物联网综述（11.5）

1    物联网的起源与发展

纵观近50年的技术发展，我们会发现一个很有趣的“十五年周期定律”：

 

图1  十五年周期定律图

郭士纳提出的“十五年周期定律”被认为如同摩尔定律一样准确。如图1可以看出：1965年前后发生了以大型计算机为标志的变革，1980年前后发生了以个人计算机普及为标志的变革，1995年前后发生了互联网革命，而在2010年前后，物联网继计算机、互联网与移动通信网之后，被推上世界信息化浪潮的舞台，这又将给世界带来怎样的变革与影响？

早在1995年，比尔盖茨在《未来之路》一书中就已经描绘了物联网时代的雏形，盖茨在书中写道：“当袖珍个人计算机普及之后，困扰着机场终端，剧院以及其他需要排队出示身份证或票据等地方的瓶颈路段就可以被废除了。比如，当你走进机场大门时，你的袖珍个人计算机与机场的计算机相联就会证明你已经买了机票。开门你也无需用钥匙或磁卡，你的袖珍个人计算机会向控制锁的计算机证实你的身份。”这可以说是“物联网”原型的最早描绘[14][1]。

1999年，主要研究联网无线射频识别技术和新兴感应技术的麻省理工学院（MIT）的自动识别技术中心（Auto-IDCenter)的Kevin Ashton和他的同事提出。他们主张将RFID射频识别技术和互联网结合起来，为每个产品建立全球唯一的标识——EPC（Electronic Product Code)产品电子代码，采用射频技术实现对产品的非接触式自动识别，然后通过互联网实现产品信息在全球范围内的识别和管理，形成the internet of things。这是物联网发展初期提出的概念，强调物联网用来标志物品的特征。但是，Kevin Ashton对物联网的定义覆盖范围较窄，仅仅指的是基于RFID技术的实物互联。

2005年ITU在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上正式确定了“物联网”的概念，并随后发布了（ITU Internet report,2005——the Internet of things）报告[5]，对the internetof things的定义为：通过将短距离的移动收发器内嵌到各种配件和日常用品中，人与人、人与物、物与物之间形成了一种新的交流方式，即在任何时间、任何地点都可以实现交互。其描述如图2所示[16][2]。

 

图2  ITU对物联网的描述

与Ashton等人对物联网的定义相比，该定义强调的是物联网物品的特征、向我们展示了它的发展愿景：人们通过物联网的应用获得了一个新的沟通维度，即从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接，扩展到人与物、物与物之间的沟通连接[27]。

2009年1月，奥巴马就职美国总统后，与美国工商界领袖举行了一次圆桌会议，作为仅有的两名代表之一， IBM首席执行官彭明盛（SamuelPalmisano)提出了“智慧地球”（SmarterPlanet）的概念。他在“智慧的地球”理念中对物联网这样描述：运用新一代的IT技术（如RFID射频识别技术、传感器技术、超级计算机技术、云计算等）将传感器嵌入或装备到全球的电网、铁路、公路、桥梁、建筑、供水系统等各个物体中，并通过互联形成“物联网”；而后通过超级计算机和云计算技术，对海量的数据和信息进行分析与处理，将“物联网”整合起来，实施智能化的控制和管理，从而达到全球的“智慧”状态，最终实现“互联网+物联网=智慧地球”。同时，IBM提出了物联网在各个领域的解决方案，包括智能能源系统、智慧交通系统、智慧金融和保险系统、智慧零售系统、智慧医疗保健系统与智慧城市系统等。由上述学者、科研机构等对物联网的定义来看，物联网的概念是在一步步完善的[15]。

2009年6月18日，欧盟执委会发表了《Internet of things —— an action plan for Europe》，描绘了物联网的发展前景，在世界范围内首次系统地提出了物联网发展和管理设想，并提出了12项行动保证物联网加速发展，标志着欧盟已经将物联网的实现提上日程[13]。

2009年10月13日，韩国通信委员会通过了《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，提出了“通过构建世界最先进的物联网基础设施，打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国”的目标，并确定了构建物联网基础设施、发展物联网服务、研发物联网技术、营造物联网扩散环境4大领域和12项详细课题[23]。

以欧盟和韩国为代表的上述物联网行动计划的推出，标志着物联网相关技术和产业的前端布局已在全球范围内展开。

2    物联网概念

物联网（IOT，Internet ofthings)顾名思义就是用网络将事物都联起来，目前较为认可的物联网定义为：物联网是通过射频识别（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，把物品与网络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[22]。

对物联网的另一种定义为：物联网实现物到物（T2T，thing tothing），人到物（H2T，human to thing)和人到人（H2H，human to human)的互联，把目前网络所实现的人与人之间的互联通过传感技术扩大到了物的范围。物联网的核心是实现事物（包含人）之间的互联，从而能够实现所有事物之间主动的信息交换和通信。物体的信息通过网络传输到信息处理中心后可实现各种信息服务和应用。

本文认为，可以将物联网理解成为是泛在网的应用形式，而不是一个传统意义上的网络。

泛在网即无所不在的网络，是指基于个人和社会的需求，利用现有的和新的网络技术，实现人与人、人与物、物与物之间无所不在按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等综合服务的网络体系。泛在网具备环境感知和内容感知能力及智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用；泛在网具有比物联网更广泛的内涵[4]。

传感网可以看作是物联网的一种末梢网络和感知延伸网。传感网是由多个传感器、数据处理单元和通信单元组成的节点，通过自组织方式构成范围受限的无线局域网络。传感网为物联网提供事物的连接和信息的感知[3]。

基于前述对物联网、泛在网和传感网的定义和特征分析，它们之间的关系可以概括为，泛在网包含物联网，物联网包含传感器网，如图3所示。

 

图3 传感网、物联网、泛在网的关系

3    物联网研究中的关键技术

物联网作为下一代信息网络的主体，将会是一个现存和新出现的众多技术融合的综合体，这里仅就当前的一些典型关键技术加以介绍。

3.1   因特网技术

物联网是在现有计算机互联网的基础上，利用RFID技术实现对物品的电子标识，然后再利用无线通信等技术接入互联网，构造一个覆盖世界上万事万物的网络，并实现网络中物品与物品或人与物品之间的“交流”。因此，因特网技术是物联网的技术基础，或者说，物联网是因特网技术在应用范围上的一个由人及物的拓展，因特网主要解决物联网中传感器节点感知信息的传输与共享问题。

3.2   EPC/RFID技术

EPC是物流信息化需求下的产物，提供了一套较完善的产品电子代码编码方法，实现对物理对象的唯一标识。EPC/RFID电子编码与标签技术是物联网中非常重要的支撑性技术。结合EPC/RFID技术和已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术本身发展的趋势[6][7]。

射频标识技术（RFID），俗称“电子标签”，是物联网中非常重要的技术，是实现物联网的基础与核心。射频技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。这一技术由三个部分构成：（1）标签（Tag），附在物体上以标识目标对象；（2）阅读器（Reader），用来读取（有时还可以写入）标签信息，既可以是固定的也可以是移动的；（3）天线（Antenna)，其作用是在标签和阅读器之间传递射频信号。当然，在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持[20]。

该项技术的基本思想是，通过先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备（人员、物品）在不同状态（移动、静止或恶劣环境）下的自动识别和管理。由于射频识别无须人工干扰，可使用于各种恶劣环境，可用来追踪和管理所有物理对象，所以零售商和制造商非常关心和支持这项技术的发展和应用。比如，沃尔玛公司就成功地将射频技术应用于供应链管理中，高速公路的自动收费系统更是这项技术最成功应用之一。

3.3   传感器网络技术

传感器网络是物联网的核心，主要解决物联网中的信息感知问题。物品总是在流动中体现它的价值或使用价值的，如果要对物品的运动状态进行实时感知，就需要用到传感器网络技术。传感器网络通过散布在特定区域的成千上万的传感器节点，构建了一个具有信息收集、传输和处理功能的复杂网络，通过动态自组织方式协同感知并采集网络覆盖区域内被查询对象或事件的信息，用于跟踪、监控和决策支持等，“自组织”、“微型化”和“对外部世界具有感知能力”是传感器网络的突出特点。

如果把计算机看作是处理和识别信息的大脑，把通信系统看作是传递信息的“神经”系统的话，则传感器就是感觉器官。所谓传感器，是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。离开了传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都无法实现。即使是最现代化的电子计算机，假如没有准确的信息（或转换可靠的数据）和不失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。

传感器技术的发展与突破主要体现在两个方面，一是感知信息方面，二是传感器自身的智能化和网络化。未来传感器技术的发展趋势大致可分为如下几个方面：向检测范围挑战；集成化、多功能化；向未开发的领域挑战——生物传感器；传感技术、智者为尊——智能传感器（Smart sensor）；发现和利用新材料[19]。

3.4   无线通信技术

物联网的最终发展形态一定具有“泛在网络”的特点，方便人们随时、随地与目标对象进行通信，因此，无线通信技术的应用是必不可少的一种通信技术手段。事实上，目前物联网所涉及的RFID或传感器网络等核心技术中都融合了无线通信技术，也只有无线通信技术的应用，才能将物联网的构想变成现实，同时达到其低成本和易于实现的目标。

3.5   嵌入式技术

嵌入式技术是将计算机技术、自动化控制技术、通讯技术等多项技术综合起来与传统制造业相结合的技术，是针对某一个行业或应用开发出的智能化机电产品，所实现的产品具有故障诊断、自动报警、本地监控或远程监控等功能，能够实现管理的网络化、数字化和信息化。“物联网”使物品具有了“信息生命”，将物理基础设施和信息基础设施有机地融为一个整体，使囊括其中的每一件物品都“活”起来，具有“智慧”，能够主动或被动地与所属的网络进行信息交换，从而更好地服务于人们的生产与生活，这其中离不开嵌入式技术的广泛应用。正式与嵌入式技术的结合，才使得对物品的标识以及传感器网络等的正常和低成本

工作成为可能，即把感应器（或传感器）嵌入和装备到如电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、油气管道、供水系统等各种物体中，形成物与物之间能够进行信息交换的“物联网”，并与现有的互联网整合起来，从而实现人类社会与物理系统的整合，让所有的物品都能够远程感知和控制，形成一个更加智慧的生产生活体系。

4    物联网研究中的关键技术

虽然物联网的定义有多种说法，但物联网的技术体系结构基本得到统一的认可，分为感知层、网络层、应用层三大层次，如图4所示[17]。

 

图4 物联网典型技术体系结构架构

4.1   感知层

感知层可以比喻为物联网的皮肤和五官——识别物体，收集信息。感知层包括RFID标签和读写器、摄像头、二维码标签和识读器、GPS等，主要作用是识别物体，收集信息，与人体结构中皮肤和五官的功能相似[28]。

感知层解决的是物理世界和人类世界的数据获取问题，包括各类物理量、音频、视频数据、标识数据。这一层位于物联网三层架构的最低层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分，即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，通过工业现场总线、红外、Wifi、蓝牙、ZigBee等短距离有线或无线传输技术进行协同工作或者传输数据到网关设备[24]。

4.2   网络层

网络层相当于物联网的神经中枢和大脑，主要功能是信息传递和处理。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心和信息处理中心等。网络层是在现有各种网络的基础上发展起来的，它与目前主流的国际互联网、移动通信网、各类专网、企业内部网等网络一样，主要承担着数据传输的功能，特别是当电信网、广播电视网、互联网融合后，有线电视网也可以承担数据传输的功能[26]。

在物联网中，网络层使得感知层感知到的数据无障碍、高安全性、高可靠性地进行传送，

使物品能够进行远距离、大范围的通信，最终实现在地球范围内的通信。现有的公众网络是针对个人的应用而设计的，当物联网大规模发展之后，能否完全满足物联网数据通信的要求还有待验证。但是即便如此，在物联网的初期，借助已有公众网络进行广域网通信也是一种必然选择[18]。

4.3   应用层

应用层完成物品信息的汇总、协同、共享、互通、分析、决策等功能，相当于物联网的控制层、决策层。物联网的根本还是为人服务，应用层完成物品与人的最终交互，前面两层将物品的信息大范围地收集起来，汇总在应用层进行统一分析、决策，用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通，提高信息的综合利用度，最大程度地为人类服务。其具体的应用服务又回归到前面提到的各个行业应用，如智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等[8,10]。

5    物联网的应用于前景

通过固话网络，互联网用户群和 CDMA 移动通信网络多业务的融合，目前电信运营商在物联网开发的产品和应用已有数十项之多。包括：M2M 平台、智能城市产品、智能家居、智能校园、智能医疗系统、智能环保产品、智能交通系统、智能司法、智能农业产品、智能物流产品、智能文博系统等。下面详细介绍智能城市、智能家居、智能校园与智能农业四个行业应用的典型产品：

5.1   智能城市与智能交通应用产品

所谓智能城市，是指对城市的数字化管理和城市安全的统一监控。城市安全是指基于宽带互联网的实时远程监控、传输、存储、管理的业务，利用无处不达的宽带和 3G 网络，将分散、独立的图像采集点进行联网，实现对城市安全的统一监控、统一存储和统一管理、为城市管理和建设者提供一种全新、直观、视听觉范围延伸的管理工具[31]。

作为平安城市的重要组成，“全球眼”及“移动全球眼”网络视频监视业务凭借在公共安全与公共交通与运输的突出效果，目前其应用范围已经遍布全国。而随着 3G 业务的发展和移动全球眼的诞生，手机逐渐成为了新的处理终端，真正实现了任何时间、地点的远程监视以及任何时候管理的需要[21]。

 

图5 物联网产品应用之全球眼网络拓扑图

5.2    智能家居应用产品

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讯技术于一体，将各种家庭设备(如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、家电等)通过智能家庭网络联网实现自动化，通过固话、有线宽带和 3G 无线网络，实现对家庭设备的远程操控以及居家安防。

基于 3G 网络的“平安 e 家”智能化手机监控综合系统是一种典型的物联网应用。通过部署在家居内的各种温度感应器、红外感应器或 RFID 设备，借助移动网络在手机视频监控基础上叠加多种报警与远程家居设备控制的家居综合安防系统，其具体设备与流程示意如图所示。

 

图6 物联网产品应用之平安e家系统架构图

该系统设架构图中，整体分为前端、平台、客户端三部分。前端包括摄像机（枪形、球形摄像机）、多种传感器（门磁、窗磁、红外、烟雾、煤气等传感器）、受控家电设备（灯具、冰箱、热水器等）、视频存储服务器与家电远程控制器；平台则需利用视频转发与信令控制服务器实现视频与控制信号的转发；客户端实现远程查看与控制目的。该系统的功能包括但不限于以下几个方面[30]。

5.2.1      家庭安防摄像机实时视频查看

在客厅、厨房等房间安装球形、枪形摄像机后，住户可通过手机客户端随时查看自家实时视频状况。同时，住户能够授权给亲属及朋友，使他们也具有视频观看权利。此外，利用任何可接入Internet的PC机住户及授权用户也可实时视频查看。该系统前端还具有专用大容量视频存储设备，用于摄像机视频存储。

5.2.2      家庭安防摄像机实时视频查看

客厅、厨房、门口等可安装门磁、窗磁、红外、烟雾、煤气等多种传感器。当传感器发现门窗遭破坏、有人闯入、家内起火、煤气泄漏以及摄像机通过移动侦测功能发现可疑人员等，则立即通过平台发送警报给住户手机（警报可为预录制语音、短信、彩信等），住户能够立即了解具体报警类型信息，并可通过客户端观看摄像机拍摄的实时视频状况。

5.3    智能校园应用产品

校园手机一卡通是将校园卡与手机卡集成于同一张卡，除实现传统校园一卡通功能以外，可以通过短信、WAP 等方式实现排课、会议、图书借阅、消费情况、账户信息等各种信息的互动查询，可实现各种信息的指定下发，具有通知、提醒的功能，并可通过短信、UTK 菜单等方式实现空中圈存，不仅使校园实现了信息化和智能化，而且为师生对校园卡充值提供了极大的方便。校园手机一卡通主要实现功能包括：电子钱包、身份识别和银行圈存。电子钱包即通过手机刷卡实现主要校内消费；身份识别包括门禁、考勤、图书借阅、会议签到等，银行圈存即实现银行卡到手机的转账充值、余额查询。目前校园手机一卡通的建设，除了满足普通一卡通功能外，还实现了借助手机终端实现空中圈存、短互动等应用。其应用场景见下图：

 

图7 物联网产品应用之校园手机一卡通应用场景图

此外，最近较为突出的是电信运营商开发出了国内第一个基于 IPv6 的物联网应用——农作物温室综合监控系统，并在湖南农科院下属的良种果茶培育繁殖中心进行了实际应用。随着全球 IPv4 地址的逐步耗尽，IPv6 技术日益受到业界关注，此次 IPv6 的实际应用，无疑将为物联网物品地址分配着一关键技术积累基础。

6     待解决的关键问题

现阶段物联网的发展还存在一些急待解决的关键问题。

6.1    安全不易保证

在物联网技术中，由于物体与物体之间的相互联系紧密，甚至物体和人也相互连接在一起，所以如何保护好大量的数据及用户隐私是我们需要亟待解决的问题。对于只读标签中的数据信息，如果没有可靠安全机制，将无法很好的保密。对于可读可写标签，还存在另一个隐患：标签上的信息可能被攻击者恶意篡改。如果标签中的信息被窃取甚至恶意篡改，将带来无法估量的损失。更好地研究标签的加密技术是解决这些安全问题的唯一途径。但目前只有少数 RFID 芯片才能够处理复杂的安全加密技术。从国家安全的利益和角度考虑，应积极研制适合 RFID 芯片的加密技术[11]。

6.2    标准不易制定

物联网技术像其他各种技术一样，也需要统一的标准或协议进行规范，也许不同的国家会有不同标准，如，目前移动通信具有 3 个国际标准。在目前还很难形成全世界统一的物联网标准，也许物联网发展今后只是一个区域或者是某些国家的物联网[29]。

6.3    规模不易形成

物联网作为一个新型的技术，目前，虽然它的前景广阔、发展相当快，但是其技术研发和应用都还处于初级阶段，且成本还较高。虽然在一些小范围也已实现了物联网的技术应用实践，如国内在上海建设的浦东机场防入侵系统、停车收费系统等重要项目，但是物联网本身还没有形成成熟的商业模式和广泛的推广应用，在完善政策环境、打破行业壁垒、降低成本、探索共赢模式等方面需要做出更多的努力[12]。

7     未来展望

物联网需要自动控制、信息传感、射频识别、无线通信及计算机技术等，物联网的研究将带动整个产业链或者说推动产业链的共同发展。可以肯定，在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网会是工业乃至更多行业信息化过程中，一个比较现实的突破口。在手机数据采集、产品的二维码全程监控等手段已经证实，无线通信与传统物联网结合后的“新物联网”已产生更广泛的应用，从而在技术上推动工业走出危机。

7.1    推进经济发展的驱动器

物联网的推广将会成为推进经济发展的又一个驱动器，为产业开拓了又一个潜力无穷的发展机会。可以预见，在“物联网”普及以后，用于动物、植物和机器、物品的传感器与电子标签及配套的接口装置的数量将大大超过手机的数量。按照目前对物联网的需求，在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签，这将大大推进信息技术元件的生产，同时增加大量的就业机会。

要真正建立一个有效的物联网，有两个重要因素。一是规模性，只有具备了规模，才能使物品的智能发挥作用。二是流动性，物品通常都不是静止的，而是处于运动的状态，必须保持物品在运动状态，甚至高速运动状态下都能随时实现对话。

我国的无线通信网络已经覆盖了城乡，从繁华的城市到偏僻的农村，从海南岛到珠穆朗玛峰，到处都有无线网络的覆盖。无线网络是实现物联网必不可少的基础设施，安置在动物、植物、机器和物品上的电子介质产生的数字信号可随时随地通过无处不在的无线网络传送出去。“云计算”技术的运用，使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能，使整个网络真正成了一台电脑。

7.2    “物联网”给物体赋予智能

因为车辆与道路之间缺乏沟通，需要一个智能化的交通控制系统。同样，需要一个智能化的供暖控制系统。在生产安全领域，在食品卫生领域，在工程控制领域，在城市管理领域，在人们日常生活的各个方面，甚至在人们的娱乐活动中，都需要建立随时能与物体沟通的智能系统。“智慧地球”是IBM公司首席执行官彭明盛去年首次提出的新概念。通过装置在各类物体上实现物体与物体互相间的沟通和对话，使智能技术正应用到生活的各个方面，如智慧的医疗、智慧的交通、智慧的电力、智慧的食品、智慧的货币、智慧的零售业、智慧的基础设施甚至智慧的城市，这使地球变得越来越智能化。可以想象，当物体被赋予智能，人类将真正有可能从资源的使用者变为资源的控制者和资源的守护者。

7.3    给物体赋予智能整合“物理设备”实现“智能互联城市”

如果说英特网实现了全球几亿用户的“信息”互联，那么“智能互联建筑”则实现了某一网络内“物理设备”的互联。无论是“智能互联城市”还是“智慧的地球”，类似构想的实现，都要求建立发达的“物联网”。

“智能互联建筑”解决方案在硅谷已有用户使用，美国网域存储技术有限公司 (NetApp) 就通过执行思科的解决方案节约了15％的能耗。思科公司控制工程师DavidShroyer说，在供电公司的需求响应信号发出20分钟之内，Mediator可将照明亮度减小50％，将温度设置点提高4℃ 从而节省用电1.1MW。思科将这一解决方案与其他系统相结合后，在18个月内已帮助位于Sunnyvale的工作地点的能耗降低了1800万千瓦时。这既减少了碳的排放，也节省了大约200万美元的能源开支[25]。

“智能互联城市”的方案，能够节约大量能源以及人力，提高人们的生活品质。思科服务业务执行副总裁Wim Elfrink说，在目前全球经济下行的时候，中国仍然能够实现6％的 GDP增长，而且中国正在建设多个人口超过百万的城市，这种智能互联城市的概念是非常适用于中国的。

每一次大危机，都会催生一些新技术，而新技术的诞生也是使经济、特别是工业走出危机的巨大推动力。物联网就其本身来说，代表了下一代信息发展技术，随着各方面的共同努力，物联网技术会对中国整个经济起到积极推动作用。