物联网基本概念及典型应用.pdf

第 10 期 2010 年 10 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation No. 10 Oct. 2010 专题讲座 文章编号 1671- 251X 2010 10- 0104- 05 物联网与感知矿山专题讲座之一 物联网基本概念及典型应用 张申, 丁恩杰, 徐钊, 华钢 中国矿业大学物联网 感知矿山 研究中心, 江苏 徐州 221008 摘要 介绍了物联网的发展、 基本概念、 体系结构、 标准及典型应用, 同时指出了目前物联网应用中存在 的问题, 提出在感知矿山物联网建设中不能照搬地面应用模式, 以避免出现新的信息孤岛和子系统问题孤 岛。该文讨论的内容是理解将在本刊连续发表的 物联网与感知矿山系列文章的基础。 关键词 物联网; 感知矿山; 体系结构; 核心技术; 标准体系; 典型应用 中图分类号TD655 文献标识码A Part ∀ of Lecture of Internet of Things and Sensor Mine Basic Concept of Internet of T hings and Its Typical Application ZHANG Shen, DING Enjie, XU Zhao, HUA Gang Internet of Things Sensor Mine Research Center of CUMT. , Xuzhou 221008, China Abstract The paper introduced development, basic concept, hierarchy structure, standards and typical application about Internet of things and indicated main problems existing in application of Internet of thing. Meanwhile, it proposed that the application model of surface Internet of things could not be copied in construction of Internet of thing of sensor mine, so as to avoid problems of new ination island and subsystem island. The content of the paper is for understanding series papers of Internet of T hings and Sensor Mine which will be contiuously published in journal Industry and Mine Automation. Key words Internet of things, sensor mine, hierarchy structure, key technology, standard hierarchy, typical application 收稿日期 2010- 09- 13 作者简介 张申 1957- , 男, 江苏兴化人, 教授, 博士, 现主要从 事煤矿通信方面的研究工作。 0 引言 2009 年 8 月 7 日, 温家宝总理在无锡视察时指 出, 要在激烈的竞争中在无锡迅速建立中国传感信 息中心, 或者叫做感知中国中心。2009 年 11 月 3日, 温家宝总理在让科技引领中国可持续发展∃ 讲话中, 将物联网定位于国家战略性新兴产业之一。 2010 年 3 月 5 日, 温家宝总理在作政府工作报告∃ 时指出, 要 加快物联网的研发应用, 抢占经济科技 制高点, 这标志着物联网已正式进入我国国家战略 层面。2010 年 6 月 5 日, 胡锦涛总书记在两院院士 大会上讲话中指出, 当前要 加快发展物联网技术, 争取尽快取得突破性进展。2010 年 6 月 29 日在中 国物联网大会上, 中国物联网专家委员会主任委员 邬贺铨院士表示, 物联网是互联网应用拓展重点, 物 联网是泛在网的起点, 物联网是信息化与工业化融 合的切入点, 物联网应用推广中突破行业进入壁垒 是难点, 物联网是低碳经济的支撑点, 是战略性新兴 产业的增长点, 是民生服务的新亮点, 是国际竞争的 新热点[ 1]。 1 物联网是互联网发展的必然趋势 互联网的发展过程 [ 2] 互联网从一个简单的联 系平台演变成一个浏览平台, 再演变成交互平台, 进 一步演变成为工作平台。在该过程中, 互联网从传 输普通数据发展到传输语音和视频, 从有线接入发 展到随处可用的无线接入, 从研究性网络发展成商 业性网络, 从一个本质上不可靠的网络发展成可用 于实时监测监控的网络, 从一个单一传输功能的网 络发展成具有计算功能的网络, 从固定的专用计算 发展成移动性的普适计算, 从一个纯物理网络发展 成了一个 Cyber 空间, 从仅提供信息查询服务发展 成为提供各种服务。而这种提供各种服务的网络空 间正呈现出与人类的实际生活空间水乳交融的发展 趋势。这种发展趋势就是物联网, 就是智慧地球。 关于这一点, 比尔 盖茨 1995 年在他撰写的新 书未来之路∃中就提出了这种物联网的概念, 它写 道 当袖珍个人计算机普及之后, 困扰着机场终端、 剧院以及其它需要排队出示身份证或票据等地方的 瓶颈路段就可以被废除了。比如, 当你走进机场大 门时, 你的袖珍个人计算机与机场的计算机相联, 就 会证实你已经买了机票。开门时你也无需用钥匙或 磁卡, 你的袖珍个人计算机会向控制锁的计算机证 实你的身份。 2010 年上海世 博会上 就实现 了 比尔 盖茨所说的物联网应用。 因此, 物联网是互联 网逐步发展的必然结果, 是互联网深入人类生活与 生产空间的必然结果。 而著名的迈特卡夫 Metcalfe 定律也早预测了 这种网络的扩张应用。迈特卡夫定律认为, 网络的 价值是随用户数的平方而增加的, 每一个新的用户 将给接入这个网络上的其他用户带来附加价值, 它 反映了影响市场的社会需求因素, 体现为信息网络 的扩张效应。互联网的发展正在往下延伸, 使用更 为泛在化的传感单元和网络, 实现更全面的互联互 通, 提供普适性的数据分析与服务, 更深入的服务智 能化, 这正是信息网络的扩张效应。 显然, 物联网不是要推翻互联网另搞一套, 而是 互联网应用的延伸和扩张。正如邬贺铨院士所说 物联网是互联网应用拓展重点。明白这一点对于理 解后面要谈到的 感知矿山物联网与 矿山综合自 动化之间的关系是非常重要的。 2 物联网的定义及其特点 然而, 到底什么是物联网, 可能大多数人的理解 是含糊和有偏颇的。人们经常会看到 物联网又称 作传感网、 物联网就是 RFID 的应用等论断。其 实这些说法都带有片面性。 1998 年, MIT Auto- ID 中心的 ASH TON K 首次提出物联网 Internet of Things 概念, 他指出 将 RFID或其它传感器加到日常物体上将产生物 联网, 为机器感知的新时代打下基础。 [ 2] 2004 年, 日本总务省提出 u- Japan 构想, 希望 在 2010 年 将 日 本 建 设 成 一 个 Anytime、 Anywhere、 Anything、 Anyone都可以上网的环境。 2005 年 11 月, 国际电联 IT U 在突尼斯举行的 信息社会世界峰会上发布了物联网的一个报告。报 告称 信息技术和通信技术 ICT 的世界加入了新 的维度 过去由任何人 Anyone 之间在任何时间 Anytime 任何地点 Anyplace 的信息交换, 现在 加入了任何物体 Anything [ 3] 。物联网是利用无所 不在的网络技术整合起传感技术和射频技术而建立 起来的物品之间的互联网, 世界上所有的物体从轮 胎到牙刷、 从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进 行交换。 2008 年 11 月, IBM 提出 智慧的地球概念, 即 互联网 物联网 智慧地球, 以此作为经济振兴 战略。如果在基础建设的执行中植入 智慧的理 念, 不仅仅能够在短期内有力的刺激经济、 促进就 业, 而且能够在短时间内为中国打造一个成熟的智 慧基础设施平台。 这些都是对物联网发展比较有影响的一些定 义。还有一些学者从不同角度提出了他们对物联网 的理解。例如李德仁院士提出, 在 物联网时代要 完成 从 4A 到 4R 的 转 变, 即 从 Anybody、 Anytime、 Anyplace、 Anything转变为 Rightbody、 Righttime、 Rightplace、 Rightthing。姚建铨院士认 为, 物联网就是 凡是有传感器和传感技术而感知物 体的特性来按照固定的协议实现任何时候物与物之 间、 人和物之间、 人与人之间互联互通, 实现智能化 识别定位跟踪管理的网络。 2010 年国家政府工作报告附录中对物联网的 定义 物联网是指通过信息传感设备, 按照约定的协 议, 把任何物品与互联网连起来, 进行信息交换和通 信, 以实现智能化识别、 定位、 跟踪监控和管理的 一种网络, 它是在互联网基础上的延伸和扩展的 网络。 据说网络上能查到的有关物联网的概念或定义 有 70 余种, 并且还在不断增加, 这在科技发展史上 是前所未有的。这反映了物联网的特点, 即 4A Anybody 物联网的发展将会涉及到每个人, 大 家从自己的角度与专业来理解物联网, 就形成了百 花齐放的局面; Anytime 在不同时刻, 人们对物联网的需求与 理解也是不同的, 并且随着理解的逐步深入, 内涵会 不断得到补充和完善; Anyplace 这实际就包含了 Anyapplication, 不 1052010 年第 10 期张申等 物联网与感知矿山专题讲座之一 物联网基本概念及典型应用 同的应用领域对物联网有不同的需求, 感知与应用 平台也会不尽相同; Anything 对任一物体进行监测与控制, 这就 带来了针对不同对象实现不同传感与执行不同动作 的问题。 正是由于物联网有这样泛在的应用, 因此, 几句 话的概念或定义很难将其全部概括。根据物联网的 实质及其行业应用, 完全可以定义自己应用范围内 的物联网。4A 当然就包括了物联网在矿山的应用, 称之为 感知矿山。以后将给出 感知矿山物联网 的概念。矿山物联网有其特殊的地方, 不能套用现 在地面物联网的发展模式, 后续文章将对 感知矿山 物联网与地面物联网应用的异同进行详细的分析。 3 物联网的体系架构 尽管物联网有许多定义, 但其 3 层 感知层、 网 络层、 应用层 体系架构却是公认的, 如图 1 所示 [ 4] 。 也有一些研究机构将其扩展成更多层的架构, 例如 IBM 将其细化成了 8层结构。 图 1 物联网 3 层体系架构 感知层是物联网发展和应用的基础, 实现的是 对真实世界中物体的感知与监控。RFID 技术、 传 感和控制技术、 短距离无线通信技术 如 WSN、 WiFi、 蓝牙、 红外 、 通用分组无线业务 GPRS 技术 等是感知层涉及的主要技术。当需要定位应用时, GPS 和 GIS 也将成为感知层的核心技术。 网络层将建立在现有网络 互联网或/ 和移动通 信网 的基础上。物联网通过各种接入设备与传输 网相联。网络层也包括信息存储查询、 网络管理等 功能。网络层中的感知数据管理与处理技术是实现 以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理 与处理技术包括传感网数据的存储、 查询、 分析、 挖 掘、 理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技 术。云计算平台作为海量感知数据的存储、 分析平 台, 将是物联网网络层的重要组成部分, 也是应用层 众多应用的基础平台, 有时也将其称作应用平台。 应用层利用经过分析处理的感知数据为用户提 供丰富的特定服务。应用层是物联网发展的目的, 软件开发、 智能控制技术将会为用户提供丰富多采 的物联网应用。各种行业和家庭应用的开发将推动 物联网的普及, 也给整个物联网产业链带来利润。 在后续文章中, 将根据感知矿山物联网的应用 实际, 将通用物联网的 3 层架构更改为感知矿山物 联网的 3 层架构模型, 并分析各层在感知矿山中的 地位和作用, 指出感知层网络建设将是感知矿山网 络建设的重点。 4 物联网核心技术体系 物联网的核心技术体系框架 见图 2 包括感知 层技术、 网络层技术、 应用层技术和公共技术[ 4]。 图 2 物联网核心技术体系框架 感知层 数据采集与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。 网络层 实现更加广泛的互联功能, 能够将感知 到的信息无障碍、 高可靠性、 高安全性地进行传送, 需要传感器网络与移动通信技术、 互联网技术相融 合。经过十余年的发展, 移动通信、 互联网等技术已 比较成熟, 基本能满足物联网数据传输的需要。 应用层 应用层主要包含应用支撑平台子层和 106工矿自动化2010 年 10 月 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、 互通的 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、 智能电力等行业应用。 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 3 层都有关系, 它包括标识与解析、 安全技术、 网络管理和服务质量 QoS 管理。 5 物联网标准体系 根据物联网技术与应用密切相关的特点, 按照 技术基础标准和应用子集这两个层次, 物联网标准 化工作组采取引用现有标准、 裁剪现有标准或制定 新规范等策略, 形成了包括体系架构、 组网通信协 议、 接口、 协同处理组件、 网络安全、 编码标识、 骨干 网接入与服务等技术基础规范和产品、 应用子集类 规范的标准体系 见图 3 , 以求通过标准体系指导 成体系、 系统的物联网标准制定工作, 同时为今后物 联网产品研发和应用开发中对标准的采用提供重要 支持[ 4]。 目前我国已成立了物联网标准联合工作组, 其 工作是紧紧围绕产业发展需求, 协调一致, 整合资 图 3 物联网标准体系 源, 共同开展物联网技术的研究, 积极推进物联网标 准化工作, 加快制定符合我国发展需求的物联网技 术标准, 并力争成为制定物联网国际标准的主导力 量之一。但实际工作并不容乐观, 甚至出现物联网 应该是应用先行还是标准先行之争。 6 典型应用案例及存在问题 目前物联网的应用还处在早期应用阶段。早期 应用的典型特征是功能单一、 网络独立、 数据私有、 缺乏规范和标准。例如上海市推进物联网产业发展 十大应用示范工程, 如表 1 所示 [ 5] 。 表 1 上海市推进物联网产业发展十大应用示范工程 序号名称具体应用 1环境监测 一是环境质量监控, 主要是对水源地环境质量、 蓝藻的监控和电子防护, 对大气空气质量和辐射环境质量 的监控; 二是移动源监控, 主要是对医疗废弃物、 探伤机的出入库监控和转运跟踪, 以及对机动车交通污染 排放的监控; 三是结合环保能力建设, 完善环境预警和应急响应系统。 2智能安防 利用现有的电信网等固定网络及互联网, 采用 RFID、 传感器、 智能图像分析、 网络传输等信息技术, 建设具 有人口动态实时管理功能的社区智能对讲门禁、 社区单元视频拍照记录、 家庭安防综合应用系统, 并实现 门禁管理与公安人口信息平台的对接。 3智能交通 整合上海市以埋地线圈、 摄像探头等传感设备获得的交通流量信息, 建设交通信息互动发布平台, 向社会 提供实时交通流量信息和出行建议; 应用传感技术对上海市停车位进行实时监控, 结合实时交通流量信 息, 提供点到点服务; 适时启动根据实时交通流量信息对交通信号实行控制的工程, 进一步优化上海市交 通状况, 提升交通管理水平。 4物流管理 通过 RFID 技术在多式联运、 大型物流园区、 冷链物流等方面的应用, 探索利用物联网技术对物流环节的全 流程管理; 开发面向物流行业的公共信息服务平台, 开发适用于各种物流环境的特种电子标签、 物流装备、 读写器、 中间件、 管理系统等产品。 5楼宇节能管理 利用传感器技术对楼宇中每个单元的温度、 湿度、 照明进行实时监控, 达到楼宇节能管理的目的, 并逐步增 加楼宇安防、 门禁、 电梯管理等方面的实时监控功能。 6智能电网 以远程智能电力终端为突破口, 形成以物联网技术为核心的双向信息通信、 远程监控、 信息存储、 负荷分配 技术, 实现智能电网中的远程读取、 双向交互功能, 并开展万户以上示范工程建设。以智能电网中的新技 术为抓手, 推动未来智能电网构架的应用示范, 并在世博园区开展智能终端示范工程展示。 1072010 年第 10 期张申等 物联网与感知矿山专题讲座之一 物联网基本概念及典型应用 续表 序号名称具体应用 7医疗 采用无线射频技术, 对医务人员、 患者和医疗物品进行管理, 带动RFID 标识装置的研发和产业化。利用无 线遥感技术, 实现远程医疗服务功能, 带动远程医疗产品和服务的研发和产业化; 采用自动测量和控制技 术, 实现连续、 及时、 准确地监测目标区域的饮用水质及其变化状况, 带动传感器、 通信模块等产品的研发 和产业化。 8精准控制农业 在马陆葡萄园开展综合试点, 利用传感器技术, 实时监测温度、 湿度、 光照、 二氧化碳、 土壤微量元素等参 数, 以短距离无线通信技术进行数据传输, 并通过与专家系统进行比对, 自动进行通风、 滴灌、 控温、 补光等 操作, 实现农业生产的精准化和智能化, 提高农产品的附加值。在试点基础上推广并培育系统集成、 传感 器和控制设备产业, 实现精准农业技术和装备的国产化。 9世博园区 在世博园区实施电子门票、 陆上和水上电子围栏、 智能电网等应用项目, 将世博园区建设成为物联网技术 的集中应用示范区, 并在总结经验的基础上加大推广力度。其中, 电子门票包括高频 RFID 普通门票和 2. 4 GHz 有源 RFID 手机门票; 陆上电子围栏主要采用视频监控、 抛物雷达和震动光缆等智能安防技术, 水上电子围栏主要采用声纳、 红外及可见光等技术, 对非法入侵进行实时监控和报警; 智能电网项目包括 输电线路状态监测、 智能楼宇、 智能家居、 数字变电站等应用。 10 应用示范区和产业 基地 建设物联网应用示范区, 集中展示物联网应用技术和示范工程。在社区综合应用物联网相关技术, 对城市 基础设施进行监控; 在居民家庭试点推广家域网, 利用无线通信技术对家电、 照明和家庭安防系统等进行 组网, 并实现远程控制; 对社区居民试行健康监控, 通过随身携带的健康监控仪, 及时将居民的心率、 血压、 体温等基本健康数据发聩到社区卫生中心, 使社区医生及时掌握重点人群的健康状况。在嘉定、 浦东等区 县建立产业基地, 形成若干个产业园区, 集聚物联网相关企业, 充分发挥主业集群优势, 形成技术创新、 应 用方案创新和商业模式创新的合力。 尽管这些系统大都以 Internet 或移动运营商的 网络为骨干传输网络, 但无线覆盖的感知层网络却 是各行其是, 长此以往, 随着物联网应用系统越来越 多, 势必会出现同一地区存在多个无线感知网络但 相互之间不能共用的局面。同时在这些系统中基本 看不到图 1 所示的云计算应用平台, 这样私有数据 不能在系统间充分利用, 造成重复投资、 资源浪费, 形成新的信息孤岛[ 6]。目前这个问题在地面物联网 应用中还不突出, 也未引起人们足够的重视。这一 方面是由于目前尚处于物联网应用的早期阶段, 处 于应用试点和经验积累阶段; 另一方面是由于地面 单功能应用系统相对较大, 如公共智能交通信息系 统, 覆盖几种不同的交通工具、 数十条线路、 数百辆 车及数千个站台, 系统相对独立是可以理解和接受 的。但这些问题应该引起充分的警觉, 提醒人们该 应用模式不能复制到感知矿山物联网应用中。在后 续文章中将结合感知矿山物联网的特征进行更为详 细的分析。 7 结语 作为感知矿山系列文章的第一篇, 主要介绍了 物联网的发展、 基本概念、 体系架构、 标准及典型应 用, 同时指出了目前物联网应用中存在的问题。这 些问题应该引起警觉, 提醒人们在感知矿山物联网 建设中不能照搬地面应用的模式, 否则将会面临新 的信息孤岛和子系统问题孤岛。本文内容也是理解 将在本刊连续发表的 物联网与感知矿山系列文章 的基础。 参考文献 [1] 2010年中国物联网大会[ EB/OL] . 2010- 06- 29 [ 2010 -08 -02]. http / /tech. 163. com/special/ 00094D22/2010wulianwang. html, 2010. 6. 29. [2] Grald Santucci. From Internet of Data to Internet of Things[ R] . The International Conference on Future Trends of the Internet, 2009, Luxembourg. [3] ITU Internet Reports 2005 The Internet of T hings [ EB/ OL]. 2005- 11- 17 [ 2010- 08- 06] . http // www. itu. int/ internetofthings/ . [4] 张晖. 解析物联网技术框架与标准体系[ EB/ OL ]. 2010- 03- 30 [2010- 08- 06] . http / /www. xici. net/ u18456841/d115113209. htm. [5] 上海推进物联网产业发展十大应用示范工程[ EB/ OL]. 2010- 04- 27 [ 2010- 08- 06]. http / /www. cio360. net/ h/2177/348122 14699. html. [6] 张申, 丁恩杰, 赵小虎, 等. 数字矿山及其两大基础平台 建设[ J]. 煤炭学报, 20079 997 1001. 108工矿自动化2010 年 10 月