1.1 物联网的形成

1.1.1 物联网形成的社会背景

在讨论物联网产生的社会背景时，人们通常会提到四件事：比尔·盖茨与《未来之路》、MIT的RFID/EPC研究、ITU的研究报告“The Internet of Things”，以及IBM的智慧地球研究计划。

1.《未来之路》与物联网

1995年，比尔·盖茨出版了《未来之路》一书。他在前言中写道：“我写这本书的目的是向世人介绍未来的互联网时代将发生哪些变化。”他希望通过这本书描述对未来互联网时代的憧憬，同时希望这本书起到“促进理解、思考”的作用。

《未来之路》第一章的名字是“一场革命开始了”。比尔·盖茨设想了一个场景：如果你在开车时想光顾一家餐馆，并想查看它的菜单、酒水单及特色菜，那么计算机可以帮你实现。你可能需要向餐馆预订座位或通过地图了解当前的交通情况。在你发出指令之后，车上的计算机就会打印相关信息，或者通过语音方式朗读信息（获得的信息是实时更新的）。当我们读到这段文字时，将联想到当前讨论的移动互联网的“基于位置服务”与物联网的“智能交通”应用场景。

《未来之路》第十章“不出户，知天下”提出了“人-机-物”融合的设想。比尔·盖茨用两句话来描述他在西雅图湖畔的住宅，“我的房子是用木材、玻璃、水泥、石头建成的”，同时“我的房子也是用芯片和软件建成的”。在读到这段文字时，我们自然地联想到当前讨论的智能家居应用场景。

书中提到了一种智能硬件设备——电子别针。电子别针具有感知、计算、通信与控制能力。当你进入这个住宅时，第一件事就是别上一个电子别针，它将你与房子中的各种电子设备及服务“连接”起来。借助于电子别针中的传感器，嵌入房子的智能管理系统就会知道：你是谁？你在哪里？你要去哪里？

“房子”将根据电子别针获取与分析访客的需求信息，并尽量满足，甚至预见访客的需求。当访客沿着大厅行走时，前面的灯光将逐渐变亮，而后面的灯光则逐渐消失。音乐将随着访客一起移动，而其他人却听不到声音。如果有一个需要访客接的电话，那么只有离访客最近的电话会响起铃声。手持遥控器能够扩展电子别针的控制能力。访客可以通过遥控器发出指令，并从数千张图片、语音、视频中选择所需要的信息。

比尔·盖茨在描述自己住宅的未来发展前景时说：“微处理器与存储器的安装，以及控制它们运行的软件，这些将在最近几年随着信息高速公路进入数百万个家庭。我采用的技术在当前仍是实验性的，但我正在做的事在未来将被广泛接受。”

现在读这些话，我们发现这与物联网中讨论的“物理世界与信息世界的融合”“人-机-物融合”“智能家居”的设计思路是如此吻合，我们对物联网、智慧地球与智能家居的设想，无疑受到了比尔·盖茨前瞻性预见的启发。

在回顾微软公司的成功时，比尔·盖茨感慨地说，这种成功没有一个简单的答案，运气是一个因素，但是最重要的因素还是我们最初的远见。借用比尔·盖茨的这句话，我们想说：当物联网时代来临时，对于每个怀揣梦想的人，“运气”已经给了大家，重要的是谁能像比尔·盖茨当年抓住计算机操作系统滞后的机遇一样，在物联网领域捷足先登。

回忆比尔·盖茨在《未来之路》中的很多描述，我们对其预见性和前瞻性表示钦佩。这也是为什么人们在探讨物联网概念的产生过程时，经常提起《未来之路》一书的原因。

2.RFID/EPC与物联网

条码在20世纪20年代诞生。至今，条码已无处不在，几乎所有商品都被打上条码。我们正在阅读的这本书上也一定印有条码。商场的收银员用读写器扫描条码之后，就能够知道商品的名称与价格。这对我们每个人来说都是非常熟悉的事。

进入21世纪之后商品流通与运输行业高度发展，条码在越来越多的情况下已不能满足人们的要求。由于无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）能够提供更细致、更精确的产品信息，并且能够实现物流过程的高度自动化，因此这项技术受到人们的重视。当RFID与互联网技术结合起来时，可以构成全球物品信息实时共享的物联网。一场影响深远的技术革命也就随之而来。

在RFID与互联网技术结合方面，最有代表性的研究是由美国麻省理工学院（MIT）的Auto-ID实验室完成的。1999年10月，Auto-ID实验室提出了依托产品电子代码（Electronic Product Code，EPC）的基本概念。EPC研究的核心思想是：

●为每个产品而不是每类产品分配一个唯一的电子标识符，即EPC。

●EPC可以存储在RFID标签的芯片中。

●通过无线传输技术，RFID读写器可通过非接触方式自动采集EPC。

●连接在互联网中的服务器可以完成EPC对应产品相关信息的检索。

RFID标签的低成本、可重复使用以及能够快速、方便识别的特点，标志着它可以广泛应用于智能工业、智能农业、智能物流、智能医疗等领域，成为支撑物联网发展的关键技术之一。

3.ITU互联网报告与物联网

在讨论物联网概念形成的过程中，我们一定会提到ITU关于互联网发展对电信产业影响的一系列研究报告。

电信行业最有影响的国际组织是国际电信联盟（ITU）。在20世纪90年代，当互联网应用进入快速发展阶段时，ITU研究人员前瞻性地认识到：互联网的广泛应用必将影响电信业今后的发展方向。ITU研究人员将互联网应用对电信业发展的影响作为一个重要的课题开展了研究，从1997到2005年陆续发表了七份“ITU Internet Reports”研究报告（如图1-1所示）。从这七份研究报告的内容中，我们可以看出ITU提出的物联网概念、技术演变过程与产业发展基础。

1997年9月，ITU发布了第1个研究报告“Challenges to the Network: Telecoms and the Internet”。这份报告是为1997年ITU电信展与论坛会议准备的。报告论述了互联网的发展对电信业的挑战，同时指出互联网为电信业带来了重大的发展机遇。

1999年发布的第2个研究报告的题目是“Internet for Development”。该报告描述了互联网应用对未来社会发展的影响，展望了互联网对促进人与人之间交流的作用，并讨论了如何利用互联网来帮助发展中国家发展通信事业。

2002年9月，ITU发布了第4个研究报告“Internet for a Mobile Generation”。该报告讨论了移动互联网发展的背景、技术与市场需求。该报告指出：单就一门技术而言，移动通信和互联网在过去10年中是推动电信业发展的主要力量，而两者结合形成的移动互联网（mobile Internet）将成为推动信息产业发展的重要动力。移动互联网的发展将带领我们进入一个移动信息社会。

2005年11月，ITU在突尼斯举行的“信息社会世界峰会”发布了第7个研究报告“The Internet of Things”。术语“物联网”也随之广为流传。该报告描述了世界上的万事万物，小到钥匙、手表、手机，大到汽车、楼房，只要嵌入微型的RFID芯片或传感器，就能够通过互联网实现物与物之间的信息交互，进而形成一个无所不在的物联网。世界上的所有人与物在任何时间、地点都可以方便地实现人与人、人与物、物与物之间的信息交互。该报告预见：RFID、传感器、嵌入式、智能与纳米技术将被广泛应用。

在研究“The Internet of Things”报告之后，我们可以清晰地认识到：

●物联网是互联网的自然延伸和拓展。

●物联网将实现物理世界与信息世界的深度融合。

●物联网将引领新一代信息技术应用的集成创新。

综合以上七份ITU研究报告，我们可以得出两点结论：

●第一，ITU从互联网发展对电信业影响的角度开展互联网发展趋势研究，总结出从互联网、移动互联网向物联网发展的总体趋势。

●第二，ITU在跟踪互联网、移动互联网发展的过程中，逐步认识到物联网发展的必然性，并前瞻性地提出物联网概念与技术特征，系统地研究了物联网技术发展对未来社会发展的影响。

因此，在讨论物联网产生的社会背景与发展的必然性时，不可避免会提到ITU关于互联网发展的系列研究报告。

4.智慧地球与物联网

回顾历史，每次经济危机都会催生一些新的技术与行业，引领和支撑经济的复苏，带动世界经济进入新的上升期。新技术成为促进经济走出危机的巨大动力。在讨论如何破解21世纪初出现的世界范围金融危机时，人们很自然地联想到IBM公司的“智慧地球”研究计划。

2008年IBM公司的专家提出了“智慧地球”的概念，它描述了将大量传感器嵌入和装备到电网、铁路、公路、桥梁、隧道、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并通过超级计算机和云计算组成物联网，最终实现“人-机-物”的深度融合。

智慧地球研究计划试图通过在基础设施和制造业中大量嵌入传感器，捕捉运行过程中的各种信息，然后通过无线网络接入互联网，再经过计算机分析、处理和发出指令，反馈给控制器，远程执行指令。控制的对象小到一个电源开关、可编程控制器、智能机器人，大到一个地区的智能交通甚至一个国家的智能电网。通过智慧地球技术的实施，人类能够更精细、动态地管理生产和生活，提高资源利用率和生产能力，改善环境，促进社会可持续发展。

智慧地球研究计划不是简单地实现“鼠标+水泥”的数字化与信息化，而是利用网络的信息传输能力，以及超级计算机、云计算的数据存储、处理与控制能力，实现信息世界与物理世界的融合，达到“智慧”的状态，因此，智慧地球=互联网+物联网（如图1-2所示）。

“智慧地球”报告使物联网概念与产业发展规划浮出水面，各国政府都认识到发展物联网产业的重要性，在2010年前后陆续从国家科技发展战略的高度，制定了各自的物联网技术研究与产业发展规划。

1.1.2 物联网形成的技术背景

支撑信息学科发展三大支柱是“计算、通信与感知”。充分体现“计算、通信与感知”融合与创新的“普适计算”“CPS”研究，为物联网概念的形成奠定了理论基础。

1.普适计算与物联网

随着计算机与信息技术广泛应用于人类生活的各个方面，各种采用感知、网络、智能、嵌入式技术的设备与应用系统大量涌现。人们面对种类越来越多、功能越来越强、使用越来越复杂的信息服务系统与嵌入式计算设备时，经常感到无所适从。面对这种局面，“普适计算”的概念应运而生。

1991年，美国学者马克·韦泽提出了“普适计算”的概念。普适计算（pervasive computing）又称为“无处不在的计算”或“环境智能”。从研究方法与预期目标可看出，普适计算是在人类生活环境中广泛部署各种感知与计算设备，并通过这些设备的互联，实现无处不在的信息采集、传输与计算，将“人-机器-环境”融为一体，最终实现“环境智能”的目标。

仅从字面上很难理解普适计算概念的深刻内涵。下面，我们以图1-3所示的“3D试衣镜”为例来形象地解释普适计算的概念，并总结它的主要技术特征。

一种被称为“魔镜”的“3D试衣镜”已经应用于一些商场的服装销售中。在图1-3中，一位女顾客在3D试衣镜前不断摆出各种姿势，并用手势或语音指令来更换不同款式、颜色的衣服。3D试衣镜根据试衣间摄像头传来的体态数据，自动分析这位女士对服饰的喜好，从数据库中挑出服装并结合体态数据生成效果图，然后以3D形式通过试衣镜展示给她。在挑选衣服的过程中，这位顾客不需要操作计算机，也不需要知道计算机在哪里，她要做的只是比较不同服装的试穿效果，从而尽情地享受购物乐趣。

从这个例子可以看出：普适计算不是强调“计算设备无处不在”，而是描述了“计算如何无处不在地融入日常生活”，实现“计算能力的无处不在”，从而达到“环境智能”的境界，这既是普适计算研究的基本内容，也是物联网研究需要实现的目标。

普适计算的技术特征主要表现在：

（1）计算能力的“无处不在”与计算设备的“不可见”

“无处不在”是指随时随地访问信息的能力；“不可见”是指在物理环境中提供多个具备感知、通信、计算能力的设备，在用户不觉察的情况下进行计算、通信，提供各种服务，以最大限度地减少用户的介入。因此，“普适计算”不是强调“计算设备的无处不在”，而是描述了“计算能力无处不在地融入日常生活”。

（2）“信息空间”与“物理空间”的融合

普适计算是一种建立在感知、通信、计算、智能、嵌入式等技术基础上的新计算模式，其反映出人类对于信息服务需求的提高。随着无线传感器网（Wireless Sensor Network，WSN）、RFID研究的发展，人们认识到：借助大量被部署的传感器、RFID标签，可以实时感知、传输与处理周边环境信息，从而将真实的物理世界与虚拟的信息世界融为一体，深刻地改变了人与自然界的交互方式，达到“环境智能”的境界。

（3）“以人为本”与“自适应”的智能服务

我们在办公室处理文件时需要坐在计算机前，即使使用笔记本计算机，也要随身携带。在桌面计算模式中，人是围绕计算机，并以“计算机为本”的。普适计算的研究目标是突破桌面计算的局限性，摆脱计算设备对人的活动范围与工作方式的约束，通过网络将计算与通信能力嵌入环境与日常工具中，使计算设备从人的视线中“消失”，将人的注意力回归到需要完成的任务上。

普适计算与物联网的关系可以总结为：

●普适计算与物联网从研究目标到技术特征、工作模式有很多相似之处。

●普适计算的研究方法与成果对物联网有重要的借鉴与启示作用。

●物联网的出现使人类在实现普适计算的道路上前进了一大步。

2.CPS与物联网

在研究物联网的形成的技术背景时，需要注意与物联网发展密切相关的信息物理系统（Cyber Physical System，CPS）研究。CPS是将感知、通信、计算、智能与控制技术交叉融合的产物。

CPS关注将计算与通信能力嵌入传统的物理系统中，形成集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。CPS研究对象可以是小到纳米级的生物机器人，也可以是大到涉及全球能源供应的复杂系统。

CPS研究的内容很丰富。下面，我们以“自动泊车”系统为例，直观地解释CPS的概念、研究内容与技术特征。对很多生活在城市中的人来说，寻找一个合适的车位，并将汽车准确、快速、安全地停进车位是一件有难度的事。在这样的背景下，自动泊车系统应运而生（如图1-4所示）。

自动泊车系统通过超声波传感器和图像传感器感知车辆周边的环境信息，重点是需要识别泊车车位的相关情况。整个自动泊车过程可分为三个阶段：车位识别、轨迹生成与轨迹控制（如图1-5所示）。

（1）车位识别

车位识别阶段又分为两个步骤。第一步是利用超声波传感器实现车位识别（如图1-6所示）。车辆利用超声波传感器对泊车环境中的障碍物进行测距，从而为自动泊车系统提供确定泊车环境模型的相关数据。当驾驶员选择“自动泊车”功能后，超声波传感器就周期性地发送超声波信号并接收反射回的信号。通过计数器确定从超声波发射到接收的时间差，进而计算出车辆与相应障碍物之间的距离。车辆的前端、后端和两侧通常需要至少8个超声波传感器，以便提供周边不同方位的障碍物信息，从而确定车位能否满足泊车条件。

第二步是利用图像传感器实现车位调节（如图1-7所示）。车辆利用后端的广角摄像头采集车位环境的图像信息，并将图像传送给车载计算机的图像处理系统。图像处理系统根据图像信息进行测距，建立一个与实际车位大小相同的虚拟车位，并通过调节虚拟车位来实现虚拟车位与实际车位之间的匹配，进一步完善车位信息。

（2）轨迹生成

轨迹生成是通过建立车辆运动学模型，分析车辆转弯过程中的运动半径与方向盘转角的关系，计算出泊车过程中可能遇到的碰撞区域。在对泊车过程建模分析的基础上，构造出泊车模型，根据几何学原理计算出车辆的移动轨迹。如果这个车辆移动轨迹与根据图像分析的车位数据匹配，则将方向盘转向角、速度等指令发送给车辆。图1-8给出了轨迹生成过程示意图。

（3）轨迹控制

通过执行方向盘转向角、速度指令，车辆的执行器控制车辆的移动轨迹，进而控制泊车过程。

通过对上述的泊车过程进行分析，我们可以看出：自动泊车系统需要利用感知、计算、通信、智能与控制技术，它是一种典型的信息物理融合的CPS，也是无人驾驶汽车研究的重要内容。

从“自动泊车”的实例中，我们认识到：CPS是在环境感知的基础上，形成可控、可信与可扩展的网络化智能系统，并通过扩展新的功能，使系统具有更高的智慧。CPS的技术特征可总结为四个字：“感”“联”“知”“控”。

●“感”是指通过多种传感器协同感知物理世界的状态信息。

●“联”是指关联物理世界与信息世界中的各种对象，实现信息交互。

●“知”是指通过对感知信息的智能处理，正确、全面地认识物理世界。

●“控”是指根据正确认知，确定控制策略，发出控制指令，指挥执行器处理物理世界中的问题。

图1-9给出了CPS中的物理世界与信息世界的交互。

CPS与物联网的关系可以总结为：

●CPS与物联网的研究目标、发展方向是一致的。

●CPS与物联网都会催生大量的智能设备与智能系统。

●CPS研究成果对物联网有重要的启发与指导作用。

在讨论了普适计算、CPS研究之后，我们获得了一种启示：普适计算与CPS作为全新的计算模式，打通了计算机、软件、网络、嵌入式系统、人工智能等领域。它们展示了“世界上的万事万物，凡存在皆联网，凡联网皆计算，凡计算皆智能”的发展趋势，这也是物联网致力于实现的最终目标。

1.1.3 物联网的技术特征

互联网发展的初期曾经出现过多种关于互联网的定义。目前学术界与产业界根据他们研究的背景、关注重点与认识的不同，对物联网也提出了不同的定义。在分析这些定义的基础上，本书给出的定义是：

物联网是在互联网、移动通信网等通信网络的基础上，针对不同应用领域的需求，利用具有感知、通信与计算能力的智能物体自动获取物理世界的各种信息，将能够独立寻址的物理对象互联起来，实现全面感知、可靠传输、智能处理，构建“人-机-物”高度融合的智能网络信息服务系统。

物联网不是简单实现“鼠标”加“水泥”的数字化与信息化，而是要实现“智慧处理、互联互通、透彻感知”，以达到人、物与信息基础设施的完美结合，实现现实社会与信息社会的深度融合。物联网使人类能够以更精细与动态的方式来管理生产和生活，从而达到更加“智慧”的状态。

1.1.4 物联网与互联网的区别

物联网是在互联网的基础上发展起来的，它们之间在网络体系结构研究方法、网络核心技术、网络安全技术等方面有很多共同之处。互联网成功的经验、理论和方法都可以应用于物联网。但是，我们还要注意物联网与互联网的不同之处。

1.提供服务类型

从互联网提供的服务类型角度来看，无论是电子邮件、Web、搜索引擎，还是即时通信、网络视频、网上购物、网上支付等，主要都是提供全球性、通用性的公共信息服务。但是，物联网的设计思路明显是不同的。从物联网重点发展的智能工业、智能农业、智能电网、智能交通、智能物流等九大的应用中，我们可以清晰地看出：物联网提供行业性、专业性、区域性服务（如图1-10所示）。

2.数据生成方式

互联网中传输的主要是文本、语音、视频数据，通常利用计算机、智能手机、平板计算机照相机、摄像机等设备传输，并且在多数情况下是以人工方式生成的。物联网中传输的主要是各类感知数据，通常利用传感器、RFID标签、可穿戴计算设备、智能仪表、智能机器人等设备生成，并且在多数情况下是以自动方式生成的（如图1-11所示）。

3.反馈与控制

互联网之所以能够以超常规的速度发展，得益于“开放式”的设计思想。只要遵守TCP/IP，用户就可以在一个电子邮件系统中注册邮箱，发送与接收邮件；用户可以访问世界上任何一个公开的Web服务器，搜索信息、图片与视频；用户可以加入一个微信群，自由地发表意见。互联网构建了人与人之间交互与共享信息的信息世界。在互联网中，我们一直在坚持着“自主”的思想，不希望受到任何人、任何力量的约束。我们想加入一个微信群就加入，不想加入就退出；我们想访问一个学校网站就进入，不想访问就退出。如果我们在网上搜索“物联网定义”，只希望搜索引擎提供一个排序的信息列表，由我们“自己”逐条审视列表中的内容，然后决定浏览哪个网页。

对于物联网应用系统，例如智能工业、智能电网、智能医疗、智能交通等应用，通过感知、传输与智能信息处理，生成智能的处理策略，然后通过控制终端或执行器等设备，实现对物理世界中的某个系统、环境、物体的感知与控制，从而达到智慧处理的目的。因此，互联网与物联网最重要的区别是：互联网通常提供开环的信息服务，而物联网主要提供闭环的控制服务。典型的物联网应用系统都是“可反馈、可控制”的“闭环”系统。图1-12给出的城市智能交通系统形象地描述了这个特点。