第1章 物聯網應用技術概論

1.1 物聯網、傳感網與互聯網基本概述

從哲學角度來觀察社會科學和自然科學以及經濟和技術發展的關系，我們不難看出：盡管物聯網、傳感網、互聯網具有鮮明的專業技術和應用技術特征，屬于自然科學中信息領域研究范疇的問題，但它們的發展和演變遵守著各自的發展道路和共同的發展規律。如果把它們放到社會經濟發展的背景下來觀察，就很容易發現很多技術和概念，其產生和演變都和特定的歷史背景和經濟發展有著明顯的對應關系。回顧物聯網、傳感網、互聯網這三個名詞的產生也具有鮮明的社會發展歷史特色，與其他名詞和概念一樣，脫離不了全球經濟與技術發展的歷史痕跡。從各自的技術核心和特征來看，物聯網從功能上是在互聯網、傳感網等概念上衍生出來的一種滿足人們更多需求的一種應用網絡；從電子信息技術角度來說，是計算機、網絡與傳感器技術及軟件的綜合技術。它是將各種物品與網絡結合在一起，滿足人們各種需要的應用技術。其基本的方法是，將各種傳感器通過用戶端延伸擴展到各種物品之間，使物品通過傳感器和計算機及網絡和服務系統聯系成一體，形成一個可以滿足人們各種需求的信息交換網絡。

美國MIT的Kevin提出物聯網概念時，就想采用RFID（射頻識別）和各種傳感器將各種物品聯系到一起為人們的生產和生活服務。后來國際電信聯盟ITU的研究報告描述了物聯網相關的內容和知識，即把所有可能的物體都加上傳感器，通過傳感器獲取物體的自身狀態、周圍的環境狀態，通過物聯網將所有可能的信息全部融入其中。

在歐洲，業內人士認為物聯網在空間上應是物理和虛擬的實體集合；在實體范疇它應是在時間和空間上可移動的、可標識的、可進行信息交換的。

在國內，目前一般認為物聯網是使任何一個物體的信息相互聯系，使人們的需求和愿望得到更高更新的滿足，通過這個新的物聯網技術來帶動科學、生產和社會的發展。

因此，物聯網技術的發展不僅需要更多的科技工作者參與，更需要從事相關工作的工程師和物聯網應用的管理者的參與。本書力圖從理論組成、技術結構、軟硬件性能到典型工程案例等，敘述其技術構成、應用方法和相關標準，使讀者能結合已有知識比對出體系和特點，從而正確把握其實質，并在實踐中不但完善豐富其內涵。本項技術也不例外，它也是在已有的多項技術上，針對人們不斷的需求設計出的新名詞。物聯網技術從原始概念的提出，至今已有十多年的歷史，也在被不斷地完善和豐富。因此，在科學技術飛速發展的今天，它也像眾多新生技術一樣，被需求和新技術不斷地豐富和完善，已經越來越不像最初的定義。而人們正是在這種不斷演變中，不斷提煉其內涵，擴展其外延，這才推動了各種技術的發展和進步。

為了使讀者在閱讀本書后也能快速理解相關的技術內容，本書中一些專用技術名詞也直接采用了英語名詞，這樣將方便與同類資料的鏈接和融通。

1.1.1 物聯網

物聯網概念最早是由美國麻省理工學院Auto-ID研究中心提出的，其基本思想是：為物體之間實現聯系，并能夠區分出所有物體之間的不同，采用先對物體進行標記，再用傳感器將所采集到的各種信息傳到互聯網上，使得所有物體的各種信息聯系到在一起，通過計算機處理需求和資源之間的供求關系，及時配置可能滿足需求者的各種需要。物聯網從技術架構層次上來看，人們習慣按功能將它分為三層：感知層、網絡層和應用層。從物聯網基礎技術來看，它主要包括兩方面內容：一方面是互聯網技術，在此技術基礎上擴展網絡應用，延伸到所有可能的物體和物體之間的信息交換和通信；另一方面是傳感器技術，將所有物品通過相應的傳感器和RFID等，將感知的各種信息變成可以識別的電信號。

國際電信聯盟在《The Internet of Things》2005年報告中對物聯網概念進行擴展，提出物聯網是在任何時刻，任何地點，任意物體之間實現的互聯。各類對象之間的基本關系如圖1-1所示。

在歐洲，2008年的《Internet of Things in 2020》報告中指出：未來物聯網發展RFID和對物體識別的傳感器技術是未來物聯網的基石。由于標識和信息提取是物聯網技術的關鍵，致使后來人們更加關心RFID和傳感器等在信息采集、標識等技術在物聯網的應用。緊接著歐盟于2009年9月15日發布了《Internet of Things Strategic Research Roadmap》研究報告，明確要求在歐洲不同RFID和物聯網項目之間的組合，以及協調包括RFID的物聯網研究的活動。

在亞洲，日韓之后，我國也開展了此方面的研究，在經歷高熱之后人們看到物聯網更像互聯網和傳感器結合的應用。一方面，由于網絡技術快速的成熟，需要新的動力激發更多的人關注并創造出新的概念，引導信息技術和市場的發展。另一方面，由于早期人們認為物聯網是未來互聯網的一個組成部分，并從網絡技術角度來評價物聯網時，希望它成為基于標準的并可互操作的通信協議，有能力實現資源動態的全球配置的網絡基礎架構。

物聯網技術所涉及的內容較廣，除網絡、智能終端、傳感器技術等，還涉及很多軟、硬件技術和應用。在現今技術條件下，如用戶可獲得各種智能接口與社會環境進行連接和通信，就有可能使被標識過的物體滿足人們的需要。為了解決對人們要求的問題，通常采用計算機構成一個虛擬的電子信息空間，對掌握的各種資源和需求進行設計和分配，來滿足人們精神和物質的需求。

1.1.2 傳感網

“傳感器網絡”承擔著對自然界各種信息數據采集匯總的主要任務，而互聯網絡是傳遞到達各端點的載體。在實際應用中，二者通常是聯合使用，是實現物與物、物與人、人與人之間信息交互、提供信息服務的智能網絡信息系統。

“無線傳感網”是由若干具有無線通信功能的傳感器結點構成的網絡。這種網絡最早是由美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在1978年提出的，并資助了卡耐基-梅隆大學開展了分布式傳感器網絡技術的研究。用戶、對象、信息交換等各單元和網絡之間的關系，國外認為傳感網的基本結構與特點如圖1-2所示。

隨著研究的深入，人們開始想到未來的網絡會深入到人們生活的每個角落，可為人們提供各種可能的服務。而這些服務終端的信息離不開各種各樣的傳感器，人們在原研究的基礎上又提出了泛在的傳感器網絡（USN）的概念。這種傳感網絡的特點，首先是網絡結點由具有通信及智能化的傳感器結點組成；其次在任何時間、地點，任何物體的周邊都布置有這種功能的傳感網絡。這樣的傳感網絡可為各種需求提供相應的服務，從環境監測到安全保衛，從生產到生活，提供無所不能的服務。

“泛在網”概念最早是由日韓提出。它們認為，無所不在的網絡社會將是由智能網絡、最先進的計算技術以及其他領先的數字技術基礎設施組成的技術社會形態。根據這樣的構想，USN網絡將以無所不在、無所不包、無所不能為基本特征，幫助用戶實現任何時間、任何地點、任何人、任何物都能順暢地通信。其底層是由各種傳感器、執行器、RFID等各種信息設備組成，負責對物理世界的感知與反饋。

國際電信聯盟在2008年年初的研究報告中，闡述了泛在傳感器網絡體系的基本架構。并指出泛在傳感網自下而上的基本結構是：傳感器網絡、泛在傳感器網絡接入網絡、泛在傳感器網絡基礎骨干網絡、泛在傳感網的中間件、泛在傳感網應用平臺五個層次。

泛在傳感器網絡接入網絡是實現底層傳感器網絡與上層基礎骨干網絡的連接，由網關、sink結點等組成；泛在傳感網的基網有Internet、下一代網絡（NGN）；泛在傳感網中間件處理、存儲傳感數據，并以服務的形式提供對各類傳感數據的訪問；泛在傳感網是實現各類傳感網應用的技術支撐平臺。

目前我國信標委所屬的傳感器網絡標準工作組認為，傳感器網絡具體表現在它綜合了微型傳感器、分布式信號處理、無線通信網絡和嵌入式計算等多種先進信息技術，能對物理客體進行信息采集、傳輸和處理，并將處理結果以服務的形式發布給用戶。

1.1.3 互聯網、傳感網與物聯網

目前人們對人與物、物與物廣泛互聯、實現人與客觀世界的全面信息交互的網絡的命名，一直存在著物聯網、傳感網、互聯網這三個稱謂。回顧其發展歷史，可從這些概念歸納后得出一個基本一致的結論。這些概念間的關系，如圖1-3所示。

在傳感網的概念中，如果將傳感器的概念進行擴展，認為RFID、二維條碼等信息的讀取設備和音視頻錄入設備等數據采集設備都是一種特殊的傳感器，則范圍擴展后的傳感器網絡即簡稱為與物聯網概念并列的“傳感網”。而從ITU-T、ISO/IEC JTC1/SC6等國際標準組織對傳感器網絡、物聯網定義和標準化范圍來看，傳感器網絡和物聯網其實是一個概念、兩種不同的表述，其實質都是依托于各種信息設備實現了物理世界和信息世界的無縫融合。此外，在業界也有觀點認為，物聯網是從產業和應用角度，傳感網是從技術角度，對同一事物的不同表述，但其實質是完全相同的。因此，無論從哪個角度，都可以認為目前為人所熟知的“物聯網”和“傳感網”這兩個概念，都是以傳感器、RFID等客觀世界標識、感知技術，借助于無線網絡、互聯網、移動網等通信網絡實現人與物理世界的信息交互。而泛在網是面向泛在應用的各種異構網絡的集合，且更強調跨網之間的信息融合與應用。

1.1.4 網絡接入與管理

物聯網技術是各方面的信息相互交互和服務的新型網絡，其主要解決的是相關網絡的接入和管理。

（1）無線傳感器網

無線傳感器網是物聯網重要的基礎技術，在結構上它是由各種傳感器結點組成的。這種網絡的特點是多跳的自組織網，當采用適當的協議也可使無線通信網絡和有線網絡相連接。

在網絡的管理方面，不僅要有靈活的路由機制，而且支持多種類型設備的協同工作。信息采集是各種各樣的無線傳感器，在技術方面還包括各種可即插即用、低功耗、低成本的智能傳感器和無線網技術支持的WSN無線傳感器網絡等。

（2）移動網與網絡接入

移動網：是目前覆蓋最廣、應用最多的網絡。采用無線終端接入設備最普及、最有效的接入手段。在技術上要針對人與人通信的需要，強化人和物之間的通信，以及物與物之間的通信能力。開發好各種設備的接入技術，接入利用好現有的各種網絡設備，是推廣物聯網應用的有效方法。

網絡接入：移動通信技術是目前解決有限產地和環境的物與物、人與物之間的溝通的主要手段。這種異構網絡接入效率的主要措施有：增強L2/L3協議，支持大量低數據率終端的接入；簡化同步、小區搜索、隨機接入、切換過程以及移動性管理；采用更低帶寬、更低碼率編碼的傳輸方式，支持更小資源的分配；簡化調度、功控、HARQ和鏈路自適應等問題。

（3）網絡與終端管理技術

在網絡與終端管理中，由于各種設備的接入標準不同（如LAN、Wi-Fi、WiMaX、GSM、TD-SCDMA、WSN等），為使各類異構網絡能夠實現互聯互通，必須選擇相對統一的標準接入方式。因為在這種由多種設備組成的異構網絡中，還必須能支持各終端或網元間的相互協同以及臨時的動態組網等，這樣才能提高物與物、物與人之間的互聯效率。

為了避免物聯網中各類用戶匯聚在一起時造成擁塞，對網絡的管理顯得十分重要。只有通過管理，提高暢通的信道和純凈的質量，才能使各種設備、網絡終端獲得預期的功效。更多的后端管理技術和服務，是支持大量終端的多種接入方式的重要措施。

（4）信息處理與能耗管理

信息處理是物聯網應用中的主要技術問題，也是保證系統高效運行的重要因素，當傳感器將采集到的信息匯聚到業務平臺時，信息處理平臺要對接收到的各種信息進行存儲、處理、分析和數據挖掘后，才能為用戶提供所需要的服務。在對這些信息進行處理時，需要利用更好更新的計算方法（如云計算、模糊識別等）來解決海量信息處理的問題。這樣才能實現網內不同地域、不同用戶對信息和數據進行處理分析的要求。

能耗是物聯網應用中的重要技術問題，因為在有限的電能源的條件下，尤其在無線網絡中各結點及系統攜帶的能量有限的情況下，對于能耗的管理與系統的信息管理一樣重要，而在眾多的信息進入整體網絡時，這個問題更顯得重要。常會出現多個用戶同時在各自終端上操作，中央機也同時進行著大量的運算，以便優化決策和配置。此時網中需要消耗大量的能源，是常態下的數倍至百倍以上。在有限能源情況下，尤其是有的只能依靠自備電池或能量轉化技術來工作，必須對系統能耗的各種問題進行細致思考。

對傳感網來說，不僅要考慮其網絡優化的問題，也要考慮能耗問題。在無線傳感器網絡（WSN）中，結點成本、功耗和體積等技術問題，是走向普及的重要問題，隨著微電機系統（MEMS）、低功耗無線通信協議和數字電路的發展，改變了傳感網傳統的設計思想。傳統的設計是將物理的基礎設施和IT基礎設施分開，如一方面是機場、公路、建筑物，另一方面是數據中心、網絡、手機、個人計算機等。而現在已經開始將鋼筋混凝土、電纜與芯片、網絡等的設計和施工等方面結合到一起來進行。在此意義上，基礎設施更像是一塊新的地球工地，世界的運轉就在它上面進行，其中包括經濟管理、生產運行、社會管理乃至個人生活。物聯網將引發新的“聚合服務”。

（5）開發環境與安全技術

高效、快捷的開發應用是物聯網應用的重要問題。良好的應用開發環境，能夠使應用軟件相對獨立于計算機硬件和操作系統平臺。采用分布式計算是常用的一種重要措施，這不僅能滿足數據量大，運算速度快的要求，而且可提高操作系統的能力。物聯網的許多終端處于無人環境中，由于感知結點組群化、終端結點數量巨大、移動性低等特點，必須要求各種終端的安全性。其基本要求包括：防火、防盜、通信安全、存儲安全、終端使用環境安全等，必須具有較高性能穩定性和可靠性。