(jù)他們介紹，該計劃將物聯(lián)網(wǎng)中的無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于長期監(jiān)測瑞士阿爾卑斯山的巖床地質(zhì)情況，所搜集到的數(shù)據(jù)除可作為自然環(huán)境研究的參考外，經(jīng)過分析后的信息也可以作為提前掌握山崩、落石等自然災害的事前警示。熟悉該計劃的人透露，這項計劃的制定有兩個主要目的：一是設(shè)置無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來測量偏遠與惡劣地區(qū)的環(huán)境情況；二是收集環(huán)境數(shù)據(jù)，了解變化過程，將氣候變化數(shù)據(jù)用于自然災害監(jiān)測。

　　近年來，地震、海嘯等地質(zhì)災害頻發(fā)，給人類生命生活帶來嚴重影響，人們開始認識到，全球變暖讓全世界處于同一個危險的邊緣，人類需要更加重視自然環(huán)境的變遷，更加關(guān)注如何通過科技因應(yīng)自然環(huán)境的變化：

　　在澳大利亞的昆士蘭，人們正在嘗試“智慧橋”的試驗。通過在一座大橋上安裝各種各樣的傳感器，不僅可以告訴城市管理者橋上有多少車、車的重量是多少、車的污染是多少、車是新車還是舊車，也可以告訴人們這輛車對這座橋整個混凝土的結(jié)構(gòu)帶來多大的壓力。由此，交通管理部門可以進行實時評估，獲得這座橋結(jié)構(gòu)強度的數(shù)據(jù)，一旦壓力超出了所設(shè)定的極限值，交通管理部門就可以獲得警報，及時發(fā)現(xiàn)。

　　在新加坡，人們能像獲得天氣預報一樣，獲得交通堵塞預報。通過埋在路上的傳感器和紅綠燈上的探頭，司機不僅可以看到什么地方在堵車，還能夠提前預測，什么地方過10～20分鐘會堵車，從而選擇更為通暢的道路行駛。

　　在紐約，一個應(yīng)用于公共安全的智能城市快速反應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)建立，也就是“犯罪信息倉庫”。通過這些信息倉庫的信息，紐約警察可以對犯罪分子的行為有更多的了解，也就是說一旦一種犯罪的行為出現(xiàn)一點點苗頭的話，紐約的警察就可以根據(jù)這些信息作出預測，防止類似犯罪行為發(fā)生。

　　瑞典斯德哥爾摩建立了智慧交通體系，按照不同的擁堵程度對交通收費。通過這樣智慧的交通體系，斯德哥爾摩整個汽車使用量降低25%，碳排放量降低14%，在環(huán)保、防止污染等方面取得了比預期更好的效果。在人均碳排量方面，成為了歐洲的佼佼者，平均每人碳排放量降到4噸/年。而歐洲平均是每人6噸/年，美國是20噸/年。

　　飽受食品安全危害的中國，從2008年北京奧運會開始已經(jīng)在逐步實施智能的食品追溯體系，食品從農(nóng)場，到市場，到市民手中都被納入到這個追溯體系之中，一旦出現(xiàn)食品方面的問題，可以及時地找到事故根源。

　　形形色色的傳感技術(shù)、通信技術(shù)、無線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)共同組成了以物聯(lián)網(wǎng)為核心的智慧網(wǎng)絡(luò)。亞里士多德曾說過“給我一個支點我可以撬起地球”，而今隨著技術(shù)的發(fā)展，這句豪言完全可以與時俱進地改為：“給我一個物聯(lián)網(wǎng)我能夠感知地球”。

　　M2M使物物相連

　　按照官方資料的說法：典型的物聯(lián)網(wǎng)是將所有的物品通過短距離射頻識別(RFID)等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)局域范圍內(nèi)的物品“智能化識別和管理”。換句話說，從智慧地球到感知中國，無論物聯(lián)網(wǎng)的概念如何擴展和延伸，其最基礎(chǔ)的物物之間感知和通信是不可替代的關(guān)鍵技術(shù)。

　　目前業(yè)界普遍認為，M2M技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。M2M技術(shù)原意是機器對機器(Machine-To-Machine)通信的簡稱，是指所有實現(xiàn)人、機器、系統(tǒng)之間建立通信連接的技術(shù)和手段，廣義上也指人對機器(ManToMachine)、機器對人(MachineToMan)以及移動網(wǎng)絡(luò)對機器(MobileToMachine)之間的連接與通信。

　　M2M是無線通信和信息技術(shù)的整合，用于雙向通信，因此適用范圍廣泛，可以結(jié)合GSM/GPRS/UMTS等遠距離連接技術(shù)，也可以結(jié)合Wifi、藍牙、Zigbee、RFID和UWB等近距離連接技術(shù)，此外還可以結(jié)合XML和Corba，以及基于GPS、無線終端和網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)技術(shù)等。

　　從狹義的物聯(lián)網(wǎng)通信角度看，M2M技術(shù)特指基于蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)，通過程序控制，自動完成通信的無線終端間的交互通信。一個完整的M2M系統(tǒng)由傳感器(或監(jiān)控設(shè)備)、M2M終端、蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)、終端管理平臺與終端軟件升級服務(wù)器、運營支撐系統(tǒng)、行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)等環(huán)節(jié)構(gòu)成。終端管理平臺實現(xiàn)對全網(wǎng)M2M終端的統(tǒng)一的鑒權(quán)認證，并可以支持終端遠程診斷功能和終端軟件的遠程自動升級功能，該平臺可以全網(wǎng)部署，也可以分區(qū)域采用云計算結(jié)構(gòu)。其次，在整個體系架構(gòu)中，最重要的是M2M的運營平臺，以保證所有的信息可靠、安全的從終端側(cè)傳輸?shù)綉?yīng)用平臺側(cè)。平臺能夠?qū)崟r監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和終端的運營狀態(tài)，精確地表述故障原因。另外，運營平臺需要與開發(fā)中間件結(jié)合，提供一個面向應(yīng)用的開放環(huán)境，提供已封裝的M2M開發(fā)環(huán)境，開發(fā)人員只需要調(diào)用API就可以進行開發(fā)，最終降低開發(fā)的難度，提高開發(fā)的效率。同時，運營平臺還可以起到網(wǎng)關(guān)的作用，簡化終端和應(yīng)用的接入。

　　無線感知是物物相連的關(guān)鍵

　　有一個形象的比喻：傳感器網(wǎng)絡(luò)如果是“頭”，傳感器就是“五官”，而網(wǎng)絡(luò)則是“大腦和神經(jīng)”，這可以很形象地概括出傳感網(wǎng)的工作原理和過程，即通過多個不同種類傳感器的協(xié)同和融合對物體進行全面的感知。雖然這種通信技術(shù)名為傳感器網(wǎng)絡(luò)，但其關(guān)鍵影響力和價值既不是網(wǎng)絡(luò)本身，也不是傳感器單元，而是能夠?qū)崿F(xiàn)多種方式的綜合與判斷，是從物體到物體的感知技術(shù)。

　　IEEE的1451工作組(IEEE1451)建立了一個智能傳感器即插即用plug-and-play標準，使所有符合標準的傳感器能和其他儀器和系統(tǒng)一起工作。這就為無線傳通信技術(shù)的實現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　在上海世博會中，傳感器網(wǎng)絡(luò)有多個典型應(yīng)用，其中最不起眼的一個案例涉及到遍布世博園中的成千上萬個垃圾桶。這些垃圾桶被親切的稱作“會說話”的垃圾桶。原來這種垃圾桶能夠通過安置在桶壁上的傳感器自動感應(yīng)筒內(nèi)垃圾的多少，當垃圾裝滿時，傳感器可以實時地將位置信息和報警信號通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到控制中心，并通知附近的保潔人員前來清理。

　　完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以劃分為傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線接收與傳輸網(wǎng)絡(luò)兩部分。傳感器網(wǎng)絡(luò)一般由在空間分布的獨立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成。節(jié)點包含有傳感器，以監(jiān)控相關(guān)的物理或環(huán)境條件，如溫度、聲音、震動、壓力、運動或污染物等。每個節(jié)點通常帶有無線電收發(fā)器或其他無線通信設(shè)備，它們發(fā)出的信號被無線接收器采集，并通過無線網(wǎng)絡(luò)把傳感數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫和其他用戶。這樣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就具備了數(shù)據(jù)感知和收集(DataCollection)、目標跟蹤(Objecttracking)以及報警監(jiān)控(Alarmmonitoring)等功能。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含一系列標準，IEEE1451的智能傳感器(包括傳感器和驅(qū)動器)接口標準，界定不同接口的不同標準用來連接傳感器和微處理器、儀表系統(tǒng)以及控制異地網(wǎng)絡(luò)。IEEE1451.5部分是目前很多研發(fā)活動的集中點。它規(guī)定了能使與1451兼容的傳感器和其他設(shè)備進行無線通信的技術(shù)。

　　在傳統(tǒng)的傳感器應(yīng)用之外，被應(yīng)用于前端感知感網(wǎng)絡(luò)的一個被廣泛看好的技術(shù)是RFID。RFID技術(shù)并不是什么新的技術(shù)，它是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。

　　雖然早在20年前，RFID技術(shù)就已經(jīng)被人們認識，但其真正的發(fā)展機會還是與物聯(lián)網(wǎng)的深度融合。因此，近來RFID的發(fā)展已經(jīng)成為多項技術(shù)的綜合應(yīng)用，包括芯片技術(shù)、天線技術(shù)、無線技術(shù)、電磁傳播技術(shù)、數(shù)據(jù)交換與編碼技術(shù)等。一套RFID系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。電子標簽與讀寫器配合完成對被識別對象的信息采集功能；信息處理系統(tǒng)則根據(jù)需求承擔相應(yīng)的信息控制和處理工作。根據(jù)工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)大體分為中低頻和高頻兩類，典型的工作頻率為135kHz以下、13.56MHz、433MHz、860MHz～960MHz、2.45GHz和5.8GHz等。不同頻率RFID系統(tǒng)的工作距離不同，應(yīng)用的領(lǐng)域也有差異。低頻段的RFID技術(shù)主要應(yīng)用于移動物體識別、工廠數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)等領(lǐng)域；13.56MHz的RFID技術(shù)已相對成熟，并且大部分以IC卡的形式廣泛應(yīng)用于智能交通、門禁、防偽等多個領(lǐng)域，但其工作距離小于1m。較高頻段的433MHzRFID技術(shù)被美國國防部用于物流托盤追蹤管理；而在RFID技術(shù)中，當前研究和推廣的重點是高頻段的860MHz～960MHz的遠距離電子標簽，有效工作距離達到3～6m，適用于對物流、供應(yīng)鏈的環(huán)節(jié)進行管理；2.45GHz和5.8GHzRFID技術(shù)以有源電子標簽的形式應(yīng)用在集裝箱管理、公路收費等領(lǐng)域。

　　最好的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)

　　在前端的傳感網(wǎng)絡(luò)，完成了對物體信息的感知和采集之后，相關(guān)信息被集中傳輸?shù)胶蠖说臒o線傳輸網(wǎng)絡(luò)。而在這一部分，各種新舊無線技術(shù)應(yīng)用的豐富程度并不比傳感技術(shù)遜色。據(jù)悉，IEEE目前正在制定無線個人區(qū)域網(wǎng)路(即WPAN)的兩個標準IEEE802.11和IEEE802.15。

　　其中，IEEE802.15.4標準正逐漸被接受成為低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(LR-WPANs)物理層和媒體訪問控制的標準。另外，無線傳感器網(wǎng)領(lǐng)域還有兩個基于IEEE802.15.4的工業(yè)標準：ZigBee和WirelessHART。ZigBee是一種作為一個開放的全球標準而制定的無線技術(shù)，是為解決低成本、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊需求開發(fā)的。該標準充分利用IEEE802.15.4的無線收發(fā)器物理層規(guī)范，并采用在全球均可經(jīng)營而無需特殊許可的頻率范圍：2.400—2.484千兆赫，902—928兆赫和868.0—868.6兆赫；WirelessHART是另一個由HART通信基金會開發(fā)的開放標準無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該協(xié)議采用了時間同步、自我組織和自我修復的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該協(xié)議目前支持通過使用IEEE802.15.4標準的無線電媒體并在2.4GHzISM波段操作。

　　此外，其他行業(yè)標準和專有系統(tǒng)也可能作為用于實施無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇。例如，EnOcean是在樓宇自動化領(lǐng)域廣泛使用的無線通信系統(tǒng)，也被認為是可能用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù)，但它目前還沒有通過任何公認的標準化機構(gòu)進行標準化。

　　Z-Wave是為家庭自動化設(shè)計的無線通信專有標準，特別針對在家用和小型商用環(huán)境中的遙控應(yīng)用。該技術(shù)采用低功耗無線收發(fā)器嵌入或裝到家庭電子設(shè)備和系統(tǒng)中，例如照明系統(tǒng)、家庭訪問控制系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)和家用電器。這項技術(shù)已被Z-Wave聯(lián)盟標準化。Z-Wave聯(lián)盟是一個國際生產(chǎn)廠商之間的聯(lián)盟，負責協(xié)調(diào)Z-Wave產(chǎn)品和設(shè)備的兼容性。

　　同時，一些現(xiàn)有的標準也正在被修改以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。例如，基于IEEE802.11標準的無線局域網(wǎng)(WLAN)標準、稱作WiFi標準、被加入了一種支持低功耗的版本——所謂的低功率WiFi，以用于實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　在未來，無論是“智慧地球”還是“感知中國”，智能化物聯(lián)網(wǎng)來都將給人類生活帶來顛覆性的變革和巨大的商機。應(yīng)用將無處不在，而物物之間的通信也將在現(xiàn)有額度基礎(chǔ)上實現(xiàn)跨越，傳感網(wǎng)、RFID、無線、有線、3G/4G、GPS、移動電信網(wǎng)絡(luò)、廣電網(wǎng)甚至電力網(wǎng)絡(luò)，跨網(wǎng)絡(luò)通信的協(xié)同和融合將像物與物之間的相連一樣，成為一種普遍的承載和更為廣義的生態(tài)系統(tǒng)。

　　編看編想：最好的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)——“軀感網(wǎng)”

　　物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用被稱之為“軀感網(wǎng)”，據(jù)介紹，軀感網(wǎng)是指通過移動設(shè)備和傳感器捕捉人們的生理狀態(tài)，如體力活動水平、血壓、心跳、葡萄糖水平以及其他重要的生命指數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)上傳到個人電子健康檔案中，供醫(yī)生或個人隨時隨地進行調(diào)閱，從而讓醫(yī)生幫助人們建立健康的生活方式，并提早對疾病進行監(jiān)控和預防。

　　傳感器是軀感網(wǎng)的前端，它能收集到很多有特征的數(shù)據(jù)。用于軀感網(wǎng)的傳感器一般可分為兩種，一種是可以移植到人體之內(nèi)的；一種是佩戴在體表的，譬如對脈搏、血壓、心跳運動的監(jiān)測。從外觀上看，傳感器的形態(tài)也非常簡單，有的傳感器類似于手表戴在手腕上，有的則像耳機一樣戴在耳朵上，有的放在鞋里，還有的像創(chuàng)可貼一樣貼在身體的某個部位上。

　　另外，傳統(tǒng)的健康監(jiān)控模式，包括日常監(jiān)測、體檢和看病這幾大部分。日常監(jiān)測通常是在家里完成的，家庭中經(jīng)常備有的醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備包括：血壓計、血糖儀、體重秤、體溫計等，它們能幫助人們實現(xiàn)日常的健康監(jiān)測。但這些設(shè)備很少能隨身攜帶，因此只能實現(xiàn)固定位置的健康監(jiān)控，無法做到隨時隨地的監(jiān)測。

　　隨著3G無線技術(shù)的成熟與應(yīng)用，手機和傳感器可以通過藍牙進行連接，手機能夠接收到傳感器發(fā)出的信號。傳感器收集到的數(shù)據(jù)可以傳遞到手機上，這樣人們就可以“拿著手機走到哪兒測到哪兒”。

　　大量的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)被收集之后，對其進行分析和使用則依靠軀感網(wǎng)的后端——云計算平臺，云計算能夠在后端實現(xiàn)一系列數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)搜索等工作，在強大的云計算平臺支撐下，大量的健康監(jiān)測數(shù)據(jù)不需要人工去計算和分析就可以快速轉(zhuǎn)換成實用方便的健康指導信息，并可以隨時發(fā)送到手機上，提醒人們應(yīng)該注意哪些問題，從而做到防患于未