物联网软件技术发展新趋势研究

李光亚

0 引言

物联网（Internet of Things(IoT)）概念，最早于1999年由麻省理工学院Auto-ID研究中心提出，它是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。通过装置在各类物体上的电子标签(RFID)、传感器、二维码等按约定的协议，经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的沟通和对话。这种将物体联接起来的网络被称为“物联网”[2]。

2005年，国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式诞生了“物联网”的概念。与物联网概念紧密关联的还有泛在网、传感网、智慧地球、CPS等，这些不同概念的差异，在于出发点和侧重点不同而核心是一样的。

RFID是物联网中的一项关键技术，它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标并获取相关数据的技术。物联网是对于世界上的万事万无的事物进行感知、识别，进行智能的分析。

传感网[9]是通过采用大量的多种类的传感器的节点（传感、采集、处理、收发、网络于一体），所形成的自制的网络系统。传感网所关注的是物理世界的动态协同感知，传感网是物联网中最主要的形式和承载方式。泛在网所强调的是无处不在的服务，在泛在网的网络内，涵盖了各种的感知设备、通信网等等，它们都是传感网的承载。

智慧的地球则是 IBM 所提出的物联网概念[3]，是指充分利用信息化和通讯技术，提供更加良好的服务、绿色的环境、和谐的社会、安定的社区、持续发展的经济等以城市为单元的功能，为公民建立一个优良的工作、生活和休闲的居住环境。

信息-物理融合系统 CPS[6]是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，其通过 3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。

从总体上来看，CPS、物联网、RFID、智慧地球和传感网，是远景和现实路线图关注的不同点。物联网中强调的是联网，传感网也是物联网的承载方式，RFID是其中一项关键技术，智慧地球强调的是从用户和产业的角度达成的最终愿景，而 CPS强调物理世界和信息世界的集成，是物联网一个更高级的阶段。

1 RFID

RFID（Radio Frequency Identification）即无线射频识别，也称电子标签。它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。将电子标签附在相关产品上，电子标签会向读写器自动发出产品序列号等信息，而这个过程不需要像传统条形码技术那样进行人工扫描，具有无线即时读取方式、大容量和高速数据处理等能力以及高度自动化的特点。RFID可以降低生产成本、提高零售效率。在需要对物品进行跟踪或分类管理的任何场合，RFID都有应用价值。

典型的RFID系统由电子标签（Tag）、阅读器（Reader）和天线（Antenna）3部分组成（在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持），如图1所示。其工作原理：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量，发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

图1 典型RFID系统组成

RFID的分类主要有以下几种方式：

（1）按供电方式分为有源标签和无源标签。

有源是指标签内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源标签内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源标签短，但寿命长且对工作环境要求不高。

（2）按载波频率分为低频、中频和高频。

低频主要有125kHz和134.2kHz两种，中频频率主要为13.56MHz，高频主要为 433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统；高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。

（3）按调制方式的不同可分为主动式和被动式。

主动式标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器；被动式标签使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该类技术适合用在门禁或交通应用中，因为读写器可以确保只激活一定范围之内的电子标签。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的标签发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作的标签主要用于有障碍物的应用中，距离更远(可达30米)。

（4）按标签芯片分为只读标签和读写标签。

RFID技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面RFID技术的成功应用反过来又将极大地促进应用需求的扩展。目前RFID技术发展非常迅速，有望在高速公路自动收费及交通管理、门禁保安、RFID卡收费、生产线自动化、仓储管理、汽车防盗、防伪、电子物品监视系统、火车和货运集装箱的识别、物流管理、生产线追踪等领域大展身手。

RFID 将构建虚拟世界与物理世界的桥梁。可以预见，在不久的将来，RFID 技术不仅会在各行各业被广泛采用，最终RFID 技术将会与普适计算技术相融合，对人类社会产生深远影响。作为全球的制造业基地，中国将是未来全球最大的RFID 应用市场。这对于国内的科研机构和企业将是一次难得的发展机遇。目前，我国在RFID 应用方面也还处于起步阶段。上海对于RFID的应用领域比较广泛，其中，RFID在危险化学品气瓶管理中应用、在动物识别管理中应用、在集装箱管理中应用、在特奥会人员管理中应用以及在党代会会议签到与管理中应用等，处于全国领先水平。从发展趋势来看，物流、医药与物品防伪等领域的应用发展潜力巨大。2010年上海世博会，RFID在电子票务、物流管理等方面的应用，给上海RFID的发展带来难得的发展机遇。

2 物联网

物联网是利用无所不在的网络技术建立起来的。其中涉及到的关键技术非常广泛，涉及到典型物联网标准体系架构（如图2所示）所组成的感知层、网络层和应用层，包括标准化、材料技术、安全和隐私、功率和能量存储技术、发现和搜索引擎、组网技术、通信技术、物联网体系结构、标识技术、硬件技术和软件和算法技术等。

图2 典型物联网组成

物联网的远景目标是把所有物品连接到互联网上，组成一个超大的智能网络。从网络层次看，物联网主要分为感知层、网络层和应用层。Auto-ID定义的物联网模型网络结构:在由EPC标签、解读器、Savant服务器、Internet、ONS服务器、PML服务器以及众多数据库组成的物联网中，解读器读出的EPC只是一个信息参考(指针)，该信息经过网络，传到ONS服务器，找到该EPC对应的IP地址并获取该地址中存放的相关的物品信息。而采用分布式 Savant软件系统，处理和管理由解读器读取的一连串 EPC信息，Savant将EPC传给ONS，ONS指示Savant到一个保存着产品文件的PML服务器查找，该文件可由Savant复制，因而文件中的产品信息就能传到供应链上。

我国十分关注物联网的建设。2009年8月温家宝总理在无锡视察中科院相应技术研发中心时提出，一是把传感系统和3G中的TD技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展；三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。其后，江苏省提出把传感网列为全省重点培育和发展的六大新兴产业之一。9月，无锡市政府与北京邮电大学签署战略合作协议，共建传感网技术研究院，这将推进传感网技术的研究和产业发展，中国“物联网”正进入实际建设阶段。11月，温家宝总理在人民大会堂向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话指出，一要高度重视新能源产业发展，二要着力突破传感网、物联网关键技术。目前，国家发改委、工业和信息化部正在新一代信息技术方面开展调研，以形成支持物联网等新一代信息技术发展的一些新政策措施，从而推动我国经济的发展。

从产业发展阶段的角度[10]：未来10年，中国物联网产业将经历应用创新、技术创新、服务创新3个主要发展阶段，形成公共管理和服务、企业应用、个人和家庭应用三大市场：

应用创新、产业形成期——未来1至3年，公共管理和服务市场应用带动产业链形成。

未来1至3年，中国物联网产业处于产业的形成期。物联网将以政府引导促进、重点应用示范为主导，带动产业链的形成和发展。产业发展初期将在公共管理和服务市场的政府管理、城市管理、公共服务等重点领域，结合应急安防、智能管控、节能降耗、绿色环保、公众服务等具有迫切需求的应用场景，形成一系列的解决方案。随着应用方案的创新、成熟和推广，带动产业链的传感感知、传输通信和运算处理环节的发展。

技术创新、标准形成期——未来3至5年，行业应用标准和关键环节技术标准的形成。

经过在公共管理和服务市场应用示范形成一定效应之后，随着下一代互联网的发展以及移动互联网的初步成熟，企业应用、行业应用将成为物联网产业发展的重点。各类应用解决方案逐渐稳定成熟，产业链分工协作更明确，产业聚集、行业标准初步形成。随着产业规模的逐渐放大，传感感知等关键环节的技术创新进一步活跃，物联网各环节的标准化体系逐步形成。

服务创新、产业成长期——未来5至10年，面向服务的商业模式创新活跃，个人和家庭市场应用逐步发展，物联网产业进入高速成长期。未来的5到10年，基于面向物联网应用的材料、元器件、软件系统、应用平台、网络运营、应用服务等各方面的创新活跃，产业链逐渐成熟。行业标准迅速推广并获得广泛认同。各类提供物联网服务的新兴公司将成为产业发展的亮点，面向个人家庭市场的物联网应用得到快速发展，新型的商业模式将在此期间形成。在物联网应用、技术、标准逐步成熟、网络逐渐完善、商业模式创新空前活跃的前提下，物联网产业进入高速发展的产业成长期。

从产业规模上来看，根据对物联网的3个关键细分领域——传感器、RFID、M2M的市场发展数据预测，以传感感知层对整体物联网产业的带动系数5倍计算，预计5年后中国的物联网产业的整体产值将超过1万亿元规模，到2020年，物联网产业的整体产值将超过5万亿元规模[10]。

民族传统体育项目推广与普及，不仅要突出民族特色，部分少数民族传统体育项目之所以能够经久不衰，就是因为它能够表现出该民族的文化内涵，反映出现实的生产、生活；而且要去其糟粕，留其精华，也就是在其过程中要“批评地继承”，遵循“古为今用”等原则，使少数民族传统体育能够健康发展。

从整体上来讲，发达国家已经加快物联网相关技术和产业的前瞻布局，我国也已经将物联网作为新兴战略性产业予以重点关注和推进。而从上海自身的角度，目前已经在以下方面居国内一定的领先地位：

物联网技术研发——在RFID、无线传感网、芯片制造、无线通信、海量数据处理等关键技术研发方面，上海具备一定的优势及领先地位。

标准制定——例如在无线传感网络标准化方面。近日国家成立了物联网标准联合工作组，中科院上海微系统与信息技术研究所，担任联合工作组常务副组长单位。

产业推进——前期已经在安防、电子围栏、应急指挥、交通流量监控、世博食品安全、液化气瓶防护等方面，取得了一定的成果。上海市委市政府高度重视，由经信委、科委和发改委共同牵头来推进物联网相关的研发及产业化工作。

已有城市信息化基础——上海的城市信息化水平在全国处于领先地位，包括社会保障、医疗、交通、环保、物流、社区、农业等方面，这为实施物联网工程提供了应用基础以及数据保障。

3 智慧地球

2009年1月，美国新任总统奥巴马与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，IBM首席执行官彭明盛在会上首次提出“智慧的地球”概念，立即得到美国各界的高度关注,有可能上升至美国的国家战略。IBM“智慧的地球”战略认为，IT产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中。也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,并且被普遍连接，形成所谓“物联网”。并通过超级计算机和云计算将“物联网“整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。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”状态。

IBM 公司对于智慧城市的定义（如图3所示）是“充分利用信息化和通讯技术，通过区域监测、决策分析、业务整合以及智能的响应方式，依据区域管辖权所授予的行政职责，综合各种职能部门和政务业务子系统，提供更加良好的服务、绿色的环境、和谐的社会、安定的社区、持续发展的经济等以城市为单元的功能，为公民建立一个优良的工作、生活和休闲的居住环境。”

在城市的发展过程中，利用信息通信技术来感知，分析，整合，并智能地响应在其管辖范围内市民关于环境、安全、城市服务、民生、及当地产业的活动及需求。从而创造一个更好的城市来生活，工作，休息及娱乐。智慧城市所具有的要素主要包括：

整合的—对于所有的城市系统有完整的规划，整体的、综合的管理，城市间可以轻松地共享信息以及成功经验；

创新的—应用新的科技及技术提高效率；

协作的—市机关、企业、教育机构和个人共同创造城市的构想蓝图及实施方案，提高生活质量。

鉴于智慧信息科技的巨大潜力，美国、英国、澳大利亚等国家都制定了相应的计划，投入巨资，鼓励智慧型信息产业的发展。就短期而言，可以将基础设施的建设与智慧化结合起来，利用先进的信息技术来新建或改造现有的基础设施，建设“智慧型基础设施”。比如建设智能电网、智慧的铁路、智慧的城市交通系统等。智慧型的基础设施还将成为推动创新的平台，能够带动新的投资，持续不断地向经济输送动力，智慧信息产业的发展将有力地推动中国经济增长方式的转型。

从国家层面来看：通过传感网和互联网的应用，“智慧地球”可以极大提高效率，产生更大的效益。在2010年经贸形势报告会上，李毅中则强调说，“智慧地球”就是通过在基础设施和制造业上大量设立传感器，捕捉运行过程中的各种信息，然后通过传感网，进入互联网，通过计算机分析处理发出智慧指令，再反馈回去，到传感器，到基础设施和制造业上，极大提高效率，产生更大的效益。

4 云计算

云计算概念是由Google提出的，这是一种网络应用模式。狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源；广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT和软件、互联网相关的，也可以是其他的任意服务，它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效；“云计算”图书版本也很多，都从理论和实践上介绍了云计算的特性与功用[5]。

图4 云计算概念演进

如图4云计算是并行计算(Parallel Computing)、分布式计算(Distributed Computing)和网格计算(Grid Computing)的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。云计算是虚拟化(Virtualization)、效用计算(Utility Computing)、IaaS(基础设施即服务)、PaaS(平台即服务)、SaaS(软件即服务)等概念混合演进并跃升的结果。

图5 云计算的种类

企业云服务市场逐渐成型。根据IDC与MIC等单位释出的调查报告，如图5所示可将企业云服务简单区分成架构即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）与软件即服务（SaaS）等3种，而且，有愈来愈多的厂商开始提供上述3种云服务了。

IaaS是以Amazon提供的服务为代表。云服务之所以能受到企业市场关注，与Amazon开始提供EC2/S3等服务有着密切的关系。PaaS又以 Amazon、谷歌、Salesforce.com与微软等国外厂商提供的方案较受企业市场关注；如Amazon web services与Google App Engine等。而Saas是软件和应用层面。这方面的代表是 Google和SalesForce。Google推出了一系列在线工具和软件、Chrome操作系统,SalesForce推出的是在线CRM系统。随着技术的进一步成熟，2010年，Saas模式的云计算将在某些细分领域(如杀毒、即时通讯、CRM等)获得更多用户的认可。

当然，并不是所有的应用都适合于用云计算技术来解决（如表1）：

表1 不适用于云计算技术的应用

云计算的发展，还存在着许多障碍，例如服务可用性、数据锁、数据私密性和可审计性[8]、数据传输瓶颈、性能的不可预测性、可伸缩的存储、大规模分布式系统的调试、快速剪裁、QoS保证、软件版权等方面[4]，这些也是云计算领域潜在的研究方向。

5 结语

物联网、云计算、无线传感网、RFID、CPS等概念都不是孤立的，可以说都是为了实现智慧城市和智慧地球这一美好愿景过程中，所需要进行突破的关键技术以及需要重点考虑的模式，是需要融合考虑和发展的。在这方面，上海城市信息化方面的良好基础，已经为上海在信息化方面的提升，提供了难得的发展机遇。我们考虑在十二五期间上海应该在以下方面取得突破和进展：

第一、十二五期间需要在一批关键技术上[1]布局取得突破，以新技术研发催生新的应用场景。政府要加大知识产权保护，避免知识产权成为瓶颈。

第二、物联网及其相关领域，应该在一批牵涉到国际民生的关键领域，进行应用示范来驱动相关产业链的形成，促进产业结构调整和转型。

第三、应该充分利用上海已有的全国城市信息化领先优势，培育出一批具备核心竞争力的上海本地物联网企业，占领上海乃至全国市场。

第四、应该通过新型服务模式和业务模式的孵化和培养，大力培养增值服务运营商，加速现代服务业的发展。

第五、应该着重制订出一系列的面向行业的应用标准规范或指南，逐步推向全国，提升上海地位。

第六、应该着力解决上海物联网及其相关发展带来新的管理方面的问题，包括法律和体制、机制的保障等。

鉴于笔者认识和判断本身的局限性，本文还存在不足之处，欢迎专家、学者不吝赐教。

[1]何积丰.IT前沿技术[J].微型电脑应用,2009,(1).

[2]何积丰.物联网系统中的软件[C].2010中国(无锡)国际物联网峰会暨嵌入式技术创新应用大会,2010-4-20.

[3]彭明盛.智慧的地球[N].人民日报,2009-7-24第009版.

[4]Samuel Greengard,The Silver Lining:To Build an EffectiveCloud Computing Infrastructure,StartWith the Right Core Technology,IDG WhitePapers,2009.

[5]The five defining characteristics of cloudcomputing,By Dave Malcolm Surgient,Special to ZDNet,Posted on ZDNet News: Apr 09,2009.

[6]国家863计划信息技术领域办公室和国家863计划信息技术领域专家组.信息-物理融合系统 C P S（Cyber-Physical System）发展战略论坛纪要[C].2010-1-15.

[7]周洪波.物联网技术、应用、标准和商业模式[M].电子工业出版社,2010-7.

[8]黄维真,疑云逼近——"云计算"时代的国家安全(上)[J].《国防》2010年第04期.

[9]Akyildiz IF,Su W,Sankarasubramaniam Y,Cayirci E.Wireless sensor networks: a survey.Computer Networks,2002,38(4): 393−422.

[10]中关村物联网产业联盟、长城战略咨询[J].《物联网产业发展研究(2010)》,2010年4月.