32、AI助力的物联网技术与应用：全面剖析与挑战应对

AI助力的物联网技术与应用：全面剖析与挑战应对

1. 物联网基础概述

物联网中的设备能够相互感知、通信和共享数据，这得益于它们各自拥有重要的互联网协议（IP）地址。在家庭和工业自动化领域，物联网让传统上相互独立的系统得以整合，例如：
- 火灾报警器
- 运动探测器
- 门禁控制系统
- 监控摄像头
- 供暖、通风和空调设备
- 能源管理控制面板等

物联网为智慧城市的建设奠定了基础，使所有设备能够监测并对周围环境做出反应。自动化网络以及频率、机器和各种嵌入式设备通过网络相互连接，这使得精确界定物联网的规模变得困难。不过，预计未来几年城市中现有的各类关联设备数量将达到数十亿，远远超过互联网本身的增长速度。物联网最关键的方面包括传感器网络和云计算。

传感器网络能够实现对各种状况的监测、传输、分析和记录。每个传感器节点都配备有专用的传感器、微控制器、收发器和电源，从而实现分布式传感。收发器兼具发射器和接收器的功能，它将中央计算机的指令传达给传感器，并将之前记录的输出数据发送回中央计算机进行分析。传感器的运行可以依靠电网提供的外部电源，也可以使用其内部电池。

物联网的另一个关键特性是将关联设备的数据收集到中央服务器。这些信息存储在云端，并以软件即服务（SaaS）的形式作为应用程序提供给用户，用户可以通过智能手机、平板电脑、笔记本电脑、智能手表等设备在全球各地访问这些应用。就数据而言，云计算可用于多种目的。

2. 数据格式

物联网网络中的所有设备都需要信息来生成和维持消息。可扩展标记语言（XML）和高效XML交换格式（XSIF）被广泛用于数据交换（EXI）。然而，当XML文件变得过大，超出了板载设备的处理能力时，情况就会变得复杂。因此，建议使用EXI格式，因为它解决了这些问题，并且任何受限设备都能够读取和理解它，使其成为通用的物联网节点。

3. 应用和传输层

超文本传输协议（HTTP）是通过传输控制协议（TCP）传输应用层互联网流量的事实上的标准。然而，HTTP的复杂性以及TCP在有限设备上缺乏可扩展性，使得HTTP不适用于物联网环境。为了克服这一问题并提供可靠的解决方案，出现了一种受限协议，它通过用户数据报协议（UDP）进行通信，并且易于与HTTP互操作。

4. 网络层

近期，万维网联盟（W3C）宣布最广泛使用的寻址技术——互联网协议第4版（IPv4）的地址块已全部耗尽。幸运的是，互联网协议第6版（IPv6）提供了128位的地址字段，可用于为物联网网络中的每个节点分配唯一标识符。不过，由于IPv6并非对所有受限节点都具有显著的适用性，因此建议采用基于IPv6和UDP报头的低功耗有效个人区域系统（6LoWPAN）标准，该标准适用于低功耗受限网络。

未来，一个国家的经济增长和地位将取决于其建设可持续智慧城市的努力成果。物联网设备和大数据技术将使未来城市实现智能和城市移动性、利用可再生资源跟踪网络等功能。可以说，我们和我们的城市是全球互联网络的一部分。然而，实现智慧城市的愿景并非一帆风顺，若不能克服其中的困难，可能会对城市居民的福祉以及国家政府和经济的稳定造成严重后果。目前面临的一些紧迫问题包括：
- 数据连接难题 ：智慧城市将充斥着在各种平台上运行的物联网设备和系统，这些来源产生的数据将以不同格式同时通过多个网络传输，将城市连接到更广泛的网络将是最大的挑战。
- 数据安全威胁 ：存储在物联网设备上并通过网络连接传输到集中式服务器（云）的大量数据的安全问题，对与物联网和大数据紧密相关的智慧城市概念构成了最大威胁。随着数据量和货币价值的增长，攻击途径也会相应增加，攻击者和黑客可以轻易窃取、篡改或破坏敏感数据。
- 行业标准缺失 ：智慧城市发展面临的一组障碍是物联网和大数据缺乏行业标准，而且存在一些误导性的标准，影响了物联网处理数据、适应实际值、传输、存储、分析以及最重要的信息安全等关键功能。

5. 服务管理和开发的中间件

为了提供连贯和智能的服务，网络物理系统（CPS）将计算服务与物理系统相结合。中间件是一个广义的术语，指的是连接多个服务以执行连贯操作的软件。计算设备和操作系统上的运行时环境都可以作为中间件。在物联网和CPS中，中间件代表了构建、部署、执行和管理服务的环境。

2008年提出了一种可重构的实时中间件，用于分布式CPS处理周期性事件，其重点在于CPS中的自适应工作流。各种分布式CPS需要管理具有不同需求的周期性事件。实时中间件，如实时公共对象请求代理体系结构（CORBA），在时间受限的分布式系统中显示出了潜力，但它缺乏灵活的配置方法，无法控制具有非周期性和周期性事件的各种不同CPS的端到端时序。

这项工作的主要贡献在于设计、实现和评估了首个可调节的组件中间件服务，用于分布式CPS中周期性和非周期性事件处理的准入控制和负载平衡。它支持以下功能：
1. 识别与用户设置相关的异构设备。
2. 将硬件设置并转换为服务组件形式。
3. 修改和分发应用程序以实现预期结果。
4. 通过可远程访问的传感器执行上述所有操作。

另一个目标是使用WuKong中间件作为下一代物联网应用开发的基石来构建高级应用。WuKong中间件配备了轻量级Java虚拟机（JVM），使程序员能够通过添加特定于应用的行为来扩展硬件的内置功能。WuKong中间件主要由智能中间件和用于构建基于流程的物联网应用的框架两部分组成，它弥合了物联网应用开发和维护之间的差距，也被称为虚拟中间件（VMW），原因如下：
- 传感器兼容性 ：随着传感器网络的普及，应用程序可能需要使用不同制造商生产的传感器，并通过不同的网络协议进行交互。虚拟传感器使应用程序能够在异构传感器网络上运行。
- 成本效益 ：虚拟设备传感器为物联网应用提供了更高层次的原语，当网络采用虚拟机设计来识别系统时，对设备进行重新编程的成本将降低。

6. 智能建筑中间件方案的开放问题

前面提到的中间件为物联网应用的开发和运行环境提供了多种支持，但仍有一些困难需要解决：
|问题类型|具体描述|
| ---- | ---- |
|隐私机制|智慧城市和智能建筑中的物联网会收集用户的行为信息，无论是否包含身份信息。对于建筑物和城市的居民来说，数据的所有权、公开、保存和使用是关键问题。中间件本身应包含保护隐私和规范数据流的方法，CPS/IoT系统必须实施中间件定义的隐私控制策略。目前缺乏一种机器可理解的隐私控制示例，需要创建并确保所有系统参与者的设备都遵守该示例。|
|访问机制|与隐私控制不同，访问控制策略规定了哪些服务和设备可以访问数据。智慧城市和智能建筑中收集的数据包含地理和时间信息。因此，在授权访问数据时，不仅要考虑服务，还要考虑数据收集的访问管理。|
|可扩展性|城市或建筑物中可能安装有成千上万甚至数百万的设备和服务。设备之间复杂的网络连接以及服务组件之间复杂的通信交互，使得开发如此规模的单一服务变得困难。因此，最好创建一个单一的中间件服务并将其部署到城市和建筑物中的所有设备上，因为类似类型的设备最适合由单一的中间件服务提供支持。中间件应根据一组规则连接服务之间的连接。例如，一个智能烟雾探测器可以根据类似建筑物中其他设备探测器收集的数据建议最佳逃生路线。管理由数万个甚至数百万个设备使用的服务是一项具有挑战性的任务。此外，为了执行相同或类似的功能，设备很可能多种多样。虽然有广泛的服务管理技术可用于全面控制计算系统，但并非每个CPS/IoT设备都具备这些功能。其他设备可能能量有限，或者有使用时间限制。通过用于智能建筑和智慧城市的CPS/IoT中间件，应该能够远程监控和管理提供给设备的服务。|

下面是一个简单的mermaid流程图，展示物联网数据处理的基本流程：

graph LR
    A[传感器节点] --> B[数据收集]
    B --> C[数据传输]
    C --> D[中央服务器]
    D --> E[数据分析]
    E --> F[决策与执行]

7. 数据质量挑战

7.1 无效数据的原因

在计算系统中，变量的值在被更改或删除之前是恒定的。对于单任务或单进程的系统，确定变量何时被更改很简单。然而，在具有多个任务、进程和线程的系统中，并发任务的执行使得确定参数何时被更改变得具有挑战性。在CPS/IoT中，变量可以用于提供有关物理物品状态的信息，而这些状态可能随时发生变化且没有事先通知，因此变量的数据值可能会突然失效。

7.2 高质量数据的表示

由于数据无效的原因众多，展示数据质量并非易事。本部分重点关注关键过程中时间数据的表示，变量的定义将包括一些额外的因素，例如数据的最小到达间隔、有效间隔、关键性以及最小精度要求等。例如，在确定外部温度时，不需要使用精度为万分之一度的传感器。这些因素将用于判断当前可用数据或收集的各种数据是否满足需求。

7.3 计算网络的数据质量保证

如前所述，有时可以提高采样数据的质量。本部分的目标是开发一个框架，以最小化采样和非采样错误，确保数据的准确性。为了防止失败，可以采用两种策略：处理失败和避免失败。通常可以通过提高采样率或增加更多传感器来提高数据质量。然而，挑战在于选择正确的方法，以免消耗过多的系统资源。这也引发了关于采样调度或传感器初步校准的问题。

8. 物联网计算策略问题

8.1 服务阻抗：公共和私人供应

物联网应用包括传感数据、智能决策逻辑和执行操作。基于智能的逻辑可以在本地计算或远程系统上使用，而执行和传感信息则在物理系统上执行。主要重点是处理作为物联网应用核心的逻辑。

智能决策逻辑可以分为公共服务和私人服务两类。通过比较它们的（1）可访问性、（2）访问方法和（3）决策逻辑数据源，可以区分公共和私人设施。
|服务类型|可访问性|访问方法|数据源|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|公共服务|始终可访问的计算策略，通过正确的身份验证机制即可访问。例如基于云的服务，如亚马逊Echo和Smart Things。|通过开放的通信接口访问，任何服务组件只要拥有协议名称、服务地址和身份验证配置，就可以访问公共服务。|使用公共信息，如交通流量、公交时刻表和天气预报等进行决策。|
|私人服务|资源受限的计算机上运行，并非始终可访问。为了节省电力，资源受限的计算设备可能会偶尔进入睡眠或休眠状态。|只能通过预定义的受限通信接口访问，通常使用有线接口。|通常使用特定于用户或应用的信息。|

公共服务由于其高可用性、开放的接触方式和基于公共数据的服务，自然地部署在云端。然而，将私人服务部署到云端可能并不简单。此外，私人服务通常是为特定用户或应用量身定制的，而公共服务通常与大量用户相关联。因此，将私人服务部署到云端可能不切实际。

8.2 基于物联网的容错系统

物联网中故障处理的目标是使用中央监督器来定位各种计算设备上的异常，并找到网络，以便在恢复过程中替换这些故障。控制器会定期轮询设备以了解它们的状态。如果发现任何异常行为或设备没有响应，则可能存在缺陷。中央控制器将根据部署在该设备上的服务确定哪些服务可能存在问题。

这种简单的方法可能会遇到扩展问题。首先，当网络中添加更多设备时，控制器必须管理更多的容错组合。最后，由于所有与监控相关的信号都发送到控制器，控制器和附近的设备可能会出现瓶颈。这不仅会浪费通信资源和能源，还会影响这些设备上运行的活跃应用的性能。

因此，建议将物联网设备划分为不同的集群进行处理，而不是使用单个控制器管理所有设备。每个集群独立进行监控，为了提高效率，每个集群由一个管理器或集群头（CH）进行监督。每个组织中每个设备的备份数据都存储在CH中。当某个设备出现故障时，组内的某些设备会注意到并向CH报告，然后CH将用备份服务替换任何出现故障的服务。

在许多情况下，为了降低传输成本，可能更倾向于采用基于警报的物联网通信行为。事件激活意味着只有当收集到的值出现较大偏差时才会发出消息。然而，这存在一个缺点，即如果没有收到消息，接收方无法确定发送方是否出现故障。因此，在事件触发通信中经常使用周期性信标，以告知接收方发送方状态良好，并有助于故障检测。

下面是另一个mermaid流程图，展示物联网容错系统的工作流程：

graph LR
    A[设备运行] --> B{是否故障?}
    B -- 是 --> C[报告CH]
    C --> D[CH替换备份服务]
    B -- 否 --> A

综上所述，物联网技术在各个领域展现出了巨大的潜力，但同时也面临着诸多挑战。从数据格式、网络层协议到中间件的设计和应用，以及数据质量和计算策略等方面，都需要不断地研究和改进。只有克服这些挑战，才能更好地实现物联网的愿景，推动智慧城市和智能生活的发展。

AI助力的物联网技术与应用：全面剖析与挑战应对

9. 物联网未来发展展望

尽管物联网目前面临着众多挑战，但它的未来发展前景依然十分广阔。随着技术的不断进步和创新，许多当前的问题有望得到解决，从而推动物联网在更多领域的广泛应用。

9.1 技术突破带来的机遇

• 传感器技术的进步 ：未来传感器将变得更加小型化、智能化和低功耗。这将使得更多的设备能够集成传感器，实现更广泛的数据采集。例如，新型的传感器可能能够在更恶劣的环境下工作，并且提供更精确的数据，从而提高物联网系统的可靠性和性能。
• 网络通信技术的发展 ：5G网络的普及将为物联网带来更快的传输速度和更低的延迟。这将使得物联网设备之间的通信更加顺畅，能够实时传输大量的数据。此外，未来可能还会出现更先进的网络通信技术，进一步提升物联网的通信能力。
• 人工智能与机器学习的融合 ：将人工智能和机器学习技术应用于物联网，可以实现更智能的数据分析和决策。例如，通过对大量的物联网数据进行分析，机器学习算法可以预测设备故障、优化能源消耗等。人工智能还可以实现设备的自主学习和自适应，提高物联网系统的智能化水平。

9.2 应用领域的拓展

• 工业物联网 ：在工业领域，物联网可以实现设备的远程监控和管理，提高生产效率和质量。例如，通过物联网技术，工厂可以实时监测设备的运行状态，及时发现故障并进行维修，减少停机时间。此外，物联网还可以实现供应链的优化，提高物流效率。
• 医疗健康领域 ：物联网在医疗健康领域的应用前景广阔。例如，可穿戴设备可以实时监测患者的生命体征，医生可以通过远程医疗平台对患者进行诊断和治疗。此外，物联网还可以实现医疗设备的智能化管理，提高医疗资源的利用效率。
• 农业领域 ：物联网可以帮助农民实现精准农业。通过传感器监测土壤湿度、温度、光照等信息，农民可以根据实际情况进行灌溉、施肥等操作，提高农作物的产量和质量。此外，物联网还可以实现农产品的追溯，保障食品安全。

10. 应对挑战的策略

为了克服物联网面临的挑战，需要采取一系列的策略。

10.1 加强标准制定

制定统一的行业标准是解决物联网发展中诸多问题的关键。行业标准可以规范物联网设备的接口、数据格式、通信协议等，提高设备之间的互操作性和兼容性。例如，制定统一的数据格式标准可以解决数据交换和处理的问题，制定安全标准可以提高物联网系统的安全性。

10.2 提升安全防护能力

加强物联网系统的安全防护是至关重要的。可以采取以下措施：
- 加密技术 ：对物联网数据进行加密传输和存储，防止数据被窃取和篡改。
- 身份认证 ：对物联网设备和用户进行身份认证，确保只有授权的设备和用户能够访问系统。
- 安全审计 ：定期对物联网系统进行安全审计，及时发现和处理安全漏洞。

10.3 培养专业人才

物联网的发展需要大量的专业人才。高校和培训机构可以加强相关专业的建设，培养既懂物联网技术又懂行业应用的复合型人才。企业也可以通过培训和引进人才等方式，提高自身的技术水平和创新能力。

11. 总结

物联网作为一项具有巨大潜力的技术，正在深刻地改变着我们的生活和工作方式。从智能家居到智慧城市，从工业自动化到医疗健康，物联网的应用无处不在。然而，物联网的发展也面临着诸多挑战，如数据安全、标准缺失、可扩展性等问题。

为了推动物联网的健康发展，我们需要不断地进行技术创新，加强标准制定，提升安全防护能力，培养专业人才。只有这样，才能充分发挥物联网的优势，实现物联网的愿景，为人类创造更加美好的未来。

以下是一个表格，总结了物联网发展中的挑战和应对策略：
|挑战|应对策略|
| ---- | ---- |
|数据连接难题|加强网络基础设施建设，制定统一的数据格式标准|
|数据安全威胁|采用加密技术、身份认证、安全审计等措施|
|行业标准缺失|加强标准制定，推动行业统一|
|可扩展性问题|设计可扩展的架构，采用分布式计算和存储技术|
|数据质量问题|优化数据采集和处理方法，提高传感器精度|

下面是一个mermaid流程图，展示物联网发展的整体流程：

graph LR
    A[技术研发] --> B[应用推广]
    B --> C{面临挑战?}
    C -- 是 --> D[应对策略]
    D --> A
    C -- 否 --> E[持续发展]

通过以上的分析和探讨，我们对物联网技术有了更深入的了解。虽然物联网发展道路上充满挑战，但只要我们采取有效的措施，积极应对，就一定能够实现物联网的蓬勃发展，为社会带来更多的价值。