物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究.ppt

. 1 2 1 12 文章編號 : 1673 25439 ( 2009 ) 06 20001 2 1211 2 huang w e i 1. college of software, nanjing university of posts and telecommunications, nanjing 210003, china shen su2b in , fan qu2li , zo ng p ing , m ao yan2q in , o tures and system models of i t through the analysis of current technical materials and app lication caseso . o abstract:this technologytherethearerelationsmanythings (issues generationdefinition, attentionphysicalacademarchitec2 oo . ter summary of the features of i t, it p roposes the suggestions on the researches and development of i too . physical system s; network generation network; electronic p roduct code; network architecture 器網(wǎng)絡(luò) ” 的關(guān)注程度 ,遠(yuǎn)小于對“ 軟件 ” 2 億多條 ) 、 1 物聯(lián)網(wǎng)研究背景 ( “ 互聯(lián)網(wǎng) ” 1 億多條 ) 、奧運會 ”約 3 千萬條 )的關(guān) “( 注程度 ;大于對“物價指數(shù) ”約 300 萬條 )的關(guān)注程( 隨著政府對于物聯(lián)網(wǎng)研究和開發(fā)的高度重視 , 度 ,遠(yuǎn)大于對“第三代移動通信 ”約 71 萬條 ) 的關(guān)( 物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)引起國內(nèi)學(xué)術(shù)界 、工業(yè)界和新聞媒體的 注程度 。 高度重視 ,物聯(lián)網(wǎng)研究和技術(shù)的報道已經(jīng)十分普及 。 通過與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的搜索可以看出 ,雖然2009年 10 月 ,通過谷歌查詢“物聯(lián)網(wǎng) ” 關(guān)鍵詞 ,獲得 物聯(lián)網(wǎng)的被關(guān)注程度遠(yuǎn)小于 “ 網(wǎng)絡(luò)安全 ”“rf i、 了約 500多萬條結(jié)果 ,如表 1所示 ?？梢钥闯?,對于d ( radio frequency i entification) ” 下一代網(wǎng)絡(luò) ” 、 “ 和物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)注程度相當(dāng)于對“ 商品房價格 ” 傳感和“d 10 09 基金項目 :國家自然科學(xué)基金 ( 90412002) 、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 ( 863 計劃 ) ( 2006aa01z208)資助項目 通訊作者 :黃 mail: iamwhuang njup t edu. cn. 、 、 、 、 有 i i . i the words: and of things; of i: 2009 2 2維 電話 : ( 025) system e2 第 29 卷 第 6 期 2009 年 12 月 南 京 郵 電 大 學(xué) 學(xué) 報 ( 自 然 科 學(xué) 版 ) journal of nanjing university of posts and telecommunications (natural science) vol 29 no. 6 dec. 2009 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究 沈蘇彬 ,范曲立 ,宗 平 ,毛燕琴 ,黃 維 1. 南京郵電大學(xué) 軟件學(xué)院 ,江蘇 南京 210003 2. 南京郵電大學(xué) 信息材料與納米技術(shù)研究院 ,江蘇 南京 210046 摘 要 :物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)引起國內(nèi)學(xué)術(shù)界 工業(yè)界和新聞媒體的高度重視 ,當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的定義 內(nèi)在原理 體系結(jié)構(gòu) 和系統(tǒng)模型等方面還存在許多值得探討的問題 ,通過對現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)文獻(xiàn)和應(yīng)用實例的分析 ,探討了物聯(lián)網(wǎng)與 下一代網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)化物理系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系 ; 提出了物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型和結(jié)點分類 ,設(shè)計了基于無源 、 源和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)點的物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)模型 ;在總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)特征基礎(chǔ)上 ,對物聯(lián)網(wǎng)的研究提出了建議 。 關(guān)鍵詞 :物聯(lián)網(wǎng) ;網(wǎng)絡(luò)化物理系統(tǒng) ; 下一代網(wǎng) ;產(chǎn)品電子標(biāo)簽 ;網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 中圖分類號 : tp393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : a 11 study on the architecture and assoc ia ted technolog ies for nternet of things 2. institute of advanced materials, nanjing university of posts and telecommunications, nanjing 210046, china w ireless sensor network and the o t it p roposes service types and node classification of o t and designs 收稿日期keyarchitectureinternet85866008modelcyber2t based on passive, active and internet nodes structure of i t af2 2 1 ( ” 1 2 3 4 5 6 7 10 11 8 9 12 i 、 、 、 人 、 1 、 、 、 、 、 、 ” 南 京 郵 電 大 學(xué) 學(xué) 報( 自 然 科 學(xué) 版) 2009年 “嵌入式系統(tǒng) ”超過或者接近 1 千萬條 ) 技術(shù)的被 關(guān)注程度 ,但是 , 與“傳感器網(wǎng)絡(luò) 的關(guān)注程度十分 接近 ,而傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷史遠(yuǎn)長于物聯(lián)網(wǎng) 。從以 上搜索結(jié)果可以看出 ,物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)迅速成為當(dāng)前具 有影響力的技術(shù) 。 表 1 在谷歌網(wǎng)站上 2009年 10月的搜索結(jié)果 2 物聯(lián)網(wǎng)的基本概念 2. 1 物聯(lián)網(wǎng)的基本定義 按照國際電信聯(lián)盟 ( itu ) 的定義 , 物聯(lián)網(wǎng)主 要解決物品到物品 ( thing to thing, t2t) ,人到物品 ( human to thing, h2t) ,人到人 ( human to hum an, 序號關(guān)鍵詞 軟件 互聯(lián)網(wǎng) 奧運會 網(wǎng)絡(luò)安全 rf d 下一代網(wǎng)絡(luò) 嵌入式系統(tǒng) 商品房價格 傳感器網(wǎng)絡(luò) 物聯(lián)網(wǎng) 物價指數(shù) 第三代移動通信 搜索結(jié)果 /條 241 000 000 127 000 000 29 100 000 16 000 000 15 700 000 11 200 000 9 390 000 5 640 000 5 480 000 5 220 000 2 730 000 705 000 h2h )之間的互連 。 這里與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)不同的是 , h2t是指人利用 通用裝置與物品之間的連接 , h2h 是指人之間不依 賴于個人電腦而進(jìn)行的互連 。需要利用物聯(lián)網(wǎng)才能 解決的是傳統(tǒng)意義上的互聯(lián)網(wǎng)沒有考慮的 對于任 何物品連接的問題 。 物聯(lián)網(wǎng)是連接物品的網(wǎng)絡(luò) ,有些學(xué)者在討論物 聯(lián)網(wǎng)中 ,常常提到 m2m 的概念 ,可以解釋成為人到 人 (m an to m an ) 人到機(jī)器 (m an to m achine ) 機(jī)器 到機(jī)器 (m achine to m achine) 。實際上 m2m 所有的 解釋在現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)都可以實現(xiàn) ,人到人之間的交 互可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行 ,最多可以通過其他裝置間 接地實現(xiàn) ,例如第三代移動電話 ,可以實現(xiàn)十分完美 的人到人的交互 ; 人到機(jī)器的交互一直是人體工程 社會各界在較短時間內(nèi)對于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生了極大 的關(guān)注 ,說明許多人相信物聯(lián)網(wǎng)可能對人類社會 、 們?nèi)粘Ｉ町a(chǎn)生巨大的影響 。無論國內(nèi)還是國外 , 物聯(lián)網(wǎng)的研究和開發(fā)才處于起步階段 ,有關(guān)物聯(lián)網(wǎng) 的定位和特征還存在一些混亂的概念 ,物聯(lián)網(wǎng)的系 統(tǒng)模型和結(jié)構(gòu)尚沒有形成標(biāo)準(zhǔn) ,物聯(lián)網(wǎng)的研究和開 發(fā)在國內(nèi)還存在一定程度的盲目性 。 從科學(xué)研究的角度看 ,物聯(lián)網(wǎng)的研究和開發(fā)存 在一些值得思考的問題 。例如 ,物聯(lián)網(wǎng)是否就是傳 感器網(wǎng)絡(luò) ? 什么是物聯(lián)網(wǎng)研究和開發(fā)的核心技術(shù) ? 學(xué)和人機(jī)界面領(lǐng)域研究的主要課題 ; 而機(jī)器與機(jī)器 之間的交互已經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)提供了最為成功的方案 。 本質(zhì)上 ,在人與機(jī)器 機(jī)器與機(jī)器的交互 ,大部分是 為了實現(xiàn)人與人之間的信息交互 , 萬維網(wǎng) (world w ide w eb)技術(shù)成功的動因在于 : 通過搜索和鏈接 , 提供了人與人之間異步進(jìn)行信息交互的快捷方式 。 我們認(rèn)為 , 在物聯(lián)網(wǎng)研究中不應(yīng)該采用 m2m 概念 ,這是容易造成思路混亂的概念 ,應(yīng)該采用 itu 定義的 t2t、h2t和 h2h 的概念 。 2. 2 物聯(lián)網(wǎng)與下一代網(wǎng)絡(luò) 什么是物聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新技術(shù) ? 物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)存在哪 按照 itu 物聯(lián)網(wǎng)研究組的研究結(jié)論, 物聯(lián)網(wǎng) 些本質(zhì)的區(qū)別 ? 如何開展對我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展有 價值的物聯(lián)網(wǎng)研究和開發(fā) ? 本文在分析物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用的基礎(chǔ) 上 ,試圖回答以上有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)的問題 ;在分析和研究 已有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上 ,嘗試提出一種物聯(lián) 網(wǎng)互連體系結(jié)構(gòu) ,用于指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)的理論研究 ;在分 析和研究物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實例的基礎(chǔ)上 ,試圖提出一種 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型 ,用于指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究 和應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā) 。在以上研究基礎(chǔ)上 ,試圖得出 物聯(lián)網(wǎng)不同于互聯(lián)網(wǎng)的特征 ,從中推導(dǎo)出科學(xué)地開 展物聯(lián)網(wǎng)研究和開發(fā)的基本原則 ,為我國的物聯(lián)網(wǎng) 研究和開發(fā)提供有科學(xué)依據(jù)的參考 。 的核心技術(shù)主要是普適網(wǎng)絡(luò) 下一代網(wǎng)絡(luò)和普適計 算 。這 3 項核心技術(shù)的簡單定義如下 ,普適網(wǎng)絡(luò) ,無 處不在的 普遍存在的網(wǎng)絡(luò) ; 下一代網(wǎng)絡(luò) ,可以在任 何時間 任何地點 ,互連任何物品 ,提供多種形式信 息訪問和信息管理的網(wǎng)絡(luò) ; 普適計算 ,無處不在的 、 普遍存在的計算 。其中下一代網(wǎng)中“互連任何物 品”的定義是 itu 物聯(lián)網(wǎng)研究組對下一代網(wǎng)定義的 擴(kuò)展 ,我們認(rèn)為 ,這是對下一代網(wǎng)發(fā)展趨勢的高度概 括 。從現(xiàn)在已經(jīng)成為現(xiàn)實的多種裝置的互連網(wǎng)絡(luò) , 例如手機(jī)互連 移動裝置互連 汽車互連 傳感器互 連等等 ,都揭示了下一代網(wǎng)在“互連任何物品 方面 的發(fā)展趨勢 。從以上的定義可以看出 ,下一代網(wǎng)絡(luò) 3 2 - 3 物理系統(tǒng) ( cps, cyber2 4 - 5 6 6 任 、 、 、 。 ” 、 測 、 、 、 、 、 、 、 、 重 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 ” 、 第 6 期沈蘇彬等 :物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究 在某種角度看 ,就是可以連接任何物品的物聯(lián)網(wǎng) 。 按照傳統(tǒng)的定義 ,下一代網(wǎng)絡(luò)是在任何時間 、 何地點 ,以任何方式提供信息訪問和管理的服務(wù) 。 傳統(tǒng)意義上的下一代網(wǎng)側(cè)重于為人提供方便的信息 服務(wù) ,所以 ,從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)角度看 ,下一代網(wǎng)絡(luò)可以稱 為信息網(wǎng)絡(luò) ;而從互連角度看 ,這種傳統(tǒng)的下一代網(wǎng) 定義還是局限在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的范疇 ,僅僅強(qiáng)調(diào)人與 人之間的信息交互 。 我們認(rèn)為 ,應(yīng)該按照 itu 的定義 ,把物聯(lián)網(wǎng)研究 和開發(fā)納入下一代網(wǎng)的范疇 ,而不是把下一代網(wǎng)絡(luò) 僅僅作為引入 ip核心網(wǎng) 移動性和個性化服務(wù)的網(wǎng) 絡(luò) ,這樣 ,下一代網(wǎng)可以真正推動人類社會發(fā)展 。 人與人之間的信息交互是具有百年發(fā)展歷史的 電信網(wǎng)主要業(yè)務(wù)范疇 ,引入了物聯(lián)網(wǎng)理念的下一代 網(wǎng) ,從根本上擴(kuò)展了電信網(wǎng)的業(yè)務(wù)范疇 ,可以真正推 動電信業(yè)務(wù)和電信網(wǎng)絡(luò)的全面變革 ,可以為電信網(wǎng) (包括固定 電 信 網(wǎng) 和 移 動 電 信 網(wǎng) ) 創(chuàng) 造 新 的 發(fā) 展 機(jī)遇 。 2. 3 物聯(lián)網(wǎng)與 cps 隨著處理器 存儲器 網(wǎng)絡(luò)帶寬等成本的下降 ,嵌 入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域 ,特別是廣泛應(yīng)用于各 類物理設(shè)備中 ,例如飛機(jī) 汽車、家電、工業(yè)裝置、醫(yī)療 器械、監(jiān)控裝置和日用物品 。國際上把利用計算技術(shù) 監(jiān)測和控制物理設(shè)備行為的嵌入式系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)化 physical system s)或者深度 嵌入式系統(tǒng) ( deep ly embedded system s) , cps 也 可以翻譯為“物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) ” 美國總統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)咨詢委員會 ( pcast) 在 2007 年 8 月發(fā)布的題為“挑戰(zhàn)下的領(lǐng)導(dǎo)地位 : 在世 界競爭中的信息技術(shù)研發(fā) 的咨詢報告 中 , 明確 建議把 cps作為美國聯(lián)邦政府研究投入最高優(yōu)先 級的課題 ,由此啟動了美國高校和研究機(jī)構(gòu)的 cps 研發(fā)熱潮 。 pcast咨詢報告認(rèn)為 , cps的設(shè)計 構(gòu)造 、 試和維護(hù)難度較大 成本較高 ,通常涉及到無數(shù)聯(lián)網(wǎng) 軟件和硬件部件 ,在多個子系統(tǒng)環(huán)境下的精細(xì)化集 成 。在監(jiān)測和控制復(fù)雜的 快速動作的物理系統(tǒng) (例如醫(yī)療設(shè)備 武器系統(tǒng) 制造過程 配電設(shè)施 )運 行時 , cps在嚴(yán)格的計算能力 內(nèi)存 功耗 速度 、 量和成本的約束下 ,必須可靠和實時地操作 。絕大 部分 cps系統(tǒng)都是安全關(guān)鍵的系統(tǒng) ,必須在外部攻 擊和打擊下能夠繼續(xù)正常工作 。這種融合信息世界 和物理世界的技術(shù)具備以下自身的特征 : ( 1 ) cps 是未來經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的革命性技 術(shù) 。cps是信息領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù) 信息化技術(shù) ,與 物理系統(tǒng)中控制技術(shù) 自動化技術(shù)的融合 。 cps可 以連接原來完全分割的虛擬世界和現(xiàn)實世界的關(guān) 聯(lián) ,使得現(xiàn)實的物理世界與虛擬的網(wǎng)絡(luò)世界連接 ,通 過虛擬世界的信息交互 ,優(yōu)化物理世界的物體傳遞 、 操作和控制 ,構(gòu)成一個高效 智能 環(huán)保的物理世界 。 從這個角度看 , cps技術(shù)是可以改變未來經(jīng)濟(jì)和社 會發(fā)展的革命性技術(shù) 。 ( 2 ) 信息材料本身就是一種 cps 技術(shù) 。材料 技術(shù)與信息技術(shù)融合構(gòu)成的信息材料技術(shù)本身就是 一種 cps技術(shù) ,它是最為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化世界與物理 世界連接的技術(shù) 。例如小型化 低成本 環(huán)保節(jié)能的 新型材料傳感器 顯示器等技術(shù) , 都是 cps發(fā)展中 的關(guān)鍵技術(shù) 。 ( 3 ) cps要求計算技術(shù)與控制技術(shù)的融合 。為 了把網(wǎng)絡(luò)世界與物理連接 , cps必須把已有的 處理 離散事件的 不關(guān)心時間和空間參數(shù)的計算技術(shù) ,與 現(xiàn)有的 處理連續(xù)過程的 注重時間和空間參數(shù)的控 制技術(shù)融合起來 ,使得網(wǎng)絡(luò)世界可以采集物理世界 與時間和空間相關(guān)的信息 ,進(jìn)行物理裝置的操作和 控制 。 ( 4 ) cps要求開放的嵌入式系統(tǒng) 。 cps系統(tǒng)中 的計算技術(shù)主要是嵌入式系統(tǒng) , cps中的嵌入式計 算系統(tǒng)不是傳統(tǒng)的封閉性系統(tǒng) ,而是需要通過網(wǎng)絡(luò) , 與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)和互操作的系統(tǒng) 。 cps要 求的嵌入式系統(tǒng)是一種開放的嵌入式系統(tǒng) , 需要提 供標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)訪問接口和交互協(xié)議 標(biāo)準(zhǔn)的計算平 臺和服務(wù)調(diào)用接口 標(biāo)準(zhǔn)的計算環(huán)境和管理界面 。 ( 5 ) cps要求可靠和確定的嵌入式系統(tǒng) 。 cps 把計算技術(shù)帶入了與國家基礎(chǔ)設(shè)施 人們?nèi)粘Ｉ?密切相關(guān)的領(lǐng)域 , cps大部分應(yīng)用領(lǐng)域是與食品衛(wèi) 生一樣的安全敏感的領(lǐng)域 , cps的技術(shù)和產(chǎn)品需要 經(jīng)過政府嚴(yán)格的安全監(jiān)督和認(rèn)證 。原來信息技術(shù)領(lǐng) 域習(xí)以為常的“免責(zé) 條款將不再適用 , cps技術(shù)和 產(chǎn)品必須成為高可靠的 行為確定的產(chǎn)品 , cps技術(shù) 要求可靠和確定的嵌入式系統(tǒng) 。 對照國 際 電 信 聯(lián) 盟 有 關(guān) 物 聯(lián) 網(wǎng) 的 定 義 以 及 pcast咨詢報告有關(guān) cps定義 ,我們認(rèn)為 cps是物 聯(lián)網(wǎng)的專業(yè)稱呼 ,側(cè)重于物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部的技術(shù)內(nèi)涵 ;而 物聯(lián)網(wǎng)是 cps的通俗稱呼 ,側(cè)重于 cps在日常生活 中的應(yīng)用 。從專業(yè)角度看 , cps提供了物聯(lián)網(wǎng)研究 和開發(fā)所需要的理論和技術(shù)內(nèi)涵 ;從應(yīng)用角度看 ,物 聯(lián)網(wǎng)提供了 cps未來應(yīng)用的一個直觀畫面 ,更加適 合于普及 cps方面的科學(xué)知識 。物聯(lián)網(wǎng)的研究和 4 13 14 7 8 9 10 - 11 12 , 、 , ” 路 、 、 、 、 工 、 南 京 郵 電 大 學(xué) 學(xué) 報( 自 然 科 學(xué) 版) 2009年 開發(fā)應(yīng)該從 cps入手和深入 ,而 cps技術(shù)和產(chǎn)品的人員也發(fā)表了若干個物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) ,例如物品 普及和應(yīng)用可以從物聯(lián)網(wǎng)角度介紹和舉例 。萬維網(wǎng)的 (w eb of things, wot) 體系結(jié)構(gòu), 它定 2. 4 物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 由于目前對于物聯(lián)網(wǎng)研究尚未深入 ,對于物聯(lián) 網(wǎng)的技術(shù)內(nèi)涵也缺乏專業(yè)的研究 ,有些專業(yè)的或非 專業(yè)的報道通常會把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng) 。 實際上 ,只要略微查詢一下專業(yè)學(xué)術(shù)刊物 ,研究無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義 ,對比物聯(lián)網(wǎng)定義 ,就可以得出較 為科學(xué)的結(jié)論 。 按照國內(nèi)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊的定義 ,無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)是一種“隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元 和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng) 絡(luò)”它可以“借助于節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感 器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納 雷達(dá)和地震 波信號 ”并且“傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不 同的技術(shù)要求 ,前者以數(shù)據(jù)為中心 ,后者以傳輸數(shù)據(jù) 為目的 。所以 ,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并沒有賦予 t2t的 連接能力 ,更不具備與物理系統(tǒng)連接并且控制物理系 統(tǒng)的能力。 我們認(rèn)為 ,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)僅僅是采集和傳遞 數(shù)據(jù) ,并沒有涉及到物聯(lián)網(wǎng)中的核心控制技術(shù) ,也不 具備 cps要求的高可靠性 。所以 ,無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 并不是物聯(lián)網(wǎng) ,更不是網(wǎng)絡(luò)化物理系統(tǒng) ,無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)在一定程度上可能支撐物聯(lián)網(wǎng)的 開發(fā) 。 3 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 要深入研究物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) ,必須首先研究 物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)和應(yīng)用實例 。物聯(lián)網(wǎng)已 經(jīng)在倉儲物流 ,假冒產(chǎn)品的防范 ,智能樓宇 、 燈管理 智能電表 城市自來水網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施 , 醫(yī)療護(hù)理 等領(lǐng)域得到了應(yīng)用 。 人類社會在相當(dāng)長時間內(nèi)將面臨兩大難題 : 其 一是能源短缺和環(huán)境污染 ; 其二是人口老齡化和慢 性病增加 ,物聯(lián)網(wǎng)首要的應(yīng)用在于能耗控制和醫(yī)療 護(hù)理 。人類社會目前遇到的問題是 : 恐怖活動和信 任危機(jī) ,物聯(lián)網(wǎng)目前急需的應(yīng)用在于安防監(jiān)控 物品 身份鑒別 。另外 ,物聯(lián)網(wǎng)在智能交通 倉儲物流 、 業(yè)控制等方面都有較大的應(yīng)用價值 。已經(jīng)公開的物 聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用實例基本上圍繞這些應(yīng)用領(lǐng)域 。 3. 1 物聯(lián)網(wǎng)已有的體系結(jié)構(gòu) 在公開發(fā)表物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的同時 ,很多研究 義了一種面向應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng) ,把萬維網(wǎng)服務(wù)嵌入到 系統(tǒng)中 ,可以采用簡單的萬維網(wǎng)服務(wù)形式使用物聯(lián) 網(wǎng) 。這是一個以用戶為中心的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) ,試 圖把互聯(lián)網(wǎng)中成功的 面向信息獲取的萬維網(wǎng)應(yīng)用 結(jié)構(gòu)移植到物聯(lián)網(wǎng)上 ,用于簡化物聯(lián)網(wǎng)的信息發(fā)布 和獲取 。 物聯(lián)網(wǎng)的自主體系結(jié)構(gòu) 是為了適應(yīng)于異構(gòu) 的物聯(lián)網(wǎng)無線通信環(huán)境而設(shè)計的體系結(jié)構(gòu) 。該自主 體系結(jié)構(gòu)采用自主通信技術(shù) 。自主通信是以自主件 ( selfware)為核心的通信 ,自主件在端到端層次以及 中間結(jié)點 ,執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)控制面已知的或者新出現(xiàn)的任 務(wù) ,自主件可以確保通信系統(tǒng)的可進(jìn)化特性 。 物聯(lián)網(wǎng)的自主體系結(jié)構(gòu)如圖 1所示 ,包括了數(shù)據(jù) 面、控制面、知識面和管理面 ,數(shù)據(jù)面主要用于數(shù)據(jù)分 組的傳遞 ;控制面通過向數(shù)據(jù)面發(fā)送配置報文 ,優(yōu)化數(shù) 據(jù)面的吞吐量以及可靠性 ;知識面提供整個網(wǎng)絡(luò)信息 的完整視圖 ,并且提煉成為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的知識 ,用于指導(dǎo) 控制面的適應(yīng)性控制 ;管理面協(xié)調(diào)和管理數(shù)據(jù)面、控制 面和知識面的交互 ,提供物聯(lián)網(wǎng)的自主能力。 圖 1 一種聯(lián)網(wǎng)的自主體系結(jié)構(gòu) 這里自主特征主要由 stp / sp協(xié)議棧和智能層 取代傳統(tǒng)的 tcp / ip 協(xié)議棧 , 如圖 2 所示 , 這里的 stp和 sp 分別表示智能傳送協(xié)議 ( smart transport protocol)和智能協(xié)議 ( smart protocol) , 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點 的智能層主要用于協(xié)商交互結(jié)點之間 stp / sp 的選 擇 ,用于優(yōu)化無線鏈路之上的通信和數(shù)據(jù)傳送 ,滿足 異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)的需求 。 圖 2 物聯(lián)網(wǎng)自主體系結(jié)構(gòu)的協(xié)議棧 這種面向物聯(lián)網(wǎng)的自主體系結(jié)構(gòu)涉及的協(xié)議棧 較為復(fù)雜 ,只能適用于計算資源較為富裕的物聯(lián)網(wǎng) 5 8, 15 內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)定義的產(chǎn)品數(shù)字標(biāo)識 ;電子標(biāo)簽和閱讀器 ,電 子標(biāo)簽通常采用射頻標(biāo)識 ( rf i )技術(shù)存儲 epc,閱中間件處理的信息 ,二是查詢相關(guān)的信息 ;對象名字d 讀器是一種閱讀電子標(biāo)簽內(nèi)存儲的 epc 并且傳遞服務(wù) (ons) ,類似于域名服務(wù)器 ,其中的信息可用于 給物流倉儲管理信息系統(tǒng)的裝置 ; epc 中間件 , 這 圖 3 epc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) epc網(wǎng)絡(luò)包括 3個層次 :5 條原則 : ( 1 ) 多樣性原則 ,物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須根 ( 1 ) 實體和內(nèi)部層次 ,該層由 epc、 i 標(biāo)簽 、據(jù)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點類型的不同 ,分成多種類型的體系結(jié)rf d rf i 閱讀器 、epc 中間件組成 。這里的 epc 中間構(gòu) ; ( 2 ) 時空性原則 ,物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須能夠滿足d 件實際上屏蔽了各類不同的 rf i 之間的信息傳遞物聯(lián)網(wǎng)的時間 、空間和能源方面的需求 ; ( 3 ) 互聯(lián)性d 技術(shù) ,把物品的信息訪問和存儲轉(zhuǎn)化成為一個開放原則 ,物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須能夠平滑地與互聯(lián)網(wǎng)連 的平臺 。接 ; ( 4 ) 安全性原則 ,物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)必須能夠防御 ( 2 ) 商業(yè)伙伴之間的數(shù)據(jù)傳輸層 ,這層最重要大范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)攻擊 ; ( 5 ) 堅固性原則 ,物聯(lián)網(wǎng)體系 的部分是 epc2is, 企業(yè)成員利用 epc 2is服務(wù)器處 結(jié)構(gòu)必須具備堅固性和可靠性 。 理被 ale過濾之后的信息 ,這類信息可以用于內(nèi)部以下從物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型 ,結(jié)點分類和互連結(jié) 或者外部商業(yè)伙伴之間的信息交互 。構(gòu) 3 個方面討論物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) 。 ( 3 ) 其他應(yīng) 用服 務(wù)層 , 這層 最重 要的 部分 是3. 2. 1 物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型 根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)自身的特征 ,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該提供以下 15 (全球 epc管理機(jī)構(gòu) ,詳見第 4 節(jié) )委托全幾類服務(wù) :global 球著名的域名服務(wù)機(jī)構(gòu) verisign (威瑞信 )公司提供( 1 ) 聯(lián)網(wǎng)類服務(wù) :物品標(biāo)識 、通信和定位 ; ons全球服務(wù) ,全球至少有 10個數(shù)據(jù)中心提供 ons( 2 ) 信息類服務(wù) :信息采集 、存儲和查詢 ; 服務(wù) 。( 3 ) 操作類服務(wù) : 遠(yuǎn)程配置 、監(jiān)測 、 遠(yuǎn)程操作和 以上都是分別從某個具體應(yīng)用的角度給出了物控制 ; 聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ,這類結(jié)構(gòu)還無法構(gòu)成一個通用的( 4 ) 安全類服務(wù) : 用戶管理 、訪問控制 、 事件報 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 。下面給出一個通用物聯(lián)網(wǎng)體系警、 入侵檢測 、攻擊防御 ; 結(jié)構(gòu) 。 ( 5 ) 管理類服務(wù) : 故障診斷 、性能優(yōu)化 、 系統(tǒng)升 3. 2 建議的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)級、 計費管理服務(wù) 。 以上羅列的是通用物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型集合 ,根我們認(rèn)為 ,物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該遵循以下 務(wù) ( epc 2is) , epc中間件信息的 , 2is服務(wù)器 。 第 6 期 結(jié)點 。 沈蘇彬等 :物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究 是一組具有特殊屬性的程序模塊或服務(wù) ,用戶可以 目前物流倉儲的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都依賴于產(chǎn)品電子根據(jù)某種應(yīng)用需求定制和集成 epc 中間件中的不 代碼 ( epc )網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)如圖 3 所示 ,主要組成同功 能 部 件 , 其 中 最 重 要 的 部 件 是 應(yīng) 用 層 事 件 部件包括 :產(chǎn)品電子代碼 ( epc ) ,這是一種全球范圍(ale) ,用于處理應(yīng)用層相關(guān)的事件 ; epc 信息服 指向某個存放該服務(wù)包括兩個功能epc一是存儲 epc ons, ons用于發(fā)現(xiàn)所需的 epc 2is 的地址 。 epc2 6 、 、 、 、 、 計 i 、 、 、 、 、 、 、 、 、 低 、 南 京 郵 電 大 學(xué) 學(xué) 報( 自 然 科 學(xué) 版) 2009年 據(jù)不同領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求 ,以上服務(wù)類型可以 進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展或裁剪 。物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)類型是設(shè)計 和驗證物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主要依據(jù) 。 3. 2. 2 物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)點分類 為了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu) ,首先需要劃分物 聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的類型 。物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點可以分成無源 cps結(jié)點 有源 cps結(jié)點 互聯(lián)網(wǎng) cps結(jié)點 ,其特征 從以下方面進(jìn)行描述 :電源 移動性 感知性 存儲能 力、 算能力、聯(lián) 網(wǎng)能力、連 接能力 , 具體如表 2 所示 。 表 2 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點類型與特征 源結(jié)點與有源 cps 結(jié)點 , 有源 cps 與有源 cps 結(jié) 點 ,以及有源 cps結(jié)點與互聯(lián)網(wǎng) cps結(jié)點之間的連 接 ,這些類型的連接結(jié)構(gòu)構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)互連的體系 結(jié)構(gòu) 。 由于物聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)性 ,我們建議的通用物聯(lián)網(wǎng) 體系結(jié)構(gòu)由 3 部分構(gòu)成 : 無源 cps結(jié)點與有源 cps 結(jié)點互連結(jié)構(gòu) ,有源 cps結(jié)點與有源 cps結(jié)點互連 結(jié)構(gòu) ,有源 cps結(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)點互連結(jié)構(gòu) 。 無源 cps結(jié)點與有源 cps結(jié)點互連結(jié)構(gòu)如圖 4 所示 ,無源 cps結(jié)點通過物理層協(xié)議與有源 cps結(jié) 點連接 ,例如通過 rf d 協(xié)議 ,有源 cps可以獲取無 結(jié)點類型 電源 移動性 感知性 存儲能力 計算能力 聯(lián)網(wǎng)能力 連接能力 無源 cps 無 有 被感知 無 無 無 t2t 有源 cps 有 可有 感知 有 有 有 t2t, h2t, h2h 互聯(lián)網(wǎng) cps 不間斷 無 感知 強(qiáng) 強(qiáng) 強(qiáng) h2t, h2h 源 cps結(jié)點上電子標(biāo)簽的信息 。 圖 4 無源 cps結(jié)點與有源 cps結(jié)點互連結(jié)構(gòu) 有源 cps結(jié)點與有源 cps結(jié)點互連結(jié)構(gòu)如圖 5 無源 cps結(jié)點 , 就是具有電子標(biāo)簽的物品 , 這 是物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)量最多的結(jié)點 ,例如攜帶電子標(biāo)簽的 人可以成為一個無源 cps結(jié)點 。無源 cps結(jié)點一 般不帶電源 ,可以具有移動性 ,具有被感知能力和少 量的數(shù)據(jù)存儲能力 ,不具備計算和聯(lián)網(wǎng)能力 ,提供被 動的 t2t連接 。 有源 cps結(jié)點 , 具備感知 聯(lián)網(wǎng)和控制能力的 嵌入式系統(tǒng) ,這是物聯(lián)網(wǎng)的核心結(jié)點 ,例如裝備了可 以傳感人體信息的穿戴式電腦的人可以成為一個有 源 cps 結(jié)點 。有源 cps 帶有電源 , 可以具有移動 性、感知 存儲 計算和聯(lián)網(wǎng)能力 , 提供 t2t、h2t、 h2h 連接 。 互聯(lián)網(wǎng) cps結(jié)點 ,具備聯(lián)網(wǎng)和控制能力的計算 系統(tǒng) ,這是物聯(lián)網(wǎng)的信息中心和控制中心 ,例如具有 物聯(lián)網(wǎng)安全性 可靠性要求的 ,能夠提供時間和空間 約束服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)點就是一個互聯(lián)網(wǎng) cps結(jié)點 。 互聯(lián)網(wǎng) cps結(jié)點不是一般的互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)點 ,它是屬 于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的結(jié)點 ,采用了互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 相互連接 ,但具有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中特有的時間和空間 的控制能力 ,配備了物聯(lián)網(wǎng)專用的安全性和可靠性 的控制體系 ?；ヂ?lián)網(wǎng) cps結(jié)點具有不間斷電源 ,不 具備移動性 ,可以具有感知能力 ,具有較強(qiáng)的存儲 、 計算和聯(lián)網(wǎng)能力 ,可以提供 h2t、h2h 連接 。 3. 2. 3 物聯(lián)網(wǎng)互連體系結(jié)構(gòu) 根據(jù)以上物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點的分類 ,可以進(jìn)一步研究 可能存在的連接類型 ,例如物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點之間存在無 所示 ,有源 cps結(jié)點之間通過物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 和應(yīng)用層的協(xié)議交互 ,實現(xiàn)有源 cps結(jié)點之間的信 息采集 傳遞和查詢 ?？紤]到大部分有源 cps結(jié)點 資源限制十分嚴(yán)格 ,有源 cps結(jié)點不適合配置已有 的 ip協(xié)議 ;配置的數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議也應(yīng)該是面向物聯(lián) 網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 ,可以保證可靠 高效 節(jié)能地 采集 傳遞和查詢信息 ,滿足物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點交互的應(yīng)用 需求 。 圖 5 有源 cps結(jié)點與有源 cps結(jié)點互連結(jié)構(gòu) 有源 cps結(jié)點之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)和匯聚可以通 過應(yīng)用協(xié)議實現(xiàn) ,這樣 ,可以按照應(yīng)用需要 , 設(shè)計靈 活的信息采集和轉(zhuǎn)發(fā)的協(xié)議 ,不需要采用通用的 、 效的互聯(lián)網(wǎng)中的 ip協(xié)議 。 有源 cps結(jié)點與互聯(lián)網(wǎng) cps結(jié)點互連結(jié)構(gòu)如 圖 6 所示 , 有源 cps結(jié)點需要通過 cps網(wǎng)關(guān) , 才能 連接互聯(lián)網(wǎng)結(jié)點 。 cps網(wǎng)關(guān)實際上是一個有源 cps 結(jié)點與互聯(lián)網(wǎng) cps結(jié)點的組合 ,其中實現(xiàn)了完整的 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧 。這樣 , 通過 cps網(wǎng)關(guān) , 可以在應(yīng)用 層與互聯(lián)網(wǎng)連接 ,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間信息傳 遞 ,以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間的互通 互連 和互操作 。這種互連結(jié)構(gòu)可以允許不同類型的物聯(lián) 7 、 15 d epc網(wǎng)絡(luò)由自動標(biāo)識 (auto 2i )中心開發(fā) ,其研究總 、 、 、 、 、 、 、 、 可 、 、 、 貨 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 . 第 6 期沈蘇彬等 :物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究 網(wǎng)采用滿足自身需要的聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu) ,簡化不必要的聯(lián) 網(wǎng)功能 ,降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜性 。不同的物聯(lián)網(wǎng)聯(lián) 網(wǎng)技術(shù) ,例如汽車電子聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 環(huán)境監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 等 ,可以采用適用于各自應(yīng)用領(lǐng)域的有源 cps結(jié)點 之間連接的協(xié)議結(jié)構(gòu) , 只需要通過 cps網(wǎng)關(guān) , 就可 以與互聯(lián)網(wǎng)連接 。 圖 6 有源 cps結(jié)點與互網(wǎng) cps結(jié)點互連結(jié)構(gòu) 在以上定義的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中 ,物聯(lián)網(wǎng)物理 層協(xié)議 ,提供在物理信道上采集和傳遞信息的功能 , 具有一定的安全性和可靠性控制能力 ; 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù) 鏈路層協(xié)議 ,提供對物理信道訪問控制 復(fù)用 ,在鏈 路層安全 可靠 高效傳遞數(shù)據(jù)的功能 ,具有較為完 整的可靠性 安全性控制能力 ,可以提供服務(wù)質(zhì)量的 保證 ; 應(yīng)用層協(xié)議 ,提供信息采集 傳遞 查詢功能 , 具有較為完整的用戶管理 聯(lián)網(wǎng)配置 安全管理 、 靠性控制能力 。 4 物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)模型 從抽象的物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點的互連結(jié)構(gòu)可以提取出隱 藏物聯(lián)網(wǎng)背后的關(guān)鍵理論和技術(shù) ,但這并不能完整 反映出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù) ,我們需要設(shè) 計一個通用的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型 ,進(jìn)一步提取出物聯(lián) 網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和方法 。在目前已發(fā)表的論 文中還沒有看到一個通用的物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)模型 ,這 樣 ,難以指導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)的研究和開發(fā) 。 在前面提出的通用物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上 , 我們提出一個通用物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)模型 ,試圖通過物 聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)模型 ,分析和梳理在實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)過 程中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)和方法 。構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)通常需 要分成標(biāo)識物品 建立物品聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和建立物聯(lián)網(wǎng) 應(yīng)用系統(tǒng) ,以下將從這 3 個方面討論物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的 設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù) 。 4. 1 標(biāo)識物品 世界上所有的物品可以簡單分成人造物品和自 然物品 ,人造物品包括食品 紡織品 其他日用品 、 物、道路 橋梁 樓房 汽車 飛機(jī) 輪船 生產(chǎn)線等 ,通 常在人造物品上貼上電子標(biāo)簽或者傳感裝置 ,就可 以把人造物品改造成 cps結(jié)點 。自然物品包括動 物、植物 山峰 河流 湖泊等 ,這些自然物品也可以 貼上電子標(biāo)簽或配置傳感裝置 , 改造成為 cps 結(jié) 點 。例如牛角上貼上電子標(biāo)簽 , 奶牛也成為一個 cps結(jié)點 ,可以智能化管理奶牛的喂養(yǎng)和擠奶等操 作 ;盲人穿著具有電子標(biāo)簽的鞋子 ,也可以成為一個 cps結(jié)點 ,與盲道上的電子標(biāo)簽閱讀器協(xié)同操作 ,就 可以指導(dǎo)盲人的行走 。 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的第一步是標(biāo)識物品 ,也就是 表示世界上所有的物品 ,這里需要利用電子標(biāo)簽和 傳感器技術(shù) 。而電子標(biāo)簽 ,特別是用于自然物品的 電子標(biāo)簽 ,需要具備防水 耐磨 耐高溫等特性 ,并且 具備一定的電磁特征 ,這方面需要采用信息材料技 術(shù) ,這是屬于物聯(lián)網(wǎng)的最為基礎(chǔ)的技術(shù) ,是一個應(yīng)用 十分廣泛的技術(shù) 。在信息材料技術(shù)方面的任何突 破 ,都會帶來物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的大幅度發(fā)展 。因為電子 標(biāo)簽和低端傳感器是面廣量大的產(chǎn)品 ,信息材料技 術(shù)在降低成本 提供質(zhì)量方面的任何改進(jìn) ,都會擴(kuò)展 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用面 ,降低物聯(lián)網(wǎng)部署成本 ,提高物聯(lián)網(wǎng) 產(chǎn)業(yè)的收益 。所以 ,信息材料技術(shù)的原始創(chuàng)新和自 主創(chuàng)新 ,必定會帶動我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展 。 標(biāo)識物品的另外一項技術(shù)就是世界統(tǒng)一的物品 編碼技術(shù) 。目前還沒有針對物聯(lián)網(wǎng)的全球物品編碼 技術(shù) ,產(chǎn)品電子代碼 ( epc ) 是關(guān)于全球產(chǎn)品類電子 代碼編 制的 一個 規(guī) 范 , epc 由 epcglobal ( http: www. epcglobalinc. org / )負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)化和應(yīng)用 ,它是 國際物品編碼協(xié)會 ean 和美 國統(tǒng) 一代碼 委員 會 (ucc)的一個合資公司 。它是一個受業(yè)界委托而 成立的非盈利組織 , 負(fù)責(zé) epc 網(wǎng)絡(luò)的全球化標(biāo)準(zhǔn) 。 部設(shè)在麻省理工學(xué)院 ,并且還有全球 7 所大學(xué) ,美國 麻省理工學(xué)院 (m it) , 英國劍橋大學(xué) ( cambridge ) , 澳大利亞阿德萊德大學(xué) (adelaide ) , 日本慶應(yīng)大學(xué) ( keio ) 中國復(fù)旦大學(xué) ( fudan ) 韓國信息與通信大 學(xué) ( icu ) 和瑞士圣加侖大學(xué) ( st gallen ) 的實驗室 參與 。 8 、 、 i i 、 、 、 、 、 、 。 16 , 、 安 南 京 郵 電 大 學(xué) 學(xué) 報( 自 然 科 學(xué) 版) 2009年 4. 2 建立物品聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 在完成物品標(biāo)識之后 ,就可以建立物品聯(lián)網(wǎng)系 統(tǒng) ,需要建立可以識別 驗證和采集被標(biāo)識物品的物 聯(lián)網(wǎng)結(jié)點 ,這個結(jié)點就是有源 cps結(jié)點 。 為了實現(xiàn)有源 cps結(jié)點 ,首先需要設(shè)計和實現(xiàn) 有源 cps結(jié)點與無源 cps結(jié)點 有源 cps結(jié)點與有 源 cps結(jié)點之間的無線通信機(jī)制 ,以及基于信息編 解碼技術(shù)的物品識別機(jī)制 。其次必須設(shè)計和實現(xiàn)通 信信道復(fù)用機(jī)制 ,使得在一條信道上可以同時完成 多個無源或者有源 cps結(jié)點的通信 ,例如 rf d 技 術(shù)同時可以識別 100 多個具有 rf d 標(biāo)簽的物品 。 然后需要設(shè)計和實現(xiàn)通信信道上的可靠傳輸機(jī)制 、 實時傳輸機(jī)制 ,滿足物聯(lián)網(wǎng)對可靠性和實時性的要 求 。前面兩個部分可以構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的聯(lián)網(wǎng)系 統(tǒng) (見圖 7 ) 。 圖 7 有源 cps結(jié)點實現(xiàn)系統(tǒng) 4. 3 建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng) 由于物聯(lián)網(wǎng)的特殊性 ,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)需要分 成兩階段建立 :建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺 ,建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng) 用系統(tǒng) 。 在建立有源 cps結(jié)點的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之后 ,就需要 設(shè)計和實現(xiàn)有源 cps結(jié)點的網(wǎng)絡(luò)配置 用戶管理 、 結(jié)點控制 信息采集 信息傳輸和信息查詢的功能 , 建立一個基本的物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用平臺 ,這也就是面向 設(shè)計和實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng) ,包括基本應(yīng)用系統(tǒng)和 特定應(yīng)用系統(tǒng) ,如圖 8 所示 ?；緫?yīng)用系統(tǒng)可以包 括物品命名管理系統(tǒng) 物品身份真?zhèn)悟炞C系統(tǒng) 物聯(lián) 網(wǎng)系統(tǒng)管理等 ,特定應(yīng)用系統(tǒng)可以包括倉儲管理系 統(tǒng)、樓宇監(jiān)控系統(tǒng) 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等 。 圖 8 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu) 大部分物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點計算和存儲資源都較為有 限 ,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的部署是一個關(guān)鍵的技術(shù) 。物 聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)需要區(qū)分應(yīng)用系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)端和互聯(lián) 網(wǎng)端 ,如圖 9 所示 , 應(yīng)用系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)端部署在有源 cps結(jié)點上 ,可以作為應(yīng)用系統(tǒng)的客戶端 (采用客戶 機(jī) /服務(wù)器 ) ,也可以作為應(yīng)用系統(tǒng)的對等端 (采用 p2p應(yīng)用模式 ) ,但是 ,必須要求功能簡潔可靠 ; 應(yīng)用 系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)端部署在互聯(lián)網(wǎng) cps結(jié)點上 ,可以作為 應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)器端 (采用客戶機(jī) /服務(wù)器 ) , 也可 以作為應(yīng)用系統(tǒng)的對等端 (采用 p2p應(yīng)用模式 ) ,但 都需要提供較為強(qiáng)大的存儲和后端處理能力 ,滿足 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求 。 圖 9 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu) 5 物聯(lián)網(wǎng)研究與開發(fā)面臨的挑戰(zhàn) 某個具體應(yīng)用領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)中間件 (見圖 7 ) 。因為 物聯(lián)網(wǎng)研究和開發(fā)既是機(jī)遇 ,更是挑戰(zhàn) 16 - 17 不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ诮Y(jié)點控制的可靠性 實時性 、 全性有不同的要求 , 所以 ,需要針對不同應(yīng)用領(lǐng)域 , 設(shè)計和實現(xiàn)不同控制力度的應(yīng)用中間件 。設(shè)計和實 現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的中間件 ,可以隔離物聯(lián)網(wǎng)特定聯(lián)網(wǎng) 系統(tǒng) ,滿足快速應(yīng)用開發(fā)的需求 。 在設(shè)計和實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件過程中 ,需要 參照物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用平臺服務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn) ,如 果是一個全新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域 ,可以在設(shè)計和實 現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件過程中 ,提取與實現(xiàn)無關(guān)的部 分 ,形成該領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺服務(wù)接口技術(shù) 規(guī)范 。 在建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件之后 ,就可以進(jìn)一步 如果能夠面對挑戰(zhàn) ,從深層次解決物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵 理論問題和技術(shù)難點 ,并且能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)研究和開 發(fā)的成果應(yīng)用于實際 ,則我們就可以在物聯(lián)網(wǎng)研究 和開發(fā)中獲得發(fā)展的機(jī)遇 。否則 ,物聯(lián)網(wǎng)研究和開 發(fā)只會浪費時間和資源 ,又一次錯過了在科學(xué)和技 術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的機(jī)遇 。 物聯(lián)網(wǎng)研究和開發(fā)面臨 3 個方面的挑戰(zhàn) : 基礎(chǔ) 研究方面的挑戰(zhàn) ,技術(shù)開發(fā)方面的挑戰(zhàn) ,以及示范系 統(tǒng)構(gòu)建和部署方面的調(diào)整 。 5. 1 基礎(chǔ)研究方面的挑戰(zhàn) 美國加州大學(xué)伯克利分校 edward a. lee 教授 在分析了當(dāng)今計算和聯(lián)網(wǎng)方式與物理處理過程 9 20 21 22 23 10 、 、 、 、 、 、 、 、 、 18 、 11 、 、 、 、 、 、 、 、 19 、 、 第 6 期沈蘇彬等 :物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究 提出了兩者的差異 : 物理系統(tǒng)中的部件在安全性和 可靠性方面的需求與通用計算部件存在質(zhì)的差異 ; 這是需要研究的問題 。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)中面臨許多挑戰(zhàn) ,例如提供安 物理部件與面向?qū)ο蟮能浖考泊嬖谫|(zhì)的差異 ,全、實時的數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù), 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的正確性 計算和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用的基于方法調(diào)用和線程的標(biāo)準(zhǔn) 抽象體系在物理系統(tǒng)中無法工作 。由此 , lee 教授 提出這樣的疑問 : 今天的計算和聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是否能夠 為開發(fā) cps系統(tǒng)提供足夠的基礎(chǔ) ? 其研究結(jié)論是 : 必須再造計算和網(wǎng)絡(luò)的抽象體系 ,以便統(tǒng)一物理系 統(tǒng)的動態(tài)性和計算的離散性 。 如何再造計算和網(wǎng)絡(luò)的抽象體系 ,這是物聯(lián)網(wǎng) 基礎(chǔ)研究的核心內(nèi)容 ,包括如何在編程語言中增加 時序 ,如何重新定義操作系統(tǒng)和編程語言的接口 ,如 何重新思考硬件與軟件的劃分 ,如何在互聯(lián)網(wǎng)中增 加時序 ,如何計算系統(tǒng)的可預(yù)測性和可靠性等 。 5. 2 技術(shù)開發(fā)方面的挑戰(zhàn) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)中 ,面臨諸多的技術(shù)開發(fā)方面 的挑戰(zhàn) 。物聯(lián)網(wǎng)是嵌入式系統(tǒng) 聯(lián)網(wǎng)和控制系統(tǒng)的 集成 ,它由計算系統(tǒng) 包含傳感器和執(zhí)行器的嵌入式 系統(tǒng)等異構(gòu)系統(tǒng)組成 ,首先需要解決物理系統(tǒng)與計 算系統(tǒng)協(xié)同處理 。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下 ,事件檢測和動 驗證技術(shù) 嵌入式萬維網(wǎng)服務(wù)開發(fā)技術(shù) 隱私保 護(hù)技術(shù) 以及安全控制技術(shù) 等 , 這些技術(shù)是決 定物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù) 。 5. 3 示范系統(tǒng)建設(shè)的挑戰(zhàn) 建設(shè)和部署物聯(lián)網(wǎng)示范系統(tǒng) ,在社會層面和技 術(shù)層面都面臨較大的挑戰(zhàn) 。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的典型 示范系統(tǒng) ,例如樓宇內(nèi)部的照明 電表 街道路燈系 統(tǒng)等 ,都會涉及到較為復(fù)雜的基本建設(shè)工程和公共 設(shè)施工程 。其次 ,消耗最多能源的 具有最大節(jié)能潛 力的物品通常都是巨大的 昂貴的裝置 ,改造這些裝 置面臨很大的困難 。另外 ,建設(shè)和部署物聯(lián)網(wǎng)面臨 的較為直接的挑戰(zhàn)是 ,如何讓人們愿意使用并且可 以維護(hù)物聯(lián)網(wǎng) ? 這里不僅存在技術(shù)本身的問題 ,還 存在如何進(jìn)行培訓(xùn) 教育和普及物聯(lián)網(wǎng)知識和技術(shù) 的問題 。 構(gòu)建和部署物聯(lián)網(wǎng)示范系統(tǒng)的技術(shù)層面的挑戰(zhàn) 包括通信基礎(chǔ)設(shè)施 ,隱私保護(hù)和互操作性問題 。物 作決策操作涉及到時間和空間,這些操作必須準(zhǔn) 聯(lián)網(wǎng)需要普適聯(lián)網(wǎng) ,對于公共設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)需要在 確和實時 ,以保證物聯(lián)網(wǎng)操作中時間和空間的正確 性 。需要分析事件的時間和空間特性 ,設(shè)計面向物 聯(lián)網(wǎng)的 具有時間和空間條件限制的分層物聯(lián)網(wǎng)事 件模型 。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)中 ,還需要建立物聯(lián)網(wǎng)的可依 城市范圍建立全覆蓋的無線聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施 , 而這種 設(shè)施是無法在短時間建立的 。如何經(jīng)濟(jì)有效地構(gòu)建 滿足物聯(lián)網(wǎng)需要的聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施 ? 這在技術(shù)上也是 一個挑戰(zhàn) 。 無論是公共設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng) ,還是企業(yè)專用的物 賴性模型,這也是進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的一個挑戰(zhàn) 。 聯(lián)網(wǎng) ,都需要提供嚴(yán)格的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制 , 否則 ,無論 采用傳統(tǒng)的方法 ,分別評價 建模和仿真組成物聯(lián)網(wǎng) 的物理裝置和網(wǎng)絡(luò)部件 ,這樣無法構(gòu)造整個物聯(lián)網(wǎng) 系統(tǒng)的可依賴模型 。必須建立物理裝置和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 的相互依賴模型 ,其中包括構(gòu)建定性的物聯(lián)網(wǎng)交互 依賴模型 ,構(gòu)建量化的物聯(lián)網(wǎng)交互依賴模型 ,按照物 聯(lián)網(wǎng)中的物理裝置和網(wǎng)絡(luò)部件屬性描述物聯(lián)網(wǎng)的可 依賴性 ,驗證這種可依賴性模型的正確性 。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)中 ,需要面臨如何構(gòu)建面向物 聯(lián)網(wǎng)中間件的技術(shù)難題 。中間件可以減少 50%的 軟件開發(fā)時間和成本 , 由于 cps資源的限制 服務(wù) 質(zhì)量要求 可靠性要求等 , 通用的中間件無法滿足 是公眾 ,還是企業(yè)都不會接受物聯(lián)網(wǎng) ,不會使用物聯(lián) 網(wǎng)的相關(guān)應(yīng)用的 。從用戶角度看 ,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該是以 用戶為核心的網(wǎng)絡(luò) ,完全可以按照用戶的意愿進(jìn)行 控制和操作 。如何讓用戶信任物聯(lián)網(wǎng) ? 這在技術(shù)上 還是一個很大的挑戰(zhàn) 。 物聯(lián)網(wǎng)提供的普適服務(wù)依賴于互操作性 ,它不 僅依賴于網(wǎng)絡(luò)運營商提供的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)質(zhì)量 , 還依賴 于跨域的命名 安全性 移動性 多播 定位 路由和 管理 ,也包括對于提供公共設(shè)施的公平補(bǔ)償 。如何 形成完整的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并且實現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn) ? 這 是一項十分具有挑戰(zhàn)的工作 。 cps應(yīng)用開發(fā)的需求。但是 ,重新開發(fā)一個面向 cps的中間件似乎難度較大 , 現(xiàn)代軟件技術(shù)的一個 基本原則是軟件重用 。所以 ,可以考慮采用面向應(yīng) 用領(lǐng)域的定制方法改造中間件 。但是 ,改造一種結(jié) 構(gòu)復(fù)雜的 功能繁瑣的通用中間件的成本是否一定 小于構(gòu)建一個結(jié)構(gòu)簡單的 功能簡潔的