目录 第6章物联网及其体系结构 6.1物联网概述 61.1物联网概念及其由来 61.2物联网研究进展 62物联网的基本组成和体系结构 621物联网与其它网络的关系 622物联网组成架构 623物联网软件系统组成 624物联网产业链基本组成 625物联网体系结构设计的基本原则 626M2M体系结构 627物联网的EPC体系结构 628物联网的体系结构 629物联网与物理信息融合体系结构 6210物联网相关产业体系 63物联网技术体系 631感知与识别技术 632支撑技术 633共性技术 634网络与通信技术 635物联网应用技术 64物联网标准化体系 641国际物联网标准的制定 642国内标准化工作 65物联网的应用 651物联网的应用前景 6.52我国物联网应用现状
102 目 录 第 6 章 物联网及其体系结构 6.1 物联网概述 6.1.1 物联网概念及其由来 6.1.2 物联网研究进展 6.2 物联网的基本组成和体系结构 6.2.1 物联网与其它网络的关系 6.2.2 物联网组成架构 6.2.3 物联网软件系统组成 6.2.4 物联网产业链基本组成 6.2.5 物联网体系结构设计的基本原则 6.2.6 M2M 体系结构 6.2.7 物联网的 EPC 体系结构 6.2.8 物联网的体系结构 6.2.9 物联网与物理信息融合体系结构 6.2.10 物联网相关产业体系 6.3 物联网技术体系 6.3.1 感知与识别技术 6.3.2 支撑技术 6.3.3 共性技术 6.3.4 网络与通信技术 6.3.5 物联网应用技术 6.4 物联网标准化体系 6.4.1 国际物联网标准的制定 6.4.2 国内标准化工作 6.5 物联网的应用 6.5.1 物联网的应用前景 6.5.2 我国物联网应用现状
第6章物联网及其体系结构 6.1物联网概述 61.1物联网概念及其由来 物联网(IoT, Internet of things)是信息技术系统性的创新与革命,是多项现代信 息技术的殊途同归与聚合应用。物联网被认为是继计算机、互联网之后,信息产业领域 的第三次发展浪潮,将成为未来社会经济发展的最重要基础设施、新型产业和发展方向, 将促进传统生产和生活方式的根本转变 物联网概念的由来 1995年,物联网概念原型出现于比尔·盖茨《未来之路》一书 1999年,在美国召开的移动计算和网络国际会议提出,传感网是下世纪人类面临的 又一发展机遇。 MIT Auto-ID Center提出物联网思路,即把所有物品通过射频识别等信 息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理 2001年,加利福尼亚的克里斯托弗皮斯特正式提出了“智能灰尘”的概念。 2004年日本提出 U-Japan构想中,希望在2010年将日本建设成一个“任何时间 任何地方、任何东西和任何人”都可以上网的环境。 2005年11月,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSS)上,国际电信联盟发布 了《IU互联网报告2005:物联网》,正式提出了“物联网”的概念, 208年11月,IBM提出“智慧的地球”概念,即“互联网+物联网=智慧地球”, 以此作为经济振兴战略。 209年1月,IBM首席执行官提出“智慧地球”构想,其中物联网为“智慧地球” 不可或缺的部分,奥巴马在就职演讲后已对“智慧地球”(传感器网+互联网)构想提出 积极回应,并提升到国家级发展战略。 在中国,“物联网”最早被称为“传感网”,中国科学院对传感网的研究起步较早 2、物联网的定义 物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思:第一,物联网的核心和基础仍 然是互联网,是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络;第二,其用户端延伸和扩 展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信 因此,物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸,是通过射频识别(RFID)
103 第 6 章 物联网及其体系结构 6.1 物联网概述 6.1.1 物联网概念及其由来 物联网（IoT，Internet of Things）是信息技术系统性的创新与革命，是多项现代信 息技术的殊途同归与聚合应用。物联网被认为是继计算机、互联网之后，信息产业领域 的第三次发展浪潮，将成为未来社会经济发展的最重要基础设施、新型产业和发展方向， 将促进传统生产和生活方式的根本转变。 1、物联网概念的由来 1995 年，物联网概念原型出现于比尔·盖茨《未来之路》一书。 1999 年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出，传感网是下世纪人类面临的 又一发展机遇。MIT Auto-ID Center 提出物联网思路，即把所有物品通过射频识别等信 息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。 2001 年，加利福尼亚的克里斯托弗·皮斯特正式提出了“智能灰尘”的概念。 2004 年日本提出 U-Japan 构想中，希望在 2010 年将日本建设成一个“任何时间、 任何地方、任何东西和任何人”都可以上网的环境。 2005 年 11 月，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSlS）上，国际电信联盟发布 了《ITU 互联网报告 2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。 2008 年 11 月，IBM 提出“智慧的地球”概念，即“互联网+物联网=智慧地球”， 以此作为经济振兴战略。 2009 年 1 月，IBM 首席执行官提出“智慧地球”构想，其中物联网为“智慧地球” 不可或缺的部分，奥巴马在就职演讲后已对“智慧地球”（传感器网+互联网）构想提出 积极回应，并提升到国家级发展战略。 在中国，“物联网”最早被称为“传感网”，中国科学院对传感网的研究起步较早。 2、物联网的定义 物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍 然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩 展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。 因此，物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，是通过射频识别（RFID）
装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任 何物品通过各种无线(有线)的长(短)距离通信网络实现互联互通、应用大集成的网 络。物联网在网络环境下,进行信息交换、通信、计算、处理,以实现人与物、物与物 信息交互和无缝链接,达到智能化识别、定位、跟踪、监控、报警、联动、精确管理和 科学决策的目的 这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“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 编号。 从时一空一物三维视角看,物联网是一个能够在任何时间、地点,实现任何物体和 任何人互联的动态网络,它包括了PC之间、人与人之间、物与人之间、物与物之间的 互联。在物联网中物理的、虚拟的物体都具有可标识性,其物理属性、虚拟特征均可被 读取,并能通过智能接口无缝集成。 从技术理解,物联网是指物体通过智能感应装置,经过传输网络,到达指定的信息 处理中心,最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络 从应用理解,物联网是指把世界上所有的物体都联接到一个网络中,形成“物联网”, 然后“物联网”又与现有的互联网结合,实现人类社会与物理系统的整合,达到更加精 细和动态的方式管理生产和生活。 3、物联网的基本特征 “网络化”、“物联化”、“互联化”、“自动化”、“感知化”、“智能化”是物联网的基 本特征。 “网络化”:网络化是物联网的基础。无论是机器对机器(M2M, Machine to machine) 专网,还是无线、有线传输信息,感知物体,都必须形成网络状态;不管是什么形态的 网络,最终都必须与互联网相联接,这样才能形成真正意义上的物联网(泛在性的)。 目前的物联网,从网络形态来看,多数是专网、局域网,只能算是物联网的雏形。 物联化”:人物相联、物物相联是物联网的基本要求之一。计算机相连接成互联 网,可以帮助人与人之间交流。“物联网”就是在物体上安装传感器、植入微型感应芯 片,然后借助无线或有线网络,让人们和物体“对话”,让物体和物体之间进行“交流”。 可以说,互联网完成了人与人的远程交流,而物联网则完成人与物、物与物的即时交流
104 装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任 何物品通过各种无线（有线）的长（短）距离通信网络实现互联互通、应用大集成的网 络。物联网在网络环境下，进行信息交换、通信、计算、处理，以实现人与物、物与物 信息交互和无缝链接，达到智能化识别、定位、跟踪、监控、报警、联动、精确管理和 科学决策的目的。 这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“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。 从时—空—物三维视角看，物联网是一个能够在任何时间、地点，实现任何物体和 任何人互联的动态网络，它包括了 PC 之间、人与人之间、物与人之间、物与物之间的 互联。在物联网中物理的、虚拟的物体都具有可标识性，其物理属性、虚拟特征均可被 读取，并能通过智能接口无缝集成。 从技术理解，物联网是指物体通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息 处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。 从应用理解，物联网是指把世界上所有的物体都联接到一个网络中，形成“物联网”， 然后“物联网”又与现有的互联网结合，实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精 细和动态的方式管理生产和生活。 3、物联网的基本特征 “网络化”、“物联化”、“互联化”、“自动化”、“感知化”、“智能化”是物联网的基 本特征。 “网络化”：网络化是物联网的基础。无论是机器对机器（M2M，Machine to Machine）、 专网，还是无线、有线传输信息，感知物体，都必须形成网络状态；不管是什么形态的 网络，最终都必须与互联网相联接，这样才能形成真正意义上的物联网（泛在性的）。 目前的物联网，从网络形态来看，多数是专网、局域网，只能算是物联网的雏形。 “物联化”：人物相联、物物相联是物联网的基本要求之一。计算机相连接成互联 网，可以帮助人与人之间交流。“物联网”就是在物体上安装传感器、植入微型感应芯 片，然后借助无线或有线网络，让人们和物体“对话”，让物体和物体之间进行“交流”。 可以说，互联网完成了人与人的远程交流，而物联网则完成人与物、物与物的即时交流
进而实现由虛拟网络世界向现实世界的联接转变 互联化”:物联网是一个多种网络接入、应用技术的集成,也是一个让人与自然 界、人与物、物与物进行交流的平台,因此,在一定的协议关系下,实行多种网络融合, 分布式与协同式并存,是物联网的显著特征。与互联网相比,物联网具有很强的开放性 具备随时接纳新器件、提供新的服务的能力,即自组织、自适应能力。 自动化”:通过数字传感设备自动采集数据;根据事先设定的运算逻辑,利用软 件自动处理采集到的信息,一般不需人为的干预;按照设定的逻辑条件,如时间、地点 压力、温度、湿度、光照等,可以在系统的各个设备之间,自动地进行数据交换或通信; 对物体的监控和管理实现自动的指令执行。 “感知化”:物联网离不开传感设备。RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫 描器等信息传感设备,就像视觉、听觉和嗅觉器官对于人的重要性一样,它们是物联网 不可或缺的关键元器件。 智能化”:“智能”是指个体对客观事物进行合理分析、判断及有目的地行动和有 效地处理周围环境事宜的综合能力。物联网的产生是微处理技术、传感器技术、计算机 网络技术、无线通信技术不断发展融合的结果,从其“自动化”、“感知化”要求来看, 它已能代表人、代替人“对客观事物进行合理分析、判断及有目的地行动和有效地处理 周围环境事宜”,智能化是其综合能力的表现 62物联网研究进展 2003年,美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之 首。同时,全球产品电子代码(EPC, Electronic product code)中心在美国成立,管理 和实施EPC,目标是搭建一个可以自动识别任何地方、任何事物的物联网。近年来,欧 盟以及美国、日本、韩国等,投入了大量资金进行物联网研发, 1、欧盟的物联网行动计划 欧盟提出“物联网是我们的未来”,重视欧洲各国技术标准的统一。欧盟在2006年 成立了工作组,专门进行RFID技术的开发。2007年,欧盟采纳了物联网发展战略,并 于2008年发布了物联网未来路线图。2009年制定了《物联网战略研究路线图》和《RFID 与物联网模型》等意见书。欧盟委员会向欧盟议会递交了《欧盟物联网行动计划》,将 物联网确立为欧洲下一代信息技术的发展重点,以确保欧洲在建构物联网的过程中起主 导作用。欧盟委员会还于2011年至2013年间每年新增2亿欧元进一步加强研发力度
105 进而实现由虚拟网络世界向现实世界的联接转变。 “互联化”：物联网是一个多种网络接入、应用技术的集成，也是一个让人与自然 界、人与物、物与物进行交流的平台，因此，在一定的协议关系下，实行多种网络融合， 分布式与协同式并存，是物联网的显著特征。与互联网相比，物联网具有很强的开放性， 具备随时接纳新器件、提供新的服务的能力，即自组织、自适应能力。 “自动化”：通过数字传感设备自动采集数据；根据事先设定的运算逻辑，利用软 件自动处理采集到的信息，一般不需人为的干预；按照设定的逻辑条件，如时间、地点、 压力、温度、湿度、光照等，可以在系统的各个设备之间，自动地进行数据交换或通信； 对物体的监控和管理实现自动的指令执行。 “感知化”：物联网离不开传感设备。RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫 描器等信息传感设备，就像视觉、听觉和嗅觉器官对于人的重要性一样，它们是物联网 不可或缺的关键元器件。 “智能化”：“智能”是指个体对客观事物进行合理分析、判断及有目的地行动和有 效地处理周围环境事宜的综合能力。物联网的产生是微处理技术、传感器技术、计算机 网络技术、无线通信技术不断发展融合的结果，从其“自动化”、“感知化”要求来看， 它已能代表人、代替人“对客观事物进行合理分析、判断及有目的地行动和有效地处理 周围环境事宜”，智能化是其综合能力的表现。 6.1.2 物联网研究进展 2003 年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之 首。同时，全球产品电子代码（EPC，Electronic Product Code）中心在美国成立，管理 和实施 EPC，目标是搭建一个可以自动识别任何地方、任何事物的物联网。近年来，欧 盟以及美国、日本、韩国等，投入了大量资金进行物联网研发。 1、欧盟的物联网行动计划 欧盟提出“物联网是我们的未来”，重视欧洲各国技术标准的统一。欧盟在 2006 年 成立了工作组，专门进行 RFID 技术的开发。2007 年，欧盟采纳了物联网发展战略，并 于 2008 年发布了物联网未来路线图。2009 年制定了《物联网战略研究路线图》和《RFID 与物联网模型》等意见书。欧盟委员会向欧盟议会递交了《欧盟物联网行动计划》，将 物联网确立为欧洲下一代信息技术的发展重点，以确保欧洲在建构物联网的过程中起主 导作用。欧盟委员会还于 2011 年至 2013 年间每年新增 2 亿欧元进一步加强研发力度
同时拿出3亿欧元专款支持协联网相关公私合作短期项目建设。欧洲智能系统集成技术 平台在《物联网2020》报告中分析预测,未来物联网发展将经历4个阶段:2010年之 前,RFID广泛用于物流、零售和制药领域;2010年至2015年,物体互联;2015年至 2020年,物体进入半智能化;2020年之后,物体进入全智能化。 2、美国的智慧地球战略 2008年,美国国家情报委员会将物联网确定为未来对美国产生重要影响的6项重要 技术之一。IBM公司提出的智慧地球构想获得了奥巴马政府的积极回应,被上升为美国 国家发展战略。2009年1月,美国信息技术与创新基金会向政府提交了题为 The digital Road to Recover: A Stimulus Plan to Create Jobs, Boost Productivity and Revitalize America 的报告,推动物联网技术的发展。《2009年美国恢复和再投资法案》提出在智能电网 卫生医疗信息技术应用、教育信息技术等领域投入总金额为7870亿美元予以支持,这 都与物联网技术直接相关。 3、日本的U- Japan计划 2004年,日本提出了 U-Japan战略,计划通过发展“无所不在的网络”技术催生新 代信息科技革命。U- Japan战略的理念是实现所有人与人、物与物、人与物之间的连 接,希望日本建设成一个“实现随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络 2009年2月,日本又推出了 ICT Hatoyma Plan纲要,研发与物联网相关的关键技术,旨 在革新以 T-Engine嵌入式操作系统、山D标准体系为核心的普适计算技术,创造新的ICT 市场和就业机会,使日本信息通信产业的总产值在2020年达到百万亿日元。 4、韩国提出的U- Korea战略 2006年韩国提出了U- Korea战略,旨在建立在民众的生活环境里布建智能型网络、 最新的技术应用等先进的信息基础建设,让民众可以随时随地享有科技智慧服务。为配 合U- Korea战略,韩国信息通信产业部还推出了U-City计划、信息通信业务示范应用发 展计划、u-IT产业集群计划和u-Home计划。2009年10月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。 5、我国的“感知中国”研究进展 中国科学院早在1999年就启动了传感网研究,组成了2000多人的团队,在无线智 能传感器网络通信技术、微型传感器、传慼器终端机、移动基站等方面取得重大进展 目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。在世界传感网领域,中国
106 同时拿出 3 亿欧元专款支持协联网相关公私合作短期项目建设。欧洲智能系统集成技术 平台在《物联网 2020》报告中分析预测，未来物联网发展将经历 4 个阶段：2010 年之 前，RFID 广泛用于物流、零售和制药领域；2010 年至 2015 年，物体互联；2015 年至 2020 年，物体进入半智能化；2020 年之后，物体进入全智能化。 2、美国的智慧地球战略 2008 年，美国国家情报委员会将物联网确定为未来对美国产生重要影响的 6 项重要 技术之一。IBM 公司提出的智慧地球构想获得了奥巴马政府的积极回应，被上升为美国 国家发展战略。2009 年 1 月，美国信息技术与创新基金会向政府提交了题为 The Digital Road to Recover：A Stimulus Plan to Create Jobs，Boost Productivity and Revitalize America 的报告，推动物联网技术的发展。《2009 年美国恢复和再投资法案》提出在智能电网、 卫生医疗信息技术应用、教育信息技术等领域投入总金额为 7870 亿美元予以支持，这 都与物联网技术直接相关。 3、日本的 U-Japan 计划 2004 年，日本提出了 U-Japan 战略，计划通过发展“无所不在的网络”技术催生新 一代信息科技革命。U-Japan 战略的理念是实现所有人与人、物与物、人与物之间的连 接，希望日本建设成一个“实现随时、随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络。 2009 年 2 月，日本又推出了 ICT Hatoyma Plan 纲要，研发与物联网相关的关键技术，旨 在革新以 T-Engine 嵌入式操作系统、uID 标准体系为核心的普适计算技术，创造新的 ICT 市场和就业机会，使日本信息通信产业的总产值在 2020 年达到百万亿日元。 4、韩国提出的 U-Korea 战略 2006 年韩国提出了 U-Korea 战略，旨在建立在民众的生活环境里布建智能型网络、 最新的技术应用等先进的信息基础建设，让民众可以随时随地享有科技智慧服务。为配 合 U-Korea 战略，韩国信息通信产业部还推出了 U-City 计划、信息通信业务示范应用发 展计划、u-IT 产业集群计划和 u-Home 计划。2009 年 10 月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。 5、我国的“感知中国”研究进展 中国科学院早在 1999 年就启动了传感网研究，组成了 2000 多人的团队，在无线智 能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器终端机、移动基站等方面取得重大进展， 目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。在世界传感网领域，中国