物联网技术白皮书38Word下载.docx

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要有数据发送器

遵循物联网的通讯协议

在世界网络中有可被识别的唯一编号

1一.2物联网背景

物联网的概念是在1999年提出的。

1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议就提出，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。

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。

2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：

物联网》，正式提出了“物联网”的概念。

报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。

射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。

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”，作为仅有的两名代表之一，ＩＢＭ首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。

2009年2月24日消息，IBM大中华区首席执行官钱大群在2009IBM论坛上公布了名为“智慧的地球”的最新策略。

此概念一经提出，即得到美国各界的高度关注，甚至有分析认为IBM公司的这一构想极有可能上升至美国的国家战略，并在世界X围内引起轰动。

IBM认为，IT产业下一阶段的任务是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成物联网。

IBM希望“智慧的地球”策略能掀起了“互联网”浪潮之后的又一次科技革命。

IBM前首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点，认为计算模式每隔15年发生一次变革。

这一判断像摩尔定律一样准确，人们把它称为“十五年周期定律”。

1965年前后发生的变革以大型机为标志，1980年前后以个人计算机的普及为标志，而1995年前后则发生了互联网革命。

每一次这样的技术变革都引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。

而互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟。

20世纪90年代，美国克林顿政府计划用20年时间,耗资2000亿-4000亿美元,建设美国国家信息基础结构，创造了巨大的经济和社会效益。

2009年8月温家宝总理在视察中科院XX物联网产业研究所时，对于物联网应用也提出了一些看法和要求。

自温总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。

截至2010年，发改委、工信部等部委正在会同有关部门，在新一代信息技术方面开展研究，以形成支持新一代信息技术的一些新政策措施，从而推动我国经济的发展。

1一.3物联网原理

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“InternetofThings”。

在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。

其实质是利用射频自动识别（RFID）技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。

物联网中非常重要的技术是射频识别（RFID）技术。

RFID是射频识别（RadioFrequencyIdentification）技术英文缩写，是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，是目前比较先进的一种非接触识别技术。

以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。

而RFID，正是能够让物品“开口说话”的一种技术。

在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规X而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。

“物联网”概念的问世,打破了之前的传统思维。

过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开：

一方面是机场、公路、建筑物,而另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。

而在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。

1一.4物联网特征

全面感知

全面感知也就是利用RFID、传感器、二维码，甚至其他的各种机器，能够随时即时采集物体动态。

接入对象更为广泛，获取信息更加丰富。

当前的信息化，接入对象虽也包括PC、手机、传感器、仪器仪表、摄像头、各种智能卡等，但主要还是需要人工操作的PC、手机、智能卡等，所接入的物理世界信息也较为有限。

未来的物联网接入对象包含了更丰富的物理世界，不但包括了现在的PC、手机、智能卡，而且传感器、仪器仪表、摄像头等更为普及应用，轮胎、牙刷、手表、工业原材料、工业中间产品等物体也因嵌入微型感知设备而被纳入，所获取的信息不仅包括人类社会的信息，也包括更为丰富的物理世界信息，包括压力、温度、湿度、体积、重量、密度等。

可靠传递

感知的信息是需要传送出去的，通过网络将感知的各种信息进行时时传送，现在无处不在的无线网络已经覆盖了各个地方，在这种情况下，感知信息的传送变得非常现实。

网络可获得性更高，互联互通更为广泛。

当前的信息化，虽然网络基础设施已日益完善，但离“任何人、任务时候、任何地点”都能接入网络的目标还有一定的距离，并且，即使是已接入网络的信息系统很多也并未达到互通，信息孤岛现象较为严重。

未来的物联网，不仅基础设施非常完善，网络的随时、随地可获得性大为增强，接入网络的关于人的信息系统互联互通性也更高，并且人与物、物与物的信息系统也达到了广泛的互联互通，信息共享和互操作性达到了很高的水平。

智能处理

智能处理，利用云计算等技术及时对海量信息进行处理，真正达到了人与人的沟通和物与物的沟通。

信息处理能力更强大，人类与周围世界的相处更为智慧。

当前的信息化，由于数据、计算能力、存储、模型等的限制，大部分信息处理工具和系统还停留在提高效率的数字化阶段，一部分能起到改善人类生产、生活流程的作用，但是能够为人类决策提供有效支持的系统还很少。

未来的物联网，不仅能提高人类的工作效率，改善工作流程，并且通过运用云计算等思想，借助科学模型，广泛采用数据挖掘等知识发现技术整合和深入分析收集到的海量数据，以获取更加新颖、系统且全面的观点和方法来看待和解决特定问题，使人类能更加智慧地与周围世界相处。

1第二章物联网体系架构

1二.1概述

物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；

二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；

三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。

在业界，物联网大致被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容应用层。

图1物联网体系架构图

1二.2感知层

感知层：

数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。

物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。

1二.2.1感知层功能

物联网感知层解决的就是人类世界和物理世界的数据获取问题，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。

感知层处于三层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。

作为物联网的最基本一层，感知层具有十分重要的作用。

感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分，即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，通过蓝牙、红外、ZigBee、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术进行协同工作或者传递数据到网关设备。

也可以只有数据的短距离传输这一部分，特别是在仅传递物品的识别码的情况下。

在实际上，感知层这两个部分有时很难以明确区分开。

1二.2.2感知层关键技术

1二.2.2.1传感器技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

在物联网系统中，对各种参量进行信息采集和简单加工处理的设备，被称为物联网传感器。

传感器可以独立存在，也可以与其他设备以一体方式呈现，但无论哪种方式，它都是物联网中的感知和输入部分。

在未来的物联网中，传感器及其组成的传感器网络将在数据采集前端发挥重要的作用。

传感器的分类方法多种多样，比较常用的有按传感器的物理量、工作原理、输出信号的性质这3种方式来分类。

此外，按照是否具有信息处理功能来分类的意义越来越重要，特别是在未来的物联网时代。

按照这种分类方式，传感器可分为一般传感器和智能传感器。

一般传感器采集的信息需要计算机进行处理；

智能传感器带有微处理器，本身具有采集、处理、交换信息的能力，具备数据精度高、高可靠性与高稳定性、高信噪比与高分辨力、强自适应性、低价格性能比等特点。

传感器是摄取信息的关键器件，它是物联网中不可缺少的信息采集手段，也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。

传感器技术水平高低不但直接影响信息技术水平，而且还影响信息技术的发展与应用。

目前，传感器技术已渗透到科学和国民经济的各个领域，在工农业生产、科学研究及改善人民生活等方面，起着越来越重要的作用。

1二.2.2.2RFID技术

RFID是射频识别（RadioFrequencyIdentification）的英文缩写，是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。

RFID是一种能够让物品“开口说话”的技术，也是物联网感知层的一个关键技术。

在对物联网的构想中，RFID标签中存储着规X而具有互用性的信息，通过有线或无线的方式把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通过开放式的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。

RFID系统主要由三部分组成：

电子标签（Tag）、读写器（Reader）和天线（Antenna）。

其中，电子标签芯片具有数据存储区，用于存储待识别物品的标识信息；

读写器是将约定格式的待识别物品的标识信息写入电子标签的存储区中（写入功能），或在读写器的阅读X围内以无接触的方式将电子标签内保存的信息读取出来（读出功能）；

天线用于发射和接收射频信号，往往内置在电子标签和读写器中。

RFID技术的工作原理是：

电子标签进入读写器产生的磁场后，读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签）；

读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

由于RFID具有无需接触、自动化程度高、耐用可靠、识别速度快、适应各种工作环境、可实现高速和多标签同时识别等优势，因此可用于广泛的领域，如物流和供应链管理、门禁安防系统、道路自动收费、航空行李处理、文档追踪/图书馆管理、电子支付、生产制造和装配、物品监视、汽车监控、动物身份标识等。

以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的读写器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。

1二.2.2.3二维码技术

二维码（2-dimensionalbarcode）技术是物联网感知层实现过程中最基本和关键的技术之一。

二维码也叫二维条码或二维条形码，是用某种特定的几何形体按一定规律在平面上分布（黑白相间）的图形来记录信息的应用技术。

从技术原理来看，二维码在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”和“1”比特流的概念，使用若干与二进制相对应的几何形体来表示数值信息，并通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息的自动处理。

与一维条形码相比二维码有着明显的优势，归纳起来主要有以下几个方面：

数据容量更大，二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息；

超越了字母数字的限制；

条形码相对尺寸小；

具有抗损毁能力。

此外，二维码还可以引入XX措施，其XX性较一维码要强很多。

二维码可分为堆叠式/行排式二维码和矩阵式二维码。

其中，堆叠式/行排式二维码形态上是由多行短截的一维码堆叠而成；

矩阵式二维码以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上用“点”表示二进制“1”，用“空”表示二进制“0”，并由“点”和“空”的排列组成代码，如图2所示：

图2二维码示例

与RFID相比，二维码最大的优势在于成本较低，一条二维码的成本仅为几分钱，而RFID标签因其芯片成本较高，制造工艺复杂，价格较高。

表1对这两种标识技术进行了比较。

表1RFID与二维码功能比较

1二.2.2.4ZigBee

ZigBee是一种短距离、低功耗的无线传输技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术，它是IEEE802.15.4协议的代名词。

ZigBee采用分组交换和跳频技术，并且可使用3个频段，分别是2.4GHz的公共通用频段、欧洲的868MHz频段和美国的915MHz频段。

ZigBee主要应用在短距离X围并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。

与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。

同时，由于ZigBee技术的低速率和通信X围较小的特点，也决定了ZigBee技术只适合于承载数据流量较小的业务。

由于ZigBee技术具有成本低、组网灵活等特点，可以嵌入各种设备，在物联网中发挥重要作用。

其目标市场主要有PC外设（鼠标、键盘、游戏操控杆）、消费类电子设备（电视机、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置）、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具（电子宠物）、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域。

1二.2.2.5蓝牙

蓝牙（Bluetooth）是一种无线数据与话音通信的开放性全球规X，和ZigBee一样，也是一种短距离的无线传输技术。

其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的短距离无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，是各种设备在无电线或电缆相互连接的情况下，能在短距离X围内实现相互通信或操作的一种技术。

蓝牙除具有和ZigBee一样，可以全球X围适用、功耗低、成本低、抗干扰能力强等特点。

蓝牙采用高速跳频（FrequencyHopping）和时分多址（TimeDivisionMultipleAccess，TDMA）等先进技术，支持点对点及点对多点通信。

其传输频段为全球公共通用的2.4GHz频段，能提供1Mbit/s的传输速率和10m的传输距离，并采用时分双工传输方案实现全双工传输。

蓝牙作为一种电缆替代技术，主要有以下3类应用：

话音/数据接入、外围设备互连和个人局域网（PAN）。

在物联网的感知层，主要是用于数据接入。

蓝牙技术有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽了道路。

1二.3网络层

网络层：

实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。

经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要。

1二.3.1网络层功能

物联网网络层是在现有网络的基础上建立起来的，它与目前主流的移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网等网络一样，主要承担着数据传输的功能，特别是当三网融合后，有线电视网也能承担数据传输的功能。

在物联网中，要求网络层能够把感知层感知到的数据无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，它解决的是感知层所获得的数据在一定X围内，尤其是远距离地传输问题。

同时，物联网网络层将承担比现有网络更大的数据量和面临更高的服务质量要求,这就意味着物联网需要对现有网络进行融合和扩展，利用新技术以实现更加广泛和高效的互联功能。

1二.3.2网络层关键技术

由于物联网网络层是建立在Internet和移动通信网等现有网络基础上，除具有目前已经比较成熟的如远距离有线、无线通信技术和网络技术外，为实现“物物相连”的需求，物联网网络层将综合使用IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。

1二.3.2.1Internet

Internet，中文译为因特网，广义的因特网叫互联网，是以相互交流信息资源为目的，基于一些共同的协议，并通过许多路由器和公共互联网连接而成，它是一个信息资源和资源共享的集合。

Internet采用了目前最流行的客户机/服务器工作模式，凡是使用TCP/IP协议，并能与Internet中任意主机进行通信的计算机，无论是何种类型、采用何种操作系统，均可看成是Internet的一部分，可见Internet覆盖X围之广。

物联网也被认为是Internet的进一步延伸。

Internet将作为物联网主要的传输网络之一，然而为了让Internet适应物联网大数据量和多终端的要求，业界正在发展一系列新技术。

其中，由于Internet中用IP地址对节点进行标识，而目前的IPv4受制于资源空间耗竭，已经无法提供更多的IP地址，所以IPv6以其近乎无限的地址空间将在物联网中发挥重大作用。

引入IPv6技术，使网络不仅可以为人类服务，还将服务于众多硬件设备，如家用电器、传感器、远程照相机、汽车等，它将使物联网无所不在、无处不在地深入社会每个角落。

1二.3.2.2移动通信网

移动通信就是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。

通过有线或无线介质将这些物体连接起来进行话音等服务的网络就是移动通信网。

移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分组成。

无线接入网主要为移动终端提供接入网络服务，核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服务。

从通信技术层面看，移动通信网基本技术可分为传输技术和交换技术两大类。

在物联网中，终端需要以有线或无线方式连接起来，发送或者接收各类数据；

同时，考虑到终端连接方便性、信息基础设施的可用性（不是所有地方都有方便的固定接入能力）以及某些应用场景本身需要监控的目标就是在移动状态下。

因此，移动通信网络以其覆盖广、建设成本低、部署方便、终端具备移动性等特点将成为物联网重要的接入手段和传输载体，为人与人之间通信、人与网络之间的通信、物与物之间的通信提供服务。

在移动通信网中，当前比较热门的接入技术有3G、Wi-Fi和WiMAX。

在移动通信网中，3G是指第三代支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术，3G网络则综合了蜂窝、无绳、集群、移动数据、卫星等各种移动通信系统的功能，与固定电信网的业务兼容，能同时提供话音和数据业务。

3G的目标是实现所有地区（城区与野外）的无缝覆盖，从而使用户在任何地方均可以使用系统所提供的各种服务。

1二.3.2.3无线传感器网络

无线传感器网络（WSN）的基本功能是将一系列空间分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散X围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。

Internet构成了逻辑上的虚拟数字世界，改变了人与人之间的沟通方式，而无线传感器网络就是将逻辑上的数字世界与客观上的物理世界融合在一起，改变人类与自然界的交互方式。

传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，相比传统网络其特点如下：

节点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为密集；

由于环境影响和存在能量耗尽问题，节点更容易出现故障；

环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化；

通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的；

传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。

1二.4应用层

应用层：

应用层主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。

其中应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。

应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等行业应用。

1二.4.1应用层功能

应用是物联网发展的驱动力和目的。

应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。

这一层解决的是信息处理和人机界面的问题。

具体的讲，应用层将网络层传输来的数据通过各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。

这一层也可按形态直观地划分为两个子层：

一个是应用程序层；

另一个是终端设备层。

应用程序层进行数据处理，完成跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能，包括电力、医疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理、家居生活等，可用于政府、企业、社会组织、家庭、个人等，这正是物联网作为深度信息化网络的重要体现。

而终端设备层主要是提供人机界面，物联网虽然是“物物相连的网”，但最终是要以人为本的，最终还是需要人的操作与控制，不过这里的人机界面已远远超出现在人与计算机交互的概念，而是泛指与应用程序相连的各种设备与人的反馈。

物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控），查询型（智能检索、远程抄表），控制性（智能交通、智能家居、路灯控制），扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。

目前，软件开发、智能控制技术发展迅速，应用层技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。

同时，各种行业和家庭应用的开发将会推动物联网的普及，也给整个物联网产业链带来利润。

1二.4.2应用层关键技术

1二.4.2.1M2M

M2M是Machine-to-Machine（机器对机器）的缩写，根据不同应用场景，往往也被解释为Man-to-Machine（人对机器）、Machine-to-Man（机器对人）、Mobile-to-Machine（移动网络对机器）、Machine-to-Mobile（机器对移动网络）。

由于Machine一般特指人造的机器设备，而物联网（TheInternetofThings）中的Things则是指更抽象的物体，X围也更广。

例如，树木和动物属于Things，可以被感知、被标记，属于物联网的研究X畴，但它们不是Machine，不是人为事物。

冰箱则属于Machine，同时也是一种Things。

所以，M2M可以看