从理论到应用：物联网发展历程与趋势展望

　　要想让传感器真正“飞入寻常世界中”，它必需在体积、造价、能耗等方面进行“瘦身”，这样它才真正能够进入到物理世界。  

　　现在在我手边有一个黑乎乎的小匣子，只有鼠标的一半大。有位记者说这东西看起来像古老的BP机，不过BP机进博物馆，但这个小匣子还将继续存在很久，而且还将经历“72变”，最终完全成为人们生活的一部分。  

　　这个黑乎乎的东西就是传感器，也是我折腾了将近20年的小玩意儿，它被复制了1万多个，在微软3个数据中心的角落里“站着岗”，常年监控着机房内的温度和湿度。说起传感器以及由它组成的网络——传感网，或者是现在比较时髦的说法“物联网”，从其诞生到现在已经有几十年的历史了，我们先翻开历史的卷轴，看看其发展历程。  

传感网的古与今  

　　对于互联网来说，20世纪80年代是黄金时代，这段时间出了一个知名的人物——鲍勃·卡恩（BobKahn），他被人们称为互联网之父（被赋予同样称呼的人还有好几个）。在为互联网做出卓越贡献的同时，他也非常有远见的为另一个始于上世纪80年代的项目——分布式传感网（DistributedSensorNet,简称DSN）——做了奠基。在那个年代，传感器远比我手上的这个大得多，要用一辆卡车来拉。这么大的传感器作为一个个节点组织在一起，通过微波彼此相连，就组成了传感网。  

　　庞大的传感器在体积方面跟不上人们对其功用上的期望，于是研究者们就开始思考能不能把它做得小一点、再小一点。于是，在上世纪90年代，“智能微尘”（SmartDust）这个很有意思的概念出现了，提出者是KrisPister，他是加州大学伯克利分校的教授。这一概念认为可以将计算和通讯集成在约1~2平方毫米的超微型传感器中，用以对周围环境的参数进行探测。其核心的成分是微电机系统（Micro-Electro-MechanicalSystem,简称MEMS；这个概念在当时引起非常大的轰动），该系统中可以集成很多和机械有关的传感器。  

　　当时KrisPister这批人有一个幻想——在蒲公英上面悬挂一个传感芯片，蒲公英飞到哪里就探测哪里的信号，再把信号传递回来。虽然只是一个假想，但当时真有科学家信心百倍地投入其中，并且还把所需的数据算出来了。比如有空气动力学专家计算出了芯片应有的重量等等。在2001年，加州大学伯克利分校的实验室真做出了这种理想中的芯片雏形，比米粒还小，可谓“细如发丝，薄如蝉翼”。他们送给了我一个，当时我还精心包装了一下。可惜最近找不到了，特别遗憾。倘若芯片里面还有电留存的话，说不定我就能通过网络定位到它的“安身之所”了。  

　　在这一时期，有三所高校和研究机构在传感器领域处于领军地位，一是加州大学伯克利分校（以KrisPister为代表，他们提出了“智能微尘”理论），另外两个是加州大学洛杉矶分校（他们提出了“微无线技术”）和施乐帕克研究中心（XeroxPARC）。施乐帕克研究中心的团队主要由我带领，我们做的是传感信息处理和“智能物质”（SmartMatter），希望能把计算、微电机系统放到物理世界中，与“智能微尘”也有非常紧密的联系。  

　　自本世纪初以来，对于传感的研究越来越受到人们的重视，有很多学校和大公司的研发机构开始进行了类似的研究，并有许多新兴公司借此东风异军突起。将传感器连接成“网”或“系统”，就成了传感网。除了传感网以外，类似的概念也相继提出，比如“CyberPhysicalSystem”和“InternetofThings”(简称IOT)。相较而言，IOT的概念在提出的初期更接近于日常生活，比如常见的RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）技术就是它的一部分。  

　　关于传感网和物联网的历史，若从大的传感器开始算起，传感网诞生至今应有30年了；而若从微传感网（MicroWirelessSensorNetwork）来说，应该仅有15至20年：微传感网始于上世纪90年代，那个时期的人们刚刚提出“微电机系统”的概念，试图把传感器和计算机处理和通讯全部都集成在一个芯片上，即“智慧微尘”。  

　　其实传感器的历史，归结起来就八个字——从大到小，以点到面。这八个字看似简单，但做起来却是困难重重——要想让传感器真正“飞入寻常世界中”，它必需在体积、造价、能耗等方面进行“瘦身”，这样它才真正能够进入到物理世界。  

　　然而，造型的缩小并不是传感进入生活的唯一条件，还需要互联网技术的配合以实现从点到面的网际联系。就IP地址而言，物联网应采用IPv6（IPv4必然不够），它有128位两进制的IP网址数，这相当于给世界上的每个沙粒都赋予了一个 IP地址。唯有当所有的物体都有一个属于自己的IP的时候，物联网才能真正实现。总而言之，物联网的实现需要这两方面的相辅相成：一是利用微处理技术（micro-fabrication），提高集成度；其二是运用IP技术，以提供足够丰富的网址。 

感知地球  

　　互联网作为一个产业革命的传奇和标本，人们总忍不住把传感网与之相提并论，希望互联网能成为物联网真正诞生的一架云梯：在互联网发展的前30年，其主要功能是把通讯和信息网络化，使得我们可以用关键字检索。而今在信息网络化完成之后，接下来的主要挑战是如何将互联网和物理世界相互联系，使得物理世界中的因素（比如温度、湿度、图像、声音等）能够被存储标记和搜索，并能使得人们通过一种非常便利的方式获取这些信息，这就是所谓的物联网。  

　　互联网是人与人之间的联系；而物联网是物与物之间以及与数字世界的联系，其核心是传感网，关键是传感器、网络和感知。温家宝总理在参观了无锡中科院物联网研究所之后，也高瞻远瞩的肯定了“感知中国”的科技畅想，并决心将物联网作为新兴产业制高点放进“十二五”规划中。我们相信一旦物联网成为现实，它将为我们的生活带来翻天覆地的变化，让人与物的联系不再受时空经纬的局限，比如在出门上班前就可以知道小孩的班车是不是已经到学校了；室外的温度、湿度如何；离家在外还能检查一下家里的煤气有没有关等等。如果你新到一所城市，你甚至还可以查找到有多少你所认识但久未联系的故知旧友与你共同生活在一个城市的天空下，他们都分布在那一方角落。  

　　概而言之，我认为物联网将在以下三个领域发挥其显著的用途和价值：  

　　自然生态环境：可以利用传感器监控空间而不是某个特定的物体，如关注某片空间的温度、湿度等；这需要很小的传感器的高密度分布，同时更不能影响环境（nonintrusive）。  

　　工业、商业应用：可以利用传感器监测追踪特定物体，如监控货物在途中是否受过震动，温度的变化对其是否有影响，是否损坏其物理结构等等。可以应用到供应链管理、设备保存、车流交通、工厂生产等方面。  

　　人类和社会活动：可以利用传感器监控人们日常生活中的行为。这在老龄化社会的医疗保健中可以得到很多应用，比如传感器可以监控老年人的生活作息，一旦出现意外，可以及时通知亲人和医生。同样的，也可以帮助母亲追踪自己的幼儿。有趣的是，在日本现在就有人用它来找回失踪宠物。  

　　之所以先对未来物联网的应用领域进行介绍和分类，是因为我认为物联网能够得到发展的原因在于找到大规模的应用方式。拿一个互联网的例子来说，1985年我在麻省理工学院(MIT)读书时有个e-mail地址，那个时候e-mail还不像现在一样应用如此广泛，只是简单的代替传统邮件的工作。而在商用互联网发展起来之后，电子邮件的用途已远远超出通信了。对于物联网来说，前15年走过的路大多还比较窄，大都局限在学术研究中，还没有真正走入到人们的生活，远没有发展到人们生活离不开的程度。未来的这段路需要去探寻对人们生活有非凡意义的应用方式，这些应用能够真正大规模的解决人们生活中的问题，给人们的生活带来可感知的变化。  

　　赵峰简介:微软亚洲研究院常务副院长，主要负责系统、无线与网络、硬件计算以及多媒体通信等领域的研究工作。在加入微软亚洲研究院之前，赵博士是微软总部雷德蒙研究院的首席研究员，负责网络嵌入式计算组。他领导开发了微软研究院传感器尘粒、微型网络服务、SenseWeb和SensorMap、数据中心基因组、焦耳计量器以及GAMPS数据压缩。借助多项赵博士研发的技术，如今的微软数据中心被誉为全球仪表化与监控最为密集的云计算基础架构。他是《美国计算机学会传感网络汇刊》的创刊总编辑，并且撰写或合作撰写了超过100篇技术论文和多部书籍。