1.1 物联网起源与概念发展

物联网的概念早在1995年出版的《未来之路》一书中就由微软总裁比尔·盖茨提及，只是受限于当时的网络、硬件及传感器等技术的发展水平，使得这一概念在当时显得过于超前，并未引起重视。随着技术的发展，物联网的出现和广泛应用已成为必然。本节着重介绍物联网的起源背景和概念发展，同时也对后来陆续出现的与物联网相关的术语进行简单的辨析。

1.1.1 物联网的起源背景

21世纪是一个以网络计算机为核心的信息时代，数字化、网络化、信息化、全球化是21世纪的时代特征。通过计算机技术、数据通信和互联网技术实现现代物流和电子商务已经成为大势所趋。随着全球经济一体化、信息网络化进程的加快，在技术革新迅猛发展的背景下，为满足对单个产品的标识和高效识别，1999年美国麻省理工学院的自动识别实验室在美国统一代码委员会的支持下，提出要在计算机互联网的基础上，利用射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）、无线数据通信技术，构造一个覆盖世界万物的系统。这就是物联网的雏形，旨在提高现代物流、供应链管理水平，降低成本，这也被誉为是具有革命性意义的现代物流信息管理新突破。2005年，国际电信联盟（ITU， International Telecommunication Union）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，系统地介绍了意大利、日本、韩国与新加坡等国家的物联网应用案例，提出了“物联网时代”的构想。世界上的万事万物，小到钥匙、手表、手机，大到汽车、楼房，只要嵌入一个微型的射频标签芯片或传感器芯片，通过互联网就能够实现物与物之间的信息交互，从而形成一个无所不在的“物联网”。这是首次正式提出“物联网”的概念。世界上所有的人和物在任何时间、任何地点，都可以方便地实现人与人、人与物、物与物之间的信息交互。2009年1月，IBM提出“智慧地球”构想，其中物联网为“智慧地球”不可或缺的一部分。IBM认为，智慧地球将感应器嵌入和装备到电网、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，并通过超级计算机和云计算组成物联网，实现人类社会和物理系统的整合。奥巴马在就职演讲后已对“智慧地球”构想做出积极回应，并将其提升到国家级发展战略，至此，物联网的概念逐渐被接受，并掀起了世界各国进行物联网研究和应用的浪潮。

物联网概念的产生和兴起背后，至少有两个背景因素起了决定性的作用。一是世界的计算机及通信科技已经发生了巨大颠覆性的改变和发展；二是物资生产科技发生了巨大的变化，使物质之间产生相互联系的条件也基本成熟。毫无疑问，物联网可以实现人与人、物与物、人与物之间的信息沟通，广泛应用于交通、物流、医疗、零售、监测、军事等重要领域，必将为我们带来全新体验，也将改变未来人类社会的生活、工作方式。物联网的政治和经济地位很容易让人联想到互联网在当今社会的地位。物联网在发展国民经济、建设文明和谐社会、维护保障国家安全及推动科学技术进步等方面具有重要的战略意义，对国家安全、经济和社会发展产生重大影响。

1.1.2 物联网概念的提出

物联网概念的兴起和发展，很大程度上得益于ITU的互联网发展年度报告，但是截至目前，对物联网还没有一个明确的、大家都认可的定义，大多数研究机构或学者都以自己的理解角度从各个方面对物联网进行定义。目前，相对比较成熟和有影响力的定义有下面几种。

定义1：把所有物品通过RFID和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别与管理。

该定义是最早的物联网概念，由麻省理工学院Auto-ID研究中心在1999年提出。这个定义实质上是将物联网等同于RFID技术和互联网的结合应用。RFID标签可谓是早期物联网最为关键的技术和产品环节，当时认为物联网最大规模、最有前景的应用就是在零售和物流领域。利用RFID技术，通过计算机互联网实现物品/商品的自动识别和信息的互联与共享。

定义2：任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联，无所不在的网络和无处不在的计算的发展愿景，除RFID技术之外，传感器技术、纳米技术、智能终端技术将得到更加广泛的应用。

国际电信联盟（ITU）从1997年开始每一年出版一本世界互联网发展年度报告，该定义是ITU在2005年的年度报告《ITU互联网报告2005：物联网》中正式提出的，同时还阐述了“物联网时代”的构想。

定义3：由具有标识、虚拟个性的物体/对象所组成的网络，这些标识和个性等信息在智能空间使用智慧的接口与用户、社会和环境进行通信。

该定义出自于欧洲智能系统集成技术平台（EPoSS，European Technology Platform on Smart System Integration）在2008年5月27日发布的报告《Internet of Things in2020》。该报告分析预测了未来物联网的发展，认为RFID和相关的识别技术是未来物联网的基石，因此更加侧重于RFID的应用及物体的智能化。

定义4：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，构成未来互联网。

该定义来自于欧盟第7框架下RFID和物联网研究项目组在2009年9月15日发布的研究报告。该项目组主要研究目的是便于欧洲内部不同RFID和物联网项目之间的组网，协调RFID的物联网研究活动、专业技术平衡与研究效果最大化，以及项目之间建立协同机制等。

通过对上述四种定义的比较和分析不难看出，物联网的概念起源于RFID对客观物体进行标识并利用网络进行数据交换这一思想，并经过不断扩充、延展、完善而逐步形成。定义1和3主要强调利用RFID技术对物体对象进行识别。这种基于RFID技术的物联网主要由RFID标签、读写器、信息处理系统、编码解析与寻址系统、信息服务系统和互联网组成，通过对拥有全球唯一编码的物品的自动识别和信息共享，实现开环环境下对物品的跟踪、溯源、防伪、定位、监控及自动化管理等功能，通常应用在生产和流通（供应链）领域。定义2和4则开始强调物联网本身是全球信息基础设施，可以实现物理世界和信息世界的无缝融合，使世界上的物、人、网与社会融为一个有机的整体。

实际上，物联网上述的每个定义都侧重于物联网的一个方面，很难兼顾物联网其他的内涵和特点。本书认为物联网是指通过射频识别、红外感应、全球定位系统、传感网等各种信息感知设备或手段，获取物品的物理属性及其状态信息，按照标准或约定的通信协议，连接物与物、人与物、人与人进行信息交换和传输，通过分布式、大容量、高性能的信息计算与处理，以实现智能化识别、定位、跟踪、监视、控制和管理等应用，最终实现物理世界和信息世界深度无缝融合的一种信息网络。

物联网定义的发展从侧面反映了物联网的概念和内涵随着人们对物联网认识的深入和应用的广泛在不断更新和充实，尽管物联网的定义目前尚未统一，但是与已有的各种通信和服务网络相比，对物联网在技术层面和应用层面的以下六个显著特征却已形成共识。

1.感知识别普适化

作为物联网的末梢，自动识别和传感器技术近年来发展迅速，应用广泛。仔细观察就会发现，现在人们的衣食住行均能折射出感知识别技术的发展。无所不在的感知和识别将物理世界信息化，将传统上分离的物理世界和信息世界实现无缝融合。

2.异构设备互联化

尽管各种异构设备（不同型号和类型的RFID标签、传感器、手机、笔记本电脑等）的硬件和软件平台千差万别，但可以通过无线通信模块和标准通信协议，构建成自组织网络。各类异构网络尽管运行的协议不同，但是它们之间也可以通过“网关”进行互联互通，实现网际间信息的共享及融合。

3.联网终端规模化

“物品触网”是物联网时代的重要特征，每一件物品都可以寻址，每一件物品都可以控制，每一件物品都具有通信功能，这样的物品称为联网终端。无所不在的“物品触网”使得联网终端规模巨大，据预测未来5～10年内，联网终端的规模有望突破百亿大关。

4.管理调控智能化

物联网将大规模数据高效、可靠地组织起来，为上层应用提供智能的支撑平台。数据存储、组织及检索成为上层应用的重要基础设施。与此同时，各种决策手段包括运筹学理论、机器学习、数据挖掘、专家系统等广泛应用于各行各业。

5.应用服务链条化

链条化是物联网应用的重要特点。以工业生产为例，物联网技术覆盖从原材料引进、生产调度、节能减排、仓储物流，到产品销售、售后服务等各个环节，成为提高企业整体信息化程度的有效途径。更进一步，物联网技术在一个行业的应用也将带动相关上下游产业，最终服务于整个产业链。

6.经济发展跨越化

经历2008年金融危机的冲击，越来越多的人认识到转变发展方式、调制经济结构的重要性。国民经济必须从劳动密集型向知识密集型转变，从资源浪费型向环境友好型转变。在这样的大背景下，物联网技术有望成为引领经济跨越化发展的重要动力。

物联网概念的问世，打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开：一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心、个人计算机、宽带等。在物联网时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。业内人士普遍认为物联网将会带来两大好处：其一是提高经济效益，大大节约成本；其二是为全球经济的复苏提供技术动力。有研究机构声称，预计10年内物联网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，其产业要比互联网大30倍。

物联网被很多国家称为信息技术革命的第三次浪潮，以及继计算机、互联网、移动通信网之后信息产业的又一重大里程碑。物联网的产生是社会发展的强烈需求，物联网的全球发展形势将可能提前推动人类进入物联网时代，物联网时代的到来将会给人类社会带来翻天覆地的变化，任何实物可以在任何时间、任何地点互联，实现智能互动，对人类社会的发展具有不可估量的现实意义和社会意义。

1.1.3 国内外发展情况简述

物联网作为正在兴起的、支撑性的多学科交叉前沿信息领域，无论是从政府规划层面，还是从科研发展和产业推进等层面，都正在被各国政府持续推进。目前，包括我国在内的世界主要国家和组织纷纷制定了各自与物联网相关的战略规划，促进物联网的发展和应用。

1.国外情况

在国际上，传感网的研究曾在20世纪末和21世纪初达到一个高潮，之后出现过一个短暂的平缓期，而最近几年又重新受到重视。随着美国“智慧地球”计划的提出，传感网已成为世界各国综合国力较量的重要因素。

美国是物联网的主导和先行国家之一，目前已将传感网技术列为“在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术”。2008年11月，美国IBM公司总裁彭明盛正式提出“智慧地球”（Smart Planet）设想，并于2009年年初，得到奥巴马政府的积极回应，将“智慧地球”提升为国家层面的发展战略。“智慧地球”把新一代IT技术充分应用到各行各业中，如把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁等各种物体中，并连接形成物联网。在此基础上，将各种现有网络进行对接，实现人类社会与物流系统的整合，从而使人类以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”的状态。这种“智慧”状态将引发大量“聚合服务”应用的产生，而“人-物”应用、“物-物”应用还会不断被开发、被集成，预示着聚合服务巨大的市场潜力。

欧盟于2009年6月制定了物联网产业详细的发展规划——《欧盟物联网行动计划》，其中包括监督、隐私保护、芯片、基础设施保护、标准修改、技术研发等在内的14项主体内容，以及管理、隐私及数据保护、“芯片沉默”权利、潜在危险、关键资源、标准化、研究、公私合作、创新、管理机制、国际对话、环境问题、统计数据和进展监督等一系列工作，被视为重振欧洲战略的组成部分。欧洲物联网主要应用于企业管理、交通运输、医疗卫生等方面。例如，全球电源和自动设备制造商ABB在其芬兰赫尔辛基的工厂里采用RFID技术，追踪每年外运的20万件传动装置，利用RFID系统提高货物运输的追踪效率，可靠地记录货物运输日期，降低物流和仓储任务外包的风险；瑞士制药集团诺华制药正在研发一种带有新型电子系统的芯片，可以安装在药片中，提醒患者遵从医嘱，从而增强药物疗效。

日本和韩国是全球首批提出U战略的国家，先后提出“U-Japan”、“U-Korea”、“I-Japan”等系列计划，从大规模开展信息基础设施建设入手，稳步推进、不断拓展和深化信息技术应用，以此带动社会和经济发展。例如，“U-Japan”计划以“基础设施建设”和“信息技术应用”为核心，重点强调泛在网络社会的基础建设和信息通信技术（ICT， Information Communication Technology）的广泛应用，促进社会系统的改革，解决社会的医疗福利、环境能源、防灾救灾、教育人才、劳动就业等一系列社会问题。“I-Japan”战略致力于构建一个个性化的物联网智能服务体系，让数字信息技术融入社会的每一个角落，确保日本在信息时代的国家竞争力。

此外，法国、德国、澳大利亚、新加坡等国也在加紧部署物联网发展战略，加快推进下一代网络基础设施的建设步伐，以推动社会与国民经济的整体发展。

2.国内情况

我国是物联网发展起步较早的国家之一。目前，中国与德国、美国、英国、韩国等一起成为物联网国际标准制定的主要国家，我国传感网标准体系框架已初步形成。2009年8月，国家领导人指出，要积极创造条件建立中国的传感网中心或“感知中国”中心，大力发展物联网。“加快物联网的研发应用”也于2010年3月第一次写入中国政府工作报告，被列入中国国家级重大科技专项，成为国家五大新兴战略性规划。各部门各地区积极响应国家号召，纷纷出台各项举措，推动物联网发展。

目前，物联网在我国的发展形态主要以RFID、M2M、传感器网络三种为主。在RFID方面，已经成功应用于物流、城市交通、工业生产、食品追溯、移动支付方面，特别是随着3G网络开始运营，各运营商推出了移动支付方式；在M2M方面，电信运营商积极开展M2M应用，发展M2M业务，在智能楼宇和路灯监控等方面得到广泛应用；在传感器网络方面，我国取得了国际标准制定的重要话语权，具备了发展传感网的产业基础，在电力、交通、安防等相关领域的应用也初见成效。

3.国内外情况比较

国内和国外发展都非常重视物联网的基础设施作用，肯定了物联网作为第三次信息浪潮的地位，并将物联网的技术发展升级为国家战略，从而将极大推动社会、政治、经济和军事的发展。但由于国内外实际情况和应用需求的不同，物联网发展和应用在以下四个方面存在一定的具体差异：

1）发展基础

美日欧的信息化基础已经比较发达，发展思路是在发达的信息化基础上进行更智能化的升级，并开展相应的产业和应用调整。而我国的信息化基础远不及美日欧等发达国家，所以中国物联网的发展核心将还是“信息化带动工业化”战略的进一步深化，并力求在此基础上进入新的高度和跨越，特别是在基础设施、制造业、环保等方面。

2）技术基础

在核心技术方面，美日欧技术储备丰富，技术发展速度快。而对于国内而言，由于国外对我国实行先进技术封锁，使得要实现自主创新发展，需要在很多重大领域进行技术攻关，突破从“传感”到“认知”等一系列关键技术，因此面临多项挑战。

3）研发模式

美国主要由政府引导投资方向，不做出具体的项目规划，通过市场机制鼓励小公司自己创新完成。IBM认为，政府在宽带、医疗信息技术和智能电网技术三个领域各投入100亿美元，可共创造95万个工作，这其中一半以上来自新兴的小公司。“感知中国”由于核心技术研发和基础建设同步进行，因此，我国物联网的发展更注重政府主导下的全面规划，集中有限的物力和技术优势，建立独立的核心技术体系，而不是过分依赖市场和私企的自发行为（因其随机性、短期性和投机性）。在基础设施和发展产业方面，避免走“产业大规模发展起来时核心技术还没有掌握”的弯路。

4）后发优势

“智慧地球”要求政府大力投资如铁路、智能交通、智能电网等基础设施，但由于发达国家的基础设施已经比较完善，“智慧地球”设想的实施必将对这些现有的基础设施进行比较大的改动。由于我国各领域的基础设施建设和信息化尚处于起步阶段，“感知中国”战略的实施中包袱较少，空间较大，反而有利于实现跨越式发展。

1.1.4 与物联网相关的术语

物联网的概念由于出现不久，使得物联网的内涵也在不断发展和深化中。目前也存在许多与物联网相关的术语，辨析这些相关术语将非常有利于加深对物联网的正确理解。

1.M2M

M2M（Machine to Machine）是“机器”对“机器”的通信，广义上也可以理解为人（Man）、机器（Machine）和无线终端（Mobile）之间的通信。2003年，Nokia发表的题为《M2M技术——让你的机器开口讲话》的白皮书中提到，“M2M旨在实现人、设备、系统间的连接”。M2M主要由前端的传感器及设备、网络、后端的IT系统三大要素构成，实现人与机器、机器和机器之间畅通无阻、随时随地的通信。

目前形成的共识是物联网发展的初级阶段是M2M，计算机对计算机的数据通信发展历程对M2M有良好的借鉴，有线、无线、移动等多种技术共同支撑了M2M网络中的数据传输。在非传统的联网实体进行规模引入后，实现了机器到机器的数据传输的同时，应用也会要求实现人对机器和机器对人的数据传输。随着M2M的星星之火发展成为燎原之势，物联网的美好梦想就会逐步实现。

从电信运营商角度，关注得最早也关注得最多的其实就是M2M。例如，中国移动在2004年就开始开发M2M业务，国外的电信运营商，如Orange、Sprint、DoCoMo都推出了M2M业务，尤其挪威电信，M2M业务量占到其业务总量的40%。“M2M是物联网的雏形，是物联网在现阶段的主要形式”是目前电信运营商普遍认可的观点。

2.传感网

传感网以收集和处理信息为目的，集中了传感器技术、嵌入式计算技术和无线通信技术等，协作感知、收集和测控各种环境下的感知对象，通过对感知信息的协作式数据处理，获得感知对象的准确信息，然后利用短距离无线通信技术传送给需要这些信息的观察者，即用户。协作感知、采集、处理、发布感知信息是传感网的基本功能。

可以认为传感网是物联网实现数据信息采集的末端网络的一种。物联网除了传感网之外，通常还包括办公网、自组网、电子标签网、M2M等。物联网（包括传感网）所搜集的信息传输到骨干网络的接入网络，则既可以是无线网，也可以是有线网，既可以是互联网，也可以是电信网、广电网或交通专网。

3.互联网

互联网的主要目的是构建一个全球性的信息通信计算机网络，通过TCP/IP技术互联全球所有的数据传输网络，在较短时间实现全球信息的互联互通。互联网的最大魅力不仅表现在能够为用户提供丰富的信息资源，还表现在能与分布在世界各地的网络用户进行各种形式的通信交流。

物联网则主要从应用出发，利用互联网、无线通信网络资源进行业务信息的传送，可以认为是互联网、移动通信网络应用的延伸，也是自动化控制、遥控遥测及信息应用技术的综合展现。不同应用领域的物联网具有不同的属性。由于不同应用领域具有完全不同的网络应用需求和服务质量要求，物联网节点大部分都是资源受限的节点，只有通过专用联网技术才能满足物联网的应用需求。物联网的应用特殊性及其他特征，使得它难以复制互联网成功的技术模式。

互联网是一个“平台”，着重于“互联互通”和信息共享；而物联网则不同，既然有“物”，就一定有产权和归属权，共享也一定是有条件的。此外，在网络端系统数据采集方式上，互联网和物联网有显著区别。互联网上的“内容”（如文本文件、语音文件、视频文件等）绝大部分是“人工输入”的，而物联网上的内容将主要是“工业化”和“自动化”两化融合的机器（如传感器、RFID等）“自动生成”的。互联网目前是以有线TCP/IP网络为主要载体的，而物联网的很多应用则更依赖于“无线网络”技术，各种短距离（包括RFID和MESH等）和长距离（包括GSM和各种CDMA等）的无线通信技术是目前物联网产业的主要基础设施。

4.泛在网

泛在网来源于拉丁语Ubiquitous，是指无所不在的网络，以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征，实现“4A”通信，即在任何时间（Anytime）、任何地点（Anywhere）、任何人（Anyone）、任何物（Anything）都能顺畅地通信。泛在网的相关战略计划最早来自于日韩提出的U战略，旨在通过无缝通信方式将现有网络融为一体，实现人与人、人与物、物与物在任何时候、任何地点的连接和交流。

物联网本身是针对特定管理对象的“有限网络”，目的是实现对于管理对象的智能化管控，是泛在网的重要组成部分。物联网是实现泛在网的重要一步，是全球信息化发展的新阶段，实现从信息化向智能化的提升。当然，在环境感知能力、内容感知能力及智能性方面，泛在网与物联网有着很高的相似度，泛在网所代表的为人类社会提供泛在的、无所不包的信息服务和应用这一理念，对物联网的分析研究具有重要的指导意义。

5.CPS

CPS（Cyber-Physical System）是涉及信息系统和物理系统交互与融合的一个崭新的研究领域，不同的学者对CPS有多种不同的译法，如信息物理系统、赛博物理系统、信息物理融合系统、联网物理系统、虚实交互系统等。有关CPS的定义也在不断发展与完善之中。根据美国国家科学基金会的定义，CPS是将计算与物理资源紧密结合所构成的系统。更具体地讲，CPS是集成了计算系统、大规模通信网络、大规模传感器网络、控制系统和物理系统的新型互联系统。

由CPS的定义可以看出，CPS与物联网的概念有相似之处，两者均关注物理实体的互联。然而，CPS与物联网也有显著区别。物联网的重点是物与物之间的互联，建立物联网的主要目的在于采集各种物理实体信息，以实现对物理世界的感知；而CPS则是在物与物互联的基础上，更关心对物理实体的实时、动态的信息控制和信息服务。因此， CPS可以看做对物联网的进一步发展，其目标是在感知物理世界的基础上，进一步实现对各种物理实体的最优控制。

从专业角度来看，CPS提供了物联网研究和开发所需的理论和技术内涵；从应用角度来看，物联网提供了CPS未来应用的一个直观画面，其概念更像是普及CPS方面的科学知识。因此，可以认为CPS是物联网的专业称呼，侧重于物联网内部的技术内涵；而物联网是CPS的通俗称呼，侧重于CPS在日常生活中的应用。

6.云计算

云计算是分布式计算、并行计算和网格计算的发展产物，它能够按需部署计算资源，是一种能够提供无穷资源（如计算、存储、宽带等）的全新计算模式。用户通过“云”，能够按照约定的服务水平协议，有偿地使用计算能力、网络基础设施、商业处理平台、存储空间和带宽等各种资源，同时只需为所使用的资源付费。这种模式将计算和处理能力转移到网络中，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。通过这项技术，网络服务提供者可以在数秒之内，达成处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务，大大减少以往个人或公司维护计算机软件、硬件、带宽、能源等资源的开销。

云计算是一种智能计算技术，具有超强的数据处理和存储能力，由于物联网无处不在的数据采集，需要大范围的支撑平台以满足其规模需求。物联网的发展需要“软件即服务”、“平台即服务”及“按需计算”等云计算模式的支撑，因此可以说云计算是物联网应用发展的基础。