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物联网（IoT）：愿景，建筑元素和未来方向
抽象
由无线传感器网络（WSN）技术实现的无处不在的感测跨越现代生活的许多领域。这
提供测量，推断和了解从微妙生态和自然资源到城市环境指标的能力。 这些设备在通信制动网络中的激增创建了物联网，在其中，传感器和制动器与我们周围的环境无缝地融合，并且信息在平台之间共享以完成共同运作图片（COP）。受最近适应的各种有利无线技术如RFID标签和嵌入式传感器和执行器节点的支持，物联网已经走出了它的婴儿期并且是下一个将互联网转变为完全融合的未来互联网的革命性技术。 当我们从www（静态页面web）移动到web2（社交网络）再到web3（无所不在的计算网络），对复杂的直观查询数据点播的使用需求显著增加。 本论文展示了全球以云为中心实现物联网的愿景。我们讨论了可能在不久的将来推动物联网研究的启用技术和应用领域的关键。 一种基于私有云和公共云的互动，使用 Aneka来实现的云已经呈现。
我们通过扩大对WSN，互联网和分布式计算的技术研究的融合的需求总结了物联网愿景。
关键词：物联网; 无处不在的传感器; 云计算; 无线传感器网络; RFID; 智能环境
1.介绍
下一个浪潮在计算时代将在传统桌面的领域之外。 在物联网范式，围绕着我们的许多对象将以一种或另一种形式出现在网络上。 无线电频率识别（RFID）和传感器网络技术将会迎接这一新的挑战，在这个挑战中，信息和通信系统不可见地嵌入在我们周围的环境中。这导致了产生的巨大的必须以无缝，有效和易于解释的形式存储，处理和呈现的数据。这种模式将包括商品的服务，并以类似于传统商品的方式交付。云计算集成监视设备，存储设备，分析工具，可视化平台和客户端交付，可以为这种公用计算提供虚拟基础设施。云计算的基于成本的模型提供将使企业和用户能够根据需要访问应用的端到端服务供应任何地方。与现有网络的智能连接和使用网络资源的上下文感知计算是物联网不可或缺的部分。随着WiFi和4G-LTE无线上网的不断产生，向无处不在的信息和通信网络的演变已经很明显。但是，为了物联网的愿景成功出现，计算模式将需要超越使用智能手机的传统移动计算场景便携式，并发展成连接日常存在的对象和将智能嵌入到我们的环中。 为了让技术从用户的意识中消失 ，物联网的要求：（1）其用户及其设备对情况有共同的理解（2）对软件架构和普遍的通信网络进行处理并将上下文信息传达到相关的位置（3）物联网中的分析工具用于自主和智能行为。 有了这三个基本理由，可以完成智能连接和情境感知计算。
物联网这个术语最早由Kevin Ashton在1999年在供应链管理的背景下创造[1]。然而，在过去十年中，该定义更具包容性，覆盖广泛的应用，如医疗保健，实用程序，运输等[2]。 虽然“Things”的定义随着技术的发展而改变，但是主要的目标是制造在没有人类干预和帮助下的计算机感知信息可以保持不变。 当前的互联网的激进演变到互连对象的一个网络 ，不仅从环境收获信息（检测）和与物理世界（制动/命令/控制）交互，而且还使用现有的互联网标准来提供服务用于信息传输，分析，应用程序和通信。由于通过开放启用的设备的流行而加剧无线技术的使用，诸如蓝牙，射频识别（RFID），Wi-Fi和电话数据服务嵌入式传感器和执行器节点，物联网已经走出了它的婴儿期，正在转变当前的静态互联网成一个完全集成的未来互联网[3]。 互联网革命导致了人们之间的互联以前所未有的规模和速度发展。 下一个革命将是对象之间的互联，创造一个只能环境。 只有在2011年，地球上互联设备的数量超过了实际的人数。目前有90亿个互连设备，预计到2020年将达到240亿个设备。依据于GSMA，这相当于移动网络运营商的1.3万亿美元的收入机会，单独跨越垂直细分如健康，汽车，公用事业和消费电子等市场。 描述了对象的互连的示意图。图1中，其中应用程序的域是基于所产生的数据的影响的尺度选择， 用户跨度从个人到解决广泛问题的国家级组织。
本文介绍了应用程序推动的物联网研究的当前趋势，以及几种跨学科技术的汇聚的需求。具体来说，在第2节中，我们提出了整体物联网愿景和将用到的实现它的技术，随后在第三节中讨论了该领域的一些常见定义以及物联网的一些趋势和分类学。我们讨论物联网中的几个应用领域，在第4节中定义它们的新方法，第5节提供了我们的以云为中心的物联网愿景。 在第6节和我们给出了Aneka / Azure云平台上的数据分析的案例研究并且最后在第7节中讨论了开放挑战和未来趋势。
2.未来十年的无处不在的计算
研究人员在20世纪80年代后期通过技术创建人人接口的努力导致了创建无处不在的计算机科学，其目标是将技术嵌入到日常生活的背景中。目前，我们在后PC时代，智能手机和其他手持设备正在改变我们的环境使其更具互动性和信息性。无处不在的计算（普适计算）的祖先马克·韦泽，定义智能环境[4]作为物理世界，与传感器，执行器，显示器和计算元素等完全无形地交织在一起，无缝地嵌入在我们生活的日常对象中，并通过连续的连接连成网络。互联网的创造标志着实现普适计算的愿景的一个最重要的里程碑在于个别设备与世界上的任何其他设备获得通信。 互联网揭示了无数的分布式计算资源和存储由各种所有者拥有的潜力。与Weiser的平静计算方法相反，罗杰斯提出了一个使用人类的人为中心的普适计算，拥有创造性开发环境和扩展他们的能力[5]。他提出了一个域特定的普适计算解决方案，当他说 - 关于谁应该受益，想想如何可以不为了sal时代的世界开发普适计算技术是非常有用的，而是对于可以由个别公司设置和定制的特定域组织，如农业生产，环境恢复或零售。
Caceres和Friday [6]讨论了普适计算 20周年期间的进展，机遇和挑战。他们讨论普适计算的构建块和系统的特点，以适应不断变化的世界。 更为重要的是，他们确定这两项发展的普适计算基础设施关键技术- 云计算和物联网 。
微机电系统（MEMS）技术的进步和融合，无线通信和数字电子已经导致微型器件的发展，其具有感测，计算和在短距离内无线通信的能力。 这些微型器件称为节点互连形成无线传感器网络（WSN），并在环境监测，基础设施监测，交通，监控，零售等中广泛应用[7]。这具有提供无处不在的感测能力的能力，其在实现Weiser [4]概述的普适计算的整体视觉中是至关重要的。 为了实现完整的物联网愿景，一个高效，安全，可扩展和面向市场的计算和存储资源是至关重要的。云计算[6]是以一个最近的范例出现，它通过基于下一代数据中心提供可靠的服务虚拟化存储技术。该平台是来自普遍存在的传感器的数据的接收器; 作为计算机分析和解释数据; 以及向用户提供易于理解的基于web的可视化。隐藏在用户后面完成着无所不在感应和加工工作。这种新型的集成传感器 – 制动器 - 互联网框架将形成一个智能的核心技术，这种环境将形成：信息生成将跨多个平台和应用程序共享，开发一个环境的共同操作画面（COP），在那里可以控制某些不受限制的操作。 和我们一样，从www（静态页面web）到web2（社交网络）到web3（无所不在的计算web），需要使用复杂的直观查询的按需数据增加。为了充分利用可用的互联网技术，需要部署包括数据的大规模，平台无关的无线传感器网络基础设施管理和处理，启动和分析。云计算承诺高可靠性，可扩展性和自主性以提供下一代互联网所需的无处不在的接入，动态资源发现和可组合性事情应用程序。 消费者将能够通过改变服务质量参数来选择服务级别。
3.定义趋势和要素
3.1. 定义
由于被Atzori et. al. [8]认同，物联网可以实现在三个范例 - 面向互联网（中间件），面向事物（传感器）和语义导向（知识）。 虽然这种类型的描述是必需的，但是因为主体的跨学科性质，物联网的有用性只能在三个应用领域都感兴趣的领域中释放。
RFID组将物联网定义为 -
bull; 互连对象的全球网络寻址的唯一基于标准的通信协议。
根据欧洲物联网研究项目[2] -
bull;“Things”是商业，信息和社会进程的积极参与者，他们被允许进行互动和通过交换感测到的数据和信息在它们之间和环境进行通信，同时自发地对真实/物理世界事件作出反应，并通过运行过程影响它触发动作并在有或没有直接人为干预的情况下创建服务。
根据Forrester [9]，智能环境 -
bull; 使用信息和通信技术，使城市的关键基础设施组件和服务，管理，教育，医疗保健，公共安全，房地产，交通和公用事业更加意识，互动以及高效。在我们的定义中，我们使定义更加以用户为中心，并不限于任何标准通信协议。这将允许使用任何现有的最先进的协议来开发和部署持久的应用程序在任何给定时间点。我们对智能环境的物联网的定义是 -
bull; 传感互连，并提供通过一个跨平台共享信息的能力制动装置统一的框架，开发一个共同的运作图片，使创新应用。 这是通过无缝的无处不在的传感，数据分析和信息表示与云计算作为统一框架。
3.2． 趋势
物联网已被确定为IT中的新兴技术之一，如Gartner的IT炒作周期所示（图2）。 炒作周期[10]是表示出现，采用，成熟度和对应用程序的影响的一种方式的特定技术。 据预测，物联网将需要10多年的时间才能被市场采用。
不同模式的流行度随时间而变化。如图3所示[11]， 网络搜索热门程度，由Google搜索测量物联网，无线传感器网络和普适计算的方面最近10年的趋势。 可以看出，因为物联网已经存在，搜索量一直在增加，无线传感器网络一直在下降。 根据Google的搜索预测（图3中的虚线），这种趋势很可能继续作为其他使能技术汇聚形成一个真正的物联网。
图3：2004年以来的Google搜索趋势，物联网，无线传感器网络，普适计算。
3.3． 物联网元素
我们提出一种分类法，将有助于从高层次定义物联网所需的组件远景。 每个组件的具体分类可以在其他地方找到[12-14]。 有三个物联网组件可以完成无缝普适计算：a）硬件 - 由传感器，执行器和嵌入式通信硬件组成，b）中间件 - 按需存储和计算工具，用于数据分析，c）演示 – 像小说一样易于理解，可视化和解释工具，可以在不同的平台上广泛访问，并可以设计不同应用。 在本节中，我们将讨论在这些类别中的几个启用技术，将组成三个组件。
3.3.1. 射频识别（RFID）
RFID技术是嵌入式通信范例的重大突破，可实现微芯片的设计用于无线数据通信。 他们帮助自动识别任何他们附属于作为一个电子条码[15,16]。 无源RFID标签不是电池供电的，它们使用读取器的电源询问信号以将ID传送到RFID读取器。 这引发了许多应用，特别是在零售和供应链管理。 应用程序可以在交通（更换门票，注册贴纸）和访问控制应用程序。 无源标签是全球首批部署之一，目前正在许多银行卡和道路标签中使用。 有源RFID读取器具有自己的电池电源并且可以实例化通讯。 在几种应用中，有源RFID标签的主要应用是在港口集装箱[16]监测货物。
3.3.2． 无线传感器网络（WSN）
近来在低功率集成电路和无线通信中的技术进步已经可以将高效，低成本，低功率的微型器件用于遥感应用。 这些因素的结合已经提高了利用由大量智能传感器组成的传感器网络的可行性，使得能够实现收集，处理，分析和传播有价值的信息，在各种环境中收集[7]。有源RFID几乎与具有有限处理能力和存储的低端WSN节点相同。事实上，为了挖掘出无线传感器网络的巨大潜力，必须克服的科学的挑战是巨大的和多学科的 [7]。 传感器数据在传感器节点之间共享，并被发送到分布式或集中式系统用于分析。组成WSN监控网络的组件包括：
a）WSN硬件 - 通常节点（WSN核心硬件）包含传感器接口，处理单元，收发器单元和电源。通常来说，它们包括用于传感器接口和更现代的多个A / D转换器，传感器节点具有使用一个频带进行通信的能力，使得它们更加通用[7]。
b）WSN通信栈 - 期望以大多数应用程序的自组织方式部署节点。设计适当的拓扑，路由和MAC层对于部署的可扩展性和长期性是至关重要的。 WSN中的节点需要在它们之间进行通信，以将数据以单跳或多跳传输到基站。 节点丢失，以及随之而来的网络寿命降低，是频繁的。 通信栈在水槽节点应该能够通过互联网与外部世界交互作为到WSN子网的网关互联网[17]。
c）WSN中间件 - 将网络基础设施与面向服务的体系结构（SOA）相结合的机制传感器网络以不依赖于部署的方式提供对异构传感器资源的访问[17]。 这是基于隔离可被若干应用使用的资源的想法。 平台独立中间件用于开发传感器应用程序，如开放传感器Web架构（OSWA）[18]。 OSWA已构建在一组统一的操作和标准数据表示中定义的传感器Web启用方法（SWE）开放地理空间联盟（OGC）。
d）安全数据聚合 - 需要一种有效和安全的数据聚合方法来延长其寿命网络以及确保从传感器收集可靠的数据[18]。 由于节点故障是一个常见的特征WSN，网络拓扑应该具有自愈的能力。 确保系统的安全至关重要自动链接到执行器和保护系统免受入侵者变得非常重要。
3.3.3． 寻址方案
独特识别“Things”的能力对物联网的成功至关重要。 这不仅允许我们唯一识别数十亿的设备，还通过互联网控制远程设备。创建一个单独的地址最独特的特征是：唯一性，可靠性，持久性和可扩展性。
每个已经连接的元素和将要连接的元素必须由它们的唯一标识识别，位置和功能。 当前IPv4可以支持一组同居传感器的程度，设备可以在地理上标识，但不是单独标识。 IPV6中的Internet移动性属性可能会缓解一些设备识别问题; 然而，无线节点的异构性质，可变数据类型，并发操作和设备数据的融合进一步加剧了这个问题[19
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