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行业资讯
传感器与物联网共同主导互联网
发布者:管理员 发布时间:2013-2-28 来源:本站 阅读:1887

 在美国卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的校园里有一个自动售货机,出售各色可乐,价钱比市场上的便宜一半。所以,很多学生都去那个机器买可乐。但是大老远地跑过去,经常发现可乐已经售完,白跑一趟。于是有几个聪明的学生想了一个办法,他们在自动售货机里装了一串光电管,用来计数,看还剩下多少罐可乐。然后把自动售货机与互联网对接。这样,学生们去自动售货机前,可以先在网上查看一下还剩下多少罐可乐,免得白跑一趟。
    后来CNN还专程去了趟CMU,实地拍摄了一段新闻。当时还没有物联网(Internet of things)这个概念。大家最初的想法很简单,就是把传感器(Sensors)连到互联网上去,提高数据的输入速度,扩大数据的来源。这是我个人对于物联网的初次接触。
    物联网这个概念正式出台,是1999年的事情。估计与RFID技术的不断成熟,以及MIT推动的AutoID的项目有关。
    不妨把RFID粗略地理解为条形码的更新换代。商品包装袋上经常印有条形码(Barcode)。把条形码扫描机对准条形码,扫描机会自动读出商品的名称和价格等等有关信息。使用条形码,可以大大加快购物结帐的速度。此外,条形码还有更多用处。譬如邮政的特快专递,邮包每到一处,就扫描一下条形码,这样邮包在什么时间到达什么地点,立刻可以上传到互联网上,方便递送邮包的顾客实时查看。条形码好处很多,但是也有缺陷。其中最主要的缺陷,是必须把条形码对准扫描机才能读出数据,不对准就读不出。
    RFID比条形码先进之处在于,不对准也读得出。譬如现在高速公路收费站开始推广ETC。所谓ETC就是电子收费卡,卡内嵌着RFID。把卡放置于车内前窗附近,当汽车通过ETC专用车道的时候,路侧无线装置,也就是ETC读卡器,会自动读取ETC卡内余款,并更改之。
    MIT推动的AutoID项目,不仅把RFID与互联网连接到了一起,并且在此基础之上,规定了数据通讯协议EPC(Electronic Product Code)。这样就可以把从产品供应商,到运输,到仓储,到零售,这条供应链上的各个环节串联起来,实现供应链的自动化,为进一步实现供应链优化打下基础。AutoID是个国际合作项目,参与AutoID项目的院校来自美国,英国,韩国,日本,澳大利亚还有我们中国。中国参与该项目的是复旦大学。
    2001年,美国加州伯克利大学研制出了世界上第一个智能灰尘(SmartDust),大大刺激了物联网的开拓。智能灰尘由三个部分组成,结构简单,1. 微型控制器(Micro Controller Unit, MCU),2. 传感器(Sensors),3. 无线收发机(Transceiver)。2001年最初的智能灰尘,比一分钱稍大,现在已经远远比一分钱小了,只有几毫米大。
    配上不同的传感器,智能灰尘可以派上不同的用处。例如配上热敏线圈,把智能灰尘放到森林里去,就可以监测森林的温度变化,预防山火的发生和及时制止山火的蔓延。又例如,配上压力线圈,把智能灰尘插到桥梁的钢梁的结合处,就可以监测钢梁的应力变化,及时探测金属疲劳的状态。
    之所以说智能灰尘大大刺激了物联网的开拓,不仅在于它的体积小,更重要的意义在于单个智能灰尘与其它灰尘,能够自动相互联络,组成一个网络。这样,即便单个灰尘的无线覆盖范围有限,但是通过灰尘与灰尘之间的数据交换,实际上达到了覆盖广大区域的目的。
    智能灰尘的组网方式,称为Mesh Networking,抓一把智能灰尘随手撒出去,每个单体智能灰尘与相邻的灰尘建立数据通讯联系,然后所有或者大部分灰尘就结成一个无线网络,让网中任何两个灰尘之间都可以进行数据交换。
    无线的,Mesh Networking的智能灰尘,其重要性体现在,为无所不在的网络覆盖提供了一个可行的解决方案。
    无所不在的计算(Ubiquitous computing)这个概念,早在1988年就出现了。最初的想法是把眼镜,在手表,手机,钱包,衣服等等随身用品里,通通植入芯片,然后相互联络组成一个区域网,称为个人区域网(Personal Area Network, PAN)。想法虽然有趣,但是实现起来却遇到很多困难。智能灰尘的出现,使得无所不在的网络覆盖成为现实。
    智能灰尘的无线的数据传输,实现方式有多种办法。在早期演示产品中,智能灰尘利用远红外和激光来实现无线数据传输。当然其它途径也可行,包括 WiFi,蓝牙等等。有没有可能利用3G这样移动网络呢?自然也是可以的,但是如果使用了移动网络,还需要不需要Mesh Networking这种自动组网的方式呢?
    其实人工构筑的移动网络和自动组网的Mesh Networking,这两种网络方式并不矛盾,两者并行不悖,而且相辅相成。
    举一个例子。假设在人体的各个关节,绑上传感器。人体每一个动作,都可以由传感器感知。把传感器采集到的信号传给电脑,就可以在电脑中模拟出人体的各种动作。这样大家在玩网络游戏的时候,就可以摆脱传统的按按钮的方式,去控制电脑中的人物,而是真正地动手动脚。这样的玩法,更直观,更感同身受。问题是如何把各个传感器的信号传给电脑?一种方式是让每个传感器直接与电脑相连,另一种方式把每个传感器与中央信号采集器(Control panel)相连,中央信号采集器可以挂在腰带上,它负责收集各个传感器的信号,汇总后打包传给电脑。比较这两种方式,第二种更容易实现,也更有效率。
    各个传感器与中央信号采集器的组网方式可以是Mesh Networking,而中央信号采集器与电脑之间的数据传输可以通过移动网络。采用这种混搭的办法,可以充分扬长避短。既发挥Mesh Networking的灵活自动的优势,也回避Mesh Networking信息处理能力弱,电池消耗敏感的劣势。使Mesh Networking与移动网络相辅相成,取长补短。
    对于移动运行商而言,Mesh Networking延伸了移动网络的触角,SmartDust等等终端设备突破了以往移动终端设备中只有手机一枝独秀的局面。
    “1984”是一本政治幻想小说,发表于1949年。小说把“未来的”1984年的世界,描绘成了一个特务横行的专制的世界。所谓特务横行,并不像明朝的东厂西厂,也不像前苏联克格勃,而是到处布满监视器,这些监视器掌握在老大哥(The big brother)手里,用来对于每一个国民进行监视。
    对于无所不在的计算(Ubiquitous computing),很多人有疑惑,担心会不会导致1984那样的特务恐怖发生。
    我的看法如下,1. 老大哥不足虑,至少近期不足虑,因为技术不成熟。2. 我们需要老大哥,当然不是需要他去监视每个国民,而是需要借重他的权威,推动物联网的发展。
    物联网技术上有待成熟。对于智能灰尘这样的微型设备而言,最大的挑战在于电池。电池小了功率不够,太大了又造成智能灰尘体积太大,使用不便。充电的办法有多种。其中太阳能板的体积过大,转换功率有限,价格也昂贵。靠振动发电的办法,创意很好,但是技术不成熟。比较现实的做法是电磁波无线充电,但是仍然遗留不少工程方面的问题需要解决。
    RFID分主动性(Active RFID),被动型(Passive RFID),和电池辅助被动型(Battery-assistant Passive RFID)三类。主动型的RFID是携带电池的,如车载的ETC电子收费卡。被动型的RFID不需要自带电池,例如WalMart使用的很多商品标贴,就内置被动型RFID。由于自身不携带电源,平时被动型RFID处于不工作状态。当外部出现RFID阅读器的电磁场时,被动型RFID被激活。普通被动型 RFID的可读范围有限,需要扩大可读范围时,可以考虑使用电池辅助被动型的RFID。
    这三类RFID中,被动型RFID不受电池的困扰,价格便宜,所以应用前景最广阔。2005年1月,WalMart正式宣布它的最大的100家供货商所提供的所有商品,一律使用RFID标贴。虽然轰动一时,但是几年的实践表明,问题不少。不仅成本增加,而且RFID信号的穿越能力差,隔着金属不行,隔着液体也不行等等。而且经常有人把标贴揭掉。
    如果说对于RFID的每次读取和修改,都可以用传统的数据库来保存记录,那么对于SmartDust这样的传感器传来的,如潮水一般铺天盖地,而且源源不断的数据,重要的并不是保证每一笔记录都保证ACID(原子性,一致性,隔离性和持久性),重要的是及时地存放这些海量数据,以及进行有意义的数据挖掘。
    鉴于这些技术问题有待解决,1984那样的特务恐怖,即便远期或许有可能,至少在近期内不会成为现实。
    除了技术难题,商业利益的纠结也阻碍了物联网的推广。
    譬如把RFID与手机结合,可以实现移动支付的功能,对于手机用户和商家都有利。移动支付有两类方案,第一类方案是改造手机,让手机内嵌 RFID卡,通常称为NFC方案(Near Field Communication)。另一类方案不改造手机,而是把RFID嵌入到SIM卡中。SIM卡内嵌RFID的做法又分两种,分别使用不同频段,13.56MHz低频和2.4GHz高频。
    表面上看,这些方案的差别都是技术层面的,选择的标准似乎取决于各种方案的技术比较,包括可读范围,信号穿透力,抗震防水耐冷耐热的可靠性,以及成本等等。但是事实上,背后的决定因素是对商业利益控制权的争夺。
    如果选用第一种方案,在手机内嵌入RFID卡,那么在支付过程中,交易信息通过RFID传给手机,手机通过无线网络,再经过互联网,最终与某银行帐号相连。从移动运营商立场出发,它当然希望交易信息通过自己的无线网络来传递,以便掌握整个移动支付的信息流的控制权。但是这个方案无法保障这一点。因为一旦更换SIM卡,交易信息的传递,就有可能切换到另一家移动运营商的无线网络。这样一来,移动运营商就丧失了支付信息流的控制权,沦为信息通道。
    如果选用RFID内置于SIM的方案,这个控制权就落入移动运营商的手里。但是13.56MHz与2.4GHz两种方案之间的取舍,又有另一番斟酌。如果使用13.56MHz低频,需要拖一根天线,使用不便,移动运营商难以推动市场。如果使用2.4GHz高频,不仅不需要额外的天线,而且带宽也大。但是在目前市场上,SIMPASS提供的13.56MHz低频技术比较成熟,而RFID-SIM的2.4GHz技术还不够稳定,接口等等外围支持也有待完善。
    表面上看,取舍的标准是技术比较。但是实际情况远比技术比较复杂得多。目前国内各个商家使用的POS终端,大多数只支持13.56MHz低频,而对2.4GHz高频不兼容。一方面,如果更换商家的POS终端,这笔费用该由谁支付,是一个有争议的问题。另一方面,商家POS终端与银行账户相连,POS终端是否支持2.4GHz高频,折射出银行与移动运营商的角力。
    强强联合通常难以撮合,因为双方都是强势集团,谁都希望把握控制权,谁都不愿意伤害自己的利益。在这种情况下,我们需要强有力的政府,凭借政府的权威,推动强势双方各自退让,促成合作。同时,由政府牵头,把研究,生产和运营三个领域的力量结合起来,促进相互间的合作,扶持整个产业链的发育成长。
    民主的好处在于集思广益,四平八稳,不容易犯大错。但是缺点是决策时间长,容易导致行动流产。专制的特点是执行效率高,这是一个双刃剑,做对了成就巨大,做错了破坏也大。对于物联网来说,目标明确,犯大错的风险小,所以现阶段需要特别强调执行效率。

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