第1章 概述
1.1 物联网的溯源
物联网（Internet of Things，IoT）这一理念由比尔·盖茨于1995年在《未来之路》一书中提到，他在书中多处描绘了未来的智能生活，例如，“用户所遗失或被窃的照相机将自动发送信息，告诉用户它现在所处的具体位置，即使在它已经身处不同城市的情况下。”“袖珍个人计算机普及之后，困扰着剧院及其他需要排队出示身份证或票据的人的瓶颈问题就可以解决了。”迫于当时终端技术的局限性，这些构想无法实现。1990—1997 年，比尔·盖茨应用物联网的理念建设了一套住宅，共花费了1 亿美元，它成为数字技术前沿科技的结晶，也是目前智能建筑和智能家居的最具代表性的实例。该住宅铺设的通信电缆总长度约84千米，连接着室内大量的传感器、摄像头、计时器等终端和屋外的多台服务器。该智慧系统包括如下功能：根据屋外传感器的数据预测气象指标，以控制室内的温度和通风系统；参照个人喜好，智能调节室内温度、湿度、灯光、音乐等系统，如当室内无人时，自动进入节能状态。所有的电器组成一个家庭域局域网，为用户提供最佳的服务；卫生间安装智慧医疗系统，可以对多种身体生命指标进行检测；当发生火灾时，建筑物的智慧消防系统可以根据火势的分布情况进行供水的分配，关闭相关电力系统，同时自动对外报警、提供最佳的营救方案；室外的智慧农业系统对植物进行及时、全自动浇灌；访客佩戴 RFID 标签，方便智慧生活系统感知客人的位置，同时为客人提供最舒适的灯光和温度。此后，多位世界名人都亲身体验了这所“物联网”住宅。
1995—1999年，美国经济增长的35%来自信息产业，并且信息产业为美国提供了700多万个就业岗位，创造的产值超过5000 亿美元。在美国的带动下，信息产业成为全世界经济增长的重要组成部分。随着以射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）标签为代表的硬件终端技术的飞速发展，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）Auto-ID 中心的 Kevin Ashton 教授于1999年提出把射频识别、电子产品代码（Electronic Product Code，EPC）和互联网连接起来，以实现对商品的智能化管理，这套系统便是物联网的原型。RFID 是早期物联网的关键组成部分，但是当时的应用局限在物流和零售产业，通过在商品上安装 RFID 标签，让信息系统自动识别来达到信息的传递功能。如图1-1所示为基于EPC的物流开放网络（物联网）模型。
图1-1 基于EPC的物流开放网络（物联网）模型
进入21世纪，随着芯片技术、传感器、分布式计算、网格计算、云计算、智能体等技术的迅速发展，物联网的数据处理迎来了新的春天。
2005 年，国际电信联盟（ITU Telecommunication Standardization Sector，ITU-T）正式发布了物联网的报告书。该报告书第6 章描述了一个名为Rosa的23岁西班牙学生在2020 年的一天的生活（2020：A Day in the Life）。在报告书的第一部分，Rosa准备去阿尔卑斯山滑雪。在出发前，她的智能丰田轿车提醒她需要更换轮胎，在修车的过程中，一台自动售货机和Rosa的智能终端进行了通信，售货机根据她的喜好为她准备了冰咖啡，并通过Rosa的网络手表进行了电子支付。车的轮胎修好之后，Rosa 对新的轮胎上的 RFID 进行了安全设置，以防男朋友知道她的位置。在报告书的第二部分，Rosa购买了智能滑雪板，旅行系统根据她的行程通知了她，她的护照、驾照能被法国和西班牙的边境检查自动放行。在报告书的第三部分，Rosa的太阳镜能接收到她男朋友的电话，等她发出了对自己位置撤销隐私保护的命令后，她男朋友赶了过来。在整个故事中，Rosa得到了物联网提供的最佳服务。该报告书正式提出了信息与通信的新的沟通维度：任何时间，任何地点，任何物体，任何人，任何服务，任何网络（Any Time，Any Place，Any Thing，Any One，Any Service，Any Network）都可以直接保持最佳联系、提供最好的服务（见图1-2）。
图1-2 信息与通信的新的沟通维度
从2005年开始，物联网在全球迅速发展。多数国家从长远的角度提出了物联网相关国家战略，并且在一些服务层面已经从构思阶段步入了实质性的实施阶段。例如，日本的宽带接入泛在化，核心理念是以人为本，实现人与人、人与物、物与物的通信。韩国的智能家庭，使民众可以远程控制家电设备，并享受高质量的双向互动多媒体服务。新加坡的下一代 I-Hub，旨在利用安全、无处不在的网络实现下一代“U”型网络。北京邮电大学张平教授给出了MUSE（Mobile Ubiquitous Service Environment）的发展趋势，如图1-3所示。
在2009年的中国信息产业排名中，物联网这一关键词名列第一。2019年1月，在奥巴马与工商业领袖举办的圆桌会议上，IBM首席执行官首次提出了“智慧地球”（Smart Earth）的构想，通过把传感器安装到河流、电网、铁路、公路、森林、药瓶、货车等中，实现物联网设备的有效管理。同年9 月，欧盟发布了《物联网研究战略路线图》（ Internet of Things Strategic Research Roadmap）。该路线图由欧洲物联网项目组（CERP-IoT）撰写，其目标是推广、共享和宣传物联网的研究项目和相关研究成果，而传感器技术在物联网中的应用则是主要关注点，如家庭域的智慧医疗（Smart Health）、可穿戴计算（Wearable Computing）、绿色建筑（Green Building）、智慧交通（Intelligent Transport）等。在欧盟《第七框架计划》（The Seventh Framework Programme，FP7）的公开招标公告中（每年70亿欧元的支持），许多与物联网相关的项目得到了基金支持，包括汽车、航天、医疗、建筑和交通等近20个领域。物联网产业在众多研究中心和公司的合作下，进入了快速发展和应用的阶段。同年10月，韩国颁布了《物联网基础设施构建基本规划》，确定了物联网基础设施的构建，以及物联网技术的发展与研究等多个研究方向。同年，温家宝首次提出要建立中国传感信息中心，并命名为“感知中国”。同年9月，工业和信息化部成立了传感器网络标准化工作组。同年11月，无锡建立了国家传感网创新示范区。如图1-4所示为江苏无锡国家传感网工程技术研究中心。
图1-3 北京邮电大学张平教授给出的MUSE发展趋势
图1-4 江苏无锡国家传感网工程技术研究中心
2012 年，工业和信息化部在《物联网“十二五”发展规划》中指出：“到2015年，我国要在核心技术研发与产业化、关键标准研究与制定、产业链条建立与完善、重大应用示范与推广等方面取得显著成效，初步形成‘创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控’的物联网发展格局。通过物联网的蓝图规划，将使人们的生活变得更加智能化、智慧化、低碳化。”
2013年以后，中国的物联网进入了快速发展阶段。在民用方面，随着移动支付的成熟，共享单车已经无处不在，智能驾驶汽车正式上路，物流机器人自动分拣系统广泛应用，共享水机已经海量安装到小区和家庭，共享停车位正在多个城市进行部署，医养结合的智慧养老正在推广中。在工业方面，物联网已经和智能控制紧密结合，应用到了各个控制领域，涉及煤炭、钢铁、汽车、制造、电子等全行业，让工程师和操作人员能更加便携地工作。在政府方面，物联网已经广泛地应用于智能交通、智慧水务、智慧环保、智慧农业、智慧养老等全系统。中国移动、中国联通和中国网通已经将物联网列为三大创新战略之一，尤其是基于蜂窝的窄带物联网（NB-IoT）的实施，为物联网的发展尤其是微功耗的应用提供了更强大的通信基础设施，截至目前，已经有部分城市实现了NB-IoT的商业应用。2016年10月31日，世界物联网无锡峰会盛大开幕，“无锡你好”“太湖印记”，物联网在中国已经获得了巨大的成功。时任工业和信息化部副部长怀进鹏在峰会上提出，“中国经济正处在深度调整和变革之中，制造业向中高端加速迈进，物联网将成为一把利器，助力中国制造华丽转身、破茧成蝶。”工程院院士、大学校长、工业领袖、政治精英在大会上为世界人民逐渐勾勒出一个美好明天，“世界因物联而智慧，生活因物联而精彩。”目前，中国各行各业，正在演绎着万物互联，助力中国制造“破茧成蝶”的精彩实践。