物聯(lián)網(wǎng)的由來與發(fā)展趨勢

　　2009年11月3日，溫家寶總理在人民大會堂向首都科技界發(fā)表了題為《讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展》的講話。他提出：“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)’”。

　　這篇講話對我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)提出明確要求，把對物聯(lián)網(wǎng)概念的研究推向了新的高潮?！拔锫?lián)網(wǎng)”被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，專家認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)約成本；另一方面可以為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供技術(shù)推動力。但也有專家認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)離我們?nèi)杂幸欢ň嚯x，不可盲目樂觀。為此，有必要對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展由來和演進(jìn)路徑做一番探討，找到應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展浪潮的對策。

　　1 物聯(lián)網(wǎng)概念的形成

　　目前，人們普遍關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中比較重要的RFID的應(yīng)用實際上并非一項新技術(shù)，其最典型的應(yīng)用可以追溯到1991年第一次美伊戰(zhàn)爭。當(dāng)時，美國軍方發(fā)現(xiàn)，戰(zhàn)爭結(jié)束后在一些港口、機(jī)場堆積著大量的軍需物資集裝箱，而這些物品應(yīng)該運(yùn)到何處，到底屬于誰全然不知。如果想搞清楚這些信息，則要花費(fèi)大量的人力和財力，因此，美國五角大樓啟動了一個“軍需物資可視化管理”的重要項目，并成功地將RFID技術(shù)用于其中。此后，UPS、FEDEX等大型速遞公司也運(yùn)用這些技術(shù)打造了一個可以跟蹤查詢快件位置的服務(wù)體系。在這類物聯(lián)網(wǎng)早期應(yīng)用模式中，由于物是沒有計算力的，所以應(yīng)用模式表現(xiàn)為人主動與物通信，了解物的時空以及其他屬性信息，而物并不會主動服務(wù)于人類。這與現(xiàn)在提出的物聯(lián)網(wǎng)高級階段的所謂“智慧地球”有較大區(qū)別。

　　物聯(lián)網(wǎng)的概念最早出現(xiàn)于比爾蓋茨1995年《未來之路》一書，在《未來之路》中，比爾蓋茨已經(jīng)提及Internet of Things的概念，只是當(dāng)時受限于無線網(wǎng)絡(luò)、硬件及傳感設(shè)備的發(fā)展，并未引起世人的重視。1998年，美國麻省理工大學(xué)(MIT)創(chuàng)造性地提出了當(dāng)時被稱作EPC系統(tǒng)的“物聯(lián)網(wǎng)”的構(gòu)想；1999年，美國Auto-ID首先提出“物聯(lián)網(wǎng)”的概念，稱物聯(lián)網(wǎng)主要是建立在物品編碼、RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上；2005年，ITU發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，綜合二者內(nèi)容，正式提出“物聯(lián)網(wǎng)”的概念，包括了所有物品的聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)用。目前較為公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱是Internet Of Things，那么它和互聯(lián)網(wǎng)之間又是什么關(guān)系呢？實際上，物聯(lián)網(wǎng)的概念來自于對互聯(lián)網(wǎng)的類比，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系分類，不同專家學(xué)者對物聯(lián)網(wǎng)給出了各自的定義，可歸納為如下四種類型：

　　1.1 物聯(lián)網(wǎng)是傳感網(wǎng)，不接入互聯(lián)網(wǎng)

　　有專家認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)就是傳感網(wǎng)，只是給人們生活環(huán)境中的物體安裝傳感器，這些傳感器可以更好地幫助我們認(rèn)識環(huán)境，這個傳感器網(wǎng)不接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，例如上海浦東機(jī)場的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其本身并不接入互聯(lián)網(wǎng)，卻號稱是中國第一個物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系是相對獨立的兩張網(wǎng)。

　　1.2 物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的一部分

　　物聯(lián)網(wǎng)并不是一張全新的網(wǎng)，實際上早就存在了，它是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的自然延伸和擴(kuò)張，是互聯(lián)網(wǎng)的一部分?；ヂ?lián)網(wǎng)是可包容一切的網(wǎng)絡(luò)，將會有更多的物品加入到這張網(wǎng)中。也就是說，物聯(lián)網(wǎng)包含于互聯(lián)網(wǎng)之內(nèi)。

　　1.3 物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)

　　我們通常所說的互聯(lián)網(wǎng)是指人與人之間通過計算機(jī)結(jié)成的全球性的網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)于人與人之間的信息交換。而物聯(lián)網(wǎng)的主體則是各種各樣的物品，通過物品間傳遞信息從而達(dá)到最終服務(wù)于人的目的，兩張網(wǎng)的主體不同。所以物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展和補(bǔ)充，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)是相對平等的兩張網(wǎng)。如果把互聯(lián)網(wǎng)比作是人類信息交換的動脈，那么物聯(lián)網(wǎng)就是毛細(xì)血管，兩者相互連通，是互聯(lián)網(wǎng)的有益補(bǔ)充。

　　1.4 物聯(lián)網(wǎng)是未來的互聯(lián)網(wǎng)

　　從宏觀概念上講，未來的物聯(lián)網(wǎng)將使人置身于無所不在的網(wǎng)絡(luò)之中，在不知不覺中，人可以隨時隨地與周圍的人或物進(jìn)行信息的交換，這時，物聯(lián)網(wǎng)也就等同于泛在網(wǎng)絡(luò)，或者說未來的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)絡(luò)、未來的互聯(lián)網(wǎng)，他們的名字雖然不同，但表達(dá)的都是同一個愿景，那就是人類可以隨時、隨地、使用任何網(wǎng)絡(luò)、聯(lián)系任何人或物，以達(dá)到信息交換的自由。

　　四種概念的界定都有其可取之處，也有不足之處。筆者認(rèn)為，從狹義的角度看，只要是物品之間通過傳感網(wǎng)絡(luò)連接而成的網(wǎng)絡(luò)，不論是否接入互聯(lián)網(wǎng)，都應(yīng)算是物聯(lián)網(wǎng)的范疇。從廣義角度看，物聯(lián)網(wǎng)不僅局限于物與物之間的信息傳遞，還將和現(xiàn)有的電信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫融合，最終形成人與物無所不在的信息交換，形成泛在網(wǎng)絡(luò)。

　　事實上，物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系是相對獨立的兩張網(wǎng)，只不過兩者在數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)上有一定的共性而已。在電話網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，我們希望所有的人、計算機(jī)等是互聯(lián)互通的。然而物聯(lián)網(wǎng)則不同，一個太湖水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和中石油的物流系統(tǒng)可以毫無關(guān)系。這就是IBM公司提出智慧地球概念時，強(qiáng)調(diào)其垂直行業(yè)應(yīng)用的原因。所以，物聯(lián)網(wǎng)是基于對物可控、可管理技術(shù)的一個個互不相連的專用網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)稱，因此，我們比較贊同第一種觀點。目前，國際上習(xí)慣將其稱為“泛在網(wǎng)絡(luò)”，實際上就是要與互聯(lián)網(wǎng)有所區(qū)別。

　　2 物聯(lián)網(wǎng)的組成

　　物聯(lián)網(wǎng)很早就被用于生產(chǎn)與生活之中，但是應(yīng)用范圍十分有限，再有就是單一應(yīng)用較多，綜合應(yīng)用較少，直接使用較多計算優(yōu)化較少。IBM此次提出智慧地球的概念就是要更大范圍更深層次地建設(shè)和利用物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是一個信號采集和處理的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)利用各種傳感器或人為設(shè)置的各種身份識別碼，把物質(zhì)世界中的各種信息變?yōu)殡娦盘?，電信號通過電信網(wǎng)絡(luò)傳送到計算機(jī)處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)，經(jīng)過計算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)存儲備查，在必要時計算機(jī)將發(fā)出報警信號或者控制信號，報警信號或者控制信號由通信網(wǎng)絡(luò)送到指定的地方報警，或由指定預(yù)設(shè)裝置執(zhí)行控制。物聯(lián)網(wǎng)包含下列子系統(tǒng)，有些物聯(lián)網(wǎng)可能只包含下面這些子系統(tǒng)中的一部分。

　　2.1 傳感器

　　傳感器在日常生活生產(chǎn)中很常見，它可以把一些物理量的變化變?yōu)殡娦盘柕淖兓＠缭捦埠屠染褪且粚φZ音傳感器。除日常會用到的傳感器之外，傳感器還有很多種類。這些傳感器很少被用到，因而它們的價格很高，正是這個原因阻礙了物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。傳感器可以是聲、光、壓力、震動、速度、重量、密度、硬度、濕度、溫度、圖像、語音、電波、化學(xué)；或者是氣體的流速、流量、氣壓、成分；或是液體的流速、流量、成分；或是固體的數(shù)量、重量、硬度等。

　　2.2 電子標(biāo)簽(ID)

　　電子標(biāo)簽是上個世紀(jì)新發(fā)展起來的技術(shù)，已經(jīng)獲得了很多應(yīng)用，例如超市用于標(biāo)識商品的條形碼?，F(xiàn)有的電子標(biāo)簽有條形碼、二維碼、磁卡、接觸式IC卡、非接觸卡、射頻識別(RFID)。

　　2.3 電信網(wǎng)絡(luò)

　　電信網(wǎng)絡(luò)早已為人類所使用，現(xiàn)在使用最多的有語音、文字、音樂、圖片、圖像等各種信息傳輸。物聯(lián)網(wǎng)的信息傳送有其獨特的地方，與日常使用的語音、文字、音樂、圖片、圖像傳輸相比，物聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸更多的是小數(shù)據(jù)量的傳輸和特大數(shù)據(jù)量的傳輸。小到每月只發(fā)送幾個bit，如煤氣抄表；大到連續(xù)不間斷的發(fā)送大幅圖像，如交通監(jiān)視，而中等數(shù)據(jù)量的信息傳送卻比較少見。這對通信提出了新的要求，為實現(xiàn)高效率物聯(lián)網(wǎng)通信，需要通信行業(yè)做出新的標(biāo)準(zhǔn)和新型接入設(shè)備，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)各種通信的需要?，F(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)有電纜、光纜、微波、藍(lán)牙、紅外、WiFi、WINMX、移動通信(2G、3G、4G)、衛(wèi)星.

　　2.4 數(shù)據(jù)處理

　　物聯(lián)網(wǎng)采集到的數(shù)據(jù)是為了各種不同的目的，為滿足不同需求這些數(shù)據(jù)需要經(jīng)過計算機(jī)的數(shù)據(jù)處理。這些處理常常包括匯總求和、統(tǒng)計分析、閥值判斷、專業(yè)計算、數(shù)據(jù)挖掘。

　　2.5 顯示系統(tǒng)

　　物聯(lián)網(wǎng)采集到的圖像和信息常常需要直接顯示或是經(jīng)過計算后顯示到計算機(jī)或者大屏幕上，常見的顯示狀況有圖像、圖表、曲線。

　　2.6 報警系統(tǒng)

　　物聯(lián)網(wǎng)采集到的信息常常需要直接報警或是經(jīng)過計算機(jī)處理后報警，常見的報警形式有聲、光、電(電話、短信)。

　　2.7 控制執(zhí)行系統(tǒng)

　　有一些物聯(lián)網(wǎng)不僅被要求采集信號、處理信號、存儲信號，還被要求發(fā)出控制指令，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)指揮指定的預(yù)設(shè)執(zhí)行裝置，通過指定預(yù)設(shè)執(zhí)行裝置的指令執(zhí)行行動以達(dá)到控制目的。

　　3 物聯(lián)網(wǎng)在信息化發(fā)展中的位置

　　從烽火臺到電報電話，再到互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)，人們對信息的渴求成為推動信息化發(fā)展的原動力，而一次又一次技術(shù)的飛躍正幫助人們不斷獲取新的知識和信息。我們把現(xiàn)代信息通信比作一張拼圖(如圖1所示)。人類的現(xiàn)代信息化是從電報開始，逐步探究更便捷，更大容量的信息傳遞，隨著拼圖一張張的被翻開，人與人之間通信的未知領(lǐng)域不斷縮小，到今天已經(jīng)發(fā)展到了“移動互聯(lián)網(wǎng)”的階段。

　　在人們不斷探索人與人的現(xiàn)代通信技術(shù)的同時，拼圖又被從物與物通信的角度悄悄地翻開。為更好地服務(wù)于信息的傳遞，最初，一部分物體被打上條碼，這大大提高了物品識別的效率，隨著近場通信(Near Field Communication)技術(shù)(如RFID、藍(lán)牙、ZIGBEE等各種技術(shù))的發(fā)展,RFID、二維碼等各種現(xiàn)代識別技術(shù)逐步得到推廣應(yīng)用，在摩爾定律的推動下，芯片的體積不斷縮小，功能更加強(qiáng)大，物品自身的網(wǎng)絡(luò)與人的網(wǎng)絡(luò)相連通已經(jīng)成為大勢所趨。在未來的發(fā)展過程中，拼圖將逐步被揭開，從人的角度和物的角度對信息通信的探索將實現(xiàn)融合，最終實現(xiàn)無所不在的“泛在網(wǎng)絡(luò)(Ubiquitous Network)”(如圖2所示)，而這也就是終極意義上的物聯(lián)網(wǎng)。

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　　物聯(lián)網(wǎng)可以被用在各行各業(yè)、方方面面，但其直接作用無外乎監(jiān)控、監(jiān)視、監(jiān)測、檢測等信息收集、處理及控制幾個方面，見表1。

　　正確應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)可以達(dá)到節(jié)約、減災(zāi)、提效、增速、準(zhǔn)確、便捷、舒適等各種效用。目前，影響物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的因素有：

　　1) 認(rèn)識上的問題。人們尤其是企業(yè)主認(rèn)識不到物聯(lián)網(wǎng)的價值所在，我國近年來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要建立在廉價勞動力的基礎(chǔ)上，還屬于粗獷型發(fā)展，企業(yè)并不在意降低成本提高效率。

　　2) 滯后效應(yīng)。物聯(lián)網(wǎng)往往是需要前期一次性較大投入，物聯(lián)網(wǎng)的各種效用只能在日后的使用中逐漸顯現(xiàn)(如：節(jié)約效用)，甚至無法展現(xiàn)(如：減災(zāi)效用)。

　　3) 數(shù)量局限?，F(xiàn)有的傳感器種類有限，新開發(fā)的傳感器由于使用范圍有限，成本居高不下。整體來看物聯(lián)網(wǎng)還遠(yuǎn)未普及，傳感器使用數(shù)量很少，導(dǎo)致價格較高。

　　4 物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)路徑

　　如圖2所示，我們把人類信息通信網(wǎng)分成實現(xiàn)人與人通信的電信網(wǎng)(Telecommunication network)和實現(xiàn)

　　物與物通信的近場通信網(wǎng)(Near field communication network)或者說傳感網(wǎng)(Sensing network)兩個角度,這兩個角度的發(fā)展是并行推進(jìn)的，但是顯然，電信網(wǎng)的發(fā)展要早，并且成熟于傳感網(wǎng)，經(jīng)過上百年無數(shù)人的研究發(fā)明、推廣應(yīng)用，電信網(wǎng)已經(jīng)建立了一整套科學(xué)的、可控可管的信息通信網(wǎng)絡(luò)體系，安全高效地服務(wù)于人類的信息通信。

　　電信網(wǎng)的發(fā)展主要有兩大方向：一是移動化，人們?yōu)榱俗非笮畔⑼ㄐ诺淖杂?，逐步用移動電話替代固定電話，實現(xiàn)位置上的自由通信；二是寬帶化，通信從電路交換轉(zhuǎn)變?yōu)榉纸M交換為主，從電報電話到互聯(lián)網(wǎng)，逐步實現(xiàn)寬帶化的通信，實現(xiàn)傳輸容量上的自由通信。

　　傳感網(wǎng)的發(fā)展也有兩大趨勢：一是智能化，物品要更加的智能，能夠自主的實現(xiàn)信息交換才能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的真正意義，而這將需要對海量數(shù)據(jù)的處理能力，隨著“云計算”技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，這一難題將得到解決；二是IP化，未來的物聯(lián)網(wǎng)將給所有的物品都設(shè)定一個標(biāo)識，實現(xiàn)“IP到末梢”，這樣我們才能隨時隨地地了解物品的信息，在這方面“可以給每一粒沙子都設(shè)定一個IP地址”的IPV6將擔(dān)負(fù)起這項重?fù)?dān)，并在全球進(jìn)行推廣。

　　由此，產(chǎn)生了物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)的兩種模式，即電信網(wǎng)主導(dǎo)模式和傳感網(wǎng)主導(dǎo)模式。電信網(wǎng)主導(dǎo)模式就是由傳統(tǒng)的電信運(yùn)營商主導(dǎo)，推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。目前，以中國移動為代表的電信運(yùn)營商已經(jīng)發(fā)出強(qiáng)烈的呼聲；以傳感網(wǎng)為主導(dǎo)的模式是以傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，逐步實現(xiàn)與電信網(wǎng)絡(luò)的融合。目前情況下，由于傳感器的研發(fā)瓶頸制約了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)大力加強(qiáng)傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，但是從戰(zhàn)略角度看，針對未來會出現(xiàn)的信息安全和信息隱私的保護(hù)問題，應(yīng)當(dāng)選擇電信網(wǎng)主導(dǎo)的模式，因為通信產(chǎn)業(yè)具有強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和人力資源基礎(chǔ),能實現(xiàn)海量信息的計算分析，保證網(wǎng)絡(luò)信息的可控可管，最終保證在信息安全和人們的隱私權(quán)不被侵犯的前提下實現(xiàn)泛在網(wǎng)絡(luò)的通信。

　　5 結(jié)論

　　物聯(lián)網(wǎng)的概念應(yīng)當(dāng)分為廣義和狹義兩個方面。從廣義來講，物聯(lián)網(wǎng)是一個未來發(fā)展的愿景，是“泛在網(wǎng)絡(luò)”。能夠?qū)崿F(xiàn)人在任何時間、任何地點、使用任何網(wǎng)絡(luò)與任何人與物的信息交換；從狹義來講，物聯(lián)網(wǎng)是物品之間通過傳感器連接起來的局域網(wǎng)，不論接入互聯(lián)網(wǎng)與否，都屬于物聯(lián)網(wǎng)的范疇，這個網(wǎng)絡(luò)可以不接入互聯(lián)網(wǎng)，但如果需要也可以隨時接入互聯(lián)網(wǎng)。

　　物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)路徑分為電信網(wǎng)主導(dǎo)和傳感網(wǎng)主導(dǎo)兩種模式，發(fā)展的初期階段傳感網(wǎng)絡(luò)是主導(dǎo)，但是當(dāng)傳感網(wǎng)技術(shù)成熟后，應(yīng)當(dāng)以電信網(wǎng)為主導(dǎo)，實現(xiàn)信息的可控可管，安全高效。
　　此次全球為了應(yīng)對氣溫上升，開始大規(guī)模降低排放。減排在短期之內(nèi)的直接后果必定是生產(chǎn)和生活成本的上升，在今后的市場競爭中誰能降低成本誰就將獲得最后的勝利。降低成本已經(jīng)被提上議事日程，已經(jīng)迫在眉睫，而大量應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)正是最降低成本的有效的手段之一。從節(jié)約入手拉動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的契機(jī)。

　　在如何促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方面，我們建議：一政府大力提倡節(jié)約、提效、減災(zāi)，獎勵節(jié)約、表彰高效、嚴(yán)懲災(zāi)難；二設(shè)立物聯(lián)網(wǎng)專項貸款，支持各級政府、企業(yè)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)，扶持有廣闊應(yīng)用前景的傳感器開發(fā)；三設(shè)立減災(zāi)基金，鼓勵各級政府、企業(yè)建設(shè)使用減災(zāi)物聯(lián)網(wǎng)。