传感网与物联网的进展与趋势

　　引言 

　　一年来，从IT界到一些国家首脑，都高度关注传感网、物联网与智慧地球的发展动态，认为这是继20世纪8O年代PC机、90年代因特I~(Intemet，又称互联网)、移动通信网之后，将引发IT业突破性发展的第三次IT产业化浪潮。当今世界，信息技术正处于新一轮重大技术突破的前夜。
 
　　2009年1月，奥巴马就任总统后第一次举行的美国工商业领袖圆桌会上，IBM 总裁兼CEO彭明盛提出“智慧地球”(smart eal'th)的新理念，建议投资新一代智慧型基础设施。奥巴马给予积极的回应，表示要投资宽带网络等新兴技术，以保持美国在21世纪的竞争优势。表明智慧型基础设施和“智慧地球”将可能上升为美国国家发展战略的动向。

　　2009年8月7日，温家宝总理到中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心考察时说：“当计算机和互联网产业大规模发展时，我们因为没有掌握核心技术而走过一些弯路。在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术。 ”提出要加快推进传感网发展，建立中国传感信息中心。 

　　2009年9月11日，传感网国家标准工作组在京成立。“感知中国”高峰论坛召开，中国移动称：物联网是“万亿”级产业。2009年11月3日，温家宝总理在北京向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》时强调，“要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后I P时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机”。 

　　以上表明，传感网和物联网技术已成为当前各国科技和产业竞争的热点，许多发达国家都加大对物联网技术和智慧型基础设施的投入与研发力度，力图抡占科技制高点。我国也及时地将传感网和物联网列为国家重点发展的战略性的新兴产业之一。 

　　1 传感网的由来与进展 

　　信息技术(IT)是指实现信息的获取、传输、处理和应用等功能的一类技术。它由感测、通信网络、计算机和控制等四大基本部分组成。传感器技术、通信网络技术和计算机技术，分别承担对信息的获取、传输和处理，它们的融合构建了现代信息系统的“感官”、“神经”和“头脑”。 

　　1．1 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN) 

　　20世纪90年代末，随着现代传感器、无线通信、现代网络、嵌入式计算、微机电(Micro．Electro．Mechanical Systems MEMS)、集成电路、分布式信息处理与人工智能等新兴技术的发展与融合，以及新材料、新工艺的出现，传感器技术向微型化、无线化、数字化、网络化、智能化方向迅速发展。由此研制出了各种具有感知、通信与计算功能的智能微型传感器。由大量的部署在监测区域内的微型传感器节点构成的无线传感器网络，通过无线通信方式智能组网，形成一个自组织网络系统，具有信号采集、实时监测、信息传输、协同处理、信息服务等功能，能感知、采集和处理网络所覆盖区域中感知对象的各种信息，并将处理后的信息传递给用户。 

　　WSN 可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下，获取大量详实可靠的物理世界的信息，这种具有智能获取、传输和处理信息功能的网络化智能传感器和无线传感器网，正在逐步形成IT领域的新兴产业。它可以广泛应用于军事、科研、环境、交通、医疗、制造、反恐、抗灾、家居等领域。

　　无线传感器网络系统是一个学科交叉综合的、知识高度集成的前沿热点研究领域，正受到各方面的高度关注。美国国防部在2000年时就把传感网定为五大国防建设领域之一；美国研究机构和媒体认为它是21世纪世界最具有影响力的、高技术领域的四大支柱型产业之一，是改变世界的十大新兴技术之一。日本在2004年就把传感器网络定为四项重点战略之一。

　　我国《国家中长期科学与技术发展规划(2006．2020年)》中把智能感知技术、自组织网络与通信技术、宽带无线移动通信等技术列为重点发展的前沿技术。 

　　1．2 基于射频识别(RFID)的传感器网络 

　　基于射频识别RFID (Radio Frequency Identification)的无线传感器网络，是目前最主要的一种无线传感器网络类型。射频识别是一种利用无线射频方式在读写器和电子标签之问进行非接触的双向数据传输，以达到目标识别和数据交换目的的技术。它能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，将客观世界的物理信号转换成电信号，从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会的交流。 

　　通常，RFID系统由电子标签、读写器、微型天线和信息处理系统组成I 。 

　　1）电子标签：即应答器，它由耦合元件和微电子芯片组成，粘附在物体上，内部存储待识别物体的信息。通常电子标签没有自备的供电电源，其工作所需要的能量，由读写器通过耦合元件传递给电子标签。 

　　2）读写器：又称扫描器，它能发出射频信号，扫描电子标签而获取数据。读写器包含高频模块(发送器和接受器)、控制单元、与电子标签连接的耦合元件以及与PC机或其它控制装置进行数据传输的接口。 

　　3）微型天线：它在电子标签和阅读器问传递射频信号。 

　　4）信息处理系统：即计算机系统。 

　　在实际应用中，RFID系统内存储有约定格式数据的电子标签，粘附在待识别物体的表面。读写器通过天线发出一定频率的射频信号，当电子标签进入感应磁场范围时被激活产生感应电流从而获得能量，发送出自身的编码等信息，被读写器无接触地读取、解码与识别，从而达到自动识别物体的目的。然后将识别的信息送至主计算机系统进行有关的数据信息处理。 

　　1．3 传感网技术优先攻关的瓶颈 

　　据有关方面研究表明：现在传感器问的信息量已超过计算机或其它应用，成为信息交互的主流。其在感知层、网络层与应用层都有各自攻关的关键技术。传感网与因特网的高效融合，能实现人与物、物与物的互联，从而形成“物联网”。因此，传感器核心芯片和传感器网接入因特网的技术将成为今后几年IT前沿技术进展中优先攻关的瓶颈。
 
　　2 物联网的由来与进展 

　　2．1物联网的由来 

　　今年以来，“物联网”(IntemetofThings)成为国内外IT业界和社会关注的焦点之一，实际上它已经走过了l0年的发展历程。1999年正式提出物联网概念后，世界各国都在加紧物联网的研发。我国物联网研发始于1999年，当时中科院启动了传感网研究，在无线传感网络、智能微型传感器、现代通信技术等方面取得了重要进展。2004年国家金卡工程把RFID应用试点列为重点工作之一；2005年1O月原信息产业部批准成立了“电子标签标准工作组”，开展电子标签标准的研究；2006年23个部门f行业)共同成立了国家金卡办RFID应用工作组，启动了相关RFID应用试点工作。 

　　据了解，国内RFID企业数量不断增加，在市场中已占据主导地位。目前我国RFID产业链逐步扩大，集电子信息产业、软件业、通信运营业、信息服务业和面向各相关行业的应用等产业链正在逐步形成。2008年上半年无锡市与中科院上海微系统研究所合作成立中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心，大力推进传感网、物联网产业化进程。目前，我国物联网从材料、器件、技术、系统到无线通信网络等方面也正在形成产业链。

　　截至2009年6月，我国拥有固定电话3；30亿户、移动电话用户6．95亿户、因特网用户3．38亿户，均居世界第一。因特网和无线通信网络已经成为人们获取信息和人际沟通的基础设施，这为实现物联网奠定了物质基础。我国与德国、美国、英国、韩国等已成为物联网国际标准制定的主导国。我国物联网的典型应用雏形已经逐渐呈现，如上海浦东国际机场的“围界防入侵系统”，它通过埋设在地下的传感器，在机场围栏外面设置了一道传感网，一旦有人或动物靠近，系统就会自动发出识别信号，并且精确地进行定位。它实际上是一个电子围界防入侵系统。历史经验表明，全球经济危机往往孕育着新的技术与产业革命。任何国家都需要在经济危机后寻找一个能够有效拉动经济复苏的“引擎”，物联网就在这种背景下应运而生。“两化融合”一直是我国倡导工业信息化的发展方向，从国家政府到企业个人都在寻找有效的解决途径，物联网的出现有望成为“两化融合”的突破口。 

　　2．2 物联网的内涵 

　　目前，对物联网概念，说法不一，有的说，它与传感网是同一概念，也有的说，两者有区别。关于物联网的准确定义，目前国家传感网标准化工作组正在从标准化的角度进行研究，有望在不久后发布。本文仅从应用角度阐述物联网技术的内涵。 

　　众所周知，因特网实现了世界上计算机与计算机、人与计算机、人与人之间的对话与交互；而物联网则正在实现世界上物与物、人与物、人与自然之间的对话与交互。通过装置在各类物体上的射频识别电子标签fI ID)、二维码、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等组成的智能传感器，经过接口与无线通信网络、因特网互连，以实现人与物、物与物相互间智能化地获取、传输与处理信息的网络称为“物联网”，其核心是智能传感网技术。

　　“物联网”的精髓是感知，感知包括传感器的信号采集、协同处理、智能组网、信息服务，以达到控制指挥的目的。其中，传感网是感知的网络，是物和物的互联；移动通信网是信息传输的网络，是人和人的互联；因特网是联接虚拟信息共享的网络，而物联网是联接现实物理世界的网络。实质上，物联网是传感网与因特网、移动通信网，“三网”高效融合的产物，是信息系统与物理系统高效融合的产物(又称为信息物理融合系统)。 

　　微型计算机的出现，使数字化信息处理技术普及化，形成了第一次IT产业化浪潮；因特网和移动网的出现，使全球性信息传输技术普及化，形成了第二次盯产业化浪潮；传感网、物联网的出现，破解了智能化信息获取技术，使虚拟因特网与现实传感网高效融合，为信息传输和信息处理，提供强大的需求驱动力，将掀起第三次IT产业化浪潮。 

　　2．3 物联网面临的主要问题 

　　物联网的发展潜力和市场巨大。但是实现物联网需要解决一系列问题，主要是核心技术、标准规范、产品研发、安全保护等技术方面问题，和产业规划、体制机制、协调合作、推广应用等管理方面的问题。

　　第一，核心技术有待突破。目前，我国处于物联网关键技术研发和规模化应用的初始阶段，关键在于尽快突破核心技术，抢占制高点。其中，传感器核心芯片和传感器网接入因特网的技术，将是今后几年优先攻关的瓶颈l2J。 

　　第二，标准规范有待制定。制定一种能被世界各国认可的统一的物联网国际标准，难度很大。据悉目前我国正处于研究制定物联网标准框架阶段，需要集中力量制定标准化体系、产业链体系、研发与应用项目规范等。 

　　第三，信息安全有待解决。物联网中的物与物、物与人之间互联，使用大量的信息采集和交换设备，信息安全和保护隐私成为亟待解决的问题Il?。 

　　第四，统一协议有待制定。在物联网核心层面是基于TCP／IP协议，但是在接入层面，协议种类很多，如GPRS、短信、传感器、TD．SCDMA等，物联网需要一个统一的协议基础。 

　　第五，IP地址有待扩充。物联网中的每个物件都需要一个唯一的IP地址，这只能依靠IPv6来支撑。由IPv4向IPv6转型以及妥善处理与IPv4的兼容性问题，将是一个很长的过程。 

　　2．4 物联网的发展趋势 

　　目前全球物联网状况尚处于概念、论证与试验阶段，处于攻克关键技术、制定标准规范与研发应用的初级阶段，我国物联网处于与国际同步地位。但是，在核心技术和生产规模方面都还有差距。2009年国务院将传感网和物联网上升为国家五大战略性的新兴产业。 

　　当前物联网进展中，从技术发展趋势呈现出融合化、嵌入化、可信化、智能化的特征，从管理应用发展趋势呈现标准化、服务化、开放化、工程化的特征。物联网发展的关键在于应用，只有以应用需求为导向，才能带动物联网技术与产业的蓬勃发展。2008年底IBM首席执行官彭明盛首次提 出“智慧的地球(Smart earth)”新理念，据了解，“智慧地球” 战略主要是把IT前沿技术应用到各行各业之中，把传感器嵌入和装置到全球的电网、铁路、公路、桥梁、建筑、供水系统等各种物体中，井通过互连形成“物联网”；而后通过超级计算机和云计算技术，对海量的数据和信息进行分析与处理，将“物联网”整合起来，实施智能化的控制与管理，从而达到全球的“智慧”状态，最终实现“互联网+物联网=智慧地球”。

　　IBM 还进一步推出其各种“智慧”解决方案，包括智慧能源系统、智慧交通系统、智慧金融和保险系统、智慧零售系统、智慧医疗保健系统与智慧城市系统等。“智慧地球” 的核心是“更透彻的感知、更全面的互联互通和更深入的智能化”：其基础是传感网、物联网和因特网在各行各业的高效融合与综合应用。这种能够实现人与人、人与物乃至物与物之间随时随地沟通的全新网络环境称为泛在网(Ubiquitous Network) 。

　　物联网、因特网与空间信息系统f基于RS／GIS／GPS的SIS：Spatial information system)的高效融合，将使数字地球、智慧地球从理念逐步转为实际应用。 

　　总之，我国物联网经过十年磨一剑的积累，已经与国际同步发展，前景广阔。但是，我国要形成规模化的物联网产业，全面进入物联网时代，还需要经历相当长时间的技术与应用的再积累和创业过程。我们既需要热情的追求，更需要理智的思考和扎实的工作，去迎接中国物联网春天的来临。