網(wǎng)絡(luò)儀器技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智慧地球等新技術(shù)新概念的提出，圍繞著儀器的互連與測(cè)試信息的廣域共享問題，人們不斷進(jìn)行有關(guān)未來儀器技術(shù)的研究和探索，同時(shí)也不斷地思考著新一代儀器基本形態(tài)與結(jié)構(gòu)特征等問題。

目前，人們普遍認(rèn)同的儀器發(fā)展趨勢(shì)是計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、多功能化和微型化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)化儀器技術(shù)已逐步成為近年來人們研究的熱點(diǎn)，諸如遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)釆集與控制、高檔測(cè)量?jī)x器設(shè)備資源的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)用等已經(jīng)開始應(yīng)用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)對(duì)儀器技術(shù)的不斷滲透，儀器各部件的組成、體系結(jié)構(gòu)以及存在形態(tài)等都將會(huì)發(fā)生本質(zhì)變化。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化與信息化融合的推進(jìn)，為網(wǎng)絡(luò)儀器的發(fā)展提供了機(jī)遇。本文對(duì)傳統(tǒng)儀器存在的問題進(jìn)行了分析，介紹了網(wǎng)絡(luò)儀器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念及其相互關(guān)系。

1  網(wǎng)絡(luò)儀器分析

儀器技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字儀器、智能儀器和虛擬儀器等幾個(gè)主要階段，圖1所示給出了儀器技術(shù)的發(fā)展歷程。由圖1可以看出，以太網(wǎng)的發(fā)展為網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)提供了平臺(tái)，也成就了LXI（LAN—based extensions for Instrumentation)。

從儀器技術(shù)的發(fā)展歷程分析，無論早期的模擬儀器和數(shù)字儀器，還是現(xiàn)在的智能儀器、虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器,面向廣域應(yīng)用，它們都還存在諸多問題需要解決。

1.1  開放互聯(lián)問題

互聯(lián)不僅要實(shí)現(xiàn)儀器與網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)通信,而且要實(shí)現(xiàn)儀器與儀器之間的互聯(lián)。要實(shí)現(xiàn)儀器之間的開放互聯(lián)，其標(biāo)準(zhǔn)化的互聯(lián)協(xié)議和接口是首先要解決的問題。協(xié)議及接口的規(guī)范化不僅能保證整個(gè)儀器之間的互聯(lián)訪問，而且可以實(shí)現(xiàn)儀器中各個(gè)功能模塊之間的互聯(lián)和訪問。并且應(yīng)能根據(jù)不同的功能需求，將不同的儀器模塊進(jìn)行互聯(lián)，組合成新的儀器或模塊資源。然而，目前大多數(shù)儀器都是專用的封閉系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)儀器之間以及不同儀器單元模塊之間的互聯(lián)。

1.2  信息獲取參照時(shí)鐘

目前大多數(shù)儀器還都是孤立的封閉系統(tǒng),所獲取的數(shù)據(jù)都是基于本地時(shí)鐘，當(dāng)多個(gè)儀器之間發(fā)生信息交互時(shí)，往往沒有統(tǒng)一的參照信息。比如同一時(shí)間參照信息、統(tǒng)一空間參照信息等，這也直接導(dǎo)致了信息資源的廣域共享與多點(diǎn)融合問題。

1.3  協(xié)同測(cè)試問題

協(xié)同是指協(xié)調(diào)兩個(gè)或多個(gè)不同資源或個(gè)體，協(xié)同一致地完成某一目標(biāo)的過程或能力。由此可見，協(xié)同不是簡(jiǎn)單的將多個(gè)儀器或儀器功能部件簡(jiǎn)單的進(jìn)行組合，它還需要嚴(yán)格的測(cè)試流程、測(cè)試節(jié)拍，以及參考基準(zhǔn)。同時(shí)，還要求各個(gè)儀器或儀器模塊之間具有某種協(xié)調(diào)功能。而傳統(tǒng)儀器大多數(shù)還是一個(gè)封閉系統(tǒng)，一般不具有協(xié)同測(cè)試能力。即使某些特殊儀器實(shí)現(xiàn)了某種程度的協(xié)同測(cè)試功能，也往往是建立在特殊的條件和環(huán)境下，且實(shí)現(xiàn)代價(jià)較高、不具有通用性。

1.4  資源共享問題

設(shè)備資源大致可以分為兩類:儀器資源和信息資源。傳統(tǒng)封閉式儀器的功能模塊大多數(shù)是專用資源，因此它不是開放的共享資源。從而使得儀器設(shè)備重復(fù)建設(shè)，設(shè)備利用率低，同時(shí)造成了大量人力和物力的重復(fù)投入以及資金的浪費(fèi)。另外傳統(tǒng)儀器信息資源的本地化，也直接導(dǎo)致了信息資源無法被充分共享、再生和利用等問題。

1.5  廣域測(cè)控問題

傳統(tǒng)封閉式儀器由于受本地化的限制，很難在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息測(cè)試和設(shè)備控制功能。這就產(chǎn)生了儀器設(shè)備廣域測(cè)控問題，它是由于距離、空間、時(shí)間作用域儀器所產(chǎn)生的一系列問題的統(tǒng)稱。為了解決諸如此類問題,傳統(tǒng)儀器需要構(gòu)建專用系統(tǒng)，才可以解決廣域測(cè)控問題。

1.6  對(duì)策分析

上述問題就其本質(zhì)而言，可以歸納為兩個(gè)方面：開放體系結(jié)構(gòu)和信息完整性問題。開放體系結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)儀器之間以及不同儀器模塊資源之間互連開放的基礎(chǔ);而信息完整性則是儀器獲取的信息所應(yīng)具備的基本屬性，包括時(shí)間一致性、空間一致性、溯源一致性以及環(huán)境條件完整性等，其中最重要的是時(shí)間信息。網(wǎng)絡(luò)儀器正是為了解決這兩個(gè)問題而提出的，它通過儀器前端實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)的獲取、處理和存儲(chǔ)。同時(shí)以總線方式將信息發(fā)送出去,從而實(shí)現(xiàn)信息交換。這樣,它就可以作為一個(gè)通用平臺(tái)接入網(wǎng)絡(luò)世界，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源和數(shù)據(jù)資源的共享。

2  物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的概念最初來源于美國麻省理工學(xué)院(MIT)在1999年建立的自動(dòng)識(shí)別中心(Auto-IDLabs)提出的網(wǎng)絡(luò)無線射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可把所有物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。

2005年，ITU在突尼斯舉行的信息社會(huì)世界峰會(huì)(WSIS)上正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念，并隨后發(fā)布了《ITU Internet reports 2005-- the Internet of things》，該文件介紹了物聯(lián)網(wǎng)的特征、相關(guān)的技術(shù)、面臨的挑戰(zhàn)和未來的市場(chǎng)機(jī)遇。

ITU在報(bào)告中指出，我們正站在一個(gè)新的通信時(shí)代的邊緣，信息與通信技術(shù)(ICT)的目標(biāo)已經(jīng)從滿足人與人之間的溝通，發(fā)展到實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間的鏈接，無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代即將來臨。物聯(lián)網(wǎng)使我們?cè)谛畔⑴c通信技術(shù)的世界里獲得一個(gè)新的溝通維度,物聯(lián)網(wǎng)可在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，將鏈接任何人擴(kuò)展到鏈接任何物品，它將萬物進(jìn)行連接，從而形成了物聯(lián)網(wǎng)。圖2所示是物聯(lián)網(wǎng)中的連接維度。

隨著信息領(lǐng)域及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者分別從不同的方面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了較為深入的研究，物聯(lián)網(wǎng)的概念也隨之有了深刻的改變。

根據(jù)現(xiàn)在較通用的定義，物聯(lián)網(wǎng)是指通過射頻技術(shù)(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議,將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)言之，物聯(lián)網(wǎng)就是實(shí)現(xiàn)“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍是互聯(lián)網(wǎng)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò),其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間的信息交換和通信。它是促進(jìn)全球信息發(fā)展、構(gòu)建智慧地球的核心，也是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。

由此可見，物聯(lián)網(wǎng)把傳統(tǒng)的信息通信網(wǎng)絡(luò)延伸到了更為廣泛的物理世界。雖然“物聯(lián)網(wǎng)”仍然是一個(gè)發(fā)展中的概念，然而，將“物”納入“網(wǎng)”中，則是信息化發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)對(duì)所連接的“物”主要有3點(diǎn)要求:其一是連網(wǎng)的每一物件均可尋址；其二是連網(wǎng)的每一物件均可通信;其三是連網(wǎng)的每一物件均可控制。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，尤其在高端領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)對(duì)連接在其上的“物”提出了更高的要求。

3  物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)儀器

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)對(duì)儀器技術(shù)的不斷滲透，儀器部件的組成、體系結(jié)構(gòu)以及存在形態(tài)等將產(chǎn)生本質(zhì)上的變化，網(wǎng)絡(luò)將成為未來儀器技術(shù)的基礎(chǔ)。信息獲取前端將與微電子技術(shù)結(jié)合而變得更加微型和智能，并且可以廣域分布。

從儀器儀表構(gòu)成的角度來講，儀器技術(shù)的第一步主要是通過傳感器對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行感受和采集;第二是對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步的分析處理;第三就是把測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行表達(dá)輸出。從這一點(diǎn)上來講，其與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一致的。但是，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)而言，其上連接的“物”僅僅滿足這些條件還是不夠的。雖然其核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，但是它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò),其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間的信息交換和通信。由此可見，它對(duì)儀器儀表技術(shù)提出了更高的要求。

4  結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)是信息化和工業(yè)化融合的一個(gè)切入點(diǎn)，是低碳經(jīng)濟(jì)的支撐點(diǎn)，是戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)點(diǎn)，是民生服務(wù)的新亮點(diǎn)，是加快經(jīng)濟(jì)方式轉(zhuǎn)變的一個(gè)突破點(diǎn),也是與國際競(jìng)爭(zhēng)的新熱點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不斷明晰與完善，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在為儀器技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇的同時(shí)，也對(duì)連接在其上的“物”提出了更高的要求，同時(shí)也對(duì)儀器技術(shù)的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。