网络出版时间：2015-11-04 11:18:19
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Internet-of-Things and Participatory Sensing for Smart Cit ies in Europe
倪卓嫻 (Edith Ngai), 乌普萨拉大学(Uppsala University), 瑞典
滕以宁, 北京邮电大学
王文东教授, 北京邮电大学
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-6868 (2015)
03-0000-00(该项可由杂志编辑完成)
基金项目：
•VinnovaGreenIoT project, Swedish Government Agency on Research and Innovation, 2014-2017.
•STINT Initial Grant for International Collaboration, 2013-2014.
•VINNOV A International Cooperation for Eco-innovations, 2012-2013.
摘要:
管式反应器
本文中，我们将阐述信息、通信和技术（ICT）目前在欧洲智慧城市（Smart City）的现状与前景。物联网（IoT）和参与式感知是通过无线传感器和移动传 感器从环境和智能传感应用中获取数据的技术，它们是本文分析的重点。我们将 强调欧洲社会中存在的挑战并且展示我们在瑞典以建设可持续城市为定位的绿
物联网（GreenIoT）国家物联网科技项目。由于智能手机使用的普遍性，我们压纸机
将展示两款分别针对医疗和安全驾驶的参与式感知应用。最后，我们将讨论GPS
在智能手机上的耗能问题并提出一个协同定位方案解决该问题。
关键词：物联网，参与式感知，智慧城市
在世界大、中型城市中，机动车辆的尾气排放已经成为主要空气污染源。许多大型城市正遭受严重的空气污染（如，一氧化碳，氮氧化物，碳氢化合物和颗
粒）和温室气体排放（GHC），并且交通拥堵使情况更加恶化。考虑到这些情况，
欧盟正在向ICT研究和创新投资并且以欧洲20-20-20目标建立制度以提高生活
质量、确保城市可持续发展。
物联网（IoT）作为一个被认为前途光明的技术有足够的潜力解决许多社会中存在的挑战。面临这些趋势，为了长远的城市规划进程清楚，认识我们在互联
网的演化中身处何方变得尤为重要。考虑时期或者年代，思科公司（Cisco）认
为许多组织正在使用由物联网相连接的物理对象，即物联网[1]。国际数据公司
（IDC）预测，截止2020年，将有300亿连接的（自知式）事物成为物联网的一
部分。三分之一的公司正在物联网领域积极探索。物联网的潜在市场规模预计在
2020年将达到三万亿美元[2]。诸如思科和IBM这样的大公司认为，公共部门持
续增长的探索物联网科技的需求和兴趣能改善交通运输、减少污染和耗能，并且
可以为管制提供数据。
1. 欧洲的智慧城市
互联网使信息共享实现了迅速增长，爱立信（Ericsson）预测智能设备的连接量在五年内将达到500亿。基于这一物联网模式，信息社会为个人、社会以及企业界提供了获取大量信息的新机遇并且为创造更为清洁的环境、降低能耗、提高社会效率并且引入了新的应用和服务。瑞典马尔默（Malmö）的Hyllie智能网络就是一个利用手机和智能仪表调节能源消耗来增加分离控制以及提高能源效率的典型例子[3]。智能电网和智能能源的解决方案使得人们能够测量、监控、控制并影响他们自己的能源消耗并且能够独立地生产能源。
今天的城市面临着各种各样的挑战，包括就业、经济增长、环境可持续性和社会适应力等。鉴于这些趋势，了解我们在互联网演进中所处位置对未来的城市规划至关重要。对于欧洲的智慧城市而言，我们看到了其从公共领先行业和工业界中衍生而出的必然趋势。信息社会正迅速成为城市规划者、建筑师、开发商、交通运输商以及公共服务的核心支柱。从公共部门领导的角度看，城市可以被看作是构建清洁、高效、可持续发展社会的互联网缩影。在阿姆斯特丹，已经启用了以网络为连接的LED街道照明系统来减少城市的能源消耗和成本[4]。同样，在美国，思科以及芝加哥的一系列公共或私人的利
益相关者已经正在推进智能社区建设以改善周边服务和生活质量[5]。
根据全球移动通信系统协会（GSMA）的报告，由于政府优先发展物联网，中国的物联网市场很快达到了一个空前的规模。中国政府计划在该领域投资至少六千亿美元直到2020年。机动车辆的尾气排放已经成为了中国大中城市空气污染的主要来源。根据2013年公安部的报告，前一年中国汽车的数量已经达到了2.4亿。中国私家车所有者和使用者的数量在快速增加。因此，许多中国大城市遭受着严重的空气污染（如一氧化碳、氧化氢、碳氢化合物和颗粒物）以及温室气体排放（GHC），交通堵塞使的这些问题变得更加严重。世界观察研究所（Worldwatch Institute）的一项新研究显示，空气污染对人类健康、环境、经济有严重的影响。在美国，空气污染每年造成多达五万人死亡，每年空气污染导致的医疗保健花费以及生产力损失高达400亿美元。
由于空气污染并无国界限制，所以加强国际合作至关重要。例如，欧洲经济共同体（European Economic Community）和欧洲经济委员会（U.N. Economic Commission for Europe）共同支持签署了条约以减少污染物的跨境流动[7]。在荷兰，新的发现表明主干道附近的空气污染（超细颗粒、可吸入颗粒物、臭氧、氮氧化物等）要比城市地区的一般污染对健康产生的不利影响要大得多。研究还表明空气污染与交通之间还有着密切的相关性。对于更好的交通管理和污染控制而言，物联网解决方案是监测空气污染和城市交通的一种有效方式。
不锈钢表面钝化根据理特管理顾问有限公司（Arthur D. Little）显示，瑞典现已有九百万个在线设备，预计到2017年这一数字将增加到2300万。相同的报告指出，北欧国家在线产品和服务市场的迅速发展已处于前沿水平。在未来三年内北欧物联网市场预计以两倍的增长速度超过全球市场。到2017年止，瑞典市场预计将增长到20亿欧元，北欧市场增长到61亿欧元。与之相连的汽车和消费品在北欧地区的增长最为强劲，年增长率分别为47%和42%。如果物联网市场之前主要是受企业解决方案需求的驱动，那么这一点似乎会发生改变，因为越来越多的消费者友好型解决方案正变得可用。根据调研公司的国际业务监控，瑞典电信的报告表明
瑞典电信市场是世界上最为先进的市场并且在M2M连接以及LTE (4G)数量上处于领先地位[8]。
2. 瑞典的绿物联网工程
瑞典为互联网基础设施做出了相当大的努力，因此嵌入和参与式感知技术为我们建立信息社会的ICT区域性及世界范围的解决方案提供了竞争力。绿物联网是一个以智慧城市为目标注重节能物联网技术的创新驱动研究工程。这个工程已经从瑞典政府和工业界收到约20亿瑞典克朗（约两百万欧元）用于让乌普萨拉在未来两年向智慧城市转型。乌普萨拉是瑞典的第四大城市、一个古老的大学城。1477年建立的乌普萨拉大学（Uppsala University）在科学研究和教育领域也有着悠久的历史。在绿物联网工程领域，乌普萨拉大学与乌普萨拉市（Uppsala Municipality）、瑞典皇家理工学院（Royal Instit
ute of Technology）、瑞典计算机科学研究所（Swedish Institute of Computer Science）、爱立信研究院（Ericsson Research）、IBM和三个中小型企业合作为城市可持续发展建立一个完备的绿物联网解决方案。
在这项工程中，我们会建立一个结合绿网络、智慧感知和云计算技术的绿物联网解决方案以解决更具有交互性和响应性的公私城市管理问题。提出的绿物联网平台能提供一个能支持诸如环境监测、交通运输、工业进程优化和家庭安全的大范围、具有普遍性的ICT解决方案。在乌普萨拉市的驱动下，我们将建设并展示作为市空气污染监控和交通规划测试平台的绿物联网。因为乌普萨拉的参与程度始终远超欧盟的标准，目标之一就是通过主动监控、交通规划和城市规划减少空气污染。
现有的物联网技术很大程度上归功于硬件、软件和协议的设计。但是，如何从智能设备产生的海量数据中取出有价值的信息已成为物联网面临的主要挑战（亦被称为“大数据”问题）。我们的绿物联网解决方案利用云计算支持智能数据管理，同时整合绿网络和感知技术以支持节能和可持续性运作。乌普萨拉的绿物联网平台将会向公众开放并向工业界的新感知设备测试提供支持。由该平台上智能设备产生的传感器数据将促进创新性应用和服务的发展。
图1 从不同数据源收集到的感知数据对于支持智慧城市建设不可缺少
该工程的一个主要目标就是为环境感知系统提供一个完整的解决方案，这个系统能够完成使用开放环
境数据的应用及服务的实验，并将特别针对城市可持续发展和交通规划方面（图1）。这个绿网联网的架构将依据乌普萨拉的测试平台进行操作。独一无二技术提供的在不同层级、能源和资源料率的开放式接口和应用的独立性使感知系统和应用平台的得以建设。我们独特的四维可视化方法可以完全集成实时反馈的传感器数据以支持智慧城市的仿真。测试平台和公开的数据可以使得三方建立并实验能够向国际市场出口的新传感产品和服务（图2）。
城市基础建设和交通规
划
绿减肥产品拥堵避免
空气污染监控
母液路旁的传感器
车载传感器 手机用户 乌普萨拉，瑞典，2015
图2.GreenIoT系统框架和系统中的专业用户和普通用户
3. 智慧城市的参与式感知
物流网技术的传感和移动设备可以从环境和人类活动中收集数据以支持智慧城市中的应用。固定和移动传感器的结合能有效提升传感器的覆盖、传感数据的质量以及减少能耗[9，10，11]。如今，移动传感器已越来越流行。例如，大范围的传感器和通讯模型都已在智能手机上安装。智能手机上的GPS能够在城市中监控行车位置、预测交通流量和行程时间。在欧洲，我们也可以看到传感器被安装在巴士和有轨电车上以监控城市中的空气质量[12]。由移动传感器在不同时间和地点收集到的传感器数据汇总后可以用来建立用于城市规划的城市空气污染地图。参与式感知亦可以被用来提供个人服务，如路径规划和卫生保健服务。
因为瑞典位于高纬度的北方，居民受到的日常光照等级有着巨大的变化。许多人受着季节性的影响，比如在冬季影响情绪、睡眠和活动性的“冬季蓝”。在智能手机上的先进传感技术能够无干扰纵向监控用户的状态。收集到的数据使得健康卫生专家和个人诊断、纠正季节性产生成为可能。现在大部分智能手机都装备了位置传感器（如：GPS）、移动传感器（加速度计和陀螺仪）和光传感器，这些传感器是我们可计算人们的位置、活动和曝光量。我们设计并开发了一个个人移动传感系统——SADHealth，这个系统可以用来侦测个人的曝光量、情绪和活动等级。它包括了一个可以收集并分享机器人拉车
由智能手机交付数据的移动应用和云平台（图3）[13]。我们实施了一个让大量用户测试我们系统功能和性能的历时两年的实验。由结果我们看出，我们可以利用智能手机上的光传感器精确地监测个人的曝光量。传感器数据可以帮助每个人监控他们不同季节的健康状况并为提升健康水平提出建议。收集到的数据可以帮助研究人员量化学习、分析季节与健康的关系（图4）。
