物联网技术与应用 主 讲 人：李 玲 吉林大学通信工程学院

第1章 物联网的发展

本章教学内容 1.1　什么是物联网 1.2　物联网发展现状 1.3　物联网前景展望

展现虚拟世界与现实世界发生冲突和分裂 人和信息技术的关系—— 《黑客帝国》里的人们生活在计算机网络，他们的世界实际是虚拟的世界。虽然这个故事本身也是“虚拟”的，但它的背后是人们对未来计算机与网络世界的不可预知的深深的忧虑。从网络爆炸式的发展速度来看,像影片里那样“黑客帝国”式的生活也许终将到来，但不管结局如何，不可否认的是未来的发展，将几乎无一不与信息技术相关。

虚拟世界来自现实世界，虚拟世界本质是数字化信息空间，其目的在于服务于现实世界 现实世界与虚拟世界的融合——物联网的目标 物联网的出现体现了虚拟世界和现实世界融合的趋势，寄托着人们利用信息技术进一步改造现实世界的希望。

1.1 什么是物联网 物联网概念不是凭空杜撰出来的，也不是某单项新技术突破引申出来的。物联网的发展有坚实基础，是现代信息技术发展到一定阶段的必然产物，是多项现代信息技术的殊途同归与聚合应用，是信息技术系统性的创新与革命。

早期认识：被认为是将每个物品打上电子标签，然后通过射频识别技术RFID和通信技术形成信息网络，实现物品的智能识别、定位和监控。 当代认识：无统一定义。物联网的基本含义就是一种虚拟数字世界和现实物理世界的融合。 注意：这种融合是“双向的”

20世纪90年代，互联网的兴起大大加强了信息的传播能力，交流的形式不断多样化，地球成为一个村落，传统的障碍和壁垒被不断打破，空间和时间的尺度都被大大缩短。今天，互联网包含着海量信息，连接着数以十亿计的网络用户。 然而目前，虚拟世界的入口主要是计算机终端，虚拟世界的活动方式以人为的浏览网页、收发邮件、聊天等为主。虚拟世界只是现实世界的一个镜像，一个存放数据的仓库。随着互联网业务的发展、通信能力的不断增强、现代社会寻找创新动力的需求出现，人们开始希望能够随时随地进入这个信息畅通的虚拟世界，同时希望能在虚拟世界中从事更多现实世界中的活动。这种更深度的融合趋势催生了物联网。 物联网正是因为代表了这种融合的趋势，蕴含着融合所带来的巨大创新空间，以及融合后产生的巨大价值，才成为了当下的热点，成为了包括我国在内的多个国家的重大科技战略。

双向是指： 第一个方向是现实世界向虚拟世界的融入—— 第二个方向是虚拟世界向现实世界的融入—— 通过移动通信、嵌入式等技术使得现实世界中处处可以产生数字信息，接入通信网络，进入虚拟世界，完成信息的产生、存储、复制、共享等，使得虚拟数字世界无处无时不在，我们可以称之为“数字世界泛在化”； 第二个方向是虚拟世界向现实世界的融入—— 包括通过传感器网络、RFID等技术使得现实物理世界中的物体能够可感知、可识别、可控制，从而形成对物理世界的自动识别、控制、监控、管理等，为人类创造一个智能的环境，我们称之为“物理世界智能化”。

在“数字世界泛在化”和“物理世界智能化”的融合过程中，物联网被赋予多个维度的内涵，具有多重含义。 为了全面了解物联网，我们从领域（横向）和层次（纵向）两个维度来探讨物联网的概念和定义。

从领域的维度 对互联网领域来说，物联网就是互联网的延伸，就是物物相连的互联网。 对无线传感器网络领域来说，物联网就是一个广域的传感网 物联网覆盖了信息技术和通信技术的众多领域——包括RFID、传感器、互联网、嵌入式、移动通信等，每个领域都能够从领域自身的视角给出物联网的定义。例如对RFID领域来说，每一个物品上都贴电子标签，通过后台信息系统构成一个借助于互联网，所有物品都能互相联系起来的网络就称为物联网。 对互联网领域来说，物联网就是互联网的延伸，就是物物相连的互联网。 对无线传感器网络领域来说，物联网就是一个广域的传感网

从层次的维度 业务和应用网络:把感知网络和传输网络获取的信息进行分析和处理作出正确控制和决策，实现智能化管理应用和服务。 传输网络:利用移动通信系统、互联网将感知层获取信息进行处理传递 感知网络:利用RFID、摄像头、传感器、GPS等识别物体、采集信息

通过物联网与传感网、互联网、泛在网等相似概念的辨析进一步明晰物联网的基本特征 1．物联网与传感网——传感网是物联网的组成部分 传感网指由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，通过自组织方式构成的网络。一般指无线传感网WSN。 WSN可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下，获取大量翔实可靠的物理世界的信息。这种具有智能获取、传输和处理信息功能的无线传感器网，可以广泛应用于军事、科研、环境、交通、医疗、制造、抗灾、家居等领域。 传感网的概念缺乏了人、物之间的相联、沟通与互动，而且传感网主要采用“传感器+近距离无线通信”方式，不包含基础网络即互联网。 物联网如果仅仅作为传感网，物在联网之后，只需服从控制中心的指令，而各系统的控制中心则是互相分离的；如果作为互联网的延伸，则可以将所有联网的系统与节点有机地连成一个整体，起到互相协同的作用。

2．物联网与互联网——物联网是互联网的延伸 物联网不是互联网的翻版，也不是互联网的一个接口，而是互联网的一种延伸，是虚拟世界向现实世界的进一步延伸。 物联网作为互联网的扩展，具备了互联网的特性，但是又进一步地增强了互联网的能力。虚拟世界的信息量在物联网时代会急速增加，人人通信会扩展到人人、物物、人物通信。 互联网带动的不仅是技术革新，还有新的经济模式的出现。对物联网来说，可以通过对环境的感知和自动识别增加人与人之间的接触，从中获得更多的价值和商业机会。物联网的普及，不仅能够产生出新的需求，而且还能够产生新的供给，更可以让整个网络获得进一步的扩展和提高，从而创造出更多更丰富的业务应用。

3．物联网与泛在网——泛在网是物联网发展的愿景 物联网是指通过部署具有一定感知、计算、执行和通信等能力的各种设备，获得物理世界的信息，通过网络实现信息的传输、协同和处理，从而实现广域的人与物、物与物之间信息交换的互联的网络。物联网的几个关键环节为“感知、传输、处理”。 泛在网络也被称作无所不在的网络，是为了打破地域限制，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务。人们可以在不意识到网络存在的情况下，随时随地通过适合的终端设备上网并享受服务。泛在网络要求尽量不改变或少改变现有设备及技术，通过异构网络之间的融合协同作用来实现。 从二者的定义上来看，物联网和泛在网有很多重合的地方，都强调物物之间、人物之间的通信，物联网的应用也有泛在化的需求和特征。但是从广度上来说，泛在网络的概念反映了信息社会发展的远景和蓝图，具有比物联网更广泛的内涵。泛在网络可以认为是一个大而全的蓝图，而物联网是目前该蓝图实施中的物联阶段。 综上所述，传感网是物联网的组成部分，物联网是互联网的延伸，泛在网是物联网发展的愿景。

1.2 物联网发展现状 1.2.1 物联网的起源 物联网的概念最早是从射频识别（RFID）这个领域来的，在1999年由专门研究RFID技术的美国麻省理工大学Auto-ID中心提出。 2005年11月，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，提出了“物联网”的概念,通过包括通信技术、RFID、传感器、机器人技术、嵌入式技术和纳米技术等关键技术，用互联网将世界上的物体都连接在一起，使世界万物都可以上网。 2008年11月IBM公司从商业角度提出所谓“智慧的地球”（Smarter Planet） ，即运用先进的信息技术构建这个新的世界运行模型的一个愿望。

1.2.2 物联网产业发展概况 1．日本的“U-Japan”计划 1.2.2 物联网产业发展概况 1．日本的“U-Japan”计划 2004年，日本信息通信产业主管机关总务省提出2006~2010年IT发展任务—— u-Japan战略。 该战略将实现人与人、物与物、人与物之间的连接，即4U (Ubiquitous，Universal，User-oriented，Unique)，在2010年将日本建设成一个“实现随时、随地、任何物体、任何人(Anytime，Anywhere，Anything，Anyone)均可连接的泛在网络社会”。

为实现u-Japan战略，日本政府以基础设施建设和利用为核心在3个方面展开部署。 一是泛在社会网络的基础建设，希望实现从有线到无线、从网络到终端，包括认证、数据交换在内的无缝链接泛在网络环境，100％的国民可以利用高速或超高速网络。 二是ICT的高度应用，希望通过ICT的高度有效应用，促进社会系统的改革，解决高龄少子化社会的医疗福利、环境能源、防灾治安、教育人才、劳动就业等问题。 三是与泛在社会网络基础建设、ICT应用高度相关联的安心与安全的利用环境（I-Japan智慧泛在）。

2．韩国的“U-Korea”战略 韩国信息和通信部具体推动“U-Korea”项目的建设，重点支持“无所不在的网络”相关的技术研发及科技应用，希望通过“U-Korea”计划的实施带动国家信息产业的整体发展。 2009年韩国通信委员会出台了《物联网基础设施构建基本规划》，将物联网市场确定为新增长动力。《物联网基础设施构建基本规划》提出，到2012年实现“通过构建世界最先进的物联网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国”的目标，并确定了构建物联网基础设施，发展物联网服务，研发物联网技术，营造物联网扩散环境等四大领域、12项详细课题。

3．美国“智慧的地球” 2009年1月7日，IBM与美国智库机构信息技术与创新基金会(ITIF)共同向奥巴马政府提交了“The Digital Road to Recover：A Stimulus Plan to Create Jobs，Boost Productivity and Revitalize America”，提出通过信息通信技术(ICT)投资可在短期内创造就业机会，美国政府只要新增300亿美元的ICT投资(包括智能电网、智能医疗、宽带网络3个领域)，便可以为民众创造出94．9万个就业机会。 2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”， IBM首席执行官彭明盛推广“智慧的地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施，阐明其短期和长期效益。奥巴马政府对此给予了积极的回应，认为“智慧的地球” 有助于美国的“巧实力”（Smart Power）战略，是继互联网之后国家发展的核心领域。并已经开发出了涵盖智能电力、智能医疗、智能交通、智能银行、智能城市等多项物联网应用方案。

4．欧盟的物联网行动计划 目前欧盟已将物联网及其核心技术纳入到预算高达500亿欧元并开始实施的欧盟“第七个科技框架计划（2007—2013年）”中。 欧洲物联网的应用主要在企业管理、交通运输、医疗卫生等方面。

5．中国的“感知中国” 2009年11月，我国国家领导人在人民大会堂向科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话； 2010年3月，“加快物联网的研发应用”第一次写入中国政府工作报告。 《国家中长期科学与技术发展规划（2006－2020年）》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。

目前物联网在我国的发展形态主要以RFID、M2M、传感网网络三种为主 与其他发达国家相比，我国物联网发展尚处初创和起步阶段。也存在一系列瓶颈和制约因素： 一是产业体系初步形成但产业化能力不高，尚未形成规模化产业优势； 二是核心关键技术有待突破，在传感器、芯片、关键设备制造、智能通信与控制、海量数据处理等核心技术上，与发达国家存在较大差距； 三是标准比较分散、体系还不完善，在国际上面临标识等关键资源和核心标准的竞争； 四是物联网应用的规模和领域比较小，没有形成成熟的商业模式，应用成本较高； 五是物联网承载大量的国家经济社会活动和战略性资源，因而面临巨大的安全与隐私保护挑战。

1.2.3 物联网标准化概况 目前物联网还缺乏统一标准。标准化的实现将能够—— 整合行业应用； 规范新业务的实现和测试； 1.2.3 物联网标准化概况 目前物联网还缺乏统一标准。标准化的实现将能够—— 整合行业应用； 规范新业务的实现和测试； 保证物联网产品的互操作性和全网的互联互通。 物联网标准体系的建设与完备，是扩大物联网市场规模的基础，是物联网产业发展的关键。

1．国际物联网标准制定现状 目前投入物联网相关整体架构研究的国际组织有： （1）ETSI欧洲电信标准化协会 M2M技术委员会，研究以M2M主要业务形式的物联网 （2）ITU-T 以物联网下属的泛在传感网为目标 （3）ISO/IEC SC31委员会负责RFID标准化研究工作，针对RFID编码，空中接口，应用场景制定相关标准

2．我国物联网标准制定现状 （1）电子标签标准工作组（下设7个专题组）是2005年10月份由原信息产业部科技司正式发文批准成立的。 （2）传感器网络标准工作组（WGSN）成立于2009年9月。负责标准体系与系统架构、协同信息处理、通信与信息交互、标识、安全、接口等标准制定。 （3）资源共享协同服务标准工作组（闪联）成立于2003年，负责制定信息设备智能互联与资源共享协议（IGRS）。 （4）中国通信标准化协会（CCSA）也已先后启动了《无线泛在网络体系架构》、《无线传感器网络与电信网络相结合的网关设备技术要求》等标准的研究与制定。 （5）运营商。中国电信M2M平台，中国移动WMMP标准，网上公开进行M2M终端认证测试工作。

2010年6月8日，为加快物联网标准制定工作，在工信部和国标委的指导下，中国物联网标准联合工作组在北京成立。 走“技术专利化、专利标准化、标准国际化”之路，建立国家级和区域物联网研究中心，掌握具有自主知识产权的核心技术标准将成为物联网产业发展的重中之重，而坚持以前沿技术为突破，参与、影响并主导国际标准的制定也成为我国物联网标准战略的核心。

1.3 物联网前景展望 欧洲智能系统集成技术平台组织（EPoSS）在《Internet of Things in 2020》中预测，物联网的发展将经历四个阶段： 2010年之前以RFID为代表的物联网技术广泛应用于物流、零售和制药等领域； 2010—2015年实现物与物之间的互联； 2015—2020年进入半智能化； 2020年之后实现全智能化.

EPoSS各阶段工作重点——技术研发方面 在2010年之前实现单个物体间互联、低功耗、低成本； 2010～2015年物与物之间联网以及无所不在的标签和传感器网络； 2015，《2020年半智能化的标签、物件可执行指令； 2020年后全智能化的技术远景。

EPoSS各阶段工作重点——标准化方面 2010年之前实现RFID安全及隐私标准、确定无线频带、分布式控制处理协议的标准化； 2010～2015年针对特定产业的标准、交互式协议和交互频率、电源和容错协议的标准化； 2015～2020年网络交互标准、智能器件间系统的标准化； 2020年后智能响应行为标准、健康安全的标准化。

EPoSS各阶段工作重点——产业化方面 2010年之前实现RFID在物流、零售、医药产业的应用，建立不同系统间交互的框架(协议和频率)； 2010—2015年增强系统间的互操作性、分布式控制及分布式数据库，实现特定融合网络以及物联网在恶劣环境下的应用； 2015～2020年实现分布式代码执行、全球化应用、自适应系统以及分布式存储、分布式处理等； 2020年后实现人、物、服务网络的融合，产业整合，异质系统间应用等。

EPoSS各阶段工作重点——功耗方面 在2010年之前实现低功耗芯片组、降低能源消耗低功耗芯片组、超薄电池、电源优化系统(能源管理)； 2010—2015年实现改善能量管理、提高电池性能、能量捕获(储能、光伏)、印刷电池、超低功耗芯片组； 2015～2020年实现可再生能源、多种能量来源、能量捕获(生物、化学、电磁感应)、恶劣环境下发电等； 2020年后实现能量捕获、生物降解电池、无线电力传输。

物联网未来广泛应用 34

发展物联网对调整经济结构、转变经济增长方式具有积极意义，因为物联网自身就能打造一个巨大的产业链，而且物联网是中国的“发展现代产业体系，大力推进信息化与工业化融合”的两化融合发展战略的重要实践。

推动中国物联网发展需着力抓住以下关键性因素—— 一是技术和成本。比如，在物联网的数据采集环节，传感器/电子标签过高的成本将会制约整个行业的发展，技术的成熟度也决定了应用的价值和发展速度。预计年生产量100亿个标签成本才能降到10美分以下。 二是物联网产业链的完善。目前产业链条的界定和分工还不明晰，一些重要的环节尚未发展起来，比如物联网的系统设计、公共信息平台、服务等方面的能力还处于缺位状态。 三是应用模式。物联网要“感知”的对象种类繁多，性质和状态各异，如何把这些对象纳入一个“泛在”的网络，达到何种应用目的，要产生什么样的应用结果，如何把概念转化为实践，是今后我们要重点研究的课题。 四是安全与隐私保护。如个人的健康信息，生活习惯等。

谢谢