第1章 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計概論

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概論

1.1.1 物聯(lián)網(wǎng)定義

物聯(lián)網(wǎng)這個名字自提出以來，其概念的內(nèi)涵經(jīng)歷著不斷演進(jìn)的過程：1995年比爾·蓋茨首次提出“物與物”相聯(lián)的“物聯(lián)網(wǎng)”（Internet of Things, IoT）雛形；1998年麻省理工學(xué)院提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的構(gòu)想；1999年美國自動識別中心提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的初步概念；2005年國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union, ITU）發(fā)布報告，正式提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的基本概念，指出物聯(lián)網(wǎng)是囊括所有物品的聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用；2008年IBM基于物聯(lián)網(wǎng)提出了“智慧地球”的概念，美國奧巴馬政府將其作為刺激經(jīng)濟復(fù)蘇的核心環(huán)節(jié)上升為國家戰(zhàn)略，并預(yù)測今后10年，世界上物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)將達(dá)到互聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)行動方案。2009年8月國務(wù)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(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)”。各行各業(yè)人士對物聯(lián)網(wǎng)基本內(nèi)涵的理解有以下幾種。

理解一：物聯(lián)網(wǎng)是指通過安裝在物體上的各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）、激光掃描器等，按照約定的協(xié)議，并通過相應(yīng)的接口，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連，進(jìn)行信息交換和通信，從而實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種巨大網(wǎng)絡(luò)。

理解二：物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸和擴展，是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識別技術(shù)、無線傳感網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)等構(gòu)造一個無所不在的網(wǎng)絡(luò)。其實質(zhì)就是利用智能化的終端技術(shù)，通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)全球物品的自動識別，達(dá)到信息的互連與實時共享。

理解三：物聯(lián)網(wǎng)是隨機分布的，集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微小節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其實質(zhì)是借助于節(jié)點中內(nèi)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(shù)。

第二種理解是在射頻識別基礎(chǔ)上構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)，第三種理解是基于傳感器基礎(chǔ)構(gòu)建傳感網(wǎng)，而第一種理解則是將后二者融合，構(gòu)建泛在網(wǎng)。將上述理解綜合起來看，物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)等多個技術(shù)領(lǐng)域，涵蓋的行業(yè)繁多，產(chǎn)品多種多樣，應(yīng)用形態(tài)滲透到生產(chǎn)、生活、社會的各個方面。因此，物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是實現(xiàn)物理世界與信息世界無縫連接的泛在網(wǎng)絡(luò)。

2011年5月，我國工業(yè)和信息化部電信研究院發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書（2011年）》正式給出物聯(lián)網(wǎng)的官方解釋：物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它是利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進(jìn)行感知識別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互連，進(jìn)行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫連接，達(dá)到對物理世界實時控制、精確管理和科學(xué)決策的目的。也就是說，物體通過裝有RFID裝置或國際移動設(shè)備識別碼（International Mobile Subscriber Identification Number, IMSI）標(biāo)識等的信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議與承載網(wǎng)相連，形成智能網(wǎng)絡(luò)。物品將其信息通過承載網(wǎng)絡(luò)（電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)）傳送到管理者的計算機或手機終端，實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

從分析傳感網(wǎng)、通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)的相互關(guān)系，可以進(jìn)一步理解物聯(lián)網(wǎng)的基本內(nèi)涵。傳感網(wǎng)是信息感知網(wǎng)，是“物與物”互連；通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)是信息傳輸和共享網(wǎng)絡(luò)，是“人與人”互連；物聯(lián)網(wǎng)則是傳感網(wǎng)、通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的滲透與融合，是“物與人”互連；泛在網(wǎng)則是指無處不在的社會網(wǎng)，包括現(xiàn)在和未來所有網(wǎng)絡(luò)的互連互通和共融。物聯(lián)網(wǎng)是泛在網(wǎng)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”。基于上述內(nèi)容，從用戶實體角度來看，物聯(lián)網(wǎng)是“物與物”相聯(lián)、“物、人、信息、社會”相通、無處不在的智能化泛在網(wǎng)；從技術(shù)角度來看，物聯(lián)網(wǎng)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(shù)滲透融合網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)概念隨著信息領(lǐng)域及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展仍將不斷改變與充實，因此，目前仍難以提出一個權(quán)威、完整和精確的物聯(lián)網(wǎng)定義。不同領(lǐng)域的研究者給出了一些有代表性的物聯(lián)網(wǎng)定義。

定義1：物聯(lián)網(wǎng)是未來網(wǎng)絡(luò)的整合部分，它是以標(biāo)準(zhǔn)、互通的通信協(xié)議為基礎(chǔ)，具有自我配置能力的全球性動態(tài)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。在這個網(wǎng)絡(luò)中，所有實質(zhì)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(xiàn)信息共享。

定義2：由具有標(biāo)識、虛擬個性的物體/對象所組成的網(wǎng)絡(luò)，這些標(biāo)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(huán)境的上下文進(jìn)行連接和通信。

定義3：物聯(lián)網(wǎng)指通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)。

定義4：狹義上的物聯(lián)網(wǎng)指連接物品到物品的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物品的智能化識別和管理；廣義上的物聯(lián)網(wǎng)則可以看做信息空間與物理空間的融合，將一切事物數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，在物品之間、物品與人之間、人與現(xiàn)實環(huán)境之間實現(xiàn)高效信息交互方式，并通過新的服務(wù)模式使各種信息技術(shù)融入社會行為，是信息化在人類社會綜合應(yīng)用達(dá)到的更高境界。

定義5：物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對物理世界進(jìn)行感知識別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互連，進(jìn)行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫鏈接，達(dá)到對物理世界實時控制、精確管理和科學(xué)決策的目的。

定義6：物聯(lián)網(wǎng)是指具有感知和智能處理能力的可標(biāo)識的物體，基于標(biāo)準(zhǔn)的可互操作的通信協(xié)議，在寬帶移動通信、下一代網(wǎng)絡(luò)和云計算平臺等技術(shù)的支撐下，獲取和處理物體自身或周圍環(huán)境的狀態(tài)信息，對事件及其發(fā)展及時做出判斷，提供對物體進(jìn)行管理和控制的決策依據(jù)，從而形成信息獲取、物體管理和控制的全球性信息系統(tǒng)。

定義7：物聯(lián)網(wǎng)指的是將無處不在的末端設(shè)備和設(shè)施，包括具備“內(nèi)在智能”的，如傳感器、移動終端、工業(yè)系統(tǒng)、樓宇控制系統(tǒng)、家庭智能設(shè)施、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等、以及“外在使能”的，如貼上RFID的各種資產(chǎn)、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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連互通、應(yīng)用大集成，以及基于云計算的SaaS營運等模式，在內(nèi)網(wǎng)、專網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監(jiān)測、定位追溯、報警聯(lián)動、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、安全防范、遠(yuǎn)程維保、在線升級、統(tǒng)計報表、決策支持、領(lǐng)導(dǎo)桌面（集中展示的Cockpit Dashboard）等管理和服務(wù)功能，實現(xiàn)對“萬物”的“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的“管、控、營”一體化。

1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)分類

從物聯(lián)網(wǎng)的運營角度，物聯(lián)網(wǎng)可以分成兩大類：面向公眾提供的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和面向行業(yè)提供的物聯(lián)網(wǎng)專用服務(wù)。面向公眾提供的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)是建設(shè)一張面向公眾服務(wù)的廣域物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)需要長期地投入人力和物力，從集約化和節(jié)省全社會成本的角度來看，通信運營商憑借豐富的專業(yè)經(jīng)驗、較低的人員維護(hù)成本、一體化的維護(hù)優(yōu)勢，是最佳的建設(shè)方和維護(hù)方。面向行業(yè)提供的物聯(lián)網(wǎng)專用服務(wù)又分為兩種類型：行業(yè)專網(wǎng)服務(wù)和行業(yè)公網(wǎng)服務(wù)。行業(yè)專網(wǎng)服務(wù)主要指某些行業(yè)單獨設(shè)立的通信專網(wǎng)，只為本行業(yè)服務(wù)，不面向社會公眾提供服務(wù)。行業(yè)公網(wǎng)服務(wù)主要指面向一種行業(yè)，但是為與此行業(yè)相關(guān)的各種人員和機構(gòu)提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。

從物聯(lián)網(wǎng)的管理架構(gòu)角度，物聯(lián)網(wǎng)管理可以分成三個層次，即國家、行業(yè)/區(qū)域、企業(yè)。國家層次是國家物聯(lián)網(wǎng)管理中心，即一級管理中心，負(fù)責(zé)與國際物聯(lián)網(wǎng)互連，負(fù)責(zé)全局相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲與發(fā)布，并對二級物聯(lián)網(wǎng)管理中心進(jìn)行管理。行業(yè)/區(qū)域?qū)哟伟ㄐ袠I(yè)/區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)管理中心和公共服務(wù)平臺。行業(yè)/區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)管理中心是國內(nèi)二級管理中心，存儲各行業(yè)、各領(lǐng)域、各區(qū)域內(nèi)部的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將部分?jǐn)?shù)據(jù)上傳給國家管理中心。行業(yè)/區(qū)域公共服務(wù)平臺為本行業(yè)或者區(qū)域的企業(yè)和政府提供公共的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。企業(yè)層次包括企業(yè)及單位內(nèi)部的RFID、傳感器、GPS等信息采集系統(tǒng)以及局域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

從物聯(lián)網(wǎng)所有權(quán)角度，物聯(lián)網(wǎng)可以分成互聯(lián)網(wǎng)（Internet）、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)（Intranet）、專用網(wǎng)（Extranet/VPN）。因“物”的所有權(quán)特性，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在相當(dāng)一段時間內(nèi)都將主要在內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和專用網(wǎng)中運行，形成分散的眾多“物連網(wǎng)”，但最終會走向互聯(lián)網(wǎng)，形成真正的“物聯(lián)網(wǎng)”，如 Google PowerMeter。因此，從物聯(lián)網(wǎng)的所有權(quán)特征角度分，物聯(lián)網(wǎng)有四大網(wǎng)絡(luò)群：短距離無線通信網(wǎng)、長距離無線通信網(wǎng)、短距離有線通信網(wǎng)、長距離有線通信網(wǎng)。短距離無線通信網(wǎng)包括多種已存在的短距離無線通信（如 Zigbee、藍(lán)牙、RFID 等）標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)以及組合形成的無線網(wǎng)狀網(wǎng)（Wireless Mesh Networks）。長距離無線通信網(wǎng)包括GPRS/CDMA、3G、4G、5G等蜂窩（偽長距離通信）網(wǎng)以及真正的長距離GPS衛(wèi)星移動通信網(wǎng)。短距離有線通信網(wǎng)主要依賴多種現(xiàn)場總線（如ModBus、DeviceNet等）標(biāo)準(zhǔn)，以及PLC電力線載波等網(wǎng)絡(luò)。長距離有線通信網(wǎng)包括計算機網(wǎng)、廣電網(wǎng)、電信網(wǎng)（三網(wǎng)融合）以及國家電網(wǎng)的通信網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)按其部署方式通常分成如下四類：私有物聯(lián)網(wǎng)（Private IoT）、公有物聯(lián)網(wǎng)（Public IoT）、社區(qū)物聯(lián)網(wǎng)（Community IoT）、混合物聯(lián)網(wǎng)（Hybrid IoT）。私有物聯(lián)網(wǎng)一般面向單一機構(gòu)內(nèi)部提供服務(wù)。可能由機構(gòu)或其委托的第三方實施和維護(hù)，主要存在于機構(gòu)內(nèi)部（On Premise）內(nèi)網(wǎng)（Intranet）中，也可存在于機構(gòu)外部（Off Premise）。公有物聯(lián)網(wǎng)基于互聯(lián)網(wǎng)（Internet）向公眾或大型用戶群體提供服務(wù)，一般由機構(gòu)（或其委托的第三方，少數(shù)情況）運行與維護(hù)。社區(qū)物聯(lián)網(wǎng)是向一個關(guān)聯(lián)的“社區(qū)”或機構(gòu)群體（一個城市政府下屬的各委辦局，如公安局、交通局、環(huán)保局、城管局等）提供服務(wù)。可能由兩個或以上的機構(gòu)協(xié)同運行與維護(hù)，主要存在于內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和專用網(wǎng)（Extranet/VPN）中。混合物聯(lián)網(wǎng)是上述兩種或兩種以上物聯(lián)網(wǎng)的組合，但后臺有統(tǒng)一運行與維護(hù)實體。