1.1 物联网概述

1.1.1 物联网的概念

最初的物联网（Internet Of Things，IOT）也称为传感网，它是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置，与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，其目的是让所有物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。

美国总统奥巴马于2009年1月28日与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出了“智慧地球”这一概念。智慧地球，就是把感应器嵌入和配置到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成物联网。2009年9月，在北京举办的“物联网与企业环境中欧研讨会”上，欧盟委员会信息和社会媒体公司RFID部门负责人Lorent Ferderix博士给出了欧盟对物联网的定义：物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一道，构成未来的互联网。

目前，对物联网有一个为业界基本接受的定义：物联网是通过各种信息传感设备及系统[如传感器网络、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、红外感应器、条码与二维码、全球定位系统、激光扫描器等]和其他基于物物通信模式的短距离无线传感器网络，按约定的协议，把任何物体通过各种接入网与互联网连接起来所形成的一个巨大的智能网络，通过这一网络可以进行信息交换、传递和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

上述定义同时说明了IOT的技术组成和联网的目的。如果说互联网可以实现人与人之间的交流，那么IOT则可以实现人与物、物与物之间的连通。按照这一定义，IOT的概念模型如图1.1所示。

从图1.1中可以看到，物联网将生活中的各类物品与它们的属性标识后连接到一张巨大的互联网上，使得原来只是人与人交互的互联网升级为连接世界万物的物联网。通过物联网，人们可以获得任何物品的信息，而对这些信息的提取、处理并合理运用将使人类的生产和生活产生巨大的变革。这里的“物”具有以下条件才能被纳入“物联网”的范围：相应物品信息的接收器、数据传输通路、一定的存储功能、CPU、操作系统、专门的应用程序、数据发送器、遵循物联网的通信协议以及在网络中有可被识别的唯一编号。

在物联网时代，通过在各种各样的物品中嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。

1.1.2 物联网的发展

1999年，美国麻省理工学院（MIT）的Auto-ID中心创造性地提出了当时被称为产品电子代码（Electronic Product Code，EPC）系统的物联网构想雏形。通过把所有物品经由射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现初步的智能化识别和管理。一个EPC物联网体系架构主要应由EPC编码、EPC标签及RFID读写器、中间件系统、ONS服务器和EPC IS服务器等部分构成，其工作流程示意图如图1.2所示。

2004年日本总务省提出了u-Japan构想，希望在2010年将日本建设成一个“任何时间，任何地点，任何物品，任何人”都可以上网的环境。同年，韩国政府制定了u-Korea战略，韩国信通部发布《数字时代的人本主义：IT839战略》以具体呼应u-Korea。

2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布《ITU互联网报告2005：物联网》，从此物联网的概念正式诞生。这里，物联网的定义发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID的物联网。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行信息交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。物联网概念的兴起，很大程度上得益于国际电信联盟2005年以物联网为标题的年度互联网报告。然而，ITU的报告对物联网的定义仍然是初步的。

2008年，欧盟智慧系统整合科技联盟（EPOSS）在《2020的物联网：未来蓝图》报告中大胆预测了物联网的发展阶段：2010年之前，RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域；2010—2015年物体互连；2015—2020年物体进入半智能化；2020年之后物体进入全智能化。

2009年1月，美国IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，物联网在全球开始受到极大关注，中国与美国等国家均把物联网的发展提到了国家级的战略高度，相关行业为之鼓舞，各大公司纷纷推出相应的计划和举措，因而2009年又被称为“物联网元年”。

2009年，欧盟委员会发表了《欧盟物联网行动计划》，它描述了物联网技术应用的前景，并提出了加强对物联网的管理、完善隐私和个人数据保护、提高物联网的可信度、推广标准化、建立开放式的创新环境、推广物联网应用等建议。2009年7月，日本IT战略本部颁布了日本新一代的信息化战略——“i-Japan”战略，以让数字信息技术融入每一个角落。将政策目标聚焦在三大公共事业：电子化政府治理，医疗健康信息服务，教育与人才培养。并提出到2015年，通过数字技术达到“新的行政改革”，实现行政流程简单化、效率化、标准化、透明化，同时推动电子病历、远程医疗、远程教育等应用的发展。与此同时，韩国信通部发布了新修订的《IT839战略》，明确提出了物联网基础设施构建基本规划，将物联网市场确定为新增长动力；认为无处不在的网络社会将是由智能网络、最先进的计算技术，以及其他领先的数字技术基础设施武装而成的社会形态。在无所不在的网络社会中，所有人可以在任何地点、任何时刻享受现代信息技术带来的便利。

2009年8月，中国总理温家宝在无锡视察时指出，要在激烈的国际竞争中，迅速建立中国的传感信息中心或“感知中国中心”，表示中国要抓住机遇，大力发展物联网技术。同年11月，温家宝总理在北京人民大会堂向北京科技界发表了题为《让科技引领可持续发展》的重要讲话，表示要将物联网列入信息网络的发展，并强调信息网络产业是世界经济复苏的重要驱动力。2009年12月，工信部开始统筹部署宽带普及、三网融合、物联网及下一代互联网发展计划。2010年3月5日，国务院总理温家宝在十一届全国人大三次会议上作政府工作报告时指出，要积极推动三网融合，加快物联网发展。2010年9月《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中确定了七大战略性新兴产业，明确将物联网作为新一代信息战略性产业。

2011年以来，我国有更多城市、科研机构、企业和学校加入物联网的队伍中来，物联网市场规模迅速增长。根据预测，2035年前后，我国的传感网终端将达到数千亿个；到2050年传感器将在生活中无处不在。

回顾物联网的发展史，针对中国经济的状况，我们可以发现，中国政府在大规模的基础建设执行中，植入“智慧”的理念，积极促进物联网产业的发展，不仅能够在短期内有力地刺激经济、促进就业，而且能够从长远上为中国打造一个成熟的智慧基础设施平台。目前，在现实生活中，物联网的具体应用已不再陌生，如远程防盗、高速公路不停车收费、智能图书馆、远程电力抄表等。物联网为我们构建了一个十分美好的蓝图，可以想象，在不远的未来，人们可以通过物物相连的庞大网络实现智能交通、智能安防、智能监控、智能物流以及家庭电器的智能化控制。图1.3展示了物联网发展的社会背景。

1.1.3 物联网的体系结构

物联网有别于互联网，互联网的主要目的是构建一个全球性的计算机通信网络，而物联网则主要是从应用出发，利用互联网、无线通信网络资源进行业务信息的传送，是互联网、移动通信网应用的延伸，是自动化控制、遥控遥测及信息应用技术的综合展现。当物联网概念与近距离通信、信息采集与网络技术、用户终端设备结合后，其价值才将逐步得到展现。因此，设计物联网系统结构时应该遵循以下几条原则。

（1）多样性原则，物联网体系结构需根据物联网的服务类型、节点的不同，分别设计多种类型的系统结构，不能也没有必要建立起统一的标准系统结构。

（2）时空性原则，物联网尚在发展之中，其系统结构应能满足在物联网的时间、空间和能源方面的需求。

（3）互连性原则，物联网体系结构需要平滑地与互联网实现互连互通；如果试图另行设计一套互连通信协议及其描述语言将是不现实的。

（4）可扩展性原则，对于物联网系统结构的架构，应该具有一定的扩展性设计，以便最大限度地利用现有网络通信基础设施，保护已投资利益。

（5）安全性原则，物物互连之后，物联网的安全性将比计算机互联网的安全性更为重要，因此物联网的系统结构应能够防御大范围的网络攻击。

（6）健壮性原则，物联网系统结构应具备相当好的健壮性和可靠性。

根据信息生成、传输、处理和应用的过程，可以把物联网系统从结构上分为四层：感知层、传输层、支撑层、应用层，如图1.4所示。

感知层是为了实现全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；传输层的目的是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；支撑层的功能是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制；应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的服务。

1.感知层

感知层主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。如温度感应器、声音感应器、图像采集卡、震动感应器、压力感应器、RFID读写器、二维码识读器等，都是用于完成物联网应用的数据采集和设备控制。

传感器网络的感知主要通过各种类型的传感器对物体的物质属性、环境状态、行为态势等静/动态信息进行大规模，分布式的信息获取与状态辨识，针对具体感知任务，通常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线或实时计算，并与网络中的其他单元共享资源进行交互与信息传输。甚至可以通过执行器对感知结果做出反应，对整个过程进行智能控制。

在感知层，主要采用的设备是装备了各种类型传感器（或执行器）的传感网节点和其他短距离组网设备（如路由节点设备、汇聚节点设备等）。一般这类设备的计算能力都有限，主要的功能和作用是完成信息采集和信号处理工作，这类设备中多采用嵌入式系统软件与之适应。由于需要感知的地理范围和空间范围比较大，包含的信息也比较多，该层中的设备还需要通过自组织网络技术，以协同工作的方式组成一个自组织的多节点网络进行数据传递。

2.传输层

传输层的主要功能是直接通过现有互联网（IPv4/IPv6网络）、移动通信网（如GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、无线接入网、无线局域网等）、卫星通信网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输。网络层主要利用了现有的各种网络通信技术，实现对信息的传输功能。

传输层主要采用能够接入各种异构网的设备，例如接入互联网的网关、接入移动通信网的网关等。由于这些设备具有较强的硬件支撑能力，因此可以采用相对复杂的软件协议进行设计。其功能主要包括网络接入、网络管理和网络安全等。目前的接入设备多为传感网与公共通信网（如有线互联网、无线互联网、GSM网、TD-SCDMA网、卫星网等）的连通。

3.支撑层

支撑层主要是在高性能网络计算环境下，将网络内大量或海量信息资源通过计算整合成一个可互连互通的大型智能网络，为上层的服务管理和大规模行业应用建立一个高效、可靠和可信的网络计算超级平台。例如，通过能力超强的超级计算中心以及存储器集群系统（如云计算平台、高性能并行计算平台等）和各种智能信息处理技术，对网络内的海量信息进行实时的高速处理，对数据进行智能化挖掘、管理、控制与存储。支撑层利用了各种智能处理技术、高性能分布式并行计算技术、海量存储与数据挖掘技术、数据管理与控制等多种现代计算机技术。

支撑层主要的系统设备包括大型计算机群、海量网络存储设备、云计算设备等。在这一层次上需要采用高性能计算技术及大规模的高速并行计算机群，对获取的海量信息进行实时的控制和管理，以便实现智能化信息处理、信息融合、数据挖掘、态势分析、预测计算、地理信息系统计算以及海量数据存储等，同时为上层应用提供一个良好的用户接口。

4.应用层

应用层中包括各类用户界面显示设备以及其他管理设备等，这也是物联网系统结构的最高层。应用层根据用户的需求可以面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，并根据各种应用的特点集成相关的内容服务，如智能交通系统、环境监测系统、远程医疗系统、智能工业系统、智能农业系统、智能校园等。

为了更好地提供准确的信息服务，在应用层必须结合不同行业的专业知识和业务模型，同时需要集成和整合各种各样的用户应用需求并结合行业应用模型（如水灾预测、环境污染预测等），构建面向行业实际应用的综合管理平台，以便完成更加精细和准确的智能化信息管理。例如，当对自然灾害、环境污染等进行检测和预警时，需要相关生态、环保等各种学科领域的专门知识和行业专家的经验。

在应用层建立的诸如各种面向生态环境、自然灾害监测、智能交通、文物保护、文化传播、远程医疗、健康监护、智能社区等的应用平台，一般以综合管理中心的形式出现，并可按照业务分解为多个子业务中心。

1.1.4 物联网的关键技术

物联网是一种复杂、多样的系统技术。从物联网技术体系结构角度解读物联网，可以将支持物联网的技术分为四个层次：感知技术、传输技术、支撑技术、应用技术。

1.感知技术

感知技术是指能够用于物联网底层感知信息的技术，包括射频识别（RFID）技术、传感器技术、GPS定位技术、多媒体信息采集技术及二维码技术等。

1）射频识别技术

它是物联网中让物品“开口说话”的关键技术。在物联网中，RFID标签上储存着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别。RFID技术可以识别高速运动物体并可以同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。工业界经常将RFID系统分为标签（Tag）、阅读器（Reader）和天线（Antenna）三大组件，如图1.5所示。阅读器通过天线发送电子信号，标签接收到信号后发射内部储存的标识信息，阅读器再通过天线接收并且识别标签发回的信息，最后阅读器再将识别结果发送给主机。

2）传感器技术

在物联网中，传感技术主要负责接收物品“讲话”的内容。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理、变换和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制造、测试、应用及评价改进等活动。

3）GPS与物联网定位技术

GPS技术又称为全球定位系统，是具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS作为移动感知技术，是物联网延伸到移动物体，采集移动物体信息的重要技术，更是物流智能化、智能交通的重要技术。

4）多媒体信息采集与处理技术

多媒体信息采集技术就是使用各种摄像头、相机、麦克风等设备采集视频、音频、图像等信息；并且将这些采集到的信息进行抽取、挖掘和处理，将非结构化的信息从大量的采集到的信息中抽取出来，然后保存到结构化的数据库中，从而为各种信息服务系统提供数据输入的整个过程。

5）二维码技术

二维码是采用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理；二维条码/二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，能在很小的面积内表达大量的信息。

2.传输技术

传输技术是指能够汇聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术，它包括移动通信网、互联网、无线网络、卫星通信、短距离无线通信等。

1）移动通信网（Mobile Communication Network）

移动通信是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。移动通信系统由两部分组成：空间系统和地面系统（卫星移动无线电台、天线、关口站、基站）。若要同某移动台通信，移动交换局通过各基台向全网发出呼叫，被叫台收到后发出应答信号，移动交换局收到应答后分配一个信道给该移动台并从此话路信道中传送一信令使其振铃。

2）互联网（Internet）

即广域网、局域网及单机按照一定的通信协议组成的国际计算机网络。互联网是指将两台计算机或者是两台以上的计算机终端、客户端、服务端通过计算机信息技术的手段互相联系起来的结果，人们可以与远在千里之外的朋友相互发送邮件、共同完成一项工作、共同娱乐。

3）无线网络（Wireless Network）

在物联网中，物品与人的无障碍交流，必然离不开高速、可进行大批量数据传输的无线网络。无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。

4）卫星通信（Satellite Communication）

简单地说，卫星通信就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是：通信范围大；只要在卫星发射的电波覆盖范围内，任何两点之间都可以进行通信；不易受陆地灾害的影响（可靠性高）；只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间（多址连接）。

5）短距离无线通信（Short Distance Wireless Communication）

短距离无线通信泛指在较小的区域内（数百米）提供无线通信的技术，目前常见的技术大致有802.11系列无线局域网、蓝牙、NFC（近场通信）技术和红外传输技术等。

3.支撑技术

支撑技术是指用于物联网数据处理和利用的技术，它包括云计算技术、嵌入式系统、人工智能技术、数据库与数据挖掘技术、分布式并行计算和多媒体与虚拟现实等。

1）云计算（Cloud Computing）技术

物联网的发展离不开云计算技术的支持。物联网中的终端的计算和存储能力有限，云计算平台可以作为物联网的“大脑”，实现对海量数据的存储、计算。云计算是分布式计算技术的一种，其最基本的概念，是通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。

2）嵌入式系统（Embedded System）

嵌入式系统就是嵌入到目标体系中的专用计算机系统，它以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统把计算机直接嵌入到应用系统中，它融合了计算机软硬件技术、通信技术和微电子技术，是集成电路发展过程中的一个标志性成果。物联网与嵌入式关系密切，物联网的各种智能终端大部分表现为嵌入式系统，可以说没有嵌入式技术就没有物联网应用的美好未来。

3）人工智能技术（Artificial Intelligence Technology，AIT）

人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的技术。人工智能就是探索研究用各种机器模拟人类智能的途径，使人类的智能得以物化与延伸的一门学科。它借鉴仿生学思想，用数学语言抽象描述知识，用以模仿生物体系和人类的智能机制，目前主要的方法有神经网络、进化计算和粒度计算三种。在物联网中，人工智能技术主要负责将物品“讲话”的内容进行分析，从而实现计算机自动处理。

4）数据库与数据挖掘技术

数据库技术是信息系统的一个核心技术，是一种计算机辅助管理数据的方法，它研究如何组织和储存数据，如何高效地获取和处理数据。是通过研究数据库的结构、存储、设计、管理以及应用的基本理论和实现方法，并利用这些理论来实现对数据库中的数据进行处理、分析和理解的技术。即：数据库技术是研究、管理和应用数据库的一门软件科学。数据挖掘（Data Mining）就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程。在物联网中，数据库和数据挖掘技术扮演着海量数据存储与分析处理的重要角色，它们是支撑物联网应用系统的重要工具。

5）分布式并行计算

并行计算可分为时间上的并行和空间上的并行。时间上的并行就是指流水线技术，而空间上的并行则是指用多个处理器并发的执行计算。分布式计算研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给许多计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果。分布式并行计算是将分布式计算和并行计算综合起来的一种计算技术。物联网与分布式并行计算关系密切，它是支撑物联网的重要计算环境之一。

6）多媒体与虚拟现实

多媒体技术是利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息综合处理、建立逻辑关系和人机交互作用的技术。虚拟现实技术是人们借助计算机技术、传感器技术、仿真技术等仿造或创造的人工媒体空间，它是虚拟的，但又有真实感，它通过多种传感设备，模仿人的视觉、听觉、触觉和嗅觉，使用户沉浸在此环境中并能与此环境直接进行自然交互、在三维空间中进行构想，使人进入一种虚拟的环境，产生身临其境的感觉。“虚拟现实”技术的广泛应用前景，将给人类的工作、生活带来极大的改变和享受。多媒体技术可以使物联网感知世界，表现感知结果的手段更丰富、更形象、更直观；虚拟现实技术成为人类探索客观世界规律的三大手段之一，也是未来物联网应用的一个重要的技术手段。

4.应用技术

应用技术是指用于直接支持物联网应用系统运行的技术，应用层主要是根据行业特点，借助互联网技术手段，开发各类行业应用解决方案，将物联网的优势与行业的生产经营、信息化管理、组织调度结合起来，形成各类物联网解决方案，构建智能化的行业应用。

如交通行业，涉及的就是智能交通技术；电力行业采用的是智能电网技术；物流行业采用的智慧物流技术等。一般来讲，各类应用还要更多涉及专家系统、系统集成技术、编/解码技术等。

1）专家系统（Expert System）

专家系统是一个含有大量某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和经验来处理该领域问题的智能计算机程序系统。它属于信息处理层技术。

2）系统集成（System Integrate）技术

系统集成是在系统工程科学方法的指导下，根据用户需求，优选各种技术和产品，将各个分离的子系统连接成为一个完整可靠、经济、有效的整体，并使之能彼此协调工作，发挥整体效益，达到整体性能最优。

3）编/解码（Coder and Decoder）技术

物联网不仅包含着传感数据、视频图像、音频、文本等各种媒体形式的数据，而且数据量巨大，因此资源发布成了一个重要课题。基本上，我们通过编码与解码技术，实现数据的有效存储和传输，使它占用更少的磁盘存储空间和更短的传输时间。数据压缩的依据是数字信息中包含了大量的冗余，有效的编码技术旨在将这些冗余信息占用的空间和带宽节省出来，用较少的符号或编码代替原来的数据。