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傳感器與物聯網共同主導互聯網

時間:2010-03-10 12:12來源:未知 作者:admin 點擊:
設在人體的各個關節,綁上傳感器。人體每一個動作,都可以由傳感器感知。把傳感器采集到的信號傳給電腦,就可以在電腦中模擬出人體的各種動作。這樣大家在玩網絡游戲的時候,就可以擺脫傳統的按按鈕的方式,去控制電腦中的人物,而是真正地動手動腳。這樣的玩法,更直觀
             在美國卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)的校園里有一個自動售貨機,出售各色可樂,價錢比市場上的便宜一半。所以,很多學生都去那個機器買可樂。但是大老遠地跑過去,經常發現可樂已經售完,白跑一趟。于是有幾個聰明的學生想了一個辦法,他們在自動售貨機里裝了一串光電管,用來計數,看還剩下多少罐可樂。然后把自動售貨機與互聯網對接。這樣,學生們去自動售貨機前,可以先在網上查看一下還剩下多少罐可樂,免得白跑一趟。

  后來CNN還專程去了趟CMU,實地拍攝了一段新聞。當時還沒有物聯網(Internet of things)這個概念。大家最初的想法很簡單,就是把傳感器(Sensors)連到互聯網上去,提高數據的輸入速度,擴大數據的來源。這是我個人對于物聯網的初次接觸。

  物聯網這個概念正式出臺,是1999年的事情。估計與RFID技術的不斷成熟,以及MIT推動的AutoID的項目有關。

  不妨把RFID粗略地理解為條形碼的更新換代。商品包裝袋上經常印有條形碼(Barcode)。把條形碼掃描機對準條形碼,掃描機會自動讀出商品的名稱和價格等等有關信息。使用條形碼,可以大大加快購物結帳的速度。此外,條形碼還有更多用處。譬如郵政的特快專遞,郵包每到一處,就掃描一下條形碼,這樣郵包在什么時間到達什么地點,立刻可以上傳到互聯網上,方便遞送郵包的顧客實時查看。條形碼好處很多,但是也有缺陷。其中最主要的缺陷,是必須把條形碼對準掃描機才能讀出數據,不對準就讀不出。

  RFID比條形碼先進之處在于,不對準也讀得出。譬如現在高速公路收費站開始推廣ETC。所謂ETC就是電子收費卡,卡內嵌著RFID。把卡放置于車內前窗附近,當汽車通過ETC專用車道的時候,路側無線裝置,也就是ETC讀卡器,會自動讀取ETC卡內余款,并更改之。

  MIT推動的AutoID項目,不僅把RFID與互聯網連接到了一起,并且在此基礎之上,規定了數據通訊協議EPC(Electronic Product Code)。這樣就可以把從產品供應商,到運輸,到倉儲,到零售,這條供應鏈上的各個環節串聯起來,實現供應鏈的自動化,為進一步實現供應鏈優化打下基礎。AutoID是個國際合作項目,參與AutoID項目的院校來自美國,英國,韓國,日本,澳大利亞還有我們中國。中國參與該項目的是復旦大學。

  2001年,美國加州伯克利大學研制出了世界上第一個智能灰塵(SmartDust),大大刺激了物聯網的開拓。智能灰塵由三個部分組成,結構簡單,1. 微型控制器(Micro Controller Unit, MCU),2. 傳感器(Sensors),3. 無線收發機(Transceiver)。2001年最初的智能灰塵,比一分錢稍大,現在已經遠遠比一分錢小了,只有幾毫米大。 

  配上不同的傳感器,智能灰塵可以派上不同的用處。例如配上熱敏線圈,把智能灰塵放到森林里去,就可以監測森林的溫度變化,預防山火的發生和及時制止山火的蔓延。又例如,配上壓力線圈,把智能灰塵插到橋梁的鋼梁的結合處,就可以監測鋼梁的應力變化,及時探測金屬疲勞的狀態。

  之所以說智能灰塵大大刺激了物聯網的開拓,不僅在于它的體積小,更重要的意義在于單個智能灰塵與其它灰塵,能夠自動相互聯絡,組成一個網絡。這樣,即便單個灰塵的無線覆蓋范圍有限,但是通過灰塵與灰塵之間的數據交換,實際上達到了覆蓋廣大區域的目的。

  智能灰塵的組網方式,稱為Mesh Networking,抓一把智能灰塵隨手撒出去,每個單體智能灰塵與相鄰的灰塵建立數據通訊聯系,然后所有或者大部分灰塵就結成一個無線網絡,讓網中任何兩個灰塵之間都可以進行數據交換。

  無線的,Mesh Networking的智能灰塵,其重要性體現在,為無所不在的網絡覆蓋提供了一個可行的解決方案。

  無所不在的計算(Ubiquitous computing)這個概念,早在1988年就出現了。最初的想法是把眼鏡,在手表,手機,錢包,衣服等等隨身用品里,通通植入芯片,然后相互聯絡組成一個區域網,稱為個人區域網(Personal Area Network, PAN)。想法雖然有趣,但是實現起來卻遇到很多困難。智能灰塵的出現,使得無所不在的網絡覆蓋成為現實。

  智能灰塵的無線的數據傳輸,實現方式有多種辦法。在早期演示產品中,智能灰塵利用遠紅外和激光來實現無線數據傳輸。當然其它途徑也可行,包括 WiFi,藍牙等等。有沒有可能利用3G這樣移動網絡呢?自然也是可以的,但是如果使用了移動網絡,還需要不需要Mesh Networking這種自動組網的方式呢?

  其實人工構筑的移動網絡和自動組網的Mesh Networking,這兩種網絡方式并不矛盾,兩者并行不悖,而且相輔相成。

  舉一個例子。假設在人體的各個關節,綁上傳感器。人體每一個動作,都可以由傳感器感知。把傳感器采集到的信號傳給電腦,就可以在電腦中模擬出人體的各種動作。這樣大家在玩網絡游戲的時候,就可以擺脫傳統的按按鈕的方式,去控制電腦中的人物,而是真正地動手動腳。這樣的玩法,更直觀,更感同身受。問題是如何把各個傳感器的信號傳給電腦?一種方式是讓每個傳感器直接與電腦相連,另一種方式把每個傳感器與中央信號采集器(Control panel)相連,中央信號采集器可以掛在腰帶上,它負責收集各個傳感器的信號,匯總后打包傳給電腦。比較這兩種方式,第二種更容易實現,也更有效率。

  各個傳感器與中央信號采集器的組網方式可以是Mesh Networking,而中央信號采集器與電腦之間的數據傳輸可以通過移動網絡。采用這種混搭的辦法,可以充分揚長避短。既發揮Mesh Networking的靈活自動的優勢,也回避Mesh Networking信息處理能力弱,電池消耗敏感的劣勢。使Mesh Networking與移動網絡相輔相成,取長補短。

  對于移動運行商而言,Mesh Networking延伸了移動網絡的觸角,SmartDust等等終端設備突破了以往移動終端設備中只有手機一枝獨秀的局面。


  “1984”是一本政治幻想小說,發表于1949年。小說把“未來的”1984年的世界,描繪成了一個特務橫行的專制的世界。所謂特務橫行,并不像明朝的東廠西廠,也不像前蘇聯克格勃,而是到處布滿監視器,這些監視器掌握在老大哥(The big brother)手里,用來對于每一個國民進行監視。

  對于無所不在的計算(Ubiquitous computing),很多人有疑惑,擔心會不會導致1984那樣的特務恐怖發生。
  我的看法如下,1. 老大哥不足慮,至少近期不足慮,因為技術不成熟。2. 我們需要老大哥,當然不是需要他去監視每個國民,而是需要借重他的權威,推動物聯網的發展。

  物聯網技術上有待成熟。對于智能灰塵這樣的微型設備而言,最大的挑戰在于電池。電池小了功率不夠,太大了又造成智能灰塵體積太大,使用不便。充電的辦法有多種。其中太陽能板的體積過大,轉換功率有限,價格也昂貴。靠振動發電的辦法,創意很好,但是技術不成熟。比較現實的做法是電磁波無線充電,但是仍然遺留不少工程方面的問題需要解決。

  RFID分主動性(Active RFID),被動型(Passive RFID),和電池輔助被動型(Battery-assistant Passive RFID)三類。主動型的RFID是攜帶電池的,如車載的ETC電子收費卡。被動型的RFID不需要自帶電池,例如WalMart使用的很多商品標貼,就內置被動型RFID。由于自身不攜帶電源,平時被動型RFID處于不工作狀態。當外部出現RFID閱讀器的電磁場時,被動型RFID被激活。普通被動型 RFID的可讀范圍有限,需要擴大可讀范圍時,可以考慮使用電池輔助被動型的RFID。

  這三類RFID中,被動型RFID不受電池的困擾,價格便宜,所以應用前景最廣闊。2005年1月,WalMart正式宣布它的最大的100家供貨商所提供的所有商品,一律使用RFID標貼。雖然轟動一時,但是幾年的實踐表明,問題不少。不僅成本增加,而且RFID信號的穿越能力差,隔著金屬不行,隔著液體也不行等等。而且經常有人把標貼揭掉。

  如果說對于RFID的每次讀取和修改,都可以用傳統的數據庫來保存記錄,那么對于SmartDust這樣的傳感器傳來的,如潮水一般鋪天蓋地,而且源源不斷的數據,重要的并不是保證每一筆記錄都保證ACID(原子性,一致性,隔離性和持久性),重要的是及時地存放這些海量數據,以及進行有意義的數據挖掘。

  鑒于這些技術問題有待解決,1984那樣的特務恐怖,即便遠期或許有可能,至少在近期內不會成為現實。

  除了技術難題,商業利益的糾結也阻礙了物聯網的推廣。

  譬如把RFID與手機結合,可以實現移動支付的功能,對于手機用戶和商家都有利。移動支付有兩類方案,第一類方案是改造手機,讓手機內嵌 RFID卡,通常稱為NFC方案(Near Field Communication)。另一類方案不改造手機,而是把RFID嵌入到SIM卡中。SIM卡內嵌RFID的做法又分兩種,分別使用不同頻段,13.56MHz低頻和2.4GHz高頻。

  表面上看,這些方案的差別都是技術層面的,選擇的標準似乎取決于各種方案的技術比較,包括可讀范圍,信號穿透力,抗震防水耐冷耐熱的可靠性,以及成本等等。但是事實上,背后的決定因素是對商業利益控制權的爭奪。

  如果選用第一種方案,在手機內嵌入RFID卡,那么在支付過程中,交易信息通過RFID傳給手機,手機通過無線網絡,再經過互聯網,最終與某銀行帳號相連。從移動運營商立場出發,它當然希望交易信息通過自己的無線網絡來傳遞,以便掌握整個移動支付的信息流的控制權。但是這個方案無法保障這一點。因為一旦更換SIM卡,交易信息的傳遞,就有可能切換到另一家移動運營商的無線網絡。這樣一來,移動運營商就喪失了支付信息流的控制權,淪為信息通道。

  如果選用RFID內置于SIM的方案,這個控制權就落入移動運營商的手里。但是13.56MHz與2.4GHz兩種方案之間的取舍,又有另一番斟酌。如果使用13.56MHz低頻,需要拖一根天線,使用不便,移動運營商難以推動市場。如果使用2.4GHz高頻,不僅不需要額外的天線,而且帶寬也大。但是在目前市場上,SIMPASS提供的13.56MHz低頻技術比較成熟,而RFID-SIM的2.4GHz技術還不夠穩定,接口等等外圍支持也有待完善。

  表面上看,取舍的標準是技術比較。但是實際情況遠比技術比較復雜得多。目前國內各個商家使用的POS終端,大多數只支持13.56MHz低頻,而對2.4GHz高頻不兼容。一方面,如果更換商家的POS終端,這筆費用該由誰支付,是一個有爭議的問題。另一方面,商家POS終端與銀行賬戶相連,POS終端是否支持2.4GHz高頻,折射出銀行與移動運營商的角力。

  強強聯合通常難以撮合,因為雙方都是強勢集團,誰都希望把握控制權,誰都不愿意傷害自己的利益。在這種情況下,我們需要強有力的政府,憑借政府的權威,推動強勢雙方各自退讓,促成合作。同時,由政府牽頭,把研究,生產和運營三個領域的力量結合起來,促進相互間的合作,扶持整個產業鏈的發育成長。

  民主的好處在于集思廣益,四平八穩,不容易犯大錯。但是缺點是決策時間長,容易導致行動流產。專制的特點是執行效率高,這是一個雙刃劍,做對了成就巨大,做錯了破壞也大。對于物聯網來說,目標明確,犯大錯的風險小,所以現階段需要特別強調執行效率。

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