第1章 物联网及电力物联网概述

1.1 物联网概述

1.1.1 物联网的内涵

2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会第二阶段会议上，国际电信联盟（International Telecommunication Union,ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，从此，物联网（Internet of Things,IoT）这一概念正式进入大众视野。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，万物物联也是信息化时代的重要发展趋势，是继计算机、互联网之后的第三次信息化浪潮。物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络，其核心和基础仍然是互联网。同时，物联网使信息交换与通信从人与人、人与物之间延伸和扩展到了物与物之间。物联网通过智能感知、自动识别与普适计算等通信感知技术，与各行各业形成深度融合的局面。

物联网的概念包含广义和狭义两个层面。广义上，物联网是一个未来发展的愿景，等同于“未来的互联网”或者“泛在网络”，能够实现任何时间、任何地点，使用任何网络的人与人、人与物及物与物之间的信息交换；狭义上，物联网是物与物之间通过传感器连接起来的网络，不论是否接入互联网，都属于物联网的范畴。实际上，早在物联网这个概念被正式提出之前，网络就已经将触角伸到了“物”的层面，例如交通警察通过摄像头对车辆进行监控，通过雷达对行驶中的车辆进行测速等。然而，这些都是互联网范畴的一些具体应用，并且多年前对物的局域性联网处理就已经实现，例如自动化生产线处理。

目前，业界对物联网还没有形成统一的定义，但从物联网本质来看，它是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术的提升。国内专家通常认为，物联网是一种“泛在网络”，这种泛在网络是利用互联网将现实中的人和物都连接在一起，使万物交互。具体可以理解为，它是通过射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感装置采集信息且接入互联网，进行信息交换与操控，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网通过各种感知、现代网络、人工智能及自动化等技术的聚合和集成应用，构建了人与物、物与物之间能够智慧对话的通道，从而创造出更加智慧的世界。

1.1.2 物联网的特征

1.物联网基本特征

从物联网的内涵可以看出，物联网是通过各种感知设备、传感器网络、互联网，以及机器对机器（Machine To Machine,M2M）实现物与物相联、全自动智能化采集、传输与信息处理等功能，主要解决人与人、人与物、物与物之间的连接问题，网络化、物联化、互联化、自动化、感知化、智能化是物联网的基本特征。

① 网络化：网络化是物联网的基础。无论是M2M、专用网络，还是通过无线、有线传输信息，要实现对物体的感知，就必须形成网络形态，并与互联网相连接。目前所谓的物联网，从网络形态来看，大多数是专用网络、局域网，只能算是物联网的雏形。

② 物联化：人物相联、物物相联是物联网的基本要求之一。计算机之间连接形成互联网，可以促进人与人之间交流。而物联网的实质就是在物体上安装传感器，植入微型感应芯片，借助无线或有线网络，打通人与物、物与物之间的信息通道。可以说，互联网实现了人与人的远程交流，而物联网实现了人与物、物与物的通信，进而实现网络由虚拟世界向现实世界的转变。

③ 互联化：物联网是多种网络、多种接入和应用技术的集成，也是让人与物、物与物进行交流的平台。因此，在一定的协议关系下，实行多种网络融合、分布式与协同式并存是物联网的显著特征。与互联网相比，物联网具有很强的开放性，具备随时接入新器件提供新服务的能力，即自组织、自适应能力。

④ 自动化：物联网通过数字传感设备自动采集数据，根据事先设定的运算逻辑，利用软件自动处理采集到的数据，一般不需要人为干预。同时，按照设定的逻辑条件，例如，时间、地点、压力、温度、湿度、光照等，物联网可以实现系统的各个设备之间自动地进行数据交换或通信，并通过自动执行指令实现对物体的监控和管理。

⑤ 感知化：物联网离不开传感器、射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，就像视觉、听觉、嗅觉感官对于人的重要性一样，它们是物联网不可或缺的关键元器件。

⑥ 智能化：所谓“智能”，是指个体对客观事物进行合理的分析与判断，以及有目的地行动和有效地处理周围环境事宜的综合能力。物联网是微处理技术、传感器技术、计算机网络技术、无线通信技术不断发展融合的结果，从其自动化、感知化要求来看，它已具备“智能”的能力，智能化是一种综合能力。

2.物联网与互联网的差异

与传统的互联网相比，物联网的差异主要体现在以下4个方面。

① 融合物理实体。物理实体可融合射频识别与传感技术，应具有可标识、可感知、可通信、可控制的安全智能体的特征，但并非所有的物理实体都要实现这些功能，有些物理实体仅需要实现可标识、可通信等局部功能。

② 异构化特征。智能标识与感知技术由标识与传感技术融合而成，其本质上具有异构性，且不同环境下的智能标识与感知体采用不同的技术实现，具体表现为不同标识及传感器的底层实现技术各不相同，如果特定环境下的标识技术不同，那么其实现技术也不同。同样，不同环境下的传感技术也具有差异化特征。

③ 海量信息的存储、共享、传输及管理。网络承担数据存储、共享、传输及管理的功能。物联网所产生的数据量巨大，海量数据的存储、共享、传输及管理给网络带来了新的挑战，网络需要与之相适应的体系结构来解决因数据规模显著增长而带来的一系列问题。

④ 泛在性与普适计算相结合。物联网中的通信对象扩展到所有物体，将任何时间、任何地点的人与人之间的连接，扩展到任何物之间的信息交换。而普适计算建立在分布式计算、通信网络、移动计算、嵌入式系统、传感器等技术之上，能够用于对上述泛在通信产生的信息进行控制与处理。

1.1.3 物联网的应用类型

物联网应用的发展也面临着和互联网发展初期类似的问题，即如何使内容应用更加丰富，以及如何推动商业运营模式的统一。物联网在网络上的应用延伸，其本质是在信息网络上的一种增值应用，因此物联网发展初期应着重广泛开展需求挖掘、投资消费引导等工作。

物联网可以提供以下4个方面的功能。

① 信息的实时性，借助通信网络，可以及时获取信息。

② 极高的便利性，尤其适用于电子支付业务。

③ 有利于安全生产，能够及时消除存在的安全隐患。

④ 提升社会的信息化程度。

总体来说，物联网将会在提升信息传送率、提高生产率、降低企业管理成本乃至提升人民生活水平等方面发挥重要的作用。从实际价值及目前第五代移动通信网络（5th Generation Mobile Networks,5G）垂直行业应用趋势来看，企业将会成为物联网应用的第一大用户，它也将主导物联网初期发展方向。

物联网应用范围从日常的家庭应用到行业的工业自动化应用等，覆盖非常广泛。根据物联网自身特征，物联网应用的服务类型主要有互联网服务、信息类服务、操作类服务、安全类服务、管理类服务等。根据最新的研究报告，物联网应用将聚焦在智慧物流、智能交通、智能安防、智能电网、智能医疗、智慧建筑、智能制造、智能家居、智能零售、智慧农业等领域。物联网主要应用领域及典型应用见表1-1。

1.1.4 物联网的应用模式

未来，物联网将被应用于各行各业，实现万物互联。但目前物联网的应用规模还不是很大，没有充分实现信息的开放和共享。根据目前物联网的应用情况及实现方案，物联网主要的应用模式可以归纳为以下3类。

1.基于射频识别技术的应用模式

射频识别（Radio Frequency Indentification,RFID）技术是3类能够把“物”改变为智能物件的应用中最灵活的一种。它主要是把移动和非移动资产贴上电子标签，用于识别和区分对象个体，实现对象个体的跟踪和管理。

EPC global组织提出的Auto-ID系统主要由电子产品码（Electric Product Code,EPC）标签、RFID标签阅读器实现信息的过滤和采集的应用层事件（Application Level Event,ALE）中间件、EPC信息服务系统和信息发现服务组成。具体包括对象名解析服务（Object Name Service, ONS）和实体标记语言（Physical Markup Language,PML）。ONS基本上按互联网中域名系统（Domain Name System,DNS）的解析原理实现，甚至采用了部分DNS的现有基础设施。EPC识别的只是标签，所有关于产品的有用信息都由PML来描述，其作用类似于互联网中的超文本标记语言（Hyper Text Markup Language,HTML）。ONS和PML作为物联网框架下的关键技术有着广泛的应用前景，有了ONS和PML，以RFID为主的EPC系统才能真正实现智慧物联。基于ONS和PML，企业将RFID技术的应用由企业内部的闭环应用过渡到供应链的开环应用上，实现真正的物联网。EPC物联网体系架构如图1-1所示。

2.基于无线传感网络的应用模式

无线传感网络（Wireless Sensor Network,WSN）由分布在自由空间里的一组自治的无线传感器组成，共同协作完成对温度、湿度、化学成分、压力、声音、位移、振动、污染颗粒等特定周边环境或目标对象状况的监控。WSN中的节点一般由无线收发器、微控制器和电源组成，节点之间构成Ad-hoc（点对点）自组织网络，包括无线网状网络和移动自组织网络。

以前WSN是计算机和通信专业的热门研究领域，但关于WSN的研究大多集中于非IP协议的ZigBee、TinyOS和基于IP的6LoWPAN等网络底层问题，以及电源的持久性等问题，WSN大规模应用的商用价值和实用性较差。目前，支持WSN的产品及解决方案相对较少。

与基于RFID的应用模式相比，基于WSN的应用模式距离真正的物联网还较远，类似EPC global中ONS和PML等物联网层面的技术还有待进一步研究。

3.基于M2M的应用模式

M2M所覆盖的范围是最大的，其中不仅包含了EPC global和WSN的部分内容，也包含了有线和无线两种通信方式。此外，M2M还包含并拓展了工业信息化中传统的监控和数据采集（Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA）系统。SCADA系统在工业、建筑、能源和设施管理等领域与现在的M2M系统一样，承担设备数据收集和远程监控监测的任务。从表面上看，M2M和SCADA基本相同，但M2M是基于互联网的技术，相对于SCADA的客户端/服务器（Client/Server,C/S）架构，M2M更加标准化、更加开放。

M2M分为移动虚拟网络提供商（Mobile Virtual Network Enabler,MVNE）和移动虚拟网络运营商（Mobile Virtual Network Operator,MVNO）两种业务模式。我国三大基础电信运营商很早以前就开始布局M2M业务。2014年是我国虚拟运营元年，基础电信运营商以外的很多企业陆续获得虚拟运营商牌照，在虚拟运营市场发力，促进了我国物联网的发展。目前，已部署和开展业务的物联网有增强机器类通信（enhanced Machine Type Communications,eMTC）、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）和5G物联网3种。

1.1.5 5G对物联网的影响

在5G定义的增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）和海量机器类通信（mMTC）三大场景中，mMTC和uRLLC都是面向物联网的场景。目前，5G、eMTC和NB-IoT被称为物联网广域互联互通的“三驾马车”。其中，NB-IoT具有低速率、深度覆盖、无连接态切换的特性，适用的物联网业务主要有智能抄表、智能停车、路灯控制、井盖防护、环境监测等；mMTC具有中低速率和移动性，支持多种语言和定位等，适用的业务主要有物流跟踪、车辆定位、移动支付、智能穿戴等；5G具有大带宽、低时延、大连接等特性，适用于需要实时控制和进行视频传输的应用。但从长远来看，随着5G定义的uRLLC和mMTC应用场景逐步成熟，NB-IoT、mMTC朝着5G逐步演进，5G将支持物联网广域互联互通，真正实现万物互联。

物联网作为产业结构升级的重要内容之一，未来将有广阔的发展前景。随着5G应用的逐步落地，未来物联网的发展将获得更为全面的支撑。以工业物联网为例，5G将在以下3个方面助力其发展。

① 促进工业物联网应用边界的拓展。5G在标准制定过程中充分考虑了物联网的需求。在5G的支撑下，工业物联网的应用边界将得到拓展，促使物联网可以应用在更多的场景。

② 促进工业物联网的智能化。5G将在很大程度上促进工业物联网的智能化发展，促进云计算、边缘计算、大数据等技术体系协同部署。借助5G的支撑，人工智能也将在数据和算力两个方面得到更有效的保障。当然，智能化也是工业物联网最终的诉求之一。

③ 促进工业物联网的全面落地。5G对于促进工业物联网的落地应用具有非常积极的意义，5G一方面可以支撑更多的物联网设备，另一方面也能够保障这些设备之间的可靠通信。当然，工业物联网对于网络及信息安全的要求也非常高，5G对此也有相应的保障。

工业物联网的发展不仅需要5G的支撑，同时也需要一系列技术体系的搭建。对于垂直行业来说，如果想借助工业物联网为企业发展赋能，就应该从基础信息系统等基础设施建设开始，进而根据实际需求完成物联网设备和物联网平台的部署。