了解物联网：概述与应用

10.1.1.1　物联网概念及现状

“物”的概念是广义的。在产业应用中，“物”可以是产品、装备、物流；在环境应用中，“物”可以是建筑物、树木、环境监测设施；在社会应用中，“物”可以是公共场所或居家生活设施等。“物”将成为业务、信息、社会过程的自主参与者。物与物之间可以相互通信、交换信息，“物”可以自主感知环境、启动服务行为改变环境。［3］物联网是互联网从数字世界向物理世界的延伸和扩展。作为未来发展趋势之一，物联网将为未来世界和人类社会的活动方式带来重大变革。［3］其目的是让所有物品都与网络连接起来，方便识别和管理。［4］

1999年美国Auto-ID研究中心最早提出了“物联网”的概念，当时的物联网是以产品电子代码（EPC，Electronic Product Code）为核心，利用射频识别技术（RFID，Radio Frequency Identification）、无线通信技术等，利用互联网建立起来的。［5］

物联网（The Internet of Things，IoT）三个要件：一是全面感知，即利用RFID、传感器、智能前端等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。［6］

中国物联网产业发展仍处于初级阶段，技术、标准、产品以及市场并不成熟。细分市场方面，交通、安防、物流、零售、电力、金融、环保、医疗等将成为物联网行业应用的重点领域。［7］据预测，到2020年，物与物互联业务和现有人与人的通信互联业务比例将达到30∶1。［7］

10.1.1.2　发展阶段

物联网发展阶段如图10-1所示。

图10-1　物联网发展阶段

1.思想萌芽阶段

即2005年以前，为物联网思想的孕育和萌芽阶段。最早作为“普适计算”思想由Mark Weiser博士于1988年开创性提出，他认为微型化、网络化和低廉化的普适计算设备将广泛分布在日常生活的各个场所，人们可以随时随地获得需要的信息和服务。此时的物联网已经首次涉及了感知、传送和交互，但它只是一个雏形，更多的可以说是一种思想，预示着某项科技即将诞生。1999年，基于“EPC系统”的“物联网”概念由Ashton教授创造性提出。同年，我国中科院也启动了“传感网”研究，并认为“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。此时的“物联网”开始萌芽出生，逐渐从思想走向构建的尝试。［8］

2.技术探索阶段

即2005—2010年，为物联网的技术研发和探索阶段。更多的表现为物联网核心技术——RFID技术、传感技术和信息通信技术（Information Communication Technology）等技术的研发探索与广泛应用。2005年，国际电信联盟在《ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things》报告中指出，世界上所有的物体，从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾，都可以通过相关设备和技术实现人与物之间以及物与物之间的通信。近年，特别是2009年，全球物联网发展呈现出快速增长的趋势，世界各国纷纷开展物联网领域的规划布局，将其发展上升到技术战略甚至国家战略地位。此时的“物联网”已进入核心技术研发探索与初步应用阶段，也开始强调人对物的智能化识别与管理，但缺少一种人与物、物与物之间的相联、沟通与互动。［8］

3.应用探索阶段

即2011—2020年，为物联网应用和产业发展阶段。目前，全球物联网虽还只是处于初级应用阶段，但已具备了较好的技术基础和发展环境，各国都制定了相应的物联网规划或发展计划，并逐步将物联网应用到社会各领域，未来几年全球物联网的产业应用将快速增长。此时的“物联网”将深度挖掘社会信息，由概念向实践真正转化。［8］

4.成熟推广阶段

即2020年之后，为物联网全面发展和推广阶段。任何一项重大的新兴科技，都需要时间和市场的检验。到这一时期，物联网技术将更加成熟，可以从产业应用推广到社会生活的各个方面。此时的“物联网”将由技术演变内化为智慧的社会。［8］

10.1.1.3　技术架构

作为一种物物相连、融合各种感知设备和传输设备的聚合性复杂系统，物联网有其特有的架构体系。一般认为，物联网系统有三个层次：感知层、网络层和应用。感知层提供泛在化的感知网络，网络层提供融合化的信息通信基础设施，应用层提供普适化的应用服务体系。

感知层主要就是采集系统外部各种物品的信息和数据。通过各种传感器、二维条码、射频识别、红外感应器、智能装置等信息传感设备自动采集物体的各种信息，再经过组网与协同信息处理技术，把采集到的数据传输到网络层。数据的采集和感知包括单个物体的位置信息、特定范围内的物体信息、物体内在的信息等。感知层作为物联网体系架构的基本层，主要实现物体识别、信息采集、数据上传的功能。感知层主要包括传感器、自动识别设备、无线传输技术、自组织组网技术和中间件技术。

网络层主要就是实现数据信息的处理、传输和控制。网络层作为物联网体系架构的中间层，是物联网的中心环节。网络层的相关技术主要包括有线通信技术，如短距离的现场总线（FCS（集中式控制系统）、PLC（广义电力线通信））和中、长距离的广域网（WAN、PSTN、ADSL、HFC Cable）；无线通信技术，如长距离的无线广域网（WWAN），中、短距离的无线局域网（WLAN），以及超短距离的无线个人网（WPAN）。［10］(www.xing528.com)

应用层利用经过分析处理的感知数据信息，为用户提供丰富的特色服务，以实现智能化识别、定位、监控和管理。应用层处于物联网体系架构的最顶层，是物联网发展的目的。应用层主要包括应用支撑平台子层和应用服务子层。应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能，主要包括公共中间件、信息开放平台、云计算平台和服务支撑平台。应用服务子层就是各行业的应用和各种功能应用。物联网发展的最终趋势是让物理世界智能化，改善和提升人们的生活品质。

10.1.1.4　面临的主要问题

1.行业标准不统一

世界各国和地区由于对物联网应用要求不同和对技术保密性要求，对物联网规范定义标准也不同。但由于中国各大公司也相应推出自己的物联网架构和平台，都制定自己公司的相对小范围的标准，也会导致标准不一致，在系统对接集成过程中存在很大的弊端。这就需要政府、运营商和行业协会等共同努力，打造一个相对统一的标准规范，规避日后统一综合接入造成的不必要的麻烦。［9］为此，中国信息技术标准化技术委员会于2006年成立了无线传感器网络标准项目组。2009年9月，传感器网络标准工作组正式成立了PG1（国际标准化）、PG2（标准体系与系统架构）、PG3（通信与信息交互）、PG4（协同信息处理）、PG5（标识）、PG6（安全）、PG7（接口）和PG8（电力行业应用调研）等8个专项组，开展具体的国家标准的制定工作。［10］

2.系统通信安全问题

（1）物联网机器和感知节点的本地信息安全问题。由于物联网机器和感知节点大多数安装在无人值守的场景中，攻击者轻易而举地就可以接触到这些节点设备，对它们造成破坏，更换节点机器的软硬件。［9］

（2）感知网络的传输与信息安全问题。感知节点功能单一并且感知网络多种多样，感知网络提供的数据没有特定的标准，没法对所有的感知点提供统一的安全防护体系。［9］

（3）核心网络的传输与信息安全问题。核心网络相对来说具有完整的安全保护能力，但是由于物联网中节点数量庞大，且以集群方式存在，节点感知的数据量巨大，因此在数据传播时，会导致大量节点的数据同时发送，造成网络的拥塞。［9］

（4）物联网业务的安全问题。物联网感知终端节点可能是先部署后连接网络，而物联网终端又无人看守，所以如何对物联网设备进行远程签约认证和系统信息配置就成了难题。另外，庞大且功能多样化的物联网平台必然需要一个强大而统一的安全管理平台，否则独立的平台会被各式各样的物联网应用所淹没，而如何对物联网设备的日志等安全信息进行管理又成了新的问题，可能会割裂网络与业务平台之间的信任关系，导致新一轮安全问题的产生。［9］

3.协议问题

物联网是互联网应用分支的延伸，在物联网传输的核心层是基于TCP/IP协议，但在传感终端的接入层，设备传输接口与传输协议类型多种多样，主要有485串口、232串口、USB接口、电流环路、开关量接口等，网络接入方式有RFID、PLC、3G、GPRS/CDMA、Wi-Fi、ZigBee、短信、传感器、宽带以太网等多种接入方式，各种各样的物联网智能终端需要一个统一的协议栈来实现对物联网管理平台完成协议的接入。［9］

4.IP地址问题

每个物联网智能终端在物联网中被访问、进行数据交互，就需要给每一个终端分配唯一的IP网络地址，因此物联网系统中需要很多的IP地址。2011年2月4日，全球基于IPv4协议的43亿个地址资源全部分配完毕，这就需要下一代互联网IPv6支撑，两者的过渡将是一个漫长的过程，因此物联网系统必须使用IPv6，IPv4向IPv6过渡就必然存在与IPv4的兼容性问题。物联网终端设计需要采用二重协议栈，以保证兼容过渡期的IP网络。［9］

由于每一台设备要想连入互联网必须有其相应的IP地址，而现在的地址资源已经无法满足发展需要，所以向以IPv6为核心技术的下一代互联网的过渡已成必然。我国在《国民经济和社会发展十二五规划纲要》中，明确提出重点发展下一代互联网等国家信息基础设施，并且在国务院常务会议中明确认定“推动下一代互联网商用进程，支持物联网、云计算、移动互联网发展”为下一代互联网产业发展的重点任务。

5.终端问题

物联网终端除具有本身功能外还拥有传感器和网络接入等功能，且不同行业需求千差万别。工业检测终端、农业检测终端、物流RFID检测终端、固定终端、移动终端、手持终端、多种不同传输方式的终端（以太网、Wi-Fi、2G\3G、ZigBee）等如何满足终端产品的多样化需求，对运营商和系统集成商来说是一个巨大的挑战。［9］

10.1.1.5　物联网关键技术

粗略归纳，我国物联网的技术研发主要集中于RFID技术、传感技术、识别技术、嵌入式系统技术、智能计算技术、无线通信技术等。［8］

在物联网的构造体系中，射频识别技术（RFID）、传感技术、智能嵌入技术、纳米技术等被国际电信联盟（ITU）列为关键技术。［11］［12］传感技术主要包括传感器技术和传感器网络技术。

传感器技术、通信技术和计算机技术是信息技术的三大支柱。［11］在智慧小区物联网应用中，物联网技术主要包括智能感知与标示技术、网络与通信技术、计算与服务推送技术。［13］感知与标示技术包括RFID、二维码、传感器等，网络与通信技术包括以太网、3G、蓝牙、Wi-Fi等，计算与服务技术包括数据挖掘、数据推送等。［14］［13］