第1章 物联网系统设计概论

1.1 物联网概论

1.1.1 物联网定义

物联网这个名字自提出以来，其概念的内涵经历着不断演进的过程：1995年比尔·盖茨首次提出“物与物”相联的“物联网”（Internet of Things, IoT）雏形；1998年麻省理工学院提出了“物联网”的构想；1999年美国自动识别中心提出了“物联网”的初步概念；2005年国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）发布报告，正式提出了“物联网”的基本概念，指出物联网是囊括所有物品的联网及应用；2008年IBM基于物联网提出了“智慧地球”的概念，美国奥巴马政府将其作为刺激经济复苏的核心环节上升为国家战略，并预测今后10年，世界上物联网的业务将达到互联网的30倍。至此，日、韩、欧盟、新加坡、中国台湾等地都着手“智慧城市”的研究和部署。2009年6月欧盟委员会提出了针对物联网行动方案。2009年8月国务院总理温家宝提出，要“尽快建立‘感知中国’中心”, “要着力突破传感网、物联网关键技术”。各行各业人士对物联网基本内涵的理解有以下几种。

理解一：物联网是指通过安装在物体上的各种信息传感设备，如射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）装置、红外感应器、全球定位系统（Global Positioning System, GPS）、激光扫描器等，按照约定的协议，并通过相应的接口，把物品与互联网相连，进行信息交换和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种巨大网络。

理解二：物联网是互联网的延伸和扩展，是在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线传感网技术、无线通信技术等构造一个无所不在的网络。其实质就是利用智能化的终端技术，通过计算机互联网实现全球物品的自动识别，达到信息的互连与实时共享。

理解三：物联网是随机分布的，集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线传感器网络。其实质是借助于节点中内置的智能传感器，探测温度、湿度、噪声等表征物体特征的实时参数。

第二种理解是在射频识别基础上构建物联网，第三种理解是基于传感器基础构建传感网，而第一种理解则是将后二者融合，构建泛在网。将上述理解综合起来看，物联网大体上涉及到了电子电路、仪器仪表（含传感器）、信息、通信、计算机、自动化、互联网等多个技术领域，涵盖的行业繁多，产品多种多样，应用形态渗透到生产、生活、社会的各个方面。因此，物联网被认为是实现物理世界与信息世界无缝连接的泛在网络。

2011年5月，我国工业和信息化部电信研究院发布的《物联网白皮书（2011年）》正式给出物联网的官方解释：物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它是利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互连，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝连接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。也就是说，物体通过装有RFID装置或国际移动设备识别码（International Mobile Subscriber Identification Number, IMSI）标识等的信息传感设备，按约定的协议与承载网相连，形成智能网络。物品将其信息通过承载网络（电信网、互联网、广电网）传送到管理者的计算机或手机终端，实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

从分析传感网、通信网、互联网、物联网、泛在网的相互关系，可以进一步理解物联网的基本内涵。传感网是信息感知网，是“物与物”互连；通信网和互联网是信息传输和共享网络，是“人与人”互连；物联网则是传感网、通信网和互联网的渗透与融合，是“物与人”互连；泛在网则是指无处不在的社会网，包括现在和未来所有网络的互连互通和共融。物联网是泛在网和“智慧地球”的核心，而“智慧地球”的核心是“更透彻的感知、更全面的互连互通和更深入的智慧化”。基于上述内容，从用户实体角度来看，物联网是“物与物”相联、“物、人、信息、社会”相通、无处不在的智能化泛在网；从技术角度来看，物联网是“智能终端（Intelligent Terminal, IT）”、“计算机、通信、控制（Computer Communication Control,3C）”与Internet的多技术渗透融合网。

物联网概念随着信息领域及相关学科的发展仍将不断改变与充实，因此，目前仍难以提出一个权威、完整和精确的物联网定义。不同领域的研究者给出了一些有代表性的物联网定义。

定义1：物联网是未来网络的整合部分，它是以标准、互通的通信协议为基础，具有自我配置能力的全球性动态网络设施。在这个网络中，所有实质和虚拟的物品都有特定的编码和物理特性，通过智能界面无缝链接，实现信息共享。

定义2：由具有标识、虚拟个性的物体/对象所组成的网络，这些标识和个性运行在智能空间，使用智慧的接口与用户、社会和环境的上下文进行连接和通信。

定义3：物联网指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。

定义4：狭义上的物联网指连接物品到物品的网络，实现物品的智能化识别和管理；广义上的物联网则可以看做信息空间与物理空间的融合，将一切事物数字化、网络化，在物品之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互方式，并通过新的服务模式使各种信息技术融入社会行为，是信息化在人类社会综合应用达到的更高境界。

定义5：物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互连，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。

定义6：物联网是指具有感知和智能处理能力的可标识的物体，基于标准的可互操作的通信协议，在宽带移动通信、下一代网络和云计算平台等技术的支撑下，获取和处理物体自身或周围环境的状态信息，对事件及其发展及时做出判断，提供对物体进行管理和控制的决策依据，从而形成信息获取、物体管理和控制的全球性信息系统。

定义7：物联网指的是将无处不在的末端设备和设施，包括具备“内在智能”的，如传感器、移动终端、工业系统、楼宇控制系统、家庭智能设施、视频监控系统等、以及“外在使能”的，如贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”，通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通信网络实现互连互通、应用大集成，以及基于云计算的SaaS营运等模式，在内网、专网或互联网环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面（集中展示的Cockpit Dashboard）等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。

1.1.2 物联网分类

从物联网的运营角度，物联网可以分成两大类：面向公众提供的物联网服务和面向行业提供的物联网专用服务。面向公众提供的物联网服务是建设一张面向公众服务的广域物联网，网络建设和网络维护需要长期地投入人力和物力，从集约化和节省全社会成本的角度来看，通信运营商凭借丰富的专业经验、较低的人员维护成本、一体化的维护优势，是最佳的建设方和维护方。面向行业提供的物联网专用服务又分为两种类型：行业专网服务和行业公网服务。行业专网服务主要指某些行业单独设立的通信专网，只为本行业服务，不面向社会公众提供服务。行业公网服务主要指面向一种行业，但是为与此行业相关的各种人员和机构提供服务的网络。

从物联网的管理架构角度，物联网管理可以分成三个层次，即国家、行业/区域、企业。国家层次是国家物联网管理中心，即一级管理中心，负责与国际物联网互连，负责全局相关数据的存储与发布，并对二级物联网管理中心进行管理。行业/区域层次包括行业/区域物联网管理中心和公共服务平台。行业/区域物联网管理中心是国内二级管理中心，存储各行业、各领域、各区域内部的相关数据，并将部分数据上传给国家管理中心。行业/区域公共服务平台为本行业或者区域的企业和政府提供公共的物联网服务。企业层次包括企业及单位内部的RFID、传感器、GPS等信息采集系统以及局域物联网应用系统。

从物联网所有权角度，物联网可以分成互联网（Internet）、内联网（Intranet）、专用网（Extranet/VPN）。因“物”的所有权特性，物联网应用在相当一段时间内都将主要在内联网和专用网中运行，形成分散的众多“物连网”，但最终会走向互联网，形成真正的“物联网”，如 Google PowerMeter。因此，从物联网的所有权特征角度分，物联网有四大网络群：短距离无线通信网、长距离无线通信网、短距离有线通信网、长距离有线通信网。短距离无线通信网包括多种已存在的短距离无线通信（如 Zigbee、蓝牙、RFID 等）标准网络以及组合形成的无线网状网（Wireless Mesh Networks）。长距离无线通信网包括GPRS/CDMA、3G、4G、5G等蜂窝（伪长距离通信）网以及真正的长距离GPS卫星移动通信网。短距离有线通信网主要依赖多种现场总线（如ModBus、DeviceNet等）标准，以及PLC电力线载波等网络。长距离有线通信网包括计算机网、广电网、电信网（三网融合）以及国家电网的通信网。

物联网按其部署方式通常分成如下四类：私有物联网（Private IoT）、公有物联网（Public IoT）、社区物联网（Community IoT）、混合物联网（Hybrid IoT）。私有物联网一般面向单一机构内部提供服务。可能由机构或其委托的第三方实施和维护，主要存在于机构内部（On Premise）内网（Intranet）中，也可存在于机构外部（Off Premise）。公有物联网基于互联网（Internet）向公众或大型用户群体提供服务，一般由机构（或其委托的第三方，少数情况）运行与维护。社区物联网是向一个关联的“社区”或机构群体（一个城市政府下属的各委办局，如公安局、交通局、环保局、城管局等）提供服务。可能由两个或以上的机构协同运行与维护，主要存在于内联网和专用网（Extranet/VPN）中。混合物联网是上述两种或两种以上物联网的组合，但后台有统一运行与维护实体。