物联网与万联网：挑战、机遇与架构探索

### 物联网与万联网：挑战、机遇与架构探索 #### 1. 电子垃圾问题 在当今时代，数百万传感器环绕的环境看似美好，但我们必须意识到电子设备的使用寿命并不长。为了使整个系统始终保持活跃，需要定期更换设备，然而，寻找地方来处理旧电子设备却成了一个实际难题。 以新西兰一所大学为例，学术人员的电脑通常每四年更换一次，有一批旧电脑在走廊堆放了三个多月。电子垃圾问题十分严峻，以下是一些相关统计数据： |地区|电子垃圾情况| | ---- | ---- | |美国|1997 - 2007 年间，超过 5 亿台个人电脑被淘汰，几乎每人两台；每年有 1500 万台个人电脑被淘汰；700 万台电脑将被囤积至少 3 年；仅今年就有 75 万台电脑将被填埋。| |印度|每天约有 1000 台电脑和 1400 部手机售出，每年产生约 7000 吨电子垃圾，且仅在大城市。| |南非、中国和印度|预计到 2020 年，南非和中国的旧电脑电子垃圾将比 2007 年水平增长 200 - 400%，印度将增长 500%。| 无线传感器网络（WSN）包含有害和有毒物质，如果将来进行填埋或焚烧，会对环境造成风险。印刷电路板主要包含塑料和铜，还含有少量铬、铅焊料、镍和锌。此外，WSN 的电池通常含有镍、镉等重金属，继电器和开关（尤其是旧的）可能含有汞，一些进入废物流的电容器可能含有多氯联苯（PCBs）。 为应对这些问题，有以下指导原则： 1. **再利用**：这是处理旧电子设备的环保首选方案。延长旧产品的使用寿命可以减少与制造新产品相关的污染和资源消耗，还能让买不起新产品的人以较低成本或免费获得电子设备。 2. **拆解回收**：对于太旧、商业上和实际上无法再利用或无法修复的电子设备，可以进行拆解，回收零部件并出售回收材料。许多电子设备，如电脑、显示器、打印机和扫描仪，都含有适合回收并用于新产品的材料，包括塑料、玻璃、钢、铝、铜、金、银等金属。 不过，旧设备的再利用并不能从根本上解决问题，只是将问题推迟几年。这对工程界来说是一个挑战，需要想出应对电子垃圾情况的解决方案。工程师和设计师可以设计可生物降解和无害的传感器节点，未来还需要探索对环境无负面影响且适合制造传感器节点的材料。 #### 2. 物联网发展的技能与数据挑战 物联网的下一阶段发展需要更多特定技能。员工和管理层缺乏物联网技能和知识被认为是更广泛应用物联网的最大障碍。为了弥补这些差距，组织采取了以下措施： - **培训和招聘**：组织正在培训员工并招聘物联网人才，这可能引发物联网人才大战。 - **聘请顾问和专家**：一些组织聘请顾问和第三方专家，以积累知识并确定成功的物联网商业模式。 - **提升员工学习曲线**：让高管和员工提升物联网学习曲线，有助于缓解许多公司在为现有产品和服务确定物联网应用时遇到的困难。 大数据和隐私问题是物联网未来的重要组成部分。为无数“事物”安装传感器将产生大量新信息。目前，大多数企业领导者相信他们的组织能够管理和分析物联网网络快速扩展所带来的数据。 #### 3. 万联网架构探索 万联网（Web of Things，WoT）范式基于物联网原则，通过网络技术部署异构智能事物生态系统具有诸多优势，这推动了研究将基于物联网的孤立网络集成到网络中。 ##### 3.1 万联网发展背景 21 世纪的头十年，在实现普适计算愿景的研究方面成果丰硕。不同领域的技术，如 RFID/NFC 标签、无线传感器和执行器嵌入式设备、低能耗通信协议等，都参与到增强智能对象的通信能力中，这些技术都围绕着物联网这一概念。 最初，物联网的应用主要集中在通过 RFID 标签管理信息，如货物跟踪、日常物品管理、市场自动支付和军事应用等。微机电（MEMS）技术的发展促进了物联网的演进，硬件组件的小型化促使人们提出许多改进嵌入式设备软件的建议，以优化机器对机器（M2M）交互，使基于物联网的应用更具主动性。当前的物联网应用旨在创建由数千个具有自主能力的智能事物组成的智能空间。 随着物联网的实施呈指数级增长，互联网服务已经成为现实。未来互联网的一个支柱是如何将物联网提供的现实世界服务集成到传统服务的混搭中。这将从水平和垂直两个交互维度来解决，分别涉及机器对机器和人对机器（H2M）交互，后者还涉及机器与外部网络中运行的进程之间的交互。最近，人们开始关注如何优化这种垂直交互的管理，因为它将产生大量在异质性、可重用性、可扩展性或可访问性方面具有挑战性的信息。 ##### 3.2 万联网面临的问题及解决方案 目前，广泛使用的临时和整体设计阻碍了不同应用通过通用开放解决方案的融合。为了使基于物联网的技术可行和可重用，需要一个开放的基础设施，允许按照网络和互联网标准访问异构传感器和执行器设备。未来基于物联网的网络应用需要显著提高部署资源的可重用性，以便为许多高级实体（如智能手机应用、网站、专家系统等）所用。 开放平台概念为解决上述挑战提供了坚实的方案。开放平台的主要特点是接口开放（即文档完善且公开的接口），还涉及其他有助于功能可重用性、扩展和重新实现的理念。它不一定意味着开源结果，而是在应用程序编程接口（API）中指定的一组公共操作。同一 API 可以有多种实现，用于不同的技术平台（如不同的移动操作系统）或编程语言（如 JAVA、C、C++ 等）。 一种新的开放平台趋势是通过平台即服务（PaaS）这一云计算服务类别，提供一些有趣的工具来将物联网网络与知名网络技术集成。PaaS 模型允许服务消费者使用供应商提供的工作台工具和/或库轻松开发和部署增值服务，减少了客户对大型硬件和软件基础设施的管理和维护资源投入。PaaS 解决方案有一些共同特征，如提供部署环境、监控仪表盘以及平台与客户端之间的通信机制，转移到客户端账户的计算资源通常取决于使用平台的应用程序的可扩展性和服务质量要求。 万联网试图通过网络技术弥合嵌入式设备与网络之间的差距，将不同且孤立的物联网网络与用户环境以及彼此集成。为了实现万联网的主要目标，需要调整传统网络技术，创建开放接口、表示格式、发现和通信协议或信息检索机制，以促进将物联网中的现实世界实体集成进来。例如，常见的做法是使用表征状态转移（REST）架构风格和 JavaScript 对象表示法（JSON）作为表示格式。在基于 REST 的方法中，现实世界实体由唯一资源标识符（URI）标识，其相关信息可以通过调用 HTTP 方法来访问，这些特点有助于开发基于物联网的混搭应用，以收集、处理或聚合来自传感器和其他虚拟数据源的大量数据。 ##### 3.3 相关研究贡献 为了实现物联网和万联网的整体解决方案，研究人员做出了以下贡献： - **万联网开放平台（WoTOP）**：这是一个新颖的开放平台，允许互连智能对象、业务流程和用户。该平台基于知名的网络技术，实现垂直交互，旨在解决在基于物联网的嵌入式传感器和执行器设备网络上部署服务的主要挑战。 - **快速部署智能空间的方法**：目前处理万联网方法的人需要使用特定的软硬件平台和网络技术。“自己动手做”运动促使人们设计创建环境，使非技术人员能够开发和部署基于万联网的智能空间，这些空间由嵌入式传感器和执行器设备以及分布式业务逻辑组成。研究人员设计了资源导向和本体驱动的开发（ROOD）方法，该方法基于模型驱动架构（MDA），旨在通过一组建模工具和语义技术支持智能空间的定义和特定硬件平台的自动代码生成，从而实现智能空间的开发。 - **真实智能空间的原型设计**：原型设计是通过实际部署验证和巩固理论概念的重要阶段。研究人员设计并部署了一个智能商店，涉及多个不同实体，为顾客提供丰富的服务。 以下是万联网参考架构的 mermaid 流程图： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(硬件生态系统):::process --> B(软件层):::process B --> C(用户层):::process A1(受限设备):::process --> A A2(不受限设备):::process --> A B1(开放平台):::process --> B B2(资源):::process --> B B3(服务):::process --> B C1(人类用户):::process --> C C2(机器用户):::process --> C ``` 这个流程图展示了万联网参考架构的三个主要层次：硬件生态系统、软件层和用户层，以及各层次中的主要组成部分。硬件生态系统分为受限设备和不受限设备；软件层由开放平台支持，负责将硬件功能设置为资源并组合成服务；用户层包括人类用户和机器用户，他们将消费开放平台提供的服务。 #### 4. 万联网参考架构详解 万联网的参考架构对于理解和构建相关系统至关重要，它主要由三个主要层次构成，下面对各层次进行详细介绍。 ##### 4.1 硬件生态系统层 硬件生态系统层是整个架构的基础，可分为以下两类设备： - **受限设备**：这类设备具有有限的功能，需要将一些进程外包给外部设备（通常是智能网关）运行，智能网关会将其功能暴露给客户端。例如一些简单的传感器设备，它们自身处理能力有限，需要借助智能网关来完成数据的进一步处理和传输。 - **不受限设备**：这些设备拥有足够的资源来运行必要的进程或中间件组件，能够直接通过平台或第三方云服务为客户端提供功能。比如高性能的服务器设备，可以独立完成复杂的计算和数据处理任务。 |设备类型|特点|示例| | ---- | ---- | ---- | |受限设备|功能有限，需外包部分进程|简单传感器设备| |不受限设备|资源充足，可直接提供功能|高性能服务器设备| ##### 4.2 软件层 软件层需要由一个开放平台来支持，该平台的作用十分关键。它要将底层硬件的功能设置为资源（如传感器、执行器、处理能力等），并最终将这些资源组合和编排成简单或复杂的服务。这个软件层主要实现万联网的研究领域，不过在一些底层问题上，如协议、驱动程序或通信标准等，会与物联网领域有重叠。 以下是软件层的主要工作流程： 1. **资源设置**：识别底层硬件的各项功能，并将其转化为可供使用的资源。 2. **资源组合**：将不同的资源进行组合，形成具有特定功能的服务单元。 3. **服务编排**：对组合后的服务单元进行编排，构建出满足不同需求的复杂服务。 ##### 4.3 用户层 用户层由客户端组成，这些客户端将消费开放平台所暴露的服务。客户端可以分为以下两类： - **人类用户**：使用用户设备（如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等）来访问和使用服务。例如，用户可以通过手机应用程序控制家中的智能设备。 - **机器用户**：如智能对象，它们可能会请求服务来执行高级或低级任务，例如打开环境灯或分析对等实体的能力，以组合服务来创建复杂的智能环境。 #### 5. 万联网发展的意义与展望 万联网的发展具有重要的意义，它将物联网中的各种智能事物通过网络技术进行整合，打破了不同物联网网络之间的孤立状态，为用户带来了更加便捷和丰富的服务体验。 从商业角度来看，万联网开放平台（WoTOP）的出现，使得企业能够更加高效地部署和管理基于物联网的服务，促进了业务流程的优化和创新。同时，快速部署智能空间的方法（ROOD 方法）降低了智能空间开发的门槛，让更多的非技术人员能够参与到万联网的应用开发中，进一步推动了万联网的普及。 然而，万联网的发展也面临着一些挑战。例如，电子垃圾问题仍然是一个亟待解决的难题，尽管提出了再利用和拆解回收等方法，但还需要进一步探索更加有效的解决方案。此外，物联网技能和知识的缺乏也限制了万联网的广泛应用，需要加强人才培养和知识普及。 展望未来，随着技术的不断进步，万联网有望在更多领域得到应用，如智能城市、智能家居、工业自动化等。同时，我们也需要不断关注和解决万联网发展过程中出现的问题，确保其能够健康、可持续地发展。 以下是万联网发展的 mermaid 流程图： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(万联网发展):::process --> B(商业应用):::process A --> C(面临挑战):::process B --> B1(企业服务部署):::process B --> B2(业务流程创新):::process C --> C1(电子垃圾问题):::process C --> C2(技能知识缺乏):::process A --> D(未来展望):::process D --> D1(多领域应用):::process D --> D2(可持续发展):::process ``` 这个流程图展示了万联网发展的主要方面，包括商业应用、面临的挑战以及未来展望。商业应用包括企业服务部署和业务流程创新；面临的挑战有电子垃圾问题和技能知识缺乏；未来展望则涉及多领域应用和可持续发展。 综上所述，万联网在物联网的基础上，通过开放平台和相关技术，为智能空间的构建和服务的提供带来了新的机遇。但同时也需要我们共同努力，克服发展过程中的各种挑战，推动万联网不断向前发展。