物联网的热门与冷思考

——兼谈物联网专业的建设

Thinking in popular topics about internet of things

                     --And talking about professional construction of internet of things

厦门华厦职业学院 电子信息教学部 陈南京

【摘要】2010年全国高校掀起了一股物联网专业申报的热潮，本文就物联网的现状，物联网发展目前主要的技术瓶颈以及高校设置物联网的现实条件进行了详尽的论述，并结合我院实际情况简要说明了我院开设物联网专业的实际需求。

【关键词】物联网 RFID 专业设置

1.引言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的英文名称叫Internet of Things（IOT），也称为Web of Things。 1999年在美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网（Internet of Things）这个概念：提出了结合物品编码、RFID和互联网技术的解决方案。当时提出了基于互联网、RFID技 术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，构建一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things”（简称物联网）。

目前，全球各个国家或组织给出了物联网的不同定义，其中以欧盟委员会信息和社会媒体司RFID部门负责人Lorent Ferderix博士在2009年9月北京举办的“物联网与企业环境中欧研讨会”上给出的欧盟对物联网的定义相对简明扼要：物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一道，构成未来互联网^[1]。

和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。

首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。

其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种 有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。

还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控 制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应各类用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

物联网前景非常广阔，它将极大地改变我们目前的生活方式。美国权威咨询机构FORRESTER预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比１，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。EPOSS在《Internet of Things in 2020》报告中分析预测，未来物联网的发展将经历四个阶段，2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域，2010~2015年物体互联，2015~2020年物体进入半智能化，2020年之后物体进入全智能化。

因此，物联网概念提出来后，受到了各国政府的重视，美国更是将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点，欧盟则将物联网及其核心技术纳入到正在实施的、预算高达500亿欧元的欧盟第七个科技框架计划(2007年~2013年)中。 我国在失去了前两次信息浪潮的发展良机后，也将物联网列入国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，努力争夺相关标准制定的话语权，并于2008年11月成立了由无锡市与中科院上海微系统所共建成立的中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心。

2 物联网的基本原理

一般来讲，物联网的开展步骤主要如下，示例图如图1：

（1）              对物体属性进行标识，属性包括静态和动态的属性。通过二维码，RFID等技术标识特定的对象，用于区分对象个体，例如各种智能卡。条码标签的基本用途就是用来获得对象的识别信息，此外通过智能标签还可以用于获得对象物品所包含的扩展信息，例如智能卡上的金额余额，二维码中所包含的网址和名称等。静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测。

（2）              需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式。利用多种类型的传感器和分布广泛的传感器网络，可以实现对某个对象的实时 状态的获取和特定对象行为的监控，如使用分布在市区的各个噪音探头监测噪声污染，通过二氧化碳传感器监控大气中二氧化碳的浓度，通过GPS标签跟踪车辆位置，通过交通路口的摄像头捕捉实时交通流程等。

（3）              将物体的信息通过网络传输到信息处理中心（处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的，如中国移动的IDC），由处理中心完成物体通信的相关计算。还可以依据传感器网络获取的数据进行决策，改变对象的行为进行控制和反馈。例如根据光线的强弱调整路灯的亮度，根据车辆的流量自动调整红绿灯间隔等。

3 物联网的技术基础

　物联网技术是一项综合性的技术，是一项关于物联网的规划和设计以及研发，关键在于RFID、传感器、嵌入式软件 以及传输数据计算等领域的研究。从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层，如图2所示。 

图1 物联网开展步骤示例图                    图2 物联网技术框架图

感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。  

网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。

应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，目前绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试，某些行业已经积累一些成功的案例。

从技术角度来看，物联网需要多种技术进行融合，共同提供了用以弥合虚拟和现实之间的差距。这些功能包括^[3]：

1.         通信与合作：对象有能力与互联网资源，甚至与任一对象互联，充分共享数据和服务以及状态的更新。无线技术如GSM和UMTS，Wi-Fi， 蓝牙，ZigBee以及其他各种无线网络标准目前处于开发阶段，特别是与无线个人区域网络（WPAN）相关的是最为重要的。

2.         可寻址的：在一个物联网里，对象可以通过发现、查找或者名称服务进行定位和寻址，从而实现远程查询或者配置。

3.        可鉴定的：对象是通过惟一性来识别的。 RFID技术的NFC（近距离通信）和光学可读条形码就是这样的一种例子，利用这种技术，即便没有内置能源的被动物体仍可被识别（通过如RFID阅读器或移动电话等“中间件”的帮助）。如果中间件已经连接到网络了，鉴定使对象可以链接到相关信息，这些信息与特定的对象相关，并且可以从服务器检索。

4.         可感知的：传感器收集与它们周围环境相关的信息，记录，转发或直接对它作出反应。

5.         驱动：对象利用自身所包含的执行器来操纵其环境（ 例如，将电信号转换成机械运动）。通过互联网可以利用这种执行器远程控制现实世界的进程。

6.         嵌入式信息处理：智能对象的特征包括处理器或微控制器，以及存储容量。这些资源可以被用于处理或者解释传感器的信息，或给产品添加它们是如何被使用的记录。

7.         本土化：智能物体了解自己身处何处或者时刻定位。和超声波时间飞行测量（Ultrasound Time-of-Flight Measurements），UWB（超宽带），无线电信标（如邻近的已知坐标的无线基站或RFID阅读器）和光学技术一样，GPS或移动电话网络也是实现这一点的合适技术。

8.         用户界面：智能对象可以以恰当（直接或间接地，例如通过智能手机）的方式与人交流，。与此有关的有创新的互动模式，如有形的用户界面，灵活的多样化显示以及语音，图像或手势识别方法。

4 物联网面临的技术难题

虽然物联网的应用远景看起来非常美好，但是也对基本技术提出了很高的要求。从计算机网络发展到远程并且带有模糊目标的物联网需要一步步的完成。要在大量的对象上进行装备，除了技术难度外，成本也是需要考虑的一个重要因素。因此，物联网的实现还面临着许多挑战，如^[3]：

可扩展性：物联网具有比传统的计算机网络更大的整体应用范围。但是信息交流主要是在一个本地的环境。因此需要通讯和服务发现等基础功能在小规模和大规模环境也同样有效。

到达和操作：智能的日常物体与计算机不同，不能要求它们的用户对其进行配置以适应特定情况。移动的东西，往往​​只是偶尔使用，需要自发的建立连接，组织自身并完成配置以满足它们所处的特定环境需求。

互操作性：由于物理世界的丰富多样化，物联网的中每一种类型的智能对象的类型可能有不同的信息，处理和通信能力。不同的智能对象也将受到非常不同的条件，如可用的能源和通讯需要的带宽。然而，为了进行通信和信息交换，共同的标准是必需的。因此，应该尽可能的沿着传统互联网领域的IP标准来制定相关的规范。

发现：在动态环境中，应当能够提供自动识别对象的服务，这就需要描述其功能的适当的语义。用户希望获得与产品有关的信息，包括使用搜索引擎，或者提供有关对象的状态信息。

软件的复杂性：虽然智能对象的软件系统将如传统的嵌入式系统一样配备最少的资源，但是，也需要更广泛的软件基础以支持网络和后台服务器，从而管理智能对象和提供支持它们的服务。

数据量：有些应用方案仅包括简短，较少的通信量，但是，其他如传感网，物流和大规模的“真实世界的认知”的情况，却需要大量存储在中央网络节点或服务器的数据。

资料解释：为了支持智能对象的用户，需要通过传感器尽可能准确传递当地的情况，需要从能够感知的数据得出一些一般化的结论以传递给不同用途的用户。然而，从原始的感知数据装换成有用的信息的研究仍处于起步的阶段。

安全和个人隐私：Internet网的安全与保护是大家都熟悉(如通信的机密性、真实性和授权等)，但是对于物联网而言，其它要求也是重要的。例如可能想让用户有选择性的获得一定的服务，或阻止它们在某一时段或用不受控制的方法与某些事物进行通信，涉及智能对象的交易也需要被保护以防竞争对手的监听。

容错性：物联网因其内容的快速变换以及不可预期的变换方式，比计算机网络具有更强的动态特性和可移动性。因此，需要构建一种稳健的和可信赖的物联网，而这将要求不同级别的冗余以及随着条件改变的更强的自适应能力。

供电：物联网的对象处于移动中，无法连接到一个固定的电源，所以它们的智能化要求能够自主供电。虽然被动RFID转发器不需要自己的电源，但是，它们的功能与通讯范围很有限。在许多场景，受到自身大小和重量的限制，电源的供应将是一个问题，特别是因为它们基于自身维护的要求。不幸的是，电源技术相对而言进展缓慢，即从环境中(使用温度差异、振动、气流、光等)产生能源还没有强大到足以满足人们在许多的应用场景对当前电子系统的需要。

希望完全寄托在未来低能耗的处理器和嵌入式系统所需要的通讯原件。节能不仅局限于硬件和系统结构，而且在软件，例如实施协议栈的内容，在那里每传输一个字节都需要消耗能源。已经有一些无源的无线传感器能够将信息传输到几米远的地方。如RFID系统，它们可以从远端或过程本身获得能源，例如利用压电或热释电材料进行压力和温度测量。

5 高校的物联网专业建设

2010年6月10日，江南大学为进一步整合相关学科资源，推动相关学科跨越式发展，提升战略性新兴产业的人才培养与科学研究水平，服务物联网产业发展，江南大学信息工程学院和江南大学通信与控制工程学院合并组建成立“物联网工程学院”，也是全国第一个物联网工程学院。截止目前，全国共有三十多所高校设置了物联网工程及相关专业。

由于物联网涉及的领域非常广泛，从技术角度，主要涉及的现有高校院系与专业有：计算机科学与工程，电子与电气工程，电子信息与通讯，自动控制，遥感与遥测，精密仪器等等。显然，物联网专业很难有一个清晰的定位，而要培养学生熟悉乃至知晓这么多行业的知识本身就不是一件容易的事情。国外的高校或研究机构多注重于物联网某些方面特别是RFID和传感网的研究，而很少设立物联网专业或者学科的。

我院目前有计算机应用技术、计算机网络技术、通信技术及应用电子技术等专业，与物联网涉及的领域相关度很高。顺应国内的趋势，在我院设立物联网专业有一定的基础。然而，我院相关专业的培养方向却未必都与物联网所需要的知识结构相关，例如通信技术专业目前主要培养的是偏重于工程规划、设计施工及相关概预算方面的人才，与物联网所需的通信技术相差甚远。鉴于物联网必定是未来发展的趋势，因此，目前我院物联网专业设置的话必将带动相关专业的整合，以及培养方案的修订。

参考文献

1)        期刊： [1] 马文方.物联网：欧盟在行动[J].中国计算机报. 2010年第11期.

[2] Friedemann Mattern, Christian Floerkemeier, From the Internet of Computers to the Internet of Things[J]. Informatik-Spektrum 33(2). pp.224–250 (2010).

2)        专著： [1] INFSO D.4 NETWORKED ENTERPRISE & RFID INFSO G.2 MICRO & NANOSYSTEMS, WORKING GROUP RFID OF THE ETP EPOSS. Internet of Things in 2020[R]. 27 May, 2008.