物物之连 解析物联网应用领域的通信技术

　在法国和瑞士之间，阿尔卑斯山高拔险峻，伫立在欧洲的北部。高海拔地带累积的永久冻土与岩层历经四季气候变化与强风的侵蚀，积年累世所发生的变化常会对登山者与当地居民的生产和生活造成极大影响，要获得对这些自然环境变化的数据，就需要长期对该地区实行监测，但该区的环境与位置，决定了根本无法以人工方式实现监控。在以前，这一直是一个无法解决的问题。

　　但不久前，一个名为PermaSenseProject的项目使这一情况得以改变。

　　PermaSenseProject计划希望通过物联网(InternetofThings，IoT)中无线感应技术的应用，实现对瑞士阿尔卑斯山地质和环境环境状况的长期监控。监控现场不再需要人为的参与，而是通过无线传感器对整个阿尔卑斯山脉实现大范围深层次监控，包括：温度的变化对山坡结构的影响以及气候对土质渗水的变化。参与该计划的瑞士巴塞尔大学、苏黎世大学与苏黎世联邦理工学院，派出了包括计算机、网络工程、地理与信息科学等领域专家在内的研究团队。据他们介绍，该计划将物联网中的无线感应网络技术应用于长期监测瑞士阿尔卑斯山的岩床地质情况，所搜集到的数据除可作为自然环境研究的参考外，经过分析后的信息也可以作为提前掌握山崩、落石等自然灾害的事前警示。熟悉该计划的人透露，这项计划的制定有两个主要目的：一是设置无线感应网络来测量偏远与恶劣地区的环境情况；二是收集环境数据，了解变化过程，将气候变化数据用于自然灾害监测。

　　近年来，地震、海啸等地质灾害频发，给人类生命生活带来严重影响，人们开始认识到，全球变暖让全世界处于同一个危险的边缘，人类需要更加重视自然环境的变迁，更加关注如何通过科技因应自然环境的变化：

　　在澳大利亚的昆士兰，人们正在尝试“智慧桥”的试验。通过在一座大桥上安装各种各样的传感器，不仅可以告诉城市管理者桥上有多少车、车的重量是多少、车的污染是多少、车是新车还是旧车，也可以告诉人们这辆车对这座桥整个混凝土的结构带来多大的压力。由此，交通管理部门可以进行实时评估，获得这座桥结构强度的数据，一旦压力超出了所设定的极限值，交通管理部门就可以获得警报，及时发现。

　　在新加坡，人们能像获得天气预报一样，获得交通堵塞预报。通过埋在路上的传感器和红绿灯上的探头，司机不仅可以看到什么地方在堵车，还能够提前预测，什么地方过10～20分钟会堵车，从而选择更为通畅的道路行驶。

　　在纽约，一个应用于公共安全的智能城市快速反应系统已经建立，也就是“犯罪信息仓库”。通过这些信息仓库的信息，纽约警察可以对犯罪分子的行为有更多的了解，也就是说一旦一种犯罪的行为出现一点点苗头的话，纽约的警察就可以根据这些信息作出预测，防止类似犯罪行为发生。

　　瑞典斯德哥尔摩建立了智慧交通体系，按照不同的拥堵程度对交通收费。通过这样智慧的交通体系，斯德哥尔摩整个汽车使用量降低25%，碳排放量降低14%，在环保、防止污染等方面取得了比预期更好的效果。在人均碳排量方面，成为了欧洲的佼佼者，平均每人碳排放量降到4吨/年。而欧洲平均是每人6吨/年，美国是20吨/年。

　　饱受食品安全危害的中国，从2008年北京奥运会开始已经在逐步实施智能的食品追溯体系，食品从农场，到市场，到市民手中都被纳入到这个追溯体系之中，一旦出现食品方面的问题，可以及时地找到事故根源。

　　形形色色的传感技术、通信技术、无线技术、网络技术共同组成了以物联网为核心的智慧网络。亚里士多德曾说过“给我一个支点我可以撬起地球”，而今随着技术的发展，这句豪言完全可以与时俱进地改为：“给我一个物联网我能够感知地球”。

　　M2M使物物相连

　　按照官方资料的说法：典型的物联网是将所有的物品通过短距离射频识别(RFID)等信息传感设备与互联网连接起来，实现局域范围内的物品“智能化识别和管理”。换句话说，从智慧地球到感知中国，无论物联网的概念如何扩展和延伸，其最基础的物物之间感知和通信是不可替代的关键技术。

　　目前业界普遍认为，M2M技术是物联网实现的关键。M2M技术原意是机器对机器(Machine-To-Machine)通信的简称，是指所有实现人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段，广义上也指人对机器(ManToMachine)、机器对人(MachineToMan)以及移动网络对机器(MobileToMachine)之间的连接与通信。

　　M2M是无线通信和信息技术的整合，用于双向通信，因此适用范围广泛，可以结合GSM/GPRS/UMTS等远距离连接技术，也可以结合Wifi、蓝牙、Zigbee、RFID和UWB等近距离连接技术，此外还可以结合XML和Corba，以及基于GPS、无线终端和网络的位置服务技术等。

　　从狭义的物联网通信角度看，M2M技术特指基于蜂窝移动通信网络，通过程序控制，自动完成通信的无线终端间的交互通信。一个完整的M2M系统由传感器(或监控设备)、M2M终端、蜂窝移动通信网络、终端管理平台与终端软件升级服务器、运营支撑系统、行业应用系统等环节构成。终端管理平台实现对全网M2M终端的统一的鉴权认证，并可以支持终端远程诊断功能和终端软件的远程自动升级功能，该平台可以全网部署，也可以分区域采用云计算结构。其次，在整个体系架构中，最重要的是M2M的运营平台，以保证所有的信息可靠、安全的从终端侧传输到应用平台侧。平台能够实时监控网络和终端的运营状态，精确地表述故障原因。另外，运营平台需要与开发中间件结合，提供一个面向应用的开放环境，提供已封装的M2M开发环境，开发人员只需要调用API就可以进行开发，最终降低开发的难度，提高开发的效率。同时，运营平台还可以起到网关的作用，简化终端和应用的接入。

　　无线感知是物物相连的关键

　　有一个形象的比喻：传感器网络如果是“头”，传感器就是“五官”，而网络则是“大脑和神经”，这可以很形象地概括出传感网的工作原理和过程，即通过多个不同种类传感器的协同和融合对物体进行全面的感知。虽然这种通信技术名为传感器网络，但其关键影响力和价值既不是网络本身，也不是传感器单元，而是能够实现多种方式的综合与判断，是从物体到物体的感知技术。

　　IEEE的1451工作组(IEEE1451)建立了一个智能传感器即插即用plug-and-play标准，使所有符合标准的传感器能和其他仪器和系统一起工作。这就为无线传通信技术的实现提供了技术基础。

　　在上海世博会中，传感器网络有多个典型应用，其中最不起眼的一个案例涉及到遍布世博园中的成千上万个垃圾桶。这些垃圾桶被亲切的称作“会说话”的垃圾桶。原来这种垃圾桶能够通过安置在桶壁上的传感器自动感应筒内垃圾的多少，当垃圾装满时，传感器可以实时地将位置信息和报警信号通过无线网络传递到控制中心，并通知附近的保洁人员前来清理。

　　完整的无线传感器网络可以划分为传感器网络和无线接收与传输网络两部分。传感器网络一般由在空间分布的独立网络节点组成。节点包含有传感器，以监控相关的物理或环境条件，如温度、声音、震动、压力、运动或污染物等。每个节点通常带有无线电收发器或其他无线通信设备，它们发出的信号被无线接收器采集，并通过无线网络把传感数据传输给数据库和其他用户。这样，无线传感器网络就具备了数据感知和收集(DataCollection)、目标跟踪(Objecttracking)以及报警监控(Alarmmonitoring)等功能。

　　无线传感器网络包含一系列标准，IEEE1451的智能传感器(包括传感器和驱动器)接口标准，界定不同接口的不同标准用来连接传感器和微处理器、仪表系统以及控制异地网络。IEEE1451.5部分是目前很多研发活动的集中点。它规定了能使与1451兼容的传感器和其他设备进行无线通信的技术。

　　在传统的传感器应用之外，被应用于前端感知感网络的一个被广泛看好的技术是RFID。RFID技术并不是什么新的技术，它是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性实现对被识别物体的自动识别。

　　虽然早在20年前，RFID技术就已经被人们认识，但其真正的发展机会还是与物联网的深度融合。因此，近来RFID的发展已经成为多项技术的综合应用，包括芯片技术、天线技术、无线技术、电磁传播技术、数据交换与编码技术等。一套RFID系统由电子标签、读写器和信息处理系统组成。电子标签与读写器配合完成对被识别对象的信息采集功能；信息处理系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。根据工作频率的不同，RFID系统大体分为中低频和高频两类，典型的工作频率为135kHz以下、13.56MHz、433MHz、860MHz～960MHz、2.45GHz和5.8GHz等。不同频率RFID系统的工作距离不同，应用的领域也有差异。低频段的RFID技术主要应用于移动物体识别、工厂数据自动采集系统等领域；13.56MHz的RFID技术已相对成熟，并且大部分以IC卡的形式广泛应用于智能交通、门禁、防伪等多个领域，但其工作距离小于1m。较高频段的433MHzRFID技术被美国国防部用于物流托盘追踪管理；而在RFID技术中，当前研究和推广的重点是高频段的860MHz～960MHz的远距离电子标签，有效工作距离达到3～6m，适用于对物流、供应链的环节进行管理；2.45GHz和5.8GHzRFID技术以有源电子标签的形式应用在集装箱管理、公路收费等领域。

　　最好的医疗物联网

　　在前端的传感网络，完成了对物体信息的感知和采集之后，相关信息被集中传输到后端的无线传输网络。而在这一部分，各种新旧无线技术应用的丰富程度并不比传感技术逊色。据悉，IEEE目前正在制定无线个人区域网路(即WPAN)的两个标准IEEE802.11和IEEE802.15。

　　其中，IEEE802.15.4标准正逐渐被接受成为低速率无线个人区域网络(LR-WPANs)物理层和媒体访问控制的标准。另外，无线传感器网领域还有两个基于IEEE802.15.4的工业标准：ZigBee和WirelessHART。ZigBee是一种作为一个开放的全球标准而制定的无线技术，是为解决低成本、低功耗无线传感器网络的特殊需求开发的。该标准充分利用IEEE802.15.4的无线收发器物理层规范，并采用在全球均可经营而无需特殊许可的频率范围：2.400—2.484千兆赫，902—928兆赫和868.0—868.6兆赫；WirelessHART是另一个由HART通信基金会开发的开放标准无线网络技术。该协议采用了时间同步、自我组织和自我修复的网状网络结构。该协议目前支持通过使用IEEE802.15.4标准的无线电媒体并在2.4GHzISM波段操作。

　　此外，其他行业标准和专有系统也可能作为用于实施无线传感器网络技术的选择。例如，EnOcean是在楼宇自动化领域广泛使用的无线通信系统，也被认为是可能用在无线传感器网络的一种技术，但它目前还没有通过任何公认的标准化机构进行标准化。

　　Z-Wave是为家庭自动化设计的无线通信专有标准，特别针对在家用和小型商用环境中的遥控应用。该技术采用低功耗无线收发器嵌入或装到家庭电子设备和系统中，例如照明系统、家庭访问控制系统、娱乐系统和家用电器。这项技术已被Z-Wave联盟标准化。Z-Wave联盟是一个国际生产厂商之间的联盟，负责协调Z-Wave产品和设备的兼容性。

　　同时，一些现有的标准也正在被修改以适应无线传感器网络技术。例如，基于IEEE802.11标准的无线局域网(WLAN)标准、称作WiFi标准、被加入了一种支持低功耗的版本——所谓的低功率WiFi，以用于实现无线传感器网络技术。

　　在未来，无论是“智慧地球”还是“感知中国”，智能化物联网来都将给人类生活带来颠覆性的变革和巨大的商机。应用将无处不在，而物物之间的通信也将在现有额度基础上实现跨越，传感网、RFID、无线、有线、3G/4G、GPS、移动电信网络、广电网甚至电力网络，跨网络通信的协同和融合将像物与物之间的相连一样，成为一种普遍的承载和更为广义的生态系统。

　　编看编想：最好的医疗物联网——“躯感网”

　　物联网在医疗领域的应用被称之为“躯感网”，据介绍，躯感网是指通过移动设备和传感器捕捉人们的生理状态，如体力活动水平、血压、心跳、葡萄糖水平以及其他重要的生命指数，并将这些数据上传到个人电子健康档案中，供医生或个人随时随地进行调阅，从而让医生帮助人们建立健康的生活方式，并提早对疾病进行监控和预防。

　　传感器是躯感网的前端，它能收集到很多有特征的数据。用于躯感网的传感器一般可分为两种，一种是可以移植到人体之内的；一种是佩戴在体表的，譬如对脉搏、血压、心跳运动的监测。从外观上看，传感器的形态也非常简单，有的传感器类似于手表戴在手腕上，有的则像耳机一样戴在耳朵上，有的放在鞋里，还有的像创可贴一样贴在身体的某个部位上。

　　另外，传统的健康监控模式，包括日常监测、体检和看病这几大部分。日常监测通常是在家里完成的，家庭中经常备有的医疗监测设备包括：血压计、血糖仪、体重秤、体温计等，它们能帮助人们实现日常的健康监测。但这些设备很少能随身携带，因此只能实现固定位置的健康监控，无法做到随时随地的监测。

　　随着3G无线技术的成熟与应用，手机和传感器可以通过蓝牙进行连接，手机能够接收到传感器发出的信号。传感器收集到的数据可以传递到手机上，这样人们就可以“拿着手机走到哪儿测到哪儿”。

　　大量的健康监测数据被收集之后，对其进行分析和使用则依靠躯感网的后端——云计算平台，云计算能够在后端实现一系列数据分析、数据挖掘、数据搜索等工作，在强大的云计算平台支撑下，大量的健康监测数据不需要人工去计算和分析就可以快速转换成实用方便的健康指导信息，并可以随时发送到手机上，提醒人们应该注意哪些问题，从而做到防患于未