第1章 物聯網及電力物聯網概述

1.1 物聯網概述

1.1.1 物聯網的內涵

2005年，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會第二階段會議上，國際電信聯盟（International Telecommunication Union,ITU）發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，從此，物聯網（Internet of Things,IoT）這一概念正式進入大眾視野。

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，萬物物聯也是信息化時代的重要發展趨勢，是繼計算機、互聯網之后的第三次信息化浪潮。物聯網是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡，其核心和基礎仍然是互聯網。同時，物聯網使信息交換與通信從人與人、人與物之間延伸和擴展到了物與物之間。物聯網通過智能感知、自動識別與普適計算等通信感知技術，與各行各業形成深度融合的局面。

物聯網的概念包含廣義和狹義兩個層面。廣義上，物聯網是一個未來發展的愿景，等同于“未來的互聯網”或者“泛在網絡”，能夠實現任何時間、任何地點，使用任何網絡的人與人、人與物及物與物之間的信息交換；狹義上，物聯網是物與物之間通過傳感器連接起來的網絡，不論是否接入互聯網，都屬于物聯網的范疇。實際上，早在物聯網這個概念被正式提出之前，網絡就已經將觸角伸到了“物”的層面，例如交通警察通過攝像頭對車輛進行監控，通過雷達對行駛中的車輛進行測速等。然而，這些都是互聯網范疇的一些具體應用，并且多年前對物的局域性聯網處理就已經實現，例如自動化生產線處理。

目前，業界對物聯網還沒有形成統一的定義，但從物聯網本質來看，它是現代信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術的提升。國內專家通常認為，物聯網是一種“泛在網絡”，這種泛在網絡是利用互聯網將現實中的人和物都連接在一起，使萬物交互。具體可以理解為，它是通過射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感裝置采集信息且接入互聯網，進行信息交換與操控，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網通過各種感知、現代網絡、人工智能及自動化等技術的聚合和集成應用，構建了人與物、物與物之間能夠智慧對話的通道，從而創造出更加智慧的世界。

1.1.2 物聯網的特征

1.物聯網基本特征

從物聯網的內涵可以看出，物聯網是通過各種感知設備、傳感器網絡、互聯網，以及機器對機器（Machine To Machine,M2M）實現物與物相聯、全自動智能化采集、傳輸與信息處理等功能，主要解決人與人、人與物、物與物之間的連接問題，網絡化、物聯化、互聯化、自動化、感知化、智能化是物聯網的基本特征。

① 網絡化：網絡化是物聯網的基礎。無論是M2M、專用網絡，還是通過無線、有線傳輸信息，要實現對物體的感知，就必須形成網絡形態，并與互聯網相連接。目前所謂的物聯網，從網絡形態來看，大多數是專用網絡、局域網，只能算是物聯網的雛形。

② 物聯化：人物相聯、物物相聯是物聯網的基本要求之一。計算機之間連接形成互聯網，可以促進人與人之間交流。而物聯網的實質就是在物體上安裝傳感器，植入微型感應芯片，借助無線或有線網絡，打通人與物、物與物之間的信息通道。可以說，互聯網實現了人與人的遠程交流，而物聯網實現了人與物、物與物的通信，進而實現網絡由虛擬世界向現實世界的轉變。

③ 互聯化：物聯網是多種網絡、多種接入和應用技術的集成，也是讓人與物、物與物進行交流的平臺。因此，在一定的協議關系下，實行多種網絡融合、分布式與協同式并存是物聯網的顯著特征。與互聯網相比，物聯網具有很強的開放性，具備隨時接入新器件提供新服務的能力，即自組織、自適應能力。

④ 自動化：物聯網通過數字傳感設備自動采集數據，根據事先設定的運算邏輯，利用軟件自動處理采集到的數據，一般不需要人為干預。同時，按照設定的邏輯條件，例如，時間、地點、壓力、溫度、濕度、光照等，物聯網可以實現系統的各個設備之間自動地進行數據交換或通信，并通過自動執行指令實現對物體的監控和管理。

⑤ 感知化：物聯網離不開傳感器、射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，就像視覺、聽覺、嗅覺感官對于人的重要性一樣，它們是物聯網不可或缺的關鍵元器件。

⑥ 智能化：所謂“智能”，是指個體對客觀事物進行合理的分析與判斷，以及有目的地行動和有效地處理周圍環境事宜的綜合能力。物聯網是微處理技術、傳感器技術、計算機網絡技術、無線通信技術不斷發展融合的結果，從其自動化、感知化要求來看，它已具備“智能”的能力，智能化是一種綜合能力。

2.物聯網與互聯網的差異

與傳統的互聯網相比，物聯網的差異主要體現在以下4個方面。

① 融合物理實體。物理實體可融合射頻識別與傳感技術，應具有可標識、可感知、可通信、可控制的安全智能體的特征，但并非所有的物理實體都要實現這些功能，有些物理實體僅需要實現可標識、可通信等局部功能。

② 異構化特征。智能標識與感知技術由標識與傳感技術融合而成，其本質上具有異構性，且不同環境下的智能標識與感知體采用不同的技術實現，具體表現為不同標識及傳感器的底層實現技術各不相同，如果特定環境下的標識技術不同，那么其實現技術也不同。同樣，不同環境下的傳感技術也具有差異化特征。

③ 海量信息的存儲、共享、傳輸及管理。網絡承擔數據存儲、共享、傳輸及管理的功能。物聯網所產生的數據量巨大，海量數據的存儲、共享、傳輸及管理給網絡帶來了新的挑戰，網絡需要與之相適應的體系結構來解決因數據規模顯著增長而帶來的一系列問題。

④ 泛在性與普適計算相結合。物聯網中的通信對象擴展到所有物體，將任何時間、任何地點的人與人之間的連接，擴展到任何物之間的信息交換。而普適計算建立在分布式計算、通信網絡、移動計算、嵌入式系統、傳感器等技術之上，能夠用于對上述泛在通信產生的信息進行控制與處理。

1.1.3 物聯網的應用類型

物聯網應用的發展也面臨著和互聯網發展初期類似的問題，即如何使內容應用更加豐富，以及如何推動商業運營模式的統一。物聯網在網絡上的應用延伸，其本質是在信息網絡上的一種增值應用，因此物聯網發展初期應著重廣泛開展需求挖掘、投資消費引導等工作。

物聯網可以提供以下4個方面的功能。

① 信息的實時性，借助通信網絡，可以及時獲取信息。

② 極高的便利性，尤其適用于電子支付業務。

③ 有利于安全生產，能夠及時消除存在的安全隱患。

④ 提升社會的信息化程度。

總體來說，物聯網將會在提升信息傳送率、提高生產率、降低企業管理成本乃至提升人民生活水平等方面發揮重要的作用。從實際價值及目前第五代移動通信網絡（5th Generation Mobile Networks,5G）垂直行業應用趨勢來看，企業將會成為物聯網應用的第一大用戶，它也將主導物聯網初期發展方向。

物聯網應用范圍從日常的家庭應用到行業的工業自動化應用等，覆蓋非常廣泛。根據物聯網自身特征，物聯網應用的服務類型主要有互聯網服務、信息類服務、操作類服務、安全類服務、管理類服務等。根據最新的研究報告，物聯網應用將聚焦在智慧物流、智能交通、智能安防、智能電網、智能醫療、智慧建筑、智能制造、智能家居、智能零售、智慧農業等領域。物聯網主要應用領域及典型應用見表1-1。

1.1.4 物聯網的應用模式

未來，物聯網將被應用于各行各業，實現萬物互聯。但目前物聯網的應用規模還不是很大，沒有充分實現信息的開放和共享。根據目前物聯網的應用情況及實現方案，物聯網主要的應用模式可以歸納為以下3類。

1.基于射頻識別技術的應用模式

射頻識別（Radio Frequency Indentification,RFID）技術是3類能夠把“物”改變為智能物件的應用中最靈活的一種。它主要是把移動和非移動資產貼上電子標簽，用于識別和區分對象個體，實現對象個體的跟蹤和管理。

EPC global組織提出的Auto-ID系統主要由電子產品碼（Electric Product Code,EPC）標簽、RFID標簽閱讀器實現信息的過濾和采集的應用層事件（Application Level Event,ALE）中間件、EPC信息服務系統和信息發現服務組成。具體包括對象名解析服務（Object Name Service, ONS）和實體標記語言（Physical Markup Language,PML）。ONS基本上按互聯網中域名系統（Domain Name System,DNS）的解析原理實現，甚至采用了部分DNS的現有基礎設施。EPC識別的只是標簽，所有關于產品的有用信息都由PML來描述，其作用類似于互聯網中的超文本標記語言（Hyper Text Markup Language,HTML）。ONS和PML作為物聯網框架下的關鍵技術有著廣泛的應用前景，有了ONS和PML，以RFID為主的EPC系統才能真正實現智慧物聯。基于ONS和PML，企業將RFID技術的應用由企業內部的閉環應用過渡到供應鏈的開環應用上，實現真正的物聯網。EPC物聯網體系架構如圖1-1所示。

2.基于無線傳感網絡的應用模式

無線傳感網絡（Wireless Sensor Network,WSN）由分布在自由空間里的一組自治的無線傳感器組成，共同協作完成對溫度、濕度、化學成分、壓力、聲音、位移、振動、污染顆粒等特定周邊環境或目標對象狀況的監控。WSN中的節點一般由無線收發器、微控制器和電源組成，節點之間構成Ad-hoc（點對點）自組織網絡，包括無線網狀網絡和移動自組織網絡。

以前WSN是計算機和通信專業的熱門研究領域，但關于WSN的研究大多集中于非IP協議的ZigBee、TinyOS和基于IP的6LoWPAN等網絡底層問題，以及電源的持久性等問題，WSN大規模應用的商用價值和實用性較差。目前，支持WSN的產品及解決方案相對較少。

與基于RFID的應用模式相比，基于WSN的應用模式距離真正的物聯網還較遠，類似EPC global中ONS和PML等物聯網層面的技術還有待進一步研究。

3.基于M2M的應用模式

M2M所覆蓋的范圍是最大的，其中不僅包含了EPC global和WSN的部分內容，也包含了有線和無線兩種通信方式。此外，M2M還包含并拓展了工業信息化中傳統的監控和數據采集（Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA）系統。SCADA系統在工業、建筑、能源和設施管理等領域與現在的M2M系統一樣，承擔設備數據收集和遠程監控監測的任務。從表面上看，M2M和SCADA基本相同，但M2M是基于互聯網的技術，相對于SCADA的客戶端/服務器（Client/Server,C/S）架構，M2M更加標準化、更加開放。

M2M分為移動虛擬網絡提供商（Mobile Virtual Network Enabler,MVNE）和移動虛擬網絡運營商（Mobile Virtual Network Operator,MVNO）兩種業務模式。我國三大基礎電信運營商很早以前就開始布局M2M業務。2014年是我國虛擬運營元年，基礎電信運營商以外的很多企業陸續獲得虛擬運營商牌照，在虛擬運營市場發力，促進了我國物聯網的發展。目前，已部署和開展業務的物聯網有增強機器類通信（enhanced Machine Type Communications,eMTC）、窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）和5G物聯網3種。

1.1.5 5G對物聯網的影響

在5G定義的增強移動寬帶（eMBB）、超高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器類通信（mMTC）三大場景中，mMTC和uRLLC都是面向物聯網的場景。目前，5G、eMTC和NB-IoT被稱為物聯網廣域互聯互通的“三駕馬車”。其中，NB-IoT具有低速率、深度覆蓋、無連接態切換的特性，適用的物聯網業務主要有智能抄表、智能停車、路燈控制、井蓋防護、環境監測等；mMTC具有中低速率和移動性，支持多種語言和定位等，適用的業務主要有物流跟蹤、車輛定位、移動支付、智能穿戴等；5G具有大帶寬、低時延、大連接等特性，適用于需要實時控制和進行視頻傳輸的應用。但從長遠來看，隨著5G定義的uRLLC和mMTC應用場景逐步成熟，NB-IoT、mMTC朝著5G逐步演進，5G將支持物聯網廣域互聯互通，真正實現萬物互聯。

物聯網作為產業結構升級的重要內容之一，未來將有廣闊的發展前景。隨著5G應用的逐步落地，未來物聯網的發展將獲得更為全面的支撐。以工業物聯網為例，5G將在以下3個方面助力其發展。

① 促進工業物聯網應用邊界的拓展。5G在標準制定過程中充分考慮了物聯網的需求。在5G的支撐下，工業物聯網的應用邊界將得到拓展，促使物聯網可以應用在更多的場景。

② 促進工業物聯網的智能化。5G將在很大程度上促進工業物聯網的智能化發展，促進云計算、邊緣計算、大數據等技術體系協同部署。借助5G的支撐，人工智能也將在數據和算力兩個方面得到更有效的保障。當然，智能化也是工業物聯網最終的訴求之一。

③ 促進工業物聯網的全面落地。5G對于促進工業物聯網的落地應用具有非常積極的意義，5G一方面可以支撐更多的物聯網設備，另一方面也能夠保障這些設備之間的可靠通信。當然，工業物聯網對于網絡及信息安全的要求也非常高，5G對此也有相應的保障。

工業物聯網的發展不僅需要5G的支撐，同時也需要一系列技術體系的搭建。對于垂直行業來說，如果想借助工業物聯網為企業發展賦能，就應該從基礎信息系統等基礎設施建設開始，進而根據實際需求完成物聯網設備和物聯網平臺的部署。