智能网络空间技术在物联网中的应用

当你拿起柚子，它会告诉你含糖量及合理的摄入量；当你准备出门，电脑包会提醒你忘带了什么东西；当你坐进驾驶室，汽车会警示你已饮酒并拒绝行驶；当你在回家的路上，冰箱会告诉你贮存了什么食物，并推荐相应的菜谱。家里冰箱空了，或者是贮存食物快过保质期，冰箱会自动提示你赶紧去购买。你呢，只需手指一按，商家便会送货上门。而当衣服需要清洗时，洗衣机会智能识别衣服的质地、色彩、洁净度等，并自动设置洗涤程序…你能想象那样的一个世界吗？一个物品和物品直接相连的新互联网时代。

这是“物联网”的一个缩影。不同的是，在物联网时代，覆盖范围不再局限在某一个购物场所，也不是某一个地区，而是扩展到全球范围。可以把物联网工作的基本原理简单表述为，传感设备自动感应物品属性信息，再通过无线数据通信网络采集到中央信息处理系统，实现对物品的“透明”和“智能”管理。

在物联网时代，无处不在的传感设备犹如无数双“锐眼”，将密密麻麻的装有电子标签的物品尽收眼底。物联网中央信息处理系统则通过云计算等技术，对整个网络内的人员、设备、物品和基础设施实施实时的运算、控制和管理。

智能空间（intelligent space/iSpace/smart space）的研究为智能服务技术提供了理论依据，为如何利用空间信息提供服务提供了解决方法。

自20世纪90年代末起，人们逐渐对智能空间展开研究，到目前为止，尚未形成明确定义。按照美国国家标准和技术学会（National Institute of Standards and Technology，NIST）给出的定义，智能空间是“一个嵌入了计算、信息设备和多模态的传感器的工作空间，其目的是使用户能非常方便地在其中访问信息和获得计算机的服务来高效地进行单独工作和与他人的协同工作”。智能空间可以看成是物理世界和信息空间的融合，具备感知/观察、分析/推理、决策/执行三大基本功能。

这种融合表现为如下两个方面：

①物理世界中的物体将与信息空间中的对象互相关联；

②物理世界中物体状态的变化会引发信息空间中相关联的对象状态的改变，反之亦然。

智能空间的目的是建立一个以人为中心的充满计算和通信能力的空间，让计算机参与从未涉及计算行为的活动中，让用户能像与他人一样与计算机系统进行交互，从而使用户能随时随地、透明地获得人性化的服务。

智能空间（见图1-8）应具备的基本要求可概括如下：

图1-8　智能空间

①用户及其携带的移动设备能方便地与智能空间进行交互，从而为用户的日常活动提供方便；

②能自动捕获和动态监测其中发生的活动，提供信息显示和活动记录；

③能对发生的特定事件做出合理反应并采取相应措施；

④对空间中的各种动态变化具有鲁棒性和适应性。

智能空间主要包括如下特点：

①智能空间是一个庞大的系统工程，涉及的研究领域甚广，需要解决的问题繁多，须综合各种技术进行构建；

②是一个嵌入性和移动性都很高的计算环境；

③用普适网络联系物理世界，是物理世界和信息空间的融合；

④可做出实时的上下文敏感的决策；

⑤系统具有适应性，能提供便捷性的应用；

⑥与智能空间相结合的物理范围，已由最初的建筑物、房屋尺度，逐渐扩展到室外环境和用户涉足的其他空间（如高速公路上的汽车、表演舞台等），形成了所谓的“广域智能空间”。从普适计算的角度看，智能空间是一类集成化的系统，因此可以作为普适计算环境的实验床，同时它也具有十分重要的应用价值，在供应链、环境监测、休闲体验、卫生保健、应急反应、智能交通、机器人等领域显示出广泛的应用前景。

智能空间中包含有大量作为“接口”的硬件设备，根据用途可以大致分为以下两大类：(www.xing528.com)

①用来维持正常运行的系统设备，主要包括，获取现实物理世界中环境参数（如图像、语音、温度等）的设备，如传感器节点、照相机、麦克风等；分析环境参数以捕获信息的处理器；基于推理信息做出相应决策的执行器，如扬声器、放映机、机器人等；能量供应设备，如电池、电网装置等；

②用来提供日常服务的用户设备，主要包括，传统的输入输出设备，如鼠标、键盘、发光二极管等；方便用户在任何地点与智能空间进行交互的无线移动设备，如寻呼机、个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA）、手机、掌上计算机等；带有自适应性的智能设备，如智能家具、生物传感器、智能机器人等。

需要说明的是，这两大类设备之间并不是严格区分的，有的设备可以同时归为系统设备和用户设备，如机器人、生物传感器等。智能空间中的设备大都需要将嵌入式处理器和各种功能模块（如供电、传感、通信、计算等功能）集成起来，从而对硬件设备提出了如下新的和更高的要求：

①具有很强的硬件通信、信息处理、存储能力；

②要求设备尺寸多样化、重量轻型化、功耗微小化、成本廉价化；

③为设备提供充足的能量，同时要求芯片节能；

④要求用户界面富于表达情感、能与用户方便地交流。

智能空间的一个明显特点是用普适网络（pervasive net working）连接物理世界。作为一种普遍互联的环境，智能空间包含计算机、各种物体之间以不同方式的互联。智能空间的网络环境包含互联网、自组织网络（ad-hoc）、无线传感器网络等不同类型的网络。普适网络是以多种无线网和移动网接入互联网实现的异构集成网络，可视为由用户、物理世界中的感知器、嵌入计算资源、系统提供的服务这四部分共同协作所构成的空间，具有移动性、多样性、间断通信、提供动态性和暂时性服务等特点。普适网络支持异构环境和多种设备的自动互联，能感知物理的传感器节点和设备。其运作过程可看作是嵌入计算资源利用感知器的感知结果，通过计算使用户获得系统所提供的无处不在的通信服务的过程。要在智能空间中构建一个安全、保密、可信任的普适网络，应具备如下要求：

①能自动构建合作区域，产生可适应流动和变化的拓扑结构；

②在没有手动配置和管理的情况下，提供自动的资源和位置发现；

③为访问网络资源提供安全、专用、可鉴别的机制；

④对网络状况（如网络拥塞、无线传输误差等）和环境的动态变化具有适应性。

当前普适网络的研究主要集中在无线和移动网络、自组织网、无线传感器网络等方面。

物联网智能空间技术分类如下：

•通信介质的选取研究（Wi-Fi，WSN，PLC，232）

•服务中心/网关/控制器的研究

•子网适配器/控制器的研究

•软件中间件/Multi-Agent技术

•智能算法与服务模型

•数据挖掘技术

•云计算技术

•实时数据库技术

系统软件的作用是对智能空间中大量的物体、信息设备、计算实体进行管理，为它们之间的数据交换、消息交互、服务发现、任务协调、任务迁移等提供系统级的支持。与传统分布式系统软件不同，智能空间中的系统软件主要有两个基本特点：物理集成（physical in-tegration）和自发互操作（spontaneous interoperation）。智能空间环境具有任务动态性、资源有限性、设备异质性等特点，从而要求系统软件具有很强的适应性和自适应性。这表现为，一方面，在不中断服务和最小限度的人为干预情况下，要求系统软件能适应用户、环境、故障等；另一方面，要求系统软件具备可修改性，能被更新升级以满足用户需要。系统软件还需要解决设备与服务的发现、协作计算、有限资源下通信等问题，从而建立有效的模块间协调机制（inter-module coordination），实现对物理实体的管理，保证系统的鲁棒性和安全性。