物聯網(Internet of Things, IoT)將人類生存的物理世界網絡化、信息化，將分離的物理世界和信息空間互連整合，代表了未來網絡的發展趨勢。目前，物聯網相關技術已成為各國競爭的焦點。

　　物聯網將成為未來經濟發展、社會進步和科技創新的最重要的基礎設施。物聯網用途廣泛，遍及智能交通、環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、老人護理、個人健康等多個領域。專家預計，這一技術將會發展成為一個上萬億元規模的高科技市場。因此，物聯網技術對于未來社會的發展具有重要的現實意義。

　　物聯網的概念

　　由于還在探索過程中，因此物聯網還沒有一個明確定義。比較公認的解釋是：物聯網是把所有物品通過射頻識別(RFID)、條碼和二維碼、全球定位系統和其他基于物物通信模式的短距無線網絡等信息傳感設備及系統與互聯網連接起來，進行信息交換的網絡，可實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。簡單的說，物聯網就是把生活中的各類物品和它們的屬性標識連到互聯網上(如圖1)。這使得原來只是人與人交互的互聯網升級為連接世界萬物的物聯網。通過網絡，人們可以得到各類事物的信息，并對它進行監控。對這些信息的處理、提取并合理運用將使人們的生產和生活都大受裨益。

　　物聯網的技術體系

　　物聯網是一種非常復雜、形式多樣的系統技術應用。一般將物聯網的主要技術體系按照四個層次建立模型，如圖2所示。在這個技術體系中，物聯網的技術構成主要體現在感知層、傳輸層、支撐層和應用層4個層次上。

　　1、感知層

　　感知層包括多種發展成熟度差異性很大的技術，如在物流管理方面得到大量應用的射頻識別技術和新興的傳感器網絡技術。傳感器網絡感知主要通過各種類型的傳感器對物質屬性、環境狀態、行為態勢等靜、動態的信息進行大規模、分布式的信息獲取與狀態辨識。針對具體感知任務，常采用協同處理的方式對多種類、多角度、多尺度的信息進行在線計算，并與網絡中的其它單元共享資源進行交互與信息傳輸。在傳感網感知層，主要采用的設備是裝備了各種類型傳感器(或執行器)的傳感網節點和其它短距離組網設備(如路由節點設備、匯聚節點設備等)。

　　2、傳輸層

　　傳輸層主要功能是通過現有互聯網或移動通信網(全球移動通訊系統、TD-SCDMA、無線接入網、無線局域網、衛星網等)基礎網絡設施，對來自感知層的信息進行接入和傳輸。在傳輸層，主要采用了與各種異構通信網絡接入的設備，如接入互聯網的網關、接入移動[FS:PAGE]通信網的網關等。因為這些設備具有較強的硬件支撐能力，所以可以采用相對復雜的軟件協議設計。其功能包括網絡接入、管理和安全等。目前的接入設備多為傳感網與公用通信網(如有線互聯網、無線互聯網、GSM網、TD-SCDMA網)、衛星網等。

　　3、支撐層

　　支撐層在高性能計算技術的支撐下，將網絡內大量或海量的信息資源通過計算分析整合成一個可以互聯互通的大型智能網絡，為上層服務管理和大規模行業應用建立起一個高效、可靠和可信的支撐技術平臺。如通過能力超級強大的中心計算及存儲機群和智能信息處理技術，對網絡內的海量信息進行實時高速處理，對數據進行智能化挖掘、管理、控制與存儲。在支撐層，主要的系統支撐設備包括大型計算設備、海量網絡存儲設備等。

　　4、應用層

　　應用層根據用戶的需求，構建面向各類行業實際應用的管理平臺和運行平臺，并根據各種應用的特點集成相關的內容服務。為了更好地提供準確的信息服務，必須結合不同行業的專業知識和業務模型，以完成更加精細和準確的智能化信息管理。如對自然災害、環境污染等進行預測預警時，需要相關生態、環保等多學科領域的專門知識和行業專家的經驗。在應用層，包括各類用戶界面顯示設備以及其它管理設備等。

　　物聯網各層次間既相對獨立又緊密聯系。為了實現整體系統的優化功能，服務于某一具體應用，各層間資源需要協同分配與共享。以應用需求為導向的系統設計可以是千差萬別的，并不一定所有層次的技術都需要采用。即使在同一個層次上，可以選擇的技術方案也可以進行按需配置。但是，優化的協同控制與資源共享首先需要一個合理的頂層系統設計，來為應用系統提供必要的整體性能保障。

　　物聯網技術標準

　　在國際上，目前公認的傳感網標準有ZigBee聯盟推出的傳輸、網絡、應用層協議標準IEEE 802.15.4以及IEEE 1451。IEEE 802.15.4定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規范，ZigBee則在IEEE 802.15.4基礎上定義了網絡互聯、傳輸和應用規范。IEEE 1451標準族則通過定義一套通用的通信接口，使工業變送器(傳感器和執行器)能夠獨立于通信網絡，并與現有的微處理器系統、儀表儀器和現場總線網絡相連。ISO/IEC JTC1為了明晰傳感網的相關情況和國際標準的規劃問題，成立了SGSN (Study Group on Sensor Networks)。此外，2009年國內領銜制訂的WIA-PA技術成為國際標準，標志著在工業無線通信領域，中國已經成為技術領先的國家之一。

　　物聯網的應用和研究

　　1、物聯網和[FS:PAGE]云計算

　　人類通過各種信息感應、探測、識別、定位、跟蹤和監控等手段和設備實現對物理世界的“感、知、控”，這一環節稱為物聯網的“前端”；而基于互聯網計算的涌現智能以及對物理世界的反饋和控制稱為物聯網的“后端”。當下無論學術界還是工業界，目光普遍聚焦在物聯網的“前端”，但物聯網的“后端”也同樣重要。從“后端”看，物聯網可以看做是一個基于互聯網的、以提高物理世界的運行、管理、資源使用效率等水平為目標的大規模信息系統。該系統具備實時感應、高度并發、自主協同和涌現效應等特征。

　　云計算為眾多用戶提供了一種新的高效率計算模式，兼有互聯網服務的便利、廉價和大型機的能力。它的目的是將資源集中于互聯網上的數據中心，由這種云中心提供應用層、平臺層和基礎設施層的集中服務，以解決傳統IT系統零散性帶來的低效率問題。云計算是信息化發展進程中的一個階段，強調信息資源的聚集、優化、動態分配和回收，旨在節約信息化成本、降低能耗、減輕用戶信息化的負擔，提高數據中心的效率。云計算出現的初衷是解決特定大規模數據處理問題，因此它被業界認為是支撐物聯網“后端”的最佳選擇，云計算為物聯網提供后端處理能力與應用平臺。筆者認為物聯網“后端”建設應從互聯和行業云做起。在研究全面和理想化戰略體系的同時，應充分利用良好的前期基礎，重視價值牽引作用，在特定領域的典型應用和行業云上有所突破。

　　2、物聯網和CPS

　　CPS(Cyber-Physical System，信息物理系統)是一個綜合計算、網絡和物理環境的復雜系統，通過3C(Computation、Communication、Control)技術的有機融合與深度協作，實現現實世界與信息世界的相互作用，提供實施感知、動態控制和信息反饋等服務。CPS在信息方面就像一面鏡子，通過傳感技術與信息技術將現實世界與信息虛擬世界對應起來，信息世界可以控制物理世界的事物或環境，物理世界也可以影響信息世界。CPS讓現實世界和信息世界形成一個閉環系統。

　　盡管CPS與物聯網在采用的基本技術方面是一致的，但從概念上不難看出：物聯網強調網絡的連通作用，而CPS更強調網絡的虛擬作用。當下，物聯網和CPS分別受兩大領域的支持：物聯網概念在歐洲和亞洲得到廣泛的關注，備受國際電信聯盟的推崇；而北美更認同發展CPS。相對來說，物聯網受到工業界的較多關注，而CPS吸引了學術界的更多目光。

　　3、物聯網和海計算

　　海計算通過在物理世界的物體中融入計算與通信設備以及智能算法，讓物[FS:PAGE]物之間能夠互連，在事先無法預知的場景中進行判斷，實現物物之間的交互作用。海計算一方面通過強化融入在各物體中的信息裝置，實現物體與信息裝置的緊密融合，有效地獲取物質世界信息；另一方面通過強化海量的獨立個體之間的局部即時交互和分布式智能，使物體具備自組織、自計算、自反饋的海計算功能。海計算的本質是物物之間的智能交流，實現物物之間的交互。云計算是服務器端的計算模式，而海計算代表終端的大千世界，海計算是物理世界各物體之間的計算模式。

　　簡言之，海計算模式倡導由多個融入了信息裝置、具有一定自主性的物體，通過局部交互而形成具有群體智能的物聯網系統。該系統具有以下優點：

　　(1)節能高效充分利用局部性原理，可以有效地縮短物聯網的業務直徑，即覆蓋從感知、傳輸、處理與智能決策，到控制的路徑，從而降低能耗，提高效率。

　　(2)通用結構通過引入融入信息裝置的“自主物體”，有利于產生通用的、可批量重用的物聯網部件和技術，這是信息產業主流產品的必備特征。

　　(3)分散式結構海計算物聯網強調分散式結構，較易消除單一控制點、單一瓶頸和單一故障點，擴展更加靈活。群體智能使得海計算物聯網更能適應需求和環境變化。

　　4、實時信息系統一般而言，實時信息系統(Real-time Information System, RIS)由信息采集、信息傳輸和信息處理三個子系統組成。信息采集子系統由各種類型的采集設備所組成，如傳感器、射頻識別和視頻、音頻圖像采集器等。用戶以有線或無線的方式連接系統，實時信息可以由實時信息系統根據用戶個性需求主動推送，也可以是用戶主動發出請求后等待接收信息。實時信息系統建設的一個重要原則是保證系統的開放性，以促進實時信息的采集與共享。

　　(1)物理實時信息采集

　　針對物理世界的實時信息采集方式可以分為直接采集和間接采集。直接采集是指利用各種采集設備直接從物理世界的信源采集信息，包括自動采集、人工采集和混合采集；而間接采集是指針對事先被上傳到互聯網上仍然保持時效性的實時信息進行采集。物聯網中大多采用自動采集的方式。自動采集是指利用各種采集設備，針對某一目標主體連續實時地采集信息。常見的采集設備包括物理傳感器、化學傳感器、生物傳感器、射頻識別標簽以及識別設備、全球定位系統設備等。在物聯網中，把所標記的物體的相關信息事先寫入射頻識別標簽，通過標簽接收閱讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量將存儲在芯片中的物體信息發出，[FS:PAGE]這樣閱讀器就能采集物體信息，并以此判定物體的位置和數量等實時信息。

　　(2)實時信息處理

　　實時信息處理是指把原數據加工成信息的一個過程，涉及分類實時信息收集、數據規整、實時場景重構和數據挖掘等步驟，其中分類實時信息包括可視信息、音頻信息及其它物理量或化學量。實時場景重構技術是實時信息處理研究領域的一個重要課題。實時場景重構技術是指通過一定數量的實時信息采集設備(包括無線手持設備和固定的視頻圖像采集設備)采集信息，并用采集到的分類實時信息進行信息源的場景重構。實時場景重構的實現涉及到分類實時信息的收集和逆向建模技術。

　　(3)實時信息發布

　　實時信息分發模型包括Pull和Push兩種模型。Pull模型一般是由用戶主動發起信息請求，請求經過處理后轉化成采集指令，信息源采集設備將采集到的信息傳回給用戶；Push模型一般是由信息源采集設備采集到實時信息，并經過處理后，根據用戶的個性需求，有選擇地傳送。

　　此外，實時信息系統還有若干技術問題需要解決，如：信息精準度問題、傳遞延遲以及隱私問題等。

　　物聯網發展面臨的問題與對策

　　物聯網發展潛力無限，但物聯網的實現并不僅僅是技術方面的問題，建設物聯網的過程涉及到若干規劃、管理、協調、合作等方面的問題，還涉及到標準和安全保護等方面的問題，這需要一系列相應的配套政策和規范的制定和完善。

　　1、技術標準問題。目前，各國存在不同的標準，因此需要加強各國之間的交流與合作，尋求一個能被普遍接受的標準。

　　2、安全問題。物聯網中的物品間聯系更緊密，物品和人也連接起來，使得信息采集和交換設備大量使用，數據泄密也成為越來越嚴重的問題。如何實現大量的數據及用戶隱私的保護，成為亟待解決的問題。

　　3、協議問題。物聯網是互聯網的延伸，在物聯網核心層面是基于TCP/IP，但在接入層面，協議類別眾多：GPRS、短信、傳感器、TD-SCDMA等多種通道，物聯網需要一個統一的協議基礎。

　　4、終端問題。物聯網終端除具有本身功能外，還擁有傳感器和網絡接入等功能，且不同行業需求各異，如何滿足終端產品的多樣性要求，對運營商來說是一大挑戰。

　　5、編址問題。每個物品都需要在物聯網中尋址，因此物聯網需要更多的IP地址，IPv4資源即將耗盡，IPv6將成為主流，但從IPv4過渡到IPv6將是一個漫長的過程，因此編址問題將成為物聯網發展的重要瓶頸之一。

　　6、費用問題。目前組成物聯網的芯片費用較高，要實現大規模應[FS:PAGE]用應開發性價比更高的芯片。

　　盡管目前物聯網的應用和研究取得了長足的進步，并得到國家層面的高度重視，但就目前的技術水平而言還面臨眾多挑戰。此外，物聯網在不同行業中的應用各不相同，因此應將行業知識與物聯網技術充分集成和融合，使物聯網更好地為人們的生產生活服務。