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第二章 物联网的应用领域
从上一章中我们了解到,未来的物联网可以看作是现有的人与应用之间交互的扩展。只不过这种新的交互是通过“物”这个层面上的交流和融合来实现的。正因为如此,未来的物联网(IoT)必将给现在传统技术的应用(如:自动识别和数据采集技术(AIDC)以及其他一些现有边缘技术的应用)带来更大的附加价值,将扩展这些技术的使用范围,打破现有本地化的限制,从而大大扩展这些技术的应用领域和适应能力。本章就将用接下来的篇幅介绍现在我们已经可以想见的一些基于未来物联网(IoT)的应用事例。通过这些应用事例的介绍将可以为我们勾勒出未来物联网的发展蓝图和宏大远景。
“物品”这个词可以有很多种不同的解释方式。而这些解释方式完全取决于物品所处的应用领域。在实业领域中,“物品”既可以被理解为传统意义上的产品、设备、交通工具等;也可以被理解为参与产品生命周期中的任何事物。在环境领域中,“物品”又可以指代树木、建筑、环境测量设备等。进一步来说,如果在整个社会领域中,“物品”又既可以表示那些公共空间中的设备和实体,也可以表示那些专有领域和私属空间与环境(如居家协助(Ambient Assisted Living)[1]环境)中的设备和实体,等等。因此,为了更好的思考未来物联网的应用范围,我们需要正确识别物联网所涉及的主要应用领域,找到物联网和这些领域的结合点与交集,正如图3所示的一样。
图3 物联网的应用领域
通过分析,表2将为我们列举出了每个领域中物联网的应用特征和一些典型事例:
表2 物联网的应用领域 —— 特征描述和应用事例
领域 |
特征描述 |
典型事例 |
实业领域 |
物联网将可以涉及公司、机构和其他实体之间的金融与商业活动 |
制造业、物流业、服务业、银行业、政府金融部门、流通业等 |
环境领域 |
物联网将可以涉及环境保护、环境监测和自然资源开发等活动 |
农业与畜牧业、环保、环境管理、能源管理等 |
社会领域 |
物联网将可以涉及涵盖人口、城市和社会中各种群体以及他们发展的相关活动与计划 |
包含公民和社会结构(如:e-participation[2])以及其他社会群体(如老年人和残障人士)等的政府服务 |
无疑,未来的物联网将贯穿于上述领域的各个层面。所以在发展过程中,我们需要随时随地的思考如何将基于物联网的应用和服务部署成既可以适用于各领域的内部也可以适用于各领域之间相交互的情况。举例来说,就像食品供应链和危险物品的监控就不单单只是涉及实业领域本身的事情,还需要考虑社会领域中的活动以及相关影响等问题。
总的来说,在未来物联网的环境和模式之下,我们所提到的应用(这里指的是起码支持上面一个或多个领域的整个的系统、框架或者工具)和独立的服务都不但要顾及他们的特殊功能和需要,而且要考虑到在领域内部以及领域之间进行交互的问题。所以,尽管这些应用领域都有着各自不同的目标与预期,但是这些领域的应用本质上并不存在显著不同的特别要求。因此,未来的物联网以及其上的应用都应该从公用性角度出发进行开发和部署。
2.1 航天和航空业(状态监控、低碳运转)
未来的物联网将可以大大提高航天和航空领域中产品和服务的安全性、隐私性以及可靠性。从一个单独的方面来讲,物联网将帮助航天和航空业减少和屏蔽假冒伪劣现象的产生。举例来说,现今世界上,飞机制造业的一大问题就是所谓的非核准零件(SUP[3])问题。非核准零件就是那些没有经过认证、无法保证是否符合航空和航天标准以及质量控制要求的飞行器零件与部件(如:不符合飞机制造严格的质量控制要求的仿冒品或伪造品)。这些零件和部件的产生与使用都极大干扰了飞机制造业安全标准的推进进程,而且大幅加大了航天和航空活动中事故与意外情况产生的机率,从而干扰了航天和航空业的正常秩序。就仅仅拿美国来说,据官方统计数据显示,就至少有28起飞机事故和空难是由于使用了这些非核准零件而直接引起的。所以,除了耗费时间和金钱进行材料分析之外,核实和验证飞机零部件的真实性也是一个必须要认真面对的问题。现在核实和验证这些零部件的真实性主要是通过验证它们随附的相关文件来进行的。然而众所周知文件的伪造本身就是一件轻而易举的事情。因此,我们必须找到更加有效的手段来完成这一工作。通过物联网的研究我们发现,这一问题可以通过建立这些零件和部件的电子族谱以及跟踪记录来实现。零件和部件的电子族谱和跟踪记录将可以记录它们自身生命周期之中完整的从属关系和各自来源以及需要特别登记的关乎整体安全性的相关事件(如:相关的修改行为等)。当这些电子族谱和跟踪记录与无线射频标签(RFID)相绑定,并且附着在相关的飞机零件或部件之上时,就可以建立起一系列离线的、分散的数据库和数据记录。通过这样做,当我们需要对飞机部件和零件进行检验和验证时,就可以首先使用这些电子族谱和跟踪记录(例如,查证它们的数字签名,将这些电子族谱和跟踪记录与数据库中的相关记录相比对等),来验证哪些零件和部件是安全的、可靠的,或者是从记录来看比较安全的,而哪些是不安全的。从而,帮助我们提高航空和航天领域的安全性与可靠性。
上面主要谈到了飞行器制造业的安全问题。从另一个角度来讲,未来的物联网,特别是通过使用附着在机舱内部和外部的具有感知能力的智能设备,将可以为我们建立起一个可以根据需要和情况来实时、无线的监控航空器的网络环境。而这样的网络环境也将可以通过物联网这一平台融入到全球未来的普适传感器网络之中。[19][4]
在这样的监控网络之中,所有节点都将被用来探测各种各样的数据,如:压力数据、振动幅度,温度信息等。而这些数据都将被收集,也都将被详细的分析。通过分析这些数据,我们将可以找出其中在使用和运行上的习惯规律和趋势,将可以帮助改进像维修计划制定这样的工作。就拿改进维修计划来说,我们完全可以通过上面的数据分析来了解飞机的实际情况,从而判断它是否需要进行维修,也就是使理想意义上的“基于实际情况的维修计划”成为可能。这样做必将可以帮助航空和航天业有效减少维修成本的投入和浪费,改善飞机的实际安全和可靠程度。另一方面,通过收集上面所提到的相关数据,也将可以为我们评估和减少航天和航空业的能源消耗提供条件。从而,帮助我们减少航天和航空业的总体碳排放水平,保护我们赖以生存的自然环境。
安全——是航天和航空业能否获得客户和社会支持所要面对的第一要务。随着商业飞行业务的发展,通过飞机进行运输的交通流量得到了显著的提高。我们不但要致力于提高运输的效率,更加重要的是要减少事故和空难出现的数量。所以,在未来物联网中无线标识网络应该向着以下两个方面发展:
要努力发展与行李和旅行携带物相连接的RFID标签,以及从追踪旅客、机组人员、行李、货物概念出发而设计的RFID标签,等。
要努力发展传送设备上的传感器、探测设备和RFID标签,可以与安全认证系统和数据库相连接的低价读取设备,闭路电视以及图像处理软件和系统等。
2.2 汽车工业(系统状态监控、车对车(V2V[5])以及车对系统(V2I[6])通信)
在汽车工业中,未来物联网中的“智能物品”将可以帮助我们监控像轮胎气压、周围车辆状况等数据,以便我们可以实时获取车辆全方位的各种信息。同时,通过采用像RFID这样的自动识别技术,未来的物联网还将可以帮助我们提高汽车工业的整体生产效率、改善物流的整体水平、加强车辆的质量控制以及帮助我们改善客户的服务体验等。在这样的整体环境中,汽车上的部件将可以携带诸如制造商名称、生产时间、生产地点、生产批号、部件编号、部件类型以及产品编码等信息。甚至在某些应用中,我们将可以对汽车实施精准的实时定位操作,从而帮助我们改善整个交通系统并处理突发情况。而且像RFID这样的自动识别与数据采集技术也将能够帮助我们获得在汽车生产过程以及维护过程中的各种实时数据,并且方便我们更加有效地执行相关召回事件的管理工作。
在未来物联网的背景下,通过在汽车制造业中使用无线识别设备,将可以使我们在尽可能短的时间内定位汽车以及它的各种部件的确切位置,帮助我们加快汽车的组装和生产速度,提高整体生产效率。而且各种无线技术也将特别适合于未来的实时定位系统(RTLS),可以很方便地实现汽车与其他的物联网子网络相连接,提高车辆的跟踪和管理水平。同时,这样做也将可以在很大程度上帮助汽车制造商。他们将可以更加有效的随时随地(不论是在汽车的质量监测部门,还是在仓储或者运输环节中)管理和监控他们生产的汽车,特别是在这些车辆离开生产线后的各种检修和改造过程中。
在未来的物联网中,将大范围使用专用短距离通信技术(DSRC)。通过这种技术的广泛应用,未来的网络世界中的通信将获得更高的传输速率,并且将可以避免或者减少与其他设备的相互干扰。在这样的环境中,车对车(V2V)以及车对系统(V2I)通信技术的使用将大大推进智能交通系统(ITS)的发展进程,真正意义上实现车辆安全和交通管理体系与物联网完全整合在一起。
从另一角度来看,车辆本身也可以看作是未来物联网中的“物品”。因此,它也将可以适时地自动、自主地在发生紧急情况或者故障的情况下发起呼叫;也将可以尽其所能地收集周围 “物品”的数据与信息,比如:来自车辆部件、交通设施(如:道路、铁路,等)、周边车辆的状况、以及所承载物品(如:人、货物,等)的各种各样的探测到的数据以及信息。
这里需要明确的是,未来的物联网中并不是某种技术可以通行天下。比如:我们就需要通过使用众多的、可以互补的自动识别与数据采集(AIDC)技术(如:微点照片识别技术[7]、二维条码技术等)来更好的满足相关应用的各种需求,特别是在某些特定的应用环境之中。
而且站在今天的角度,我们也可以发现一些其他技术,如:Motes技术[8],也可以被列入重点考虑和应用的范畴。这些技术通过使用具有一定通信能力的微处理器或微处理系统,将为我们构建未来物联网中的应用提供各种特殊的便利条件。所以,对于新技术的采用和研究将是我们必须致力于的关键任务领域之一[16]。在未来物联网的发展过程中,我们不但要继续发掘现有技术的应用潜力,而且也要考虑新技术替代旧技术(如:微点照片识别技术)的可能性。
未来的物联网将整合我们现在已经存在的各种不同的通信技术,并且将发展出以及创造出更多崭新的应用类型和服务模式。比如,我们完全可以预期,未来的SIM卡将可以集成GSM(全球移动通信系统)、NFC[9](近距离通信)、低功耗蓝牙、无线局域网(WLAN)、multi hop networks、GPS和传感网络等多种通信功能。在一些自动识别技术的应用中,同一台手机将既可以作为标签,也可以充当读取设备。这样的话,手机的许许多多应用全部被整合和共享在同一块SIM卡中。用户将可以方便的使用各种功能;应用提供商将可以顺利地开展他们的业务;管理机构将可以有效的管理和协调整个网络中应用以及通信的流量与安全。就拿NFC——近距离通信——来说(它是一种可以让距离比较近的物品之间实现简单、安全的通信的技术),一方面在手机充当NFC读取器时,它将可以帮助我们在特定的区域收集信息,并将这些信息传送到可以处理它们的中心服务器上;另一方面在手机使用支持NFC技术的SIM卡时,它又将可以充当NFC数据的存储设备以及个人身份验证凭证(如:票的号码、信用卡帐号、身份信息等)等角色。
2.4 智能建筑领域(自动能源监测、家居自动化、家居无线监控)
在这样一种景象下,未来的自动化技术和建筑技术将为我们描绘出这样一幅可能的画卷:未来的自动化家庭网络环境将是具有智能的。它将具有多种自主能力,如:自主配置能力、自主修复能力、自主优化能力和自我保护能力等。它将能够感知和适应环境的各种变化,更加适宜人类居住。通过自动化技术,家庭网络的结构将呈现高度的动态化和离散化。这将使得各种设备之间、各种系统之间、设备与系统之间的交互工作更加简单与便捷。通过使用虚拟专有网络(VPN)[10],家庭网络中的设备和系统将可以同企业内部网络(intranet)中设备和系统一起协同交互工作起来。而且随着网络接入成本的持续降低、网络连接性能的逐步提升,我们可以预见,在家庭网络中越来越多地使用虚拟专有网络(VPN)这一趋势将不可避免。同时,由于虚拟专有网络(VPN)安全可靠、成本低廉,在未来,会有一大批用来在家庭、办公室以及户外旅行中的人与设备之间交换、共享、传递信息和文件的应用,随着虚拟专有网络(VPN)技术的发展而蓬勃兴旺起来。
在未来的智能建筑中,物联网将使得任何具备人类输入和控制接口的设备和物品可以安全、便捷的与整个建筑物的各种服务相连接,从而方便人们对系统的状态和设置情况进行实时的监视和控制。通过使用支持无线通信技术(如ZigBee、6LoWPAN[12],等)的家庭自动化设备,建筑物内的所有的“物品”都将具备可以相互间双向通信的能力。举例来说,在这种环境下,我们可以通过电冰箱上的触摸屏控制和调整自动温控装置的设置。或者当人们携带自己的手机进入时,住宅可以根据手机主人的偏好设置,来自动调节到适合于他/她的居住环境。甚至更有甚者未来的洗衣机将在主人授权的情况下,根据监控数据,自主地判断是否需要自动定购它即将损坏的各种配件。所以,总的来说,在未来的家庭网络的范围内,个人移动设备和移动终端将真正可以做到自主感知、自动整合。
2.5医疗技术、医疗卫生和医疗保健领域(人体网络、人体参数监测、人体定位、人体实时定位系统)
其次,随着传感器技术的进步,随着廉价的、内置有网络通信能力和远程监控能力的设备得到大范围的应用,未来的物联网将可以整合使用各种相关技术(如:传感器、RFID、NFC(近距离通信)、蓝牙、ZigBee、6LoWPAN、WirelessHART[13]、ISA100[14]和WiFi[15]等技术),这将允许我们在更高水平上测量和监视各种重要的人体生命指征(比如:体温,血压,心率,胆固醇含量,血糖含量等)。
2.6人口管理和个人生活领域(人口健康、人口流动性、老龄化社会中的人口监控)
对于制药业来说,药品生产和运输环节的保密性和安全性将是保障服用它们的患者的健康的关键性问题。通过在药品上附加智能标签,通过在供应链中监控药品的运输环节以及通过在各个环节中的各种传感探测设备随时获取药品的状态参数,将为我们解决上述问题提供必要的条件。比如:我们可以有效监控那些需要特殊储存和运输条件(如,需要冷链运输和储存)的药品,对它们进行持续的、全流程跟踪和监控;在这些药品所需的运输环境遭到破坏时进行及时的处理。另一方面,通过对药品的追踪以及药品的电子族谱[16](e-pedigrees),将可以有效的帮助甄别假冒产品,防止药品供应链条中的各种欺诈行为。正如参考文献[20]中说的那样,药品的假冒现象将是这一领域所必需面对的一个全球性挑战,特别是在广大发展中国家这一挑战将更加严峻。
现在,很多领域都在采用无线的可标识的设备来提高其安全性和保密性。比如:
环境监控领域:如地震、海啸、森林火灾、洪水、污染(水污染和空气污染)等灾害的监控
建筑监控领域:如水和煤气泄露、建筑减震、火灾、非法入侵和破坏行为等的监控
行政管理领域:如报警系统、资产和器材监管、工资系统、身份识别等
今天,在标准化方面,我们正在开展RFID和无线传感网络(WSNs)[17]等方面的相关标准化工作,特别是针对其中诸如传输速率(怎样实现不低于1Mb/s)、不同传感器和探测设备如何进行整合以及频段分布等问题的研究正在进展当中。随着这些研究的深入,随着标准化工作的进展,必然会给这一领域开辟和引入很多新的应用类型,比如灾难现场的远程监控、人的健康检测、野外无线宽带覆盖等。这些新的应用将对我们社会的发展起到积极的作用。同时,在开展这一领域的应用时,我们还要一方面帮助最终用户考虑他们关心的通信安全问题,另一方面帮助经营者设法把他们基于RFID网络等相关物联网技术的应用成本减少到尽可能低的程度(特别是需要考虑到电力和能源消耗以及现场成本(包含安装成本、集成成本和维护成本)等方面的问题)。
每天,在世界范围内,都有数以百万计以上的人带着无数的行李和随身物品通过海陆空等各种运输系统进行旅行;同时全球贸易也使得大量的货物通过各种储运途径进行运输。
在航空运输方面,通过基于物联网技术的应用管理旅客的行李,对它们进行自动的跟踪和分类,不但能够提高读取和通关速率,而且还能大幅提高安保的水平与质量。
随着物联网的发展和应用,我们将对跟踪食品和其中成份的供应链体系进行部分或是整体地调整以及重新的构建,以解决在食品出现质量问题和其他安全隐患时如何及时发出警告并进行召回等相关的问题。早在2002年,欧盟就已经通过第178/2002号法案[18]来对食品进行强制的安全追溯。美国食品与药品管理局(FDA)[19]也已经开始执行这一强制措施。这些措施,特别是高效的食品安全追溯将可以帮助我们拯救我们公民的生命:有研究表明,仅在美国,像食源性致病菌这样的食品安全问题每年就会造成大约76万人生病并且夺走5000左右的生命[5],更不用说相关的社会成本高达29到67亿美元了[6]。
类似的,物联网技术还可以被应用到建筑物以及机械设备等资产的管理中。在这些应用中,物联网技术将帮助业主制定既有效又尽量便宜的维护和维修方案,最大限度的避免事故的发生。
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