物联网核心技术与业务应用

    1 物联网概述

 

 

    物联网是指机器与机器（M2M，MachineToMachine）、机器与人之间的无线通信，其基于特定行业终端，以短消息、USSD、分组数据业务等为接入手段，满足客户对工作流程监控、指挥调度、远程数据采集和远程诊断等方面的信息化需求。物联网最终仍是服务于人，方便人们的沟通与生活。

 

 

    物联网是战略性新兴产业的重要组成部分，为促进物联网的发展，国家制定了《物联网“十二五”发展规划》。当前物联网产业发展初具规模：RFID相关技术已很成熟，RFID市场规模超过100亿元。全国有1600多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用，年产量超过24亿只，市场规模超过900亿元；其中，微机电系统（MEMS）传感器市场规模超过150亿元。电信设备制造业具有很强的国际竞争力，我国已建成全球最大、技术先进的公共通信网和互联网。M2M终端数量已超过千万，形成全球最大的M2M市场之一。

 

 

    物联网应用目前蓬勃发展，涉及日常工作生活的多个领域，如医疗、安防、电力、工业、农业、环保、交通和物流等。在安防领域，视频监控、周界防入侵等已规模应用；在电力行业，远程抄表、输变电监测等应用正在逐步拓展；在交通领域，路网监测、车辆管理和调度等应用正在发挥积极作用；在物流领域，物品仓储、运输、监测应用正广泛推广；在医疗领域，个人健康监护、远程医疗等应用日趋成熟。除此之外，物联网在环境监测、市政设施监控、楼宇节能、食品药品溯源等方面也开展了广泛的应用。

 

 

    我国物联网虽然在技术研发、标准研制和应用拓展等方面已取得一些进展，但还存在很多问题，如M2M终端号码资源匮乏、物联网标准与规范不统一、终端与卡接入缺乏完善的安全机制、各行业应用数据完全独立而难以促进跨行业的协同发展。

 

 

 

    物联网体系架构

 

    图1 物联网体系架构

 

 

 

    分簇传感器网络组网结构图

 

    图2 分簇传感器网络组网结构图

 

 

[page]    2 物联网体系架构

 

 

    图1所示为物联网体系架构，其包括了传感网络、无线通信网、运营支撑系统和业务应用系统。

 

 

    传感网络实现信息采集功能，行业客户通过部署在实际应用场景中的传感器、RFID读写器等采集行业业务数据，通过网关终端汇聚后再由无线网络远程传输到应用系统。其中，传感器通过近距离无线通信技术，如蓝牙、ZigBee等与传感器网关通信。常用的传感器可以检测如环境温度、湿度、压力等参数；专业化的传感器可以检测如溶解氧、pH值、氨氮、电导率、浊度、叶绿素、藻蓝素、水位等水质参数。

 

 

    传感器网关进行信息汇聚后，通过无线通信网络将信息远距离传输至业务应用系统。无线通信网络包括WLAN、GPRS、3G、LTE等，当前以TD-LTE为代表的4G宽带无线通信网络正处于试点阶段。

 

 

    M2M平台为行业客户提供统一的终端管理和终端设备鉴权功能，支持多种网络接入方式，提供标准化的接口，使得数据传输简单直接，同时提供数据路由、监控、用户鉴权等管理功能。BOSS系统实现物联网业务应用的计费管理功能。

 

 

    业务应用系统为最终用户提供行业应用服务，如一卡通业务、移动健康守护业务、智能家居、水质监控等，服务对象可分为个人、家庭和行业。

 

 

    目前通信终端和应用系统与M2M平台之间没有标准化的通信接口；同时物联网安全方面缺乏相关的规范，这也是制约物联网产业发展的因素之一。

 

 

 

    电力抄表应用

 

    图3 电力抄表应用

 

 

    2.1无线传感网

 

 

    无线传感网络包含传感器单元、控制器和无线通信模块，实现数据采集、近距离通信、数据计算和远距离无线通信等功能。无线传感器网络是一种特殊的Ad-Hoc网络，其以数据为中心实现自组织功能；传感器网络中节点密集、数量庞大且部署在广泛的区域内，同时网络拓扑结构会动态变化；因此要求无线传感网具备自组织和自调节的功能特性，网络节点即传感器终端需具备低成本、小体积、低功耗、小带宽等特性。

 

 

    无线传感网在农业、环保、工业控制等领域得到广泛应用，如水质监控系统中，在水面上部署很多传感器，用于采集和监测水质参数。图2所示为一种无线传感器网络分簇的组网方式，传感器布设区域被分成若干局部区域，每个局部区域作为一个分簇，簇头负责管理簇内资源分配和簇之间通信；簇成员节点负责数据的采集和处理等。簇内传感器节点只与本簇内的节点通信，从而使得网络协议大大简化。同时，多个分簇可以共同完成对检测水面区域的多方位、实时、准确的全覆盖监控，即分簇传感器网络组网可对待监测环境进行全面的感知，更加全面地采集数据。

 

 

[page]    2.2RFID和一卡通

 

 

    RFID电子标签是一种基于无线射频识别技术的产品，现已广泛应用于身份识别、电子购物、交通和物流等领域，如高速公路上的ETC（电子不停车收费）系统。RFID技术向着高频、远距离通信和低成本等方向演进；同时随着移动宽带网络（如3G、WLAN等）的日益普及，RFID与互联网、电子商务结合也是必然趋势，将给人们的生产生活带来更多便捷。

 

 

    以一卡通为代表的智能卡基于RFID非接触技术，可面向个人和企业用户提供包含门禁、考勤、停车场管理、消费、身份认证和增值业务等在内的信息化服务。其中消费服务如客户可以通过刷卡消费，使用场景包括食堂、小卖部、浴室、图书馆、机房、体育场馆、医院等；增值服务如手机一卡通功能，可通过手机刷卡实现公交、地铁、超市、公园门票等刷卡消费。

 

 

    2.3M2M平台

 

 

    M2M平台实现如状态监测、参数配置、终端重启、远程升级、故障告警、数据统计等物联网终端管理功能。当前物联网标准如中国移动的WMMP（无线移动管理协议）协议，其实现M2M终端与M2M平台之间通信接口的规范化。

 

 

    2.4业务应用系统

 

 

    业务应用系统主要由业务平台构成，下面以农业大棚和电力抄表为例介绍物联网业务应用。

 

 

    （1）电力抄表应用

 

 

    在电力行业中，远程抄表、电力终端监控管理的应用较多。图3所示为远程抄表应用的系统组网架构，包括：数据采集器（智能电表内置）、M2M无线抄表终端（内置WMMP通信模组）、移动通信网络、M2M终端管理平台和无线抄表数据中心。

 

 

    1）M2M无线抄表终端：集中采集本地电表的用电信息，并通过中国移动M2M通信模组与电力公司无线抄表数据中心交互。

 

 

    2）M2M平台：通过WMMP协议和M2M终端进行交互，提供终端查询、终端配置、远程控制、软件升级等功能；透传电力公司用户的应用数据（如月用电量）；同时可为电力公司提供业务监控、故障处理等支撑服务。

 

 

    3）无线抄表数据中心：电力公司后台应用系统，实现用电信息采集和分时计价处理。

 

 

    （2）农业大棚监控

 

 

    农产品规模化种植企业或农业大户通常要管理多个农业大棚，需要对大棚内的环境进行监控。通过在大棚内部署无线数据采集模块，数据自动传输到大棚监控应用平台，生产管理人员可以通过互联网、专用显示设备、手机短信方式获取检测点的数据，并根据数据情况对环境控制做出判断。

 

 

    大棚监控系统由传感器、通讯主机（终端）、M2M平台和大棚监控应用平台组成，如图4所示。大棚里温度一旦过高或过低，菜农立刻就能收到手机短信提醒，及时了解大棚的情况；M2M平台实现对通讯终端的管理功能。

 

 

 

    农业大棚应用系统

 

    图4 农业大棚应用系统

 

 

[page]    3 物联网的产业链需求

 

 

    在物联网的整个产业链中主要有四个角色：终端提供商、系统集成商、行业客户和通信运营商。

 

 

    终端设备商生产和销售物联网终端，在终端投入使用后需要依据实际的应用环境对设备进行管理维护工作，工作量巨大；而且由于终端地域分布广泛及不可能24小时值守，一旦在使用过程中出现故障，到现场解决问题耗时耗力，运营成本高，客户满意度很低。各种物联网终端的很多共性功能，如终端状态实时查询/监测、终端软件升级、终端重启、终端运行数据统计分析、终端位置查询等，由于各终端厂家提供的接口多采用私有标准，导致这些功能无法重用。物联网终端运营管理等共性功能要求通过同一个平台来实现。

 

 

    物联网行业中中小型集成商数量庞大，且多希望采用租用软硬件的方式建设物联网运维系统，以降低投入成本。

 

 

    很多行业客户在部署大量行业终端后，无法及时准确地了解到每个终端的运行状态，当终端出现异常情况时，缺少快速准确的维护支撑手段，只能将问题交给系统集成商、终端供应商和运营商去处理，导致工作效率低下，运营成本高。在电力、金融等客户的应用系统中，有数量巨大的各类终端设备需要使用无线网络与远程业务平台进行信息交互。这些企业普遍拥有强大的IT支撑能力，对于终端自身运行状态、业务系统的运行状态等已有了相当完备的后台应用系统；同时，出于安全方面的考虑，不会将敏感数据放到企业之外的系统上。因此，对于这类客户，运营商要多提供通道服务。

 

 

    移动运营商在物联网应用推广中碰到很多困难，诸如重点行业壁垒难以打破、物联网规范标准不统一、很难推进移动增值业务等。

 

 

    综上，从支持物联网产业链的长远发展考虑，应结合行业市场的需求，提供物联网运营支撑平台（即M2M平台），为物联网终端运维提供保障，为行业客户、系统集成商和终端生产商等提供服务，支撑行业应用的市场推广。

 

 

    4 物联网信息中心

 

 

    物联网行业众多、应用纷繁复杂，跨行业的业务应用对信息数据的共享提出了新的需求，如基于气候、大气质量等信息汇总数据的分析，可支撑农业和环保行业。而物联网信息中心可实现海量信息的统一存储、加工处理和标准化呈现等功能；支持标准的接口实现多种类型数据的接入和通信；信息中心的数据按标准协议进行建模、清洗、转换、分析、统计、挖掘和展示等，同时为每个行业定义核心元数据库，使得各行业、各应用产生的数据可以相互识别，从而达到跨行业信息数据的共享与复用。

 

 

    5 物联网发展面临的问题

 

 

    随着物联网应用的规模部署，如何保障终端通信安全是迫切需要解决的问题。实际应用中可基于对称密钥体系和PKI体系，通过引入基于卡和终端安全的第三方平台认证机制，采用对称DES/AES、非对称RSA等安全算法来实现M2M终端接入业务网络的安全保障。

 

 

    物联网遍布各个行业，终端数量巨大，因而SIM卡的需求量极大。每张SIM卡对应一个11位的手机号码，与普通个人用户使用的号码完全一样；但现在11位的号码资源非常有限，即将到耗尽的边缘。因此需要为物联网规划专属号段，可分配扩展长度的号码来满足终端通信的需求。

 

 

    现在物联网业务处于增速发展期，产业链各个环节需要协同发展，同时物联网相关技术的标准化、成熟商务模式的探索等都是迫切需要完成的工作。