第1章 物聯網系統設計概論

1.1 物聯網概論

1.1.1 物聯網定義

物聯網這個名字自提出以來，其概念的內涵經歷著不斷演進的過程：1995年比爾·蓋茨首次提出“物與物”相聯的“物聯網”（Internet of Things, IoT）雛形；1998年麻省理工學院提出了“物聯網”的構想；1999年美國自動識別中心提出了“物聯網”的初步概念；2005年國際電信聯盟（International Telecommunication Union, ITU）發布報告，正式提出了“物聯網”的基本概念，指出物聯網是囊括所有物品的聯網及應用；2008年IBM基于物聯網提出了“智慧地球”的概念，美國奧巴馬政府將其作為刺激經濟復蘇的核心環節上升為國家戰略，并預測今后10年，世界上物聯網的業務將達到互聯網的30倍。至此，日、韓、歐盟、新加坡、中國臺灣等地都著手“智慧城市”的研究和部署。2009年6月歐盟委員會提出了針對物聯網行動方案。2009年8月國務院總理溫家寶提出，要“盡快建立‘感知中國’中心”, “要著力突破傳感網、物聯網關鍵技術”。各行各業人士對物聯網基本內涵的理解有以下幾種。

理解一：物聯網是指通過安裝在物體上的各種信息傳感設備，如射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統（Global Positioning System, GPS）、激光掃描器等，按照約定的協議，并通過相應的接口，把物品與互聯網相連，進行信息交換和通信，從而實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種巨大網絡。

理解二：物聯網是互聯網的延伸和擴展，是在計算機互聯網的基礎上，利用射頻識別技術、無線傳感網技術、無線通信技術等構造一個無所不在的網絡。其實質就是利用智能化的終端技術，通過計算機互聯網實現全球物品的自動識別，達到信息的互連與實時共享。

理解三：物聯網是隨機分布的，集成有傳感器、數據處理單元和通信單元的微小節點，通過自組織的方式構成的無線傳感器網絡。其實質是借助于節點中內置的智能傳感器，探測溫度、濕度、噪聲等表征物體特征的實時參數。

第二種理解是在射頻識別基礎上構建物聯網，第三種理解是基于傳感器基礎構建傳感網，而第一種理解則是將后二者融合，構建泛在網。將上述理解綜合起來看，物聯網大體上涉及到了電子電路、儀器儀表（含傳感器）、信息、通信、計算機、自動化、互聯網等多個技術領域，涵蓋的行業繁多，產品多種多樣，應用形態滲透到生產、生活、社會的各個方面。因此，物聯網被認為是實現物理世界與信息世界無縫連接的泛在網絡。

2011年5月，我國工業和信息化部電信研究院發布的《物聯網白皮書（2011年）》正式給出物聯網的官方解釋：物聯網是通信網和互聯網的拓展應用和網絡延伸，它是利用感知技術與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網絡傳輸互連，進行計算、處理和知識挖掘，實現人與物、物與物信息交互和無縫連接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的。也就是說，物體通過裝有RFID裝置或國際移動設備識別碼（International Mobile Subscriber Identification Number, IMSI）標識等的信息傳感設備，按約定的協議與承載網相連，形成智能網絡。物品將其信息通過承載網絡（電信網、互聯網、廣電網）傳送到管理者的計算機或手機終端，實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。

從分析傳感網、通信網、互聯網、物聯網、泛在網的相互關系，可以進一步理解物聯網的基本內涵。傳感網是信息感知網，是“物與物”互連；通信網和互聯網是信息傳輸和共享網絡，是“人與人”互連；物聯網則是傳感網、通信網和互聯網的滲透與融合，是“物與人”互連；泛在網則是指無處不在的社會網，包括現在和未來所有網絡的互連互通和共融。物聯網是泛在網和“智慧地球”的核心，而“智慧地球”的核心是“更透徹的感知、更全面的互連互通和更深入的智慧化”?；谏鲜鰞热?，從用戶實體角度來看，物聯網是“物與物”相聯、“物、人、信息、社會”相通、無處不在的智能化泛在網；從技術角度來看，物聯網是“智能終端（Intelligent Terminal, IT）”、“計算機、通信、控制（Computer Communication Control,3C）”與Internet的多技術滲透融合網。

物聯網概念隨著信息領域及相關學科的發展仍將不斷改變與充實，因此，目前仍難以提出一個權威、完整和精確的物聯網定義。不同領域的研究者給出了一些有代表性的物聯網定義。

定義1：物聯網是未來網絡的整合部分，它是以標準、互通的通信協議為基礎，具有自我配置能力的全球性動態網絡設施。在這個網絡中，所有實質和虛擬的物品都有特定的編碼和物理特性，通過智能界面無縫鏈接，實現信息共享。

定義2：由具有標識、虛擬個性的物體/對象所組成的網絡，這些標識和個性運行在智能空間，使用智慧的接口與用戶、社會和環境的上下文進行連接和通信。

定義3：物聯網指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。它是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡。

定義4：狹義上的物聯網指連接物品到物品的網絡，實現物品的智能化識別和管理；廣義上的物聯網則可以看做信息空間與物理空間的融合，將一切事物數字化、網絡化，在物品之間、物品與人之間、人與現實環境之間實現高效信息交互方式，并通過新的服務模式使各種信息技術融入社會行為，是信息化在人類社會綜合應用達到的更高境界。

定義5：物聯網是通信網和互聯網的拓展應用和網絡延伸，它利用感知技術與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網絡傳輸互連，進行計算、處理和知識挖掘，實現人與物、物與物信息交互和無縫鏈接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的。

定義6：物聯網是指具有感知和智能處理能力的可標識的物體，基于標準的可互操作的通信協議，在寬帶移動通信、下一代網絡和云計算平臺等技術的支撐下，獲取和處理物體自身或周圍環境的狀態信息，對事件及其發展及時做出判斷，提供對物體進行管理和控制的決策依據，從而形成信息獲取、物體管理和控制的全球性信息系統。

定義7：物聯網指的是將無處不在的末端設備和設施，包括具備“內在智能”的，如傳感器、移動終端、工業系統、樓宇控制系統、家庭智能設施、視頻監控系統等、以及“外在使能”的，如貼上RFID的各種資產、攜帶無線終端的個人與車輛等“智能化物件或動物”或“智能塵埃”，通過各種無線和/或有線的長距離和/或短距離通信網絡實現互連互通、應用大集成，以及基于云計算的SaaS營運等模式，在內網、專網或互聯網環境下，采用適當的信息安全保障機制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、定位追溯、報警聯動、調度指揮、預案管理、遠程控制、安全防范、遠程維保、在線升級、統計報表、決策支持、領導桌面（集中展示的Cockpit Dashboard）等管理和服務功能，實現對“萬物”的“高效、節能、安全、環?！钡摹肮?、控、營”一體化。

1.1.2 物聯網分類

從物聯網的運營角度，物聯網可以分成兩大類：面向公眾提供的物聯網服務和面向行業提供的物聯網專用服務。面向公眾提供的物聯網服務是建設一張面向公眾服務的廣域物聯網，網絡建設和網絡維護需要長期地投入人力和物力，從集約化和節省全社會成本的角度來看，通信運營商憑借豐富的專業經驗、較低的人員維護成本、一體化的維護優勢，是最佳的建設方和維護方。面向行業提供的物聯網專用服務又分為兩種類型：行業專網服務和行業公網服務。行業專網服務主要指某些行業單獨設立的通信專網，只為本行業服務，不面向社會公眾提供服務。行業公網服務主要指面向一種行業，但是為與此行業相關的各種人員和機構提供服務的網絡。

從物聯網的管理架構角度，物聯網管理可以分成三個層次，即國家、行業/區域、企業。國家層次是國家物聯網管理中心，即一級管理中心，負責與國際物聯網互連，負責全局相關數據的存儲與發布，并對二級物聯網管理中心進行管理。行業/區域層次包括行業/區域物聯網管理中心和公共服務平臺。行業/區域物聯網管理中心是國內二級管理中心，存儲各行業、各領域、各區域內部的相關數據，并將部分數據上傳給國家管理中心。行業/區域公共服務平臺為本行業或者區域的企業和政府提供公共的物聯網服務。企業層次包括企業及單位內部的RFID、傳感器、GPS等信息采集系統以及局域物聯網應用系統。

從物聯網所有權角度，物聯網可以分成互聯網（Internet）、內聯網（Intranet）、專用網（Extranet/VPN）。因“物”的所有權特性，物聯網應用在相當一段時間內都將主要在內聯網和專用網中運行，形成分散的眾多“物連網”，但最終會走向互聯網，形成真正的“物聯網”，如 Google PowerMeter。因此，從物聯網的所有權特征角度分，物聯網有四大網絡群：短距離無線通信網、長距離無線通信網、短距離有線通信網、長距離有線通信網。短距離無線通信網包括多種已存在的短距離無線通信（如 Zigbee、藍牙、RFID 等）標準網絡以及組合形成的無線網狀網（Wireless Mesh Networks）。長距離無線通信網包括GPRS/CDMA、3G、4G、5G等蜂窩（偽長距離通信）網以及真正的長距離GPS衛星移動通信網。短距離有線通信網主要依賴多種現場總線（如ModBus、DeviceNet等）標準，以及PLC電力線載波等網絡。長距離有線通信網包括計算機網、廣電網、電信網（三網融合）以及國家電網的通信網。

物聯網按其部署方式通常分成如下四類：私有物聯網（Private IoT）、公有物聯網（Public IoT）、社區物聯網（Community IoT）、混合物聯網（Hybrid IoT）。私有物聯網一般面向單一機構內部提供服務?？赡苡蓹C構或其委托的第三方實施和維護，主要存在于機構內部（On Premise）內網（Intranet）中，也可存在于機構外部（Off Premise）。公有物聯網基于互聯網（Internet）向公眾或大型用戶群體提供服務，一般由機構（或其委托的第三方，少數情況）運行與維護。社區物聯網是向一個關聯的“社區”或機構群體（一個城市政府下屬的各委辦局，如公安局、交通局、環保局、城管局等）提供服務?？赡苡蓛蓚€或以上的機構協同運行與維護，主要存在于內聯網和專用網（Extranet/VPN）中。混合物聯網是上述兩種或兩種以上物聯網的組合，但后臺有統一運行與維護實體。