第1章 物联网概述

物联网（The Internet of Things，IOT）是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业革命。目前，物联网已被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点，其应用范围几乎覆盖了各行各业。

本章从物联网的定义、特征、应用领域、体系结构以及面临的问题等方面进行阐述，以便读者能够对物联网的概念有一个准确的认识，对物联网系统有一个整体的了解。

1.1 物联网的概念

物联网是在互联网的基础上，利用RFID、传感器和无线传感器网络等技术，构建一个覆盖世界上所有人与物的网络信息系统，从而使人类的各类活动都运行在智慧的物联网基础设施之上。

1.1.1 物联网的定义及特征

1.物联网的定义

物联网就是“物物相连的互联网”，这里包含了两层含义：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，物联网就是互联网的延伸和扩展；第二，其用户端延伸和扩展到了任何人和物、物和物进行的信息交换和通信。物联网是通过各种信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换、信息通信和信息处理，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。

这里的“物”要满足以下条件：有相应的信息接收器；有数据传输通路；有一定的存储功能；有CPU；有操作系统；有专门的应用程序；有数据发送器；遵循物联网的通信协议；在世界网络中有可被识别的唯一编号。这样，“物”才能够融入“物联网”，才能够具有“感知的神经”和“智慧的大脑”。

2.物联网的特征

与传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。

（1）全面感知

物联网上部署了数量巨大、类型繁多的传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性地采集环境信息，不断地更新数据。各种感知技术在物联网中获得了广泛应用。

（2）可靠传递

传感器采集的信息通过各种有线和无线网络与互联网融合，并通过互联网将信息实时而准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息。在传输过程中，为了保障数据的正确和及时，必须适应各种异构网络和协议。

（3）智能处理

物联网将传感器和智能处理技术相结合，利用网络、云计算、模式识别以及各种智能技术，扩充其应用领域。智能处理是从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，对物体实施远程智能控制，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

1.1.2 物联网发展的背景和意义

物联网既不是美好的预言，更不是科技的狂想，而是又一场改变世界的伟大产业革命。物联网的发展是科学技术发展的必然，是人类不断追求自由和美好生活的必然，也是人类自身发展在面临诸多挑战时采取的智慧而积极的行动。

1.必然性

目前的互联网仅仅是人与人之间信息交流的网络，我们更希望其满足人与物、物与物之间信息的自动交互和共享。物联网是互联网的延伸与扩展，物联网可以实现物理世界与信息世界的无缝连接，见图1.1。

图1.1 物理世界与信息世界无缝连接示意图

将各种功能不同的智能传感器嵌入到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等物体中，通过无线传感器网络、互联网、超级计算机和云计算等组成物联网，实现人类社会与物理系统的整合，使世界上的物、人、网与社会融合为一个有机的整体。我们可以捕捉物体运行过程中的各种信息，控制小到一个开关，大到一个行业的运行过程。物联网概念的本质就是将地球上人类的经济活动与生产运行、社会生活与个人活动都放在一个智慧的物联网基础设施之上运行。

2.技术背景

（1）互联网技术是物联网的发展基础

物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。物联网通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去，它是一种建立在互联网上的泛在网络。近二十年来，互联网的高速发展，给全世界带来了非同寻常的机遇。纵观互联网的发展史，可以看出互联网的发展具有运营产业化、应用商业化、互联全球化、互联宽带化、多业务综合平台化和智能化等特点。可以预见，物联网的发展和应用将大大超过互联网，将进一步改变人们的生产、工作、生活和学习方式。

（2）三网融合是物联网理想的通信平台

我国正在加快建设宽带、泛在、融合、安全的信息网络基础设施，推动新一代移动通信、下一代互联网核心设备和智能终端的研发及产业化，加快推进三网融合，促进物联网、云计算的研发和示范应用。随着电信、电视、计算机“三网融合”趋势的加强，未来的互联网将是一个真正的多网合一、多业务综合平台和智能化的平台，是移动网+IP网+广播电视多媒体网的网络世界，它能融合现今所有的通信业务，并能推动新业务的迅猛发展，给整个信息技术产业带来一场革命。

（3）云计算是物联网应用的商业模式

云计算是通过将计算分布在大量的分布式计算机上而非本地计算机或远程服务器中，使得各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和信息服务。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便、费用低廉。目前，云计算的发展如日中天，随着物联网业务量的增加，对数据存储和计算量的需求将推动“云计算”的进一步发展，而云计算的极大发展将成为物联网发展的强大后盾。云计算助力海量数据处理，提升物联网信息处理能力，可以成为物联网网络引擎。

（4）普适计算是物联网智能的理论模型

普适计算强调与环境融为一体的计算，而计算机本身则从人们的视线里消失。在普适计算的模式下，人们能够在任何时间、任何地点，以任何方式进行信息的获取与处理。普适计算的核心思想是小型、便宜、网络化的处理设备广泛分布在日常生活的各个场所，计算设备将不只依赖命令行、图形界面进行人机交互，而更依赖“自然”的交互方式，计算设备的尺寸将缩小到毫米甚至纳米级。间断连接与轻量计算（即计算资源相对有限）是普适计算最重要的两个特征。在普适计算的环境中，无线传感器网络将广泛普及，各种新型交互技术将使交互更容易、更方便。

（5）3G/4G是物联网便捷的接入方式

目前，伴随着3G和4G所带来的移动宽带能力，移动网络所支撑的物联网应用的前景更加广阔，移动网络将是最主要的接入手段，物联网将从单一走向融合。

（6）无线传感器网络是物联网无处不在的感知手段

无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区域内的各种信息，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络中的每一个节点都配有无线电发射和接收装置，能够和网络中的其他节点进行通信。随着微机电系统、片上系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，具有功耗低、成本少、分布式和自组织特点的无线传感器网络给信息感知带来了一场变革。无线传感器网络可以扩展人们与现实世界进行远程交互的能力，微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。

（7）RFID是物联网最成熟的应用技术

RFID是物联网关键技术中最成熟的一种，已经建立了相关标准，并拥有一个广阔的应用市场。21世纪初，RFID已经开始在中国进行试探性的应用，并很快得到政府的大力支持，RFID的发展已经提高到国家产业发展战略层面。目前，RFID在中国的很多领域都得到实际应用，包括环保、物流、烟草、医药、身份证、奥运门票、宠物管理等。

3.社会背景

（1）物联网可以解决我们面临的诸多问题

历史的经验告诉我们，每一次重大的经济危机都要伴随着一场技术的革命，每次经济危机之后，都会极大地激发人们对新技术的追求和探索。2008年席卷全球的金融危机使人们冷静下来反省：以往的发展出了什么问题？未来应当如何应对？对如此严重的危机，现有的信息技术为什么没能及时监测、提前预警？也就是说，人类对物理世界的认知和把握还远远不够，要想真正应对各种危机，必须把信息技术的触角延伸到物理世界，以实现及时的感知，并迅速采取相应的措施。人类正面临经济衰退、全球竞争、气候变化、人口老龄化等诸多问题实际上都能够以更加“智慧”的方式解决。物联网一方面可以提高经济效益、大大节约成本，另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

（2）世界各国高层领导的重视和亲自推动

美国总统奥巴马对于发展物联网的建议给予了积极的回应：“经济刺激资金将会投入到宽带网络等新兴技术中去，毫无疑问，这就是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式。”；欧洲各国不仅高度关注“物联网”，而且就具体的技术标准展开研究，2009年6月欧盟发布了新时期下物联网的行动计划；日本和韩国在2004年5月分别提出了“U-Japan”、“U-Korea”的计划和构想，2009年8月，日本提出在“U-Japan”的基础上，发展“I-Japan”成为实质性的物联网。

（3）信息化产业对物联网强力推动

目前，IBM、中国移动、无锡中科院、研祥、罗克佳华等著名企业都对物联网给予了极大的关注，并投入巨资研制物联网的各类应用。

（4）传统产业的积极呼应

物联网可以作为传统产业新的经济增长点，得到各个方面的支持，如沃尔玛、海尔等。资本市场热情高涨，我国各相关部委都在积极研究，不断地推出各类政策、措施来支持物联网产业的快速发展。

（5）社会经济发展与产业转型成为物联网发展的推动力

物联网可以将传统的工业化产品从设计、供应链、生产、销售、物流与售后服务融为一体，可以最大限度地提高企业的产品设计、生产、销售能力，提高产品质量与经济效益，实现节能降耗，能够极大地提高企业的核心竞争力。

1.1.3 物联网发展现状

物联网形式多样、技术复杂、涉及面广，所涉及的内容横跨多个学科。目前，物联网的开发和应用尚处在探索和局部应用阶段。

1.国外发展现状

在应用和研发方面，美、欧、日、韩等少数国家起步较早，总体实力较强。目前，物联网开发和应用仍处于起步阶段，发达国家和地区抢抓机遇，希望在新一轮信息产业重新洗牌中占领先机，物联网成为各国提升综合竞争力的重要手段。

（1）美国

美国在物联网基础架构、关键技术领域已有领先优势。美国在物联网产业上的优势正在加强与扩大，国防部的“智能微尘”（SMART DUST）、国家科学基金会的“全球网络研究环境”（GE-NI）等项目提升了美国的创新能力。由美国主导的EPCglobal标准在RFID领域中呼声最高，德州仪器（TI）、英特尔、高通、IBM、微软在通信芯片及通信模块设计制造上全球领先，物联网已经开始在军事、工业、农业、环境监测、建筑、医疗、空间和海洋探索等领域投入应用。美国2009年9月提出《美国创新战略》，将物联网列为振兴经济、确立优势的关键战略的重要组成部分。

（2）欧盟

欧盟将信息通信技术作为促进欧盟从工业社会向知识型社会转型的主要工具，致力于提升欧盟在全球的数字竞争力。欧盟在RFID和物联网方面进行了大量研究应用，对RFID和物联网技术进行专项研发。2009年6月欧盟制定物联网行动方案，推出物联网标准战略，确保物联网的可信度、接受度和安全性。2009年9月15日，欧盟发布《欧盟物联网战略研究路线图》，提出欧盟到2010年、2015年、2020年三个阶段的物联网研发路线图，并提出物联网在航空航天、汽车、医药、能源等18个主要应用领域和识别、数据处理、物联网架构等12个方面需要突破的关键技术。

（3）日本

日本是世界上第一个提出“泛在”战略的国家，2004年日本政府在两期E-Japan战略目标均提前完成的基础上，提出了“U-Japan”战略。2004年3月，日本总务省召开了“实现泛在网络（Ubiquitous）社会政策座谈会”，并于5月向日本经济财政咨询会议正式提出了以发展Ubiquitous社会为目标的U-Japan构想。2004年12月，经过36名成员近10个月的工作，历经27次研讨，日本总务省发布了“实现泛在网络（Ubiquitous）社会政策座谈会”的最终报告书，列出了U-Japan战略的核心内容，排出了实现泛在网络社会的时间表。

（4）韩国

2004年，韩国提出为期10年的U-Korea战略，目标是“在全球最优的泛在基础设施上，将韩国建设成全球第一个泛在社会”。配合U-Korea推出的U-Home是韩国的U-IT839八大创新服务之一。智能家庭最终让韩国民众能通过有线或无线的方式远程控制家电设备，并能在家享受高质量的双向与互动多媒体服务。2009年10月13日，韩国通信委员会（KCC）通过了《基于IP的泛在传感器网基础设施构建基本规划》，将传感器网络确定为新增长动力，据估算至2013年产业规模将达50万亿韩元。KCC确立了到2012年“通过构建世界最先进的传感器网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流ICT强国”的目标。为实现这一目标，确定了构建基础设施、应用、技术研发、营造可扩散环境等4大领域、12项课题。

2.国内发展现状

（1）中国不落后

中国在物联网方面有一定的基础，物联网技术发展基本与国际同步。目前，中国的物联网在一些行业领域得到初步应用，包括电力、智能交通、医疗卫生、家庭安防、重点区域防入侵、工业控制、农业、环境监测等诸多领域。物联网在中国迅速崛起得益于我国在物联网方面的如下优势：

1）我国早在1999年就启动了物联网核心传感网技术研究，研发水平处于世界前列。

2）在世界传感网领域，我国是标准主导国之一，专利拥有量高。

3）我国是目前能够实现物联网完整产业链的国家之一。

4）我国无线通信网络和宽带覆盖率高，为物联网的发展提供了坚实的基础设施支持。

5）我国已经成为世界第二大经济体，有较为雄厚的经济实力支持物联网发展。

（2）物联网标准化现状

2010年3月9日，中国“物联网标准联合工作组”筹备会议在北京召开。“中国物联网标准联合工作组”由“工信部电子标签标准工作组”、“资源共享协同服务标准工作组”及“全国信息技术标准化技术委员会传感器网络标准工作组”、“全国工业过程测量和控制标准化技术委员会”发起。2010年6月8日，物联网标准联合工作组正式成立。

（3）物联网技术研发现状

国内多家研究院和大学正在开展传感器网络硬件节点的研究。例如，中国科学院计算技术研究所深联科技的“基于ZigBee无线通信协议栈的GAINJ、GAINZ等系列传感器节点”；香港科技大学的“基于Telos—B平台的无线传感器网络节点”；南京邮电大学的“无线传感器网络系列节点UbiCell和UbiCell无线医疗传感器节点”等。国内研究机构在理论研究方面，如对无线传感器网络的网络协议、算法、体系结构等方面，提出了许多具有创新性的思想与理论。

（4）物联网应用现状

物联网应用极其广泛，下面将重点介绍物联网在电力行业、交通行业、物流行业、金融行业中应用的现状和问题，并以此管中窥豹，为后面的分析提供基础。

电力行业。按电力系统安全监控的要求，物联网可以全面应用于电力传输的整个系统，从电厂、大坝、变电站、高压输电线路直至用户终端。来自中国移动内部数据显示，目前中国移动在物联网领域的业务主要集中于电力和交通行业，其中电力行业占到中国移动物联网总业务市场的41.9%。中国移动已经与南方电网合作，利用M2M技术建设智能电网，其中，电能计量自动化系统已经应用在大客户负荷管理、配变监控等领域。电力行业终端通信保证平台的推广应用，将使南方电网电信通信故障评价处理时间缩短一半以上。

交通行业。物联网在交通运输行业有着广泛的应用，智能交通领域主要有高速公路联网收费、不停车收费、多路径识别等。2009年，交通运输部制定并对外公布了《关于推动公路水路交通运输行业IC卡和RFID技术应用的指导意见》，以提升交通运输信息化水平。中国移动在物联网领域的业务中，交通行业占到了27.2%。另外，中国电信和中国移动已经推出多个智能交通的解决方案，中兴通讯也推出了自己的多个智能交通解决方案。

物流行业。物联网在物流领域的具体应用主要有车辆管理、集装箱管理、船舶管理、货物管理、堆场管理等。目前在物流领域，“集装箱电子标签技术规范”、“内贸集装箱电子标签技术规范”等多项标准已相继出台。此外，上海港通过国家信息化试点项目“中美集装箱电子标签国际航线应用”的实施，已代表中国，将该项目中有关应用RFID的核心技术向国际标准化组织提出制定相关国际标准的工作提案《Freight container-RFID-Cargo shipment Tag》，并已获得了授权，将由中国主持起草“集装箱货运标签”国际标准，编号为150/NP 18186。这为我国抢占未来集装箱制造和运输市场，引领RFID在集装箱运输领域的应用发展奠定了一个较好的基础。

金融行业。金融服务是物联网重要的应用领域之一，仅在金融领域，截至2010年末，基于IC和RFID技术的全国银行卡发卡量累计超过24.15亿张，继续保持高速增长，信息技术进一步推动着金融业的改革与发展。另外，基于物联网技术的手机支付也是当前的发展热点，据工业和信息化部的数据显示，2010年，我国手机支付用户突破1亿户，手机支付市场规模接近30亿元。继2010年3月中国移动宣布以400亿入股浦发银行，银联也于近日声称，由中国银联联合有关方面研发的新一代手机支付业务目前已进入大规模试点阶段，试点区域已扩展至上海、山东、浙江、湖南、四川、广东等六省市，试点地区还将进一步扩大。

1.2 物联网体系结构

物联网作为新兴的信息网络技术，目前尚处在起步阶段。目前，还没有一个广泛认同的物联网体系结构。但是，物联网体系的雏形已经形成，物联网基本体系具有典型的层级特性。

1.2.1 物联网体系架构

物联网的价值在于让物体也拥有了“智慧”，从而实现人与物、物与物之间的沟通，物联网的特征在于感知、互联和智能的叠加。根据网络分层的基本原理，从系统的角度看，物联网至少应由信息感知层、物联接入层、网络传输层、智能处理层和应用接口层5个部分组成。物联网5层架构模型，见图1.2。

图1.2 物联网5层架构模型

1.信息感知层

该层的主要任务是将现实世界的各种物体的信息通过各种手段，实时并自动地转化为虚拟世界可处理的数字化信息或者数据。信息感知层是物联网发展和应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术是信息感知层涉及的主要技术。信息感知层所识别和采集的信息主要有传感信息（如温度、湿度、压力、气体浓度）、物品属性信息（如物品名称、型号、特性、价格）、工作状态信息（如仪器、设备的工作参数）、地理位置信息（如物品所处的地理位置）等种类。

传感器能检测并可将检测到的物品的信息按所需形式输出，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在物联网中，传感器可以独立存在，也可以与其他设备以一体方式呈现，但无论哪种方式，它都是物联网中的感知和输入部分。在未来的物联网中，传感器及其组成的传感网络将在数据采集前端发挥重要的作用。

2.物联接入层

该层的主要任务是将信息感知层采集到的信息，通过各种网络技术进行汇总、整合。该层重点强调各类接入方式，涉及的典型技术如：Adhoc（多跳移动无线网络）、传感器网络，Wi-Fi、3G/4G、Mesh网络、有线或者卫星等方式。接入单元包括将传感器数据直接传送到通信网络的数据传输单元（Data Transfer Unit，DTU）以及连接无线传感网和通信网络的物联网网关设备。

3.网络传输层

该层的基本功能是利用互联网、移动通信网、传感器网络及其融合技术等，将感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传输。为实现“物物相连”的需求，该层将综合使用IPv6、3G/4G、Wi-Fi等通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。同时，网络传输层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。

4.智能处理层

该层的主要任务是开展物联网基础信息运营与管理，是网络基础设施与架构的主体。目前运营层主要由中国电信、中国移动、广电网等基础运营商组成，从而形成中国物联网的主体架构。智能处理层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。智能处理层对下层网络传输层的网络资源进行认知，进而达到自适应传输的目的。对上层的应用接口层提供统一的接口与虚拟化支撑，虚拟化包括计算虚拟化和存储虚拟化等内容。而智能处理层则要完成信息的表达与处理，最终达到语义互操作和信息共享的目的。

5.应用接口层

该层主要完成服务发现和服务呈现的工作。物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，目前绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网的应用。应用接口层是物联网和用户的接口，结合行业需求，实现物联网的智能应用。

1.2.2 物联网体系的特点

1.实时性

由于信息感知层的工作可以实时进行，所以，物联网能够保障所获得的信息具有实时性和真实性，从而在最大限度上保证了决策处理的实时性和有效性。

2.大范围

由于信息感知层设备相对廉价，物联网系统能够对现实世界中大范围内的信息进行采集分析和处理，从而提供足够的数据和信息以保障决策处理的有效性。目前，随着Ad-hoc技术的发展，获得了无线自动组网能力的物联网将进一步扩大其传感范围。

3.自动化

物联网的设计愿景是用自动化的设备代替人工，所有层次的各种设备都可以实现自动化控制，因此，物联网系统一经部署，一般不再需要人工干预，既提高了运作效率、减少出错几率，又能够在很大程度上降低维护成本。

4.全天候

由于物联网系统的自动化运转而无需人工干预，因此，其布设基本不受环境条件、时间和气象变化的限制，可以实现全天候的运转和工作，从而使整套系统更为稳定而有效。

1.2.3 物联网、传感网和泛在网的关系

物联网信息感知层主要涉及RFID/EPC和传感器两项技术。RFID/EPC技术的目的是标识物，给每个物品一个“身份证”；传感器技术的目的是感知物，包括采集实时数据（如温度、湿度）、执行与控制（打开空调、关上电视）等。

1.RFID与传感网络的关系

RFID和传感器具有不同的技术特点，传感器可以监测感应到各种信息，但缺乏对物品的标识能力，而RFID技术恰恰具有强大的标识物品能力。由于RFID其读/写范围受到读/写器与标签之间距离的影响，因而提高RFID系统的感应能力，扩大RFID系统的覆盖能力是亟待解决的问题。传感网络较长的有效距离将拓展RFID技术的应用范围，传感器、传感网络和RFID技术都是物联网技术的重要组成部分，它们的相互融合和系统集成将极大地推动物联网的应用。物联网与其他网络之间的关系，见图1.3。

图1.3 物联网与其他网络之间的关系

2.基于RFID的物联网

从RFID技术出发，在RFID/EPC网络的基础上，建立基于RFID的物联网。这种物联网主要由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，实现开放环境下对物品的跟踪、溯源、防伪、定位、监控以及自动化管理等功能。在生产和流通领域，为了实现对物品的跟踪、防伪等功能，需要给每一个物品一个全球唯一的标识。在这种情形下，RFID技术是主角，基于RFID技术的物联网能够满足这种需求。

3.基于传感器的物联网

从传感器技术出发，在传感网络的基础上，建立基于传感技术的物联网。由传感器、通信网络和信息处理系统为主构成的无线传感器网络，具有实时数据采集、监督控制和信息共享与存储管理等功能。它使网络技术的功能得到极大的拓展，使通过网络实时监控各种环境、设施及内部运行机理等成为可能。目前，无线传感器网络仍旧处在闭环环境下应用阶段，基于传感器的物联网主要应用在远程防盗、基础设施监控与管理、环境监测等领域。

4.物联网与泛在网络的关系

泛在网是指无所不在的网络，又称泛在网络。最早提出U战略的日韩给出的定义是：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武装而成的技术社会形态。根据这样的构想，U网络将以“无所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征，帮助人类实现“4A”化通信，即在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信。因此，相对于物联网技术的当前可实现性来说，泛在网属于未来信息网络技术发展的理想状态和长期愿景。将RFID技术和无线传感器网络技术融合，构建更广义的物联网。而对于物联网、传感网、广电网、互联网、电信网等相互融合形成的网络，称为泛在网。

5.物联网4大支柱业务群

物联网4大业务群见图1.4。

（1）RFID

射频识别技术RFID，俗称电子标签，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相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。其作用是：第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。目前我们使用的银行卡、二代身份证、非接触式公交卡、大学食堂的饭卡等都采用RFID技术，其应用非常广泛。

（2）传感网

无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，借助于各种传感器，感知、检测和集成自然界的各种信息，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。大量的传感器节点将检测数据，通过汇聚节点经其他网络发送给用户。传感网络实现了数据采集、处理和传输的3种功能，而这正对应着现代信息技术的3大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。

（3）M2M

M2M是机器对机器（Machine-to-Machine）通信的简称。目前，M2M的重点是机器对机器的无线通信，有机器对机器、机器对移动电话（如用户远程监视）、移动电话对机器（如用户远程控制）3种方式。M2M潜在的市场不仅限于通信业，由于M2M是无线通信和信息技术的整合，它可用于双向通信，如远距离收集信息、设置参数和发送指令，因此M2M技术可有不同的应用方案，如安全监测、自动售货机、货物跟踪等。

（4）两化融合

两化融合是我国一直倡导的发展方向，政府、企业和个人都在大力为“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”寻找有效的解决办法，物联网技术让两化融合找到了着力点。物联网是国民经济和社会的深度信息化，是深度信息化的承载网络，是工业化和信息化天然的结合点，是促进两化融合的利器，是两化融合的实质推动力和两化融合的重要组成部分。物联网技术对改造传统产业能起到催化和带动作用，通过物联网技术改造，在传统工业、农业、商业、交通等领域广泛应用物联网技术，以促进经济结构调整，加快工业化进程，走跨越式发展道路。物联网可以降低生产成本、提高产品质量、提高管理水平以及提升传统产业的市场竞争力。

6.物联网4大支撑网络

物联网4大网络群见图1.5。因“物”的所有权特性，物联网应用在相当一段时间内都将主要在内网（Intranet）和专网（Extranet）中运行，形成分散的众多“物联网”，但最终会走向互联网（Internet），形成真正的“物联网”，如Google PowerMeter。

图1.4 物联网4大业务群

（1）短距离无线通信网

短距离无线通信网包括10多种已存在的短距离无线通信（如ZigBee、蓝牙、RFID等）标准网络以及组合形成的无线网状网（Mesh Networks）等。Mesh网络即“无线网格网络”，它是一个无线多跳网络，是由Ad-hoc网络发展而来，是解决“最后一公里”问题的关键技术之一。在向下一代网络演进的过程中，无线是一个不可或缺的技术。无线Mesh可以与其他网络协同通信，是一个动态的可以不断扩展的网络架构，任意的两个设备均可以保持无线互联。

（2）长距离无线通信网

长距离无线通信网包括GPRS/CDMA、3G、4G等蜂窝（伪长距离通信）网以及真正的长距离GPS卫星移动通信网。

（3）短距离有线通信网

短距离有线通信网主要依赖10多种现场总线（如ModBus、DeviceNet等）标准，以及PLC电力线载波等网络。我们往往忽略了信息感知层用有线现场总线和传输层用长距离无线通信的组合，从实用和商业推广的角度，这个组合早已经达到稳定和大规模应用的水平。

（4）长距离有线通信网

长距离有线通信网支持IP的网络，包括计算机网、广电网、电信网（三网融合）以及国家电网的通信网等。

图1.5 物联网4大网络群

1.3 物联网的应用

物联网应用与我们的日常工作和生活息息相关，作为新一轮IT技术革命，物联网对于人类文明的影响之深远，可能将远远超过互联网。可以预见，经过未来十年的发展，社会、企业、政府和城市的运行与管理都将离不开物联网，物联网可以“感知任何领域，智能任何行业”。

1.3.1 百姓身边的物联网

1.安全性

（1）自然灾害

2010年8月7日22点左右，甘肃甘南藏族自治州舟曲县特大泥石流冲进县城，并形成堰塞湖，导致多人死亡或失踪。舟曲现有的预警系统（长江上游滑坡泥石流预警系统的一部分）由于多种原因造成预警失灵。传统滑坡监测主要是在现场布置固定的传感器或仪表后，通过汇总人工定时读取的数据来得到滑坡的安全状况，难以及时甚至无法捕捉到滑坡临近失稳前的最宝贵信息，因此不可能及时准确地对滑坡状况进行预测报警。

2010年底，中国移动公司开发了“滑坡GPS自动化监测预警系统”。GPS监测系统由3部分组成：监测单元、数据传输和控制单元、数据处理分析及管理单元。这3部分形成一个有机的整体，监测单元跟踪GPS卫星并实时采集数据，数据通过通信网络传输至控制中心，控制中心的GPS软件对数据处理并分析，实时形变监测。由于采用无线传输的方式，无线传感器网络可以很方便地进行初期的部署，数据的传输也不会因为地形的改变而中断，因此非常适合用于山体滑坡现场的环境监测。这一系统彻底颠覆了传统滑坡监测，将会极大地保护人民群众的生命财产安全。

（2）食品

2010年12月27日，成都市质监局运用物联网技术开发出三聚氰胺检测数据监测平台，实现了对乳制品企业三聚氰胺检测数据的自动采集、自动传输、自动分析和自动报警，大大提高了监管工作的有效性。目前，该系统已经率先在新希望乳业投入使用，实现了三聚氰胺24小时全程监控。

（3）人身意外

2011年4月，南大苏富特科技股份有限公司与南京鼓楼区相关部门联合实施的“物联网智慧养老”示范项目，将在部分试点小区和养老机构推开，年内预计将有近千名老人受益。

“物联网智慧养老”实际上就是利用物联网技术，通过各类传感器，使老人的日常生活处于远程监控状态。比如老人在房屋内摔倒，地面安全传感器会立即通知协议医护人员和老人亲属；老人住所内水龙头24小时没有开过，警报器就会通过电话或短信提醒，看看老人是否走失未归或出现其他意外；“智能厕所”能够检查老人的尿液、粪便，量血压、体重，让如厕变成医疗检查，所测数据直接传送到协议医疗单位的老人电子健康档案，一旦出现数据异常，智能系统会自动提醒老人及时体检，必要时协议医护人员会上门进行卫生服务。“物联网智慧养老”系统还可以在老年人身上佩戴相应感应器，如手腕式血压计、手表式GPS定位仪，随时监测老人的身体状况和活动轨迹，“如影随形”地对老年人进行监护。

2.方便性

北京研发出GPRS室温无线远传系统，该系统利用物联网传感网络，可远程监控居民室温，如果室温降低，该平台将自动报警，提醒技术人员进行调温或上门抢修。使用该技术将使锅炉房的运行管理人员能够直接观察到居民室内供暖温度。在居民住宅内安装温度传感器和数据无线发送装置后，居民室温可以随时发送到监测平台。供热主管部门可以像监控路况那样方便地掌握全市各个社区的供暖情况。当检测到居民住宅室温显著下降时，系统能够自动报警，工程人员就能在市民投诉前采取调温或抢修措施。如果室温过高，平台还能自动进行调温，避免能源无谓浪费。

3.节约性

日本在超市安装30，000个室温监控传感器，可以节省电费10%以上。IBM正在帮助主动医疗网（ActiveCare Network）监控美国38个州的1.3万多家诊所，为超过200万病人提供注射液、疫苗及其他药品的适当运输网络。主动医疗网采用IBM软件降低治疗费用高达90%，降低病人、诊所应用费用达60%。

4.智慧性

例如物联网冰箱。当你工作一天回到家，想做一份莲子桂圆汤，走到冰箱前查询冰箱外立面上的显示屏时却发现，冰箱内现有红枣、莲子，却没有桂圆。没关系，这台冰箱已经通过物联网技术与全球相连接，马上访问沃尔玛的网站，那里有很多桂圆可供选购……，这就是物联网冰箱带给人们的新生活。物联网冰箱不仅可以储存食物，还可实现冰箱与冰箱里的食品“对话”。冰箱可以获取其储存食物的数量、保质期、食物特征、产地等信息，并及时将信息反馈给消费者。它还能与超市相连，让你足不出户就能知道超市货架上的商品信息，能够根据主人取放冰箱内食物的习惯，制订合理的膳食方案。

1.3.2 各行各业的物联网

1.物联网与工业

工业是物联网应用的重要领域。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的无线传感器网络、3G和4G移动通信技术等不断融入到工业生产的各个环节。这些新技术可以大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能工业的新阶段。

利用物联网对工业生产过程进行监测和控制，原材料管理、仓储和物流管理等环节实现精密和自动化处理。通过智能感知、精确测量和计算，量化生产过程中的能源消耗和污染物排放。

大港油田开发的“油井生产远程监控分析优化系统”，通过网络远程采集油井的功图、压力、温度、电流、功率、扭矩等数据，实现油井生产工况实时诊断、远程实时产液量计量和用电消耗计量及能耗分析。应用扭矩法、电能法、功率曲线法等计算和调节抽油机平衡。基于诊断基础上的油井工作参数优化设计、基于诊断和优化设计结果的专家解决方案、基于油井工况诊断和工艺参数设计结果，远程实时实现对油井的“大闭环”智能控制。

生产远程监控分析优化系统通过网络远程采集注水井的压力、流量等数据，根据注水井配水要求，进行当前流量和配注量的比对，利用PID算法自动调节阀门开度。同时将即时流量数据和累计流量数据以及各种压力数据传送到RTU，利用CDMA/GPRS网络将数据传回到油田企业内部网计算服务器。工况分析优化服务器将现场监控终端采集的数据进行智能综合分析，实现了超限报警、注水量计算、报表、曲线、图示、工况分析、参数优化设计等。

2.物联网与农业

智能农业（或称工厂化农业）是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现集约高效可持续发展的现代超前农业生产方式，就是农业先进设施与露地相配套、具有高度的技术规范和高效益的集约化规模经营的生产方式。

实例一：高品质的葡萄酒对土壤的温度、湿度等有极严格的要求，美国加州Napa谷土壤及环境监测系统每隔100～400m埋一个传感节点，利用传感网络对土壤温度、湿度、光照进行实时监控并有效控制滴灌，提高了葡萄酒的品质，提高产能20%，节约用水25%。

实例二：在泰州，正在建设的高港区农业生态园将实现智能化农业管理。近日，中国电信泰州分公司和高港区农业生态园签订全业务合作协议，双方将携手共同打造信息化农业生态园，建成全市首家“智能农业”物联网应用项目。泰州分公司将为农业生态园区提供虚拟网、光纤宽带、ITV和天翼工作手机等基础通信服务以及园区内综合布线、视频监控等ICT应用，实现园区内安防监控和网上实景视频展示。通过农业生态园的实时视频监控，实现基于互联网的园区网上信息发布和园区视频展示。泰州分公司还将和高港区农业生态园共同推进物联网在现代农业项目中的应用，打造“智能农业”样板工程。通过传感技术、定位技术和移动互联网等技术的整合，实时采集温度、湿度、光照等环境参数，对农业综合生态信息进行自动监测和远程控制。

3.物联网与军事和国防

信息技术正推动着一场新的军事变革。信息化战争要求作战系统“看得明、反应快、打得准”，谁在信息的获取、传输、处理上占据优势，谁就能掌握战争的主动权。无线传感器网络以其独特的优势，能在多种场合满足军事信息获取的实时性、准确性、全面性等需求。

无线传感器网络可以协助实现有效的战场态势感知，满足作战力量“知己知彼”的要求。可以设想用飞行器将大量微传感器节点散布在战场的广阔地域，这些节点自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合，为各参战单位提供“各取所需”的情报服务。由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。实现友军兵力、装备、弹药调配监视；战区监控；敌方军力的侦察；目标追踪；战争损伤评估；核、生物和化学攻击的探测与侦察等。

无线传感器网络的典型应用模式可分为两类，一类是传感器节点监测环境状态的变化或事件的发生，将发生的事件或变化的状态报告给管理中心；另一类是由管理中心发布命令给某一区域的传感器节点，传感器节点执行命令并返回相应的监测数据。与之对应的，传感网络中的通信模式也主要有两种，一是传感器将采集到的数据传输到管理中心，称为多到一通信模式；二是管理中心向区域内的传感器节点发布命令，称为一到多通信模式。前一种通信模式的数据量大，后一种则相对较小。

实例一：越南战争是物联网的首次大规模应用，总计10万个“白宫”振动传感器被撒在胡志明小道，一旦有车辆通过，就实时上报，美军进行空袭，越南人民军每往前方运送1吨的物资，就含有5吨物资损失的代价！直升机部署传感器监测空气中氨的含量，从而发现埋伏的游击队员。

实例二：海湾战争是物联网第一次走上战争前台，美军后勤货物上，RFID的普及率达87%，有7%投放弹药装载了各式传感器，成为灵巧炸弹（Smart Bomb），命中率达90%，传感器实时数据占美军处理数据量的85%以上。海湾战争是物联网打败传统通信网、实时数据打败报表数据的典范。

4.物联网与教育

物联网是在互联网的基础上将其用户端延伸和扩展到任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。2010年校园暴力事件频发，安全管理问题催生新一代物联网技术走入校园。学生只要佩戴“电子校牌”进出校门，物联系统会自动读取学生身份信息，实时记录学生进出校情况，并通过短信平台将孩子离校、到校的异常情况及时反馈给家长。物联系统还可以通过短信平台将学生考勤异常、学习成绩、校务通知等重要信息及时通知给家长，实现学校对学生的智能管理，加强学校与家长的及时沟通。

目前，中国电信实施的“金色校园”方案，实现了学生管理电子化、老师排课办公无纸化和学校管理的系统化，使学生、家长、学校三方可以时刻保持沟通，方便家长及时了解学生学习和生活情况，通过一张薄薄的“学籍卡”，真正达到了对未成年人日常行为的精细管理，最终达到学生开心，家长放心，学校省心的效果。

5.物联网与物流

据世界银行的估计，目前我国社会物流成本相当于GDP的18%，而美国上世纪就已低于10%。该比例每降低1个百分点，我国每年就可降低物流成本1000亿元以上，这从另外一个侧面反映了推进我国物流产业技术升级和产业结构调整的重要性和紧迫性。智能物流是基于互联网、物联网技术的深入应用，利用先进的信息采集、信息处理、信息流通、信息管理、智能分析技术，智能化地完成运输、仓储、配送、包装、装卸等多项环节，并能实时反馈流动状态，强化流动监控，使货物能够快速高效地从供应者送达给需求者，从而为供应方提供最大化利润，为需求方提供最快捷服务，大大降低自然资源和社会资源的消耗。

实例一：2011年1月19日，阿里巴巴正式宣布将与合作伙伴共同投资1000亿元以上建设电子商务配套的现代物流体系，其中，先投资200～300亿人民币，逐步在全国建立起一个立体式的仓储网络体系。阿里巴巴希望十年以后，在中国任何一个地方，人们只要在网上下订单，最多8小时货物就能送到家，形成真正的农村都市化。

实例二：在2011年1月举行的国家科学技术奖励大会上，由湖南白沙物流有限公司等单位承担的《烟草物流系统信息协同智能处理关键技术及应用》项目荣获2010年度国家科学技术进步二等奖。该项目是物联网技术在烟草物流中的典型应用，涉及数据采集传输技术、系统建模技术、智能优化技术和信息集成技术等综合技术，涵盖烟草物流信息共享、配送车辆调度、协同营销和业务流程集成等方面，解决了在行业物流中如何有效采集、存储和分发物流各个环节之间的基础数据、如何对基于营销和配送等环节多维数据信息进行智能分析处理、如何搭建一个可扩展的烟草物流业务流程集成协作平台等亟待突破的难点问题。该系统具有显著的环境效益、社会效益、经济效益和广阔的应用前景。

6.物联网与城市和社区

（1）智慧城市

目前，全国各大中型城市大都相继制定了“智慧城市”发展规划。智慧的城市一般是指充分借助物联网、传感网等新兴技术，实现智能楼宇、智能家居、路网监控、智能医院、城市生命线管理、食品药品管理、票证管理、家庭护理、个人健康与数字生活等。

“智慧城市”是在物联网、云计算等新一代信息技术快速发展的背景下，以信息技术高度集成、信息资源综合应用为主要特征，以智慧技术、智慧产业、智慧管理、智慧服务、智慧生活为重要内容的城市发展的新模式，是全面提升城市运行管理效率、经济发展质量和市民生活水平的重要手段。武汉市正在制定智慧城市总体规划，该规划包括智能办公、智慧商业、食品追溯、智慧小区等。

（2）智能社区

智能社区是建筑智能化技术与现代居住小区相结合而衍生出来的。就住宅而言，先后出现了智能住宅、智能小区、智能社区的概念。智能化住宅小区是指通过利用现代通信网络技术、计算机技术、自动控制技术、IC卡技术，通过有效的传输网络，建立一个由住宅小区综合物业管理中心与安防系统、信息服务系统、物业管理系统以及家居智能化组成的“三位一体”住宅小区服务和管理集成系统，使小区与每个家庭能达到安全、舒适、温馨和便利的生活环境。

2011年3月17日，北京首个智能小区试点项目左安门公寓完成了智能化改造工程。据悉，北京还将在朝阳区和丰台区完成6000户家庭的智能化改造工作。左安门智能小区改造完成后，依托电力光纤到户技术，可实现电网与客户双向互动、智能家居控制等智能用电功能。由于实现了电力光纤到户，用户上网、看电视、打固定电话只需一根电力线。有线电视网、通信网、互联网的三网融合在这里变成现实。用户通过电力数据网络平台，可拨打IP电话、上网、点播视频节目、观看高清电视，实现“一缆多用”。

（3）城市管理

城市的管理能力和水平直接关系到我们的健康、安全和生活质量。上海世博建筑垃圾运输RFID管理系统对经营建筑垃圾业务的渣土运输单位、车辆、建筑工地出土、渣土回填点（卸点）实现申报、受理、审批、发证、监管等步骤实行统一管理。利用RFID电子标签技术，结合渣土营运证管理，收费结算管理实现建筑垃圾的全过程监管，减少建筑渣土垃圾偷倒乱倒现象的发生，防止非法建筑垃圾业务车辆进入，保证合法市场的正常运行，为世博会期间创造和谐优美市容环境提供保障。该系统实现了垃圾运输的自动记录、监管以及实时结算等功能，安全而高效。

在城市设立一个城市监控报告中心，将城市划分为多个网格，这样系统能够快速收集每个网格中所有类型的信息，城市监控中心依据事件的紧急程度上报或指派相关职能部门（如火警、警察局、医院）采取适当的行动，这样政府就可实时监督并及时响应城市事件。新的公共服务系统将不同职能部门（如民政、社保、警察局、税务等）中原本孤立的数据和流程整合到一个集成平台，并创建一个统一流程来集中管理系统和数据，为居民提供更加便利和高效的一站式服务。

7.物联网与家居

智能家居产品融合自动化控制系统、计算机网络系统和网络通信技术，将各种家庭设备通过智能家庭网络联网。通过宽带、固话和3G等网络，可以实现对家庭设备的远程操控，从而实现家居生活的智慧化和自动化。与普通家居相比，智能家居不仅提供舒适宜人且高品位的家庭生活空间，实现更智能的家庭安防系统，还将家居环境由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能。

2011年2月26日，GKB数码屋智能家居科普体验馆在广州珠江新城盛大开幕。体验馆搭建成了一个完整的智能之家模型，广大市民可以轻松体验到物联网智能家居带来的省电、省时、省事、省心、省力的便利生活，360度通过手机、电话、上网、遥控面板管理家中的灯光、窗帘、影音、空调等设施；通过情景模式预设功能，体验“起床”、“离家”、“娱乐”、“回家”等场景。

针对消费者的需求，海尔于2010年7月推出了“海尔物联之家”U-home 2.0美好住居解决方案，整合电网、通信网、互联网、广电网，实现人与家、人与家电、家电与环境之间的智慧对话。通过物联网不论您走到哪里，都可以随时随地通过手机、上网等方式与家人和家电对话。在家里，您不但可以浏览网络上的海量资讯，还可以随时享受来自社区中的全方位服务。安全防护也有考虑，如果家中进入盗贼，安防系统会自动录下视频资料并自动报警。这项安防系统已经嵌入到海尔的物联网空调中。

8.物联网与能源和环保

物联网技术的研究与推广应用将是我国工业实现节能减排的重要机遇。工业是我国“耗能污染大户”，工业用能占全国能源消费总量的70%。工业化学需氧量、二氧化硫排放量分别占到全国总排放量的38%和86%。因此，中国推行节能减排，倡导低碳经济，重点在工业。通过以物联网为代表的信息领域革命技术来改造传统工业，是我国低碳工业发展的迫切需求和必由之路。利用物联网技术，人们可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的“泛在感知”，获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并以此为基础实施优化控制，达到提高产品质量和节能降耗的目标。

有研究报告显示，世界各国损失的电能高达40%～70%，因为电网系统不够“智能”。通过物联网技术可以实现“智能电网”。现在的电网送电和用电是分离的，发电厂并不知道用户的用电量是多少，知道的都是过时的信息。这样，就造成了极大的浪费，因为发电多了是不能存起来的。然而通过物联网技术，会使用户的用电量通过反向通信使得发电厂实时知晓，以大幅提高效率。

9.物联网与交通

智能交通是一个基于物联网技术的面向交通运输的服务系统。它的突出特点是以信息的收集、处理、发布、交换、分析、利用为主线，为交通参与者提供多样性的服务。也就是利用物联网等高科技技术使传统的交通模式变得更加安全、节能、高效率和智能化。

IBM帮助斯德哥尔摩在18个路边控制站用激光、摄像和系统技术，对车辆进行探测、识别，并按照不同时段、不同费率收费，将交通量降低了20%，将等待时间减少了25%，将尾气排放降低了12%。

2010年12月29日，中国首个“智能交通产业示范基地”在深圳揭牌。未来深圳的交通系统将会率先采用全国最先进的智能技术，市民有望通过手机等各类移动终端随时了解各条道路交通动态，市民乘坐公共交通也将变得便捷有序。主办方演示了包括e行网公众出行系统在内的智能交通产业示范基地的部分成果，市民可通过e行网了解最新的交通拥堵动态，其信息已实现5分钟更新一次，未来还将升级至2分钟更新一次，并可能推出适用于各类移动终端的应用软件，市民届时可以实现通过手机等终端随时查询本市道路的交通动态，以及实现交通导航。

10.物联网与医疗

在医疗卫生领域，物联网技术能够帮助医院实现对人的智能化医疗和对物的智能化管理工作，支持医院内部医疗信息、设备信息、药品信息、人员信息、管理信息的数字化采集、处理、存储、传输、共享等，实现物资管理可视化、医疗信息数字化、医疗过程规范化、医疗流程科学化、服务沟通人性化，能够满足医疗健康信息、医疗设备与用品、公共卫生安全的智能化管理与监控等方面的需求。物联网技术在健康医疗领域的应用包括智能医疗、智慧医疗保健系统、远程医疗、电子健康档案系统、整合的医疗平台等子系统。

2010年12月29日，TCL集团、河北大学和欢网科技携手建成了“远程医疗与健康照护”系统。该系统是世界上第一个三网远程医疗与照护系统，建立在电信网、计算机网和有线电视网三网融合基础上。一方面，把远程医疗与健康照护等实现在三个大网内的几个具体小网的应用上，并集中处理。这里有大家熟知的Internet有线网、WiFi无线网、GPRS移动网、3G移动网、蓝牙（BT）、固话网（PSTN）等，还有随机智慧选径（ODMA）、短距离无线通信技术（ZigBee）等技术网络；另一方面，红外网、电力网等新型网络也在其中得到融合应用，使人们在任何网、任何时候都能得到贴心的远程医疗和健康照护。物联网在医疗卫生领域的应用示意图，见图1.6。

11.物联网与气候和环境

无线传感可广泛地应用于生态环境、种群、气象和地理、灾害监测等。智慧的气候系统能在方圆2公里范围内进行局部的高精度天气预报，已应用于若干城市地区。智能环保系统通过对实时地表水水质的自动监测，可以实现水质的实时连续监测和远程监控，及时掌握主要流域重点断面水体的水质状况，预警预报重大或流域性水质污染事故，解决跨行政区域的水污染事故纠纷，监督总量控制制度落实情况。据劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley Nation-al Laboratory）2004年的一份报告显示，从1980年到2003年，由于气候相关灾难造成的全球经济损失总计达1万亿美元。而同一时期新兴市场上的相关保险业务仅覆盖气候相关灾难总损失的4%。

2010年9月17日，被列入无锡市十二大物联网示范应用项目——集水环境治理、水资源管理、防汛防旱指挥决策于一体的“感知太湖”项目一期工程基本建成，初步实现了蓝藻湖泛监控预警，蓝藻打捞处置，打捞车船的调度和管理，太湖水文水质的智能感知，极大地提升了太湖蓝藻治理的信息化、科技化水平，已经承担起守望太湖的重任。“感知太湖”就是运用物联网技术对太湖水环境进行实时监控。当安装在监测点的传感器感知到蓝藻暴发指数超过60%时，感知太湖系统就会自动启动绿色报警，提醒抓紧打捞，与此同时，提醒打捞的信息也会通过网络传送到安装在打捞船上的GPS装置上，实现智能管理。目前在太湖中设有十几个球状浮标，浮标上安置了传感芯片和摄像头。一旦浮标下的传感探头探测到湖水中的藻密度等指标超标，系统即启动自动报警，报警等级分为绿色、橙色、红色，分别代表蓝藻暴发指数为60%、70%、80%。同时，系统调动最近的打捞船前去打捞，打捞完后，系统还会指示船只把蓝藻运送到就近的藻水分离站，分离出的藻泥又被通知送往需要的有机肥厂。“感知太湖”大大节约了以往所需的人力、物力，实现了对蓝藻治理的智能感知、调度和管理。

图1.6 物联网在医疗卫生领域的应用示意图

12.物联网与金融

金融机构传播危机，但却不能够追踪危机。即使是十年前设计和部署的最先进系统也已不能适应目前的现实。美国次贷危机的部分原因就在于，银行的现有系统无法处理随着抵押债权证券化、融资和交易而形成的错综复杂的相互联系，管理人员对市场上正在发生的事情失去了洞察力，因为这些事情过于复杂且实时发生。幸运的是，“智慧金融系统”有可能成为现实。

在2009年第17届中国国际金融展上，IBM公司向媒体发表了对于中国银行业智慧发展的意见，并阐述了构建智慧银行的思路。IBM认为，在目前挑战与机遇并存的环境下，唯有创新与变革是推动银行业发展的核心动力。IBM提出中国银行业应该从四大重点着手实现突破，用新思维、新能力和新模式构建“智慧的银行”。四大重点包括：开展业务运营创新与转型、实施整合的风险管理、加强新锐的洞察力与应变能力以及部署动态的IT基础架构。把握智慧之道，银行业将能在危机中拓展创新机遇，促进业务增长，赢得市场竞争。

智慧的银行不仅将实现节约以及提高有效性，更能够创造一切可能的机会实现进步和成长。智慧的金融系统是可以被更透彻地感知和度量的，银行可以完全自动地度量和管控任何业务数据，能够更加迅速地做出正确的决策；智慧的金融机构的系统建立在一个数据全面互联互通的基础上，这些被充分全面连接的数据可以使银行变得更加创新，并且通过流程的优化产生一个单一的可靠数据源；智慧的金融机构应能够快速、智能地分析大量的结构化和非结构化数据，以便提高洞察力并做出明智决策。

13.物联网与电网

因发电与用电量不匹配，电网利用率很低，美国也仅有55%。每年美国因电网扰动与断电损失790亿美元。智能电网使用双向通信、高级传感器和分布式计算机来改善电力交换和使用的效率，提高可靠性。以前因发电量不平稳难以接入电网的风电、太阳能等分布式能源可以用于补助主网发电。智能电网实时监控用户的电力负荷，赋予消费者选择电价和能源类型的权力。丹麦的DONG Energy采取智能电网措施后，可以将停电时间缩短25%～30%，将故障搜索时间缩短1/3。

智能电表可以重新定义电力提供商和客户的关系。通过安装内容丰富且读取方便的设备，用户可了解在任何时刻的电力费用，并且用户还可以随时获取一天中任意时刻的用电价格，这样电力提供商就为用户提供了很大的灵活性，用户可以根据了解到的信息改变其用电模式。智能电表不仅可以测量用电量，它还是电网上的传感器，可以协助检测波动和停电。它还能储存和关联信息，支持电力提供商完成远程开启或关闭服务，也能远程支持使用后支付或提前支付等付费方式的转换。

2009年，国家电网公司先后启动了智能用电信息采集系统、智能变电站、配网自动化、智能用电、智能调度、风光储、上海世博会等智能电网示范工程。在发电环节，在常规机组、水库、新能源风电机组等布置传感监测点；在输电环节，在雷电、线路气象环境、线路覆冰、线路在线增容、导地线微风振动、导线温度与弧垂、输电线路风偏、输电线路图像与视频、杆塔倾斜在线监测与预警等方面需要充分利用传感技术；在配电环节，配电设备状态监测、配电网现场作业管理，以及智能巡检也需要充分利用各类传感和识别技术；在用电环节，智能表计及高级量测、智能插座、智能用电交互与智能用电服务、电动汽车及其充电站的管理、绿色数据中心与智能机房、能效监测与管理和电力需求侧管理等也对物联网技术和应用提出了新的需求。

14.物联网与公共管理和安全

公共管理面对的社会问题相当广泛，诸如文化、教育、福利、市政、公共卫生、交通、能源、住宅、生活方式等。公共安全是指多数人的生命、健康和公私财产安全，其涵盖范围包括自然灾害，如地震、洪涝等；技术灾害，如交通事故、火灾、爆炸等；社会灾害，如骚乱、恐怖主义袭击等；公共卫生事件，如食品、药品安全和突发疫情等。我国的公共安全形势严峻，每年死亡人数超过20万，伤残人数超过200万；每年经济损失近9000亿元，相当于GDP的3.5%，远高于中等发达国家1%～2%的水平。

智能感知信息网络系统是在传感、识别、接入网、无线通信网、互联网、计算技术、信息处理和应用软件、智能控制等信息集成基础上的新发展，物联网是安防的重要技术手段。第二代身份证最显著的进步是在卡内嵌入了更富科技含量的RFID芯片。芯片可以存储个人的基本信息，需要时在读/写器上一扫，即可显示出身份的基本信息。而且可以做到有效防伪，因为芯片的信息编写格式内容等只有特定厂家提供，伪造起来技术门槛比较高。2009年9月，上海浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测。多种传感手段组成一个协同系统后，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。2010年9月，中国移动已开始将物联网应用规模服务于化工等高危行业。通过多点精确远程监控的物联网方案，上海主要区域的城市管道运输工业气体和医疗气体等高危气体将逐步实现远程监控，以提升城市安全系数，这项技术今后将逐步推向全国。

1.4 物联网发展趋势

作为产业革命与未来社会发展的新方向，由于对人类生产、生活的巨大变革和影响力，物联网自诞生之日便受到了极大关注。随着物联网在2008年后的迅猛发展，特别是众多试点产品的应用与推广，使得原本神秘的物联网逐渐走入了社会大众的视野。

1.4.1 物联网技术

物联网关键共性技术主要集中在无线传感器网络节点与传感器网关系统微型化技术、超高频RFID、智能无线技术、通信与异构同组网、网规划与部署技术、综合性感知信息处理技术、中间件平台、编码解析、检索与跟踪以及信息分发等方面。

1.传感器与传感网络

传感器是机器感知物质世界的“感觉器官”，可以感知热、力、光、电、声、位移等信号，为网络系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。随着科学技术水平的不断发展，传统的传感器正逐步微型化、智能化、信息化、网络化，实现传统传感器向智能传感器和嵌入式Web传感器方向的发展。目前，面向物联网的传感网络技术研究包括：低耗自组、异构互连、泛在协同的无线传感器网络；智能化传感器网络节点研究；传感器网络组织结构及底层协议研究；对传感器网络自身的检测与控制；传感网络的安全问题；先进测试技术及网络化测控等。

2.智能技术

智能技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可以使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动地实现与用户的沟通，是物联网的关键技术之一。其主要研究内容和方向包括：人工智能理论研究；机器学习；智能控制技术与系统；智能信号处理等。

3.纳米技术

纳米技术是研究结构尺寸在0.1～100 nm范围内材料的性质和应用，主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这7个相对独立又相互渗透的学科集中体现在纳米材料、纳米器件和纳米尺度的检测与表征这3个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础，其中纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。纳米技术的优势意味着物联网当中体积越来越小的物体能够进行交互和连接。

4.信息物理系统

信息物理系统（Cyber Physical Systems，CPS）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同，具有重要而广泛的应用前景。

5.IPv6地址技术

每个物联网连接的对象都需要IP地址作为识别码，而目前IPv4的地址早已不够用。IPv6拥有巨大的地址空间，它的地址空间完全可以满足节点标识的需要。同时，IPv6采用了无状态地址分配的方案来解决高效率海量地址分配的问题，因此，网络不再需要保存节点的地址状态，维护地址的更新周期，这大大简化了地址分配的过程，网络可以以很低的资源消耗来达到海量地址分配的目的。从整体来看，IPv6具有很多适合物联网大规模应用的特性，不仅能够满足物联网的地址需求，同时还能满足物联网对节点移动性、节点冗余、基于流的服务质量保障的需求，很大程度上成为物联网应用的基础网络技术。

1.4.2 物联网产业

1.网络从虚拟走向现实，从局域走向泛在

人类对于信息自动化和智慧化的巨大的消费需求推动了通信企业网络泛在化、终端泛在化、业务泛在化3大趋势。

1）网络泛在化：随时随地、无处不在的信息网络成为未来发展的重要网络趋势（比如M2M网和物联网的发展）。

2）终端泛在化：网络的泛在化使得终端出现泛在化趋势，终端形态、终端功能基于终端开发的应用不断延伸。

3）业务泛在化：客户需求的多元化推动了基于终端的应用不断丰富化，无处不在的信息服务成为了可能。

2.物联网将信息化过渡到智能化

物联网时代的信息化则将地球上的人与人、人与物、物与物的沟通与管理全部纳入新的信息化世界，物联网的发展将使地球更加智慧。例如，健康监测系统将帮助人类应对老龄化问题；“树联网”能够制止森林过度采伐；“车联网”可以减少交通拥堵；“电子呼救系统”在汽车发生严重交通事故时可以自动呼叫紧急救援服务等。

3.巨大的需求将牵引物联网产业快速发展

有预测显示，未来物联网的发展将经历4个阶段：2010年之前，RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域；2010～2015年，物体互联；2015～2020年，物体将进入半智能化；2020年之后，物体将进入全智能化。物联网发展将以行业用户的需求为主要推动力，以需求创造应用，通过应用推动需求，从而促进标准的制订和行业的发展。物联网是国家通过科技创新并转化为实际生产力的现实载体，也是实现信息化与工业化相融合的一个突破口。

以行业应用为核心，创建示范性的大型项目，利用大项目来带动产业链某个环节或某方面，将会加速物联网产业在中国的发展。在突破关键性技术时，研发和推广应用技术，加强行业领域的物联网技术解决方案的研发和公共服务平台建设，以应用技术为支撑突破应用创新。从推广应用行业来看，公共安全、智能电网、物流产业、智慧城市、智能家居、远程医疗、环境监测、精细农业、节能环保等行业将成为率先应用的领域。

4.从互联网手机到物联网手机

目前，智能手机终端成为物联网产品中最耀眼的明星，可以预见，“互联网手机”最终的演变趋势是“物联网手机”。依托智能手机而产生的手机物联网商务空间将大有可为，可在手机上植入应用卡和安装应用软件，加之手机本身可自带的GPS、重力感应器、高精度摄像头、RFID等功能，可以很容易地实现物与物之间的链接。用户可以随时通过手机控制家用电器，到家前提前打开空调、热水器；安防系统可以让你更安心，一旦有人侵入住宅或者盗窃汽车等物品，手机都会在第一时间接到报警，并通过移动互联网迅速找到目标。用户还可以用手机辨别物品的识别码或植入芯片，完成购物、信息查询、鉴别真假、物品定位等。

5.运营商正在加速引导物联网的发展

事实上，中国移动、中国电信、中国联通等运营商已经认识到了物联网蕴藏的巨大商机。在2009年9月19日的中国国际信息通信展上，中国移动的电子商务、手机购物、物流信息化、企业一卡通、公交视频、移动安防、校讯通等一批物联网概念的业务已经展示在业界眼前，他们积极与各方合作，完善物联网产业链的构建。基于中国移动技术的物联网与嵌入式系统融合，将给中小型企业带来新的机会，中小制造企业可以使得产品智能化，提高市场竞争力与利润空间。中小服务型企业可以升级自己的服务，使得服务更加智能化。融合网络与嵌入式系统的结合，可以远程维护与服务，智能化地设备管理和调度。中国电信结合自身已有的产品，根据社会信息化需求发展和创新，逐步在“商务领航”、“我的e家”、“天翼”等品牌内填充与物联网相关的内容，重点关注环保、农业、交通、能源、物流、城市管理等应用领域。在2010中国国际物联网（传感网）博览会上，中国联通物联网业务群首次高调亮相。围绕物联网感知、传输、处理、应用4大核心领域，中国联通全方位展示了其物联网在工业、农业、电力、交通、物流、环保、水利等12个领域的物联网业务。此外，中国联通也推出了3G污水监测业务，该业务可以通过3G网络，实时对水表、灌溉等动态数据进行监测，并且能对空气质量、碳排放量、噪音等进行监测。

6.物联网产业链将逐步完善

从时间维度看，首先受益的是RFID和传感器厂商，接着是系统集成商，最后是物联网运营商。从空间维度看，增长最大的是物联网运营商，其次是系统集成商，最小的是RFID和传感器供应商。短期看，二维码、RFID厂商和SIM卡企业业绩前景更突出。中期看，系统集成企业业绩会激增。在物联网导入期，应用多处于垂直行业应用阶段，对系统集成的要求并不是特别高，RFID厂商可以兼顾。在物联网成长期，由于涉及技术和界面开始增多，专业的系统集成企业需求会突增。长期看，物联网运营企业最有潜力，在导入期和成长期的前期，由于下游需求应用较为分散，物联网运营企业的竞争力也难以辨别，投资风险较大。随后，投资风险将逐渐降低，效益和竞争力逐渐显现。

7.智慧城市将成为物联网的载体与试验场

虽然物联网在中国取得了一定的发展，但依然缺乏成熟的商业模式。目前，物联网的应用推广还处于探索阶段，没有清晰的规划、没有大规模的产业化应用。因此，未来中国物联网发展的关键是寻找规模化应用的突破口。

目前，中国的很多城市相继制定了建设智慧城市的规划和方案，物联网的应用将在中国的发达城市率先取得突破。主要包括信息基础设施建设——无线传感器网络和无线城市建设；智慧城市公共服务和管理体系建设——社会保障、医疗、卫生、教育、人口、土地资源、城市交通、综合管理、公共安全、生态环境等；新兴智慧产业——物联网基础产业、智能电网、智慧家居、智慧农业、各类现代服务业。

8.物联网与移动网趋向融合

物联网的核心是大力发展并整合传感、网络和信息系统3大已有技术，其实质是信息化新阶段。第三代移动通信系统TD-SCDMA，中国掌握着核心技术，系统时钟已不再依赖GPS系统，在中国的3种3G系统中其安全性能最高，这将最大限度地保障传感网的战略安全。中国移动TD-SCDMA与无线传感网融合，必将撬动起一个更大的民族产业，推动经济和自主创新产业更好更快发展。

1.5 物联网发展面临的挑战

物联网的实现并不仅仅是技术方面的问题，建设物联网过程将涉及国家和各地方的发展规划、管理、协调、合作等方面的问题，还涉及标准和安全保护等方面的问题。未来，物联网亟待解决的问题主要有国家安全、标准体系、信息安全、关键技术以及商业模式完善等。

1.5.1 安全问题

1.国家安全

物联网产业是把“双刃剑”，在推动经济和社会发展的同时，将对国家安全问题提出挑战。因为物联网涵盖的领域包括电网、油气管道、供水等民生和国家战略领域，甚至包括军事领域的信息与控制。物联网让世界上的万事万物都能参与“互联互通”，不能再采取物理隔离等强制手段来人为地干预信息的交换，对一个国家或单位而言，也就意味着没有任何家底可以隐藏。在网络社会里，任何人都可以通过一个终端进入网络，网络中的不法分子和网络病毒已严重威胁着我们网络的安全，黑客恶意攻击政府网站，导致信息泄露，危害国家利益。物联网是全球商品联动的网络，一旦出现商业信息泄露，将造成巨大的经济损失，危及国家经济安全。

2.信息安全

随着以物联网为代表的新技术的兴起，信息安全不再是传统的病毒感染、网络黑客及资源滥用等，而是迈进了一个更加复杂多元、综合交互的新时期。嵌入了射频识别标签的物品还可能不受控制地被跟踪、被定位和被识读，这势必带来对物品持有者个人隐私的侵犯或企业机密泄漏等问题。在物联网时代中，人类会将基本的日常管理统统交给人工智能去处理，从而从烦琐的低层次管理中解脱出来，将更多的人力、物力投入到新技术的研发中。那么可以设想，如果某一天物联网遭到病毒攻击，也许就会出现工厂停产，社会秩序混乱，甚至于直接威胁人们的生命安全。

1.5.2 技术标准与关键技术

1.技术标准

标准是对于任何一项技术发展到“适当”阶段的统一规范，如果没有一个统一的标准，就会使整个产业混乱、市场混乱，必将严重制约技术的发展，没有了规模效益，商家和用户的利益也将受到根本的影响。

标准化体系的建立将成为发展物联网产业的首要条件。物联网发展过程中，传感、传输、支撑、应用等各个层面会有大量的技术出现，可能会采用不同的技术方案。如果各行其是，结果将是灾难性的，大量小的专用网相互无法联网，不能形成规模经济，不能形成整合的商业模式，也不能降低研发成本。因此，尽快统一技术标准，形成一个管理机制，这是物联网当前面临的最重要和最迫切的问题。

2.关键技术

自主知识产权的核心技术是物联网产业可持续发展的根本驱动力。作为国家战略新兴技术，不掌握关键的核心技术，就不能形成产业核心竞争力，在未来的国际竞争中就会处处受制于人。因此，建立国家级和区域物联网研究中心，掌握具有自主知识产权的核心技术将成为物联网产业发展的重中之重。物联网涉及的关键技术很多，包括物联网架构技术、统一标识技术、通信技术、物联网组网技术、软件服务与算法、物联网硬件、信息安全技术、物联网标准、中间件等。

1.5.3 商业模式与支撑平台

1.商业模式

物联网召唤着新的商业模式。物联网作为一个新生事物，虽然前景广阔、相关产业参与意愿强烈，但其技术研发和应用都尚处于初级阶段，且成本较高。目前物联网的主要模式还是客户通过自建平台、识读器、识读终端，然后租用运营商的网络进行通信传输，客户建设物联网应用的主要目的还是从自身管理的角度进行信息的收集等，没有创新的物联网商业模式很难调动各方面的积极性。

目前，虽然已出现了一些小范围的应用实践，如国内在上海建设的浦东机场防入侵系统、停车收费系统以及服务于世博会的“车务通”、“e物流”等项目，但是物联网本身还没有形成成熟的商业模式和推广应用体系，商业模式不清晰，未形成共赢的、规模化的产业链。

2.支撑平台

物联网是一个庞大的系统工程，它不仅需要技术，更牵涉到各个行业、产业，需要多种力量的整合。物联网的价值在于网，而不在于物。因此，建立一个全国性的、庞大的、综合的业务管理平台，把各种传感信息进行收集，进行分门别类的管理，进行有指向性的传输，是一个大问题。没有这个平台，各自为政的结果一定是效率低、成本高，不能形成规模就很难有效益。

电信运营商最有力量与可能来建设物联网的支撑平台。然而，运营商目前的网络主要针对人与人之间的通信模式进行设计、优化，没有考虑网络在物联网阶段会遇到传感器并发连接多，但连接数据传输量少、传感器数量级增长等机器与机器之间通信的业务需求。物联网终端通信的业务模式，还具有频繁状态切换、频繁位置更新（移动传感器）、在某一个特定的时间集中聚集到同一个基站等特征，这对网络的信令处理和优化机制要求更高，也对网络带宽和带宽优化有更高的要求。

随着物联网的引入和发展，目前的核心网也面临着大量的终端同时激活和发起业务所带来的冲击。当用户面或信令面资源占用过度，出现拥塞的时候，目前的处理机制仍不健全，无法很好地支撑物联网业务应用。充分考虑物联网的网络接入点分布广泛，业务数据量巨大且要求及时响应的特点，物联网业务运营支撑平台系统应按照“统一标准、统一规划、统一存储、分级按需处理”的原则进行设计和分级部署，而在逻辑层面实现统一的分布存储和协同处理。

习题与思考题

1-01 什么是物联网？

1-02 与传统的互联网相比，物联网有哪些特征？

1-03 物联网中的“物”通常应满足哪些条件？

1-04 目前，物联网尚在起步阶段，还没有一个广泛认同的物联网体系结构，试参考书中的5层物联网技术架构模型，描述你认为的物联网技术架构是什么样的。

1-05 物联网的关键是“物”还是“网”，为什么？

1-06 简述物联网中信息感知层、物联接入层、网络传输层、智能处理层和应用接口层各层的作用。

1-07 简述物联网体系的特点。

1-08 什么是传感器网络？什么是基于RFID的物联网？

1-09 信息感知层有哪些关键技术？

1-10 物联接入层有哪些关键技术？

1-11 智能处理层有哪些关键技术？

1-12 在日常生活中，你感受到有哪些物联网的简单应用？它为我们的生活和工作带来了哪些好处？