作者简介：凌志浩（1957-），男，博士，华东理工大学教授，博士生导师。兼任教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会委员，中国仪器仪表学会过程检测控制分会常务理事，中国自动化学会仪表与装置专业委员会委员，上海市信息学会常务理事，上海市自动化学会理事。主要从现场总线、无线传感器网络和物联网、嵌入式系统应用等方面的教学和科研工作。

    摘要：在引出物联网的来龙去脉后，叙述了物联网的定义、技术框架，分析了当前物联网所面临和亟待解决的问题，讨论了物联网的关键技术、产业链和发展措施，介绍了国内外物联网的一些应用及其具有应用优势的领域。随着物联网技术的发展和推广应用，必将推进经济发展和社会进步，并为人类生活带来革命性的变化。

    关键词：物联网；技术框架；关键技术；产业链；应用

    1 引言

    自1999年麻省理工学院自动标识中心（MIT Auto-ID Center）提出物联网(The Internet of things) 概念后，国际电信联盟（ITU）在2005 年发布的年度技术报告中也指出了“物联网”通信时代即将来临， 2009年，欧洲物联网研究项目工作组(CERP-IoT)在欧盟委员会资助下制订了《物联网战略研究路线图》、《RFID 与物联网模型》等意见书，同年日本也制定了i-Japan 计划。2008年11月，美国IBM 公司总裁彭明盛在纽约对外关系理事会上发表了题为《智慧地球：下一代领导人议程》的讲话，正式提出“智慧地球”（Smarter Planet）设想，2009年1月奥巴马对此给予积极回应，认为“智慧地球” 有助于美国的“巧实力”(Smart Power)战略，是继互联网之后国家发展的核心领域。2009年8月，温家宝总理在考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时，明确指示要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，并且明确要求尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心；并指出“要着力突破传感网、物联网的关键技术，及早部署后IP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’”。随着中美两国领导人的表态， 物联网/传感网作为“智慧地球”的核心技术之一，被各方提到空前的高度，被媒体广为报道。

    以感知和智能为特征的新技术的出现及其相互融合，使得未来信息技术的发展由人类信息主导的互联网向物与物互联信息主导的物联网转变，既兼顾物与物的相联，又涵盖人与物的沟通和人与人的通信，构建更智能的泛在信息社会。目前，已被美国列为振兴经济的两大工具之一，被欧盟定位成使欧洲领先全球的基础战略，被中国纳入战略性新兴产业规划重点。业界认为物联网是继计算机、互联网、移动通信网之后信息产业的又一重大里程碑。从“智慧地球”到“感知中国”，“物联网”已成为全球瞩目的关键词。 “智慧地球”是IBM对运用信息技术构建新的世界运行模型的愿景，而“感知中国”是对物联网在中国泛在应用效果的概括。

    以上表明，物联网/传感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新兴产业之一。

    2 物联网技术

    2.1 物联网

    物联网(The Internet of things)是指在物理世界的实体中，部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件，使之成为智能物体，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现物与物、物与人之间的互联。具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。它是一种“万物沟通”的、具有全面感知、可靠传送、智能处理特征的、连接物理世界的网络，可实现任何时间、任何地点及任何物体的连结，使人类可以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产率水平，改善人和自然界的关系，从而提高整个社会的信息化能力。

    物联网作为一种“物物相连的互联网”，无疑消除了人与物之间的隔阂，使人与物、物与物之间的对话得以实现。由于整个物联网的概念涵盖了从终端到网络、从数据采集处理到智能控制、从应用到服务、从人到物等方方面面，涉及到射频识别(RFID)装置、WSN 网络、红外感应器、全球定位系统、Internet 与移动网络、网络服务、行业应用软件等众多技术。在这些技术当中，又以底层嵌入式设备芯片开发最为关键，来引领整个行业的上游发展。

    2.2 物联网的技术框架

    基于ITU的架构，物联网的技术体系框架包括感知层技术、网络层技术、应用层技术和公共技术。若以电信网的架构来看，主要是向下多了一个感知延伸层，上面多了更多的应用，如图1所示。

                   

                               图1 物联网技术体系框架

    (1) 感知层：数据采集和感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。传感器网络组网和协同信息处理技术实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织组网以及多个传感器对数据的协同信息处理过程。

    (2) 网络层：实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠、高安全地进行传送，这需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。虽然这些技术已较成熟，基本能满足物联网的数据传输要求；但是，为了支持未来物联网新的业务特征，现在传统传感器、电信网、互联网可能需要做一些优化。

    (3) 应用层：主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。其中应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通等功能；应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力、环境监测和工业监控等行业应用。

    (4) 公共技术：公共技术不属于物联网技术的某个特定层面，而是与物联网技术架构的三层都有关系，它包括标识与解析、安全技术、网络管理和QoS管理。

    由此可见，“全面感知、可靠传送和智能处理”是物联网必须具备的三个重要特征，也是“智慧地球”所期望的“更彻底的感知、更全面的互联互通、更深入的智能化”之核心所在。

    2.3 物联网所面临的问题

    尽管Forrester预测表明，到2020年世界上“物物互联”的业务较“人与人通信”的业务，其发展前景及对经济和社会的影响更巨大。然而，要真正实现物联网，需要系统解决一系列问题，如核心技术、标准规范、产品研发、安全保护、产业规划、体制机制、协调合作、推广应用等技术问题和管理问题。

    (1) 突破核心技术。对于尚处于物联网关键技术研发和规模化应用初始阶段的中国，必须尽快突破核心技术，抢占制高点。首当其冲待攻克的核心技术包括传感器技术、射频识别技术、智能通信与控制技术、海量数据处理技术以及非IP数据交换技术、异构网络融合技术、自治区域动态管理等技术。

    (2) 制定标准规范。作为处于产业发展初期的物联网，确有许多影响物联网发展的瓶颈亟待突破，缺乏统一标准体系和成熟商业模式已成为目前制约其发展的关键要素。因此，花大力气制定相关的标准化体系、产业链体系、研发与应用项目规范等十分必要，它可为最终成为一种能被世界各国认可的统一的物联网国际标准奠定基础。

    (3) 关注信息安全。信息安全一直是困扰互联网发展的痼疾，而在物联网时代这个痼疾还将继续威胁其生存和发展。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，信息采集和传输频繁，承载着大量的国家经济社会活动和战略性资源，其信息安全和保护隐私等问题必须重点考虑和解决。如果物联网安全问题得不到有效的解决，我国的产业安全、经济安全乃至于国家安全都将被置于一个巨大的无底洞之中。因此，信息安全也是我国未来物联网发展所面临的一个根本问题。

    (4) 寻求统一协议。物联网是互联网的延伸，它是基于网络的多种技术的结合，应该有相关协议标准做支撑。在物联网核心层面是基于TCP/IP 协议；但是在接入层面，协议类别五花八门（如GPRS、短信、传感器、TD-SCDMA 等），物联网需要一个统一的协议栈。

    (5) 扩充IP地址。物联网中的每个物品都需要被寻址，这就需要解决地址问题。由于物联网需要更多的IP地址，这对目前即将耗尽的IPv4资源而言是无法支持的，那就需要IPv6来支撑。物联网一旦使用IPv6地址，不尽会在IPv4向IPv6过渡过程中存在与IPv4的兼容性问题，而且对传感网末梢节点如何承载IPv6 这种“重量级”通信协议，也需要有对策。

    (6) 推进官产学研用。物联网作为新概念、新技术，其产业化推进还缺少国家级的产业战略谋划，这更需要有高级别的官产学研用联盟来组织引导，官产学研用各司其职，集中资源，形成合力。众所周知，物联网热潮源头在科研院所和高效，他们侧重基础理论，能够提供技术支持；但物联网最终发展需要靠企业，通过大规模工程实践牵引，形成物联网的服务模式和商业模式，以应用为先导，兼顾国家安全需求和民用市场，这样才能落在实际的应用上。

    3  物联网关键技术和发展措施

    3.1 物联网的关键技术

    基于未来信息产业的发展在由信息网络向全面感知和智能应用两个方向拓展、延伸和突破的需求，物联网涉及从信息获取、传输、存储、处理、应用的全过程，材料、器件、软件、系统、网络各方面的创新都会促进物联网的发展。因此，毫无疑问物联网的关键技术包括物体标识、体系架构、通信和网络、安全和隐私、服务发现和搜索、软件服务与算法、硬件、能量获取和存储、设备微型小型化、标准等。

    而由国际电联报告所提出物联网关键性应用技术主要包括RFID、传感器、智能技术和纳米技术等四个。

    3.2 物联网的产业链

    物联网的研究和行进路径主要包括信息汇聚、协同感知、泛在聚合3个阶段，而每个阶段的技术需求各异。如信息汇聚阶段，其技术需求集中在先进传感器和低功耗、小型化、高性能的新型传感器设计与实现、短距离无线传输技术、低功耗技术和电磁兼容技术方面研发；协同感知阶段，其技术需求集中在任务驱动的大规模自治组网技术、上下文感知技术、移动通信网络与无线传感器网络无缝融合技术以及海量信息处理技术方面；泛在聚合阶段，其技术需求集中在信息聚合理论、模糊控制技术、泛在异构网络、人工智能、仿生学传感器、纳米材料以及生物芯片等方面。

    从产业链的角度来说，物联网是以应用解决方案为核心、以传感感知、传输通信、运算处理为关键环节的集成创新价值链，具体可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和运行商的无线传输网络。综上所述，在物联网中，传感是前提、计算是核心、安全是保障、网络是基础、应用服务是牵引，而标准则是支持物联网产业链的重要基础。

    3.3 突破物联网技术的措施

    基于我国物联网总体还处于起步阶段的现状，我国工信部已提出相关措施来推进物联网技术创新以及产业与应用的发展，国家科技部也已着手973及重大科学研究计划立项，重点就物联网基础理论、体系结构、关键技术、验证平台和示范应用等方面协同攻关。

    (1) 突破物联网核心技术和重大关键共性技术，实现科技创新。加强行业和领域物联网技术解决方案的研发和公共服务平台建设，引导产业链上下游的协作，面向重点业务应用，协同开展物联网重大技术攻关和应用集成创新，形成更多更好的具有自主知识产权的产品和技术品牌。

    (2) 制订我国物联网发展规划，全面布局。重点发展高端传感器、MEMS、智能传感器和传感器网络节点、传感器网关、超高频RFID、有源RFID和RFID中间件产业等，重点发展物联网相关终端和设备以及软件和信息服务。

    (3) 选择重点领域和重点工程，开展物联网行业示范应用，通过应用引导和技术研发的互动式发展，带动物联网的产业发展。围绕企业技术创新和应用的共性需求，建设物联网技术、测试、信息等公共服务平台。鼓励支持物联网与TD-SCDMA结合的技术和应用研究，通过物联网应用促进TD-SCDMA产业链和技术的成熟，提升其产业链在物联网应用过程中的整体价值。

    (4) 加快物联网标准体系建设，确保我国在未来全球物联网产业发展中占据有利地位，以保障物联网技术的可持续发展。一，要做好顶层设计，以满足产业需要，形成技术创新、标准和知识产权协调互动机制；二，应面向重点业务应用，加强关键技术的研究，建设标准验证、测试和仿真等标准服务平台，加快关键标准的制定、实施和应用；三， 建立跨行业、跨领域的物联网标准化协作机制，加强产学研用各环节的协作；四，积极参与国际标准制定，加强国际交流合作。以此推动具有自主知识产权的创新研究成果和国内标准成为国际标准。

    4  物联网的应用

    代表了下一代信息技术发展方向的物联网就其本身而言，需要借助多种技术的结合才能实现。物联网的发展离不开应用，未来一定是结合各个行业应用来发展，以提高人类的物质生活水平，促进企业生产和经营管理模式的改变。

    物联网的用途较其它传统网络更为广泛，遍及智能交通、智能电网、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监控、护理等等，涉及人类生活、工作、健康和社会领域的方方面面。目前，国内外物联网的一些应用及其物联网具有应用优势的领域主要包括：生态环境的监测和保护、高效农业工程传感监测、医疗健康应用、安全检测与监控、物流管理和配送、军事领域。中国电信透露的已开发的物联网应用产品，已涵盖了智能家居、智能医疗、智能城市、智能环保、智能交通、智能司法、智能农业、智能物流、智能校园、智能文博、M2M平台等物联网的主要应用领域。

    随着社会生活、生产中不断催生的新的需求，物联网技术还将通过自身的创新来满足用户的需求，提供越来越广泛的应用，为人们提供更好、更智能的服务，实现共促共荣的良好发展局面。

    5  结语

    互联网和移动通信网的发展，改善了人与人之间的交流方式和的交流效率，缩短了时间和空间的距离；而“物联网”引入了人与物之间的交流，成为改变人类生活的技术首选，其发展目标就是使得人们可以在任意时间、任意地点都可以与任何物品相联，无疑为人类生活带来了革命性的变化。

    如何立足国民经济和社会发展对物联网技术的重大需求，构建物联网新型体系结构，突破物联网设计和实施的关键技术，并以应用为导向来带动物联网技术的发展，需要继续加大对物联网基础平台和关键技术的投入，加快物联网标准的建立，并以需求来驱动物联网应用。笔者相信物联网的推广将会成为推进经济发展和社会进步的驱动器。

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