基于物联网和云计算的智能城市体研究
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您的论文得到两院院士关注 管控一体化 文章编号:1008-0570(2011)12-0071-03
基于物联网和云计算的智能城市体研究
A Study on Intelligent City Area Based on Internet of Things and Cloud Computing
(北京航空航天大学) 傅 予 贾素玲 杨涛存 张天赫 FU Yu JIA Su-ling YANG Tao-cun ZHANG Tian-he
摘要: 在智能小区 、 城市综合体的基础上 , 从服务集成的角度提出了 “ 智能城市体 ” 的概念 。 将物联网与云计算结合应用于智能城市公共服务系统 , 对其应用模式进行了研究 , 并设计了完整的智能城市体系统架构。 为智能城市建设功能集成的、 可扩展的、 开放统一标准的智能化服务系统提供了解决方案。 关键词: 智能城市体; 物联网; 云计算; 系统架构 中图分类号:TP18; TP393 文献标识码: A
Abstract: Based on intelligent residential district and city complex, the concept of intelligent city area is proposed from the
angle of service integration. Combined internet of things and cloud computing, the application pattern of intelligent city public
services system is analyzed. Finally, a complete framework of intelligent city area system is designed. The framework
provides solutions for intelligent city to build an intelligent service system that is functional integrated, extensible and unified. Key words: intelligent city area; internet of things; cloud computing; system architecture
技
术 引言
随着我国经济的快速发展， 城市化建设也呈现高速增长，其规模迅速扩张、各类基础设施建设大规模推进，来自全国乃至全世界的各个领域的人们在城市中不断聚集，城市管理以及城市运行的软硬件环境极度复杂化。 与此同时，人们对生活服务的效率和质量也提出了越来越高的要求，传统的城市管理的模式导致高成本、低效率，难以满足日新月异的城市发展的需要，如何运用时代发展的最新技术管理城市、服务社会、感知居民需求是城市管理最富有挑战性和创新性的问题，也是领域专家关注和研究的热点问题。
智能城市体是现代化城市建设的新思想、新模式。 本文基于物联网与云计算，设计了一套完整的智能城市体服务系统框架，为现代化城市公共生活服务提供智能的、通用化的、可扩展的系统平台与管理体系。 该模式的建造和实施，不仅能创新政府公共服务流程和模式，更能为人们的生活提供前所未有的方便和快捷。
1 智能城市体的概念和特点
智 能城市体，是指覆盖范围半径在 0.5-10 公里，基于统一
规 划和管理，具有居住、教育、购物、休闲等一系列完整的生活功能，利用 4C(计算机、通信与网络、自控和 IC 卡)和其他高技术的智能化手段，通过有效的传输网络，将多元的信息服务、物业管理、安防、危险救护等功能集成，从而提供安全舒适生活环境的城市综合区域。
作为智能城市的基本组成单元， 智能城市体是智能小区、
城市综合体的概念融合，智能小区强调在日常居住方面服务的智能，城市综合体侧重于多种城市生活功能的集成。 智能城市体继承了前者服务智能化和后者能综合化特点，又与二者有所
傅 予: 学生 区别。 其从城市区域的服务集成角度出发，按系统功能设计和服务运营的统一管理范围划分区域，可以由单一或多个住宅小区、城市综合体构成。 其服务范围，没有限定在一个固定的区域，可以自由伸缩，功能随需要扩展。 特点是服务系统平台初始建设规模相对较小， 系统复杂程度和实施部署成本相对较低。最终由若干智能城市体组成完整的智能城市系统， 智能化、动 态化、可视化地服务城市生活。
2 物联网和云计算的概念和特点
物联网是在互联网的基础上， 利用 RFID 技术和物品电子编码技术，给每一个实体对象一个唯一的代码，其目标是建立统一标准的智能跟踪与管理体系，最终构造“ 泛在网络社会 ”。
物联网目前急需的应用在于安防监控、 物品身份鉴别等方面。这些服务是智能城市体中必不可少的功能。
作为物联网感知层的主要支撑技术之一，RFID 是一种非接触式的自动识别技术， 它通过射频信号自动识别目标对象，并获取目标中的相关数据。 有源 RFID 又称主动 RFID，优势在于远距离信息读取，主要应用于大型的高速运动物体的标识的识别之上，如机动车的跟踪和识别、动物或人类身份的跟踪和识别。 通过使用防冲撞技术，RFID 系统可以同时处理多个标签，为 RFID 在城市人群高密度区域的监控提供了物理支持。 本研究实验所用的有源 RFID 读取器的市场价格为 2000-2500 元左右，读取距离在 80-120 米左右，且成本仍有降低的趋势。
作为智能化信息处理的典型代表技术，云计算成为了物联网的发展的基石。 广义云计算是指服务的交互和使用模式，指
通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。 其主要包括IaaS、PaaS、SaaS 三种模式。 云平台能够支撑物联网海量信息的处理、存储、管理等工作。 在此基础上利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。
创
新
《PLC 技术应用 200 例》 邮局订阅号：82-946 120 元 / 年 - 71 - 管控一体化 《微计算机信息》2011 年第 27 卷第 12 期
物联网和云计算都是新兴事物，分别有很多的应用，但两者结合的案例目前还比较少， 云计算平台是物联网的基础，二 者联合应用是互联网发展的必然趋势。 3 基于物联网与云计算的智能城市 体 系统设计
3.1 系统设计目标
在本文的智能城市体系统开发模式研究中，系统设计的目标是按照国家把智能城市作为“ 感知中国 ”计划先行先试的战略要求，从服务功能集成的角度，以物联网作为智能城市的主要载体，以云计算平台为支撑，为满足人们对公共服务的智能化和综合化越来越高的要求，构建一个通用化、可扩展、易实施的城市生活公共服务系统。 此外，在不改变系统架构和基础设施硬件部署的情况下，少量增加软硬件资源，借助云计算平台的优势，很容易进行功能扩展。 将云计算与物联网相结合应用于智能城市体服务平台建设，为智能城市建设提供了一个可以逐步实施的解决方案。
3.2 系统应用模式构建 按照国际电信联盟(ITU)的定义，物联网主要解决物品到物
技 品(Thing to Thing,T2T)，人到物品 (Human to Thing,H2T)，人到人
(Human to Human,H2H) 之间的互连 。 与传统人们面对面（ Face
术 to Face） 的服务提供过程不同 ，在智能城市体中 ，智能化的城市生活服务，表现为越来越多的人与服务设施的交互和物品与服
创 务设施的交互，感知设施、通信网络与计算机所组成的“ 泛在网络”成为服务实体之间新的纽带。 新 具体实现过程中，智能城市体内居民、车辆、被监控物品等实体，选择性配备 RFID 主动标签；超市商品、便民公共设施等大量实体带有被动标签；根据具体业务需要，对于同一对象，两种 RFID 方式甚至可以组合使用。 在智能城市体服务区域内，部署 RFID 读取器集群，完成信息收集。 在相应工作区域安装外部工作设备，完成物理服务最终交付。
在智能城市体中，主要应用云计算的 SaaS、PaaS 模式。云的活动参与者包括五类：中心云服务提供者、智能城市体管理者、智能城市体居民、平台应用开发者、第三方信息需求者，如图 1。
在智能城市体应用 SaaS 模式， 中心云服务提供商向用户提供应用服务和信息服务。 （ 1） 应用服务 ：表现为对老年人和儿童等弱势人群的防走
失 自动跟踪定位、灾后智能人员搜救、重要和危险物品的快速
搜寻、 贵重物品的自动防盗报警智能跟踪、 小区车辆免伸手
（ Hand Free） 智能出入控制 、公共便民设施（ 便民伞 、自行车等）自动监控管理等功能。 应 用服务有两组参与者，对于云服务提供商、城市体管理
者 ：首先，根据微软的观点，云计算可看作 Cloud+Client。 资源在
Cloud 上的比例的大小可由用户按需动态选定[10]。 系统采用信息分层处理机制，在各个智能城市体服务区本地部署服务终端
（ Client），云中心（ Cloud） 向其发送定制的 E-Service 功能模块打包，这些功能包在本地服务系统上运行，控制硬件完成功能。
城市体管理者不需要购买软件， 而是向服务提供商租用打包的软件模块，按使用量付费。 其次，云中心向城市体管理者用户提供服务目录管理、系统补丁、软件升级等管理服务。 最后，云中心兼有云存储平台的特点， 定时向各个智能城市体服务区提取指定数据，用于数据处理和灾难备份。 对于云服务提供商、城市体居民用户：云服务提供商直接为城市体居民提供注册、授权、服务定制和计费管理等服务并提供跨区服务支持，以发挥智能城市的整体优势， 保证系统的信息安全和用户管理机制的有效性。
（ 2） 信息服务：参与者是云服务提供商和城市体居民 、存在信息服务需求的第三方组织和个人。 在智能城市体居民用户达到一定规模后，云服务提供商基于大量智能城市体的用户宏观
数 据，在保证数据安全的前提下，以 Web-Service 形式，为所有信息服务需求用户提供在线信息查询、数据提取、数据统计、数据分析以及数据挖掘、决策支持等定制化的信息服务功能。 快捷智能地完成公共场所人流监控、人口普查等工作，为科学研究、商业设施选址等活动提供有效的数据支持。
智能城市体中应用 PaaS 模式， 包括开发组件即服务和软件平台即服务两个层次。 参与者是云服务提供商、平台应用开发者。 在构建“ 万能插座 ”式服务软件环境过程中，云作为一个开放的平台， 可以允许第三方通过 E-Service 输入对平台现有的功能进行增强，从而形成一个生态系统。
（ 1） 开发组件即服务 ：云中心服务运营商为第三方软件开发者提供一个在线开发的平台， 包括相应的在线开发工具、模
块 组 件 库 。 以 提 供 相 应 的 API、SDK (Software
Development Tookit)、WSDL（ Web Service Description Language）
