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1、 国家级特色专业 (物联网工程) 规划教材 物联网组成原理 胡四泉 王新平 王志良 王 宏 编著 机 械 工 业 出 版 社 本书是一本讲述物联网组成原理的教材。本书从物联网的起源和概念 人手,详细介绍了物联网关键技术一一识别技术、传感器技术和网络技 术;重点论述了盯1D技术、WSN技术和M2M技术;全面阐述了云计算、 大数据和物联网安全的关系。 本书可作为物联网工程及相关专业教材使用,也可供需要掌握物联网 基础知识的其他专业高年级本科生和研究生使用,还可作为希望了解物联 网知识的企业管理者、科研人员、高等院校教师等读者朋友的参考用书。 固书在版编目(CIP)数据 物联网组成原理/胡四泉等编著
2、.一北京:机械工业出版社,2015.8 国家级特色专业(物联网工程)规划教材 ISBN 978 -7 -111 -51231 -8 l物n.胡皿互联网络-应用-高等学校-敏材智 能技术-应用-高等学校-教材NP393.4TP18 中国版本图书馆CIP数据核字(2015)第191393号 机械工业出版社(北京市百万庄大街22号邮政编码1则37) 策划编辑:刘星宁责任编辑:刘星宁王欢 版式设计:赵颖带责任校对:刘雅娜 封面设计:陈沛责任印制:乔宇 北京圣夫亚美印刷有限公司印刷 2015年10月第1版第1次印刷 184mm x 260mm 12.25印张.3千字 )()1-25册 标准书号:ISBN
3、978-7-111-51231-8 定价:39.80元 凡购本书,如有缺页、倒页、脱页,由本社发行部调换 电话服务网络服务 服务咨询热线:010 -88379833机工官网: 读者购书热线:010 -88379649机工宫博:weibo.mlcmp1952 教育服务网:www.cm严 封面无防伪标均为盗版金书网:www.golden- 前 言 最初, 对于物联网, 很多人持怀疑和否定的态度, 甚至用 “云山 物 罩” 来形容, 而 与物联网相关的云计算也不能幸免。 随着物联网概念的普及和相应示范工程的展示, 人们的态 度随之发生了转变。 目前, 物联网已经深入生产和生活的各个方面, 发展非常迅
4、速, 已经可以 用 “腾云驾 物” 来形容物联网了。 从 “云山 物 罩” 到 “腾云驾 物”, 人们已经对 物联网有了深刻和正确的了解。 这也体现了物联网的发展及人们对物联网的认识过程。 物联网是科学与技术发展到一定阶段的必然结果, 各种更低功耗、 更高性能的智能传感 器为物联网提供了感知保障, 更快、 更稳定的移动通信技术为数据的可靠、 快速传递搭建了 畅通的道路, 云计算和大数据技术为物联网的推广和普及奠定了坚实的技术基础。 全书共分6 章: 第1 章讲述了物联网的定义、 层次架构、 标准; 第 2 章从电子产品代码 (Electronic Product Code, EPC)、 射频识
5、别 (Radio Frequency Identification, RFID)、 近场通信 (Near Field Communication, NFC) 和定位技术入手, 介绍了物联网中重要的识别技术; 第3 章 从传感器入手, 讲述了包括 ZigBee 等网络标准和无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 技术; 第 4 章讲述了移动通信技术和物联网中重要的机器对机器 (Machine to Machine, M2M) 技术; 第 5 章阐述了云计算与大数据技术; 第 6 章讲述了物联网安全技术。 从总体上来看, 本书具有如下特点: (1) 结构完整
6、本书从物联网的起源和定义开始, 讲解了物联网的基本概念, 从底层到顶层分别讲述了 感知识别技术、 网络传输技术及云计算和物联网安全。 (2) 重点突出 本书着重介绍了 RFID 技术、 WSN 技术和 M2M 技术。 本书由胡四泉和王新平主编, 胡四泉确定了本书的总体编写内容并指导文字写作, 王新 平负责全书的统稿和组织工作。 王志良参与了第 1 章的编写工作; 胡四泉参与了第 2 章和第 3 章的编写工作; 王新平、 王宏参与了第 4 6 章的编写工作。 本教材已列入北京科技大学校级 “十二五” 规划教材, 教材的编写得到了北京科技大 学教材建设基金的资助。 本书引用了互联网上的当前资讯和相
7、关领域的当前报道等, 在此一并向原作者和刊发机 构致谢。 由于时间仓促等原因对引用未能一一注明, 在此也深表歉意。 物联网正处在蓬勃发展的繁荣时期, 因为时间和篇幅有限, 可能有些内容本书未能全面 介绍。 同时, 由于作者的认识领悟能力有限, 书中难免存在缺点与疏漏, 敬请各位专家及广 大读者批评指正。 胡四泉 北京科技大学 2015 年 8 月 目 录 前言 第 1 章 物联网概述1 1. 1 物联网的起源和发展1 1. 1. 1 物联网的起源3 1. 1. 2 物联网的三大推动力5 1. 1. 3 对国家 “战略性新兴产业” 政策的解析12 1. 2 物联网的框架结构14 1. 2. 1
8、物联网的三个层次14 1. 2. 2 物联网的八层架构15 1. 3 两个技术范畴17 1. 3. 1 智能网络空间技术17 1. 3. 2 物联网终端技术20 1. 4 物联网的标准体系29 1. 5 物联网的应用领域32 本章小结35 习题与思考题35 第 2 章 识别与定位技术36 2. 1 EPC 编码36 2. 1. 1 EPC 编码协议36 2. 1. 2 EPC 系统结构37 2. 1. 3 EPC 条形码标签38 2. 1. 4 EPC、 条形码、 RFID 标签 的区别39 2. 2 RFID 系统40 2. 2. 1 应答器原理40 2. 2. 2 阅读器部分42 2. 2
9、. 3 RFID 天线部分47 2. 2. 4 RFID 中间件48 2. 3 NFC 技术49 2. 3. 1 NFC 工作原理49 2. 3. 2 NFC 工作模式50 2. 3. 3 NFC 技术与其他通信技术 的对比50 2. 3. 4 NFC 的应用前景51 2. 4 定位技术51 2. 4. 1 卫星定位技术52 2. 4. 2 基于网络的定位技术52 2. 4. 3 感知定位技术53 本章小结53 习题与思考题53 第 3 章 传感器与无线传感器网络 技术55 3. 1 传感器基础知识55 3. 1. 1 传感器的概念55 3. 1. 2 传感器的组成56 3. 1. 3 传感器
10、的分类56 3. 1. 4 几种常用传感器介绍58 3. 1. 5 传感器的基本特性61 3. 1. 6 传感器的作用62 3. 2 智能传感器63 3. 2. 1 智能传感器的基本概念63 3. 2. 2 智能传感器的组成63 3. 2. 3 智能传感器的功能与特点64 3. 2. 4 智能传感器的应用65 3. 2. 5 智能传感器的发展趋势65 3. 3 MEMS 技术66 3. 3. 1 MEMS 概述66 3. 3. 2 MEMS 特点67 3. 3. 3 常用的 MEMS 传感器67 3. 3. 4 MEMS 应用70 3. 4 传感器接口技术71 3. 4. 1 传感器接口特点7
11、1 3. 4. 2 常用传感器接口电路71 3. 4. 3 传感器与微型计算机接口的 一般结构73 3. 4. 4 接口电路应用实例74 3. 5 无线传感器网络概述75 3. 5. 1 无线传感器网络介绍76 3. 5. 2 传感器网络体系结构81 3. 5. 3 传感器网络的发展83 3. 6 无线传感器网络的技术体系84 3. 6. 1 自组网技术84 3. 6. 2 节点定位技术85 3. 6. 3 时间同步技术86 3. 7 无线传感器网络的通信协议87 3. 7. 1 无线传感器网络的路由协议87 3. 7. 2 无线传感器网络的 MAC 协议89 3. 8 无线传感器网络的技术标
12、准91 3. 8. 1 IEEE 802. 15. 4 标准91 3. 8. 2 ZigBee 协议规范93 本章小结96 习题与思考题96 第 4 章 移动通信与 M2M 技术97 4. 1 网络97 4. 1. 1 互联网97 4. 1. 2 移动互联网99 4. 2 移动通信技术106 4. 2. 1 移动通信技术的发展106 4. 2. 2 第三代移动通信技术107 4. 2. 3 第四代移动通信技术112 4. 2. 4 常见接入技术115 4. 3 M2M 概述124 4. 3. 1 M2M 起源及现状124 4. 3. 2 M2M 标准化工作125 4. 4 M2M 的体系结构、
13、 协议、 内容127 4. 4. 1 M2M 系统架构127 4. 4. 2 M2M 关键技术128 4. 4. 3 M2M 应用模式129 4. 4. 4 WMMP 介绍129 4. 5 M2M 模块132 4. 5. 1 几种 M2M 模块介绍132 4. 5. 2 AT 命令133 4. 6 M2M 应用137 4. 6. 1 M2M 的业务模型137 4. 6. 2 医疗保健138 4. 6. 3 电力系统142 4. 7 M2M 前景和挑战143 4. 7. 1 M2M 市场的前景预测143 4. 7. 2 M2M 的发展思路与对策144 本章小结145 习题与思考题145 第 5
14、章 云计算与大数据147 5. 1 云计算147 5. 1. 1 云计算的起源147 5. 1. 2 云计算的基本概念149 5. 1. 3 云计算的特点150 5. 1. 4 云计算与相关技术的关系152 5. 1. 5 云计算与物联网154 5. 2 云计算实现技术155 5. 2. 1 云计算的工作原理155 5. 2. 2 云计算的体系结构156 5. 2. 3 云计算的服务层次157 5. 2. 4 云计算的关键技术158 5. 2. 5 云计算的派生技术162 5. 3 大数据164 5. 3. 1 大数据的起源164 5. 3. 2 大数据的定义与特征165 5. 3. 3 大数
15、据的存储技术166 5. 3. 4 大数据的分析工具167 5. 3. 5 大数据的应用领域169 5. 3. 6 大数据的难点和热点问题170 本章小结170 习题与思考题170 第 6 章 物联网安全技术171 6. 1 物联网安全体系及特点171 6. 2 物联网的安全威胁172 6. 3 物联网身份识别技术175 6. 4 物联网的安全需求分析177 6. 5 物联网安全措施178 6. 5. 1 感知层安全措施178 6. 5. 2 传输层安全措施181 6. 5. 3 应用层安全措施182 本章小结182 习题与思考题182 附录 缩略语183 参考文献187 目 录 第 1 章
16、物联网概述 物联网渗透到了生产、 生活的各个方面。 物联网的发展是随着互联网、 传感器等发展而 发展的。 其理念是在计算机互联网的基础上, 利用射频识别 (Radio Frequency Identification, RFID) 技术、 无线数据通信等技术, 构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网。 1. 1 物联网的起源和发展 作为新兴事物的物联网其实并不年轻, 在近十年的发展历程中, 不同的国家、 不同的机 构组织, 都在关注着物联网。 物联网 (Internet of Things, IoT) 被看作是信息领域的一次重 大发展与变革, 其广泛应用将在未来 5 15 年为解决现代社
17、会问题做出极大贡献。 2009 年 以来, 美国、 欧盟、 日本等纷纷出台物联网发展计划, 进行相关技术和产业的前瞻布局, 我 国 “十二五” 规划中也将物联网作为战略性新兴产业予以重点关注和推进。 但整体而言, 无论国内还是国外, 物联网的研究和开发都还处于起步阶段。 有关资料表明, 国内外普遍认为物联网是由美国麻省理工学院 Ashton 教授于 1999 年最 早提出来的, 其理念是基于射频识别、 电子物品代码 (Electronic Product Code, EPC) 等技 术, 在互联网的基础上, 构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网, 即物联网, 如 图 1-1 所示。 此
18、设想有两层意思: 第一, 物联网的核心和基础是互联网, 是在互联网基础上 的延伸和扩展的网络; 第二, 其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间, 并进行信息交 换和通信。 图 1-1 物联网定义 2010 年时任国务院总理温家宝在第十一届全国人民代表大会第三次会议上所做政府工 作报告中对物联网做了这样的定义: 物联网是指通过信息传感设备, 按照约定的协议, 把任 何物品与互联网连接起来, 进行信息交换和通信, 以实现智能化识别、 定位、 跟踪、 监控和 管理的一种网络。 它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。 除了上面的定义之外, 还有一些在具体环境下为物联网做出的定义: 欧盟定义。 物联网是
19、将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络。 国际电信联盟 (International Telecommunications Union, ITU) 的定义。 物联网主要解决 物品到物品 (Thing to Thing, T2T)、 人到物品 (Human to Thing, H2T)、 人到人 (Human to Human, H2H) 之间的互联。 这里与传统互联网不同的是, H2T 是指人利用通用装置与物品 之间的互联, H2H 是指人之间不依赖个人计算机而进行的互联。 需要利用物联网才能解决 的是传统意义上的互联网没有考虑的对于任何物品连接的问题。 物联网是连接物品的网络, 有些学
20、者在讨论物联网时, 常提到 M2M 的概念, 可以解释成为人到人 (Man to Man)、 人到 机器 (Man to Machine)、 机器到机器 (Machine to Machine)。 本质上, 人与机器、 机器与机 器的交互, 大部分是为了实现人与人之间的信息交互。 ITU 物联网研究组。 物联网的核心技术主要是普适网络、 下一代网络和普适计算。 这三 项核心技术的简单定义是, 普适网络, 无处不在的普遍存在的网络; 下一代网络, 可以在任 何时间、 任何地点, 互联任何物品, 提供多种形式信息访问和信息管理的网络; 普适计算, 无处不在的普遍存在的计算。 其中, 下一代网络中
21、“互联任何物品” 的定义是 ITU 物联网 研究组对下一代网络定义的扩展, 是对下一代网络发展趋势的高度概括。 从现在已经成为现 实的多种装置的互联网络, 如手机互联、 移动装置互联、 汽车互联、 传感器互联等, 都揭示 了下一代网络在 “互联任何物品” 方面的发展趋势。 目前, 国内外对物联网还没有一个统一、 公认的标准定义, 但从物联网的本质分析, 物 联网是现代信息技术发展到一定阶段后, 才出现的一种聚合性应用与技术提升, 它是将各种 感知技术、 现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用, 使人与物智慧对话, 创 造一个智慧的世界。 因此, 物联网技术的发展几乎涉及了信息技术的方
22、方面面, 是一种聚合 性、 系统性的创新应用与发展, 因此被称为是信息产业的第三次革命性创新。 其本质主要体 现在三个方面: 一是互联网特征, 即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络; 二是识别与通信特征, 即纳入物联网的 “物” 一定要具备自动识别、 物物通信的功能; 三 是智能化特征, 即网络系统应具有自动化、 自我反馈与智能控制的特点。 总体上物联网可以概括为, 通过传感器、 射频识别技术、 全球定位系统等技术, 实时采 集任何需要监控、 连接、 互动的物体或过程的声、 光、 热、 电、 力学、 化学、 生物、 位置等 各种需要的信息, 通过各种可能的网络接入, 实现物与物、
23、物与人的泛在连接, 从而实现对 物品和过程的智能化感知、 识别和管理。 因此, 把物联网初步定义为是通过 RFID、 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, 把任何物体与互联网相连接, 进行信息交换和通信, 以实现 对物体的智能化识别、 定位、 跟踪、 监控和管理的一种网络。 要特别注意的是, 物联网中的 “物”, 不是普通意义的万事万物, 这里的 “物” 要满足以下条件: 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; 要有处理运算单元 (如 CPU); 2物联网组成原理 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
24、的通信协议; 在世界网络中有可被识别的唯一编号。 通过以上分析, 发现物联网的核心是物与物及人与物之间的信息交互, 其基本特征可简 要概括为全面感知、 可靠传送和智能处理, 见表 1-1。 表 1-1 物联网的三个特征 全面感知 利用射频识别、 二维码、 传感器等感知、 捕获、 测量技术随时随地对物体进行信息采集和获取 可靠传送 通过将物体接入信息网络, 依托各种通信网络, 随时随地进行可靠的信息交互和共享 智能处理 利用各种智能计算技术, 对海量的感知数据和信息进行分析并处理, 实现智能化的决策和控制 1. 1. 1 物联网的起源 回顾历史, 不知是巧合还是有意, 在大的危机之后, 总会有新
25、的行业诞生, 引领和支撑 经济的复苏、 发展, 从而带动社会进入新的经济上升周期。 20 世纪末, 一系列新兴市场遭 受金融危机的冲击后, 促进了互联网这一新兴行业。 而在这次人类历史上数一数二的金融危 机余波未了时, 在人们热切关注新能源行业发展时, 又出现一个新名词和新概念 物联 网。 物联网逐渐成了人们眼中的 “救世主”, 尽管仍有一些学术界或者是技术精英对这种说 法莫衷一是。 但不可否认的是, 包括美国在内的一些国家正在试图借助 “物联网” 走出经 济的泥潭。 信息产业的每一次跨越都不是技术上的偶然发明, 而是国家发展战略结出的 硕果。 2009 年 1 月, 时任中国科学院院长路甬祥
26、在接受 瞭望 新闻周刊专访时中指出: “眼 下这场全球性金融危机爆发之时, “科学的沉寂” 已达 60 余年, 一些重要的科学问题和关 键核心技术发生革命性突破的先兆已日益显现。 当前国际金融危机对世界经济社会政治格局 的影响继续显现, 国际、 国内环境的重大变化对我国经济社会发展已经产生了深刻影响。 当 前, 由美国次贷危机引发的这场百年不遇的国际金融危机的影响正在全球继续扩散蔓延, 尚 未见底, 有可能持续较长时间, 世界经济将经历一个较长的低迷、 调整和变革期, 全球经济 增速快速下滑, 能源资源、 粮食价格大幅波动, 失业率普遍上升, 对我国经济的影响不容 低估。” 世界正处在科技创新
27、突破和科技革命的前夜。 这一重要结论, 主要基于以下分析: (1) 历史经验表明, 全球性经济危机往往催生重大科技创新突破和科技革命。 根据经 济长波理论, 每一次的经济低谷必定会催生出某些新的技术, 而这种技术一定是可以为绝大 多数工业产业提供一种全新的使用价值, 从而带动新一轮的消费增长和高额的产业投资, 以 触动新经济周期的形成。 1857 年的世界经济危机引发了以电气革命为标志的第二次技术革 命, 1929 年的世界经济危机引发了战后以电子、 航空航天和核能等技术突破为标志的第三 次技术革命。 依靠科技创新创造新的经济增长点、 新的就业岗位和新的经济社会发展模式, 是摆脱危机, 创新经
28、济增长的根本出路。 过去的十几年间, 互联网技术取得了巨大成功。 目 前的经济危机让人们又不得不面临紧迫的选择, 物联网技术可能成为推动下一个经济增长的 3第 1 章 物联网概述 特别重要推手。 (2) 前瞻全球现代化发展的未来图景, 包括中国、 印度在内的近 30 亿人口追求小康生 活和实现现代化的宏伟历史进程与自然资源供给能力和生态环境承载能力的矛盾日益凸显和 尖锐, 按照传统的大量耗费不可再生自然资源和破坏生态环境的经济增长方式、 沿袭少数国 家以攫取世界资源为手段的发展模式难以为继。 人类生存发展的新需求强烈呼唤科技创新突 破和科技革命。 (3) 从当今世界科技发展的态势看, 奠定现代
29、科技基础的重大科学发现基本发生在 20 世纪上半叶, “科学的沉寂” 已达 60 余年, 而技术革命的周期也日渐缩短。 同时, 科学技 术知识体系积累的内在矛盾凸显, 在物质能量的调控与转换、 量子信息调控与传输、 生命基 因的遗传变异进化与人工合成、 脑与认知、 地球系统的演化等科学领域, 在能源、 资源、 信 息、 先进材料、 现代农业、 人口健康等关系现代化进程的战略领域中, 一些重要的科学问题 和关键核心技术发生革命性突破的先兆已显现。 在此之前, 中科院计算所所长李国杰院士在 2008 诺贝尔奖获得者北京论坛举行的中科 院信息与创新战略研讨会上, 对 21 世纪上半叶信息科学技术发展
30、趋势作总体判断时表示: 信息科技正在进入全民普及阶段, 信息技术惠及大众将成为未来几十年的主旋律; 21 世纪 上半叶, 将兴起一场新的信息科学革命, 其结果可能导致 21 世纪下半叶新的技术革命。 李 国杰表示: “目前的信息科学只相当于1905 年以前的理论物理研究, 信息科学还处在伽利略 时代。 20 世纪下半叶信息技术发展迅猛, 但信息技术的基础理论大部分是 20 世纪 60 年代 以前完成的, 近 40 年信息科学没有取得重大突破。” 同样, 编写计算机程序的大量日常工 作可能会导致产生新的科学。 如同望远镜促进天文学、 显微镜促进医学发展一样, 数字计算 机的发明, 特别是近 20
31、 年微处理器和网络技术的突飞猛进, 使大规模并行计算和网格计算 成为可能, 将导致一场科学的革命, 21 世纪将产生以并行计算为基础的新科学。 也有其他专家在谈及物联网时说道: 从 2007 年开始, 我们都在应对全球金融危机, 美 国和欧盟在应对危机方面重点推出物联网。 在 2008、 2009 年比较清晰地提出物联网发展规 划和发展行动的一些具体措施, 也是基于应对金融危机要应对新的产业。 每一次金融危机, 我们要去应对它, 要去挽救一些企业, 要促进一些产业能够更健康地发展, 但是我们最终还 是要选择一些新的产业, 要有新的产业取代或者改变传统产业。 就像 1998 年当时亚洲金融 危机
32、一样, 是因为有互联网和新经济的出现, 才使当时的经济危机能够更快地度过。 这一次 我们也在寻找新的产业和新的发展机会, 或者新的技术。 世界各国都一样。 摆在我们面前的 确实是值得我们把握的机会, 物联网会引发一个很大的产业机会, 这也是物联网大的背景决 定的。 物联网的发展, 从一开始就是和信息技术、 计算机技术, 特别是网络技术密切相关。 “计算模式每隔 15 年发生一次变革” 这个被称为 “15 年周期定律” 的观点, 一经美国国际 商业机器 (International Business Machines, IBM) 公司前首席执行官郭士纳提出, 便被认为 同美国英特尔 (Intel
33、) 公司创始人之一的戈登摩尔提出来的摩尔定律一样准确, 并且都同 样经过历史的检验。 摩尔定律的内容为, 集成电路上可容纳的晶体管数目, 约每隔 18 个月 便会增加一倍, 性能也将提升一倍。 纵观历史, 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。 每一次的技 术变革又都引起企业、 产业甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化, 而 2010 年发生的变革 4物联网组成原理 出现在物联网领域, 如图 1-2 所示。 图 1-2 15 年周期定律 从 1999 年概念的提出到 2010 年的崛起, 物联网经历了十余年
34、的历程, 特别是最近几年 的发展极其迅速, 不再停留在单纯的概念、 设想阶段, 而是逐渐成为国家战略、 政策扶植的 对象。 表 1-2 列出了物联网发展历程中的关键点。 表 1-2 物联网发展历程中的关键点 2005 年 ITU 发布了 ITU 互联网报告 2005: 物联网, 引用了 “物联网” 的概念, 并且指出无所不在的 “物联网” 通信时代即将来临。 然而, 报告对物联网缺乏一个清晰的定义, 但覆盖范围有了较大的 拓展 2009 年初 美国 IBM 公司提出了 “智慧的地球” 概念, 认为, 信息产业下一阶段的任务是把新一代信息技术 充分运用在各行各业之中, 具体就是把传感器嵌入和装备
35、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 2009 年 6 月 欧盟委员会向欧盟议会、 理事会、 欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了 欧盟物联网行动计 划, 其目的是希望欧洲通过构建新型物联网管理框架来引领世界 “物联网” 发展 2009 年 8 月 日本提出 “智慧泛在” 构想, 将传感网列为国家重要战略, 致力于一个个性化的物联网智能服务 体系 2009 年 8 月 时任国务院总理温家宝来到中科院无锡研发中心考察, 指出关于物联网可以尽快去做三件事情: 一 是把传感系统和 3G 中的 TD 技术结合起来;
36、 二是在国家重大科技专项中, 加快推进传感网发展; 三 是尽快建立中国的传感信息中心, 或者叫 “感知中国” 中心 2009 年 10 月 韩国通信委员会通过 物联网基础设施构建基本规划, 将物联网确定为新增长动力, 树立了 “通 过构建世界最先进的物联网基础设施, 打造未来广播通信融合领域超一流信息强国” 的目标 2010 年 3 月 时任国务院总理温家宝在 2010 年国务院政府工作报告 中, 将 “加快物联网的研发应用” 明确 纳入重点产业振兴, 表明物联网已经被提升为国家战略, 中国开启物联网元年 1. 1. 2 物联网的三大推动力 1. 第一大推动力: 政府 (1) 国际社会 199
37、8 年 1 月 31 日时任美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心, 做了题为 数字地球: 展望 21 世纪我们这颗行星 的长篇演讲。 在这篇演讲中, 他首次提到并系统阐述了 “数字 地球” 这个新概念, 其构想如图1-3 所示。 这个概念提出的前提是, 技术创新的新浪潮使我 们能够大量地获得、 存储、 处理和显示关于我们行星的各种环境和文化现象信息。 如此大量 的信息构成了 “地理坐标系”, 它涉及地球表面每一个特定的地方。 有了这个数字化的 “地 理坐标系” 信息源, 人类就可以淘汰现在的人机对话方式, 即利用 Macintosh 和 Windows 操 作系统提供的桌面图形方式, 从而跨入
38、“数字地球” 的多种分辨率、 三维的表述方式, 使 5第 1 章 物联网概述 图 1-3 数字地球构想 人类能嵌入巨大数量的地理坐标系数据。 戈尔认为高科技的发展使人类拥有了前所未有的捕捉收集处理和展示信息的手段, 但大 量的数据并没有得到充分处理, 更没有得到充分的使用。 例如, 一颗地球卫星每两周即可发 回地球的完整照片, 这种卫星已经运行了 20 年, 所收集的信息可谓浩如烟海, 但只是储存 在数据库里, 与绝大多数人的日常生活无关。 要利用这么巨大的信息量为人类服务, 必须开发新的信息展示技术, 人脑处理信息的 “技术” 具有速率低而分辨率高的特点, 一般人难以在短时间内记住 7 组以
39、上的数据, 但是 由几十亿个信息单元组成的图像, 如一处风景, 一张明星的脸, 人们却可以过目不忘, 乃至 一见钟情。 由此, 戈尔提出: “我们需要一个 数字地球, 这是一个高分辨率三维空间的 数据星球, 与地球有关的庞大数据可以存储在里面”。 人们借助头戴显示器、 特制的数据手 套等高分辨率展示工具, 就可以在全球自由遨游, 不受时间和空间的限制, 可以谈笑间 “飞” 到万里之外或千年之前, 寻访南极的一座冰峰或会晤埃及的某位法老。 在美国, 奥巴马就职后提出了 “智慧地球” 的概念。 其雏形是美国 IBM 公司对 21 世纪 后社会变化、 科技发展、 市场实践和全球面临的重大问题进行总结
40、和分析后得出的结论。 其 核心是以一种更智慧的方法, 利用新一代信息通信技术来改变政府、 公司和人们相互交互的 方式, 以便提高交互的明确性、 效率、 灵活性和响应速度。 通俗地讲, 它是把新一代 IT 技 术充分运用在各行各业之中, 即把感应器嵌入和装备到全球每个角落的电网、 铁路、 桥梁、 隧道、 公路等各种物体中, 并且被普遍连接, 形成所谓 “物联网”; 而后通过超级计算机和 “云计算” 将 “物联网” 整合起来; 在此基础上, 人类可以用更加精细和动态的方式管理生 产和生活, 达到 “智慧” 状态, 极大地提高资源利用率和生产力水平, 应对经济危机、 能 源危机、 环境恶化, 从而打
41、造一个 “智慧地球”。 作为新一轮 IT 技术革命, “智慧地球” 上 升为美国的国家战略, 被认为是挽救危机、 振兴经济、 确立竞争优势的关键战略。 奥巴马期 6物联网组成原理 望利用 “智慧地球” 来刺激经济复苏, 把美国经济带出低谷。 同样被他们认为是挽救危机、 振兴经济、 确立竞争优势的关键战略。 在欧洲, 2009 年 6 月 18 日, 欧盟委员会向欧盟议会、 理事会、 欧洲经济和社会委员会 及地区委员会递交了 欧盟物联网行动计划, 其目的为希望欧洲通过构建新型物联网管理 框架来引领世界 “物联网” 发展。 作为 “物联网” 应用的重要部分, M2M 业务已受到运营 商的广泛关注。
42、 一些优秀的国外运营商已开始就其长远发展, 确立了明确的战略方向, 如法 国电信集团专注医疗、 加拿大 Decoma 公司关注 M2M 协议。 欧洲的运营商们也加强了 M2M 市场的部署。 法国 Orange 公司看好车队管理市场; 挪威 Telenor 公司与设备商合作, 推出完 整解决方案; 德国 T-Mobile 公司与设备商合作开发解决方案; 英国沃达丰推出 M2M 全球服 务平台。 国外及欧美国家对于 “物联网” 非常重视。 据资料显示, 美国的奥巴马政府对更新美 国信息高速公路提出了更具高新技术含量的信息化新的方案; 欧盟发布了下一代全欧移动宽 带长期演进与超越及信息通信技术 (I
43、nformation Communication Technology, ICT) 研发与创 新战略; 而在日本政府紧急出台了数字日本创新项目 ICT 鸠山计划行动大纲; 同时, 澳大利 亚、 新加坡、 法国、 德国等其他发达国家也加快部署了下一代网络基础设施的步伐。 全球信 息化正在引发当今世界的深刻变革, 世界政治、 经济、 社会、 文化和军事发展的新格局正在 受到信息化的深刻影响。 在不久的将来, 也许在未来的 3 5 年之内, 更具智能性的信息基 础设施逐步与传统的基础设施融合, 更加智能化的网络也将会逐步得到普及。 从国际上看, 欧盟各国、 美国、 日本等国都十分重视物联网的工作,
44、并且已进行了大量 研究开发和应用工作。 例如, 美国把它当成重振经济的法宝, 所以非常重视物联网和互联网 的发展。 它的核心是利用 ICT 来改变美国未来产业发展模式和结构 (金融、 制造、 消费和 服务等), 改变政府、 企业和人们的交互方式以提高效率、 灵活性和响应速度; 把 ICT 技术 充分用到各行各业, 把感应器嵌入到全球每个角落, 如电网、 交通 (铁路、 公路、 市内交 通) 等相关的物体上; 并利用网络和设备收集的大量数据通过云计算、 数据仓库和人工智 能技术来分析给出解决方案; 把人类智慧赋予万物, 赋予地球。 “智慧地球、 物联网和云计 算” 就是美国要作为新一轮 IT 技
45、术革命的领头羊的证明。 据欧盟专家讲, 欧盟发展物联网 先于美国, 围绕物联网技术和应用做了不少创新性工作。 2009 年 11 月在北京全球物联网会 议上, 发布的 欧盟物联网行动计划 (Internet of things: An action plan for Europe), 其目 的也是企图在 “物联网” 的发展上引领世界。 在欧盟, 各大运营商和设备制造商积极地推 动了 M2M 的技术和服务的发展。 (2) 我国 2009 年 8 月 7 日, 时任国务院总理温家宝在考察时提出了 “感知中国” 战略; 2009 年 11 月 3 日温家宝总理在 让科技引领中国可持续发展 讲话中有这样的描述: “信息网络产业是世界经济复苏的重要驱动力。 全球互联网正在向下一代升级, 传感网 和物联网方兴未艾。 (智慧地球) 简单说来就是物联网与互联网的结合, 就是传感网在基础 设施和服务领域的广泛应用。 我在无锡考察时参观了中国科学院微系统所无锡传感网工程中 心, 很高兴看到一批年轻人正在从事传感网的研究。 我相信他们一定能够创造出
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