物联网及其技术介绍

（一）物联网的概念

“物联网” （图2－1）这一概念是在1999年由美国麻省理工学院（MIT）的Kevin Ash－ton教授在研究射频识别 （RFID）时首次提出的。1995年，比尔·盖茨在 《未来之路》一书中就已提到了物联网，但未引起重视。1999年，美国麻省理工学院建立了 “自动识别中心 （Auto－ID）”，提出 “万物皆可通过网络互连”，阐明了物联网的基本含义。[1]2005年，国际电信联盟在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上发布了题为 《ITU互联网报告2005：物联网》的报告，引用了 “物联网”的概念。这一次物联网概念的提出，使其定义和范围发生了很大变化，它不只是指基于射频识别技术的物联网，而是扩展到更广的范围。报告描述了物联网时代的图景：无所不在的 “物联网”通信时代即将来临，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因特网主动进行交换，射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。

图2－1 物联网图示[2]

物联网技术在1999年被首次提出时给出的定义为：通过射频识别、全球定位系统、红外感应器、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。简而言之，就是 “物物相连的互联网”。

国际电信联盟 （ITU）在 《ITU互联网报告2005：物联网》的报告中对物联网的定义：通过二维码识读设备、射频识别装置、红外感应器、全球定位系统和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，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

2009年9月，在北京举办的物联网与企业环境中欧研讨会上，欧盟委员会信息和社会媒体司RFID部门负责人Lorent Ferderix博士给出了欧盟对物联网的定义：物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的 “物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网共同构成未来互联网。

我们将物联网的 “物”扩展为 “硬物”（或 “实物”，即一件物品）与“软物”（或 “虚物”，即一项工作或一项服务），这里的 “物”要满足以下9项条件才能够被纳入 “物联网”的范围：要有相应信息的接收器；要有数据传输通路；要有一定的存储功能；要有CPU；要有操作系统；要有专门的应用程序；要有数据发送器；遵循物联网的通信协议；在世界网络中有可被识别的唯一编号。这样的软硬结合，通过连接点实时传输，物联网便可以为管理的各个环节服务了。

物联网把具备以上功能的 “物”与互联网连接起来，以一种更智慧的方法来改变人们交互的方式，也将对人类的生产和生活方式产生又一次巨大冲击和影响。物联网从提出发展至今，已经在各行各业中有了广泛的应用，人类社会正以不可阻挡之势迈向物联网时代。

（二）物联网的三个重要特征

物联网通过利用新一代信息技术来改变政府、企业和人们相互交互的方式。与传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。

1．全面感知

利用RFID、传感器、二维码、GPS等随时随地对物体的信息进行采集和获取。物联网上部署了海量的多种类型的传感器，每个传感器都是一个信息源，实时感知和获取物体的信息，不断更新数据。

2．实时准确传输

通过各种有线网络、无线网络及设备，将通信网、互联网、广电网三网融合，把前端信息采集设备采集和接收到的物体信息实时、准确地传输出去。

3．智能处理

利用云计算、模糊识别等各种智能处理技术，对海量数据和信息进行分析、加工和处理，对物体实施智能化控制，并形成各种决策方案，以适应各级各类用户的不同需求。

物联网的三个重要特征有机联合才能构成真正的物联网 （图2－2），否则只是取其名而已。

图2－2 物联网三大重要特征

（三）物联网的基本体系架构

物联网的特征在于全面感知、准确实时传输、智能处理，由此我们将物联网的基本体系架构分为四层 （图2－3）。

图2－3 物联网的基本体系架构

1．感知层

类似于人体的皮肤和五官，处于构架的最底层，通过传感网来实现对物体的感知和识别。

（1）特点

提供实时的、真实的全过程中各环节的第一手原始资料，避免第二手数据造成的误差或者巨大误差，提供原始数据，为决策提供精确的依据。

（2）组成

在各事务终端或过程关键节点放置所需要的相关传输工具，包括射频标签和读写器、条码标签和识读器、GPS、摄像头、传感器和传感器网络等信息收集器件。

（3）作用

采集物品信息，提供准确的全过程决策原始依据；为科学决策提供准确的数据支撑；提升互联网上数据信息的质量。

2．传输层

类似于人体的神经中枢和大脑，建立在互联网、移动通信网等现有的网络基础上，将感知层获取的信息进行传递。

（1）特点

将感知器感知到的数据信息及时、准确、安全地传输到云端。

（2）组成

各种现有网络、专用网络、基站节点、接入网关，有各大通信和网络技术体系和管理机构作保证。

（3）作用

提供安全、准确、及时的快速信息传输通道，以便及时做出决策。

3．云层 （智能处理层）

“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，是海量数据的存储、分析平台。它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算资源、存储空间和信息服务，这是一种可以随时获取、按需使用、随时扩展、按使用付费的计算资源，由软件实现自动管理，无须人为参与。云计算平台是物联网的关键技术和重要组成部分，也是应用层的基础。“云”在本质上即计算池，虚拟化技术是其核心技术。

（1）特点

“云”是物联网智能的体现，但并不一定是智慧的体现；它是物联网整合资源的新型高级或专业管理模式，而不是资源的堆积或简单集中形式；它是顶层设计后的低碳高效专业科学的计算和决策信息技术，而不是孤立的信息部门单一提供的技术模式。

（2）组成

云层即云端又由以下三层内容构成。

①资源整合层：将分散的、异构的软硬件资源通过虚拟化技术整合到一个统一的资源池中，集分散的资源为一个统一的整体。大数据中的各种数据库是云计算的基础，也是资源整合层的基础。该层拥有超大规模的服务器集群，被整合的资源以一种物理上分散、逻辑上集中，并与物理形态和物理位置无关的方式分布存储于这些服务器集群中。资源整合层是一个全面高度虚拟化的软硬件技术和平台，用户可以完全不必知道其底层软硬技术和平台的使用过程，只关注要做什么 （What to do），而不需要知道怎么做 （How to do），用户也无须知道具体物理资源的位置 （如存储于哪个服务器），用户所需的软硬件资源也不限于来自本地的服务器。虚拟化技术是资源整合层的核心技术。

②云计算层：可理解为云处理层，该层负责对云端的信息和资源进行深层挖掘、分析、处理、决策，它是由专业的云团队构成的专业事务团队或决策信息处理团队，提供各种专业处理 （如大数据处理），把专业的事务或决策信息甚至决策模型提供给决策者或决策部门，以及各级各类用户。

③云管理层：连接云计算层 （云处理层）和应用层的纽带和桥梁。云管理层负责整个云端的资源管理、任务管理、用户管理以及安全管理。云计算管理层对各类资源进行集中统一管理和动态调度配置，快速地响应各类用户的服务请求，将特定的资源配送给资源请求者，满足用户的个性化需求。云管理层还需要通过权限设置、身份认证等功能来维护整个云端的安全，以及负责根据用户请求资源的数量或服务的时间收取一定的费用。

（3）作用

数据存储、分析、加工、处理、智能决策。

4．应用层

类似于人类的社会分工，是物联网与行业专业技术的深度融合，解决信息处理和人机界面的问题，为用户提供丰富的特定服务，实现广泛的智能化管理、应用和服务。例如，传统的政府管理模式，利用物联网技术可以向 “智能政府”转变，实现 “智慧经济调控”“智慧社会管理”“智能公共服务”和 “智能监管”，从而以一种全新的管理模式提高政府的服务质量、服务效率和效能 （如图2－4所示的 “智慧政府”）。

图2－4 “智慧政府”示意图

（1）组成

各种应用服务器、各种中间件、各种应用模型。

（2）作用

数据分析、判断、决策、发出用户层事件、建立不同领域的各种应用。

（四）物联网的核心技术

国际电信联盟在2005年的物联网报告中描述了物联网的4个关键性应用技术：标签事物的射频识别技术、感知事物的传感器技术、微缩事物的纳米技术、思考事物的智能嵌入技术。物联网集射频识别技术、传感器技术、云计算等关键技术于一体，在各行各业得到广泛应用，其关键技术主要包括如下内容。

1．射频识别技术

（1）定义

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号，实现无接触信息传递，自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。在物联网中，RFID技术是一个可以让物品开口 “说话”的关键技术，是物联网的基础技术。

（2）特点

与传统的识别技术相比，RFID技术可识别高速运动的物体，并能同时识别多个物体，非接触式，寿命长，信息存储量大，操作快捷方便。

（3）作用

识别、检测、控制和跟踪物体。

（4）运用

在物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件、快运包裹处理、文档追踪、图书馆管理、门禁控制、电子门票、道路自动收费等领域，RFID技术已经得到了广泛应用。

2．传感器技术

（1）定义

传感器技术是从自然信源获取信息，并对之进行处理和识别的一门多学科交叉技术，它涉及传感器、二维码等信息处理和识别技术。传感器是物联网的核心部件。广义地说，传感器是指测量某一类物理变量，并将它转化为设备可以识别的电子信号的器件。从仿生学观点看，如果把计算机看成处理和识别信息的 “大脑”，把通信系统看成传递信息的 “神经系统”的话，那么传感器就是 “感觉器官”。传感器作为信息获取的重要手段，与通信技术、计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。

二维码技术是传感器技术的一个重要代表，它用某种特定的几何图形按一定规律在平面 （二维方向）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息。相对于一维码，二维码具有信息容量大 （比普通条码信息容量约高几十倍）、编码范围广 （可对图片、声音、文字、指纹、签字等数字化的信息进行编码）、可靠性高、保密性好、防伪性好、易制作、易识别等优点。物联网的应用离不开自动识别，随着3G和4G移动网络环境下智能手机和平板电脑的普及，对二维码中的图像、声音、文字、指纹、产品属性等数字化的信息进行编码捆绑，便可适用于食品安全追溯、物流仓储、物料单据识别、商务会议、身份识别等。随着物联网产业的飞速发展，更多的二维码技术应用方案将被开发出来，在社会生活的许多领域投入应用。届时，二维码成为移动互联网的入口将真正地成为现实。[3]

可穿戴设备 （Wearable devices）是一种具有特殊传感器的传感设备，也是传感器技术中的一个重要代表。可穿戴设备是指直接穿在身上，或者整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备。可穿戴设备不仅仅是一种硬件设备，更是通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。[4]有人预测，可穿戴设备将成为人体的一部分，就像皮肤、手臂一样，在更远的未来，它们甚至可能成为人体基因的一部分，参与人类的繁衍和进化。随着移动互联网以及物联网智能芯片的发展，部分可穿戴设备已经从幻想变为现实，并从概念化走向商务化。它们的出现，将极大地改变现代人的生活方式。目前，谷歌、微软、苹果等IT巨头公司都在研发自己的可穿戴设备。正因为如此，2013年被称为 “可穿戴计算年”。苹果公司的Zepp Golf Sense智能手套，可以监测到佩戴者挥杆的速度、速率、加速度、位置、姿势，并以每秒1000次的速度分析传感器记录的数据，因此可以分析佩戴者的发力是否适合、姿势是否规范等，从而提高佩戴者的技能。相关人士认为，可穿戴设备将助力物联网的发展从1．0时代跨越到2．0时代，实现各种应用的互联。[5]

（2）特点

感应灵敏、体积小、信号传输距离短 （无线传感器）。

（3）作用

①感知：能够探测和感受外界的信号、物理条件、化学组成，并将探知的信息传递给其他装置；②信息处理：包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等；③识别：利用被识别 （或诊断）对象与特征信息间的关联关系模型，对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。

（4）分类

按照技术类别分有超声波传感器、温度传感器、湿度传感器、气体传感器、压力传感器、加速度传感器、紫外线传感器、磁敏传感器、磁阻传感器、图像传感器、电量传感器和位移传感器等。

3．纳米技术

（1）定义

纳米技术 （Nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0．1～100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。纳米技术关注当物质到达纳米尺度 （0．1～100纳米这个范围空间）时，物质所展现出来的特殊物理特性。例如，铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电也不导热；铁钴合金，把它做成20～30纳米大小，它的磁性要比原来高1000倍。

（2）特点

用纳米材料制作的器材质量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。

（3）作用

纳米技术的发展，使得我们可以制造更微型的电子标签，用以跟踪和监测小型物体或者分子级别的信息变化。纳米技术在物联网中的应用，意味着体积越来越小的物体能够进行交互和连接，使得物联网由宏观走向微观，为实现物联网 “感知万物” “掌控万物” “以物控物”的目标做好“物”的准备。

4．智能嵌入技术

（1）定义

通俗地说，智能嵌入技术是将信息处理部件嵌入到应用系统中的一种技术，软件固化集成到硬件系统中，将硬件系统与软件系统一体化。嵌入式系统通常嵌入在更大的物理设备当中而不被人们所察觉，手机、空调、微波炉、冰箱中的控制部件都属于嵌入式系统。

（2）特点

安全性高、能快速地与外界进行信息交换、高度自动化。

（3）作用

“感”即采集信息，“知”即信息处理。“物联网”的目的是让所有的物品都具有计算机的智能但并不以计算机的形式出现。这些 “聪明”的物品与网络连接在一起，就需要智能嵌入技术的支持，它是物联网发展的核心推动力，有嵌入式系统的地方才有物联网的应用。

（4）应用

进入21世纪后，智能嵌入技术的应用越来越广泛，各种家用电器如电冰箱、自动洗衣机、数字电视机、数码相机等都广泛应用这种技术。

5．云计算

（1）定义

云是网络、互联网的一种比喻说法。美国国家标准与技术研究院定义云计算为：一种按使用量付费的模式。该模式提供便捷的、可用的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池，这些资源能够被快速提供，只需很少的管理工作投入，或与服务供应商进行很少的交互。[6]

网格之父Ian Foster认为：云计算是由规模经济拖动，为互联网上的外部用户提供一组抽象的、虚拟化的、动态可扩展的、可管理的计算资源能力、存储能力、平台和服务的一种大规模分布式计算的聚合体。[7]

我们认为，云计算是用专业的机构、专业的设备、专业的技术、专业的人员做专业的事情。云计算是物联网智能的体现，具有数据存储、分类、聚合、智能决策等功能。云计算在本质上即资源池，是一种可以随时获取、按需使用、弹性扩展、按使用付费的计算资源。云计算的基本原理：终端用户所需要的数据，并非存储于本地计算机或服务器上，而是存储在 “云空间”的大数据中心里，用户所需的应用程序也并不运行在个人电脑、手机等终端设备，而是运行在 “云空间”里的大规模服务器集群中。广泛分布在大量异地计算机上的服务器集群根据用户需要安排响应，实现有效调度、合理配置、负载均衡。图2－5为物联网的云计算平台。

图2－5 物联网的云计算平台[8]

云计算与大数据密不可分，大数据是云计算的基础。大数据是指由数量巨大、结构复杂、类型众多的数据构成的数据集合，是基于云计算的数据处理与应用模式，通过数据的整合共享，交叉复用，形成的智力资源和知识服务能力。[9]大数据的特色在于对海量数据的挖掘功能，但是它无法存储于单台计算机上，而需要依托于云计算的分布式处理、云存储和虚拟化技术。因此，大数据构成了云计算的基础，而云计算又支撑大数据的功能得以发挥。

著名未来学家阿尔文·托夫勒在 《第三次浪潮》一书中，将大数据热情地赞颂为 “第三次浪潮的华彩乐章”。2012年3月，奥巴马政府宣布投资2亿美元拉动大数据相关产业发展，将 “大数据战略”上升为国家战略。奥巴马政府甚至将大数据定义为 “未来的新石油”。在物联网和云计算技术等新一轮信息技术的带动下，通过各行各业的不断创新，大数据将为人类创造更多的价值。[10]

（2）特点

①专业性：云计算为各种应用系统提供具有针对性、专业性的存储空间和软件服务。

②资源整合和优化：资源 “云”将有效的专业资源集中起来，实现自动优化和整合。

③超大规模：具有提供超大规模计算资源的服务器集群。

④虚拟化：所请求的资源来自 “云”这种软件服务，不具有固定的有形的实体。

⑤低成本：企业无须负担日益高昂的数据中心管理成本。

⑥安全：摆脱数据丢失、病毒入侵。

（3）作用

挖掘关联数据、处理海量信息、提供各种级别和类型资源的专业平台，为各级决策者提供可靠的决策依据或模型，为各级各类用户提供所需的特定信息或资源，提供专业的、个性化的服务。

（4）分类

按照云计算服务的部署方式和服务对象的范围可以将云计算分为三类，即公共云、私有云和混合云。用户可以根据其需求，选择适合自己的云计算模式。

①公共云：这种类型的云服务通常遍布整个因特网，能够服务于几乎不限数量的、拥有相同基础架构的客户。

②私有云：这种类型的云针对单个机构特别定制，可以支持动态灵活的基础设施，降低IT架构的复杂度，使各种IT资源得以整合、标准化，更加容易满足企业业务发展需要，同时其用户可以完全拥有整个云计算中心的设施。

③混合云：把 “公共云”和 “私有云”结合在一起的方式，用户可以通过一种可控的方式部分拥有，部分与他人共享，这种云表现为以上多种云配置的组合，数个云以某种方式整合在一起，为一些商业计划提供支持。

6．IPv6技术

（1）定义

IPv6（Internet Protocol Version 6，因特网协议版本6）是网络层协议的第二代标准协议，也被称为IPng（IP Next Generation，下一代因特网），它是IETF（Internet Engineering Task Force，Internet工程任务组）设计的一套规范，是IPv4的升级版本，是IPv4的未来替代协议。在物联网中，我们试图构造一个任意物体之间的网络互联，每个物体都需要一个IP地址，这时现有的IPv4协议无法满足物联网的需求，因此大力发展IPv6技术是实现物联网的网络基础条件。

（2）特点

①IPv6与IPv4相比，IP地址的长度从32比特增加到128比特。这样，IPv6的地址空间增大了2的96次方倍，大大扩展了网络地址空间，几乎可以为地球上每一粒沙子分配一个IP地址。

②层次化的网络结构，提高了路由效率。

③IPv6报文头简洁，灵活，效率更高，易于扩展。

④支持自动配置，支持更多的服务类型。

⑤提高安全性，身份认证和隐私权是IPv6的关键特性。

7．其他技术

（1）系统工程技术

系统工程技术的共性基础技术科学有运筹学、控制论、信息论、计算机科学和计算机技术。系统工程技术解决智慧城市 （复杂系统）的体系结构、支撑平台、系统集成和实施方法等，支持智慧城市的构建、集成和运营。正如钱学森所言：“系统工程技术是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统具有普遍意义的方法。”

（2）微机电系统 （Micro－Electro－Mechanical Systems，MEMS）

MEMS是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。此外，还有RFMEMS（射频微机电系统）。

（3）M2M技术平台

M2M表达的是多种不同类型的通信技术有机地结合在一起，包括机器之间通信、机器控制通信、人机交互通信、移动互联通信等。M2M让机器、设备、应用处理过程与后台信息系统共享信息，并与操作者共享信息。它提供了设备实时地在系统之间、远程设备之间或个人之间建立无线连接，传输数据的手段。