物联网促进经济发展向信息化转型的研究

2015-06-24 23:06 来源:RFID世界网
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  物联网的本质是什么

  2009年起,智慧地球、物联网、RFID、传感网等几个概念在中国谈得非常火热,很多企事业单位也都纷纷自称是物联网企业,但要说起这些概念是什么意思,概念之间是什么关系,可能只有少数人能说上一些,并且这些人之间各自观点也不一样,由此造成了“物联网是什么,是不是炒作”等大量疑惑。笔者在此以连载的形式推出关于物联网的研究结果,包括物联网的本质、特征、结构等,尽可能地增进大众对物联网等的认识。

  本篇先介绍笔者对于物联网本质的认识。

  关于物联网的概念,很多专家、学者都提出了各自的定义,很多企业也宣称自己的产品是物联网产品,现在的一些标准也被称作是物联网标准,一些机构宣称自已是物联网机构。下面试举几例说明。

  “物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。”

  “物联网是未来互联网的一部分,能够被定义为基于标准和交互通信协议的具有自配置能力的动态全球网络设施,在物联网内物理和虚拟的“物件”具有身份、物理属性、拟人化等特征,它们能够被一个综合的信息网络所连接。”

  “物联网是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的一个新技术。”

  “很多物体不一定非要连到网上,而且物联网不是网络而是应用和业务。”

  “我国物联网标准体系框架已经初步形成,向国际标准化组织提交的多项标准提案也已经被采纳,这说明中国在传感领域走在世界前列,正与德国、美国、英国等一起成为“物联网”国际标准制定的主导国。” “同方股份、中国移动、大唐移动、中科院软件所、清华大学、北京大学、北京邮电大学等物联网产业链上的40余家企业和研发机构,共同组建了中关村物联网产业联盟。”

  “厦门用物联网构建无线城市。”

  “中国移动的手机支付业务是典型的物联网概念应用。”

  “2010年1月份,海尔集团推出世界首个“物联网冰箱”。”

  “RFID关系物联网成败。”

  上面的陈述,反应了目前物联网处于概念导入期,对其的原理、本质等的认识还没有权威的认定,各相关方都提出自己的看法,并努力与自身的原有业务结合,形成百家争鸣的局面。笔者也在此奉上自己对物联网的认识,以供各位参考。

  笔者认为:物联网,本质上是国民经济和社会的深度信息化。

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  物联网概念的演进历程

  深度体现在“信息与通信技术水平更高,信息技术、通信技术与其他技术(如传感技术等)的融合更深入,信息化涉及的领域、对象更多(从计算机、手机扩展到轮胎、牙刷等),信息基础设施更完善,数据更海量,信息互联互通更广泛深入,信息处理能力更高,信息化为人类生产、生活做出的贡献更大”。

  也就是说,物联网不是全新的内容,它只不过是信息化推进到某一阶段而已,在这个阶段里,很多特征比此前的信息化更加显著、更加深入。

  下篇,笔者将详细阐述为什么认为物联网的本质是深度信息化。

  在连载(一)中,笔者认为物联网的本质是国民经济和社会的深度信息化。笔者做此理解,主要是从物联网概念的演进历程和理论分析的结果得出的。本篇先从物联网概念的演进历程讲起。

  物联网是一个不断演进的概念,一开始并不等同于信息化,它从早期的普适计算思想发展到如今的智慧地球构想,使这一概念内涵不断清晰,并从思想走向实践。

  1、普适计算思想

  1988年,美国施乐公司Palo Alto研究中心(PARC)的Mark Weiser开创性地提出普适计算(ubiquitous computing,也译为无所不在的计算)的思想,认为普适计算的发展将使技术无缝地融入日常生活。Mark Weiser博士认为“电脑在我们没有意识到它存在的时候,已经融入了我们的生活中”,而他认为这样的时代即将到来。此时的“物联网”更多的是作为一种思想出现,在这种思想中,人类拥有无所不在的计算能力。

  2、EPC系统

  1998年,在UCC(Uniform Code Council, 美国统一代码委员会)支持下,美国麻省理工学院的研究人员创造性地提出将Internet与RFID技术有机地结合,利用EPC作为物品标识,实现物品与Internet的联接,即可在任何时间、任何地点,实现对任何物品的识别与管理。这就是早期“物联网”的概念。此后,他们联合大学、企业,对基于EPC的物联网相关研究实行分工工作,系统地开展研究,提出最初的由射频标签(RFID)、阅读器、Savant软件、对象名称解析服务(ONS)、物品标记语言服务器(PML-Server)五部分组成的EPC系统雏形。此时的“物联网”,已经从思想走向实践,主要是指利用EPC体系对物流系统进行数字化管理。

  3、u-Japan和u-Korea战略

  2004年,日本和韩国都推出了目标非常相似的国家信息化战略,分别称作u-Japan和u-Korea。此时的“物联网”,已经上升为国家信息化战略,侧重的是从人的角度出发,建立无所不在的网络社会和应用服务,但也包含了物的网络建设。

  韩国的“U-korea”战略,是要建立由智能网络、最先进的计算技术以及其它领先的数字技术基础设施武装而成的技术社会形态。在这样一个无所不在的网络社会中,所有人可以在任何地点、任何时刻享受现代信息技术带来的便利。为了实现“U-korea”计划,韩国选择了实现计划的技术路线——IT839战略。“IT839战略”指的是,培育8项通信广播服务、3个先进基础设施(网络)和9个IT新增长引擎有机地连接在一起的IT战略。2004年推出之时,这8项通信广播服务包括无线宽带服务(WiBro)、数字多媒体广播服务(DMB)、家庭网络服务、远程信息处理服务(Telematics)、无线射频识别服务(RFID)、W-CDMA服务、地面数字电视服务、网络电话(VoIP);3个基础设施包括BcN、U-传感器网络以及作为韩国电信广播服务领域基础方式的IPv6;9个IT新增长引擎是指,增强下一代移动电信、家庭网络和数字电视等9种新技术产品的竞争力。

  4、ICT新模式

  2005年11月17日,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS,World Summit on the Information Society)上,国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,该报告指出,“无所不在的‘物联网’通信时代即将来临,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互联网主动进行数据交换。……通过在各种日常使用的设备中嵌入移动无线电收发器,实现了人与物之间以及物与物之间的通信。……ICT世界呈现出新模式:任何时间、任何地点、来自任何人的连接,都是物与物的连接。这种连接将创造网络中新的动态网络——物联网。” 此时的“物联网”,不仅将人,也将物之间的无所不在的通信同等地考虑在内,描绘出ICT广泛应用后的新模式。

《ITU互联网报告2005:物联网》报告中提到的ICT新模式

  5、智慧地球

  2009年1月,IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想。智慧地球的核心是以一种更智慧的方法通过利用新一代信息技术来改变政府、公司和人们相互交互的方式,以便提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度。智慧方法具体来说包括三个方面的特征:更透彻的感知,更广泛的互联互通,更深入的智能化。此时的“物联网”,不仅重视人与物的网络社会建设和信息的处理,更重要的是从深度信息化的角度出发,通过在各领域广泛利用新的信息技术来建设智慧的社会。

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  物联网本质的理论分析

  在连载(一)中,CNNIC分析师李长江认为物联网的本质是国民经济和社会的深度信息化。在连载(二)中,CNNIC分析师从物联网概念的演进历程探讨其是如何一步步演进到深度信息化的,本篇则从理论分析物联网的这一本质,并与现实结合,从广义和狭义两方面完整地认识物联网。

  为什么说物联网的本质是深度信息化?

  根据《2006━2020年国家信息化发展战略》的定义,信息化是充分利用信息技术,开发利用信息资源,促进信息交流和知识共享,提高经济增长质量,推动经济社会发展转型的历史进程。信息化是一个长期的、渐进的、复杂的过程,目前总体上仍处于发展中的初中级阶段,主要是对人类世界的信息化。

  物联网是充分利用不断创新发展的计算机技术、网络技术、软件技术、传感技术、通信技术等多种信息技术,广泛开发利用人类世界与物理世界的各种信息资源,促进人与人、人与物、物与物之间的信息交流,深化全社会的知识共享程度,以信息和知识含量更高的处理方式提高经济社会的发展质量,推动无所不包、无所不在、无所不能的信息社会的形成。因此,物联网仍然包含信息化的各要素,并没有脱离信息化的范畴。

  与当前人类世界的信息化相比,直观上,物联网是信息化向物理世界的进一步推进,此“进一步推进”,将使得当前主要由PC、服务器、手机等需要由人操作的电子产品组成的互联网络,延伸和扩展到包括无需由人操作的更多的物品联通在内的网络,这一网络将成为未来信息化的承载网络,正因为物联网给人的这一直观感受,社会上也有众多专家学者将物联网理解为仅指此网络。

  在此,CNNIC分析师李长江综合对物联网的理论分析和与当前信息化的直观区别两方面,将物联网从广义和狭义两方面来完整地理解。从广义上来看,物联网本质上就是国民经济和社会的深度信息化,狭义上则可理解为此深度信息化的承载网络,具体来说,就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接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪监控和管理的一种网络。

  将物联网分别从广义和狭义来理解,一方面是从信息化的高度来看待物联网,使我们能够更加重视物联网在各行各业中的应用,不至于只注重“物物相连”而忽视了物联网对人类社会带来的深刻变革,另一方面也是为了与现实情况结合,使物联网概念具体化,并先从基础设施层面落地,推动物联网技术研发和产业发展。

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  物联网的显著特征

  在此前的连载中,CNNIC分析师李长江认为物联网的本质是深度信息化,是当前信息化的进一步推进,那么此深度信息化有别于当前信息化的特征都有哪些呢?本篇将详细阐述此问题。

  作为深度信息化的体现,CNNIC分析师李长江认为,物联网的以下三个特征是最显著区别于当前信息化的。

  第一,接入对象更为广泛,获取信息更加丰富。当前的信息化,接入对象虽也包括PC、手机、传感器、仪器仪表、摄像头、各种智能卡等,但主要还是需要人工操作的PC、手机、智能卡等,所接入的物理世界信息也较为有限。未来的物联网接入对象包含了更丰富的物理世界,不但包括了现在的PC、手机、智能卡,而且传感器、仪器仪表、摄像头等更为普及应用,轮胎、牙刷、手表、工业原材料、工业中间产品等物体也因嵌入微型感知设备而被纳入,所获取的信息不仅包括人类社会的信息,也包括更为丰富的物理世界信息,包括压力、温度、湿度、体积、重量、密度等。

  第二,网络可获得性更高,互联互通更为广泛。当前的信息化,虽然网络基础设施已日益完善,但离“任何人、任务时候、任何地点”都能接入网络的目标还有一定的距离,并且,即使是已接入网络的信息系统很多也并未达到互通,信息孤岛现象较为严重。未来的物联网,不仅基础设施非常完善,网络的随时、随地可获得性大为增强,接入网络的关于人的信息系统互联互通性也更高,并且人与物、物与物的信息系统也达到了广泛的互联互通,信息共享和互操作性达到了很高的水平。

  第三,信息处理能力更强大,人类与周围世界的相处更为智慧。当前的信息化,由于数据、计算能力、存储、模型等的限制,大部分信息处理工具和系统还停留在提高效率的数字化阶段,一部分能起到改善人类生产、生活流程的作用,但是能够为人类决策提供有效支持的系统还很少。未来的物联网,不仅能提高人类的工作效率,改善工作流程,并且通过运用云计算等思想,借助科学模型,广泛采用数据挖掘等知识发现技术整合和深入分析收集到的海量数据,以获取更加新颖、系统且全面的观点和方法来看待和解决特定问题,使人类能更加智慧地与周围世界相处。

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  物联网发展的关键因素

  在此前的连载中,CNNIC分析师李长江认为物联网的本质是深度信息化,是当前信息化的进一步推进,那么推动当前信息化不断发展到物联网阶段的关键因素是什么呢?本篇将详细阐述该问题。

  如何实现物联网,或者说信息化进程如何发展到物联网阶段,以及物联网如何不断发展,CNNIC分析师李长江认为,关键在于以下六大因素。

  首先,数据采集技术的突破和融合应用。物联网能获取世间万物的信息以进一步处理,关键在于传感技术等数据采集技术的突破,以及这些数据采集技术与信息技术的融合应用。特别是智能传感器、智能仪器仪表等设备的性能指标的提高。

  其次,通信技术的发明和完善。物联网的发展还有赖于各种通信技术和手段的纷纷发明。这些技术包括短距离无线通信技术、短距离有线通信技术、长距离有线传输技术、长距离无线传输技术等,尤其是短距离无线通信技术的出现和不断完善,使得物联网前端的信息通信有了技术上的可靠保证。

  再次,标准的协调和统一。物联网要达到无所不包、无所不在、无所不能的程度,必须协调处理所涉及的多个层面的技术标准和运行规则,以达成各自设备和系统运行的不冲突和相互之间的互通。这些包括无线电频率、通信协议、编码体系、应用程序接口等。

  然后,规模生产和规模应用。网络的价值在于规模的应用,特别是对于物联网来说,只有更多的应用才能将物联网的特征和优势更加明显地表现出来,并且,以规模应用带动规模生产,才能降低物联网所需的大量设备的成本,反过来促进规模应用。

  接着,海量数据处理能力和科学模型。物联网中的数据每时每刻都在大量产生,这其中既有对决策有很大贡献的数据,也有帮助较小的数据,还有噪声数据,对如此海量数据的处理,需要有超级计算能力,并且在科学模型的指导下,才能高效地发现有用的决策信息,并智能地处理。

  最后,信息安全环境的建立和不断完善。联通包括人之内的世间万物的物联网,使人类信息暴露在外的可能性大为增加。科技以人为本,只有建立和不断完善相应的信息安全方面的法律法规、管理制度等环境,物联网才能得到健康的发展。

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  物联网系统的理论架构

  在此前的连载中,CNNIC分析师李长江从理论上分析了物联网的本质、特征、发展的关键因素。从本连载开始,将从技术角度分析物联网的架构。

  根据对物联网的理论探讨和技术、产业的实践观察,CNNIC分析师李长江将物联网系统划分为三个层次:感知层、网络层、应用层,并依此概括地描绘物联网的系统架构。

  物联网的系统构架

  感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取的问题。可进一步划分为两个子层,首先是通过传感器、数码相机等设备采集外部物理世界的数据,然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。也可以只有数据的短距离传输这一层,特别是当仅传递物品的唯一识别码的情况。在实际上,这两个子层有时很难以明确区分开。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离有线和无线通信技术等。

  网络层解决的是感知层所获得的数据在一定范围内,通常是长距离的传输问题。这些数据可以通过移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等网络传输。特别是当三网融合后,有线电视网也能承担物联网网络层的功能,有利于物联网的加快推进。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。

  应用层解决的是信息处理和人机界面的问题。网络层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理,并通过各种设备与人进行交互。这一层也可按形态直观地划分为两个子层。一个是应用程序层,进行数据处理,它涵盖了国民经济和社会的每一领域,包括电力、医疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理、家居生活等,包括支付、监控、安保、定位、盘点、预测等,可用于政府、企业、社会组织、家庭、个人等。这正是物联网作为深度信息化的重要体现。另一个是终端设备层,提供人机界面。物联网虽然是“物物相连的网”,但最终是要以人为本的,最终还是需要人的操作与控制,不过这里的人机界面已远远超出现时人与计算机交互的概念,而是泛指与应用程序相连的各种设备与人的反馈。

  在各层之间,信息不是单向传递的,可有交互、控制等,所传递的信息多种多样,这其中关键是物品的信息,包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。此外,软件和集成电路技术都是各层所需的关键技术。

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  唯一识别码

  在上面,CNNIC分析师李长江介绍了对物联网系统的理论架构的认识。通过对该架构的分析,我们不难发现该架构与现有的信息系统架构大体上是一致的。不过,在未来的物联网中,接入网络的大量物品能否被唯一标识显得越来越重要,传感器在数据采集中的作用也越来越大,在物品自动识别中将越来越多地采用RFID。因此,重点对唯一识别码、传感器、RFID三个关键点进行详细介绍。本篇先介绍唯一识别码。

  (说明:接下来的若干篇连载主要是对社会上所关心的物联网的若干具体细节的详细介绍,以更加充分、完整地阐述物联网系统的特点,主要内容来自于各方面资料的汇总整理,属于本作者自己的研究成果的内容不多,在此感谢各位业内人士。)

  在物联网中,首要问题是要能给物品设置唯一识别码。目前,这种唯一识别码随处可见,如GTIN(全球贸易项目标识代码)、EPC、SSCC(系列货运包装箱代码)、公民身份号码、IMEI(国际移动设备识别码,即手机串号)、MAC地址(网络适配器物理地址)、ISBN(国际标准书号)、ISSN(国际标准连续出版物号)、INS(食品添加剂国际编号系统)、IP地址、学号、员工号、互联网域名、邮政编码、手机号等。这些编码有些只能在本企业内部使用,有些能行业通用;有些只能在本行业内使用,有些能在多个行业通用;有些只在本国有效,有些具有全球统一标准;有些只能标识一类物品,有些能标识具体的单个物品;有些编码不具有未来可扩展性,有些可以扩展而无需改动已有编码;有些只能含有数字,有些可含有数字、字母、符号等;有些编码长度固定,有些长度可变。由于EPC编码具有较强的优势,可能在未来的物品识别中占有较为重要的地位,因此,下面详细介绍EPC编码结构。

  EPC(Electronic Product code,产品电子代码)目标是为所有实体提供唯一标识,除了物理实体,还可用来标识服务、组织等非物理实体。它具有号码数量几乎无穷大、科学性、兼容性、全面性、合理性、国际性、无歧视性等特性。EPC编码是由一个版本号和另外三段数据(依次为域名、对象种类、序列号)组成的一组数字。其中版本号标识EPC的版本号,它使得以后的EPC可有不同的长度或类型;域名管理是描述与此EPC相关的生产厂商的信息,例如“可口可乐公司”;对象种类记录产品精确类型的信息,例如:“美国生产的330ml罐装减肥可乐(可口可乐的一种产品)”;序列号唯一标识货品,能够具体地指明哪一罐330ml罐装减肥可乐。至今已经推出EPC-96Ⅰ型,EPC-64Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型,EPC-256Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型等编码方案。下面给出EPC-96Ⅰ型的编码结构示例,包含96个二进制位,表中所示为十六进制表示法。

  传感器与RFID

  如连载(七)所述,本篇文章是对传感器、RFID的具体介绍,大部分内容属于当前热点的相关知识的介绍,其目的在于对连载(六)所说的系统架构做进一步详细阐述。从下篇开始,将更多地阐述作者的观点。

  在未来的物联网中,传感器及其组成的传感器网络将在数据采集前端发挥重要的作用。传感器是指“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

  目前对传感器尚无一个统一的分类方法,但比较常用的可按传感器的物理量、工作原理、输出信号的性质这三种方式来分类。

  此外,按照是否具有信息处理功能来分类的意义越来越重要,特别是在未来的物联网时代。按照这种分类方式,传感器可分为一般传感器和智能传感器。一般传感器采集的信息需要计算机进行处理;智能传感器带有微处理器,本身具有采集、处理、交换信息的能力,具备数据精度高、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高的分辨力、强的自适应性、低的价格性能比等特点。

  RFID(Radio Frequency Identification,无线电射频识别)是一种短距离无线通信技术,依据的是电磁感应定律,通常与唯一识别码结合用于自动识别,是物联网广泛受关注的识别技术之一。

  最基本的RFID系统包括标签、阅读器、天线三部分。标签由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象,可根据是否有电源分为有源标签和无源标签。对于无源标签,阅读器(手持式或固定式)不断发出无线电波,在周围形成磁场,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;对于有源标签,则可以主动发送某一频率的信号。阅读器读取信息并解码后,送至后台信息系统进行有关数据处理。在这其中,射频信号的传递是通过两方的天线完成的。

  RFID具有无需接触、自动化程度高、耐用可靠、识别速度快、适应各种工作环境、可实现高速和多标签同时识别等优势,使其可用于广泛的领域,如物流和供应链管理、门禁安防系统、道路自动收费、航空行李处理、文档追踪/图书馆管理、电子支付、生产制造和装配、物品监视、汽车监控、动物身份标识等。可以这样说,RFID将是用途最广泛的自动识别技术。不过,RFID系统目前成本较高,这是它与条码等识别技术相比的显著劣势。

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