物联网系统

一、 互联网与物联网

一、众所周知，互联网由于其标准的统一，结构的简单，已广为应用于多

个领域，它能向人们提供多种信息，能方便地进行人与人之间的通信，但从根本上来说，这些通信对象还是虚拟的，它们可以是真实的，但也可以是想像中的，并不一定是真实的。于是产生了安全问题，隐私性等不少问题。

二、由于真实的世界中，存在着许多人，也存在着大量的动物，植物，矿

山，森林等物体，在这样的环境中，不仅人与人之间需要通信，需要交换信息，人们还希望感知其周围的物理的多种信息，例如环境的温度、湿度、光线、CO2、污染情况等等，以便改进人们的生活条件。于是呈现在人们面前的将是一个人与人之间，人与物之间，物与物之间的相互通信的信息网络，它们能通过该网络中唯一的地址（当然，不是现在的IP V4 地址，它已经不够用了）相互作用，相互交换信息。最后的目标是人们能更好地、和谐地生活在这个全球化、信息化的地球上。这个网络也就是一般所谓的物联网。

三、稍具体地说，如果一个网中包含大量的传感器节点及其附近的物体，

以便人们可以在远离节点的地方，通过该信息网络感知这些真实物体的信息。这个网络就可称之为物联网。它包含着真实的物体、其附近的传感器节点，以及通信网络等组成。

四、由此可见，虽然互联网和物联网都是信息网络，但前者的通信对象可

以是虚拟的，而后者的则是真实世界中的真实物体，这是两者根本的区别。后者的信息内容要广泛得多，他们的通信对象可以是在任何时间、任何地点的任何物（包括人）。目前物联网已成为IT业界的新兴领域，引发了相当热烈的研究和探讨。不同的视角对物联网 概念的看法不同 ，所涉及的关键技术也不相同。可以确定的是，物联网技术涵盖了从信息获取、传输、存储、处理直至应用的全过程，这需要在材料、器件、软件、网络、系统等各个方面部有所创新才能促进其发展：国际电信联盟报告提出.，物联网主要需要四项关键性应用技术：①标签物品的

RFID技术；② 感知事物的传感网络技术(Sensortechnologies)；③思考事物的智能技术(Smart technologies)；④微缩事物的纳米技术(Nanotechnology) 显然这是侧重了物联网的末梢网络技术。欧盟《物联网 研究路线图》将物联网研究划分为了十个层面：①感知，lD 发布机制与识别；②物联网 宏观架构；③通信(OSI物理与数据链路层)；@组网 (OSI M络层)；⑤软件平台、中问件(OSI M络层以上)；⑥硬件；⑦情报提炼；⑧搜索引擎；⑨能源管理；⑩安全。

二、物联网的关键技术

一、感知技术

感知技术也可以称为信息采集技术，它是实现物联网的基础。目前，信息采集主要采用电子标签和传感器等方式完成。

电子标签

在感知技术中，电子标签用于对采集的信息进行标准化标识，数据采集和设备控制通过射频识别读写器、二维码识读器等实现。射频识别(RFID)是一种非接触式的自动识别技术，属于近程通信，与之相关的技术还有蓝牙技术等。RFID通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。

RFID电子标签是近几年发展起来的新型产品，也是替代条形码走进物联网时代的关键技术之一。所谓RFID电子标签就是一种把天线和Ic封装到塑料基片上的新型无源电子卡片，具有数据存储量大、无线无源、小巧轻便、使用寿命长、防水、防磁和安全防伪等特点。RFID读写器(1~l PCE机)和电子标签(11PICC卡)之间通过电磁场感应进行能量、时序和数据的无线传

输。在RFID读写器天线的可识别范围内，可能会同时出现多张PICC卡。如何准确识别每张卡，是A型PICC卡的防碰撞(也叫防冲突)技术要解决的关键问题。

传感器

传感器是机器感知物质世界的“感觉器官”，用来感知信息采集点的环境参数；它可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为物联网系统的处理、传输、

分析和反馈提供最原始的信息。随着电子技术的不断进步，传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化；同时，我们也正经历着一个从传统传感器到智能传感器再到嵌入式Web传感器不断发展的过程。目前，市场上已经有大量门类齐全且技术成熟的传感器产品可供选择。

二、网络通信技术

在物联网的机器到机器、人到机器和机器到人的信息传输中，有多种通信技术可供选择，他们主要分为有线(如DSL、PON等)和无线(如CDMA、GPRS、IEEE 802．1la／b／g WLAN等)两大类技术，这些技术均已相对成熟。在物联网的实现中，格外重要的是无线传感网技术。

无线传感网主要技术

无线传感网(WSN)是集分布式信息采集、传输和处理技术于一体的网络信息系统，以其低成本、微型化、低功耗和灵活的组网方式、铺设方式以及适合移动目标等特点受到广泛重视。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的形形色色的传感器以及由它们组成的无线传感网络，来感知整个物质世界的。

物联网的部分网络通信技术

根据目前物联网所涵盖的概念，其工作范围可以分成两大块：一块是体积小、能量低、存储容量小、运算能力弱的智能小物体的互联，即传感网；另一块是没有上述约束的智能终端的互联，如智能家电、视频监控等。对于智能小物体网络层的网络通信技术目前有两项：一是基于ZigBee联盟开发的ZigBee协议进行传感器节点或者其他智能物体的互联；另一技术是

IPsO联盟所倡导的通过IP实现传感网节点或者其他智能物体的互联。 (1)ZigBee技术。ZigBee技术是基于底层IEEE 802．15．4标准，用于短距离范围、低传输数据速率的各种电子设备之间的无线通信技术，它定义了网络／安全层和应用层。ZigBee技术经过多年的发展，技术体系已相对成熟，并已形成了一定的产业规模。在标准方面，已发布ZigBee技术的第3个版本v1．2；对于芯片，已能够规模生产基于IEEE 802．15．4的网络射频芯片和新一代的ZigBee射频芯片(将单片机和射频芯片整合在一起)；在应用方面，ZigBee技术已广泛应用于工业、精确农业、家庭和楼宇自动化、医学、消费和家用自动化、道路指示／安全行路等众多领域。

(2)与IPv6相关联的技术。若将物联网建立在数据分组交换技术基础之上，则将采用数据分组网即IP网作为承载网。IPv6作为下一代IP网络协议，具有丰富的地址资源，能够支持动态路由机制，可以满足物联网对网络通信在地址、网络自组织以及扩展性方面的要求。但是，由于IPv6协议栈过于庞大复杂，不能直接应用到传感器设备中，需要对IPv6协议栈和路由机制作相应的精简，才能满足低功耗、低存储容量和低传送速率的要求。目前有多个标准组织进行相关研究，IPSO联盟于2008年lO月，已发布了一种最小的1Pv6协议栈μIPv6。

三、数据融合与智能技术

物联网是由大量传感网节点构成的，在信息感知的过程中，采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法是不可行的。因为网络存在大量冗余信息，会浪费大量的通信带宽和宝贵的能量资源。此外，还会降低信息的收集效率，影响信息采集的及时性，所以需要采用数据融合与智能技术进行处理。

分布式数据融合

所谓数据融合是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效且符合用户需求的数据的过程。在传感网应用中，多数情况只关心监测结果，并不需要收集大量原始数据，数据融合是处理该类问题的有效手段。例如，借助数据稀疏性理论在图像处理中的应用，可将其引入传感网用于数据压缩，改善数据融合效果。

分布式数据融合技术需要人工智能理论的支撑，包括智能信息获取的形式化方法、海量信息处理的理论和方法、网络环境下信息的开发与利用方法，以及计算机基础理论。同时，还需掌握智能信号处理技术，如信息特征识别和数据融合、物理信号处理与识别等。

海量信息智能分析与控制

海量信息智能分析与控制是指依托先进的软件工程技术，对物联网的各种信息进行海量存储与快速处理，并将处理结果实时反馈给物联网的各种“控制”部件。智能技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识分析后所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可以使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动的实现与用户的沟通，这也是物联网的关键技术之一。智能分析与控制技术主要包括人工智能理论、先进的人一机交互技术、智能控制技术与系统等。物联网的实质是给物体赋予智能，以实现人与物体的交互对话，甚至实现物

体与物体之间的交互或对活。为了实现这样的智能性，例如，控制智能服务机器人完成既定任务包括运动轨迹控制、准确的定位及目标跟踪等，需要智能化的控制技术与系统。

四、云计算

随着互联网时代信息与数据的快速增长，有大规模、海量的数据需要处理。当数据计算量超出自身IT架构的计算能力时，一般是通过加大系统硬件投入来实现系统的可扩展性。另外，由于传统并行编程模型应用的局限性，客观上还需要一种易学习、使用、部署的并行编程框架来处理海量数据。为了节省成本和实现系统的可扩放性，云汁算的概念因此应运而生 。云计算最基本的概念是通过M络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统处理。通过云计算技术，网络服务提供者可以在数秒之内，处理数以千万计甚至亿计的信息，提供与超级计算机同样强大效能的网络服务。云计算作为一种能够满足海量数据处理需求的计算模型，将成为物联网发展的基石。之所以说云计算是物联网发展的基石，一是因为云汁算具有超强的数据处理和存储能力，二是因物联网无处不在的信息采集活动，需要大范围的支撑平台以满足其大规模的需求。实现云计算的关键技术是虚拟化技术。通过虚拟化技术，单个服务器可以支持多个虚拟机运行多个操作系统，从而提高服务器的利用率。虚拟机技术的核心是Hypervisor(虚拟机监控程序)。Hypervisor在虚拟机和底层硬件之间建立一个抽象层，它可以拦截操作系统对硬件的调用，为驻留在其上的操作系统提供虚拟的CPU和内存。实现云计算系统目前还面临着诸多挑战，现有云计算系统的部署相对分散，各自内部能够实现VM的自动分配、管理和容错等，云计算系统之间的交互还没有统一的标准。关于云计算系统的标准化工作还存在一系列亟待解决的问题，需要更进一步的深入研究。然而，云汁算一经提出便受到了产业界和学术界的广泛关注。目前，国外已经有多个云计算的科学研究项目，比较有名的是Scientific Cloud和Open Nebula项目。产业界也在投入巨资部署各自的云计算系统，参与者主要有Google、IBM、Microsoft、Amazon等。国内关于云计算的研究也已起步，并在计算机系统虚拟化基础理论与方法研究方面取得了阶段性成果。

物联网已经在仓储物流 ,假冒产品的防范 ,智能楼宇、路灯管理、智能电表、

城市自来水网等基础设施 ,医疗护理]等领域得到了应用。

人类社会在相当长时间内将面临两大难题:其一是能源短缺和环境污染;其二是人口老龄化和慢性病增加,物联网首要的应用在于能耗控制和医疗护理。人类社会目前遇到的问题是:恐怖活动和信任危机,物联网目前急需的应用在于安防监控、物品身份鉴别。另外,物联网在智能交通、仓储物流、工业控制等方面都有较大的应用价值。

三、 物联网系统设计

物联网的系统设计很大程度上类似于互联网，在公开发表物联网应用系统的同时,很多研究人员也发表了若干个物联网的体系结构,例如物品万维网的(Web of Things,WoT)体系结构,它定义了一种面向应用的物联网,把万维网服务嵌入到系统中,可以采用简单的万维网服务形式使用物联网。这是一个以用户为中心的物联网体系结构,试图把互联网中成功的、面向信息获取的万维网应用结构移植到物联网上,用于简化物联网的信息发布和获取。

物联网的自主体系结构是为了适应于异构的物联网无线通信环境而设计的体系结构。该自主体系结构采用自主通信技术。自主通信是以自主件( selfware)为核心的通信,自主件在端到端层次以及中间结点,执行网络控制面已知的或者新出现的任务,自主件可以确保通信系统的可进化特性。

物联网的自主体系结构如图1所示,包括了数据面、控制面、知识面和管理面,数据面主要用于数据分组的传递;控制面通过向数据面发送配置报文,优化数据面的吞吐量以及可靠性;知识面提供整个网络信息的完整视图,并且提炼成为网络系统的知识,用于指导控制面的适应性控制;管理面协调和管理数据面、控制面和知识面的交互,提供物联网的自主能力。

图1 一种联网的自主体系结构

这里自主特征主要由STP /SP协议栈和智能层取代传统的TCP / IP协议栈,如图2 所示,这里的STP和SP分别表示智能传送协议( Smart TransportProtocol)和智能协议( Smart Protocol) ,物联网结点的智能层主要用于协商交互结点之间STP /SP的选择,用于优化无线链路之上的通信和数据传送,满足异构物联网设备之间的联网的需求。

图 2 物联网自助主体系结构的协议栈

的自主体系结构涉及的协议栈较为复杂,只能适用于计算资源较为富裕的物联网结点。目前物流仓储的物联网应用都依赖于产品电子代码( EPC)网络[ 8, 15 ] ,该网络如图3所示,主要组成部件包括:产品电子代码( EPC) ,这是一种全球范围内标准定义的产品数字标识;电子标签和阅读器,电子标签通常采用射频标识(RF ID)技术存储EPC,阅读器是一种阅读电子标签内存储的EPC并且传递给物流仓储管理信息系统的装置; EPC中间件,

这EPC网络包括3个层次:

(1) 实体和内部层次,该层由EPC、RFID标签、RF ID阅读器、EPC中间件组成。这里的EPC中间件实际上屏蔽了各类不同的RFID之间的信息传递技术,把物品的信息访问和存储转化成为一个开放的平台。

(2) 商业伙伴之间的数据传输层,这层最重要的部分是EPC2IS,企业成员利用EPC2IS服务器处理被ALE过滤之后的信息,这类信息可以用于内部或者外部商业伙伴之间的信息交互。

(3) 其他应用服务层,这层最重要的部分是ONS,ONS用于发现所需的EPC2IS的地址。EPC2global[ 15 ] (全球EPC管理机构,详见第4节)委托全球著名的域名服

务机构VeriSign (威瑞信)公司提供ONS全球服务,全球至少有10个数据中心提供ONS服务。

以上都是分别从某个具体应用的角度给出了物联网的系统结构,这类结构还无法构成一个通用的物联网系统结构。

物联网互连体系结构 【1】

根据以上物联网结点的分类,可以进一步研究可能存在的连接类型,例如物联网结点之间存在无源结点与有源CPS结点,有源CPS与有源CPS结点,以及有源CPS结点与互联网CPS结点之间的连接,这些类型的连接结构构成了物联网互连的体系结构。

由于物联网的异构性,我们建议的通用物联网体系结构由3部分构成:无源CPS结点与有源CPS结点互连结构,有源CPS结点与有源CPS结点互连结构,有源CPS结点与互联网结点互连结构。

无源CPS结点与有源CPS结点互连结构如图4所示,无源CPS结点通过物理

层协议与有源CPS结点连接,例如通过RF ID协议,有源CPS可以获取无源CPS结点上电子标签的信息。

有源CPS结点与有源CPS结点互连结构如图5所示,有源CPS结点之间通过物理层、数据链路层和应用层的协议交互,实现有源CPS结点之间的信息采集、传递和查询。考虑到大部分有源CPS结点资源十分严格,有源CPS结点不适合配置已有的IP协议;配置的数据链路协议也应该是面向物联网的数据链路层协议,可以保证可靠、高效、节能地

采集、传递和查询信息,满足物联网结点交互的应用需求。

有源CPS结点之间的信息转发和汇聚可以通过应用协议实现,这样,可以按照应用需要,设计灵活的信息采集和转发的协议,不需要采用通用的、低效的互联网中的IP协议。

有源CPS结点与互联网CPS结点互连结构如图6所示,有源CPS结点需要通过CPS网关,才能连接互联网结点。CPS网关实际上是一个有源CPS结点与互联网CPS结点的组合,其中实现了完整的互联网协议栈。这样,通过CPS网关,可以在应用层与互联网连接,实现物联网与互联网之间信息传递,以及物联网应用与

互联网应用之间的互通、互连和互操作。这种互连结构可以允许不同类型的物联网采用满足自身需要的联网结构,简化不必要的联网功能,降低网络系统的复杂性。不同的物联网联网技术,例如汽车电子联网技术、环境监测联网技术

在以上定义的物联网体系结构中,物联网物理层协议,提供在物理信道上采集和传递信息的功能,具有一定的安全性和可靠性控制能力;物联网数据链路层协议,提供对物理信道访问控制、复用,在链路层安全、可靠、高效传递数据的功能,具有较为完整的可靠性、安全性控制能力,可以提供服务质量的保证;应用层协议,提供信息采集、传递、查询功能,具有较为完整的用户管理、联网配置、安全管理、可靠性控制能力。

四、物联网实例

油水生产远程监控分析优化系统

石油物联网作为一项新技术也将逐渐应用到油田生产实践中。基于物联网技术的数字化油田建设,在油田数据采集、远程监测、物资管理以及地面全面信息化等领域有非常广阔的应用前景,不仅可以实现跨地域协同工作,紧密连接生产的各个环节,还可以实现油田业务与技术的整合,进一步优化油田生产经营管理,拓宽油田勘探开发业务。运用物联网技术构建数字化油田,是油田信息化建设的有效途径。随着油田勘探开发的进一步深入、信息采集与智能计算技术的迅速发展、互联网与移动通信网的广泛应用以及与传感网结合的不断深入,油田大规模运用物联网的时机日趋成熟。油井生产远程监控分析优化系统通过网络远程采集油井的功图、压力、温度、电流、功率、扭矩等数据,实现油井生产工况实时诊断;远程实时产液量计量;用电消耗计量及能耗分析;应用扭矩法、电能法、功率曲线法等计算和调节抽油机平衡;基于诊断基础上的油井工作参数优化设计;基

于诊断、优化设计结果的专家解决方案发布;基于油井工况诊断和工艺参数设计结果,远程实时实现对油井的\"大闭环\"智能控制,如图1所示。注水井生产远程监控分析优化系统通过网络远程采集注水井的压力、流量等数据,根据注水井配水要求,进行当前流量和配注量的比对,利用PID算法自动调节阀门开度。同时将即时流量数据和累计流量数据以及各种压力数据,传送到RTU,利用CDMA\\GPRS网络将数据传回到油田企业内部网计算服务器。工况分析优化服务器将现场监控终端采集的数据进行超限报警、注水量计算、报表、曲线、图示等数据统计;工况分析;参数优化设计等。Web发布系统根据系统设定的权限和管理范围,对管理的水井进行定制查询和统计、展示等。该系统使得注水设备具有物联网的\"计算、网络通信、精确控制、远程协作和自治\"五大功能.

自2005年开始,大港油田通过试验、示范、全面推广,截至2009年底共实施2000多口油水井生产远程监控分析优化系统,实现了油水井生产实时采集、实时计算、实时诊断、实时优化、实时发布、实时控制,有力地推动了油田的自动化、信息化、数字化的发展,2007年被确立为\"港西模式\"。\"港西模式\"为石油物联网新项目的建设提供样板。\"港西模式\"的核心技术是一套基于自动化技术、计算机技术、网络技术、系统工程技术以及油气田开发专业技术,以提高油田数字化水平、油井产量、系统效率、简化地面流程为目的,集数据采集、数据管理、生产动态预测、工程分析、远程计量、油井故障诊断、系统效率及损耗构成、优化设计、措施方案发布、智能控制等于一体的专家系统。该技术符合物联网的定义,广义上讲,就是一个在环境感知的基础上,深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统,它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加或扩展新的功能,以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。

大港油田港西油田简化模式,让计量站、配水间和传统的三级布站模式退出历史舞台,摆脱\"地面工艺调整围着已建场站转\"的思想束缚,形成以满足油藏开发需要为标准的地面工程建设新理念,实现信息化、网络化与油气田地面集输系统成功对接,属于物联网技术的典型应用案例,开辟了油气生产的新途径。\"港西模式\"对于创建节约型企业,实现老油田高效开发具有重要指导意义。

应用前景与展望

在我国信息产业科技发展\"十一五\"规划和2020年中长期规划纲要等重要发展规划中,宽带无线移动通信网络与互联网络、物联网络之间的连接和融合是最重要的发展方向,这将创造新的产业链与商业模式,促进我国经济与社会的可持续发展,是我国信息化和工业化的快速融合的有力武器。石油行业是一个跨学科、多专业相互配合的技术高度密集型行业。石油行业的信息化一直伴随着石油行业的发展,并发挥着巨大的作用。

未来应用领域

无人驾驶自动出租车：

在未来城市中，将出现许多自动出租车，它提供及时、高效的服务。它可大大减少城市中交通阻塞现象。它们含自动寻找最佳路由，以最快最安全速度到达你指定的目的地，用户的位置通过Gps自动地被跟踪；用户可利用移动电话或手势向路边打招呼，用户只需指向街边的带有传感器的地图，指出在某一特定时间到达某一位置，该自动出租车就会自动编成相应的交通程序，并按时把你送到目的地。

城市信息模型（CIM ，city information model）：

【2】

一个城市的信息模型是基于这样的概念，每一建筑物和市区结构，例如步行街、环形路，以及重要应用基础设施，如阴沟、铁路线、公交路线等，被连续地由有关部门监视，并可通过一系列API被第三方所应用，用户的管理业务与CIM平台相互通信，从而以最有效的价格，共享资源。共享能量。他们相互自动交换过剩的能量，价格则按供应点需求相适配的原则被计算。每一项的业务性能被实时地向CIM报告，并相互比较。在这个意义上，计划和设计是一个进行中的社会过程。在此基础上，可推出城市最佳总体性能、总体效率。

【1】 【2】

物联网体系结构研究 霍占磊

杨震：物联网及其技术发展, 南京邮电大学学报, Aug, 2010， P9-14