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物联网（IoT）:现状、构成元素和未来发展趋势
摘要：由无线传感网络（WSN）技术实现的泛在传感网络已经影响到了现代生活中的方方面面。此项技术提供了测量、分析和了解周围环境指标的能力，从美丽的生态自然环境到城市环境都是其包含的范围。在通信-驱动网络中这些无线传感网络设备的数量激增，于是创造了物联网（IoT）, 其中传感器和执行器与我们周围的环境无缝融合，信息在平台间共享，从而创造一个通用操作网（COP）。最近，在对各种无线技术（如RFID标签、嵌入式传感器和操纵装置节点）的改进推动下，物联网已经走过了它的萌芽期，成为了将互联网转变为完全集成的未来互联网的下一个革命性技术。随着我们的网络技术从www（静态页面网络）到web2（社交网络）再到web3（泛在计算网络），使用复杂直观查询的按需数据需求显著增加。本文提出了一个以云为中心的全球物联网实施前景。讨论了可能在不久的将来推动物联网研究的关键技术和应用领域。提出了一种基于私有云和公共云交互的Aneka云实现方法。在总结中，我们提出了物联网前景在于扩展无线传感器网络、互联网和面向技术研究界的分布式计算的融合需求。
关键词：物联网；泛在传感；云计算；无线传感网络；RFID；智能环境
1.简介
计算机时代的下一次浪潮将超越传统桌面屏幕操作的范畴。在物联网（IoT）范例中，我们周围的许多物体将以某种形式存在于网络中。信息和通信系统将无形地嵌入我们周围的环境中，射频识别（RFID）和传感器网络技术将迎接这一新的挑战。这就产生了大量的数据，这些数据必须以无缝、高效和易于解释的形式进行存储、处理和呈现。这种模式将包括商品服务，并以类似于传统商品的方式交付。云计算可以为这种高效计算提供虚拟基础设施，它集成了监控设备、存储设备、分析工具、可视化平台和客户端交付传输。云计算提供的基于成本的模型将为企业和用户提供端到端服务供应，以便随时随地访问应用程序。
现有网络的智能连接和使用网络资源进行前后关系感知计算是物联网不可或缺的一部分。随着WiFi和4G-LTE无线互联网接入的日益普及，这种向无处不在的信息和通信网络的演进的趋势已经很明显。然而，要使物联网的期望前景成功出现，这种计算模式需要超越使用智能手机和便携式设备的传统移动计算场景，并发展到能够连接日常存在的对象和将智能设备嵌入我们的日常周围环境中。为了让用户感知不到技术的存在，物联网需要：（1）对用户及其设备的情况有一个共同的理解，（2）用来处理和传递前后关系信息到与之相关的地方的软件架构和普及的通信网络，以及（3）物联网中的分析工具，旨在实现自主和智能行为。有了这三个基础，就可以完成智能连接和前后关系感知计算。
“物联网”一词最初是由Kevin Ashton于1999在针对供应链管理的背景下提出的。然而，在过去的十年中，物联网的定义更为广泛，涵盖了广泛的应用范围，如医疗、公用事业、运输等。尽管“物”的定义随着技术的发展而改变，但主要目标仍然是在没有人工辅助的情况下，制造计算机感知信息。将当前互联网彻底演变为互联对象物体网络，这种网络不仅从环境中获取信息（传感），与物理世界（驱动/命令/控制）相互作用，而且使用现有的互联网标准为信息传输、分析、应用和通信提供服务。随着蓝牙、射频识别（RFID）、Wi-Fi和电话数据服务等开放无线技术以及嵌入式传感器和操纵装置节点的普及，物联网已经走出了它的萌芽期，并即将从当前的静态互联网转变为一个完全集成的未来互联网。互联网革命使得人们以前所未有的规模和速度相互联系。下一个革命将是对象之间的互连，以创建一个智能环境。仅在2011年，全球互联设备的数量就超过了实际的人口数量。目前互联设备达90亿台，预计到2020年将达到240亿台。根据GSMA的数据，对于仅涉及健康，汽车，公用事业和消费电子等垂直领域的移动网络运营商而言，这相当于1.3万亿美元的收入机会。用户范围从个人到国家级组织，涉及范围十分广泛。对象互连的示意图如图1所示，其中应用程序域是根据数据产生的影响比例选择的。
2.未来十年的泛在网络
20世纪80年代末，研究人员通过技术创造了一种人与人之间的互联技术，这种技术致使了泛在计算学科的出现hellip;hellip;（略）。
3.定义、趋势以及要素
3.1 定义
根据Atzori等人的定义，物联网可以分为三种模式：面向互联网（中间件）、面向物（传感器）和面向语义（理解）。虽然由于主题的跨学科性质需要这种类型的描述，但物联网的作用只能在三个模式相交的应用领域中表现出来。RFID组织将物联网定义为：
图1 物联网终端用户和应用领域示意图
基于标准通信协议唯一可寻址的互联对象的全球网络。
根据欧洲关于物联网的研究项目：
“物”是商业、信息和社会过程中的积极组成部分，在这些过程中，它们能够通过交换对环境敏感的数据和信息，在相互之间以及与环境之间进行互动和交流，同时对现实/物理世界事件做出自主反应，并通过运行触发操作和创建服务的过程来影响它，无论是否有直接的人为干预。
根据Forrester的说法，智能环境是：
利用信息和通信技术，使城市行政、教育、医疗保健、公共安全、房地产、交通和公用事业的关键基础设施组件和服务更加清晰、互动和高效。
在我们的定义中，我们下的定义更加以用户为中心，并且不将其限制为任何标准通信协议。这将允许在任何给定时间点使用可用的最新协议开发和利用持久的应用程序。我们对智能环境物联网的定义是：
传感和执行装置的互连，通过统一的框架提供跨平台共享信息的能力，为创新应用开发通用操作图。这是通过以云计算作为统一框架的无所不在的感知、数据分析和信息表示来实现的。
图3 谷歌上物联网、无线传感器网络、泛在计算自2004年以来的搜索趋势
3.2 趋势
正如Gartner的IT炒作周期（见图2）所指出的，物联网已被确定为IT领域的新兴技术之一。炒作周期是一种表示特定技术的出现、采用、成熟和应用影响的方法。据预测，物联网将需要5-10年的时间被市场接受。
不同模式的流行程度随时间而变化。从过去10年的谷歌搜索趋势来看，在物联网、无线传感器网络和泛在计算方面，网络搜索的流行程度如图3所示。可以看出，自从物联网诞生，搜索量一直随着无线传感器网络的下降趋势而增加。根据谷歌的搜索预测，随着其他使能技术融合形成真正的物联网，这种趋势可能会继续下去。
图2 Gartner 2012年新兴技术的炒作周期。
资料来源：Gartner公司
3.3 物联网的要素
我们提出了一种分类法，从高层的角度帮助定义物联网所需的构成要素。每个构成要素的具体分类可以在别处找到。实现物联网无缝连接的有三个构成要素：（a）硬件——由传感器、操纵装置和嵌入式通信硬件组成；（b）中间件——用于数据分析的随需应变存储和计算工具；（c）呈现——易于理解的可视化和解释工具，可在不同的平台上广泛访问，并可针对不同的应用进行设计。在本节中，我们将讨论这些类别中的一些使能技术，这些技术将构成上述三个构成要素。
3.3.1 射频识别（RFID）
射频识别技术是嵌入式通信模式的一个重大突破，它使得无线数据通信芯片的设计成为可能。它们有助于自动识别附加在其上起到电子条形码作用的的任何东西。被动式RFID标签不是电池供电的，它们使用读卡器的询问信号作为电源，实现ID与RFID读卡器之间的通信。基于此项技术产生了许多应用，特别是在零售和供应链管理中。这些应用程序也可以应用到运输（更换车票、登记标签）和访问控制应用程序中。被动式标签目前正在许多银行卡和道路收费标签中使用，这是第一批全球范围的应用。主动式RFID读卡器有自己的电池电源，可以实例化通信。在主动式射频识别标签的众多应用中，其主要应用是在港口集装箱中监测货物。
3.3.2 无线传感器网络（WSN）
在低功耗集成电路和无线通信方面的最新技术进步已经使用于遥感应用的高效、低成本、低功耗微型设备成为可能。这些因素的结合提高了利用由大量智能传感器组成的传感器网络的可行性，使在各种环境中收集、处理、分析和传播有价值的信息成为可能。主动式射频识别与低端无线传感器网络节点基本相同，处理能力和存储能力有限。要实现无线传感器的巨大潜力，必须克服的科学挑战具有实质性的和多学科性质。传感器数据在传感器节点之间共享，并发送到分布式或集中式系统进行分析。
3.3.3 寻址方式
唯一识别“事物”的能力对于物联网的成功是至关重要的。这不仅使我们能够唯一地识别设备，也使我们可以通过互联网远程控制设备。创建唯一地址的几个最关键的特性是：独特性、可靠性、持久性和可扩展性。每个已经连接的和即将连接的元素都必须通过其独特的标识、位置和功能进行标识。当前的IPv4技术可能支持一组位置相近的传感器设备可以在地理上被识别，但不能被单独识别。IPv6中的Internet移动属性可能会减轻某些设备标识问题，但是无线节点的异构性，变量数据类型、并发操作和设备数据的融合还是进一步加剧了该问题。略
3.3.4 数据存储和分析
这个新兴领域最重要的成果之一就是创造了前所未有的数据量。数据的存储、所有权和期限成为关键问题。互联网消耗的能源占今天总发电量的5%，有了这些类型的需求，它肯定会进一步增长。因此，以收集的能量为基础并集中运行的数据中心将确保能源效率和可靠性。数据必须存储并智能地用于智能监控和驱动。开发基于需求的集中或分布式人工智能算法具有重要意义。需要开发新的融合算法来理解收集到的数据。基于进化算法、遗传算法、神经网络和其他人工智能技术的非线性、时间机器学习方法是实现自动化决策所必需的。这些系统具有互操作性、集成性和自适应通信等特点。它们在硬件系统设计和软件开发方面都具有模块化架构，非常适合物联网应用。更重要的是，它们需要一个集中的基础架构来支持存储和分析。这形成了物联网中间件层，它涉及到了许多挑战，这将在以后的章节中讨论。截至2012年，基于云的存储解决方案正变得越来越流行，未来几年，基于云的分析和可视化平台也将出现。
3.3.5.可视化
可视化对于物联网应用至关重要，因为它能实现用户与环境的交互。随着触摸屏技术新的进步，智能平板电脑和手机的用途变得非常直观。为了让一个外行人士充分受益于物联网革命，必须创造出具有吸引力且易于理解的可视化。随着我们从二维屏幕向三维屏幕的迈进，更多的信息可以以有意义的方式提供给消费者。这也将使决策者能够将数据转换为知识，这对快速决策至关重要。从原始数据中提取有意义的信息是非常重要的。这包括事件检测和相关原始数据和建模数据的可视化，其中信息根据最终用户的需要来呈现。
4.应用
新兴的物联网将会给一些应用领域带来影响。应用领域可以根据网络可用性、覆盖范围、规模、异构性、可重复性、用户参与和影响的类型进行分类。我们将应用程序分为四个应用领域：（1）个人和家庭；（2）企业；（3）公用事业（4）移动。分别代表个人或家庭规模的个人和家庭物联网、社区规模的企业物联网、国家或地区规模的公用事业物联网和由于其连通性和规模的性质通常分布在其他领域的移动物联网。在应用程序和领域之间的数据使用上存在巨大的交叉。例如，个人和家庭物联网在室内生成用电数据，并将其提供给电力（公用事业）公司，从而优化公用事业物联网的供需。互联网能够无缝地在不同的服务提供商之间共享数据，从而创造多种业务机会。下面列出了各个领域中的几个典型应用。
4.1 个人和家庭
收集的传感器信息仅由直接拥有网络的个人使用。通常，WiFi用作主干网，实现更高带宽的数据（视频）传输以及更高的采样率（声音）。
过去20年来，人们一直在设想无处不在的医疗保健。物联网提供了一个完美的平台来实现这一设想，此平台使用身体部位传感器和物联网后端将数据上传到服务器。例如，智能手机可以与蓝牙等多种接口进行通信，用于连接测量生理参数的传感器。到目前为止，有几个应用程序可用于苹果iOS、谷歌Android和Windows Phone操作系统，用于测量各种参数。然而，它还没有集中在云端，普通医师也无法访问。
控制家用设备，如空调、冰箱、洗衣机等，将有助于更好地管理家庭和能源。通过这样的方式消费者将以与互联网革命相同的方式参与物联网革命。社交网络也将经历另一个由数十亿个互联对象组成的转型。这是一个有趣的开发方向，使用一个类似Twitter的概念，在这个概念中，房子里的个人“东西”可以定期地推送阅读数据，这些数据可以很容易地从任何地方跟踪创建一个Twitter。尽管这提供了一个使用云进行信息访问的通用框架，但要完全实现这一点，还需要一个新的安全范例。
4.2 企业
我们将工作环境中的“物联网”称为基于企业的应用。从这些网络收集的信息只能由所有者使用，并且可以有选择地发布数据。环境监测是第一个常用的应用，用于跟踪居住人数和管理建筑物内的公用设施（如供暖通风和空气调节、照明）。
传感器始终是工厂安全、自动化、气温控制等设置的一个组成部分。这最终将被一个无线系统所取代，从而在需要时灵活地更改设置。这是一个专用于工厂维护的物联网子网。
智能环境物联网是一个已经引起人们关注的主要物联网应用领域。有几个试验台正在实施，接下来的几年里还将计划更多试验台。智能环境包含的子系统如表1所示，并且表中简明列出了技术方面的特点。值得注意的是，每个子领域涵盖了许多焦点组，它们的数据将被共享。城市环境中可从实现智能城市无线传感器网络能力中获益的应用程序或用例如表2所示。这些应用程序根据其影响的领域而分组。这些影响包括健康和福祉问题对公民的影响；交通对流动性、生产力、污染的影响；以及由当地政府管理并提供给城市居民的关键
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