第二章 物联网简介 物联网的概念 The Internet of Things -- 物体的互联网 让每个目标物体通过传感系统接入网络 两层含义： 物联网的核心和基础是互联网，是在互联网基础上的 延伸和扩展的网络。 物联网的用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间， 进行信息交换和通信。 物联网的起源 物联网的实践最早可以追溯到1990年卡耐基梅隆大学校园 里的网络可乐贩售机——Networked Coke Machine 1991 年英国剑桥大学的咖啡壶事件。 1991 年，科学家马克·维瑟（Mark Weiser）开创性地提出 普适计算（Ubiquitous Computing，ubicomp）的思想，强 调和环境融为一体的计算概念，使人能够更自然的和计算 机交互。（也叫普及计算pervasive computing，环境智 能ambient intelligence，everyware） 1995年比尔·盖茨的《未来之路》预言了计算机行业的未来 ，提到了物联网的构想。 物联网的产生背景 历史背景 人类社会经历了三个文明 农业文明（五千多年）-靠体力，重结果 工业文明（三百多年）-一半靠体力、一半靠脑力 知识文明-以脑力挂帅，活用科学与人文 知识文明的两条主线： 1.计算机、互联网 2.人工智能 二者的结合让物理世界和信息世界联系在了一起。 RFID和 RFID 和EPC 真正的“物联网”概念最早由英国工程师 Kevin Ashton在1998 年提出。 Kevin Ashton 对物联网的定义：把所有物品 通过射频识别（RFID）等信息传感设备与互 联网连接起来，实现智能化识别和管理。 1999年，Kevin Ashton与美国麻省理工学院 （MIT，Massachusetts Institute of Technology） 的教授Sanjay Sarma、Sunny Siu 和研究员 David Brock 共同创立了一个RFID 研究机 构—自动识别中心（Auto-ID Center）。 RFID (Radio Frequency IDentification， 射频识别，又称电子标签，是一种通过 无线电讯号识别特定目标并读写相关数 据的技术) Auto-ID Center的目标是在计算机互联网的基础上，使 用RFID，无线传感器网络(Wireless Sensor Network， WSN)和数据通信等技术，建立一个全球开放 全球开放的标准 全球开放 标准系 标准 统，使得RFID可以识别世界各地的商品。 该系统（电子产品代码系统，Electronic Product Code ， EPC）成功开发完成以后，MIT将其授权给了标准机构 GS1(国际物品编码协会，GS1目前掌握四个重要标准 : Barcodes，eCom，GDSN和 EPCglobal）。 为实现EPC技术的推广和标准化，GS1联合GS1 US（美 国统一代码委员会）于2003年建立了EPCglobal组织。 EPC码是由96位数字组成，能够辨别具体对象的生产者，产 品、定义，序列号。它可以通过EPC网络提供关于产品的附 加信息，例如产地，产品历史等，便于产品的历史追踪。 EPC与条形码区别：产品的条形码仅是对产品分类 的编码，EPC码是对每个单品都赋予一个全球唯一 编码。 EPC可以为地球上的每一粒大米附一个唯一的编码！ 全球最大的零售商美国沃尔玛宣布从2005年1月份开始 前100名供应商必须在托盘中使用EPC电子标签，2006 年必须在产品包装中使用EPC电子标签。 美国国防部、美国、欧洲、日本的生产企业和零售企 业都制定了在2004年到2005年实施电子标签的方案。 RFID、EPC、Internet三个元素的有效组合，孕育出正 在改变世界产品生产和销售管理的全新网络。 ITU 因特网报告2005：物联网 2005 年11 月17 日，在突尼 斯举行的信息社会世界峰会 （WSIS，World Summit on the Information Society）上 ，国际电信联盟（ITU， International Telecommunications Union） 发布了《ITU 因特网报告 2005：物联网》正式提出了 物联网的概念。 根据ITU 的描述，在物联网时代，通过在各种各样的 日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信 息与通信世界里将获得一个新的沟通维度。 – “物联网”是信息和通信技术（ICTs）中的 新维度 – from anytime，any place connectivity for anyone，we will now have connectivity for anything – RFID技术、传感器技术和嵌入式智能技术 是物联网的基础性技术 举例：当司机出现操作失误时，汽车会自动报警；公 文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗 衣机对颜色和水温的要求。 2008年， 2008 年，IBM IBM提出智慧地球 提出智慧地球 2008 年11 月初，在纽约召开的外国关系理事会上，IBM 董 事长兼CEO 彭明盛发表了《智慧的地球：下一代领导人议 程》。 2009 年初，美国总统奥巴马就职后，对“智慧地球”构想 作出了积极回应， 为什么我们的地球不够智慧 电力的使用方面，有40%～70%的电力从发电到最终使 用中被损耗了。 供应链，消费品和零售行业由于供应链效率低下（如 错失交易，库存积压）而造成的损失每年约为400亿美 元，相当于其销售额的3.5%。中国每年物流所占GDP 比重达20%。 交通系统浪费巨大。按时间（42 亿小时）和燃油（29 亿加仑）浪费计算，美国的交通阻塞每年造成的损失 高达780 亿美元，我国交通拥堵造成损失占GDP的 1.5%-4%。找车位，既费油又多排放CO2。 石油开采，钻一口新井花费巨大。如果能够提升已有 油井的生产力，会给生产商带来巨大利润，并使消费 者享受油价降低的好处。 因为缺乏好的电子医疗记录，美国每年有220万起因为 手写处方造成的配药错误；如果电子医疗统一记录的 话，每年可以帮助防止10 万人因为医疗事故而导致的 死亡。 食品安全方面，每年有32.5 万人因为食物中毒住院， 5000人死亡，如何快速查出食品问题的根源…. 面对这一切，IBM 在2008年给出了一个解决之道：智 慧的地球。 什么是智慧地球 IBM的所谓“智慧地球”，是指把新一代的IT、互联 网技术充分运用到各行各业，把感应器嵌入、装备到 全球的医院、电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑 、供水系统、大坝、油气管道，通过互联形成“物联 网”；而后通过超级计算机和云计算，使得人类以更 加精细、动态的方式管理生产和生活，从而达到全球 “智慧状态”。 智慧地球分成三个要素，即“3I”： 物联化（Instrumented）-- 更透彻的感知 互联化（Interconnected）-- 更全面的互联互通 智能化（Intelligent）-- 更深入的智能化” “更透彻的感知”是实现智慧的地球的最基本需求， 是运用身边一切的感知设备，例如数码相机、RFID 等来 得到所需要的信息。 感知设备指利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和 传递信息的设备、系统或流程。 能够被感知的信息包括但不局限于：温度，湿度、噪声 、光强度、压力、土壤成分、地震波、动物的生理数据 、移动物体的大小、速度和方向等。 举例 电力-在线监测电力供应者的电力供应状况，与用户的 电力使用状况，按需发电供电，提高供电质量，快速 修复供电故障，消费者掌控能源消耗。 石油开采-辨识以前看不到的油田，识别可靠储油层， 提高勘探效率和开采率，降低人员风险。 交通-实时交通流量、车辆状态、事故检测，改善交通 拥挤；车位使用状况实时网上更新。 物流-提高货品识别速度，提高流通效率；车辆实时定 位；运输物品监控。 供应链-库存量、商场的余货量自动检测。 医疗-生理指标实时监测，疾病提前预测。 农业-温湿度、土壤成分检测。 环境监测-污染监测、海洋环境、森林生态、火山活动 只要是有必要的都联接到相应的“网络”中。 异构网络全面互联，包括互联网、移动通信网、卫星网 、广电网、无线宽带网（WiFi，WiMAX）、无线低速 网（蓝牙、ZigBee）等。 各种网络适用于不同环境、合力提供便捷的网络接入。 将分散信息及数据连接起来，然后再进行交互和多方共 享，便于从全局的角度分析形势，并实时解决问题，使 工作和任务可以通过多方协作来得以远程完成，从而彻 底地改变了整个世界的运作方式。 举例 通过手机或者计算机对家电或其它设备进行遥控。 “更深入的智能化” 更深入的智能化”是指对海量数据进行深加工的 举例 金融-透过重重的数据迷雾洞悉金融系统内部的潜在危 过程。 得到的海量数据如何通过智能化的数据分析得到有用 的信息才是最重要的。 经过对海量数据的加工，获取更加新颖、系统且全面 的认识来解决特定问题。 要求使用先进技术（如数据挖掘、科学模型和功能强 大的运算系统）来处理复杂的数据，并将特定的知识 应用到特定行业、场景和解决方案中以更好地支持决 策和行动。 “更全面的互联互通” 更全面的互联互通”把我们生活中所有的东西， 机，从而为金融行业提供更有力的监督与管控。 供应链-企业面对大量的个性化需求预订单，使供应链 更加智慧并做出准确的客户需求预测。 交通-根据实时的交通数据，进行最优调度和准确预测 。 电力-电力部门何时向何地供应多少电能才能既满足用 户需求又能使损耗降到最低。 “生态沈阳 沈阳”和“智慧城市”牵手 沈阳 2009年9月16日，沈阳市人民政府与IBM公司及东北大学共同 举行了战略合作签约仪式，同时宣布了沈阳生态城市联合研 究院正式成立。沈阳将在五年内从工业化城市向国家生态城 市行列迈进，建成全国环境建设样板市。智慧城市建设将令 沈阳实现城市发展低开采、高利用、低排放的最佳效果。 广东省信息产业厅与 IBM 签署战略合作备忘录，携手共同推 广东 进“数字广东”建设。 南京市人民政府与 IBM 签署战略合作备忘录，宣布双方将在 南京 智慧城市建设领域展开全方位的战略合作，携手打造“智慧 之都”、“绿色之都”、“枢纽之都”以及“博爱之都”。 昆明市人民政府与 IBM 共同举行合作备忘录签约仪式，宣布 昆明 双方将综合运用物联网、云计算、决策分析与优化等先进信 息技术手建设资源节约型和环境友好型的“智慧昆明”。 智慧地球的构成 其它起源:无线传感网络 • WSN是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成 ，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。 微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上 系统（SOC， System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技 术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)。 WSN以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信 息感知的一场变革。 传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要 素。 其它起源：Cyber-Physical System 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。CPS将 来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网 络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精 确控制、远程协作和自治功能。它注重计算资源与物 理资源的紧密结合与协调。 WSN的三个发展阶段： 第一阶段：最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使 用的传统的传感器系统 第二阶段是二十世纪80年代至90年代之间。要是美军 研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系 统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感 器具备感知能力、计算能力和通信能力。 因此在1999 年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21 项技术之一 。 第三阶段：21世纪开始至今。这个阶段的传感器网络 技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。 物联网定义 目前，针对物联网，业界尚未给出一个标准的定义。物联网 定义的难产，究其根源在于物联网所涉及的行业、领域、技 术太宽泛，而其应用模式和场景又过于分散。 一种较为认可的定义： 物联网是指通过RFID (射频识 别)、红外感应器、GPS(全球定位 系统)、激光扫描器等信息传感设 备，按约定的协议将任何物体与互 联网连接起来，进行信息交换和通 信，以实现智能化识别、定位、跟 踪、监控和管理的一种网络。 物联网的其它一些定义 物联网的三个特征 特征 描述 全面感知 利用射频识别，二维码，传感器等感 知、捕获和测量技术，随时随地对物 体进行信息采集和获取 可靠传送 通过将物体接入信息网络，随时随地 进行可靠的信息交互和共享 智能处理 利用各种智能计算技术，对海量的感 知数据和信息进行分析并处理，实现 智能化的决策和控制。 物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能 装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知 识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时 控制、精确管理和科学决策目的。 2011年5月，工业和信息化部《物联网白皮书》 物联网的基本工作原理 1.对物体属性进行感知和标识 RFID存储的信息；传感器实时探测 2.识别设备完成对属性的读取 RFID阅读器；将传感器信息转换为所需格式 3.将物体的信息通过网络传输给信息处理中心 4.处理中心完成相关计算 数据挖掘；优化计算等 5.向相关物体发送控制指令 物联网中的“物”需要满足的条件 1、要有一定的存储功能； 2、要有CPU； 3、要有操作系统； 4、要有专门的应用程序； 5、 要有数据传输通路； 6、 遵循物联网的通信协议； 7、在全球网络中有可被识别的唯一编号 物联网与互联网的区别 物联网是在互联网基础上的延伸和 扩展的网络。 物联网比互联网多了一个底层的数 据采集环节，大致是四类数据的采 集：电子标签显示身份，传感器捕 捉状态，摄像头记录图像，GPS进 GPS 行跟踪定位。 本质区别：互联网是为人而生，物 联网是为物而生，物联网实现比互 联网难度大许多。 物联网使人类智慧物化 物联网本质上管理物的可变属性， 目的是增加对物的可控制性，进而 服务于人类。 发展物联网的意义和各国政策 物联网产业是世界信息产业的第三次浪潮 信息产业的第三次浪潮 （第一次： 计算机；第二次：互联网） 物联网是计算模式的一次变革 计算模式的一次变革 IBM前首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点，认 为计算模式每隔15年发生一次变革。人们把它称为“十 五年周期定律”。1965年前后发生的变革以大型机 大型机为标 大型机 个人计算机的普及为标志，而1995 志，1980年前后以个人计算机 个人计算机 年前后则发生了互联网 互联网革命，2010年前后发生的就是 互联网 物联网革命。 物联网 将物理世界和信息世界紧密相连，有利于物质资源和 信息资源的有效利用。 各国发展物联网政策：美国 美国的基础设施、技术水平和产业链发展程度都走在世界 各国前列，已趋于完善的互联网为物联网的发展创造了良 好的先机。 奥巴马就职后，积极回应“智慧地球”的概念，将物联网 计划升级为国家战略，投入巨资研究物联网相关技术。 美国7870亿美元《经济复苏和再投资法》中，鼓励物联网 技术发展政策主要体现在推动能源、宽带与医疗三大领域 开展物联网技术的应用。 各国发展物联网政策：日本 u-Japan目标：建设 无所不在的网络社会 ，2010年实现 “anytime、anywhere 、anything、anyone” 都能上网的环境。 i-Japan目标：助力公 共部门信息化应用。 日本信息化建设三级跳 各国发展物联网政策：欧盟 2009年6月，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经 济和社会委员会及地区委员会递交了《欧盟物联网行 动计划》（Internet of Things-An action plan for Europe ），意在引领世界物联网发展。 2009年10月，欧盟委员会以政策文件的形式对外发布 了物联网战略，将于2011年～2013年间每年新增2亿欧 元进一步加强研发力度，同时拿出3亿欧元专款，支持 物联网相关公私合作短期项目建设。 2009年12月，欧盟委员会以政策文件的形式，对外发 布了欧盟“数字红利”利用和未来物联网发展战略。 为了加强政府对物联网的管理，消除物联网发展的障 碍，欧盟制定了12项行动保障物联网的发展。 各国发展物联网政策：韩国 2002年4月，e-Korea战略，关注如何加紧建设IT基础设 施，是韩国社会的各方面在尖端科技带动下跨上一个新 的发展台阶。 2006年公布u-Korea战略，旨在使所有人在任何时间、任 何地点享受现代信息技术带来的便利。 u-Korea分两个执行阶段： 发展期（2006-2010年）：基础环境建设、技术的应用以 及u化社会的建立。预期完成的目标：使韩国跻身全球 前15位具有竞争力和前25位高生活水准的国家，将人均 国民收入提高至22 000美元。 成熟期（2011-2015年）：推广u化服务。预定完成的目 标：跻身全球前10位具有竞争力和前25位高生活水准的 国家，将人均国民收入提高至30 000美元。 各国发展物联网政策：新加坡 u-Korea愿景和发展策略 2009年韩国通信委员会出台了《物联网基础设施构建 基本规划》，将物联网市场确定为新增长动力。 智慧国2015（iN2015） 2005年由资讯通信发展管理局（IDC）负责实 施的10年计划。 改造政府、金融、教育、医疗保健、媒体娱乐 、制造与物流、旅游、零售7大行业。 “利用无所不在的信息通信技术将新加坡打造 成一个智慧的国家、全球化的城市” 我国的物联网战略 2009年，温家宝总理在无锡考察时对物联网的发展提出 了三点要求：一是把传感系统和3G中的TD-SCDMA技术 结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快推进传感 网的发展；三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫" 感知中国"中心。我国开始把物联网作为我国未来重要的 发展战略。 在2009年12月的国务院经济工作会议上，明确提出了要 在电力、交通、安防和金融行业推进物联网的相关应用 。 2010年9月国务院常务会议审议通过《国务院关于加快培 育和发展战略新兴产业的决定》。 “决定” 提出“加快 三网融合，促进物联网、云计算的研发和示范应用”。 我国发展物联网的战略意义 互联网诞生于美国，多年来，美国一直引领着互联网 的发展，中国的互联网发展跟随着美国亦步亦趋，相 对被动。 而面对着新兴的物联网，我国与其他国家都处于同一 起跑线上，这无疑为我国摆脱发达国家在网络技术上 的垄断提供了一次良机。 我国的科研机构早在1999年就提出了“感应网络”的 概念，现在我国在某些感应技术方面也处于世界领先 水平。因此，在未来的物联网浪潮之中，我国完全有 可能、也有潜力站在世界之巅、 发展物联网的困境 1.IPv4(Internet Protocol version 4 )地址枯竭 IPv4使用32位（4字节）地址 232=4,294,967,296 IPv6使用128位（16字节）地址，比IPv4的地址空间大 得多的多：可以为每一粒沙子分配一个IP地址。 但直到2011年，IPv6仍处在部署的初期。主要是因为 用户和运营商暂时感受不到IPv6带来的优势 ，导致产 业链缺乏推动IPv6的动力。 我国的物联网战略 2012年2月14日，工业和信息化部发布《“十二五”物 联网发展规划》，规划提出，到２０１５年，中国要 核心技术研发与产业化、关键标准 关键标准研究与制 在物联网核心技术 核心技术 关键标准 定、产业链条 产业链条建立与完善、重大应用示范与推广 重大应用示范与推广等方 产业链条 重大应用示范与推广 面取得显著成效，初步形成创新驱动、应用牵引、协 同发展、安全可控的物联网发展格局。 物联网已被明确列入《国家中长期科学技术发展规划 (2006-2020年)》和2050年国家产业路线图。 我国发展物联网的战略意义 物联网推动我国经济发展方式转变 发展物联网既可以形成物联网相关的各种高新产业， 同时也为传统互联网的发展开拓了新的空间。 物联网可以提升我国传统制造业的水平。我国工业产 品的智能化水平现在还不高，通过引入物联网技术， 我国传统制造业可以提升产品的技术含量，从而提升 附加值，改变目前我国制造业中常见的“高消耗、低 产出”状况。 2.无线频谱稀缺 随着无线技术的广泛应用，无线频谱已成为最稀缺资 源之一。无线电的大量使用，使得有限的频谱变得十 分拥挤。 物联网以无线电频谱作为基础资源来实现移动性和泛 在性。 认知无线电(cognitive radio)将开启一个巨大市场. 认知无线电利用频谱间的空隙，即频谱空洞进行动态 频谱接入，动态传输，动态切换，已达到在拥挤频谱 空间进行信息传输，提高频谱空间利用率的技术 3.标准化 标准是对技术研发的总结和提升，以原创性专利技术为 主，通常由一个专利群来支撑，通过对核心技术的控制 ，很快形成排他性的技术垄断。 物联网没有统一标准。 物联网现有24个国际标准化组织。 标准之争是市场之争。 4.物联网的安全 大量私人数据，一旦隐私泄露怎么办。 黑客:控制红路灯变化，利用身边物品监视个人隐私。 物联网中毒要比计算机和互联网中毒难解决得多。 物联网相关词汇 感知中国，M2M(Machine to Machine), 传感网络（无线 传感网WSN，泛在传感网USN，体域网BSN），智慧 地球（Smarter Planet)，两化融合(Digital Convergence) ，物理信息系统 (Cyber-Physical System, CPS)，普适计 算 (Ubiquitous/ Pervasive Computing ），环境智能（ Ambient Intelligence），可执行的互联网（Extendedinternet，X-internet），电网2.0（智能电网）， Building 2.0(智能楼宇)
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