第1章 物联网应用技术概论

1.1 物联网、传感网与互联网基本概述

从哲学角度来观察社会科学和自然科学以及经济和技术发展的关系，我们不难看出：尽管物联网、传感网、互联网具有鲜明的专业技术和应用技术特征，属于自然科学中信息领域研究范畴的问题，但它们的发展和演变遵守着各自的发展道路和共同的发展规律。如果把它们放到社会经济发展的背景下来观察，就很容易发现很多技术和概念，其产生和演变都和特定的历史背景和经济发展有着明显的对应关系。回顾物联网、传感网、互联网这三个名词的产生也具有鲜明的社会发展历史特色，与其他名词和概念一样，脱离不了全球经济与技术发展的历史痕迹。从各自的技术核心和特征来看，物联网从功能上是在互联网、传感网等概念上衍生出来的一种满足人们更多需求的一种应用网络；从电子信息技术角度来说，是计算机、网络与传感器技术及软件的综合技术。它是将各种物品与网络结合在一起，满足人们各种需要的应用技术。其基本的方法是，将各种传感器通过用户端延伸扩展到各种物品之间，使物品通过传感器和计算机及网络和服务系统联系成一体，形成一个可以满足人们各种需求的信息交换网络。

美国MIT的Kevin提出物联网概念时，就想采用RFID（射频识别）和各种传感器将各种物品联系到一起为人们的生产和生活服务。后来国际电信联盟ITU的研究报告描述了物联网相关的内容和知识，即把所有可能的物体都加上传感器，通过传感器获取物体的自身状态、周围的环境状态，通过物联网将所有可能的信息全部融入其中。

在欧洲，业内人士认为物联网在空间上应是物理和虚拟的实体集合；在实体范畴它应是在时间和空间上可移动的、可标识的、可进行信息交换的。

在国内，目前一般认为物联网是使任何一个物体的信息相互联系，使人们的需求和愿望得到更高更新的满足，通过这个新的物联网技术来带动科学、生产和社会的发展。

因此，物联网技术的发展不仅需要更多的科技工作者参与，更需要从事相关工作的工程师和物联网应用的管理者的参与。本书力图从理论组成、技术结构、软硬件性能到典型工程案例等，叙述其技术构成、应用方法和相关标准，使读者能结合已有知识比对出体系和特点，从而正确把握其实质，并在实践中不但完善丰富其内涵。本项技术也不例外，它也是在已有的多项技术上，针对人们不断的需求设计出的新名词。物联网技术从原始概念的提出，至今已有十多年的历史，也在被不断地完善和丰富。因此，在科学技术飞速发展的今天，它也像众多新生技术一样，被需求和新技术不断地丰富和完善，已经越来越不像最初的定义。而人们正是在这种不断演变中，不断提炼其内涵，扩展其外延，这才推动了各种技术的发展和进步。

为了使读者在阅读本书后也能快速理解相关的技术内容，本书中一些专用技术名词也直接采用了英语名词，这样将方便与同类资料的链接和融通。

1.1.1 物联网

物联网概念最早是由美国麻省理工学院Auto-ID研究中心提出的，其基本思想是：为物体之间实现联系，并能够区分出所有物体之间的不同，采用先对物体进行标记，再用传感器将所采集到的各种信息传到互联网上，使得所有物体的各种信息联系到在一起，通过计算机处理需求和资源之间的供求关系，及时配置可能满足需求者的各种需要。物联网从技术架构层次上来看，人们习惯按功能将它分为三层：感知层、网络层和应用层。从物联网基础技术来看，它主要包括两方面内容：一方面是互联网技术，在此技术基础上扩展网络应用，延伸到所有可能的物体和物体之间的信息交换和通信；另一方面是传感器技术，将所有物品通过相应的传感器和RFID等，将感知的各种信息变成可以识别的电信号。

国际电信联盟在《The Internet of Things》2005年报告中对物联网概念进行扩展，提出物联网是在任何时刻，任何地点，任意物体之间实现的互联。各类对象之间的基本关系如图1-1所示。

在欧洲，2008年的《Internet of Things in 2020》报告中指出：未来物联网发展RFID和对物体识别的传感器技术是未来物联网的基石。由于标识和信息提取是物联网技术的关键，致使后来人们更加关心RFID和传感器等在信息采集、标识等技术在物联网的应用。紧接着欧盟于2009年9月15日发布了《Internet of Things Strategic Research Roadmap》研究报告，明确要求在欧洲不同RFID和物联网项目之间的组合，以及协调包括RFID的物联网研究的活动。

在亚洲，日韩之后，我国也开展了此方面的研究，在经历高热之后人们看到物联网更像互联网和传感器结合的应用。一方面，由于网络技术快速的成熟，需要新的动力激发更多的人关注并创造出新的概念，引导信息技术和市场的发展。另一方面，由于早期人们认为物联网是未来互联网的一个组成部分，并从网络技术角度来评价物联网时，希望它成为基于标准的并可互操作的通信协议，有能力实现资源动态的全球配置的网络基础架构。

物联网技术所涉及的内容较广，除网络、智能终端、传感器技术等，还涉及很多软、硬件技术和应用。在现今技术条件下，如用户可获得各种智能接口与社会环境进行连接和通信，就有可能使被标识过的物体满足人们的需要。为了解决对人们要求的问题，通常采用计算机构成一个虚拟的电子信息空间，对掌握的各种资源和需求进行设计和分配，来满足人们精神和物质的需求。

1.1.2 传感网

“传感器网络”承担着对自然界各种信息数据采集汇总的主要任务，而互联网络是传递到达各端点的载体。在实际应用中，二者通常是联合使用，是实现物与物、物与人、人与人之间信息交互、提供信息服务的智能网络信息系统。

“无线传感网”是由若干具有无线通信功能的传感器结点构成的网络。这种网络最早是由美国国防部高级研究计划局（DARPA）在1978年提出的，并资助了卡耐基-梅隆大学开展了分布式传感器网络技术的研究。用户、对象、信息交换等各单元和网络之间的关系，国外认为传感网的基本结构与特点如图1-2所示。

随着研究的深入，人们开始想到未来的网络会深入到人们生活的每个角落，可为人们提供各种可能的服务。而这些服务终端的信息离不开各种各样的传感器，人们在原研究的基础上又提出了泛在的传感器网络（USN）的概念。这种传感网络的特点，首先是网络结点由具有通信及智能化的传感器结点组成；其次在任何时间、地点，任何物体的周边都布置有这种功能的传感网络。这样的传感网络可为各种需求提供相应的服务，从环境监测到安全保卫，从生产到生活，提供无所不能的服务。

“泛在网”概念最早是由日韩提出。它们认为，无所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组成的技术社会形态。根据这样的构想，USN网络将以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征，帮助用户实现任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信。其底层是由各种传感器、执行器、RFID等各种信息设备组成，负责对物理世界的感知与反馈。

国际电信联盟在2008年年初的研究报告中，阐述了泛在传感器网络体系的基本架构。并指出泛在传感网自下而上的基本结构是：传感器网络、泛在传感器网络接入网络、泛在传感器网络基础骨干网络、泛在传感网的中间件、泛在传感网应用平台五个层次。

泛在传感器网络接入网络是实现底层传感器网络与上层基础骨干网络的连接，由网关、sink结点等组成；泛在传感网的基网有Internet、下一代网络（NGN）；泛在传感网中间件处理、存储传感数据，并以服务的形式提供对各类传感数据的访问；泛在传感网是实现各类传感网应用的技术支撑平台。

目前我国信标委所属的传感器网络标准工作组认为，传感器网络具体表现在它综合了微型传感器、分布式信号处理、无线通信网络和嵌入式计算等多种先进信息技术，能对物理客体进行信息采集、传输和处理，并将处理结果以服务的形式发布给用户。

1.1.3 互联网、传感网与物联网

目前人们对人与物、物与物广泛互联、实现人与客观世界的全面信息交互的网络的命名，一直存在着物联网、传感网、互联网这三个称谓。回顾其发展历史，可从这些概念归纳后得出一个基本一致的结论。这些概念间的关系，如图1-3所示。

在传感网的概念中，如果将传感器的概念进行扩展，认为RFID、二维条码等信息的读取设备和音视频录入设备等数据采集设备都是一种特殊的传感器，则范围扩展后的传感器网络即简称为与物联网概念并列的“传感网”。而从ITU-T、ISO/IEC JTC1/SC6等国际标准组织对传感器网络、物联网定义和标准化范围来看，传感器网络和物联网其实是一个概念、两种不同的表述，其实质都是依托于各种信息设备实现了物理世界和信息世界的无缝融合。此外，在业界也有观点认为，物联网是从产业和应用角度，传感网是从技术角度，对同一事物的不同表述，但其实质是完全相同的。因此，无论从哪个角度，都可以认为目前为人所熟知的“物联网”和“传感网”这两个概念，都是以传感器、RFID等客观世界标识、感知技术，借助于无线网络、互联网、移动网等通信网络实现人与物理世界的信息交互。而泛在网是面向泛在应用的各种异构网络的集合，且更强调跨网之间的信息融合与应用。

1.1.4 网络接入与管理

物联网技术是各方面的信息相互交互和服务的新型网络，其主要解决的是相关网络的接入和管理。

（1）无线传感器网

无线传感器网是物联网重要的基础技术，在结构上它是由各种传感器结点组成的。这种网络的特点是多跳的自组织网，当采用适当的协议也可使无线通信网络和有线网络相连接。

在网络的管理方面，不仅要有灵活的路由机制，而且支持多种类型设备的协同工作。信息采集是各种各样的无线传感器，在技术方面还包括各种可即插即用、低功耗、低成本的智能传感器和无线网技术支持的WSN无线传感器网络等。

（2）移动网与网络接入

移动网：是目前覆盖最广、应用最多的网络。采用无线终端接入设备最普及、最有效的接入手段。在技术上要针对人与人通信的需要，强化人和物之间的通信，以及物与物之间的通信能力。开发好各种设备的接入技术，接入利用好现有的各种网络设备，是推广物联网应用的有效方法。

网络接入：移动通信技术是目前解决有限产地和环境的物与物、人与物之间的沟通的主要手段。这种异构网络接入效率的主要措施有：增强L2/L3协议，支持大量低数据率终端的接入；简化同步、小区搜索、随机接入、切换过程以及移动性管理；采用更低带宽、更低码率编码的传输方式，支持更小资源的分配；简化调度、功控、HARQ和链路自适应等问题。

（3）网络与终端管理技术

在网络与终端管理中，由于各种设备的接入标准不同（如LAN、Wi-Fi、WiMaX、GSM、TD-SCDMA、WSN等），为使各类异构网络能够实现互联互通，必须选择相对统一的标准接入方式。因为在这种由多种设备组成的异构网络中，还必须能支持各终端或网元间的相互协同以及临时的动态组网等，这样才能提高物与物、物与人之间的互联效率。

为了避免物联网中各类用户汇聚在一起时造成拥塞，对网络的管理显得十分重要。只有通过管理，提高畅通的信道和纯净的质量，才能使各种设备、网络终端获得预期的功效。更多的后端管理技术和服务，是支持大量终端的多种接入方式的重要措施。

（4）信息处理与能耗管理

信息处理是物联网应用中的主要技术问题，也是保证系统高效运行的重要因素，当传感器将采集到的信息汇聚到业务平台时，信息处理平台要对接收到的各种信息进行存储、处理、分析和数据挖掘后，才能为用户提供所需要的服务。在对这些信息进行处理时，需要利用更好更新的计算方法（如云计算、模糊识别等）来解决海量信息处理的问题。这样才能实现网内不同地域、不同用户对信息和数据进行处理分析的要求。

能耗是物联网应用中的重要技术问题，因为在有限的电能源的条件下，尤其在无线网络中各结点及系统携带的能量有限的情况下，对于能耗的管理与系统的信息管理一样重要，而在众多的信息进入整体网络时，这个问题更显得重要。常会出现多个用户同时在各自终端上操作，中央机也同时进行着大量的运算，以便优化决策和配置。此时网中需要消耗大量的能源，是常态下的数倍至百倍以上。在有限能源情况下，尤其是有的只能依靠自备电池或能量转化技术来工作，必须对系统能耗的各种问题进行细致思考。

对传感网来说，不仅要考虑其网络优化的问题，也要考虑能耗问题。在无线传感器网络（WSN）中，结点成本、功耗和体积等技术问题，是走向普及的重要问题，随着微电机系统（MEMS）、低功耗无线通信协议和数字电路的发展，改变了传感网传统的设计思想。传统的设计是将物理的基础设施和IT基础设施分开，如一方面是机场、公路、建筑物，另一方面是数据中心、网络、手机、个人计算机等。而现在已经开始将钢筋混凝土、电缆与芯片、网络等的设计和施工等方面结合到一起来进行。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。物联网将引发新的“聚合服务”。

（5）开发环境与安全技术

高效、快捷的开发应用是物联网应用的重要问题。良好的应用开发环境，能够使应用软件相对独立于计算机硬件和操作系统平台。采用分布式计算是常用的一种重要措施，这不仅能满足数据量大，运算速度快的要求，而且可提高操作系统的能力。物联网的许多终端处于无人环境中，由于感知结点组群化、终端结点数量巨大、移动性低等特点，必须要求各种终端的安全性。其基本要求包括：防火、防盗、通信安全、存储安全、终端使用环境安全等，必须具有较高性能稳定性和可靠性。