物联网：技术特性、应用与挑战

### 物联网：技术特性、应用与挑战 #### 1. 物联网设备特性 物联网设备具有多种重要特性，这些特性共同构成了物联网的基础。 - **更多传感器与执行器**：许多物联网设备配备了更多的传感器，在某些情况下，传感器还会伴有执行器模块。 - **决策能力**：物联网设备常被称为“智能”设备，因为它们具备一定的智能来进行决策。这些决策可以独立做出，也可以通过与一组设备协作集体做出。不过，设备的智能程度通常受其可用资源的限制。例如，智能手机配备了计算和存储资源，相比简单的环境温度传感设备，能够执行更复杂的设备内决策操作。 - **服务的普遍性**：物联网设备本质上通常是移动的，请求物联网服务的设备大多也是如此。因此，物联网相关服务必须提供普遍的服务供应。鉴于支持物联网的计算架构（如云）具有全球覆盖范围，无论请求设备位于何处，服务都能普遍可用。 - **自配置能力**：由于物联网设备的异构性以及此类异构设备的大量存在，远程集中管理和控制往往具有挑战性。因此，物联网设备通常被设计为能够自我管理和自我配置。 - **可编程性**：物联网设备被设计为可编程的。根据用户的需求，程序员能够远程对设备进行重新编程。 #### 2. 物联网中间件 物联网中间件的设计遵循最小化人工干预和增强模块间交互的基本原则，以使设备整体能够无缝且独立地运行。它应具备以下特性： |特性|描述| | ---- | ---- | |上下文感知|上下文（受用户影响和由周围环境决定）在物联网系统中起着重要作用。人类影响的上下文感知可分为个性化、被动和主动三个级别。例如，在智能照明场景中，个性化是用户明确编程办公室走廊的灯光在检测到移动时亮起，无论白天还是夜晚；被动上下文感知是物联网设备检测到走廊有移动并建议开灯，可能在无需用户干预的情况下行动；主动上下文感知是办公室中的物联网设备能够在无需人工干预的情况下协同无缝行动，检测到移动后检查走廊的光照强度，综合这两个参数决定是否需要开灯以及开灯的强度。实现这种上下文感知的一种方法是使用不同的本体建模语言对设备进行编程，如万维网联盟提出的Web本体语言。| |资源管理能力|物联网设备在计算、内存和存储资源方面通常受到限制，需要明智地管理和利用其资源。特别是当一组具有不同资源规格的设备合作实现一个目标时，根据设备的资源规格有效分配工作负载至关重要。否则，可能会因组中某一设备出现瓶颈而导致意外的高服务延迟，影响其他设备。一种有效的资源管理方法是在设备投入使用前将其连接到中间件平台，设备在首次连接时主动向平台宣布其资源规格，平台结合对新物联网应用的了解，决定如何在不同设备之间分配工作负载。| |分析能力|物联网设备通常以连续流的形式生成数据，且速度往往很快。数十亿物联网设备产生的这种异构连续数据流构成了大量的数据，即大数据。分析这些数据以提取有意义的信息是物联网系统的关键要求之一。由于物联网设备资源受限，如果物联网中间件平台具备一定的计算和存储资源，数据处理和分析将更接近设备，从而使数据流的处理或预处理更快，甚至可能降低服务延迟。处理异构数据流的一种方法是使用NoSQL数据库，因此物联网中间件应支持NoSQL数据库。| |可移植性|可移植性是物联网成为未来技术并具有强大商业潜力的关键要求。物联网设备必须设计为便于即插即用，这将使该技术无处不在，成为不受兼容性问题和可移植性限制的通用技术。物联网中间件平台在可移植性和无缝操作性方面起着关键作用。然而，随着可移植性的提高，安全问题也随之而来。允许设备无缝连接会使它们更容易受到特定平台攻击。作为物联网生态系统的核心，物联网中间件应提供额外的安全保障，如设备认证、真实数据发布、访问控制和设备识别。| |图形用户界面|从最终用户的角度来看，平台配备简单的图形界面很重要。例如，在配备多个智能传感器（即物联网设备）的智能汽车中，图形用户界面可以是汽车仪表盘，技术不太熟练的最终用户可以通过它直观地了解物联网传感器的运行情况。但由于缺乏原生图形用户界面，需要集成第三方应用（如Freeboard或Grafana）来提供仪表盘支持。| #### 3. 物联网应用 物联网在现代福祉设施、生产行业和未来智能技术设计的几乎所有主要领域都有应用。以下是一些主要应用领域： - **医疗保健**：医疗保健是最重要的应用领域之一，有多种不同的用例。例如，医院内护理的要求与远程和普遍健康监测的要求有很大不同，后者涉及较高程度的患者移动性。物联网可以通过其多样化的服务模式使大多数用例受益。患者连接到多个配备传感器的设备，每个设备监测特定的生理参数（如体温、心率和血糖水平），这些设备通过RFID标签或MAC地址唯一识别。传感器采集的数据发送到汇聚节点进行预处理，设备之间也可以通过汇聚节点进行通信。预处理后的数据定期发送到计算中心（如云）进行实时分析和长期数据存储。云计算框架的支持确保即使患者移动，也能维持普遍的数据管理和服务供应。此外，这些可穿戴设备还用于不太关键的应用场景，如运动员的健康监测。 - **智慧城市应用**：物联网在智慧城市应用中的使用可能最为广泛。大多数现代车辆配备了大量传感器，如典型汽车配备了空气质量流量、发动机转速、防抱死制动、氧气和燃油温度等多种传感器，这些传感器使汽车成为智能“事物”。道路上有交通监测传感器和摄像头、停车场监测传感器以及行人检测传感器，以实现智能交通管理。模块间和设备间的通信对于强大而高效的交通管理系统至关重要。物联网的不同特性使这些系统要求得以实现。其他智慧城市应用还