從理論到應(yīng)用：物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷程與趨勢(shì)展望

　　要想讓傳感器真正“飛入尋常世界中”，它必需在體積、造價(jià)、能耗等方面進(jìn)行“瘦身”，這樣它才真正能夠進(jìn)入到物理世界。  

　　現(xiàn)在在我手邊有一個(gè)黑乎乎的小匣子，只有鼠標(biāo)的一半大。有位記者說(shuō)這東西看起來(lái)像古老的BP機(jī)，不過(guò)BP機(jī)進(jìn)博物館，但這個(gè)小匣子還將繼續(xù)存在很久，而且還將經(jīng)歷“72變”，最終完全成為人們生活的一部分。  

　　這個(gè)黑乎乎的東西就是傳感器，也是我折騰了將近20年的小玩意兒，它被復(fù)制了1萬(wàn)多個(gè)，在微軟3個(gè)數(shù)據(jù)中心的角落里“站著崗”，常年監(jiān)控著機(jī)房?jī)?nèi)的溫度和濕度。說(shuō)起傳感器以及由它組成的網(wǎng)絡(luò)——傳感網(wǎng)，或者是現(xiàn)在比較時(shí)髦的說(shuō)法“物聯(lián)網(wǎng)”，從其誕生到現(xiàn)在已經(jīng)有幾十年的歷史了，我們先翻開(kāi)歷史的卷軸，看看其發(fā)展歷程。  

傳感網(wǎng)的古與今  

　　對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，20世紀(jì)80年代是黃金時(shí)代，這段時(shí)間出了一個(gè)知名的人物——鮑勃·卡恩（BobKahn），他被人們稱(chēng)為互聯(lián)網(wǎng)之父（被賦予同樣稱(chēng)呼的人還有好幾個(gè)）。在為互聯(lián)網(wǎng)做出卓越貢獻(xiàn)的同時(shí)，他也非常有遠(yuǎn)見(jiàn)的為另一個(gè)始于上世紀(jì)80年代的項(xiàng)目——分布式傳感網(wǎng)（DistributedSensorNet,簡(jiǎn)稱(chēng)DSN）——做了奠基。在那個(gè)年代，傳感器遠(yuǎn)比我手上的這個(gè)大得多，要用一輛卡車(chē)來(lái)拉。這么大的傳感器作為一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)組織在一起，通過(guò)微波彼此相連，就組成了傳感網(wǎng)。  

　　龐大的傳感器在體積方面跟不上人們對(duì)其功用上的期望，于是研究者們就開(kāi)始思考能不能把它做得小一點(diǎn)、再小一點(diǎn)。于是，在上世紀(jì)90年代，“智能微塵”（SmartDust）這個(gè)很有意思的概念出現(xiàn)了，提出者是KrisPister，他是加州大學(xué)伯克利分校的教授。這一概念認(rèn)為可以將計(jì)算和通訊集成在約1~2平方毫米的超微型傳感器中，用以對(duì)周?chē)h(huán)境的參數(shù)進(jìn)行探測(cè)。其核心的成分是微電機(jī)系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem,簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS；這個(gè)概念在當(dāng)時(shí)引起非常大的轟動(dòng)），該系統(tǒng)中可以集成很多和機(jī)械有關(guān)的傳感器。  

　　當(dāng)時(shí)KrisPister這批人有一個(gè)幻想——在蒲公英上面懸掛一個(gè)傳感芯片，蒲公英飛到哪里就探測(cè)哪里的信號(hào)，再把信號(hào)傳遞回來(lái)。雖然只是一個(gè)假想，但當(dāng)時(shí)真有科學(xué)家信心百倍地投入其中，并且還把所需的數(shù)據(jù)算出來(lái)了。比如有空氣動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家計(jì)算出了芯片應(yīng)有的重量等等。在2001年，加州大學(xué)伯克利分校的實(shí)驗(yàn)室真做出了這種理想中的芯片雛形，比米粒還小，可謂“細(xì)如發(fā)絲，薄如蟬翼”。他們送給了我一個(gè)，當(dāng)時(shí)我還精心包裝了一下。可惜最近找不到了，特別遺憾。倘若芯片里面還有電留存的話，說(shuō)不定我就能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)定位到它的“安身之所”了。  

　　在這一時(shí)期，有三所高校和研究機(jī)構(gòu)在傳感器領(lǐng)域處于領(lǐng)軍地位，一是加州大學(xué)伯克利分校（以KrisPister為代表，他們提出了“智能微塵”理論），另外兩個(gè)是加州大學(xué)洛杉磯分校（他們提出了“微無(wú)線技術(shù)”）和施樂(lè)帕克研究中心（XeroxPARC）。施樂(lè)帕克研究中心的團(tuán)隊(duì)主要由我?guī)ьI(lǐng)，我們做的是傳感信息處理和“智能物質(zhì)”（SmartMatter），希望能把計(jì)算、微電機(jī)系統(tǒng)放到物理世界中，與“智能微塵”也有非常緊密的聯(lián)系。  

　　自本世紀(jì)初以來(lái)，對(duì)于傳感的研究越來(lái)越受到人們的重視，有很多學(xué)校和大公司的研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)行了類(lèi)似的研究，并有許多新興公司借此東風(fēng)異軍突起。將傳感器連接成“網(wǎng)”或“系統(tǒng)”，就成了傳感網(wǎng)。除了傳感網(wǎng)以外，類(lèi)似的概念也相繼提出，比如“CyberPhysicalSystem”和“InternetofThings”(簡(jiǎn)稱(chēng)IOT)。相較而言，IOT的概念在提出的初期更接近于日常生活，比如常見(jiàn)的RFID（RadioFrequencyIdentification，射頻識(shí)別）技術(shù)就是它的一部分。  

　　關(guān)于傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的歷史，若從大的傳感器開(kāi)始算起，傳感網(wǎng)誕生至今應(yīng)有30年了；而若從微傳感網(wǎng)（MicroWirelessSensorNetwork）來(lái)說(shuō)，應(yīng)該僅有15至20年：微傳感網(wǎng)始于上世紀(jì)90年代，那個(gè)時(shí)期的人們剛剛提出“微電機(jī)系統(tǒng)”的概念，試圖把傳感器和計(jì)算機(jī)處理和通訊全部都集成在一個(gè)芯片上，即“智慧微塵”。  

　　其實(shí)傳感器的歷史，歸結(jié)起來(lái)就八個(gè)字——從大到小，以點(diǎn)到面。這八個(gè)字看似簡(jiǎn)單，但做起來(lái)卻是困難重重——要想讓傳感器真正“飛入尋常世界中”，它必需在體積、造價(jià)、能耗等方面進(jìn)行“瘦身”，這樣它才真正能夠進(jìn)入到物理世界。  

　　然而，造型的縮小并不是傳感進(jìn)入生活的唯一條件，還需要互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的配合以實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)到面的網(wǎng)際聯(lián)系。就IP地址而言，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)采用IPv6（IPv4必然不夠），它有128位兩進(jìn)制的IP網(wǎng)址數(shù)，這相當(dāng)于給世界上的每個(gè)沙粒都賦予了一個(gè) IP地址。唯有當(dāng)所有的物體都有一個(gè)屬于自己的IP的時(shí)候，物聯(lián)網(wǎng)才能真正實(shí)現(xiàn)?？偠灾锫?lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要這兩方面的相輔相成：一是利用微處理技術(shù)（micro-fabrication），提高集成度；其二是運(yùn)用IP技術(shù)，以提供足夠豐富的網(wǎng)址。 

感知地球  

　　互聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)革命的傳奇和標(biāo)本，人們總?cè)滩蛔“褌鞲芯W(wǎng)與之相提并論，希望互聯(lián)網(wǎng)能成為物聯(lián)網(wǎng)真正誕生的一架云梯：在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的前30年，其主要功能是把通訊和信息網(wǎng)絡(luò)化，使得我們可以用關(guān)鍵字檢索。而今在信息網(wǎng)絡(luò)化完成之后，接下來(lái)的主要挑戰(zhàn)是如何將互聯(lián)網(wǎng)和物理世界相互聯(lián)系，使得物理世界中的因素（比如溫度、濕度、圖像、聲音等）能夠被存儲(chǔ)標(biāo)記和搜索，并能使得人們通過(guò)一種非常便利的方式獲取這些信息，這就是所謂的物聯(lián)網(wǎng)。  

　　互聯(lián)網(wǎng)是人與人之間的聯(lián)系；而物聯(lián)網(wǎng)是物與物之間以及與數(shù)字世界的聯(lián)系，其核心是傳感網(wǎng)，關(guān)鍵是傳感器、網(wǎng)絡(luò)和感知。溫家寶總理在參觀了無(wú)錫中科院物聯(lián)網(wǎng)研究所之后，也高瞻遠(yuǎn)矚的肯定了“感知中國(guó)”的科技暢想，并決心將物聯(lián)網(wǎng)作為新興產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)放進(jìn)“十二五”規(guī)劃中。我們相信一旦物聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實(shí)，它將為我們的生活帶來(lái)翻天覆地的變化，讓人與物的聯(lián)系不再受時(shí)空經(jīng)緯的局限，比如在出門(mén)上班前就可以知道小孩的班車(chē)是不是已經(jīng)到學(xué)校了；室外的溫度、濕度如何；離家在外還能檢查一下家里的煤氣有沒(méi)有關(guān)等等。如果你新到一所城市，你甚至還可以查找到有多少你所認(rèn)識(shí)但久未聯(lián)系的故知舊友與你共同生活在一個(gè)城市的天空下，他們都分布在那一方角落。  

　　概而言之，我認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)將在以下三個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮其顯著的用途和價(jià)值：  

　　自然生態(tài)環(huán)境：可以利用傳感器監(jiān)控空間而不是某個(gè)特定的物體，如關(guān)注某片空間的溫度、濕度等；這需要很小的傳感器的高密度分布，同時(shí)更不能影響環(huán)境（nonintrusive）。  

　　工業(yè)、商業(yè)應(yīng)用：可以利用傳感器監(jiān)測(cè)追蹤特定物體，如監(jiān)控貨物在途中是否受過(guò)震動(dòng)，溫度的變化對(duì)其是否有影響，是否損壞其物理結(jié)構(gòu)等等?？梢詰?yīng)用到供應(yīng)鏈管理、設(shè)備保存、車(chē)流交通、工廠生產(chǎn)等方面。  

　　人類(lèi)和社會(huì)活動(dòng)：可以利用傳感器監(jiān)控人們?nèi)粘Ｉ钪械男袨?。這在老齡化社會(huì)的醫(yī)療保健中可以得到很多應(yīng)用，比如傳感器可以監(jiān)控老年人的生活作息，一旦出現(xiàn)意外，可以及時(shí)通知親人和醫(yī)生。同樣的，也可以幫助母親追蹤自己的幼兒。有趣的是，在日本現(xiàn)在就有人用它來(lái)找回失蹤寵物。  

　　之所以先對(duì)未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行介紹和分類(lèi)，是因?yàn)槲艺J(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)能夠得到發(fā)展的原因在于找到大規(guī)模的應(yīng)用方式。拿一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的例子來(lái)說(shuō)，1985年我在麻省理工學(xué)院(MIT)讀書(shū)時(shí)有個(gè)e-mail地址，那個(gè)時(shí)候e-mail還不像現(xiàn)在一樣應(yīng)用如此廣泛，只是簡(jiǎn)單的代替?zhèn)鹘y(tǒng)郵件的工作。而在商用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起來(lái)之后，電子郵件的用途已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出通信了。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，前15年走過(guò)的路大多還比較窄，大都局限在學(xué)術(shù)研究中，還沒(méi)有真正走入到人們的生活，遠(yuǎn)沒(méi)有發(fā)展到人們生活離不開(kāi)的程度。未來(lái)的這段路需要去探尋對(duì)人們生活有非凡意義的應(yīng)用方式，這些應(yīng)用能夠真正大規(guī)模的解決人們生活中的問(wèn)題，給人們的生活帶來(lái)可感知的變化。  

　　趙峰簡(jiǎn)介:微軟亞洲研究院常務(wù)副院長(zhǎng)，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)、無(wú)線與網(wǎng)絡(luò)、硬件計(jì)算以及多媒體通信等領(lǐng)域的研究工作。在加入微軟亞洲研究院之前，趙博士是微軟總部雷德蒙研究院的首席研究員，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)嵌入式計(jì)算組。他領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)了微軟研究院傳感器塵粒、微型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、SenseWeb和SensorMap、數(shù)據(jù)中心基因組、焦耳計(jì)量器以及GAMPS數(shù)據(jù)壓縮。借助多項(xiàng)趙博士研發(fā)的技術(shù)，如今的微軟數(shù)據(jù)中心被譽(yù)為全球儀表化與監(jiān)控最為密集的云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)。他是《美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)傳感網(wǎng)絡(luò)匯刊》的創(chuàng)刊總編輯，并且撰寫(xiě)或合作撰寫(xiě)了超過(guò)100篇技術(shù)論文和多部書(shū)籍。