作者：张学记,纪占林,等
出版社：电子工业出版社
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智慧城市：物联网体系架构及应用试读：
前言
物联网被看做继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，将成为未来带动中国经济发展的主要生力军。2009年，在美国总统奥巴马与工商业领袖举办的圆桌会议上，IBM首席执行官首次提出了“智慧地球”（Smart Earth）的构想，同年，欧盟发布了物联网研究战略路线图（Internet of Things Strategic Research Roadmap）。在我国，物联网同样得到了高度重视，在2010 年“两会”期间物联网已经被写入政府工作报告，确立为国家五大战略性新兴产业之一。2012 年年底，胡锦涛视察了国家软件与集成电路公共服务平台物联网产业研究院（CAID），对物联网相关创新表示肯定，提出“科技服务经济，成果造福人民”，强调物联网产业应注重于应用。2013 年2 月，国务院正式出台《关于推进物联网有序健康发展的指导意见》，该文件的出台，必将掀起新一轮的物联网热潮。
本书创新性地提出了中国物联网的概念，该理念不同于国外物联网（Internet of Things）的概念，是属于“中国创造”范畴。在中国特有的政治环境、社会环境、市场环境、技术支撑环境及经济运行环境下，中国物联网将被建设成带动我国核心经济区率先规划发展的“物联网现代信息服务业”，从而组建我国“物联网运营商”。物联网运营商是继电信运营商、有线电视运营商、移动通信运营商后，在我国即将诞生的新兴的服务于现代信息服务业的第四大运营商。我国物联网产业的规划与发展，具备赶上世界先进国家重大历史的机遇。
物联网运营商是通过与政府合作，组织产业内的设备提供商、运营商、系统集成商、软件开发商，在各方平等互利的前提下与各公共事业部门搭建公共平台，并以平台为基础设施，以信息服务为产品，面向社会提供服务的行业实体。
构建我国物联网运营平台及组建物联网运营商，面向我国城市公共领域重大基础设施的智能化建设，形成我国物联网现代信息服务业与物联网信息终端制造业，才是我国物联网产业发展的主要战略。一个新兴的物联网现代信息服务业不仅能促进大量的人员就业，而且还能推动我国成为创新型国家，为国民经济发展再造新优势。
本书作者根据多年的研发经验及近30 项物联网相关发明专利抛砖引玉，希望给读者一些启迪和帮助。本书第1 章主要介绍了物联网的理念及其历史溯源，简单阐述了物联网的三层架构（感知层、网络层和应用层），并介绍了物联网在各个应用领域发挥的作用。第2 章主要阐述了物联网的经营形式、物联网在中国的发展现状和前景，以及物联网在中国的标准化工作设想，从而提出了物联网运营商的概念。第3 章介绍了南京理工大学物联网体系架构的基本组成、主要功能、智慧城市商业模式及物联网综合信息港等内容。第4 ～ 6 章分别详细描述了物联网三层架构中的相关技术。第7 章介绍了云计算的相关内容。第8 章给出了物联网在产业集群中的综合应用，例如在消防、医疗、交通、家居等方面的具体实现愿景，具体包括能源需求侧物联网、智慧城市消防物联网、智慧医疗物联网、智慧城市静态交通泊车与车辆牌照监管物联网、低空航空器ADS-M空中监管物联网、分布式新能源物联网。
希望本书能够对关心物联网产业发展的各级领导和行政监管部门、高校物联网及相关专业的师生及投资人士有所帮助。由于笔者水平及时间有限，加上物联网产业的飞速发展，技术日新月异，书中难免会有局限和诸多不足之处，欢迎专家和读者不吝指正。第1章 概述
1.1 物联网的溯源
1.2 物联网的定义
1.3 物联网的组成
1.4 物联网的应用领域
1.5 相关概念
1.6 小结1.1 物联网的溯源
1995 年，微软创始人比尔·盖茨在《未来之路》一书中首次提到物联网（Internet of Things，IoT）的理念，在书中多处描写了未来的智能生活，比如如下场景：“用户所遗失或被窃的照相机将自动发回信息，告诉用户它现在所处的具体位置，甚至是在它已经身处不同城市的情况下。”“袖珍个人计算机普及之后，困扰着剧院及其他需要排队出示身份证或票据的人的瓶颈问题就可以解决了”等。迫于当时终端技术的局限性，这些构想无法实现。从1990年到1997 年，盖茨应用物联网的理念建设了一套住宅，共花费了1 亿美元，它成为数字技术前沿科技的结晶，也是目前智能建筑和智能家居的最具代表性的实例。该住宅铺设的通信电缆总长度达到了52 英里，连接着室内大量的传感器、摄像头、计时器等终端和屋外的多台服务器。该智慧家居包括如下功能：根据屋外传感器的数据预测气象指标，对室内的温度和通风系统进行控制；根据个人喜好，对室内温度、湿度、灯光、音乐等系统进行自动调节，比如当室内无人时，自动进入节能状态。所有的电器组成一个家庭域局域网，为用户提供最佳的服务。卫生间安装智慧医疗系统，可以对多种身体生命指标进行检测。当发生火灾时，建筑物的智慧消防系统可以根据火势的分布情况分配供水，关闭相关电力系统，并自动对外报警、提供最佳的营救方案。室外的智慧农业系统对植物进行及时、全自动浇灌。访客佩戴RFID标签，方便智慧家居系统感知客人的位置，同时为客人提供最舒适的灯光和温度。此后，多位世界名人都亲身体验了这所“物联网”住宅。
从1995 年到1999 年，美国经济增长的35%来源于信息产业，并且信息产业为美国提供了700 多万个就业岗位，创造的产值超过5 000 亿美元。在美国的带动下，信息产业成为全世界经济增长的重要组成部分。
随着硬件终端尤其是射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）标签等技术的迅猛发展，1999年美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）Auto-ID中心的Kevin Ashton教授提出了把RFID、电子产品代码（Electronic Product Code，EPC）和互联网连接起来，实现商品的智能化管理，该系统是物联网的原型。RFID是早期物联网的关键组成部分，当时的应用局限在物流和零售产业，通过在商品上安装RFID标签让信息系统自动识别来达到信息的传递功能。图1-1所示为基于EPC的物流开放网络（物联网）模型。图1-1 基于EPC的物流开放网络（物联网）模型
进入21 世纪后，芯片技术、传感器、分布式计算、网格计算、云计算、智能体等技术得到了高速发展，这为物联网的数据处理提供了基础支撑。
2005年， 国际电信联盟（ITU Telecommunication Standardization Sector， ITU-T）正式发布了物联网的报告书。该报告书第6 章描述了一个叫Rosa的 23 岁西班牙学生在2020 年的一天生活（2020 ：A Day in the Life）。在报告书的第一部分，首先描述了Rosa准备去阿尔卑斯山（French Alps）滑雪。在出发前，她的智能丰田轿车提醒她需要更换轮胎，在修车的过程中，一台自动售货机和Rosa的智能终端进行了通信，售货机根据她的喜好为她准备了冰咖啡，并通过Rosa的网络手表进行了电子支付。车的轮胎修好之后，Rosa对新的轮胎上的RFID进行了安全设置，以防男朋友知道她的位置。在报告书的第二部分，Rosa购买了智能滑雪板，旅行系统根据她的行程通知了她的护照和驾照能被法国和西班牙的边境检查自动放行。在第三部分，Rosa的太阳镜能接收到她男朋友的呼叫，等她发出了对自己位置撤销隐私保护的命令后，她男朋友赶了过来。在整个故事中，Rosa得到了物联网提供的最佳服务。该报告书正式提出了信息与通信的新的沟通维度：任何时间，任何地点，任何物体，任何人，任何服务，任何网络（Any Time，Any Place，Any Things，Any One，Any Service，Any Network）都可以直接保持最佳联系和提供最好服务（见图1-2）。
2005 年以后，物联网的发展浪潮席卷全球。许多国家从长远的角度提出了物联网相关国家战略，在一些服务层面已经从构思阶段步入了实质性的实施阶段。例如，日本的宽带接入泛在化，其理念是以人为本，实现人与人，人与物，物与物的通信。韩国的智能家庭，使民众可以远程控制家电设备，并享受高质量的双向互动多媒体服务。新加坡的下一代I-Hub，旨在通过一个安全、无处不在的网络实现下一代“U”型网络。北京邮电大学张平教授给出了MUSE（Mobile Ubiquitous Service Environment）的发展趋势，如图1-3 所示。图1-2 信息与通信的新的沟通维度图1-3 MUSE发展趋势
2009 年，物联网已经成为中国信息产业排名第一的关键字。同年1 月，在美国总统奥巴马与工商业领袖举办的圆桌会议上，IBM首席执行官首次提出了“智慧地球”（Smart Earth）的构想，通过把传感器安装到河流、电网、铁路、公路、森林、药瓶、货车等物体中，实现对连接形成的物联网进行有效管理。9 月，欧盟发布了物联网研究战略路线图（Internet of Things Strategic Research Roadmap）。该报告由欧洲物联网项目组（CERP-IoT）撰写，目标是推广、共享和宣传物联网的研究项目和相关研究成果，尤其是传感器技术在物联网中的应用。比如家庭域的智慧医疗（Smart eHealth），可穿戴计算（Wearable Computing），绿色建筑（Green Building），智能交通（Indigent Transport）等。在欧盟第七框架计划（The Seventh Framework Programme，FP7）的公开招标公告中（每年70 亿欧元的支持），大量物联网相关领域的项目得到了基金支持，包括汽车、航天、医疗、建筑和交通等近20 个领域。在众多研究中心和公司的合作下，物联网得到了快速的发展和应用。10 月，韩国颁布了《物联网基础设施构建基本规划》，确定了构建物联网基础设施，发展和研发物联网技术等多项研究方向。同年，温家宝首次提出要建立中国传感信息中心，并命名为“感知中国”。9月，工业和信息化部成立了传感器网络标准化工作组。11 月，无锡建立了国家传感网创新示范区。图1-4 所示为江苏无锡国家传感网工程技术研究中心。
2012 年，工业和信息化部在《物联网“十二五”发展规划》中指出：到2015 年，我国要在核心技术研发与产业化、关键标准研究与制定、产业链条建立与完善、重大应用示范与推广等方面取得显著成效，初步形成“创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控”的物联网发展格局。通过物联网的蓝图规划，将使人们的生活变得更加智能化、智慧化、低碳化。预计到2020 年，中国在物联网产业的投入将达到几万亿元人民币。图1-4 江苏无锡国家传感网工程技术研究中心1.2 物联网的定义
虽然物联网这个词汇已出现多年，但是一直没有给出权威的定义。不同的国家和研究小组对物联网的理解是不一样的。例如，在美国，学术界提出的普适计算（Pervasive Computing）和企业界提出的智慧地球（Smart Planet）；在欧洲，学术界提出的泛在计算（Ubiquitous Computing）和企业界提出的传感网（Sensor Networks），都属于物联网范畴。由于物联网这个词汇过于笼统，比起传感网和智慧地球，物联网在国外并不是一个热门词汇。
在欧盟的物联网研究战略路线图中，物联网被定义为“An integrated part of Future Internet and could be defined as a dynamic global network infrastructure with self configuring capabilities based on standard and interoperable communication protocols where physical and virtual‘things’ have identities，physical attributes，and virtual personalities and use intelligent interfaces，and are seamlessly integrated into the information network”。在该定义中，物联网被描述为可被标识的，具有物理属性的，并具有虚拟特征（个性化）和智能接口特征的，将真实和虚拟的“物体”进行无缝整合的信息网络。显然，这个定义和我国的物联网有本质的区别，因为FP7认为物联网是互联网的一部分。该定义旨在帮助欧洲内部协调不同的RFID相关项目，使其研究成果最大化，同时推进物联网的标准建设。
在英文的维基百科（Wikipedia）中，物联网有一个很简单的定义：“Internet of Things refers to uniquely identifiable objects（things）and their virtual representations in an Internet-like structure”这个定义同样很不全面。在中文的维基百科中，物联网被定义为：物联网就是把传感器装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道及家用电器等各种真实物体上，通过互联网连接起来，进而运行特定的程序，达到远程控制或者实现物与物直接通信的目的。也就是说，将物体连接起来的网络被称为“物联网”。以上这些定义都是片面的。
在工业与信息化部上报国务院的《关于支持无锡建设国家传感网信息中心情况的报告》中，物联网被定义为：物联网是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络，其突出特征是通过各种感知方式来获取物质世界的各种信息，集合互联网、移动通信等进行信息的传递与交互，再采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提升人们对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。
这种通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用的物联网，被学者称为继计算机、互联网之后信息产业发展的第三次浪潮（Stages of wave 3 information technology），如图1-5 所示。图1-5 信息产业发展的三次浪潮1.3 物联网的组成
从1.2 节可以看出，中国的物联网不同于国外的IoT、传感网络、EPC系统，是属于“中国创造” 范畴。众多的国内专家、学者加入了物联网的建设。同时，大量的高学历、高层次的海归科学家和企业家也加入这个朝阳产业中，分别从事传感器、通信网络及软件中间件等相关行业的研发、标准化和产业化等工作。
物联网宏观上包含三个层次，分别是：底层——用来感知世界的感知层，中间层——用来传输数据的网络层，上层——用来处理数据的应用层，如图1-6 所示。图1-6 物联网宏观上包含的三个层次1.3.1 感知层
感知层的作用是感知和采集信息。从仿生学来看，感知层为“感觉器官”，可以感知自然界的各种信息。感知层包含传感器、全球定位系统、气体感应器、激光扫描器、红外感应器和射频识别技术等各种设备和技术。传感器及其相关装置是物联网的底层，它们是整个产业链中最基础和需求最多的组件。在中国，大量的企业和高校研究机构在从事相关芯片、通信协议、材料、智能节点供电等领域的研究和开发工作。
在国内，感知层的主要从业方向包括RFID、传感器和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）芯片。RFID在国内已经大量应用，如身份证、门票、电子收费，物流管理等。目前，RFID标签已经可以印刷，成本低廉，但是由于其物理特征，RFID标签不能在金属及液体环境下使用。传感器在2009 年以前主要以仪器仪表为主，在2009 年温家宝提出“感知中国”后，国家对传感器的研发投入加大，江苏省无锡市已经建立了中国首个传感中心。通过国家高层次海外人才的引进，纳米传感器在医学上已经应用到临床。传感器技术是一门多学科交叉的工程技术，它涉及信息处理、开发、制造和评价等许多方面。制造小型、低廉、高识别度、稳定的传感器是公司和科研院校研发人员的目标。全球定位系统除了在导航方面的应用之外，更广泛地应用于基于位置的服务（Location Based Service，LBS）。在物联网中，GPS同样扮演着重要的角色。GPS的从业人员正在开发更小、更加灵敏和更加节电的GPS芯片。1.3.2 网络层
网络层的任务是将感知层的数据进行传输。网络层是根据现在已经建设好的通信网和互联网建立的。网络层将感知层获得的数据通过移动通信网、企业内部网、各类专网、小型局域网、各种无线网络进行传输，尤其是互联网、有线电视网和电信网三网融合之后，有线电视网也提供廉价的宽带数据传输功能，这极大地推进了物联网的发展。网络层的实现涉及了现有的通信技术，如移动通信技术、下一代网络技术、有线宽带技术等。
网络层的研发主要由高校和大型企业完成。在学术界，随着IPv6 的诞生，北京交通大学张宏科教授领导的下一代互联网研究中心已经完成了部分“973”和“863”重大项目，旨在使中国突破IP 地址稀缺的局限性。为了解决多网融合问题，北京邮电大学张平教授所在的泛在网络研究中心已经对网络的异构问题进行了大量的研究，并完成了相关“973”和“863”项目。在企业界，中国移动、华为等已经加入了3GPP长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目。LTE是以频分多路复用/ 频分多址联接（FDM/ FDMA）及多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）为核心的准4G（Fourth Generation of Mobile Phone Mobile Communications Standards）技术，在速率、功耗、小区边缘用户的性能、延迟、激活、高速移动等性能指标方面取得了质的突破。但是，LTE依然和下一代网络的“以用户为中心”的理念存在着巨大的差距，终端无法在多重异构无线网络里自由切换（Handover）。1.3.3 应用层
应用层的任务是对网络层传输过来的数据进行处理，并通过终端设备与人进行交互。应用层可划分为两个子层：一个是云应用层，进行数据挖掘、存储、计算和处理；另一个是终端人机界面，主要负责信息的显示。物联网的应用层涵盖自然界的方方面面，比如工业、农业、物流、环保、交通、银行、医疗等国民经济和社会领域。物联网虽然是物物相连的网，但最终是要以人为本，需要人的操作与控制。物联网的终端与系统的交互已不仅是以前的人与计算机的交互，而是应用程序中的所有设备与人的交互。应用层的实现涉及软件的各种数据处理技术、云计算技术、智能控制技术等。
物联网的应用层属于软件范畴。2003 年后，中国已经成为全世界最具实力的软件大国。在学术方面，由于没有硬件壁垒，企业级应用、分布式、网格计算、云计算等课题得到了大量的研究。例如，南京理工大学率先提出了物联网的高层架构；清华大学提出的物联网中间件，通过基于负反馈和指数平滑预测的负载均衡技术，可以有效地提高吞吐量。在产业方面，各个省份分别创建了软件园，比如江苏省为位于雨花软件大道的“中国软件谷”提供了大量的优惠政策，旨在建立中国排名第一的软件园。该软件园有超过50%的企业都直接或间接地为物联网的应用层服务。在北京，清华同方公司已经开发完成了“M2M物联网业务基础平台”，目前正在从事“车联网”的物联网中间件研发工作。1.4 物联网的应用领域
物联网是互联网、通信网络、传感器网络的应用拓展和延伸，它通过有效地整合传感器网络、通信基础设施和行业基础设施资源，使物联网成为一种潜在的服务提供商。在物联网的定义中，我们可以在任何时间、任何地点全面地感知“对方”，人类的生活也将从“感觉”变为“感知”，进一步从“感知”到“控制”。感知、传输、应用是物联网产业链中的三个关键组成部分：感知是基础和前提条件；传输是平台和支持；应用则是目的，是整个物联网的具体体现。
物联网产业的发展不仅需要技术，更需要应用，应用推动着物联网产业的迅速发展。目前物联网的应用涉及的领域很广，从简单的人类个人生活应用到工业的现代化与自动化控制，再到城市建设、军事、反恐等领域。物联网的应用涉及由传感器技术所推动的各个产业链领域，包括智能社区、智能家居、智能医疗、智能农场、智能物流、智能校园、智能保洁、智能旅游、智能文博等。物联网发展的最终结果就是将现有的各种产业应用聚集成为一个新型的跨领域的新领域。毋庸置疑，当物联网应用普及时，人类将进入一个新的时代，生活也将发生巨大的变化。图1-7 所示为ITU-T提出的物联网架构，被广大学者和工程师普遍认可。
物联网的应用将带动相关投资，其带动效应如表1-1 所示。图1-7 ITU-T提出的物联网架构表1-1 物联网应用的带动效应注：重点领域包括智能交通、智能电网、智能医疗、环保监测、智能制造及智能建筑。
下面将重点介绍物联网的应用。1.4.1 智慧家居
智慧家居概念的起源非常早，传统的智慧家居早在20 世纪80 年代初就已经出现了，但是至今仍然存在着一系列的问题。如今，无线网络和智能家电取得了飞速的发展，这样就给传统的智慧家居带来了革命性的发展机遇，物联网技术能够有效地运用到智能家居领域，许多企业开始涌入新一代智慧家居的研发浪潮中。随着微型硬件设备成本的不断下降及通信技术的发展，智慧家居的愿景设想越来越接近人们的现实生活。智慧家居产品将计算机网络系统、自动化系统和通信技术合为一体，把各种家庭装置通过智慧家居系统联网实现人们的自动化管理。人们通过宽带和无线网络，可以实现对家庭设备的远程控制；通过安装智能化家庭电表、水表，可以实时掌控用水、用电情况；通过摄像等设备与智能系统相结合，可以远程监控家居安全等。随着物联网技术的飞速发展和不断成熟，人们对物联网智慧家居充满信心和希望。当先进的科学技术运用到日常生活中，并改变人们的生活习惯时，相信又一次产业革命离人们越来越近了。比如，在某超市提供的智慧冰箱的帮助下，超市可以清晰地知道下一年的芹菜销量，甚至精确到某天被哪些用户买走了多少芹菜，同时这些信息被菜农掌握。因此，智慧家居是实现集约化经济的有效途径。1.4.2 智慧医疗
近年来我国的医疗条件得到很大的改善，医疗水平也取得了很大的进步，但是随着人们对医疗卫生的要求逐步提高，现有医疗设施将无法满足人们的需求。医疗卫生的发展水平关系到人民群众的身心健康和社会的和谐发展，是社会关注的热点。物联网技术的出现使人们更加关注自身的健康与智能设备的结合，进一步促进了医疗智能化产业的发展。智慧医疗利用物联网技术实时、快捷地感知各种与医疗相关的信息，实现全面互联互通的智能化医疗系统。通过智慧医疗系统，可以使医生对病人和药品进行智能化管理，实现医院内部的医疗、设备、药品和人员的信息化，设备管理的可视化，医疗信息、过程和流程的科学与数字化，医生服务人性化，能够满足医疗各个方面的智能化管理与安全监控的需求，从而弥补医疗设备水平低、服务不够人性化和存在医疗安全隐患等不足。智慧医疗系统还能通过家庭的医疗传感设备，实时监控家中病人或者老人的各项身体指标，并将各项指标通过无线网络传送到医疗单位。根据用户的需求，物联网服务提供商还能提供医疗相关的其他业务，比如紧急救助、专家预约挂号、建立健康档案等。智慧医疗系统能够彻底解决子女因工作繁忙或者不在父母身边而无法好好照顾父母的问题。总之，物联网技术能够在智慧医疗领域广泛应用，应用前景也非常广阔。但是，成本高、标准不统一、隐私保护难度大和国内医疗器械企业竞争力弱等问题严重影响着智慧医疗的发展。只有成功地解决这些问题，才能极大地促进智慧医疗的发展，才能迎来惠及全国的智慧医疗时代。1.4.3 智慧安防
随着21 世纪我国社会主义市场经济的快速发展，人们对于安全的要求越来越高。但是我国的安防产业起步比较晚，技术相对来说比较落后，安防的信息化、自动化水平较低，主要依靠人力资源来实现安全防范，从而使我国的安防产业长期处于防护范围有限、防范成本较高等困境中。我国现有的安防体系普遍存在安防设备智能化不足、安防服务范围狭窄、安防系统功能单一、可靠性较差等一系列的问题。物联网技术的快速发展，给传统的安防产业带来了技术的创新。通过将物联网的快速感应、高效传输等特点应用到安防领域，使安防系统实现智能化，提高安防系统本身的自学习、自适应能力，最终使系统实现在无外界介入的情况下自动针对各种应急情况采取相应的措施。例如，为了保证上海世博会安防工作的有效进行，相关部门大力发展各类智能安防系统：通过智能火灾监控系统，可以在第一时间发现烟雾并采取相应的应急措施，从而实现了世博会期间零火灾发生；通过车辆安全监控系统，实现对进出世博园区的590 多万辆汽车的安全检查，等等。可见，将物联网技术应用到安全防范系统中，可以有效地减少灾害的发生，有效防范犯罪事件，为建设平安社区、平安城市提供智能化、多层次的应对手段，为社会的发展和人民生活的安定提供更全面的安全防范体系。1.4.4 智慧环保
随着社会的发展，环境污染越来越严重，而随着人们生活水平的逐渐提高，人们的环保意识也在增强，但我国在环境保护方面的信息化程度很低，实现环保自动化将成为我国未来环保工作的重点。当今世界基于环境保护的物联网已经具备一定的基础。例如，澳大利亚用于监测蟾蜍分布情况的生态监测系统，美国部署的用于实时监测城市环境污染数据的“CitySense”监测系统和用于监测大鸭岛海鸟栖息情况的生态监测系统，等等。同样，我国也取得了一定的成果，比如无锡部署的太湖水环境监测示范工程已经初步完善。这些智能化环保技术弥补了传统监测手段片面、不完整的缺点。智能化的环保提高了环保的效率，节省了很多不必要的开支，因此实现信息化、智能化环保是我国未来环境保护工程的主要发展方向。1.4.5 智慧交通
目前，交通管理的难度逐渐增强，人们对运输的要求不断提高，促使交通行业必须高度重视行业运行状态的信息监测、汇总和处理。交通运输系统的发展水平是国家兴旺发达的重要标志之一。而我国传统的交通系统面临着一系列的难题，比如交通阻塞严重、汽车能耗高而且尾气排放量大、交通安全事故的发生频率高等。只是简单地通过控制汽车数量的增加或者建设更多的公路基础设施来解决传统交通面临的困境是远远不够的。只有掌握更加准确、实时的信息，才能准确把握行业的脉搏，使交通行业的运营、服务管理更加高效。随着物联网感知技术、网络服务范围、传输能力、信息系统处理和计算能力的提升，发展智慧交通的时机已经成熟。将物联网技术应用到交通领域，不但有助于缓解交通堵塞问题，而且对交通安全、车辆实时监控、交通事故的处理和救援等方面都将产生巨大而深远的影响。物联网的引入使人们可以更直接、快速地从海量数据中感知精准信息，使决策更加科学、运输服务组织更加富有效率、服务更加人性化和多样化，从而实现交通运输行业革新性的发展。这种智能交通体系通过物联网把交通的参与方、基础设施及社会环境联系在一起，使得交通成为一种更加方便、快捷的以用户为中心的服务体系。1.4.6 智慧农业
传统农业主要依靠自然资源和劳动力，成本低廉、效率低、工作量大、难度高，已不能满足现代农业的高产、优质、高效、安全的要求。随着物联网技术被引入农业中，农业现代化、信息化得以大大提高，使智慧农业的到来成为可能。智慧农业产品通过实时采集温度、湿度信号及光照、土壤温度、二氧化碳浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数，自动开启或者关闭指定设备，并可以根据用户需求，随时进行处理，从而为设置农业综合生态信息自动监测、对环境进行自动控制和智能化管理提供科学依据。同时，这些信息经由无线信号收发模块传输，可以实现对农业设施的远程控制。传统农业中的浇水、施肥、打药，农民全凭经验、靠感觉。在智慧农业中，由于利用了智能化的物联网技术，由以前的基本靠人力变为现在的自动浇水、施肥、打药。而田间的温度、湿度也改为自动控制，使得作物的一切信息变得精确化，这大大减少了劳动力的需求和浪费。智能农业产品还包括其他系统，如智能粮库系统，该系统通过将粮库内温、湿度变化的感知与计算机或手机进行连接实现实时观察，记录现场情况以保证粮库内的温、湿度平衡。通过智慧农产品销售系统可以准确地知道产品的去向，甚至预测到产品什么时间在谁家餐桌上被食用。可以说，将物联网应用于农业具有巨大而深远的意义，农民把芹菜铲掉当肥料的时代已成为历史。1.4.7 智慧物流
在物流领域，物联网技术已得到了广泛应用，智慧物流使用传感器技术和GPS技术等，能够对物品的配送、运输，以及仓库的储存情况等重要环节进行跟踪，从而对配送的物品进行高效、智能的管理，减少了人力资源的浪费。智慧物流实现了集电子商务、物流配载等众多功能于一体。当今物流业已经渐渐发展成为物联网技术应用较为成熟的产业。在未来，随着物联网的不断发展和完善，物流产业会越来越智能化，且将成为智慧农业等行业的基石。比如，通过超市免费赠送的物联网冰箱，可以准确地感知最终用户的需求，因此超市可以通过智慧物流系统直接把用户需要的农产品送到最终用户的家中。当然，智慧农业系统最始端的农民会在农作物种植前预知超市这个行为，对相应的农作物进行精心耕种。智慧物流在这个场景中使超市省掉了现场销售环节，可以实现最终用户、农民及超市的三方共赢。1.4.8 智慧校园
随着时代的发展，一所学校的综合能力很大程度上取决于本校智慧校园的建设程度，建设智慧校园已经成为一种趋势。在数字化和网络化的同时，利用物联网技术构建一个基础管理平台是当前智慧校园的主要目标。2001 年，中国教育部提出实施“校校通”工程。经过长时间的投资建设，很多地区学校的信息化、数字化建设已经形成一定规模。利用物联网技术可以进一步提高教学质量、管理水平、科研水平。例如，学生可以了解自习室的情况，教师可以准确地了解教室和学生情况，管理人员可以准确地了解校园灯光、道路等基础设施的情况，研究者可以准确地了解科研设备的使用情况，教师和学生可以准确地知道校内停车场的可用车位等动态信息。
在智慧校园中，智慧学习将是未来的发展方向。通过智慧学习系统，学生可以随时随地地通过无所不在的免费无线网络进行学习。例如，学生可以利用智能手机在宿舍远程实时旁听课程，同时实现和教师的互动。1.4.9 智慧电网
随着科技的不断发展，越来越多的电器出现在人类的日常生活中，随之而来的就是不断扩大的用电需求和不断转变的用电模式。传统电网在自然灾害和很多不确定因素面前显得毫无办法，而智能电网可以大大减少这些情况的发生和损失，因此构建具有智能判断能力和智能调节维护能力的智能电网成了必然的发展趋势。这必然涉及云计算和物联网技术。现有电网利用自动化技术，实现了电力系统发电、输电等各个环节的自动化、信息化，产生了一定的社会和经济效益，但系统还无法感知电网中的每一个零配件情况及通信线路准确、实时的环境变化情况。物联网的加入使智能电网具有感知能力，同时为智能电网提供了云计算能力。另外，智能电网将有效降低能源消耗，减少环境污染，为经济发展奠定基础。1.5 相关概念1.5.1 Internet
Internet的中文正式译名为因特网，又叫国际互联网，是网络与网络之间相互连接组成的全球网络。Internet使用公共语言和标准协议相互通信，一旦计算机连接到了一个节点上，就意味着该终端已经连接到了Internet。Internet改变了人们的生活，使地球成为一个“村子”。目前，只要有人类存在的地方，都存在互联网服务提供商。和物联网不同，互联网的数据多数为人为输入，提供用户进行信息查询和管理，所以上网的行为称为“冲浪”（Web Surfing），使用互联网的人则称为“网民”。物联网的数据多数来自感知层，同时也可以来自人为输入。从这个方面来说，中国创造物联网的范围要大于因特网。图1-8所示为Opte项目通过路由器连接的可视化物联网。图1-8 Opte项目通过路由器连接的可视化物联网1.5.2 Machine to Machine（M2M）
M2M是中国创造的“物联网”支撑技术之一。这里的M包括内在智能设备，比如各种传感器、移动终端、监控、智能建筑、工业、农业、环境等设施，以及外在使能设备，比如贴上RFID的各种终端。这些设施和终端的智能互通互联就是M2M的基本定义。
在美国，奥巴马多次提到了M2M用来提高基础设施的效率，让地球更加智能化。美国的M2M从某种意义上来说，就是中国的物联网。在中国，著名学者周洪波博士对M2M进行了大量的宣讲。2003 年，周洪波博士带领团队开发了M2M业务基础中间件和相应的行业应用套件，产生了较大的社会和经济效益。近几年，中国电信、中国网通和中国移动三大通信运营商都在大力发展M2M业务，并大量投资建设M2M运营平台。
2009 年以后，在中国，M2M这个关键字已经很少被提起，完全被物联网这个词汇所取代。图1-9 所示为M2M应用领域。
在国内，移动运营商正在主推M2M技术，通过已经覆盖的无线网络实现随时随地的无线接入，比如电梯卫士、智慧家居、智慧安防等M2M应用。图1-9 M2M应用领域1.5.3 Wireless Sensor Network（WSN）
WSN的中文翻译为无线传感网，是指将许许多多功能相同或不同的无线传感器节点和互联网连接起来，形成一个巨大的可识别、可管理的网络。传感器可以感知热、红外、声呐、雷达、地震波信号，探测温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的速度和方向等物质现象。所以，无线传感技术属于交叉学科，包括物理、化学、生物、材料、通信、计算机等。传感器网络最早用于军事，目前广泛应用于国家安全、交通管理、灾害预测、环境科学、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。
WSN的每个节点除了包括物理传感器外，还有无线电收发装置、一个微控制器和一个电源。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒，小到一粒尘埃（Dust）。传感器节点的成本从几元到几千元，这取决于传感器节点的复杂度。传感器的指标包括灵敏度、能量、存储、计算速度等。图1-10 所示为基于多跳的无线传感器网络的一种架构。图1-10 基于多跳的无线传感器网络的一种架构
在欧洲，传感网普遍被认为是物联网，并得到了广泛的研究。例如，都柏林大学传感器网络技术中心“CLARITY”的管理者Barry Smyth教授认为，“Every second of every day，information is created through naturally occurring events in the physical world but these events go largely unnoticed and the information is lost. In the world of the sensor web this is set to change”。该小组所设想的以人为中心的Sensing Mind-Body-Place 正在尝试改变这一切，如图1-11 所示。图1-11 以人为中心的Sensing Mind-Body-Place1.5.4 Cyber Physical System（CPS）
CPS的中文翻译为信息物理融合系统，在维基百科中被定义为“一个综合计算、网络和物理环境的复杂系统，通过3C（Computation、Communication、Control）技术的融合与深度协作，实现现实世界与信息世界的相互作用，提供实时感知、动态控制和信息反馈等服务”。
CPS包含了将来无处不在的网络通信、环境感知等系统工程，使得物理系统具有通信、计算、远程协作和自制功能等。同时它强调生物、网络的虚拟作用和传感网络的感知作用。在微观上，CPS通过反馈回路使计算和物理进程相互影响，实现系统的可靠和高效控制；在宏观上，CPS是分布式和异构系统的混合系统，包括感知、决策和控制等模块，以实现系统的实时感知和动态控制。图1-12 所示为CPS的体系结构。图1-12 CPS的体系结构1.5.5 泛在网络
泛在网络具有无所不在、无所不包、无所不能的基本特征，是一个以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信为目标而广泛存在的网络。它在互联网的基础上进行了扩展，并且将通信服务对象由人扩展到了任一物体与物体之间，进而可以随时随地供给人使用，属于下一代网络范畴。
和M2M一样，2010 年以后，泛在网络这个关键字已经很少出现，完全被物联网这个词汇所取代。
物联网、M2M、无线传感网、CPS、泛在网络的目标都是使人类生活更加智能化和绿色、节能化。其中，物联网、M2M偏商业范畴，无线传感网、CPS和泛在网络偏研究范畴。在中国，物联网、M2M和CPS属于中国创造“物联网”范畴。从出发点来看，物联网强调的是人与物、物与物之间的通信，系统架构组织是关键；泛在网络强调的是人与人之间的通信，异构网络是关键；无线传感网强调的是传感，外在使用是关键。1.6 小结
本章从描述物联网的溯源入手，首先描述了20 世纪90 年代比尔·盖茨的智慧家居系统，接着给出了Rosa在2020 年的一天生活，以及2005 年以后的物联网全球动态。在此基础上，对物联网的定义进行了总结，指出物联网属于“中国创造”范畴。在本章的后半部分，分别对物联网的组成、应用领域和相关概念进行了概述。
根据信息产业“15 年周期定律”，2010 年被定义为物联网元年，开始了继1995 年爆发的互联网之后的第三次信息产业发展浪潮。目前，中国政府和企业高度关注物联网，已经将物联网写入“十二五”规划，工业和信息化部已经成立专门的物联网小组，并发行了物联网月刊，通过对物联网建设的监管，制订物联网建设的标准，来帮助物联网产业实现健康发展。
建设具有中国自主知识产权、遵从中国自主物联网标准的相关产业，不仅可以带动经济的发展，解决就业问题，从长远的角度看，还可以为中国的低碳经济、智慧交通、环保、医疗做出巨大贡献。
本章通过展示“物联网”发展的历史渊源和来龙去脉，让读者对物联网这个词汇有一个“中国创造”的认识。下一章将对“物联网为什么会赢在中国”进行阐述。第2章 物联网赢在中国
2.1 物联网的分类
2.2 “物联网”中国创造的机遇
2.3 我国物联网政策
2.4 我国物联网的发展现状
2.5 物联网在中国的标准化工作设想
2.6 我国推进物联网产业发展时需要注意的问题
2.7 小结2.1 物联网的分类
在第1 章中提到， 中国的物联网不同于国外的物联网（Internet of Things），属于“中国创造”范畴。物联网在中国的发展已经被写入国家“十二五”规划，工业和信息化部正在组织研究机构及相关企业对物联网展开标准化研究工作。
在周洪波的《物联网技术、应用、标准和商业模式》中，根据部署形态将物联网分为“公有物联网（Public IoT）——向公众提供服务，私有物联网（Private IoT）——面向单一机构内部提供服务，社区物联网（Community IoT）——面向社区的物联网，混合物联网（Hybrid IoT）——多种物联网共存”。图2-1 所示为物联网体系架构的归纳和划分。
在本书中，物联网被划分为非经营属性的物联网和市场经营属性的物联网。图2-1 物联网体系架构的归纳和划分2.1.1 非经营属性的物联网
非经营属性的物联网包括两类：一类是指政府投资建设公益性领域和社会经济领域的物联网项目，称为政务物联网。例如，在感知城市所征集的物联网项目中，感知交通、感知安保、感知环保、感知水利、感知工农业经济、感知卫生教育、感知商品安全等都是由政府投资进行信息化建设的物联网应用平台。另一类是指企业与公司面向市场，为提高自身市场的竞争力与服务保障能力，要求在生产、管理、运输、物流、销售等方面进行自主投资的物联网项目，称为工业物联网与商务物联网。例如，电信、移动通信面向广大的网络终端用户提供服务，是可经营的商业模式物联网运营的服务平台。而工业物联网主体是企业内部自我应用、封闭的工业集约化生产和数字化管理的网络平台，是不可市场化经营的网络平台。
非经营属性物联网项目，由于其本质的公益性和社会属性，决定了这些非经营属性的物联网项目不具备商业投资的价值，无法引入我国商业资本进行投资，只能由政府公益性投资或企业融资自主投资。2.1.2 市场经营属性的物联网
市场经营属性的物联网可以满足物联网应用市场本质的需求，通过构筑我国商业模式物联网体系的架构及运营平台，可以集聚多元公共信息服务市场，以及获取忠实的网络服务终端客户，支撑我国的物联网运营形成可市场化、持续独立运营的现代服务业，以及构建相适应的物联网应用信息终端产品制造业。
我国物联网体系架构顶层设计是指在现有电信、移动、有线电视三大运营商之外，构筑我国科学发展的物联网体系架构运营平台及组建物联网运营商，这也是支撑“智慧城市”建设的核心应用平台。
构筑商业模式物联网体系架构运营平台，可以带动国内商业资本进入我国物联网应用市场及制造产业，促进我国战略性新兴产业的发展，加快我国经济发展方式转变的步伐。所以，我国商业模式物联网体系架构顶层设计具有调整我国经济结构的巨大作用。而具有市场经营属性的物联网项目，可简单称为商业模式物联网。2.2 “物联网”中国创造的机遇
在1999 年美国首先提出物联网这个概念，而当时，个人计算机还处在单核Pentium III 时代，其计算速度远不如2012 年的一部50 美元的智能手机。如今，个人计算机已经进入了8 核时代。在Device 端，纳米级传感器已经得到了应用；在Network 端，免费的无线网络几乎无所不在，包括高速的WiMAX和低速的ZigBee ；在Manger端，虚拟化、云计算、面向对象数据库、搜索技术、智能体得到了海量的开发和应用。但是，需要特别注意的是，美国不缺技术，也不缺资金，但为什么至今美国还没有提出一个完整的、符合美国特色的“商业模式物联网体系架构及运营平台”的解决方案呢？
其主要原因是物联网应用市场需要整合集聚社会信息资源市场与政府统筹规划的支撑。在拓展集聚社会多元信息服务市场，优化各网络服务运营商之间的增值利益时，由于美国的社会环境（强势利益集团之间的矛盾）和两党政治环境，使得美国特色不具备行政优势，无法整合社会信息资源市场，这两大致命因素影响了美国政府决策构建商业模式物联网的发展战略。
构建我国物联网体系架构运营平台及组建物联网运营商，是构建节约、高效、安全、环保及和谐型社会必然要拓展的新兴现代信息服务业。我国具有得天独厚的、巨大的物联网现代信息服务市场，而且我国具备良好的构建物联网体系架构运营平台的政治环境、社会环境、市场环境、技术支撑环境以及经济运行环境优势。所以，我国物联网产业的规划与发展，具备赶上世界先进国家的水平。2.3 我国物联网政策
在物联网时代，每个人周围的终端可达1 000 ～ 5 000 个，物联网可包含500 万亿～ 1 000 万亿个终端。物联网描绘了一个令人激动的场景：所有终端都具有智慧性，实现人与物、人与人，以及物与物的对话和交流。
早在2006 年，中国已经把物联网明确列入《国家中长期科学技术发展规划（2006—2020 年）》和《2050 年国家产业发展路线图》中。2009 年8 月，温家宝在无锡高新微纳传感网工程技术研究中心考察时说：“当计算机和互联网产业大规模发展时，我们因为没有掌握核心技术而走过一段弯路。在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术。”同时，温家宝要求尽快建立中国的传感信息中心，正式提出了“感知中国”的理念。同年11 月，温家宝发表了题为“让科技引领中国可持续发展”的讲话，要求“着力突破物联网关键技术，尽早部署后IP 时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机”。
2010 年以后，物联网已经渐渐发展成为中国未来信息技术的主要竞争点，也是中国未来产业主要的升级方向。工业和信息化部门领导和无锡高新微纳传感网负责人多次在不同场合宣讲物联网的理念，全国各地都大力宣传“感知中国”的思想。目前，在Google 搜索引擎中，将“物联网”作为关键字进行的搜索已经达到了289 万条，把“感知中国”作为关键字的搜索已经达到了313 万条。
2010 年，中国物联网的市场规模已经达到了1 000 多亿元，预计2015年可以达到7 000 亿元，物联网已经正式被列为国家五大战略性新兴产业之一。依据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》、《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，2012年2 月，《物联网“十二五”发展规划》正式发布，列出了物联网现状及形势、指导思想、发展原则、发展目标、主要任务和重点工程。
国家为了支持企业开展物联网技术的创新应用，制订了一系列措施，如制订物联网全面发展计划，主要推动几个典型的物联网示范企业发展，从而带动其他企业发展。与此同时，加快推进物联网标准化建设。《物联网“十二五”发展规划》同时列出了关键创新工程，如图2-2 所示。
在《物联网“十二五”发展规划》中，列出了如下重点领域应用示范工程：智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能医疗和智能家居等。图2-2 关键创新工程2.4 我国物联网的发展现状
当前我国的物联网技术处于高速发展状态。早在10 年以前，中国便启动了关于传感网的研究，为现在物联网的发展奠定了良好的基础。温家宝在2009 年考察江苏无锡高新微纳传感网工程中心时指出，要加快物联网在社会生活各个方面的应用，尽早攻破传感网核心技术，尽早实现“感知中国”的理想。2009 年9 月我国成立的传感网络工作组推动了全国各地物联网产业的发展。2.4.1 江苏：打造无锡物联网产业创新集群
2009 年温家宝在视察无锡时提出“感知中国”的理念，不久，国务院正式批准在无锡建设国家传感网络示范区的计划。江苏省有关技术部门积极推进无锡“感知中国”的中心科技平台的建设，以加快无锡物联网产业新集群的形成。无锡市为了物联网产业的发展，在工业、医疗、物流、安保、环保等领域加快了感知系统的建设。
江苏省无锡市与中科院共同投资数亿元的中国物联网研究发展中心分别与中科院上海微系统与信息技术研究所、中科院微电子研究所、中科院电子学研究所等合作，共同建设无锡中科传感器研发中心、传感器网络信息技术中心、泛在信息化制造研发中心等物联网产业技术链创新机构。无锡物联网创新集群正在迅速形成，东南大学传感器网络技术研究中心、南京理工大学无锡传感网应用技术研究中心等纷纷加入无锡物联网项目。
无锡打造了国内首个实践产学研联合培养方式的物联网公共服务平台——“物联网人才金港”，更有力地支撑了物联网的发展。“物
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