《電子技術應用》
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物聯網為嵌入式系統帶來機遇

2010-05-20
作者: 王瑩

     在1999年物聯網概念就開始提出,實際上就是互聯網向物聯網的轉移,要上物聯網的設備是1012數量級,非常巨大。但我們現在的Internet網的利用率該產品還很低,只有2%~5%。目前嵌入式設備需要聯成網絡,但嵌入式設備一般無瀏覽器,需要建立信息平臺,實現低端和高端的連接。
  與物聯網相關的熱詞
  感知中國、物聯網、智慧地球、CPS(Cyber-Physical System,信息融合物理系統)等與傳感網絡相關的詞匯最近很熱……
  物聯網的概念最早是從RFID(射頻識別)技術這個領域來的,1999年專門做RFID的EPC global前身——麻省理工Auto-ID中心提出。它當時指每一個物品上都貼一個電子標簽,這樣通過后臺信息系統構成一個借助于Internet、所有物品都能互相聯系起來的一個物聯網。但是這個概念當年并沒有太多人關注,真正受到關注是從2005年ITU(國際電信聯盟)重新定義了物聯網的概念。它主要是從信息和通信的角度去考慮,集中在三個“Any”(anytime、anyplace、anyone)去獲取信息。從此概念能看出,RFID技術、傳感器技術以及嵌入式智能技術是物聯網的基礎部分,即底層技術。
        物聯網的發展主要是2008年IBM從商業角度提出所謂的“智慧地球”。物聯網有三大層,底層是感知層,中間是網絡層,上層是應用層。基于此,智慧地球的核心技術有三個i:instrument,傳感技術(物聯化);interconnected(互聯化);intelligent(智能化)。


 
        目前,學術界流行一個詞CPS。我們人類社會生活在兩個世界上,一個是信息世界,一個是物理世界。信息世界跟物理世界的融合,就稱為CPS。中國計算機學會微機專業委員會嵌入式學組組長、復旦大學的陳章龍教授一年前開始研究CPS,但是他和IBM和Intel等公司去探討時,這些商用公司說他們知道CPS,但現在不會去做CPS,因為做CPS風險很大。CPS實際上就是信息和物理系統的融合,即三個C:1,把物理設備Computer化;2,通過通訊(Communication)和后臺連起來;3,Control。這不是把CPS單獨拆離開來一個一個的系統,從控制層面來看,是整個的一個大系統。這樣一來,我們的計算機就要有一個變更性的革命,因為我們計算機處理的是數字的、離散的、跟時間無關的對象,而現在如果是CPS,處理的對象則是模擬的、連續的、跟時間相關的,那么所有的理論、語言都要配套重來。所以美國也是首先在自然資金里面展開這個方面的探索工作。
                                                            
         溫家寶總理2009年8月到無錫考察時,提出重視發展“感知中國”。目前要做的工作是三個方面:把傳感系統和3G中的TD技術結合起來;在國家重大科技專項中,加快推進傳感網的發展;盡快建立中國的傳感信息中心。
  不僅感,還要知、行
  陳章龍教授認為,“感知中國”的感知耐人尋味,“感”是傳感器通過RFID對信息的采集和傳輸;關鍵是“知”,就是要通過處理計算,并返回去,才會產生真正的價值。
  無線傳感器網絡在國內已經炒了十年,現在重新拿出來,我們一定要認真考慮以前的十年炒無線傳感器網絡為什么沒有“量變成質變”?因為我們只發展了“感”,還沒有去“知”。
                                                           
       
        中國科學院自動化所的關強博士提出要重視“知”和“行”。物聯網的架構包括幾層:基礎層、傳輸層,還有執行,即所謂感知的“知”和行動的“行”,控制、中間件、公共信息服務,最后結合到具體的應用去。
     嵌入式的機遇
  無論是物聯網三要素(感知行),還是智慧地球3i,CPS的3C,實際上都是在講一件事:人、機、物的和諧發展。這對嵌入式系統的要求是什么?陳章龍教授認為第一要多功能化、低功耗、微型化,這些已經都在做了,比如無線傳感器的結點的智能匯集,傳感器的設計趨向一體化。由于嵌入式系統無處不在,有的可做得很小,例如智能灰塵,它里面的一些軟件,即嵌入式軟件也需要很小。
  第二,嵌入式系統要網絡化。假如現在就把互聯網復制到物聯網,這在技術上是行不通的,因為我們面向對象是數據,是連續的、動態的、是非結構化的。所以瀏覽就不能簡單地設為嵌入式瀏覽器,因此需要在低端和高端之間建立信息中間件,OSGi (Open Service Gateway initiative)應運而生(圖2),是開放性的機構,專門針對汽車電子、家庭網絡、移動設備和工業環境等特定領域的互聯網中間件的應用。例如,OSGi聯盟專門成立了一個名為汽車專家組(Vehicle Expert Group)的特別機構,為OSGi在汽車電子領域的應用制定規范 。
       
        關強博士從RFID應用角度介紹了嵌入式的發展機會。他說,很多案例是通過一定的技術手段來實現從終端到終端,一般來說是閉環應用。閉環只在一個特定的范圍或是應用領域之內,還達不到開環,譬如公共領域的信息服務。因為實際上物聯網的發展受制于應用模式,如果要做到開環,會面臨復雜的問題:要找怎樣的一種商業模式、基礎設施由誰掏錢。
  歐洲一家專門研究物聯網、智能系統集成的協會對物聯網的預測是四個階段:
  • 2010年之前從RFID技術角度去討論;
  • 2010到2015年電子標簽、傳感器網絡實現更深層次的信息交互;
  • 2015到2020年實現互聯物品智能化;
  • 2020年實現全面的智能化。
     技術層包括以下幾類(圖3):RFID標簽、讀寫器等基礎設備,還有傳感器、傳感器網絡、傳感設備。傳輸層(這也是ITU重新定義物聯網的原因)主要是在網絡層考慮,從網絡技術、通信技術去考慮。我國提出利用3G去傳輸物聯網,但這里還是涉及許多問題,比如信息終端,還有現在的操作系統,像中國移動推出的OMS操作系統,如果真正涉及到基礎設施,還有工業以太網、交通、離散控制領域等特殊的網絡,當然基礎設施上還有一些軟件的工作,比如中間件、中間件的功能、實時信息處理、海量的數據怎么處理。如果實現物聯網應用,一定要正開環,因為開環要為公共服務,涉及到更多的問題。
        目前,物聯網相關標準還很多,但總體上,與理想的物聯網標準還差得很遠。
  那么RFID與嵌入式系統之間的關系如何?關強認為,首先是射頻前端的特殊設計;再一個就是嵌入式系統設計方面,主要是把RFID作為一個組成部分。RFID產品的嵌入式系統設計看起來難度不大,因為只要RFID讀寫設備是固定式設備,基本上基于嵌入式Linux平臺,主流產品目前是國外廠商實力較強,本土產品的操作系統還待完善。
     應形成本土戰略
  到此看來本文就該結束,但本國家863計劃信息技術領域專家組組長、北京航空航天大學校長懷進鵬院士提出不要成為國外理念的實驗場,應該探索自己特色之路。他指出,物聯網和智慧地球是美國人提出的,是否這次我們再為美國做注解,注解其發展的合理性,和中國成為其一個巨大的應用示范、產業化開動前期的一個試點?
                                                              
     
        通常來說,如果你自己提出了一個新概念,想堅持下來也許比較難,但是他們有了我們說我們也曾經想過了,這樣再拿來更容易得到支持,尤其在特定的應用服務范圍內。所以當時863小組在規劃時認為,要借鑒國外的發展模式,再結合我們自己的重大的問題、重大的任務來進行謀劃。我們需要思考三件事:第一,一種發展的暢想,能否在重大技術、產生重大突破的機會沒有到來之前,我國有可能引領并堅持一些方向,也許最后還能形成國際社會的趨勢;第二,在信息技術未來發展當中,建立以純技術驅動為主的,結合以應用為創新模式的這種互動方式,也許在最近五年甚至十年當中,重大應用的突破對孕育和推進技術的發展帶來機會,具體體現就是在網絡和通訊技術上。最后,需要走從參與到主導的模式。
        五年十年后面臨互聯網應用大突破
  對于網絡化,很多國內外專家和產業界有一個共識,到2020年前后,信息技術將會遭遇到漸進式改進難以持續發展的重大障礙,或者另一種解釋是,十年之內在信息技術領域,想要在技術上取得重大突破的可能性比較小。而另一種機會孕育著重大技術突破的,就是應用當中新模式所帶來的大規模應用技術、集成性技術或系統集群技術的突破,它的重要性將會凸顯。而再往后發展的20年當中,可能出現信息科學在一些基礎的微電子、電路、體系結構、模型、算法和重大系統帶來的突破,但這時一定是重大應用所匯聚的系統級的技術和基礎研究的新突破。
  所以總體上,在多核、高并行、網絡化、海量多元化這樣發展的模式下,怎樣來建立新的發展空間就給我們帶來了思考。因為計算技術面臨的新的技術墻在五年走不動,諸如摩爾定律、還有存儲墻、軟件的復雜性墻、數據的規模墻還有功耗等一系列的問題。也就是說過去在我們過度關注系統復雜性的時候,開始關注了人如何作為一種重要的方式和系統進行結合,來降低系統的復雜性,變成今后作為應用發展當中一個重要的內容。同時在軟件的可信、數據的不確定、以及情感感知等等有很多的問題。在這些問題中,最突出的是信息化和兩化融合面臨的應用墻,怎樣把應用墻推倒來看到另一個世界,使那些墻來直接服務。
  總之,如何為這五年十年做好準備?這是擺在所有人面前的機遇和挑戰。
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