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物联网的关键技术挑战

发布时间:2020-07-21 18:13:41 阅读: 来源:花边厂家

摘要:物联网被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。

关键词:物联网

物联网(Internet of Things,IOT),即物品的信息通过射频识别(RFID)、激光扫描仪等信息传感设备与互联网连接起来,经过网络传输到达指定的信息处理中心,最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能化网络。物联网被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。2005年11月17日,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(ITU)发布了(ITU互联网报告2005:物联网》,报告指出,无所不在的物联网通信时代即将来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术(RFID)、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。

1、物联网与信息技术领域的发展趋势

1.1控制、网络和计算理论的共同发展计算机技术发展仅仅70多年,而工程物理系统已经发展近200年,但这两个领域却一直存在较大程度的鸿沟。物联网和CPS(Cyber Physical System)的发展将有助于它们之间的融合,美国NSF的一位负责人Klshan Baheti博士,称当前这种趋势为“Convergence of Control,Networks and Computations at Nano,Micro and Macro Scale”。

1.2 GIS与GPS为物联网提供基础地理信息平台

物联网建设期间,可以利用地理信息平台的空间分析能力进行传感器布设的选址,从而达到终端布设的科学性、合理性;物联网建成后,可以通过地理信息平台把所有的物联对象都落到统一的空间平台上,从而可以直观、生动、快速地对物联对象进行定位、追踪、查找和控制。其中,GPS为物联网提供空间定位支持,可以满足全球级、区域级、国家级的位置服务要求,对于定位精度更高的要求,可以选择精度更好、更稳定的CORS技术,这种定位技术可以为物联网提供精度达厘米级的动态实时定位服务。

最后,三维GIS技术可以为用户提供一个集视觉、听觉、触觉等为一体的三维虚拟环境,利用物联网前端传感器传回来的各种信息可以对被感知的对象进行虚拟重建、再现,从而可以建立具有真三维景观描述的、可实时交互的、能进行空间分析和查询的应用系统,将使物联网的感知、显示能力发生革命性的变化。

1.3移动GIS、互联网技术与嵌入技术的融合,形成了“人机物一体”的互联

移动GIS是集GIS、GPS、移动通信(gsMyGPRS/CDMA)三大技术于一体的系统。移动GIS为物联网提供了天然的移动计算平台,将物联网的前端感知与移动GIS结合,可以帮助用户准确地定位、追踪对象,并提供一系列的模拟决策,最终完美地完成人机交互。而与此同时,嵌入式系统具有4个新特性:透明性(Transparent)、移动性(Mobile)、小型化(Miniature)和普适性(Ubiquitous),更有利于其部署和应用。特别是,一直作为IT技术领先的美国,其NITRD的总统科学技术顾问委员会在2007年的PCAST报告中例举了信息领域八大优先发展,明确指出四项高优先级发展技术,第一项即NIT systems connected with the physical world(cyber physical systems)”。

[page] 2、物联网的关键技术挑战

该研究从信息流的4个阶段来分析物联网发展所面临关键技术挑战,并思考其对各领域发展。特别是航空、农业等未来发展的作用。典型的信息流过程包括获取、传输、处理和应用阶段,在“物联网”中,这个信息流的获取能力被放大,自然对后面的技术提出其新的挑战(图2)。

2.1 信息获取通过RFID标识以及新传感器、高精度仪器技术等能够对计算环境等实现更强的“信息获取能力”,同时,通过接人设备的反馈控制技术能够实现信息获取“从被动获取向到主动控制的转变”。在信息获取数据量方面,Pan STARRS天体望远镜阵列每年可获取2.5 PB的数据,欧洲原子核研究委员会(CERN)的大型强子碰撞型加速装置所做有关实验每秒能产生40 TB的数据流,这是一个无法被存储或分析的数量级。在信息主动控制方面,一些诸如远程医疗、远程手术的应用逐步发展,提供了更为有效的远程协助和一体化处理能力。

2.2信息传输在互联网、移动网环境下,大量系统之间的信息共享与交互,使“复杂系统互联”的光纤、路由等网络技术发展,使得“信息传输能力更快”。例如,2010年3月Cisco发布CRS-3路由器可达322Tbps。在不断提升信息传输能力的同时,如果通过大规模系统服务的调度和数据摆放也是能够有效降低信息传输压力的技术需求。

2.3信息处理物联网的大规模应用,将对信息处理这一计算机关键环节提出新要求,将对计算、存储能力要求更高。一方面是单纯“量”层面的要求,例如。在2009年,Top 500计算能力总合2.26×10s亿次,企业磁盘消耗达20 EB;另一方面则是“正确度”层面的要求,需要在正确时间、正确地点快速为用户提供正确的信息,从而对“数据高效处理与智能挖掘”提出更高要求。特别是,随着各类物联网系统节点的扩展,海量数据引入应用系统。传统关系数据库已经无法再进行高效管理,因此对数据处理相关的存储和并行计算等提出新的挑战。

2.4信息应用主要体现为针对物联网应用,需要实现对任何设备多样化的信息服务,实现丰富、灵活的数据展现。同时,需要为移动终端等提供可适配的控制界面和低延迟网络服务能力。特别是,移动终端设备的普及给这一应用提供了良机。

在物联网技术和应用发展背景下,新型网络软件涉及的关键技术主要包括感知与标识技术、网络与通信技术、计算与服务技术及管理与支撑技术4个方面。针对信息流的技术挑战,对于网络应用系统的主要研究挑战包括实时数据感知与快速传输、多源数据的有机融合、复杂信息的智能挖掘、快捷的用户交互方式和可靠及时的反馈控制等。

目前,“智慧城市”、“绿野千传”、“车联网”等等很多与物联网相关的应用,特别是,在高可靠性要求极为严格的航空领域,已经在传感、控制领域积累了很多丰富的技术和数据资源。当前在飞机的传感器技术其实已经非常先进,飞机上已经部署了大量的传感器,甚至包括民用航空设备已安装大量的传感器实时获取状态,例如气路性能诊断、结构健康监测、机翼等关键结构件强度探测等。因此,通过空地网络能够将这些数据实时传输到地面航空服务数据中心,并进行数据有效处理分析,将能发挥两方面的优势。

[page] 3、物联网时代下中间件发展

随着物联网的快速发展,中间件在物联网的大规模应用中展现出了越来越重要的作用,中问件的发展历程经历了4个阶段(图3)。

3.1第1阶段:雏形阶段最早期的中间件是指在计算机硬件平台之上的操作系统,目的是能够合理、有效的使用硬件资源,大致始于20世纪70年代,这个时期是中间件发展的初始阶段,概念还尚未成熟。通过在操作系统上层安装部署应用程序的方式使得用户能够方便、高效的使用计算机。

3.2第2阶段:发展阶段进入20世纪80年代,随着计算机网络的快速发展。操作系统之上的中间件一网络化平台应运而生,目的是能够支持网络化软件的开发和运行,这个时期出现了J2EE、。NET、DCOM、CORBA等技术和系统,一度成为学术界和工业界的研究和应用热点,中间件概念逐渐成形。

3.3第3阶段:整合阶段目前,中间件处于整合阶段。随着网络技术的发展和各种标准规范的推陈出新,平台整合、应用整合、资源整合的重要性逐渐显现了出来。随着大型应用和互联的需求,开始了各个层次的标准化工作,包括技术模型、体系架构、工具平台、工程方法等,其中以SOA技术体系为典型代表,国际组织就建立了上百个标准和规范。在这个时期,在网络化平台之上的中间件——SOA中间件就需要推陈出新,对已经发展起来的多种中间件技术进行融合,然而,这种融合应当是深度的整合,而非简单的拼凑,同时还要解决多个问题域,以适应互联网计算环境的开放、动态、多变的特性。

3.4第4阶段:普适阶段未来。随着“物联网”技术的发展以及软件市场逐步细分。依据软件的“长尾理论”。中间件的灵活和个性化特征将会更为突出,以更加适应业务系统的要求,面向需求,贴近业务,与业务同步发展。而且,中间件发展进入细分阶段以后。将更加直接、简便的满足不同用户的需要。进入这个时期,面向“物联网”的大规模的领域应用,中问件系统按照功能进行细分为基础中间件和应用中间。

基础中间件面向下层操作系统,按照基础支撑、灵活组装的原则向上层应用中间件提供支撑。而应用中间件面向上层应用,按照个性定制、应用开发的原则,向上层应用直接提供信息和资源。而在未来中间件的发展中,SOA仍将提供重要的支撑作用。

4、结论

物联网的发展把传统的信息通信网络向广泛的物理世界进行延伸,形成“人机物”一体化的信息系统。随着数据分布式存储技术和并行大规模数据计算中心的发展,如何在数据获取、传输、处理和应用的阶段形成格式可旺配、业务链接的服务中间件发展的新领地。再加之开放业务平台、软件在线服务运行对高效可适应、安全高可靠的需求,使得中间件将不在局限传统单一领域。应用业务为主的上层应用。而是逐渐向互联网运行平台下方深入。高校作为教育和科研的基地,有效发挥学科融合,对扩大中间件系统适应物联网的大规模应用环境,发挥出更高效更可靠的作用具有重要作用。

责编:fanwei

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