物联网——下一块大蛋糕

作者：一点一滴的Beer http://beer.cnblogs.com/

前言：写下本文的目的只作一下初步的展望，抛砖引玉，同时抒发一下心中的牢骚。

一、物联网系统概述

1.1网络发展的历史和趋势

　　从互联网到物联网。1965年，戈顿摩尔提出他那个著名定律：芯片发展18个月翻一番。人们认为这一预言的速度接近神话。如今在计算机网络领域这个定律不仅兑现，而且实际上互联网的用户数量已接近指数增长趋势，根本不用18个月就会翻一番。保守地预测也认为2012年互联网用户数将超过18亿，占到全球总人口的30左右。

　　互联网用户无非就是人口，在计算科技与网络技术发展的今天，智能化以无与伦比的迅猛速度，延展和覆盖下来。每一个有功能的对象都可以成为互联网的连接对象。黑格尔的话，也许终将会改成：存在的，就是上网的。

　　互联网虽然只进入人类世界短短20年，但是已经渐渐成为人们日常生活的信息载体和平台，广泛参与到社会的运行和人们的各种活动中，在学术圈和工业圈孜孜不倦地探求互联网走向的时候，其实还有一条不太显眼的探索主线从没有放弃过，这就是马克维赛尔（Mark Weiser）在互联网刚刚兴起的时候提出的普适计算（Pervasive Computing）。一般认为互联网代表着主流的网络计算模式，把人们的使用吸引在信息空间（Cyber Space）中，主要依赖桌面型计算获取服务与支持，而普适计算则倡导发展可以广泛部署的微小计算设备，并在此基础上实现透明和智能计算服务，又称为不可见计算（Invisible Computing）。如果说互联网计算此前一起崇尚人围绕着网络进行，那么普适计算则主张让微小系统形成的网络围饶着人运转。

　　普适计算的提出也是考虑到小型化或微型化成为计算机的发展趋势，各种小型计算设备如掌上电脑、智能手机、传感器、射频标签等崭露头角。同时，无线技术的运用也使移动计算变得日益成熟和普及。在这种趋势下，人们开始尝试突破桌面计算的模式，将计算和互联技术普及到日常生活中。普适计算的目的是日常生活的各种环境和场景中广泛部署微型化且具备一定计算能力的普适设备，并与已有的互联网技术结合，实现移动、无缝、透明和泛在的计算支持和服务。普适计算是人们摆脱计算设备对人类活动的束缚，将互联网推广到物理世界的初步尝试。

　　由于普适计算设备大多是互联网上已有的各种计算系统的延伸和拓展，扮演探测和感知的角色，智能化程度相对较低；而服务对象主要是个体，如移动互联、家居、医疗、导游等，找不到真正穿透国民经济发展的突破点，很快沦落到一个尴尬的地位；每个人看了演示都觉得不错，但哪一个应用也没能大规模推广。

　　无线传感网络（简称"传感网"）作为普适计算的一个实际延伸，数年前被美国加利福尼亚大学伯克利分校的戴维卡勒（David Culler）掀起一阵热潮之后，大鸭岛、斑马网、金门大桥监控、火山与泥石流、青岛海洋、精准农业、煤矿救援以及林业生态监控，一系列概念系统纷纷走进人们的视野。作为人们对物理世界进行有效感知和探测的手段，传感器早已开发、研究和使用了超过100年；但是把传感器组成网络，形成智能化的自我协同、自我定位则是一个巨大的进步。在一个传感网中，大量的传感器等微型化计算设备自组织地连接在一起，将计算和服务从满足个人需要进一步延伸到制造、运输、能源、环境和建筑等国民经济生产领域，适应人们对探索、利用和管理物理世界的需求。

　　另一方面，现实中，国民经济的发展对信息系统早已提出了更高的需求。在过往国民经济的各主要领域，物理基础设施和信息基础设施的建设往往是分开进行的。一方面人们不断地建设和完善周围的物理世界，如机场、公路、建筑物、交通工具等；另一方面，人们也在不遗余力地发展包含数据中心、个人计算机、宽带网络等的信息世界。两者是如此地割裂为两个次元。但现代经济的发展显然开始要求将计算技术拓展到整个人类生存和活动的空间，将人类的物理世界网络化、信息化，实现物理世界与信息系统整合统一。

　　2011年1月28日，美国总统奥巴马与美国工商业领袖举行的"圆桌会议"上，对IBM提出的"智慧地球"概念给予了非常积极的回应："经济刺激资金将会投入到宽带网络等新兴技术中去，毫无疑问，这就是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式。""智慧地球"主张更透彻的感知，更全面的互联互通和更深入的智能化。联网宽带进行升级、对公共建筑进行节能改造等内容。这个举措也使得物联网概念一举登上了网络大舞台。

　　物联网理理念的出现应该首先归功于物流系统的现代化需要。现代物流系统希望利用信息生成设备，如无线射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）、传感器以及全球定位系统等种种装置与互联网结合起来而形成一个巨大的网络。类似于条形码这种自动识别技术（Auto-ID），就是物联网的最初应用。除了物流领域，物联网还可以广泛应用在道路、交通、医疗、能源、家用电器监控等各个领域。物联网的发展要求将新一代信息化技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把诸如感应器、RFID标签等信息化设备嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道、商品、货物等各种物理物体和基础设施中，甚至人体里，将它们普遍互联，并与互联网连接起来，形成"物联"。值得注意的是，物联网这个概念虽然来自于物流行业的需要，但是把它局限在物流领域里就显得视野狭窄了。当人们仔细审视这个概念的时候，忽然惊讶于它深远内涵：物联网无疑做到了十几年来人们一直想做的无线与有线在互联网上的有机融合；而潜在用户群一旦拓展到地球上所有的物体，摩尔定律竟然巧妙地继续有效了。

在这种意义上来说，下一代互联网的发展远景立刻明晰起来。人们可以大胆假设下一代互联网将是物联化的互联网，或者称之为"大物联网"。大物联网不仅局限于目前互联网中信息系统和设备的连接与组合，还将继续和极大地拓展大型计算、桌面计算、普适计算、CPS、物联网、云等计算模式的应用范畴，彻底地整合物理世界与信息系统，为未来人类建设统一的赖以生存的智能化环境。

1.2物联网简介

　　物联网的定义：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备按约定的协议，把全体物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

　　从宏观的概念上讲，未来的物联网将使人转向于无所不在的网络之中，在不知不觉中，人可以随时随地与周围的人或物进行信息的交换，这时物联网也等同于泛在网络，或者说未来的互联网。物联网、泛在网络、未来的互联网，它们的名字虽然不同，但表达的都是同一个愿景，那就是人类可以随时随地使用任何网络联系任何人或物，达到信息自由交换的目的。

　　全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的基本特征。

　　"全面感知"是指利用RFID、二维码、GPS、摄像头、传感器、传感器网络等感知、捕获、测量的技术手段，随时随地对物体进行信息采集和获取。

　　"可靠传送"是指通过各种信息网络与互联网的融合，将物体接入信息网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享。

　　"智能处理"是指利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对少量的跨地域、跨行业、跨部门的数据和信息进行分析处理，提供对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。

　　在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行"交流"，而无须人的干预。其实质是利用射频自动识别（RFID）、传感器网络、无线通信等智能化采集技术，通过互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。"物联网"概念的问世，打破了之前的传统思维。过去的思路一起是将物理基础设施和IT基础设施分开：一方面是货物、交通、建筑，另一方面是数据中心电脑、宽带、移动网络等。而在"物联网"时代，物品的流动将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，物联网基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。

　　具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，通过现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整个网络内的人员、机器、设备和基础设施进行实时的管理和控制。

　　物联网的关键不在"物"，而在"网"。物联网实际上指的是在网络的范围之内，可以实现人对人、人对物以及物对物的互联互通，在方式上可以是点对点，也可以是点对面或面地点，它们经由互联网，通过适当的平台，可以获取相应的资讯或指令。

　　当某一数字化的物体需要补充电能时，它可以通过网络搜索到自己的供应商，并发出需求信号，当收到供应商的回应时，能够从中寻找到一个优先方案来满足自我需求。而这个供应商，即可以由人来控制，也可以由物控制。这样的情形类似于人们现在利用的搜索引擎进行查询，得到结果后再进行处理一样。具备了数据处理能力的传感器，可以根据当前的善作出判断，从而发出供给或需求信号，而在网络上对这些信号的处理，成为物联网的关键所在。仅仅将物连接到网络，还远远没有发挥出它最大的威力。网的意义不仅是连接，更重要的是交互，以及通过互动学生出来的种种可利用的特性。

　　物联网的精髓不仅是对物实现连接和操控，它通过技术手段的扩张，赋予网络新的含义，实现人与物、物与物之间的相融与互动，甚至是交流与沟通。

　　物联网正在以超越"**"的速度发展，如果我可以用一个豪迈的句子来结束这些小小探讨的时候，我（刘云浩）想说：既然每个尘埃将有一个独立的地址，现在我们可以认真地考虑把它们连起来了。

1.3物联网主要的应用

　　智能家居、智能医疗、智能城市、智能环保、智能交通、智能司法、智能农业、智能物流、智能校园、智能文博、M2M平台、油田智能监控。

1.4前景展望

　　有不少IT专家、经济学家、企业家和政府官员都认为，"物联网"与"互联网"的创新整合，将成为下一轮世界经济发展的技术驱动力。以物联网为代表的信息网络产业成为七大新兴战略性产业之一，成为推动产业升级，迈向信息社会的"发动机"。据称到2020年，全球物物互联的业务与现有人人互联业务之比将达到30：1，物联网的大规模普及，将成为一个万亿美元级的产业。

　　条码的普及花了30年时间，RFID要完全达到条码的应用程度，还需要20年左右的时间。物联网的普及需要大约20年的时间。但应用的发展是伴随着技术的成熟而逐渐应用到各个方面的，并不是在等技术完全成熟以后才会开始应用。在某些领域，物联网将率先展开应用，同时，伴随着技术的进步，会逐渐拓展到我们生活的方方面面。

　　物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。国际电联曾预测，未来世界是无所不在的物联网世界，到2017年将有7万亿传感器为地球上的70亿人口提供服务。一方面物联网可以用于提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟等都在投入巨资，深入研究探索物联网。我国也正在高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部门会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。

二、物联网的结构

　　物联网形式多样、技术复杂、牵涉面广。根据信息生成、传输、处理和应用的原则，可以把物联网分为五层：感知识别层、数据通信层、网络互联层、管理服务层和综合应用层。物联网各层之间既相对独立又联系紧密。在综合应用层以下，同一层次上的不同技术互为补充，适用于不同环境，构成该层次技术的全套应对策略。而不同层次提供各种技术的配置和组合，根据应用需求，构成完整解决方案。

2.1感知识别层

　　感知识别层主要是负责数据的产生层面。这一层次是由无数的物品标识和信息采集设备构成。所涉及的技术主要是信息采集相关技术：条码技术、RFID（射频识别）技术、GPS（全球定位系统）技术、GIS（地理信息系统）技术。

2.1.1 条码技术

　　20世纪40年代，由美国两位工程师研究出用于食品项目的代码及相应的自动识别设备，这标志着条码的诞生。70年代左右，条码得到真正的应用和发展。目前世界上各个国家和地区已普遍使用条码技术，并逐步渗透到了许多技术领域。目前和普通百姓联系最紧密的恐怕就是超市购物的条码系统了。条码技术就是最简单的物品标签（非电子标签，但是可以通过电子设备读取）。通过条码读取设备，可以很便捷读取到物品的相关信息。目前在一维码的基础上，人们已经逐步发展出更有用的二维码其它高维码。

　　使用条码技术的优势就是技术门槛低，投资少，设备维护费用低等等，所以在简单的应用领域如超市零售业仍然发挥着重大的作用。这一技术应该还是成为将来小规模的民用物联网感知识别层的主流技术。

2.1.2 RFID射频识别技术

　　射频识别技术是通过射频信号识别目标对象并获取相关数据信息的一种非接触式的自动识别技术。与传统的条码相比，射频识别是一种电子标签（具有电磁特性），并具有如下优势：非接触式数据读写、开关容易小型化和多样化、环境适应性强、可重复使用、穿透性强、数据的记忆容量大、安全性高等等。

　　在对现实生活中的事物进行大规模的管理时，我们最常规的想法就是对它们进行分类管理。笔者曾经在国家电网旗下的一家三产公司实习过，里面一位同事给我描述过这样的场景：

　　近年，国家电网公司全面推进"三集五大"体系建设。推进人财物集约化管理和"大规划、大建设、大运行、大检修、大营销"体系建设。里面的财物集约化管理就涉及到用电设备的全国统一招标、统一采购，这就需要强大的物流管理系统。我们公司目前刚刚开发出一项RFID技术，将成百上千的电能表放在一个大箱子里面，无需进行拆封，使用我们的设备只需要几秒钟的时间进行一次扫瞄，就可以准确获得里面每一个设备的电子标签所带的信息。这对于国家电网在财物集约化管理的影响是极其巨大的。

　　将RFID技术引入到物联网的感知识别层，可以很好地实现从"精细管理"到"集约管理"的转变，将极大提高数据采集效率。这对于大规模的终端管理是很有帮助的。

　　随着RFID或类RFID技术的不断发展，我们可以构想以下场景：对于一个上百层、成千上万间办公室的写字楼，我们使用一个一架直升机"航拍式扫描"，就可以获取我们相关信息；在生物学上，我们在人体里面安装各种生物芯片，通过扫描实现"一秒钟体检"……不过，上面描述的那些场景都离我们太遥远，我们可以触及到的比较近的，就是楼宇、小区、交通网、电网、生态网等等这些系统，还是大有作为的。

2.1.2 GPS技术

　　1973年美国国防部协同有关军方机构共同研究开发新一代的卫星导航系统，就是"授时与测距导航系统/全球定位系统（Navigation System Timing And Ranging/Global Positioning System,NAVSTAR/GPS），简称全球定位系统（GPS）"。1994年GPS系统基本建成，成为全球共享空间信息资源，是空间信息系统的一个重要组成部分。　　从1973年至今，美国政府还在不断地研究和更新GPS的软硬件设备，累计耗资走过200亿美元。

　　物联网的最终目标是建立"智慧地球"，那么在地球上，每个物体都有一个基本的属性，主是地理位置。就像在社会上，不同的人都有它的基本属性，就是社会职位，不同的职位具有不同的权力和义务。通过对物体的地理位置的获取，可以方便对物体进行实时跟踪，以及以其影响范围的计算等等。

　　GPS有静态应用和动态应用。静态应用则是为一些位置固定的基础设施进行定位，然后录入到永久数据库中，然后进行和位置相关的计算和管理，例如：电网中的变电站，杆塔等基本的用电设备的管理。动态应用则是对移动的物体进行位置实时定位，然后进行相应的跟踪，例如：物流系统中物品配送，车辆管理系统中对车辆的跟踪。

2.1.2 GIS技术

　　地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是以地理空间数据为基础，采用地理模型分析方法，适时地提供多种空间的和动态的地理信息，是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。其主要特征是存储、管理、分析与位置有关的信息。

　　在物联网系统中，GIS平台可以说是一个数据集成平台。将所有的终端设备都进行集成管理，让这些海量数据以形象的方式展现出来，提高系统动作效率、方便工作人员管理和决策。

2.2数据通信层

　　通信方式主要是有线通信和无线通信。有线通信技术：今后以光纤通信为主；无线通信技术：GSM移动通信、、CDMA移动通信、3G移动通信、集群通信技术、数字微波通信技术、卫星通信技术、短距离无线通信技术等等。

　　通讯的对象包括：平行级通信和上下级通信。平行级通信主要是设备和设备之间的数据交流；上下级通信主要是数据的上下流通，包括下级数据向管理层传送和上级指令向下传输。

2.3网络互联层

　　在网络互联层涉及的技术有：IPv6技术、组网技术。IPv6可以为每个物体提供一个固定网络地址，组网技术而将这些物体连接进来。

　　网络按照传输方式可以分为有线网和无线网。按照区域划分可以分为局域网、城域网、广域网和Internet互联网。

　　只有将所有的物体通过网络连接起来之后，我们才能够说：物联网的基础设施已经建成了，下面就是管理、运行和应用了。

2.4管理服务层

　　主要是收集设备终端的数据并对下属设备进行人工或者自动的指令下达。这一层次涉及到数据库建设、海量数据存储、搜索引擎、物联网智能决策、信息安全和隐私保护等等。

2.5综合应用层

　　在物联网的基础设施建成并完成海量数据库建设之后，再往上就是综合应用层了。物联网在不同行业有着不同的应用，主要涉及的行业有：电力、交通、物流、建筑、环境等等。针对不同的行业铺设不同的传感器，组建不同的网络（或者最后成为大一统的互通网络），在海量数据的基础上开发出各式各样的应用程序来解决各种行业内部的问题。

　　如今嵌入式操作系统正进行着蓬勃地发展，各种搭载小型操作系统的智能设备开始大规模进入到工业和民用领域。嵌入式操作系统的推广，使得开发针对设备的应用程序的门槛降低了很多很多，这又极大地促进了嵌入式设备的应用。

　　随着各种操作系统中的浏览器地不断更新发展，跨平台的Web应用程序也逐渐发挥着越来越大地作用，结合"云计算"的概念，将来只要一台连网的设备就可以从"云端"获得它想要的服务并执行相关动作，同时本地设备可以上传相关数据进入"云端"实现数据共享互通。

三、物联网的产业链

　　一旦物联网开始大规模地推进，那么将带来一条相当可观的产业链。物联网是集基础设施建设和产品服务于一体的大系统。

　　物联网的基础就是传感网。这需要大规模的布设传感器，这里面涉及的厂家和公司有传感器研发公司、移动设备研制公司、网络通信公司、工程建设公司等等。

　　物联网需要制定统一的标准。这块领地可以分给科研单位和高校及一些物联网大公司。

　　数据的高效采集和高效利用。涉及到数据的搜索和挖掘分析，这时传统的软件公司和互联网公司都可以成功进入此领地，通过对数据的提炼分析，然后为指定的人群提供相应的服务。这一层次是属于高级应用层次。

　　总之，当物联网形成规模后，就可以形成一个比较良好的产业生态流水线，流水线上各机构各司其职，共同分享这块蛋糕。