2.3　物联网及相关技术

2.3.1　概述

物联网（Internet of Things，IoT）是新一代信息技术的重要组成部分。物联网字面层次上的意思是物物相连的互联网。有两层含义：一是物联网的基础和核心是Internet，是在Internet基础上的扩展和延伸的网络；二是用户端扩展和延伸到了任何物品之间进行信息交换与互联。物联网通过感知、识别等技术以及普适计算、云计算等技术融合应用，被称为继计算机、互联网之后信息产业发展的又一次浪潮。

在美国，奥巴马政府希望借助物联网刺激经济，使美国走出经济低谷。所以，奥巴马一上任便将IBM“智慧地球”的战略构想上升为国家战略的高度。“智慧地球”具体来说就是把传感器嵌入到电网、铁路、公路、桥梁、隧道、油气管道、供水系统、大坝、建筑等各种物体中，并且将其普遍联系起来，形成物联网。奥巴马政府认为物联网是化解危机、振兴经济、确立全球竞争优势的关键战略。

其实，在政府行动之前，美国很多高校已经在无线传感器网络方面开展了大量研究工作，如加州大学洛杉矶分校的嵌入式网络感知中心实验室、无线集成网络传感器实验室、网络嵌入系统实验室等。另外，麻省理工学院、奥本大学、宾汉顿大学、克利夫兰州立大学都一直进行着物联网相关领域的研究工作。

除了高校和科研单位之外，美国的很多大型知名企事业单位也都先后展开物联网领域的研究和实践。例如，早在2003年，美国最大的零售商沃尔玛即要求其最大的100家供应商于2005年1月之前在所有的货箱和托盘上安装RFID电子标签；Crossbow公司在国际上率先研究无线传感器网络，迄今为止已经为全球2000多所高校和上千家大型公司提供了无线传感器解决方案，与传感设备供应商霍尼韦尔、软件巨头微软、硬件设备供应商英特尔、著名的加州大学伯克利分校建立了紧密的合作关系。

欧盟委员会一直希望能够主导未来物联网的发展，所以近几年致力于鼓励和促进内部物联网产业的发展。2009年，欧盟委员会提出了“欧盟物联网行动计划”，目的就是确保欧洲在构建物联网社会的过程中起主导作用。该行动计划描绘了物联网技术的未来应用前景，提出欧盟政府要加强对物联网的管理、完善隐私和个人数据保护，提高物联网的可信度、接受度、安全性。同时，为保证计划顺利进行，他们计划投资4亿欧元用于ICT研发设计，启动90多个研发项目以提升网络智能化水平，计划将在2011—2013年每年增加2亿欧元以加强研发力度，同时设立3亿欧元专款支持物联网公私合作短期项目。

2010年5月，欧盟委员会新提出“欧洲数字计划”，该计划的重要平台就是物联网。这两项计划充分表明欧盟已将物联网建设提到议事日程上，希望通过构建新型物联网管理框架来引领世界物联网的发展。

从20世纪90年代以来，日本政府连续提出了E-Japan、U-Japan、I-Japan的国家信息化发展战略，大规模推动国家信息基础设施建设，希望通过信息技术推动国家经济社会发展。其中，U-Japan、I-Japan两项战略也就是有关物联网的战略。

2004年，日本政府提出了2006—2010年的发展IT规划“U-Japan”战略。该战略的目标是到2010年将日本建成一个“泛在网络社会”——任何人、任何物体可以在任何时候、任何地点互联，实现人与人、人与物、物与物之间的连接，即4U——Ubiquitous、Universal、User-oriented、Unique。该战略的重点在于提高居民的生活水平。

2008年，日本政府将U-Japan重心转移，从过去重点关注提高居民生活水平拓展到促进地区及产业的发展，即通过ICT的广泛应用变革原有产业、开发新应用；通过ICT用电子方式联系各产业、各地区和个人，促进地区经济发展，通过它的广泛应用变革生活方式，实现“泛在网络社会”。

2009年，日本政府提出新一代的国家信息化发展战略——“I-Japan”，该战略的目的是让信息技术融入每个领域，重点聚焦三大领域的改革电子政务管理、医疗健康服务、教育人才培育。提出到2015年，通过信息技术实现政府行政改革，使行政流程简单化、标准化、效率化和透明化，同时推进电子病历、远程医疗和远程教育等应用领域的发展。此外，他们还投入大量资金进行研发。

在我国，物联网行业的发展也进入“应用启动”阶段，政府高度重视物联网的发展。2009年11月3日，温家宝总理发表题为“科技引领中国可持续发展”的重要讲话，其中将物联网列为中国五大信息产业战略之一。2010年3月5日，温家宝总理在“两会”工作报告中指出，要加快物联网的研发和应用，物联网被首次写进政府工作报告，它的发展进入国家层面的视野，中国计划在2020年之前投入资金3.86万亿元用于物联网的研发。

国家“十二五”期间科技部的“863”计划第二批专项课题包括了与物联网紧密相关的7个课题，包括超高频RFID空中接口安全机制及其应用、超高频读写器芯片的研发与产业化等。工信部确定了“将物联网发展成2010年我国的信息产业”的发展目标，而且与国标委成立了物联网标准联合工作组；铁道部的射频识别（RFID）应用也已经覆盖了其铁道运输的全部业务。到2008年年底，我国铁路的1.7万台机车、70.8万辆货车均安装了电子标签；卫生部的RFID主要用在卫生监督管理、食品检验检疫、医保卡等方面，此外，卫生部在食品药品安全监管、医院在对病人、药品、医疗器械的实时动态、可追溯管理、电子病历和健康档案管理等方面都开展了试点工作。

未来物联网产业链包括芯片制造、传感器制造、设备制造、网络运营、网络服务、软件开发、解决方案提供商等一系列的环节。尽管目前物联网产业链中的各项技术还不成熟，在短期内也很难实现大规模产业化、在生产和生活中全面普及。但是我国所拥有的从原材料、技术、器件、系统到网络的完整的产业链，使我国成为全球少数几个能够实现完整物联网产业链的国家之一。

2.3.2　物联网体系架构

物联网通过射频识别（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，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网体系架构主要包括3层，即终端及感知延伸层、网络层和应用层。其中终端及感知延伸层作为物联网的信息获取源，主要包括通信终端或网关，以及传感器等泛在网感知设备及网络。它主要实现两个方面的功能：一个是感知功能，通过传感器网络或其他短距离通信网络及技术实现对环境的感知，并上传应用数据，使网络获知物理世界的更多状况和变化，以提高应对和掌控能力，同时接受上传业务的控制指令；另一个是通信功能，提供与远程业务应用的通信能力和一些业务的处理能力。

本着高性能、高可靠性、低成本、技术实现简捷、通用性强及可扩展性好的目标，物联网体系可实现以下功能。

（1）使用4G、WiFi和北斗通信技术相结合的无线通信技术方案实现无线数据通信。在特定区域内使用WiFi技术，满足用户高速数据传输的需求。而4G技术覆盖范围大、快速移动时仍能保持144kbit/s的数据速率，在没有WiFi信号或进行快速移动时使用4G技术。而在没有移动网络覆盖的地方，使用北斗通信技术能够提供及时、可靠的数据通信服务。

（2）硬件平台采用本国自主品牌的微处理器进行二次开发，提供多种接口实现，包括实现RS232串行接口、USB、SDIO、CMOS摄像头等接口实现。

（3）软件平台设计基于Android系统，采用模块化设计方案，从而达到灵活增减各种应用功能的目的。

多功能物联网移动终端能够完成物联网业务的以下基本功能：①通过摄像头模块采集图片、一维二维码信息。②通过RFID模块采集电子标签信息。③通过ZigBee网关模块采集无线传感器数据。④通过加速度传感器模块采集加速度值。⑤通过北斗定位模块获取位置信息。⑥通过4G模块、WiFi模块以及北斗通信模块，在多通信网络下实现与后台服务终端或其他终端的数据通信。

根据目前对物联网移动的功能需求及研究热点，以及多功能物联网移动终端在现有数据感知技术和无线通信技术的水平，通过软、硬件的密切配合能够实现精确导航指向、多通信网络自适应切换、即时分组通信。

精确导航指向：利用北斗定位系统、加速度传感器和摄像头3种设备的采集数据，给出了一种新导航指向方案。

多通信网络自适切换：在4G、WiFi和北斗这3种现有并可用的通信技术的基础上，给出了多功能物联网移动终端的多通信网络自适应切换解决方案，可随时随地为用户提供经济、可靠、实时的网络通信数据服务。

即时分组通信：在移动通信网和北斗通信网的基础上，给出了即时分组通信的技术方案，实现即时群组通信、共同完成作业的功能。

物联网从宏观上来看，包含3个层次：分别是感知层，用来感知世界；网络层，用来传输数据；应用层，用来处理数据，如图2-4所示。

1.感知层

感知层的作用是感知和采集信息。从仿生学角度来看，感知层为“感觉器官”，可以感知自然界的各种信息。感知层包含传感器、RFID标签与读写器、激光扫描器、摄像头、M2M终端、红外感应器等各种设备和技术。传感器及相关设备装置位于物联网的底层，是整个产业链中最基础的环节，解决人类世界与物理世界数据获取问题，首先通过传感器、RFID等设备采集外部物理世界的数据，然后通过蓝牙、红外、工业总线、条码等短距离传输技术进行传输。

在2009年温家宝提出“感知中国”后，国家对传感器的研发投入加大。江苏省无锡市建成了我国首个传感中心，通过国家高层次海外人才引进，纳米传感器在医学上已经应用到临床。传感器是一门多学科交叉的工程技术，涉及信息处理、开发、制造、评价等许多方面，制造微型、低价、高精度、稳定可靠的传感器是科研人员与生产单位的目标。RFID应用广泛，如身份证、电子收费、物流管理、公交卡、高校一卡通等，且RFID标签可以印刷，成本低廉，得到广泛的应用与普及。

2.网络层

网络层的任务是将感知层的数据进行传输，将感知层获取的数据通过移动通信网、卫星通信网、各类专网、企业内部网、小型局域网、各种无线网络进行传输，尤其是互联网、有线电视网、电信网进行三网融合后，有线电视网也能提供低价的宽带数据传输服务，促进了物联网的发展。

网络层的研究开发主要由高校和大企业主导。在学术界，随着IPv6的诞生与实际应用，我国的科技工作者做出了很多贡献，如为了解决多网融合问题，北京邮电大学教授张平所在的泛在网络研究中心已经对网络的异构问题进行了大量的研究，完成了相关的“973”和“863”计划项目。在企业界，华为、中国移动、大唐电信等已经加入3GPP长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目，LTE是以频分多路复用频分多址连接（FDM/FDMA）及多输入多输出（MIMO）为核心的4G技术，在速率、功耗、延迟、高速移动性等性能指标方面取得了突破性进展。

3.应用层

应用层的任务是对网络层传输来的数据进行处理，并与人通过终端设备进行交互，包括数据存储、挖掘、处理、计算以及信息的显示。物联网的应用层涵盖医疗、环保、物流、银行、交通、农业、工业等领域，物联网虽然是物物相连的网络，但最终需要以人为本，需要人的操作与控制。应用层的实现涉及软件的各种处理技术、智能控制技术和云计算技术等。

2.3.3　物联网的关键技术

物联网应用涉及的领域很广，从简单的个人生活应用到工业现代化，再到城市建设、军事、金融等领域。物联网的应用涉及由传感器技术推动的各个产业领域，包括智能家居、智能农业、智能环保、智能医疗、智能物流、智能安防、智能旅游、智能交通等。物联网的发展最终将现有各种产业应用聚集成为一个新型的跨领域的应用领域。

1.智能家居

智能家居（Smart Home）利用物联网平台，以家居生活环境为场景，将网络家电、安全防卫、照明节能等子系统融合在一起，为人们提供智能、宜居、安全、舒适的家居环境。与传统家居相比较，智能家居为人们提供宜居、舒适的生活场景，安全、高效利用能源，生活、工作方式得到优化，家居环境变成智慧、能动的生活工作工具，从而达到环保、低碳、节能的效果。

我国的智能家居经过市场发展培养，智能家居发展迅速，从2012年开始，随着4G技术、云计算技术的应用推广，手机、平板等智能终端设备的普及，价格下降迅速，以及各物联网相关技术的发展，智能家居进入快速发展通道。

2.智能农业

传统农业主要依靠自然资源和劳动力，成本低廉、效率低下、劳动强度大、难度高，已不能满足现代农业的高产、高效、优质、安全的需要。随着物联网技术被引入农业中，农业信息化程度得到明显的提高。智能农业通过实时采集温湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤温湿度、pH值等参数，自动开启或者关闭控制设备，使农作物处于最优生长环境中。同时通过追踪农产品的生长监控信息，探索最适宜农产品生长的环境，为农业的自动控制与智能管理提供科学依据。传统农业中的灌溉、打药、施肥等，农民都是靠感觉、凭经验，在智能农业中，这些都可通过相关设备自动控制，实施精确管理。

3.智能环保

随着社会的进步发展，环境污染变得更加严重，且出现了一些新情况，同时伴随着人们生活水平的提高，环保意识在不断增强。我国的环境保护方面的信息化程度较低，实现环保工作的自动化、智能化是未来工作的重点。

4.智能医疗

人们可利用物联网技术实时感知各种医疗信息，实现全面互联互通的智能化医疗。通过智能医疗系统，对病人和药品进行智能化管理，比如病人佩戴RFID设备，实时跟踪病人的活动范围；病人佩戴各种传感器，对重症病人进行全方位实时监控，特殊情况及时报警，节省了人力开支，提高了信息的准确性和及时性。智能医疗还能通过家庭医疗传感设备，实时监控家中老人或者病人的各项健康指标，并将各项指标数据传输给健康专家，并给出保健或护理建议。但是也存在标准不统一、成本高、隐私保护难度大以及国内医疗相关企业竞争力弱等问题。

5.智能物流

物联网在物流行业已得到广泛应用，智能物流运用传感器技术、RFID、GPS等技术，对物品的运输、配送、仓储等环境进行跟踪管理，达到配送物品的高效、智能，减少了人力资源的浪费。智能物流实现了物流配载、电子商务、运输调度等多种功能的一体化，成为运用物联网技术较成熟的行业。

6.智能安防

我国的安防体系存在安防设备智能化不足、功能单一、可靠性差以及服务范围窄等问题。物联网技术的快速发展，给安防行业带来了技术创新，通过把物联网的快速感应、高效传输等特点应用到安防领域，实现安防系统的智能化，提高安防系统的自适应能力、自学习能力，最终实现能针对不同的应急情况自动采取各种针对性的措施来保证安全。例如，上海世博会的各种安防系统，车辆安全监控系统实现对世博会园区十余万辆汽车的安检；智能火灾监控系统，在发现烟雾时能及时采取有效措施并报警。

物联网是以应用为核心的网络，应用创新是物联网发展的核心，强调用户体验为核心的创新是物联网发展的灵魂。其应用的关键技术如下。

（1）传感器技术。物联网能做到物物相连，进行感知识别离不开传感器技术。目前通常采用无线传感器技术，大量传感器节点部署在感知区域内，构成无线传感器网络。无线传感器网络作为感知域中的重要组成部分，有很多关键技术需要研究，如路由技术、拓扑管理技术等。

（2）RFID标签。RFID本质上来说也是一种传感器技术，融合了无线射频技术和嵌入式技术，在物流管理、自动识别、电子车票等领域有广阔的应用前景。

（3）嵌入式技术。综合了集成电路技术、电子应用技术、传感器技术以及计算机软硬件技术，经过多年的发展，基于嵌入式技术的智能终端产品随处可见，从普通遥控器到航天卫星，从电子手表到飞机上的各种控制系统。嵌入式系统已经完全融入到人们的生活中，也改变着人们的生活，推动工业生产以及国防技术的发展。

（4）应用软件技术。通过各种各样的应用软件技术提供不同的服务，满足不同的需求。应充分利用丰富的应用软件提供的各种功能，将物联网Wed化，物联网应用融合到Wed中，借助Internet物联网，为用户提供各式各样的服务。

虽然当前国内外在物联网领域已经取得了大量理论研究成果和部分应用示范，但问题仍较为突出。例如：封闭的内部尝试，缺乏开放性、示范性与可复制性；不能互联互通，存在严重的地区和行业壁垒，大量示范工程重复建设；产品、解决方案互不兼容，缺乏统一的概念，导致大量碎片化的框架和应用等。针对这些问题，在分析物联网系统各部分功能与特点的基础上，从基于Wed的物联网业务环境的基本原则出发，将物联网系统架构分为感知域和业务域，提出了基于Wed的物联网体系结构，将物联网Wed化。

构建基于Wed的物联网系统服务平台，汇聚产业链上的设备和平台，引进国内外先进的技术和理念，形成物联网应用设备商店，为用户提供全方位的体验与服务，最终形成物联网应用服务云，构建物联网生态系统。