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物联网的体系结构与相关技术研究 1 研究背景 从科学研究的角度看,物联网的研究和开发存在一些值得思考的问题。例如,物联网是否就是传感器网络?什么是物联网研究和开发的核心技术?什么是物联网的创新技术?物联网与互联网存在哪些本质的区别?如何开展对我国经济和社会发展有价值的物联网研究和开发? 本文在分析物联网相关的技术和应用的基础上,试图回答以上有关物联网的问题;在分析和研究已有物联网技术方案的基础上,尝试提出一种物联网互连体系结构,用于指导物联网的理论研究;在分析和研究物联网应用实例的基础上,试图提出一种物联网系统模型,用于指导物联网技术标 准的研究和应用系统的开发。在以上研究基础上,试图得出物联网不同于互联网的特征,从中推导出科学地开展物联网研究和开发的基本原则,为我国的物联网研究和开发提供有科学依据的参考。 2 物联网的基本概念 2. 1物联网的基本定义 按照国际电信联盟(ITU)的定义,物联网主要解决物品到物品(Thing to Thing,T2T),人到物品(Human to Thing,H2T),人到人(Human to Human,H2H)之间的互连。 这里与传统互联网不同的是,H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接,H2H是指人之间不依赖于个人电脑而进行的互连。需要利用物联网才能解决的是传统意义上的互联网没有考虑的、对于任何物品连接的问题。 物联网是连接物品的网络,有些学者在讨论物联网中,常常提到M2M的概念,可以解释成为人到人(Man to Man)、人到机器(Man to Machine)、机器到机器(Machine toMachine)。实际上M2M所有的解释在现有的互联网都可以实现,人到人之间的交互可以通过互联网进行,最多可以通过其他装置间接地实现,例如第三代移动电话,可以实现十分完美的人到人的交互;人到机器的交互一直是人体工程学和人机界面领域研究的主要课题;而机器与机器之间的交互已经由互联网提供了最为成功的方案。 本质上,在人与机器、机器与机器的交互,大部分是为了实现人与人之间的信息交互,万维网(World Wide Web)技术成功的动因在于:通过有哪些信誉好的足球投注网站和链接,提供了人与人之间异步进行信息交互的快捷方式。 我们认为,在物联网研究中不应该采用M2M概念,这是容易造成思路混乱的概念,应该采用ITU定义的T2T、H2T和H2H的概念。 2. 2 物联网与下一代网络 按照ITU物联网研究组的研究结论[1],物联网的核心技术主要是普适网络、下一代网络和普适计算。这3项核心技术的简单定义如下,普适网络,无处不在的、普遍存在的网络;下一代网络,可以在任何时间、任何地点,互连任何物品,提供多种形式信息访问和信息管理的网络;普适计算,无处不在的、普遍存在的计算。其中下一代网中/互连任何物品0的定义是ITU物联网研究组对下一代网定义的扩展,我们认为,这是对下一代网发展趋势的高度概括。从现在已经成为现实的多种装置的互连网络,例如手机互连、移动装置互连、汽车互连、传感器互连等等,都揭示了下一代网在/互连任何物品0方面的发展趋势。从以上的定义可以看出,下一代网络在某种角度看,就是可以连接任何物品的物联网。 按照传统的定义,下一代网络是在任何时间、任何地点,以任何方式提供信息访问和管理的服务。 传统意义上的下一代网侧重于为人提供方便的信息服务,所以,从网络服务角度看,下一代网络可以称为信息网络;而从互连角度看,这种传统的下一代网定义还是局限在传统互联网的范畴,仅仅强调人与人之间的信息交互。 我们认为,应该按照ITU的定义,把物联网研究和开发纳入下一代网的范畴,而不是把下一代网络仅仅作为引入IP核心网、移动性和个性化服务的网络,这样,下一代网可以真正推动人类社会发展。 人与人之间的信息交互是具有百年发展历史的电信网主要业务范畴,引入了物联网理念的下一代网,从根本上扩展了电信网的业务范畴,可以真正推动电信业务和电信网络的全面变革,可以为电信网(包括固定电信网和移动电信网)创造新的发展机遇。 2. 3 物联网与CPS 随着处理器、存储器、网络带宽等成本的下降,嵌入式系统广泛应用于许多领域,特别是广泛应用于各类物理设备中,例如飞机、汽车、家电、工业装置、医疗器械、监控装置和日用物品。国际上把利用计算技术监测和控制物理设备行为的嵌入式系统称为网络化物理系统 (CPS, cyber-physical systems)或者深度嵌入式系统(deeply embedded systems), CPS也可以翻译为/物理设备联网系统。 美国总统的科学技术咨询委员会(PCAST)在2007年8月发布的题为/挑战下的领导地位:在世界竞争中的信息技术研发0的咨询报告[6]中,明确建议把CP