第一章 物联网概论1

物联网概论2010年8月第一章物联网概论主编简介田景熙国际数据管理协会（DAMAInternational)资深会员，中国电子学会架构及模型学组，电子政务分组主任，电子商务专家委员会会员。长期从事电子商务、电子政务、工业信息化等领域的信息分类编码、数据描述、信息资源管理与分析等研究。在江苏省信息中心从事信息资源规划工作，同时为南京审计学院等多所大学特聘教授。主要成果有：国家社科基金《工业信息资源发展的国家战略框架研究（10BTQ037）》，项目主持人；工信部“十二五”前期规划研究项目《推进两化融合中的信息资源开发与利用战略研究（KT2009B2018）》，课题组长；《江苏省政务信息资源库建设项目可行性研究及建设方案》主要参与者，等等，发表专著《电子政务信息系统规划与建设》（该书由世界银行前CTO亲自作序），《电子政务信息系统规划与设计》，《电子商务案例分析》及《网络营销经典案例—全球27家知名企业网络营销策略分析》，发表相关专业论文数50余篇。目录

1.1物联网概念的形成

1.2物联网的定义与内涵

1.3物联网的架构、特点和技术物联网概论

1.4物联网的发展、效益和问题31.1物联网概念的形成MarkWeiser（1952-1999）

计算机将最终“消失”，演变为在我们没有意识到其存在时，就已融入人们的生活中的境地。Weiser观点的革命性

1.1物联网概念的形成一是计算机将发展到与普通事物无法分辨为止二是网络将无所不在地融入人们生活中

按计算机的使用情况

1.1物联网概念的形成计算机历史的三次浪潮1.1物联网概念的形成大型机时代：许多人共享一台笨重的机器。PC时代：一人一PC。后PC时代：一人多PC物联网按其设备的主导形态分为四个阶段1.1物联网概念的形成主机、大型机的联网，其体积庞大，运行条件苛刻，专业人员操作且人机界面友好性差台式机、笔记本的联网，普通人经过培训即可操作嵌入式智能物件等与日常生活密切相关设备的互感、互联、互通。以手机为代表的各类移动设备的互联，无需培训即可操作，界面简单友好。1.1物联网概念的形成计算机技术将和谐的融入生活中。为人所用，不为人知！物联网概念的核心内容物联网概念的提出物联网的定义物联网与传感网物联网与泛在网物联网与M2M物联网与微机电系统1.2物联网的定义与内涵《ITU互联网报告2005：物联网（TheInternetofThings）》

1.2.1物联网概念的提出无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到公路设施等都可以通过互联网进行数据交换。无线射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术等将得到更加广泛的应用。物联网概念比较正式的提出物联网（TheInternetofthings，IOT）的基本定义1.2.2物联网的定义通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品通过有线与无线方式与互联网连接，进行通信和信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物物相连的互联网1.2.2物联网的定义一个茶盅自从其在工厂里诞生的那一刻就内置一个可以被自动识别的RFID芯片，从其走下流水线到走进沃尔玛商场，其间的每一步，都能够在任意一台联网的电脑上查到其位置和状态。我们在沃尔玛商场里拿到这个茶盅放进自己的购物车，直接走出沃尔玛的大门，并不需要站在一条人龙后面排队等待沃尔玛的服务生为我们一一结帐。大门上的检测器会自动结算，这件茶盅和相应的价格会自动出现在大门侧栏的显示屏上。同时它也检测出我口袋里的信用卡卡号，然后显示出：我们将从你的招行信用卡（尾号4567）里扣除5块人民币。1.2.2物联网的定义同样是一个茶盅，星巴克从一家工厂里定制了它。它在星巴克的小店里将会履行这样的职责：当一个客人把一杯咖啡喝完时，这个茶盅会自动通知柜台主控电脑：5号桌区域的客人已经喝完咖啡，我想应该有人来为他续杯了。当然，续杯之后，也不需要客人现场掏钱，只要他口袋里有一张同样联网的信用卡就行。物联网包含的两层含义1.2.2物联网的定义一，物联网的基础和支撑是强大的计算机系统，它是以计算机网络为核心进行延伸和扩展而形成的网络。二，物联网的终端用户已经延伸和扩展到众多物品之间，进行数据交换和通讯。物联网的相关说明

1.2.2物联网的定义英文百科Wikipedia对其的定义较简单:TheInternetofThingsreferstoanetworkofobjects，suchashouseholdappliances，物联网即“像家用电器一样的物体的互联网络”。物联网的其他表述：M2M（MachinetoMachine）、传感网（SensorNetworks）

、普适计算（PervasiveComputing）、泛在计算（Ubiquitouscomputing）、环境感知智能（AmbientIntelligence）等等。什么是传感网？

传感器网就是由部署在一定范围内的大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线与有线通信方式形成的一个自组织的网络系统，彼此协同地进行感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并将结果发给观察者或控制器。1.2.3物联网与传感网传感网的三要素

1.2.3物联网与传感网传感器控制器感知对象传感网传感网的研发与应用1.2.3物联网与传感网1999年中科院就启动了传感网的研究，并已取得了一些科研成果，建立了一些适用的传感网；2005年，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出：“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”；2003年，美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，将无线传感网络列为21世纪改变世界的十大技术之首；泛在网的概念

1.2.4物联网与泛在网计算机或终端设备最终将在任何地点均可连网计算，实现任何地方都可联结的信息社会。“无所不在的计算”（（UbiquitousComputing））1.2.4物联网与泛在网“泛在计算”：UbiquitousComputing、UbiquitousNetwork

“泛在科技”或“U化科技”：UbiquitousTechnology

泛在网发展的三个历程1.2.4物联网与泛在网物联网与泛在网的关联1.2.4物联网与泛在网物联网从联网对象角度进行描述，两者实为一体两面。“泛在”强调的是物联网存在的普遍性、功能的广泛性和计算的深入性。

泛在网的全球发展1.2.4物联网与泛在网世界各国对信息化的发展战略均有不同的背景与侧重点，故对泛在网、泛在计算等的称呼与表述各有不同，主要分为欧洲、亚洲与美洲三大类。欧洲

1.2.4物联网与泛在网称为环境感知智能（AmbientIntelligence），由于欧洲国家众多，信息化水平不一，故发展重点在强调联网对象的整合与资源网的汇聚上。重点包括微计算、联网物件的用户界面及泛在通信三个主导领域的创新；如：进行交通优化……亚洲

1.2.4物联网与泛在网日本、韩国、新加坡、台湾等都将建设泛在网（UbiquitousNetwork）基础设施、开发各领域的泛在应用、建立各地实验基地和扶持重点技术研发等列为21世纪国家或地区信息化发展战略，要将泛在技术广泛地用于产业竞争力提升、建立智能社会、改善民生、扩大就业等领域；如：日本U-Japan计划、韩国U-Korea战略、新加坡的“智慧汇交I-Hub”和台湾地区的“移动台湾M-台湾”计划……1.2.3物联网与泛在网日本韩国新加坡台湾地区主管机关总务省（MIC）信息通讯部（MIC）资讯通信发展管理局（IDA）资讯通信发展推动小组（NICI）战略口号u-Japanu-Korea下一代I-HubM-台湾实施期间2004-20102004-20102005-20092004-2008发展目标2010年成为全球ICT最先进的领导国家为民众提供U化便利生活，提高ICT产业和国家竞争力创造一个安心安全的超高速网络环境及迈向无所不在的网络社会移动台湾，应用无限，跃进新世界。推动内容1.泛在网建设2.ICT应用深化3.应用环境整备1.u-City计划2.Telematics示范应用发展计划3.u-IT产业集群计划4.u-Home计划1.发展汇流网络2.提供感知网络服务3.拓广新型输入/输出设备4.拓广新型运算设备5.促进新型媒体软件/内容/应用的安全6.促进产业结盟/合作1.基础建设2.移动服务3.移动生活4.移动学习1.2.3物联网与泛在网1.2.3物联网与泛在网身体不适，怀疑自己生病了怎么办？要不要去医院做个检查？日本TOTO最新款智能马桶也许能解决这个问题，省去你跑医院排队检查的麻烦。马桶上安装尿液收集器和臂带，能分析使用者的尿液成分，测量血压、体温并利用嵌在地板内的秤测量体重。“数据会自动被发送到你的个人电脑上，然后你可以把它们发送给医生。”北美

1.2.4物联网与泛在网IBM提出普适计算（PervasiveComputing）概念，其目标是“建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐地融合在一起，人们可以“随时随地”和“透明”地通过我们日常生活中的物体和环境中的某一联网的动态设备，而不仅仅是计算机设备进行随时随地的交流和协作”。普适计算的国际研究动向——麻省理工学院(MIT)的Oxygen项目。其寓意是：未来计算象氧气一样无处不在并可自由获取。该项目将固定计算设备和移动设备通过可自动配置的网络连接起来。系统采用了包括休眠环境的自动转换等8种环境驱动技术。——Microsoft公司的EasyLiving研究项目。致力于智能环境的体系开发，涉及中间件、几何世界建模、定位感知、服务描述等技术。其关键特点是：机器视觉、多传感器的自动和半自动校准，以及独立于设备的通信。——AT&T实验室和英国剑桥大学合作的研究项目SentientComputing。通过用户接口、传感器，以及建立资源数据等手段，为系统提供基于用户和位置的数据更新能力，系统可无缝扩展到整个建筑物。——卡内基.梅隆大学的Aura项目。强调普适计算的中间件技术和应用设计，该项目包括3个子项目：Darwin智能网络，是Aura的核心；Coda分布式文件管理系统；Odyssey为资源自适应提供操作系统支持。该系统可容纳桌面、手持和可穿戴系统。——此外，还有惠普公司的CoolTown项目、EverydayComputing项目；IBM的WebSphereEveryplace项目；华盛顿大学的Portolano项目等等。1.2.4物联网与泛在网M2M（MachinetoMachine）的定义1.2.5物联网与M2M狭义：指机器设备之间通过相互通信与控制达到彼此间的最佳适配与协同运行，或者当某一设备出现异常时，其它相关设备将自动采取防护措施，以使损失降至最低。广义：指任何物件与物件之间的彼此互联与互操作。M2M是物联网的特有性能之一！M2M（MachinetoMachine）的定义1.2.5物联网与M2MM2M技术综合了数据采集、网络通信、GPS、远程监控、工业自动控制等技术，广泛被应用于安全监测、自动抄表、机械服务、交通等诸多领域。M2M的构成1.2.5物联网与M2M前端的传感器及设备通信网络后端系统前端的传感器及设备

1.2.5物联网与M2M前端传感器及设备实现透彻的感知能力。它通过内置的传感器获得数据,并通过M2M使设备或模块进行数据传输，这种M2M使设备或模块可具有数据汇聚能力，能对多个传感器提供联网服务。如：智能传感器（SmartSensor）通信网络

1.2.5物联网与M2M网络提供设备间互联互通能力。很多应用场景的数据流量特征是固定时间间隔的短暂突发性流量，需要网络能够提供连接的有效性和经济性。总体要求是能够利用固定、移动和短距离低功耗无线技术的融合应用提供日趋泛在化的覆盖能力和可靠的服务质量。后端系统1.2.6物联网与M2M后端系统提供智能化支持。它可以为相关应用或管理系统，具有较高的安全性要求，可以实时收集、分析传感器数据，根据各种模型对机器设备的作业、状态和环境等进行动态比对与研判，发现异常时能及时报警，利用网络统计等数据进行前端设备和故障排障，或对其它相关设备发出异常指令，要求其作出相应等。M2M是从物联网的功能与状态角度对物联网的一种描述！什么是微机电系统？1.2.6物联网与微机电系统（MEMS）微机电系统（MicroElectro-MechanicalSystems，MEMS）是一种智能微型化系统，其系统或元件为毫米至微米量级大小，将光学、机械、电子、生物、通信等功能整合为一体，可用于感测环境、处理信息、探测对象等。MEMS可以视为M2M的特殊应用范畴微机电系统的应用1.2.6物联网与微机电系统（MEMS）基于MEMS技术的胃肠道内窥检查系统：胃肠道无线内窥镜主要用于胃肠道疾病的诊断.其核心部分为一可吞服的胃肠道摄像无线发射的药丸,

将照像机、光源、信号转换器和发射装置等集成在一个如感冒胶囊形状与大小的胶囊中，病人吞服后系统能对胃肠道内部进行检查，可连续拍摄下数万至数十万帧照片并将信号发送给接收端，供医生详细观察，病人毫无痛苦。1.2.6物联网与微机电系统（MEMS）微机电系统的应用智慧灰尘（SmartDust）：是MEMS技术应用的极致，它是美国伯克利大学开发的一种无线传感器联网技术。传感器尺寸可小如纽扣、最小可如米粒大小。智慧灰尘最初考虑用于军事侦察上，通过无人飞机等将数以百计的伪装过的智慧灰尘大范围地散布在侦察区域或军事重地，侦测数据可以是温度、湿度、声音、光线、压力、二氧化碳浓度等数据，就能感知敌军动态，再通过红外线、或无线电波等将搜集的信息回传到后方。这种智慧灰尘可随机播撒，散布在环境或物体上，随后就通过自我组织及内建冗余来就地组网、彼此识别、自动路由、自行形成感测集群并向后方发送侦察数据等。可节省大量侦察兵力，得到更实时有效的信息，且因为传感器数量庞大，敌军不易清除。美国国防部在2006年初公布的新年度国防白皮书，仍将利用电子设备代替人力侦察的无线感测网络技术列为重点发展项目。

物联网的总体架构物联网的特点物联网涉及到的关键技术1.3物联网的总体架构、特点与关键技术物联网的总体架构1.3.1物联网的总体架构感知层接入层处理层应用层按逻辑结构划分1.3.1物联网的总体架构《新时期我国信息技术产业的发展》感知层1.3.1物联网的总体架构感知层的主要功能是实现物体的感知、识别、监测、数据或数据变化采集，以及反应与控制等。感知层主要由遍布各种建筑、楼宇、街道、公路桥梁、车辆、地表和管网中的各类传感器、二维条形码、RFID标签和RFID识读器、摄像头、GPS、M2M（MachinetoMachine）设备及各种嵌入式终端等组成的传感器网络。它是物联网的基础。接入层1.3.1物联网的总体架构接入层是由各类有线与无线节点、固定与移动网关组成各种通信网络与互联网的融合体，是相对成熟的部分。现有可用网络包括互联网、广电网络、通信网络等。但由感知层采集的大量数据接入，并实现M2M应用的大规模数据传输时，仍需解决新业务模式对系统容量、服务质量的特别要求。处理层1.3.1物联网的总体架构处理层对应图中中间件层，由目录服务、管理U-Web服务、建模与管理层、内容管理、空间信息管理等组成，实现对应用层的支持。该层的发展是物联网管理中心、资源中心、云计算平台、专家系统等对海量信息的智能处理。应用层1.3.2物联网的总体架构应用层是将物联网技术与各类行业应用相结合，实现无所不在的智能化应用，如物流、安全监测、农业、灾害、危机管理、军事、医疗护理等领域。物联网最显著的特点1.3.2物联网的特点在物联网环境中除了人与人之间可以通过网络相互联系、人也可通过网络取得对象的信息之外，对象与对象之间也可通过网络彼此交换信息，协同运作，相互操控，从而创造出一批批自动化程度更高、反应更灵敏、功能更强大、更适应各种环境、耐候性更强、对各产业领域拉动力更大的应用系统来。1.3.2物联网的特点国际电信联盟：物联网的运行可分为“时间（Time）、地点（Place）与物件（Thing）”三个维度，它将创造出所有对象皆可在任何时间、任何地点相互沟通的环境。1.3.2物联网的特点物联网发展的五个关键技术1.3.3物联网的涉及到的关键技术射频识别技术无线传感网技术嵌入式技术纳米与微机电技术分布式管理技术射频识别（Radio-frequencyIdentification，RFID）技术1.3.3物联网的涉及到的关键技术RFID技术是利用射频信号及其空间耦合和传输特性进行的非接触双向通信，实现对静止或移动物体的自