1.1.1 IoT的发展背景

1.社会背景

比尔·盖茨在1995年出版的《未来之路》（The Road Ahead）一书中描绘了他对物联网的朦胧设想与初步尝试，1998年美国麻省理工学院的科学家们则描述了一个基于射频标签（Radio Frequency Identification，RFID）与产品电子代码（Electronic Product Code，EPC）的物联网概念与原型系统。

2005年，ITU在世界互联网发展年度会议上发表了题为《物联网》（Internet of Things）的报告。这份报告描绘了一个伟大的构想：世界上的万事万物，小到钥匙、手表、手机，大到汽车、飞机、楼房，只要嵌入一个微型的RFID芯片或传感器芯片，就能够通过互联网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”。

2009年，在全球金融危机的大背景之下，IBM公司向美国政府提交了名为《智慧地球》（Smart Earth）的科研与产业发展报告。IBM学者提出：智慧地球=互联网+物联网。智慧地球将传感器嵌入公路、铁路、桥梁、隧道、建筑、电网、供水系统、油气管道等各种物体中，并与超级计算机、云数据中心组成物联网，实现人与物的融合。智慧地球的概念是通过在基础设施和制造业场景中大量嵌入传感器，捕捉运行过程中的各种信息，利用无线网络接入互联网，通过计算机分析、处理和发出指令，最后反馈给控制器远程执行。控制对象小到一个开关、一台发电机，大到一个行业。通过智慧地球相关技术的实施，人类可以更精细和动态地管理生产与生活，提高资源利用率和生产能力，改善人与自然的关系。

将比尔·盖茨在《未来之路》一书中所说的“我的房子是用木材、玻璃、水泥、石头建成，同时也是用芯片和软件建成”与《智慧地球》报告中描述的“将传感器嵌入公路、铁路、桥梁、隧道、建筑、电网、供水系统、油气管道等各种物体中”联系起来，就可以体会到：在物联网的概念出现之前，小到房屋，大到公路、铁路、机场，这些钢筋混凝土构建的基础设施和建筑与高科技的传感器、芯片、通信、软件技术没有联系。有了物联网之后，在基础设施里嵌入传感器、执行器、芯片，利用通信、软件技术，就可以将“人-机-物”融为一体，让没有生命的基础设施具有“智慧”。物联网将应用到各行各业与社会的各个方面，开启一个新的时代。

《智慧地球》报告使“物联网”这个概念浮出水面，各国政府都认识到发展物联网产业的重要性。2010年前后，各国纷纷从国家科技发展战略的高度，制定了各自的物联网技术研究与产业发展规划。

2.技术背景

任何一项重大科学技术发展的背后，都必然有前期的科学研究基础。在讨论物联网发展的技术背景时，需要联系到前期的两项重要研究：普适计算与信息物理系统。

（1）普适计算

普适计算（Pervasive Computing）又称为泛在计算或无处不在的计算。1991年，美国Xerox实验室的Mark Weiser在Scientific American杂志上发表了论文“The C o m-puter for the 21st Century”，正式提出了普适计算的概念。1999年，欧洲研究团体ISTAG提出了环境智能（Environmental Intelligence）的概念。普适计算的思想是使计算机从用户的意识中消失，在物理世界中结合计算处理能力与控制能力，将人之间、人与机器之间、机器之间的交互最终统一为人与自然的交互，从而达到“环境智能”的境界。

理解普适计算的概念时，需要注意以下几个问题：

• 普适计算的重要特征是“无处不在”与“不可见”。

• 普适计算体现了信息空间与物理空间的融合。

• 普适计算的核心是“以人为本”。

• 普适计算的重点在于提供面向用户、统一、自适应的网络服务。

因此，普适计算与物联网从设计目标到工作模式有很多相似之处，普适计算的研究方法与成果对于物联网技术的研究与应用具有重要的借鉴作用。物联网的出现也使人类在实现普适计算的道路上前进了一大步。

（2）信息物理系统

随着嵌入式计算、无线通信、自动控制与新型传感器技术的快速发展与日趋成熟，信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）的研究引起了学术界的重视。CPS通过计算、通信与控制技术的有机融合和深度协作，可以用于智能交通、智能电网、智慧城市、健康医疗、环境监控、军事国防和工业生产等领域，实现信息世界与物理世界的紧密融合。

2006年，美国科学院发布了《美国竞争力计划》报告，将CPS列为重要的研究项目。2007年，美国总统科学与技术顾问委员会在题为《挑战下的领先：竞争世界中的信息技术研发》的报告中列出了八项关键信息技术，其中CPS位列首位。2008年，美国CPS指导小组发布了《CPS执行概要》，提出将CPS的应用重点放在交通、国防、能源、医疗、农业和大型建筑设施等领域。

理解CPS研究的思路时，需要注意以下几个基本问题：

第一，CPS是“人-机-物”深度融合的系统。

CPS在物与物互联的基础上，强调对物的实时、动态控制与信息服务。CPS系统本质上是以“人-机-物”融合为目标的计算技术，以实现人的控制在时间、空间等方面的延伸。人们又将CPS称为“人-机-物融合系统”。CPS的意义在于将物理设备联网，使物理设备具有计算、通信、控制、协作与自治的五大功能。

第二，CPS是“计算-通信-控制”深度融合的系统。

CPS是一种综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computation Communication and Control，计算、通信和控制）技术，使计算、通信和控制技术得到有机融合与深度协作，从而实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS是将计算和通信能力嵌入传统的物理系统中，形成集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。

第三，CPS是“环境感知-嵌入式计算-网络通信”深度融合的系统。

CPS在环境感知的基础上，形成可控、可信与可扩展的网络化智能系统，扩展新功能，使系统具有更高的智慧。学术界将CPS系统的功能总结为“感、联、知、控”四个字。

• 感：多传感器协同感知物理世界的状态。

• 联：连接物理世界与信息世界的人、机、物。

• 知：通过对感知信息的智能处理，正确、全面地认识物理世界。

• 控：根据正确的认知，确定控制策略、发出指令，指导执行器来实现对物理世界的控制。

从应用的角度来看，CPS希望克服已有的传感器系统、计算机系统、控制系统自成一体、设备应用目标单一、缺乏开放性的缺点，注重多个系统之间的互联、互通与互操作，开发标准的互联协议和解决方案，通过开发智能计算、通信、智能与控制技术，提供系统智能化、快速响应的能力，满足用户需要的高质量智能服务，有效地将CPS技术应用于医疗、自动导航、无人驾驶汽车、无人机、智能工业等领域。

尽管CPS与IoT是沿着两条不同的路径发展而来，但是这两条路径存在很多交集。CPS技术的发展和普及将推动工业产品和技术的升级换代，极大地提高汽车、航空航天、国防、重大基础设施等领域的竞争力。CPS的研究目标正是物联网未来发展的方向。因此，我们在研究IoT应用时，应该学习、借鉴与应用CPS技术的研究成果，使IoT与CPS之间能够形成一种自然衔接和良性互动的关系。

综上所述，我们可以用图1-1描述IoT的形成与发展过程。