第一章 物联网概述

1.2  物联网的概念

    由于物联网概念出现不久，其内涵在不断发展和丰富，目前对于物联网的概念在业界一直存在着很多不同的意见。本节先介绍与物联网有着密切关系的智慧地球、M2M系统、CPS系统、Sensor Web系统等相关概念；随后对物联网的内涵进行辨析，同时探讨泛在网络、普适计算与物联网的关系；最后介绍物联网的系统组成。

    1.2.1  物联网相关概念

    1．智慧地球

    长久以来，将物理基础设施和IT基础设施割裂开来是人们的思维惯性。于是，一侧是公路、建筑物、电网、油井等，另一侧是计算机、数据中心、移动设备、宽带等，各自为政。互联网技术的成熟使人们憧憬在不远的未来几乎任何系统都可以实现数字量化和互联。同时，计算能力的高度发展，使爆炸式的信息量得到高速且有效的处理，从而实现智慧的判断、处理和决策。在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而达到“智慧”的状态。
    IBM公司在其提出的“智慧的地球”的愿景中，勾勒出了世界智慧运转之道的三个重要维度：第一，我们需要也能够更透彻地感应和度量世界的本质和变化；第二，我们的世界正在更加全面地互联互通；第三，在此基础上所有的事物、流程、运行方式都具有更深入的智能化，我们也获得更智能的洞察。
    智慧地球涵盖了医疗、城市、电力、铁路、银行、零售等多个领域。
    （1）智慧的医疗
    建立一套智慧的医疗系统，保障患者只需要用较短的治疗时间、支付较低的医疗费用，就可以享受到更多的治疗方案、更高的治愈率，还有更友善的服务、更准确及时的信息。通过部署新业务模型和优化业务流程，医疗保健和生命科学体系中的所有实体都可以经济有效地进行。
    （2）智慧的城市
    建设更智慧的城市是为了将数字技术应用到物理系统中去，并利用所有产生的数据改善和提高生活的空间、效率与质量。一方面，智慧城市的实施将能够直接帮助城市管理者在交通、能源、 环保、公共安全、公共服务等领域取得进步；另一方面，智慧基础设施的建设将为物联网、新材料、新能源等新兴产业提供广阔的市场，并鼓励创新，为知识型人才提供大量的就业岗位和发展机遇。
    （3）智能的电力
    通过电网和发电资产优化管理、智能电网成熟度模型、智能停电优化管理等方案，使发电、输电、配电、送电、用电5方互动互通。电力企业建立起可自测、自愈的智能电网，主动监管电力故障并进行迅速反应，可以实现更智慧的电力供给和配送，更高的可靠性和效率，以及更高的生产率。
    （4）智慧的铁路
    在智慧铁路系统中，可以动态调整时刻表，以应对因天气等原因导致的停运状况；以智能化提升运能和利用率，减少拥堵；拥有自我诊断子系统，减少延误。它的智慧传感器，能在造成延误或脱轨之前，检测出潜在问题。列车可以进行自我监控、监控供应链，并分析乘客的出行模式，以便将环境影响降到最低限度。
    （5）智慧的银行
    智慧的银行能够预测客户需求，感知客户行为模式的变化，随时随地通过便捷的渠道提供个性化金融产品与服务；实时、准确地预测及规避各类金融风险，优化内部资本结构；通过快捷、智能地分析银行内的海量客户与交易数据来提升洞察力和判断力；创建一种智能又安全，适应多变商业环境的灵活的IT架构，以满足来自于不同部门、客户和合作伙伴的各种需求。
    （6）智慧的零售
    智能的零售系统使零售商可以收集客户数据并做出反应，从而生产和销售满足市场需求的产品。具体功能包括：根据消费者特点提供相应的商品陈列；合理地管理商品和运营信息；利用敏捷的供应链优化库存投资；以客户为中心的商品采购和生产。
    智慧地球的核心是借助微处理器和射频识别标签等IT手段，使整个社会网络化、智能化。通过数据分析、比较和数据建模，使各种数据可视化，进而对所有信息进行统一管理，为人们创造智慧的生活、工作方式。

    2．M2M系统

    M2M（Machine to Machine）是指通过在机器内部嵌入无线通信模块（M2M模组），以无线通信等为主要接入手段，实现机器之间智能化、交互式的通信，为客户提供综合的信息化解决方案，以满足对监控、数据采集和测量、调度和控制等方面的信息化需求。
    图1-1给出了简化的M2M系统结构。从中可以看到，M2M系统在逻辑上可以分为3个不同的域，即终端域、网络域和应用域，其中终端域包括M2M终端、M2M终端网络及M2M网关等，经有线、无线或蜂窝等不同形式的接入网络连接至核心网络，M2M平台可为应用域用户提供终端及网关管理、消息传递、安全机制、事务管理、日志及数据回溯等服务。

    （1）M2M技术的核心价值

    M2M使机器、设备、应用处理程序与后台信息系统共享信息，并与操作者共享信息，并为设备提供了与系统之间、远程设备之间或与个人之间建立实时无线连接与传输数据的手段。M2M技术的核心价值在于以下几个方面。
     可靠的通信保障。由于物联网中大部分机器终端具有无人值守的特点，因此有对机器远程监控和维护的基本管理需求，要求能实时监测机器的运行状况以及所连接和控制的外设状态，及时排查和定位故障，以便快速诊断和修复。M2M为物联网数以亿万计的机器终端提供远程监控和维护功能，为物联网的自由传输提供通信保障。
     统一的通信语言。由于物联网的应用横跨几乎所有行业，同一信息需要被多方广泛共享，因此必须有一种统一的语言描述来规范对同一信息的共同理解，并确保信息在网络的传输过程中采用统一的通信机制，以及信息能被准确识别和还原。M2M为物联网数以亿万计的机器与机器之间、人与机器之间的通信提供了统一的通信语言。
    智能的机器终端。M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，而是提供机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信方式，即使人们没有实时发出信号，机器也会根据既定程序主动进行数据采集和通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出指令而进行控制。可以说，智能化、交互式特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”。
    （2）M2M的主要业务类型
    目前来看，M2M涵盖以下5种主要类型的业务。
     数据测量。数据测量就是指远程测量并通过无线网络传递测量的信息和数据。自动抄表即是一种典型的数据测量应用。这种业务被广泛应用于公共事业领域，比如自来水供应、电力供应以及天然气供应等行业，传感器被广泛地安装到用户的终端上，到指定日期或时间，传感器将自动读取计量仪表的数据并把相关的数据通过无线网络传输到数据中心，然后由数据中心进行统一的处理。
    监控与告警。监控与告警包括远程测量和数据传输报告两个部分。监控的主要目的是通过远程测量去检测异动或者非正常事件，以触发相应的反应。通常，在后台系统处理远程测量通过无线网络传输回来的数据，一旦突破设定的临界值便会触发警报，提醒有关人员进行处理。如安全监控系统，使用各种传感器监控敏感区域，一旦有异常情况，即触发告警，通知安全管理人员前往处理。
    控制。控制常与数据测量、监控等联合应用，它通常是指通过无线网络发出指令对机器进行远程控制。控制过程一般是自动的，包括打开或者关闭机器以及重新启动发生故障的机器等。控制类业务的典型应用是在有大量分散资产和设备的公共事业部门，它们可以利用M2M远程关闭或者打开设备。比如，市政单位可以通过M2M自动控制路灯的关闭和打开。
    支付与交易处理。通过使用无线M2M可以进行支付与交易处理，使得远程的自动售货机、移动支付或者其他新商业模式的应用成为可能。自动售货机可以通过M2M系统进行移动支付处理和经营信息分析，移动POS机也可以通过M2M平台安全地处理交易信息。
    追踪与物品管理。追踪与物品管理业务功能通常被用做物品管理或者位置管理，典型的应用有车辆管理。这种业务被交通运输企业大量使用，它们可以通过远程的传感器结合无线网络，监控车队和司机，收集速度、位置、里程等大量信息，这些信息不仅能够使管理人员实时掌控车队现状，还能被存储和分析，应用于路线规划、车辆调度等用途。
M2M表达的是多种不同类型的通信技术的有机结合：机器之间通信、机器控制通信、人机交互通信和移动互联通信等。这种M2M通信机制是建立物联网的重要基础。
 

分页

    3．信息物理系统

    信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）概念的起源最早可以追溯到工业监视控制与 数据采集系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）、物理计算系统（Physical  Computing System）等概念在一些IEEE国际学术会议上被陆续提出。
    2006年10月，美国国家自然科学基金会在其举办的一系列研讨会上首次提出CPS的概念，并围绕CPS的基本概念、网络化嵌入式控制（Networked Embedded Control）、高可信软件平台（High-Confidence Software Platform）等问题展开了热烈的讨论。
    2007年，美国国家自然科学基金会召开了有关CPS的工业界圆桌会议。此后，CPS得到了学术界和工业界的广泛关注。2007年8月，美国总统科技顾问委员会在其报告中对CPS在维持美国工业竞争力的重要性与紧迫性等问题上给予了极大的关注，并将CPS列为美国联邦科研投入应当优先关注的技术之一。
    作为对该报告的回应，2008年美国国家自然基金会再次主办Cyber-Physical Systems峰会，参与这次峰会的机构来自学术界和工业界，涵盖了当今美国主要的顶尖大学和著名企业，如卡耐基梅隆大学、加州大学伯克利分校、宾夕法利亚大学、美国国家仪器公司、微软公司、霍尼韦尔公司、罗克韦尔公司等。此次峰会对CPS的定义进行了讨论和归纳，概述如下：
    CPS是将物理系统及过程与网络化计算相结合催生出的新一代工程系统。在该系统中，计算、通信被深深地嵌入物理过程并且与之相互作用，使物理系统具有了新的能力。
    CPS是将计算、信息处理和物理过程紧密结合的系统，并且三者结合的紧密程度已能使得如果要对系统表现出的行为特征进行判断，则可以区分出该特征是由计算还是物理规律作用的结果，抑或是它们共同作用的结果是一件不可能完成的任务。
    CPS的功能性和主要系统特征是在物理实体与计算相互作用的过程中表现出来的。
    在CPS中，计算资源、网络、设备以及它们所嵌入的环境之间存在交互的物理属性，它们共 享资源并共同决定系统的整体表现。
    从CPS现阶段的存在形式来看，依赖于计算机的控制系统（Computer-Mediated Control    Systems）可以被看做常见以及简单的信息系统与物理系统结合的实例之一。目前，信息系统可用于复杂传感和决策判断，其复杂程度已经远远超过了简单的专用反馈控制回路。如在DARPA组   织开展的应对沙漠与城市环境挑战的军事研究项目中，车辆的片上信息系统通过对大范围覆盖的 多种传感器进行数据采集和信息处理，可以完成车辆定位，地形推断，周围车辆、人、障碍的位 置以及指示标识的判断等。
    图1-2给出了CPS系统中核心概念之间的关系。CPS系统实现了通信能力、计算能力、控制能力的深度融合。

 

    就目前的情况来看，CPS的发展还存在诸多问题，以CPS为议题的会议多以学术研讨会的形式展开，有关的讨论也多处于前期理论体系、框架结构的建立，内涵、关键技术的划分等阶段。美国国家自然基金会2009年的Cyber-Physical Systems项目指南也明确指出：我们仍然不具有实现CPS愿景所必需的有关原理、方法和工具。CPS的发展也缺乏可将信息与物理资源包含到同一框架下的理论。
    尽管如此，CPS在交通、国防、能源与工业自动化、健康与生物医学、农业和关键基础设施等方面所表现的广阔应用前景，正推动着CPS相关理论和技术的发展，使之进一步走向成熟。
在国内物联网被热烈讨论的同时，CPS相关概念正日益受到越来越多人的关注，抓住时机认真研究CPS相关理论和技术，对我国在信息技术变革和发展浪潮中占据有利地位具有重要意义。

    4．Sensor Web系统

    Sensor Web系统旨在将异构传感器通过多种接入方式直接接入互联网络，基于开放的、标准 化的Web服务和透明的网络信息通信与交互服务，实现传感器数据测量、设备管理、反馈控制、 任务分配和任务协作等用户服务。基于下一代互联网技术和Web服务技术，传感器Web系统可实现大尺度时空范围内高效的、实时或非实时的传感器信息感知和反馈决策服务。
    开放地理信息联盟（Open Geospatial Consortium，OGC）专门成立了一个名为SWE（Sensor  Web Enablement）的工作小组，其目标是制定相关标准，基于Web实现传感器、变送器或传感 器数据存储系统的可发现、可访问和可使用的服务。
    图1-3给出了一个简化的OGC SWE标准相关概念模型。可以看到，用户基于标准化的数据编码 和信息模型，使用如SPS、SOS、SAS和WNS等标准化服务，可以实现传感器的任务规划、观 测、告警及事件通知等服务。