1 物聯網概述
物聯網是指機器與機器（M2M，MachineToMachine）、機器與人之間的無線通信，其基于特定行業終端，以短消息、USSD、分組數據業務等為接入手段，滿足客戶對工作流程監控、指揮調度、遠程數據采集和遠程診斷等方面的信息化需求。物聯網最終仍是服務于人，方便人們的溝通與生活。
物聯網是戰略性新興產業的重要組成部分，為促進物聯網的發展，國家制定了《物聯網“十二五”發展規劃》。當前物聯網產業發展初具規模：RFID相關技術已很成熟，RFID市場規模超過100億元。全國有1600多家企事業單位從事傳感器的研制、生產和應用，年產量超過24億只，市場規模超過900億元；其中,微機電系統（MEMS）傳感器市場規模超過150億元。電信設備制造業具有很強的國際競爭力，我國已建成全球最大、技術先進的公共通信網和互聯網。M2M終端數量已超過千萬，形成全球最大的M2M市場之一。
物聯網應用目前蓬勃發展，涉及日常工作生活的多個領域，如醫療、安防、電力、工業、農業、環保、交通和物流等。在安防領域，視頻監控、周界防入侵等已規模應用；在電力行業，遠程抄表、輸變電監測等應用正在逐步拓展；在交通領域，路網監測、車輛管理和調度等應用正在發揮積極作用；在物流領域，物品倉儲、運輸、監測應用正廣泛推廣；在醫療領域，個人健康監護、遠程醫療等應用日趨成熟。除此之外，物聯網在環境監測、市政設施監控、樓宇節能、食品藥品溯源等方面也開展了廣泛的應用。
我國物聯網雖然在技術研發、標準研制和應用拓展等方面已取得一些進展，但還存在很多問題，如M2M終端號碼資源匱乏、物聯網標準與規范不統一、終端與卡接入缺乏完善的安全機制、各行業應用數據完全獨立而難以促進跨行業的協同發展。
圖1 物聯網體系架構
圖2 分簇傳感器網絡組網結構圖
2 物聯網體系架構
圖1所示為物聯網體系架構，其包括了傳感網絡、無線通信網、運營支撐系統和業務應用系統。
傳感網絡實現信息采集功能，行業客戶通過部署在實際應用場景中的傳感器、RFID讀寫器等采集行業業務數據，通過網關終端匯聚后再由無線網絡遠程傳輸到應用系統。其中，傳感器通過近距離無線通信技術，如藍牙、ZigBee等與傳感器網關通信。常用的傳感器可以檢測如環境溫度、濕度、壓力等參數；專業化的傳感器可以檢測如溶解氧、pH值、氨氮、電導率、濁度、葉綠素、藻藍素、水位等水質參數。
傳感器網關進行信息匯聚后，通過無線通信網絡將信息遠距離傳輸至業務應用系統。無線通信網絡包括WLAN、GPRS、3G、LTE等，當前以TD-LTE為代表的4G寬帶無線通信網絡正處于試點階段。
M2M平臺為行業客戶提供統一的終端管理和終端設備鑒權功能，支持多種網絡接入方式，提供標準化的接口，使得數據傳輸簡單直接，同時提供數據路由、監控、用戶鑒權等管理功能。BOSS系統實現物聯網業務應用的計費管理功能。
業務應用系統為最終用戶提供行業應用服務，如一卡通業務、移動健康守護業務、智能家居、水質監控等，服務對象可分為個人、家庭和行業。
目前通信終端和應用系統與M2M平臺之間沒有標準化的通信接口；同時物聯網安全方面缺乏相關的規范，這也是制約物聯網產業發展的因素之一。
圖3 電力抄表應用
2.1無線傳感網
無線傳感網絡包含傳感器單元、控制器和無線通信模塊，實現數據采集、近距離通信、數據計算和遠距離無線通信等功能。無線傳感器網絡是一種特殊的Ad-Hoc網絡，其以數據為中心實現自組織功能；傳感器網絡中節點密集、數量龐大且部署在廣泛的區域內，同時網絡拓撲結構會動態變化；因此要求無線傳感網具備自組織和自調節的功能特性，網絡節點即傳感器終端需具備低成本、小體積、低功耗、小帶寬等特性。
無線傳感網在農業、環保、工業控制等領域得到廣泛應用，如水質監控系統中，在水面上部署很多傳感器，用于采集和監測水質參數。圖2所示為一種無線傳感器網絡分簇的組網方式，傳感器布設區域被分成若干局部區域，每個局部區域作為一個分簇，簇頭負責管理簇內資源分配和簇之間通信；簇成員節點負責數據的采集和處理等。簇內傳感器節點只與本簇內的節點通信，從而使得網絡協議大大簡化。同時，多個分簇可以共同完成對檢測水面區域的多方位、實時、準確的全覆蓋監控，即分簇傳感器網絡組網可對待監測環境進行全面的感知，更加全面地采集數據。
2.2RFID和一卡通
RFID電子標簽是一種基于無線射頻識別技術的產品，現已廣泛應用于身份識別、電子購物、交通和物流等領域，如高速公路上的ETC（電子不停車收費）系統。RFID技術向著高頻、遠距離通信和低成本等方向演進；同時隨著移動寬帶網絡（如3G、WLAN等）的日益普及，RFID與互聯網、電子商務結合也是必然趨勢，將給人們的生產生活帶來更多便捷。
以一卡通為代表的智能卡基于RFID非接觸技術，可面向個人和企業用戶提供包含門禁、考勤、停車場管理、消費、身份認證和增值業務等在內的信息化服務。其中消費服務如客戶可以通過刷卡消費，使用場景包括食堂、小賣部、浴室、圖書館、機房、體育場館、醫院等；增值服務如手機一卡通功能，可通過手機刷卡實現公交、地鐵、超市、公園門票等刷卡消費。
2.3M2M平臺
M2M平臺實現如狀態監測、參數配置、終端重啟、遠程升級、故障告警、數據統計等物聯網終端管理功能。當前物聯網標準如中國移動的WMMP（無線移動管理協議）協議，其實現M2M終端與M2M平臺之間通信接口的規范化。
2.4業務應用系統
業務應用系統主要由業務平臺構成，下面以農業大棚和電力抄表為例介紹物聯網業務應用。
（1）電力抄表應用
在電力行業中，遠程抄表、電力終端監控管理的應用較多。圖3所示為遠程抄表應用的系統組網架構，包括：數據采集器（智能電表內置）、M2M無線抄表終端（內置WMMP通信模組）、移動通信網絡、M2M終端管理平臺和無線抄表數據中心。
1）M2M無線抄表終端：集中采集本地電表的用電信息，并通過中國移動M2M通信模組與電力公司無線抄表數據中心交互。
2）M2M平臺：通過WMMP協議和M2M終端進行交互，提供終端查詢、終端配置、遠程控制、軟件升級等功能；透傳電力公司用戶的應用數據（如月用電量）；同時可為電力公司提供業務監控、故障處理等支撐服務。
3）無線抄表數據中心：電力公司后臺應用系統，實現用電信息采集和分時計價處理。
（2）農業大棚監控
農產品規模化種植企業或農業大戶通常要管理多個農業大棚，需要對大棚內的環境進行監控。通過在大棚內部署無線數據采集模塊，數據自動傳輸到大棚監控應用平臺，生產管理人員可以通過互聯網、專用顯示設備、手機短信方式獲取檢測點的數據，并根據數據情況對環境控制做出判斷。
大棚監控系統由傳感器、通訊主機（終端）、M2M平臺和大棚監控應用平臺組成，如圖4所示。大棚里溫度一旦過高或過低，菜農立刻就能收到手機短信提醒，及時了解大棚的情況；M2M平臺實現對通訊終端的管理功能。
圖4 農業大棚應用系統
3 物聯網的產業鏈需求
在物聯網的整個產業鏈中主要有四個角色：終端提供商、系統集成商、行業客戶和通信運營商。
終端設備商生產和銷售物聯網終端，在終端投入使用后需要依據實際的應用環境對設備進行管理維護工作，工作量巨大；而且由于終端地域分布廣泛及不可能24小時值守，一旦在使用過程中出現故障，到現場解決問題耗時耗力，運營成本高，客戶滿意度很低。各種物聯網終端的很多共性功能，如終端狀態實時查詢/監測、終端軟件升級、終端重啟、終端運行數據統計分析、終端位置查詢等，由于各終端廠家提供的接口多采用私有標準，導致這些功能無法重用。物聯網終端運營管理等共性功能要求通過同一個平臺來實現。
物聯網行業中中小型集成商數量龐大，且多希望采用租用軟硬件的方式建設物聯網運維系統，以降低投入成本。
很多行業客戶在部署大量行業終端后，無法及時準確地了解到每個終端的運行狀態，當終端出現異常情況時，缺少快速準確的維護支撐手段，只能將問題交給系統集成商、終端供應商和運營商去處理，導致工作效率低下，運營成本高。在電力、金融等客戶的應用系統中，有數量巨大的各類終端設備需要使用無線網絡與遠程業務平臺進行信息交互。這些企業普遍擁有強大的IT支撐能力，對于終端自身運行狀態、業務系統的運行狀態等已有了相當完備的后臺應用系統；同時，出于安全方面的考慮，不會將敏感數據放到企業之外的系統上。因此，對于這類客戶，運營商要多提供通道服務。
移動運營商在物聯網應用推廣中碰到很多困難，諸如重點行業壁壘難以打破、物聯網規范標準不統一、很難推進移動增值業務等。
綜上，從支持物聯網產業鏈的長遠發展考慮，應結合行業市場的需求，提供物聯網運營支撐平臺（即M2M平臺），為物聯網終端運維提供保障，為行業客戶、系統集成商和終端生產商等提供服務，支撐行業應用的市場推廣。
4 物聯網信息中心
物聯網行業眾多、應用紛繁復雜，跨行業的業務應用對信息數據的共享提出了新的需求，如基于氣候、大氣質量等信息匯總數據的分析，可支撐農業和環保行業。而物聯網信息中心可實現海量信息的統一存儲、加工處理和標準化呈現等功能；支持標準的接口實現多種類型數據的接入和通信；信息中心的數據按標準協議進行建模、清洗、轉換、分析、統計、挖掘和展示等，同時為每個行業定義核心元數據庫，使得各行業、各應用產生的數據可以相互識別，從而達到跨行業信息數據的共享與復用。
5 物聯網發展面臨的問題
隨著物聯網應用的規模部署，如何保障終端通信安全是迫切需要解決的問題。實際應用中可基于對稱密鑰體系和PKI體系，通過引入基于卡和終端安全的第三方平臺認證機制，采用對稱DES/AES、非對稱RSA等安全算法來實現M2M終端接入業務網絡的安全保障。
物聯網遍布各個行業，終端數量巨大，因而SIM卡的需求量極大。每張SIM卡對應一個11位的手機號碼，與普通個人用戶使用的號碼完全一樣；但現在11位的號碼資源非常有限，即將到耗盡的邊緣。因此需要為物聯網規劃專屬號段，可分配擴展長度的號碼來滿足終端通信的需求。
現在物聯網業務處于增速發展期，產業鏈各個環節需要協同發展，同時物聯網相關技術的標準化、成熟商務模式的探索等都是迫切需要完成的工作。
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本文標題：物聯網關鍵技術與業務應用
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