物联网典型应用场景及技术架构

1、感知中国：物联网掀起信息革命第三次浪潮之系列专栏文章第四期：典型应用场景及技术架构周洪波1. 物联网三大类应用的典型场景前期文章中把物联网应用分为三大类：RFID相关应用，基于传感网络的应用，以及M2M两化融合相关应用。同时也描述了物联网典型的“管、控、营一体化”功能化应用场景。本文将从技术架构角度分别描绘三大类应用的典型场景。物联网和智慧地球理念能够得以实现的原因，是因为世界早已经迈入了3I时代（IBM提法），即Instrumented（工具植入化，40亿手机用户，300亿RFID，庞大的传感网络和工业信息化系统等）, Interconnected（互联化），和Intelligent（智能化

2、），我们只需要“百尺竿头，更上一步”就可以实现5A（anywhere（任何地点）, anything（任何事物）, anytime（任何时间）, anyway（任何方式）, anyhow（任何原因）化的物联网世界。也就是下图中描绘的跨越时空的技术架构和部署场景。“1”代表客户端，可以是PC，PDA等，坐落在美洲；“2”代表运行在“云”服务器上 的SaaS或非SaaS信息系统，坐落在非洲；“3”代表末端，可以是任何智能物件，坐落在亚洲。这个宏观的应用场景对三大类物联网应用都适用，但从更深层的技术架构来说，三大类应用存在业务细节上的差别，下面分别细述。2. 基于RFID的物联网应用架构电子标签可能

3、是三类技术体系中最灵活的能够把“物”enable/instrument成为智能物件的，它的主要应用是把移动和非移动资产贴上标签，实现各种跟踪和管理。按下图所示瑞士ETH Fleisch教授的划分，RFID是穿孔卡，键盘，和条码等应用技术的延伸，它比条码等技术自动化程度高，但他们都属于提高“输入”效率的技术，也都应该属于物联网应用技术范畴。Auto-ID中心的EPCGlobal体系就是针对所有可电子化的编码方式的，而不只是针对RFID。RFID只是编码的一种载体，此外还有其他基于物理，化学过程的载体，例如同方试金石公司的防伪技术。 EPCglobal提出了Auto-ID系统的五大技术组成，分别是

4、EPC（电子产品码）标签，RFID标签阅读器，ALE中间件实现信息的过滤和采集，EPCIS信息服务系统，以及信息发现服务（包括ONS和PML）。由于从一开始就让世界各大洲的从业人员充分参与，EPCGlobal标准（架构图如下）得到了较广泛认同，这里不再对其标准体系架构赘述。ONS（即对象命名服务Object Name Service）主要处理电子产品码与对应的EPCIS信息服务器地址的查询和映射管理（如下图），类似于互联网络中已经很成熟的域名解析服务（DNS）。在设计ONS规范时，EPCGlobal组织要求必须结合现有互联网基础设施和相关规范进行，这显然是一个正确的决定。于是ONS基本上按DN

5、S的原理实现，甚至采用了DNS的现有基础设施，现今全球ONS服务也是EPCglobal委由世界最大的DNS营运商VeriSign营运。EPC产品电子码识别只是“标签”，所有关于产品有用的信息都用一种新型的标准的XML语言：实体标识语言(Physical Markup Language )，来描述，PML的作用就像互联网的基本语言HTML一样。有了ONS和PML，以RFID为主的EPC系统才真正从Network of Things走向了Internet of Things(物联网，如上面“架构图”所示)。基于ONS和PML，企业对RFID技术的应用将由企业内部的闭环应用过渡到供应链的开环应用上，

6、实现真正的“物联网”。ONS和PML作为物联网框架下的关键技术，有着广泛的应用前景。相比之下，传感网和M2M从业群体的技术架构还没有完全上升到ONS/PML这样同等的“物联网”技术体系高度，这大概也就是Auto-ID人群认为物联网概念是他们首创的主要原因吧。笔者认为，在走向物联网的道路上，传感网和M2M群体应该借鉴和直接采用ONS/PML技术体系。3. 基于传感网络的物联网应用架构当人们谈论传感网络的时候，一般主要是指无线传感网路（WSN, Wireless Sensor Networks），此外还有视觉传感网（VSN, Visual Sensor Networks）以及人体传感网（BSN，

7、Body Sensor Networks）等其他传感网，这里我们也主要讨论WSN。WSN由分布在自由空间里的一组“自治的”无线传感器组成，共同协作完成对特定周边环境状况，包括温度，湿度，化学成分，压力，声音，位移，振动，污染颗粒等，的监控（如下图）。WSN中的一个节点（或叫Mote）一般由一个无线收发器，一个微控制器，和一个电源组成。WSN一般是自治重构（Ad-Hoc或Self-Configuring）网络(如下图)，包括无线网状网（Mesh Networks）和移动自重构网（MANET）等。无线传感网目前还是计算机和通讯专业的学者们一个非常活跃的研究领域。10多年前IBM（在其苏黎世研究中心

8、），微软等大企业就开始投入巨资研究传感网，但商业收效甚微，所以大企业已经基本不再投入做纯WSN研究（哈佛大学Welsh教授语），目前WSN的研究主要还是在大学和国立研究机构。笔者听过Welsh教授最近关于WSN的主题发言，他认为目前企业和研究机构对WSN的关注点完全不一样，企业能赚钱的WSN技术对研究人员来说太简单，算不上成果，而研究机构做的东西离实用差距又太远。波士顿市的基于哈佛WSN先进技术的CitySense（“感知波士顿”? 和我们的“感知北京”不谋而合）计划的失败就是例子，而美国Oklahoma市采用了更简单成熟技术的MicroCAST计划却获得了成功。到目前为止，WSN研究最成功的

9、成果可能要数加州大学伯克利分校Culler教授研究小组提出的Mote的概念和他们研制成功的Mote节点产品，相关成员2003年在硅谷成立了一个名为MoteIV的公司销售Mote产品和推广WSN应用，但后来因经营状况不好而改名为Sentilla，不再以WSN业务为主。笔者对WSN没有深入的研究，但记得笔者15年前在美国做并行计算时，年轻的Culler教授也在做并行计算系统的研究，而且也算是当时顶级的并行计算专家，现在发现他老先生又成了领导潮流的WSN专家，而且已经桃李满天下，Welsh教授就是Culler教授的学生。难怪笔者觉得“曾似相识”，现在WSN的研究就好象15年前学术圈里对并行计算系统架

10、构的研究一样，提出了很多种技术架构，到头来超级并行计算机还是“返朴归真”，采用了最简单通用的网络连接技术。WSN的研究大多还专注于网络底层（包括非IP协议的ZigBee,TinyOS等和基于IP的6LoWPAN等），电源的持久性等问题，按照其目前的发展，笔者认为WSN离真正的“物联网”还很有一定距离，对像EPCGlobal中ONS和PML等物联网层面的问题研究还不够。另外，笔者认为，WSN的研究者们太热衷于无线技术，忽略了感知层用有线现场总线和传输层用长距离无线通讯的组合。从实用和商业推广的角度，这个组合早已经达到稳定和大规模应用的水平。4. 基于M2M的物联网应用架构业界认同的M2M理念和技

11、术架构覆盖的范围应该是最广泛的，包含了EPCGlobal和WSN的部分内容，也覆盖了有线和无线两种通讯方式，一个典型的M2M系统由以下几部分组成。M2M也覆盖和拓展了工业信息化（两化融合）中传统的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统。SCADA系统在工业，建筑，能源，设施管理等领域和现在的M2M系统一样，行使设备数据收集和远程监控监测的工作。乍一看，M2M和SCADA似乎是一样的，但由于M2M基于互联网等新技术，有很多标准化（如XML,WebServices/SOA等，如下图）的东西作基础，它和传统的SCADA是有区别的，好多SCA

12、DA系统基本上还基于陈旧的C/S架构。M2M有如下图所示的两种业务模式。MVNO业务模式在中国还未形成（或政策不允许），但在美国早已经存在，JasperWireless，Aeris等公司一直在做基于SaaS营运的M2M业务MVNO，也就是MMO（M2M Mobile Operator），典型应用场景如下图所示。 由于M2M/智慧地球最近的发展催生了许多新的机遇，美国各大营运商，如Verizon，ATT等以前都不直接做M2M业务，最近都纷纷成立了M2M业务部门，直接开展M2M业务，例如AT&T和Amazon合作直接支撑其Kindle电子阅读器无线接入服务。结果迫使一些原来的MVNO成了MVNE（如下图），JasperWireless就是例子，ATT&T正好采用了JasperWireless平台。在中国，三大营运商从一开始就直接做M2M业务，一开始就没有MVNO生存的机会，同方软件专业做M2M软件已有很多年，凭借多年M2M业务积累的优势成为了中国移动公司M2M营