第1章物聯網概述內容簡介物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。它具有普通對象設備化、自治終端互聯化和普適服務智能化3個重要特征。本書從物聯網的感知識別層、網絡構建層、管理服務層和綜合應用層這3層分別進行闡述，深入淺出地為讀者撥開縈繞于物聯網這個概念的重重迷霧，引領求職者漸漸步入物聯網世界，幫助探索者把握第三次IT科技浪潮的方向。前言在進入人類世界短短的20年里，互聯網已漸漸成為人們日常生活的信息載體和平臺，廣泛參與到社會的運行和人們的各種活動中。在學術圈與工業圈孜孜不倦地探求互聯網走向的時候，其實還有一條不太顯眼的探索主線從沒有放棄過，這就是馬克.維塞爾（MarkWeiser）在互聯網剛剛興起的時候提出的普適計算（PervasiveComputing）。一般認為互聯網代表著主流的網絡計算模式，把人們的使用吸引在信息空間（CyberSpace）中，主要依賴桌面型計算獲取服務與支持；而普適計算則倡導發展可以廣泛部署的微小計算設備，并在此基礎上實現透明和智能的計算服務，又稱為不可見計算（InvisibleComputing）。如果說互聯網計算此前一直崇尚人圍繞著網絡進行，那么普適計算則主張讓微小系統形成的網絡圍繞著人運轉。普適計算的提出也是考慮到小型化或微型化成為計算機的發展趨勢，各種小型計算設備如掌上電腦、智能手機、傳感器、射頻標簽等嶄露頭角。同時，無線技術的運用也使移動計算變得日益成熟和普及。在這種趨勢下，人們開始嘗試突破桌面計算的模式，將計算和互聯技術普及到日常生活中。普適計算的目的是在日常生活的各種環境和場景中廣泛部署微型化且具備一定計算能力的普適設備，并與已有的互聯網技術結合，實現移動、無縫、透明和泛在的計算支持和服務。普適計算是人們擺脫計算設備對人類活動的束縛，將互聯網推廣到物理世界的初步嘗試。但是執著于普適計算的人們很快就遲到了苦頭，由于普適計算設備大多是互聯網上已有的各種計算系統的延伸和拓展，扮演探測和感知的角色，智能化程度相對較低；而服務對象主要是個體，如移動互聯、家居、醫療、導游等，找不到真正穿透國民經濟發展的突破點，很快淪落到一個尷尬的地位：每個人看了演示都覺得不錯，但哪一個應用也沒能大規模推廣，普通民眾更多時候的感覺就是一個詞——麻煩。無線傳感器網絡（簡稱傳感網）作為普適計算的一個實際延伸，數年前被美國加利福尼亞大學伯克利分校的戴維.卡勒（DavidCuller）掀起一陣熱潮之后，大鴨島、斑馬網、金門大橋監控、火山與泥石流、青島海洋、精準農業、煤礦救援以及林業生態監控，一系列概念系統紛紛走進人們的視野。作為人們對物理世界進行有效感知和探測的手段，傳感器早已開發、研究和使用了超過100年，但是把傳感器組成網絡，形成智能化的自我協同、自我定位則是一個巨大的進步。在一個傳感網中，大量的傳感器等微型化計算設備自組織地連接在一起，將計算和服務從滿足個人需要進一步延伸到制造、運輸、能源、環境和建筑等國民經濟生產領域，適應人們對探索、利用和管理物理世界的需求。另一方面，現實中，國民經濟的發展對信息系統早已提出了更高的要求。在過往國民經濟的各主要領域，物理基礎設施和信息基礎設施的建設往往是分開進行的。一方面人們不斷地建設和完善周圍的物理世界，如機場、公路、建筑物、交通工具等；另一方面，人們也在不遺余力地發展包含數據中心、個人計算機、寬帶網絡等的信息世界。兩者是如此地割裂為兩個次元。但現代經濟的發展顯然開始要求將計算技術拓展到整個人類生存和活動的空間，將人類的物理世界網絡化、信息化，實現物理世界與信息系統整合統一。最先意識到這一點的還是要算美國國家科學基金會（NationalScienceFoundation），在近幾年推出了Cyber-PhysicalSystems(CPS)研究計劃。CPS追求有效地連接諸如自動駕駛汽車、機器人、嵌入式醫療器械等物理設備，在物理設備和網絡基礎上，通過開發智能計算、通信，控制及新型傳感技術，提供智能化的、快速響應的、因應用戶需求的高質量服務，如結合傳感器網絡與移動通信技術的緊急救險與自動導航、建立車輛間網絡輔助安全與自動化駕駛。CPS企圖超越已有傳感網系統自成一體、計算設備單一、缺乏開放性等缺點，更注重多個系統間的互聯互通，并開發標準的互聯協議和解決方案，同時強調與互聯網進行聯通，真正實現開放的、動態的、可控的、閉環的計算和服務支持。2009年1月28日，美國總統奧巴馬在與美國工商業領袖舉行的“圓桌會議”上，打破這個僵局，他對IBM提出的“智慧地球”概念給予了非常積極的回應：“經濟刺激資金將會投入到寬帶網絡等新興技術中去，毫無疑問，這就是美國在21世紀保持和奪回競爭優勢的方式?！薄爸腔鄣厍颉敝鲝埜笍氐母兄?，更全面的互聯互通和更深入的智能化。奧巴馬的經濟振興計劃的核心就包括興建高速公路等基礎設施，對互聯網寬帶進行升級、對公共建筑物進行節能改造等內容。這個舉措也使得物聯網概念一舉登上了網絡大舞臺。什么是物聯網，至今并沒有一個精準而公認的定義。關于這一點，在本書的正文中還要更加正規和詳細地討論到。很多學者為了找英文的對應，使用了InternetofThings(IoT)作為物聯網的英文回應，關于這一點是值得商榷的。現在討論的物聯網概念，實際上是中國人的一個發明，整合了美國的CPS、歐盟的IoT和日本的i-Japan等概念，但又不完全和哪一個相同。物聯網理念的出現應該說是歸功于物流系統的現代化需要。現代物流系統希望利用信息生成設備，如無線射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）、傳感器，以及全球定位系統等種種裝置與互聯網結合起來而形成一個巨大的網絡。類似于條形碼這種自動識別技術（Auto-ID），就是物聯網的最初應用。除了物流領域，物聯網還可以廣泛應用在道路、交通、醫療、能源、家用電器監控等各個領域。物聯網的發展要求將新一代信息化技術充分運用在各行各業之中，具體地說，就是把諸如感應器、RFID標簽等信息化設備嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道、商品、貨物等各種物理物體和基礎設施中，甚至人體里，將它們普遍互聯，并與互聯網連接起來，形成“物聯”。在這種意義上來說，下一代互聯網的發展遠景立刻明晰起來。人們可以大膽假設下一代互聯網將是物聯化的互聯網，或者稱之為“大物聯網”。大物聯網不僅局限于目前互聯網中信息系統和設備的連接與組合，還將繼承和極大地拓展大型計算、桌面計算、普適計算、CPS、物聯網、云等計算模式的應用翻唱，徹底地整合物理世界與信息系統，為未來人類建設統一的賴以生存的智能化環境。1998年，作為臨時翻譯被派到紐約，坐到IBM總裁郭士納一尺遠的地方聽他說理想中的E-service概念。那時我還不知道后來異常有名的“智慧塵?！保⊿martDust）概念已經公之于眾了，郭士納先生也未必知道自己后來將因為所謂的15年周期定律被人們頻頻說起，大家抽空用中文悄悄交換著剛聽到的傳奇般的雅虎和免費的E-mail空間。真正在聽郭士納滔滔不絕的，其實只有我這個翻譯。沒有人意識到此后一年多Internet要經歷一次泡沫崩裂，而桌上半數的精英即將加入失業大軍。人們熱烈地規劃著今后幾年的爆發路；津津樂道的是貧困的大媽因為住在網絡中心樓上就發財3千萬的故事，還有王菲的相約九八。1999年我參加原信息產業部一個代表團到日內瓦參觀電信展，正值郵政綜合計算機網規劃建設期間，因為其中有郵政指揮這一部分，大家都很關注相關的內容。展覽會上有人極力宣傳IoT/IoM等一系列概念，有點鬧笑話的是，那時候我還以為IoM就是InternetofMoney，這么想也有一定的合理性，因為那時候都把金融流和物流掛在嘴邊，幾年之后看一篇文章才意識到IoM是InternetofMedia的簡寫。2001~2004年跟隨倪明選老師做科研，第一個題目就是利用RFID做位置的感知，基于系統實驗發表了“LANDMARC:IndoorLocationSensingUsingActiveRFID”這篇論文。LANDMARC作為最早使用主動式RFID的定位系統之一，迄今為止被國際國內研究者引用超過600次。2004~2007年，我們以煤礦安全生產和緊急救援為應用目標，提出無線傳感器網絡煤礦監控系統。通過自動監控煤礦工作空間的氧氣含量、瓦斯濃度，實時檢測滲水和礦道地質結構變形等事件，為煤礦以外事故的發生提供預警，并為發生事故后的緊急救援提供關鍵導航功能。2007~2008年，我們和中國海洋大學一起把傳感網絡應用到海洋生態環境監控中，研制了OceanSense系統，在黃海海域最多部署了上百個節點收集溫度、光照、海深等環境數據。2008年至今，為了探求傳感網大規模部署的技術壁壘，我們展開了綠野千傳傳感網林業監測系統。當時提出了“3個1”的決心，即在一個野外的真實環境，部署超過1000個節點的無線傳感網系統，連續運轉一年以上。在2009年5月我們成功部署了一個120個節點的原型系統，到10月份原型系統擴充至330個點，至今已經運轉超過13個月（/）。2009年8月我們在浙江省天目山自然保護區實現了一個超過200個節點的實用系統，該系統至今已經連續運轉超過10個月。物聯網形式多樣、技術復雜、牽涉面廣。根據信息生成、傳輸、處理和應用的原則，可以把物聯網分為4層：感知識別層、網絡構建層、管理服務層和綜合應用層。物聯網各層之間既是相對獨立又聯系緊密。在綜合應用層以下，同一層次上的不同技術互為補充，適用于不同環境，構成該層次技術的全套應對策略。而不同層次提供各種技術的配置和組合，根據應用需求，構成完整解決方案。本書按照上述四層模型由淺入深展開討論，力爭為讀者系統全面地展示物聯網及其相關技術。在每一層中，把內容上相對獨立的技術和系統編排成獨立的章節，從RFID、傳感網，到互聯網和移動通信網絡，再到云計算和數據安全，基本囊括了物聯網的主要內容。最后，通過討論物聯網的具體應用，如智能物流和環境監測等，綜合闡述并總結全書內容。希望這本書首先能作為一本入門的教材供大學和相關研究機構使用；其次也盡量使其成為一個通俗的讀物能引起普通讀者的一些共鳴。本書的特點在于討論物聯網言之有物，從基本概念入手，強調應用，將內容落實到具體技術和解決方案，避免了炒作概念如建“空中樓閣”或者只談技術卻“見木不見林”。目錄第1章物聯網概述第2章自動識別技術與RFID第3章傳感器技術第4章定位系統第5章智能信息設備第6章互聯網第7章無線寬帶網絡第8章無線低速網絡第9章移動通信網絡第10章數據庫系統第11章海量信息存儲第12章搜索引擎第13章物聯網中的智能決策第14章物聯網中的信息安全與隱私保護第15章智能電網第16章智能交通第17章智能物流第18章智能綠色建筑第19章環境監測第一篇概述第二篇感知識別第三篇網絡構建第四篇管理服務第五篇綜合應用網絡深刻地改變著人們的生產和生活方式。從早期的電子郵件溝通地球兩端的用戶，到超文本標記語言（HTML）和萬維網（WWW）技術引發的信息爆炸，再到如今多媒體數據的豐富展現，互聯網已不僅僅是一項通信技術，更成就了人類歷史上最龐大的信息世界。這個信息世界有多大？在2005年，谷歌CEO估算5X10^9GB數據。2007年產生的數據為281X10^9GB；到2008年底，全球數據內容的總量激增為487X10^9GB。作為對比，美國國會圖書館的存書大致相當于2X10^4GB；而《四本章各小節目錄1.4庫全書》，包含79337卷，36000余冊，漢子約8億字，全文本大約1.6GB。在可以預見的未來，互聯網上的各種應用，或者說以互聯網為代表的計算模式，將持續地把人們吸引在浩瀚的信息空間中。進入21世紀以來，隨著感知識別技術的快速發展，信息從傳統的人工生成的單通道模式轉變為人工生成和自動生成的雙通道模式。以傳感器和智能識別終端為代表的信息自動生成設備可以實時準確地開展對物理世界的感知、測量和監控。2008年全球RFID(RadioFrequencyIdentification,無線射頻識別)技術市場規模達到52.5億美元，該年全球共售出19.7億個RFID標簽。目前世界上大約有50億個具有通信能力的微處理器和微控制器。英特爾公司預測這個數目將在2015年擴大到150億個；愛立信公司預測到2020年，這個數目將擴大到500億個。盡管數據不同，但是觀點一致：低成本芯片制造使得可聯網終端數目激增，而網絡技術使得綜合利用來自物理世界的信息變為可能。與此同時，互聯網的觸角（網絡終端和接入技術）不斷延伸，深入到人們生產、生活的各個方面。除了傳統的個人計算機，各類聯網終端層出不窮。智能手機、個人數字助理（PDA）、多媒體播放器（MP4）、上網本、筆記本電腦等迅速普及。據中國互聯網信息中心統計，截止至2009年12月底，手機網民規模一方面是物理世界的聯網需求，另一方面是信息世界的擴展需求。來自上述兩方面的需求催生出了一類新型網絡——物聯網（InternetofThings）。物聯網最初被描述為物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。其核心在于物與物之間廣泛而普遍的互聯。上述特點已超越了傳統互聯網應用范疇，呈現了設備多樣、多網融合、感控結合等特征，具備了物聯網的初步形態。物聯網技術通過對物理世界信息化、網絡化，對傳統上分離的物理世界和信息世界實現互聯和整合。目前，物聯網還沒有一個精確且公認的定義。這主要歸因于：第一，物聯網的理論體系沒有完全建立，對其認識還不夠深入，還不能透過現象看出本質；第二，由于物聯網與互聯網、移動通信網、傳感網等都有密切關系，不同領域的研究者對物聯網思考所基于的出發點各異，短期內還沒達成共識。通過與傳感網、互聯網、泛在網等相關網絡的比較分析，我們認為：物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。它具有普通對象設備化、自治終端互聯化和普適服務智能化3個重要特征。在物聯網時代，每一件物體均可尋址，每一件物體均可通信，每一件物體均可控制。一個物物互聯的世界如圖1.1所示。國際電信聯盟2005年一份報告曾描繪物聯網時代的圖景：當司機出現操作失誤時汽車會自動報警；公文包會提醒主人忘帶了什么東西；衣服會“告訴”洗衣機對顏色和水濕的要求等。毫無疑問，物聯網時代的來臨將會使人們的日常生活發生翻天覆地的變化。繼計算機、互聯網和移動通信之后，業界普遍認為物聯網將引領信息產業革命的新一次浪潮，成為未來社會經濟發展、社會進步和科技創新的最重要的基礎設施，也關系到未來國家物理基礎設施的安全利用。由于物聯網融合了半導體、傳感器、計算機、通信網絡等多種技術，它即將成為電子信息產業發展的新制高點。美國權威咨詢機構FORRESTER預測，到2020年，世界上物物互聯的業務，跟人與人通信的業務相比，將達到30:1。因此“物聯網”被稱為是下一個萬億級的產業，其市場前景將遠遠超過計算機、互聯網、移動通信等。1.1起源與發展

物聯網概念最高出現于比爾蓋茨1995年《未來之路》一書。1998年，美國麻省理工學院（MIT）創造性地提出了當時被稱作EPC系統的物聯網構想。1999年，建立在物品編碼、RFID技術和互聯網的基礎上，美國Auto-ID中心首先提出物聯網概念。物聯網的基本思想出現于20世紀90年代，但近年來才真正引起人們的關注。射頻識別技術（RFID）、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將得到更加廣泛的應用。歐洲智能系統集成技術平臺（EPoSS）于2008年在《物聯網2020》（《InternetofThingsin2020》）報告中分析預測了未來物聯網的發展階段。2009年，歐盟執委會發表題為《InternetofThings–AnactionplanforEurope》的物聯網行動方案，描繪了物聯網技術應用的前景，并提出要加強對物聯網的管理、完善隱私和個人數據保護、提高物聯網的可信度、推廣標準化、建立開放式的創新環境、推廣物聯網應用等行動建議。韓國通信委員會于2009年出臺了《物聯網基礎設施構建基本規劃》，該規劃是在韓國政府之前的一系列RFID/USN(傳感器網)相關計劃的基礎上提出的，目標是要在已有的……2009年，日本政府IT戰略本部制定了日本新一代的信息化戰略《i-Japan戰略2015》，該戰略旨在到2015年讓數字信息技術如同空氣和水一般融入每一個角落，聚焦電子政務、醫療保健和教育人才三大核心領域，激活產業和地域的活性并培育新產業，以及整頓數字化基礎設施。我國政府也高度重視物聯網的研究和發展。2009年8月7日，國務院總理溫家寶在無錫視察時發表重要講話，提出“感知中國”的戰略構想，表示中國要抓住機遇，大力發展物聯網技術。2009年11月3日，溫家寶總理向首都科技界發表了題為《讓科技引領中國可持續發展》的講話，再次強調科學選擇新興戰略性產業非常重要，并指示要著力突破傳感網、物聯網關鍵技術。2010年1月19日，全國人大常委會委員長吳邦國參觀無錫物聯網產業研究院，表示要培育發展物聯網等新興產業，確保我國在新一輪國際經濟競爭中立于不敗之地。1.2核心技術物聯網是一種非常復雜、形式多樣的系統技術。根據信息生成、傳輸、處理和應用的原則，可以把物聯網分為4層：感知識別層、網絡構建層、管理服務層和綜合應用層。圖1.2展示了物聯網四層模型以及相關技術。1）感知識別層。感知識別是物聯網的核心技術，是聯系物理世界和信息世界的紐帶。感知識別層既包括射頻識別（RFID）、無線傳感器等信息自動生成設備，也包括各種智能電子產品用來人工生成信息。RFID是能夠讓物品“開口說話”的技術：RFID標簽中存儲著規范而具有互用性的信息，通過無線數據通信網絡把它們自動采集到中央信息系統，實現物品的識別和管理。另外，作為一種新興技術，無線傳感器網絡主要通過各種類型的傳感器對物質性質、環境狀態、行為模式等信息開展大規模、長期、實時的獲取。近些年來，各類可聯網電子產品層出不窮，智能手機、個人數字助理（PDA）、多媒體播放器（MP4）、上網本、筆記本電腦等迅速普及，人們可以隨時隨地連入互聯網，分享信息。信息生成方式多樣化是物聯網區別于其他網絡的重要特征。2）網絡構建層。這層的主要作用是把下層（感知識別層）數據接入互聯網，供上層服務使用。互聯網以及下一代互聯網（包含IPv6等技術）是物聯網的核心網絡，處在邊緣的各種無線網絡則提供隨時隨地的網絡接入服務。無線廣域網包括現有的移動通信網絡及其演進技術（包括3G、4G通信技術），提供廣闊范圍內連續的網絡接入服務。無線城域網包括現有的WiMAX技術（802.16系列標準），提供城域范圍（約100千米）高速數據傳輸服務。無線局域網包括現在廣為流行的WiFi(802.11系列標準)，為一定區域內（家庭、校園、餐廳、機場等）的用戶提供網絡訪問服務。無線個域網絡包括藍牙（802.15.1標準）、ZigBee（802.15.4標準）等通信協議。這類網絡的特點是低功耗、低傳輸速率、短距離，一般用作個人電子產品互聯、工業設備控制等領域。各種不同類型的無線網絡適用于不同的環境，合力提供便捷的網絡接入，是實現物物互聯的重要基礎設施。3）管理服務層。在高性能計算和海量存儲技術的支撐下，管理服務層將大規模數據高效、可靠地組織起來，為上層行業應用提供智能的支撐平臺。存儲是信息處理的第一步。數據庫系統以及其后發展起來的各種海量存儲技術，包括網絡化存儲（如數據中心），已廣泛應用于IT、金融、電信、商務等行業。面對海量信息，如何有效地組織和查詢數據是核心問題。20世紀90年代末，以Web搜索引擎為代表的新一代網絡信息查詢技術異軍突起，如今已成為互聯網信息世界的重要入口。管理服務層的主要特點是“智慧”。有了豐富翔實的數據，運籌學理論、機器學習、數據挖掘、專家系統等“智慧迸發”手段有了更廣闊的施展舞臺。除此之外，信息安全和隱私保護變得越來越重要。在物聯網時代，每個人穿戴多種類型的傳感器，連接入多個網絡，一舉一動都被監測。如何保證數據不被破壞、不被泄露、不被濫用成為物聯網面臨的重大挑戰。4）綜合應用層?；ヂ摼W最初用來實現計算機之間通信，進而發展到連接以人為主體的用戶，現在正朝物物互聯這一目標前進。伴隨著這一進程，網絡應用也發生了翻天覆地的變化。如圖1.3所示，從早期的以數據服務為主要特征的文件傳輸、電子郵件，到以用戶為中心的應用，如萬維網、電子商務、視頻點播、在線游戲、社交網絡等，再發展到物品追蹤、環境感知、智能物流、智能交通、智能電網等。網絡應用數量激增，呈現多樣化、規?；?、行業化等特點。物聯網各層之間既相對獨立又聯系緊密。在綜合應用層以下，同一層次上的不同技術互為補充，適用于不同環境，構成該層次技術的全套應對策略。而不同層次提供各種技術的配置和組合，根據應用需求，構成完整的解決方案?？偠灾?，技術的選擇應以應用為導向，根據具體的需求和環境，選擇合適的感知技術、聯網技術和信息處理技術。1.3主要特點相對于已有的各種通信和服務網絡，物聯網在技術和應用層面具有以下幾個特點。1）感知識