网络新大陆的浮现

手机与电脑不再是网络的终端,当传感器也成为网络终端之一,网络世界便出现了大片处女地,接入了“实物的世界”。

1995年夏天,在美国卡内基梅隆大学的校园里有一个自动售货机,出售的可乐比市场上的便宜一半。所以,很多学生都去那个机器买可乐,但是经常发现可乐已经售完。于是有几个学生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。这样学生们去之前可以先在网上查看一下还剩下多少,免得白跑一趟。

这个小创作让CNN也跑去实地拍摄了一段新闻。当时并没有人提出物联网(Internet of things)这个概念,最初的想法很简单,就是把传感器(见本期辞典)接入互联网,提高数据的输入速度,扩大数据的来源。

灰尘的智能化

“物联网”的到来,与无线射频识别技术(RFID)的不断成熟有着紧密的关系。不妨把RFID粗略地理解为条形码的更新换代。因为条形码最主要的缺陷,是必须对准扫描机才能读出数据。但RFID不对准也读得出,高速公路收费站开始推广电子收费卡(ETC)便是这样。

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,这样就可以把产品供应、运输、仓储、零售等各个环节串联起来,实现自动化。

2001年,美国加州伯克利大学研制出的第一个智能灰尘(Smart Dust),则大大刺激了物联网的开拓。智能灰尘由微型控制器、传感器、无线收发机三个部分组成,结构非常简单。随着纳米技术的前进,现在能做得比几毫米更小。

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。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,金门大桥就是这么干的。

智能灰尘更重要的意义在于它们能够以网状组网(Mesh Networking)的方式,自动组成一个网络。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,于是结成一个无线网络,让网中任何两个灰尘之间都可以进行数据交换,这样便为无所不在的网络覆盖提供了一个可行的解决方案。

计算无处不在

“无所不在的计算”(Ubiquitous computing)的概念,源于已故的计算机科学家马克•维瑟(Mark Weiser)。最初的方案是在眼镜、手表、手机、钱包、衣服等随身用品里通通植入芯片,然后组成一个区域网,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,才使得无所不在的网络覆盖成为现实。

在早期,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,还可以利用3G这样的移动网络,这种人工构筑的移动网络和自动的网状组网,并行不悖且相辅相成。

举例而言,在人体的各个关节绑上传感器,把人体动作的信号传给电脑,就可以在电脑中模拟出人体的各种动作,这在一些游戏和电影制作中经常用到。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。比较起来,第二种容易实现,也更有效率。

这样各个传感器与中央信号采集器网状组网,而中央信号采集器通过移动网络将数据传向电脑。这种混搭,既发挥网状组网的灵活,也回避其信息处理能力弱、太耗电的短处。

新大陆的老大哥之忧

人们也担心,“无所不在的计算”会不会像奥威尔著名小说《1984》中所描绘的那样,产生一位老大哥对每一个人进行监视。

这并不容易。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,太大了又使用不便。太阳能充电转换功率有限,价格也贵;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,但是仍有不少工程方面的问题需要解决。

RFID分主动型(Active RFID)、被动型(Passive RFID)和电池辅助被动型。主动型的RFID携带电池,如车载的ETC电子收费卡。被动型的RFID不需要自带电池,例如沃尔玛使用的很多商品标贴。由于不携带电源,平时被动型RFID处于不工作状态,当外部出现阅读器的电磁场时,它便被激活。

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,沃尔玛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,所使用的RFID信号穿越能力差,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。

RFID的每次读取和修改,都可以用传统的数据库来保存记录,但对于智能灰尘这样的传感器所传来,如潮水一般铺天盖地、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》中那样的特务恐怖,即便远期有可能,但在近期内不会成为现实。

在重新洗牌之前

在信息时代,这样的数据无疑意味着巨大的利益。在技术之外,商业利益的纠结也阻碍着人们对物联网新大陆的开拓。

以把RFID与手机结合,实现移动支付为例。有一种方案是改造手机,让手机内嵌RFID卡,通常称为NFC方案(Near Field Communication)。另一种方案不改造手机,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,如13.56MHz低频和2.4GHz高频。

表面上看,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。但如果选用第一种方案,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,最终与某银行账号相连。从移动运营商立场出发,它当然希望交易信息只能通过自己的无线网络来传递,以便掌握整个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,运营商就丧失了对信息流的控制权,沦为信息通道。选用第二种方案,运营商自然无须担忧。

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,接口等等支持也有待完善。

而目前商家广泛使用的POS终端,大多数只支持13.56MHz低频,而对2.4GHz高频不兼容。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,又取决于银行与移动运营商的角力。

物联网简史

从概念出现到实践,物联网的具体含义也随着技术进程在不停演化。

1946年,前苏联的莱昂•泰勒明(他也是电子音乐的鼻祖)发明了一种秘密收听装置,用于转发携带音频信息的无线电波,通常认为它是RFID的前身。

1948年10月,美国科学家哈里•斯托克曼发表了具有里程碑意义的论文《利用反射功率的通讯》,正式提出RFID一词,被认为标志着RFID技术的面世。

1973年,马里奥•卡杜勒所申请的专利是现今RFID真正意义上的原型,它可被制成收取通行费的设备,也曾被展示给纽约港务局和其它潜在客户。

1973年,在美国洛斯阿拉莫斯实验室,诞生了第一个RFID标签的样本。

1980年代,日本东京大学的坂村健博士倡导的全新计算机体系TRON,计划构筑“计算无所不在”的环境,能让识别器自动识别一切物品。

1991年,马克•维瑟在《科学美国人》发表文章《21世纪的计算机》,预言了泛在计算(无所不在的计算)的未来应用。

1995年,巴黎最早开始在交通系统中使用RFID技术。随后在里昂、南希、米兰、布鲁塞尔等欧洲城市的交通系统中,都开始普及RFID的使用。

1998年,马来西亚了全球第一张RFID护照。

1999年,在美国召开的移动计算和网络国际会议提出,“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”,传感网迅速成为全球研究热点。同年,中科院启动了研究。

1999年10月,麻省理工学院的Auto-ID中心将RFID技术与互联网结合,提出了EPC。核心思想是为每一个产品提供唯一的电子标签,通过射频识别完成数据采集。

2001年,加利福尼亚大学的克里斯托弗•皮斯特正式提出了“智能灰尘”的概念。

2002年,美国橡树岭实验室断言IT时代正在从“计算机即网络”迅速向“传感器即网络”转变。

2003年,麦德龙开设了其第一家“未来商店”。

2003年11月1日,全球产品电子代码中心(EPC Global)在美国成立,管理和实施EPC,目标是搭建一个可以自动识别任何地方、任何事物的“物联网”。

2005年1月,沃尔玛宣布它的最大的100家供货商所提供的所有商品,一律使用RFID标贴。同时,微软、IBM、Tesco等也将使用高频无线射频识别系统的消息。

2005年1 1 月, 国际电信联盟(ITU)了完整的《ITU互联网报告2005:物联网》,指出所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可通过网络主动进行交换。

2009年5月15日,瑞典首都斯德哥尔摩获得了美国智能社区论坛颁发的“年度智能城市”奖。

2009年8月7日,考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心后,指示“尽快建立中国的传感信息中心,或者叫‘感知中国’中心”。