作者：丁飞
出版社：电子工业出版社
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物联网开放平台：平台架构、关键技术与典型应用试读：
前言 FOREWARD
近年来，物联网在国内乃至全球都形成了热潮，被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，它将引发人类社会运行与生活方式的深刻变革。与此同时，未来随着业务的发展，物联网应用产品的同质化将越来越严重，汇聚业务、统一入口、快速迭代将成为决定应用成败的关键。同时，随着应用复杂度的上升与产业链的变长，产品定制与实现的难度将越来越大。在这种趋势下已经形成了比较清楚的发展方向，就是未来物联网产业的发展将由信息网络向全面感知和智能应用两个方向扩展、延伸和突破，形成“云、管、端”的开放网络架构。
开放网络体系的主要特征是业务云化，其发展有三个趋势：第一个趋势是基础设施的云化，是以IaaS的方式提供服务的；第二个趋势是业务的能力化，是以PaaS的方式提供服务的；第三个趋势是管理的平台化，将管理作为一种能力开放，实现自有业务孵化或开放给合作伙伴，实际上提高了新业务的生成效率，降低了第三方业务落地孵化的门槛。比如，未来家庭产业领域的发展、交通产业市场的发展等，都将是以开放平台架构来进行业务孵化和规模市场发展的。
物联网架构对促进物联网健康、规模发展具有重要的意义，是研究和关注的焦点，在全球有多个研究项目，并且已经形成了很多的研究成果。
欧洲IOT-A项目专注于物联网架构研究并引起了业界的较大关注，该项目为期3年，于2013年结束，IoT-A的一个主要成果就是物联网架构参考模型。欧盟第七框架计划（FP7）下的许多项目在各自的研究主题下也都涉及一些物联网架构研究。IoT-A并不研究智慧城市、智慧农业、智慧电网、智慧医疗等具体应用领域架构，而是从跨应用领域的角度出发，研究物联网架构的参考模型。
我国有很多企业、研究机构、大学都在针对物联网架构积极开展研究，如工业和信息化部电信研究院（CATR）、中国电子科技集团公司（CETC）、无锡物联网产业研究所（CWSN），等等。我国也设立了国家专项项目来推进物联网架构研究，如新一代宽带无线移动通信网络（简称重大专项三）设立有“泛在网（UN）架构研究和整体设计”（2009ZX03004-001）和“物联网总体架构及关键技术研究”（2011ZX03005-005）两个课题，并取得了一系列成果；同时，针对M2M、WoT、车联网、智慧医疗等特定领域架构也开展了很多研究。物联网架构参考模型可以为具体应用领域物联网架构研究提供重要的参考。
本书正是基于此出发，兼顾理论与实践，向读者展示物联网开放平台的架构和设计方法，希望能够为从业者、学生等进行具体物联网架构设计提供参考和指导。
本书共分为8章，分别是：
第1章介绍物联网的概念和基础，内容包括：物联网的概念与应用场景；物联网与互联网、传感网、泛在网、M2M和CPS的关系；全球物联网主要政策和战略导向。
第2章介绍物联网体系基础技术，内容包括：物联网体系结构、传统物联网参考体系架构，以及四层体系架构；物联网感知层、网络层和应用层涉及的基础技术。
第3章从物联网产业生态看开放平台价值，内容包括：物联网产业发展阶段、发展驱动和问题分析；物联网平台型生态体系价值；物联网开放平台用户体系、应用产品分类；物联网开放平台服务管理模式；物联网平台生态发展策略；业界主流开放平台架构方式。
第4章介绍物联网开放平台架构设计与实现，内容包括：物联网开放平台总体架构和框架，涉及设备管理平台DMP、连接管理平台（CMP）、应用使能平台（AEP）、资源管理平台（RMP）、应用中心平台（ACP）、业务分析平台（BAP）；针对物联网开放平台的核心功能规划和设计方法。
第5章介绍物联网开放平台的开源软件研究，内容包括：开源软件概述，含开源的概念、开源许可证、开源软件与商业软件对比；企业服务总线软件研究，涉及ESB概述、WSO2 ESB，以及其他典型的ESB，并给出了ESB的对比和总结，ESB软件对平台建设的意义；复杂事件处理（CEP）软件研究，涉及CEP概述、典型CEP软件的对比；Storm、CEP软件对平台建设的意义；业务流程管理（BPM）软件研究，涉及BPM概述、jBPM、Activiti BPM、Fixflow、典型BPM软件的对比及小结，以及BPM软件对平台建设的意义；消息队列（MQ）软件研究，涉及MQ概述、RabbitMQ、MetaQ、ZeroMQ，典型MQ软件的对比和总结，以及MQ软件对平台建设的意义。
第6章介绍物联网开放平台高效通信协议，内容包括：MQTT，涉及MQTT消息格式、消息列表、协议流程、MQTT开源实现—Mosquitto、MQTT小结；IETF:CoAP，涉及CoAP协议介绍、协议栈结构、消息格式、请求与应答、URI方案、业务发现、组播机制、安全机制、交叉代理、CoAP小结；LightweightM2M，涉及LWM2M协议架构、接口设计、资源组织、CoAP承载、LWM2M小结；MQTT、CoAP、LWM2M三种M2M通信协议比较。
第7章为物联网开放平台安全研究，内容包括：业界典型开放平台对比；物联网开放平台安全威胁，涉及物联网业务及平台发展趋势、物联网开放平台安全威胁、物联网业务安全威胁；物联网开放平台安全方案，涉及业务平台安全方案、终端安全方案、能力开放安全保障方案；物联网开放平台安全能力开放及安全服务前景展望，涉及安全能力开放和安全服务前景展望、物联网开放平台安全需求、构建安全能力开放平台、构建安全服务平台。
第8章介绍物联网典型应用，内容包括：健康医疗，涉及项目背景、技术方案、远程慢性病管理服务、家庭远程管理服务、紧急求助业务；平安家庭，涉及项目背景、系统架构、业务功能；公车管理，含项目背景、项目需求、方案架构；智慧交通，涉及项目背景、技术架构、典型业务；国外物联网业务发展，涉及物联网的应用分类、信息家电的建设及分类、信息家电产品、公共设施的物联网建设、娱乐类物联网应用。
自从笔者打算编写本书之后，国内外许多同行都给予了热烈的鼓励和支持，并在写作的过程中也提供了很大的帮助，如中国移动的童恩、刘玮、刘越、牛亚文、杨宏杰等多位专家在本书编写过程中提出了很多好的建议并提供了一些实际技术与应用案例，在此一并表示感谢。另外，电子工业出版社的田宏峰编辑在本书的写作过程中提供了很多出版方面的建议，非常感谢。
本书部分内容获得了国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”（No. 2009ZX03006-007、2010ZX03006-006）”、教育部-中国移动科研基金（No.MCM20170205）、工业和信息化部通信软科学研究项目（No.2017-R-34）、智慧江苏建设重点示范工程、江苏省智能家居物联网示范工程、江苏省信息化试点工程、江苏省高校自然科学研究（No. 17KJB510043）和南京邮电大学重点教材建设基金（No.JCGH201710）等科研和产业化项目的支持，在此表示感谢。
物联网所涉及的内容跨越多个学科，而我们的研究和实践只限于部分方面，因此，本书实际上凝练了很多物联网领域从业者的智慧和见解，在此对这些专家表示衷心的感谢。
本书在写作过程中，参考了大量的文献并尽可能地标注了文献的出处，但仍会挂一漏万，在此向那些我们引用过却未能或者无法明确标明文献出处的作者深表歉意、谢意和敬意。
在编写过程中，作者尽可能地把物联网技术发展的最新方向和进展传递给读者，力争使信息最新和最准确，但由于编者水平有限，书中难免存在错误或不足之处，敬请读者批评指正，反馈邮箱：NJUPT_IOT02@163.com。编著者2017年11月第1章物联网概念基础1.1引言
随着通信技术、计算机技术和电子技术的不断发展，移动通信正在从人与人（Human to Human，H2H）向人与物（Human to Machine，H2M），以及物与物（Machine to Machine，M2M）通信的方向发展，万物互联成为移动通信发展的必然趋势。物联网（Internet of Things，IoT）正是在此背景下应运而生的，其被认为是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网采用信息化技术手段，促进人类生活和生产服务的全面升级，其应用开发的前景广阔，产业带动能力强。欧美国家已纷纷将发展物联网纳入整体信息化战略，我国也已将物联网明确纳入国家中长期科学技术发展规划（2006—2020年）和2050年国家产业路线图。
究竟什么是物联网？其应用场景是什么样的？各主要国家或地区对物联网有什么样的战略导向？这些都是我们首先要关注并了解的问题。1.2物联网是什么
物联网的理念最早出现于比尔·盖茨1995年《The Road Ahead》（未来之路）一书，书中对信息技术如何改变人类社会的进步进行了各种预测，1996年该书进行了再版，其中更强调了互联网的核心地位。1999年，美国MIT（麻省理工学院）的自动识别中心（Auto-ID Labs）首先提出了“物联网”的概念，是指把所有物品通过射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和可管理的网络。
2005年11月，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，其中介绍了物联网的特征、相关的技术、面临的挑战和未来的市场机遇；同时指出，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互联网络主动地进行数据交换，射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。
2009年9月15日，欧盟第七框架下RFID和物联网研究项目簇（European Research Cluster on the Internet of Things）发布了《物联网战略研究路线图》研究报告，提出物联网是未来Internet的一个组成部分，可以被定义为基于标准的和可互操作的通信协议，且具有自配置能力的动态的全球网络基础架构。物联网中的“物”都具有标识、物理属性和实质上的个性，使用智能接口，实现与信息网络的无缝整合。
2010年3月5日，温家宝总理在政府工作报告中提出，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。
2012年6月，ITU对物联网、设备、物都分别做了进一步标准化定义和描述，具体如下。
物联网（IoT）：信息社会全球基础设施（通过物理和虚拟手段）将基于现有和正在出现的、信息互操作和通信技术的物质相互连接，以提供先进的服务。
注：通过使用标识、数据捕获、处理和通信能力，物联网充分利用物体向各项应用提供服务，同时确保满足安全和隐私要求。
注：从广义而言，物联网可被视为技术和社会影响方面的愿景。
设备：在物联网中，具有强制性通信能力和选择性传感、激励、数据捕获、数据存储与数据处理能力的设备。
物：在物联网中，物指物理世界（物理装置）或信息世界（虚拟事物）中的对象，可以被标识并整合入通信网。
目前，随着技术和应用的发展，国内物联网的通用定义是：通过射频识别装置、红外感应器、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、激光扫描器、环境传感器、图像感知器、电机、继电器、机器人等信息传感与执行设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，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。
从上述国际和国内对物联网的定义可见，物联网就是“将所有物品接入信息网络，实现物体之间的无限互连”。这有如下三层含义：
第一，物品连入信息网络，是以传感器或执行器等方式来体现的，传感器和执行器都有各自唯一ID，接入协议需提前约定，不限于有线或无线的接入信息网络的方式。
第二，信息网络是物联网系统的承载通道，正是有了信息网络的成熟发展，才有了物联网的发展兴起。
第三，物品通过信息网络接入云端，在云端实现业务封装和自我体系的建立，从而根据用户的需要实现任何物品相互之间的信息交换、协同控制和智能管理。1.3物联网应用场景1.3.1 物联网场景模型
物联网是信息网络从虚拟世界向物理世界的延伸。从上面的描述来看，物联网的概念还相对抽象，无法让人清晰感知物联网的应用场景。ITU在2012年6月发布了物联网的场景模型，从时空层面对物联网技术的应用场景进行了形象的描述。
如图1.1所示，物联网在“随时”和“随地”通信的基础上，为信息通信技术（Information Communications Technology，ICT）提供了“所有物间通信”功能。图1.1 物联网时空模型
在物联网中，物指物理世界（物理装置）或信息世界（虚拟事物）中的对象，可以被标识并整合入通信网。物存在静态信息和动态信息。
物理装置存在于物理世界中，能够被感测、激励和连接，物理装置的实例包括周边环境、工业机器人、端口和电器设备。
虚拟事物存在于信息世界，能够被存储、处理和访问，虚拟事物的实例包括多媒体内容和应用软件。
物联网典型应用模型如图1.2所示。
一个物理装置可通过一个或多个虚拟事物（映射）在信息世界中表达，但虚拟事物的存在也可与物理装置不相关。
装置是一种设备，其强制性的通信能力及可选能力包括感测、激励、数据捕获、数据存储和数据处理。装置负责收集各类信息，并将其提供给信息通信网络做进一步处理。有些装置能够在信息通信网提供的信息基础上进行操作。图1.2 物联网典型应用模型
这些装置与其他装置间的通信：它们可通过设有网关的通信网（图中a）、无网关的通信网（图中b）或直接，即不使用通信网（图中c）交流。此外，图中a、b、c的结合使用也可行。例如，这些装置可通过局域网与直接通信的其他装置沟通（即为装置间以及装置与网关间提供本地连接的网络，如特设网络，图中c），随后通过局域网网关通信网进行通信（图中a）。
注：尽管图1.2仅显示了物理世界间的互动（装置间通信），但信息世界（虚拟事物间的交换）间也存在互动，物理世界与信息世界间（物理装置与虚拟事物的交换）也有互动。
物联网应用包括各种应用，如智能传送系统、智能电网、电子卫生或智能家庭。这些应用可基于专用应用平台，但也可在公共业务/应用平台的基础上提供一般支撑能力，如认证、装置管理、计费和结算。
通信网将装置捕获的数据传送给应用和其他装置，并将应用的指令传送给装置。通信网提供可靠、高效的数据传输能力。物联网基础设施可通过现有网络实现，例如传统的TCP/IP网和/或不断演进的网络，如下一代网络（Next Generation Network，NGN）。
图1.3展示了不同类型的装置及其与物理装置间的关系。图1.3 不同类型的装置及其与物理装置间的关系
注：“通用装置”也称为一种（套）物理装置。
物联网中对装置的最低要求是具备支持通信的能力，这些装置可划分为数据承载装置、数据捕获装置、感测和激励装置及通用装置。
● 数据承载装置：数据承载装置附着于物理装置，间接连接物理装置与通信网。
● 数据捕获装置：数据捕获装置是指阅读器/书写装置，这些设备具有与物理装置互动的能力。互动可间接通过数据承载装置来实现，也可直接通过附着于物理装置的数据承载组件来实现。第一种情况下，数据捕获装置读取数据承载装置上的信息，并可选择将通信网给出的信息写于数据承载装置之上。
注：数据捕获装置与数据承载装置或数据承载组件间的互动技术包括无线电频率、红外、光和电驱动。
● 感测和激励装置：感测和激励装置可检测或衡量与周边环境有关的信息，并将其转化为数字信号，它也可将信息网络的数字信号转化为操作。一般而言，局域网的感测和激励装置使用有线或无线通信技术相互通信，并使用网关与通信网连接。
● 通用装置：通用装置内置处理和通信能力，可使用有线或无线方式与通信网络通信。通用装置包括不同物联网应用域的设备和应用装置，如工业设备、家用电子设备和智能电话。1.3.2 物联网的技术特征
从通信对象和过程来看，物联网的核心是物与物，以及人与物之间的信息交互，物联网的发展将引发新的“聚合服务”，如图1.4所示。图1.4 物联网的发展将引发新的“聚合服务”
物联网的基本特征可概括为全面感知、可靠传送和智能处理。
全面感知：利用RFID、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：通过各种通信网络与互联网的融合，将物体（Things）接入信息网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享。
智能处理：利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的跨地域、跨行业、跨部门的数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。
表1.1清晰反映了物联网应用场景的基本特征，主要包括互连互通、与物相关的服务、差异性、动态变化和规模大。表1.1 物联网应用场景的基本特征
近年来，物联网技术和应用的发展促使物联网的内涵和外延有了很大的拓展，其已经表现为信息技术、通信技术及智能化技术的发展融合，这也是信息社会发展的趋势。根据物联网应用需求和发展趋势，表1.2对物联网应用场景的高层要求进行了概括说明。表1.2 物联网应用场景的高层要求续表
注：人体相关业务是指存在或不存在人为干预的情况下，捕获、交流和处理与人体静态功能和动态行为相关的业务。1.4物联网与相关概念
物联网是一个复杂的新事物，在界定其内涵与外延之前，需要深入分析物联网与互联网、传感器网络、泛在网络（Ubiquitous Network）、机器与机器（Machine to Machine，M2M）、信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）等相关概念的内在联系和区别，这不仅有利于揭示物联网的本质，而且能够为进一步学习和研究物联网奠定基础。1.4.1 物联网与互联网
目前，大多数人对互联网都不陌生。互联网是指将两台或者两台以上的计算机终端、客户端、服务端通过计算机信息技术的手段互相联系起来，人们可以与远在千里之外的朋友相互发送邮件、共同完成一项工作或共同娱乐等。互联网连接人，而物联网不仅连接人也可连接物；互联网连接的是虚拟世界，物联网连接的是物理世界。物联网是互联网的自然延伸，因为物联网的信息传输基础仍然是互联网，只不过其用户端延伸到了物品与物品之间、人与物之间，而不再是单纯的人与人的相连。从某种意义上说，物联网是互联网更广泛的应用。从计算机、互联网到物联网的进化路线如图1.5所示。图1.5 计算机、互联网、物联网的进化路线
物联网和互联网的最大区别在于，前者把互联网的触角延伸到了物理世界。互联网以人为本，是人在操作互联网，信息的制造、传递和编辑都是由人完成的；而物联网则可以以物为核心，让物来完成信息的制造、传递和编辑。物联网更突出行业、个人和家庭市场，而互联网更主要的应用领域在个人和家庭市场。
从连接方式来看，物联网中的物品或者人，将拥有唯一的网络通信协议地址，这个地址类似于现在互联网的访问地址。物联网中的物品可以通过传感设备获取环境信息，接收甚至执行来自网络的信息和指令，与网络中的其他物或人进行信息交流。物联网产品一般需要上门安装，而互联网是即插即用的。物联网与互联网的技术特性对比如表1.3所示。表1.3 物联网与互联网的技术特性对比1.4.2 物联网与传感器网络、泛在网
传感器网络、泛在网与物联网紧密相关，但其内涵与外延也有差异。
1.传感器网络
传感器网络是指包含互联的传感器节点的网络，这些节点通过有线或无线通信技术交换传感数据。传感器节点是由传感器和可选的能检测处理数据及联网的执行元件组成的设备，传感器是感知物理条件或化学成分，并且传递与被观察的特性成比例的电信号的电子设备。
传感器网络与其他传统网络相比具有显著特点，如资源受限、自组织结构、动态性强、与应用相关、以数据为中心等。以无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）为例，一般由多个具有无线通信与计算能力的低功耗、小体积的传感器节点构成；传感器节点具有数据采集、处理、无线通信和自组织的能力，协作完成大规模复杂的监测任务；网络中通常只有少量的汇聚（Sink）节点，负责发布命令和收集数据，实现与互联网的通信；传感器节点仅仅感知到信号，并不强调对物体的标识，仅提供局部或小范围内的信号采集和数据传递，并没有被赋予物品到物品的连接能力。
2.泛在网络
泛在网络指在服务预订的情况下，个人和/或设备无论何时、何地、何种方式都能以最少的技术限制接入服务和通信。泛在网络是指基于个人和社会的需要，实现人与人、人与物、物与物之间的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务的网络。
简单地说，泛在网络指无所不在的网络，可实现随时随地与任何人或物之间的通信，涵盖了各种应用。泛在网络是物联网应用的高级阶段，也可以说是物联网追求的最高境界，泛在网代表着未来网络的发展趋势，是一种较理想状态。
泛在网络可以支持人到人、人到对象（如设备和/或机器），以及对象到对象的通信。图1.6描述了泛在网络下的通信场景模型，人与物、物与物之间的通信是泛在网络的突出特点。图1.6 泛在网络的应用场景
3.三者之间的区别与联系
基于前述对物联网、传感器网络和泛在网络的定义及各自特征的分析，物联网与传感器网络、泛在网络的关系可以概括为：泛在网络包含物联网，物联网包含传感器网络，如图1.7所示。图1.7 传感器网络、物联网和泛在网络之间的关系
传感器网络、物联网和泛在网络的通信对象及技术覆盖范围如表1.4所示，物联网现阶段主要面向人与物、物与物的通信；泛在网络在通信对象上不仅包括物与物、物与人的通信，还包括人与人通信，而且泛在网络涉及多个异构网的互联。当然，物联网发展的最终目标就是泛在网络。表1.4 传感器网络、物联网和泛在网络的通信对象及技术覆盖范围1.4.3 物联网与M2M和CPS的关系
在学习和讨论物联网时，常常涉及M2M通信和CPS的概念，下面对三者之间的关系进行简要的说明。
1.M2M
从狭义上说，M2M仅代表机器与机器之间的通信，广义来讲也包括人与机器（Human to Machine，H2M）之间的通信，以机器智能交互为核心并形成网络化的应用与服务。目前，业界提到M2M时，更多是指传统不支持信息技术（IT）的机器设备通过移动通信网络与其他设备或IT系统的通信。概括地说，M2M是现阶段物联网最普遍的应用形式，如图1.8所示。图1.8 M2M是现阶段物联网最普遍的应用形式
2.CPS
CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过 3C（Computer、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型系统的实时感知和动态控制。CPS的基本特征是构成了一个能与物理世界交互的感知反馈环，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环，实现与实物过程的密切互动，从而为实物系统增加或扩展新的能力。
3.M2M、CPS与物联网的关系
通过前面的分析，可以认为M2M和CPS都是物联网的表现形式。从概念内涵角度来看，物联网包含了万事万物的信息感知和信息传送，M2M则主要强调机器与机器之间的通信，而CPS更强调反馈与控制过程，突出对物的实时、动态的信息控制与信息服务。M2M偏重于实际应用，得到了工业界的重点关注，是现阶段物联网最普遍的应用形式；CPS更偏重于研究，吸引了学术界的更多目光，是将来物联网应用的重要技术形态。1.5物联网政策战略导向
在经济全球化的背景下，生产的国际化加快了商品生产在全球的布局，传统产业的升级改造和转型要求工业与信息的快速融合。为寻找新的产业和新的发展机会，全球主要国家和地区都提出了以物联网为核心的发展战略。图1.9展示了主要国家和地区政府支持物联网发展的重要路标。图1.9 物联网发展的重要路标
在当前趋势下，全球一致认为：加快发展物联网产业，不仅是国家和地区提升信息产业综合竞争力、培育经济新增长点的重要途径，也是促进产业结构优化调整、提升城市管理水平的重要举措。1.5.1 美国的“智慧地球”
美国非常重视物联网的战略地位，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）早在2001年就设立了可面向军事应用的传感网技术研究项目。加州大学伯克利分校2001年完成研究后，首次提出了智能微尘（Smart Dust）的概念。
2005年8月，美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）提出针对全球网络环境研究（Global Environment for Network Investigations，GENI）研究项目，致力建立一个分布式的网络创新环境，扩展新一代网络研究，实现普适计算，具备可操作性、易用性和安全性，以及支持新型服务及应用。
2008年，美国国家情报委员会（National Intelligence Council，NIC）发表的《2025对美国利益潜在影响的关键技术》报告中，将物联网列为六种关键技术之一。
2008年11月，IBM公司总裁彭明盛在纽约对外关系理事会上发表了题为“智慧地球：下一代领导人议程”的讲话，正式提出“智慧地球（Smart Planet）”设想，建议政府投资新一代的智慧型基础设施，阐明了其短期和长期效益。
2009年1月，美国智库机构信息技术与创新基金会和IBM公司一起向政府提交了“The Digital Road to Recover：A Stimulus Plan to Create Jobs，Boost Productivity and Revitalize America”，该提议得到政府的积极回应。政府把“宽带网络等新兴技术”定位为振兴经济和确立美国全球竞争优势地位的关键性战略，其中物联网的发展主要集中在智能电网、智能医疗和宽带网络三大领域。美国将物联网发展的重心落在了物联网技术研发和产业的应用上。
2009年2月17日，奥巴马总统签署生效的《2009年美国恢复与再投资法案》中提出在智能电网、卫生医疗信息技术应用和教育信息技术进行大量投资，这些投资建设与物联网技术直接相关。物联网与新能源一道成为美国摆脱金融危机振兴经济的两大核心武器。
2014年，由GE、AT&T、Intel、Cisco、IBM五家公司发起成立工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC），以集合整个工业互联网的生态链，合力推动物联网产业发展，2015年宣布投入1.6亿美元推动智慧城市计划，将物联网应用试验平台的建设作为首要任务。1.5.2 欧洲“物联网行动”计划
欧盟早在2006年成立了“欧洲RFID研究项目组（Cluster of European RFID Projects）”，专门进行RFID技术研究。2008年10月，欧盟将该研究项目组更新为欧洲物联网研究项目组（CERP-IoT），主要为促进RFID和物联网的研究项目之间进行沟通、协调和合作等，目标是推广、共享、宣传有关RFID和物联网的研究项目的相关研究成果，促进RFID和物联网相关产业及应用在欧洲范围内的发展。在此基础上，发布了《2020年的物联网—未来路线》。
2009年，欧洲RFID项目组物联网小组（CERP-IoT）在欧盟委员会资助下制订了《物联网战略研究路线图》、《RFID与物联网模型》等意见书。2009年6月，欧盟已经制订了《物联网：欧洲行动计划》（Internet of Things-An action plan for Europe），该计划涵盖了行政管理、安全保护、隐私控制、基础设施建设、标准制定、技术研发、产业合作、项目落实、通报制度、国际合作等重要内容。该计划已被视为重振欧洲的战略组成部分，同时也是欧洲视为世界范围内第一个系统提出物联网发展和管理计划的机构，其目标旨在确保欧洲在构建物联网的过程中起主导作用。
2011年汉诺威工业博览会上，德国提出工业4.0（Industrie 4.0）。2012年由德国政府出面，联合主要企业，成立工业4.0工作组，将工业4.0上升为德国2020战略项目，德国政府投资 2亿欧元支持工业 4.0。2015年成立了横跨欧盟及产业界的物联网创新联盟（AIOTI），并投入5000万欧元，通过咨询委员会和推进委员会统领新的“四横七纵”体系架构，包括4个横向工作组（IERC、Innovation Ecosystems、IoT Standisation、Policy Issues）和7个垂直行业工作组（Living、Farming、Wearables、Cities、Mobility、Environment、Manufacturing）。2016年欧盟计划投入超过1亿欧元支持物联网重点领域。
以下是该《行动计划》的主要内容。
1.物联网：一个新的范例伞
互联网的增长是一个持续的过程，在其发展进程中的重要一步，就是要从连接到互联网上的计算机改成连接到互联网上的物品，从书本到汽车、电器、食品等，从而建立物联网。这些物品有的会拥有自己的IP地址，当置于复杂环境时，它们就可以使用传感器获得环境的情况（比如食物在供应链全过程的温度记录）并与环境进行互动（比如空调可以根据是否有人在场进行反应）。
物联网有三方面特性：第一，不能简单地将物联网看做互联网的延伸，物联网是建立在特有的基础设施基础上的一系列新的独立系统，当然，部分基础设施还是要依靠已有的互联网；第二，物联网将与新的业务共生；第三，物联网包括物与人通信、物与物通信的不同通信模式。
物联网的发展取决于信息和通信发展中的几个重要因素。“规模”就是其中之一，意思是所连接设备的数量正在增加，而它们的大小超出了人眼的可视程度；“移动”是另一因素，表示对象更多地通过无线连接；“异质性和复杂性”是第三个因素，因为现在的信息和通信应用数量众多，从而产生了大量的互操作性问题，而物联网将在这种环境下发展。
2.已有的物联网应用
物联网不应该被视为一个乌托邦的概念，事实上，一些物联网的雏形应用已经部署。
现在，消费者越来越多地使用能上网的手机，比如有的手机配置了照相功能，有的配置了近距离通信模块，这些手机可以让用户获得更多的信息。
成员国家越来越多地使用（由条形码支持）药品唯一的序列号，使每个产品验证后才让病人使用，这将减少假冒、欺诈和配药错误。对消费类产品进行物品跟踪，将使欧洲更有能力对付假冒和不安全的产品。
能源行业也已开始部署智能电力系统，它能向消费者实时提供消费数据，并让电力供应商远程监控电力设备。
在传统行业，如物流、制造和零售等，“智能物品”将促进信息交换，加快生产周期的循环。
上述例子采用的RFID、NFC技术、二维条码、无线传感器/执行器、IPv6协议、超高频或3G/4G等技术，都将在未来的大规模应用中发挥重要的作用。
3.对物联网的管理
这部分提到了公共管理部门的责任问题，对于政府在信息化过程中的职责，在部分中得到了很好的描述，并提出了一些关键问题，而这些问题都是需要站在政府管理的角度上必须管理的。
为什么需要一个公共当局的角色呢？
虽然物联网将有助于解决某些问题，但是它仍然将面临挑战，它将直接影响到个人。例如，某些应用可能有密切关联的重要基础设施，如电力供应，而某些应用将涉及个人隐私。
因为物联网会带来巨大的社会变革，所以，简单地把发展物联网的任务交给私人行业或某些地区的做法是不可取的。欧洲政策制定者和政府当局必须应对物联网带来的这些社会变化，才可以确保物联网技术和应用将刺激经济增长、提高个人福祉和解决当今社会的一些问题。
信息社会世界峰会也承认政府的公共管理责任，公共部门不能推卸其对公民的责任。特别是，在物联网的管理中必须设计与所有有关互联网公共政策管理相一致的方式。
那么，公共管理部门需要管理什么呢？
通常情况下，物品需要分配标识符和名字去连接其他对象或者网络，物品上的信息通常是有限的，信息的其余部分在网络中的其他地方存放。换句话说，访问与一个对象有关的信息，意味着建立一个网络通信。现在出现的问题是：
● 这是如何识别构成的？（对象命名）
● 谁分配的标识符？（权利的分配）
● 如何以及在哪里可以对其他事情的其他信息进行检索，包括它的历史？（寻址机制和信息库）
● 如何确保信息安全？
● 哪些利益相关者为上述每个问题负责？问责机制是什么？
● 哪些伦理和法律框架适用于不同的利益相关者？
一般情况下，如果物联网没有妥善处理这些问题，就可能会产生严重的负面影响，比如：
● 信息处理不当，可能会显示一个人的个人资料或保密的业务数据。
● 不当分配的权利和私营部门的职责可能会扼杀创新。
● 问责制的缺乏可能危及系统本身的物联网运作。
4.消除障碍 发展物联网
除了管理需要解决的问题，实现互连互通还有很多问题有待解决，其中每一部分都潜在影响我们接纳物联网。本节将介绍委员会解决这些问题的主要的和详细的行动。这些行动主要包括几个方面：一是隐私和个人数据保护；二是信托、验收和安全；三是标准化问题；四是研究与发展问题；五是开放性创新问题。
信息安全是必需的，是物联网主要利益相关者最关注的。
在私人领域，信息安全和上述的隐私是密切相关的信任问题。信息通信技术发展的历史经验表明，在设计阶段，它们有时会被忽视，而在之后进行整合时，则将产生巨大的困难，而且代价高昂，往往会大大降低系统的质量。因此，在设计阶段就应全面考虑用户的要求，而隐私权和安全设计是至关重要的物联网组件。
在商业领域，信息安全转化成可用性、可靠性和业务数据的保密性。对于一个公司，问题是谁有权访问它们的数据或向第三者提供这些数据。这些问题看似简单，但正在深刻地影响着当今商业的流程复杂性。
标准化在物联网发展过程中将发挥以下重要作用：降低业务的进入壁垒和用户使用成本；是物联网互操作性和规模经济的前提；使得整个行业可在国际水平上进行竞争和发展；物联网标准化可以合理利用已有的标准或制定新标准。
物联网也可以大大受益于IPv6的快速部署，IPv6可以解决通过互联网连接对象的数量问题。
欧盟物联网委员会雄心勃勃地在信息通信领域发展，以加强欧洲的竞争力，并制订了一揽子计划。物联网是这些计划中重要的部分，因为它涉及广泛的社会问题，而且欧盟和各会员国已经取得不错的成绩。当然，物联网的最终实现还有赖于更深入的研究。
在开放性创新方面，物联网系统设计和管理过程将涉及多方利益相关者、种类繁多的业务模式和各方不同利益。要成为经济增长和创新的催化剂，物联网系统应当在新的应用中建立现有系统（或新系统），以避免市场的进入障碍或增加运营成本，如过多的授权/费用，或者不适当的知识产权；同时应当有充分的互操作性，以便开发有竞争力的跨领域的系统和应用。
5.欧盟的14项物联网行动计划
欧盟的14项物联网行动计划如下。（1）管理：定义一系列物联网管理原则，并设计具有足够级别的无中心管理的架构。（2）隐私及数据保护：严格执行对物联网数据保护的法规。（3）“芯片沉默”的权利：开展是否允许个人在任何时候从网络分离的辩论。个人应该能够读取基本的RFID（射频识别设备）标签，并且可以销毁它们以保护自己的隐私。当RFID及其他无线通信技术使设备小到不易觉察时，这些权利将变得更加重要。（4）潜在危险：采取有效措施使物联网能够应对信用、承诺及安全方面的问题。（5）关键资源：为了保护关键的信息基础设施，把物联网发展成为欧洲的关键资源。（6）标准化：在必要的情况下，发布专门的物联网标准化强制条例。（7）研究：通过第七研究框架继续资助在物联网领域的研究合作项目。（8）公私合作：在正在筹备的四个公私研发合作项目中整合物联网。（9）创新：启动试点项目，以促进欧盟有效地部署市场化的、互操作性的、安全的、具有隐私意识的物联网应用。（10）管理机制：定期向欧洲议会和理事会汇报物联网的进展情况。（11）国际对话：加强国际合作，共享信息和成功经验，并在相关的联合行动中达成一致。（12）环境问题：评估回收RFID标签的难度，以及这些标签对回收物品带来的好处。（13）统计数据：欧盟统计局在2009年12月开始发布了RFID技术统计数据。（14）进展监督：组建欧洲利益相关者代表团，监督物联网的最新进展。1.5.3 日本的“U-Japan”计划
2000年，日本政府首先提出了“IT基本法”，其后由隶属于日本首相官邸的IT战略本部提出了“e-Japan战略”，希望能推进日本整体ICT的基础建设。2004年5月，日本总务省向日本经济财政咨询会议正式提出了以发展泛在网络社会为目标的U-Japan构想，此构想于2004年6月4日被日本内阁通过。
日本的“U-Japan”计划首先提出了“泛在”（简称U网络，指无所不在的网络）理念，以人为本，实现人与人、物与物、人与物之间的连接，即所谓的4U（Ubiquitous：无处不在；Universal：普及；User-oriented：用户导向；Unique：独特）。日本所提的计划将以基础设施建设和信息技术应用为核心，重点在以下两个方面展开。
一是泛在网络社会的基础建设，希望实现从有线到无线、从网络到终端，包括认证、数据交换在内的无缝连接泛在网络环境，国民可以利用高速或超高速网络。
二是ICT的广泛应用。希望通过ICT的有效应用，促进社会系统的改革，解决老年化社会的医疗福利、环境能源、防灾治安、教育人才、劳动就业等一系列社会问题。
物联网包含在泛在网的概念之中，并服务于U-Japan及后续的信息化战略。2009年8月，日本又将“U-Japan”升级为“I-Japan”战略，提出“智慧泛在”构想，将传感器网络列为国家重点战略之一，致力构建一个个性化的物联网智能服务体系，充分调动日本电子信息企业积极性，确保在信息时代国家竞争力始终位于全球第一阵营。同时，日本政府希望通过物联网技术的产业化应用，减轻由于人口老龄化所带来的医疗、养老等社会负担，并由此实现积极自主的创新，催生出新的活力，改革整个经济社会。1.5.4 韩国的“U-Korea”战略
2004年，韩国提出为期十年的U-Korea战略，设立了以总统为首的国家信息化指挥、决策和监督机构—信息化战略会议，以及由总理负责的信息化促进委员会，目标是在全球最优的泛在基础设施上，将韩国建设成全球第一个泛在社会。
2009年10月13日，韩国通信委员会（Korea Communications Commission，KCC）通过了基于IP的泛在传感器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，确定了“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ICT强国”的发展目标。为实现这一目标，确定了构建基础设施、应用、技术研发、营造可扩散环境四大领域共12项课题。其中较为典型的物联网应用是配合“U-Korea”推出的“U-Home”项目，作为韩国信息通信发展计划的八大创新服务之一，这种智能家庭的最终目的是让韩国民众能通过有线或无线的方式控制家电设备，并能在家享受高品质的双向、互动的多媒体服务，如远程教学、健康医疗、视频点播、居家购物、家庭银行等。现在，韩国新建的民宅基本都具有“U-Home”功能。1.5.5 新加坡的“下一代I-Hub”计划
1992年，新加坡提出了IT2000计划，即“智能岛”计划。此后，该国先后确定了“21世纪资讯通信技术蓝图”、“ConnectedCity（连城）”等国家信息化发展项目，希望进一步加大信息通信技术的普及力度。综合看来，之前的数次信息化战略都可以说是处在“e”阶段，即通过提高信息通信技术的利用率促进社会方方面面的发展。2005年2月，新加坡资讯通信发展局发布名为“下一代I-Hub”的新计划，标志着该国正式将“U”型网络构建纳入国家战略，该计划旨在通过一个安全、高速、无所不在的网络实现下一代的连接。1.5.6 中国的“感知中国”
2009年8月我国国家领导人在考察无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时提出：（1）把传感系统和中国3G中的TD技术结合起来。（2）在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展。（3）要积极创造条件，在无锡建立中国的传感网中心（即“感知中国”中心），发展物联网。
2009年11月，我国国家领导人在人民大会堂向科技界发表了题为“让科技引领中国可持续发展”的讲话，其中提到要着力突破传感网、物联网的关键技术，及早部署后IP时代相关技术的研发，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3月，“加快物联网的研发应用”第一次写入中国政府工作报告。为了进一步促进物联网健康发展，加强对物联网发展方向和发展重点的引导，“国家中长期科学与技术发展规划（2006—2020年）”和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。工业和信息化部开展物联网的调研，计划从技术研发、标准制定、推进市场应用、加强产业协作四个方面支持物联网发展。我国政府发布了一系列政策不断优化物联网发展环境。
2011年，国家发展和改革委员会联合相关部委，推进10个首批物联网示范工程。2012年又批复在智能电网、海铁联运等7个领域开展国家物联网重大应用示范工程。
2012年，工业和信息化部物联网“十二五”发展规划指出，要在工业、农业、物流、家居等9个重点领域开展应用示范工程。
住房和城乡建设部下发“关于开展国家智慧城市试点工作的通知”，计划在“十二五”期间，国家开发银行投资800亿元扶持全国智慧城市建设，总投资规模将达到5000亿元。
地方政府也根据当地产业状况制定了具体的物联网应用发展计划，我国初步形成了环渤海、长三角、珠三角，以及中西部地区四大区域集聚发展的总体产业空间格局，重点区域物联网产业集群初具规模。第2章物联网体系基础技术2.1引言
物联网综合通信技术、计算机技术和电子技术等，是一种融合异构网络系统，其体系架构对物联网发展具有极其重要的影响，因此有必要对物联网体系基础技术进行深入研究。同时，随着技术的不断创新，以及应用需求的不断提出，各种新技术和应用都在逐渐融入物联网体系中。本章将带领大家一起对当前物联网体系涉及的主要基础技术进行学习，希望通过基础理论的学习，让大家对物联网系统有一个较为全面、客观的了解，这对于后续对物联网应用开发与设计、体系建立、关键技术研究，以及演进发展具有较好的指导意义。2.2物联网体系结构
从技术领域来看，物联网涉及移动通信技术、物联网技术、分布式数据存储与处理技术、IP网络应用技术、嵌入式应用技术、协议分析及算法设计等多个技术领域；从网络组成来看，涉及传感网、互联网、通信网、广电网等多种网络，是由各种通信网络和互联网融合而成的；从物联网建设和使用的参与者组成来看，包括了物联网应用提供商、传感器件提供商、物联网基础设施提供商、数据服务提供商、政府、个人用户等。对于如此复杂的物联网，首先必须梳理清楚体系架构，才能有效地识别出不同网络、技术及主体在该系统中的角色及联系，通过调整产业结构，促进物联网技术和应用快速、规模化发展。
目前被广泛认可的物联网参考体系架构分为三层，分别是感知层、网络层和应用层，如图2.1所示。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网络和传感器网关等，主要功能是识别物体、采集信息。网络层首先包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，除此之外还包括物联网管理中心、信息中心、云计算平台、专家系统等对海量信息进行智能处理的部分。应用层是将物联网技术与行业专业技术相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集。物联网通过应用层最终实现信息技术与行业的深度融合，实现行业智能化。图2.1 传统物联网参考体系架构
尽管上述物联网体系架构系统地描述了物联网的核心组成部分及其相互关系，然而就目前国内外物联网的发展来看，并未能够有效地指导整个物联网产业，使之进入快速发展的通道。部分原因在于，该架构对于网络层的描述过于概括，并且网络层本身从语义上也容易让人与互联网协议中的网络层产生混淆，因此一定程度上阻碍了人们对上述物联网体系架构的认识。从现状来看，目前业界对上述体系中的网络层认识还处于相对粗浅的层次，物联网产业界还没有充分发展网络层中对物联网业务发展起到重大推动作用的物联网支撑平台，大多数应用仍只是把网络层当作物联网数据的传输通道，尚未利用网络层所提供的物联网运营支撑能力和业务支撑能力。
对于物联网体系架构的理解不能仅从网络的视角出发，而应该把物联网当作一个完整的系统来看待，从全局的角度出发，系统地考虑物联网建设与发展过程中，需要涉及的各个环节、所在的层次及它们之间的联系。结合信息流的流向，以及产业关联对象来梳理物联网架构中各个层次，可以将物联网架构分为四个层次，分别是感知及控制层、网络层、平台服务层和应用服务层，如图2.2所示。物联网平台是物联网产业链的枢纽，向下接入分散的物联网传感层，汇集传感数据，向上面向应用服务提供商提供应用开发的基础性平台和面向底层网络的统一数据接口，支持具体的基于传感数据的物联网应用。
感知与控制层：通过从传感器、计量器等器件获取环境、资产或者运营状态信息，在进行适当的处理之后，通过传感器传输网关将数据传递出去；同时通过传感器接收网关接收控制指令信息，在本地传递给控制器件达到控制资产、设备及运营的目的。在此层次中，感知及控制器件的管理、传输与接收网关、本地数据及信号处理是重要的技术。
网络层：通过公网或者专网以无线或者有线的通信方式将信息、数据与指令在感知与控制层、平台服务层、应用层服务之间传递，主要由运营商提供的各种广域IP通信网络组成，包括ATM、xDSL、光纤等有线网络，以及GPRS、3G、4G、NB-IoT等移动通信网络。图2.2 物联网四层体系架构
平台服务层：物联网平台是物联网网络架构和产业链条中的关键环节，通过它不仅实现对终端设备和资产的“管、控、营”一体化，向下连接感知层，向上面向应用服务提供商提供应用开发能力和统一接口，并为各行各业提供通用的服务能力，如数据路由、数据处理与挖掘、仿真与优化、业务流程和应用整合、通信管理、应用开发、设备维护服务等。
应用服务层：丰富的应用是物联网的最终目标，未来基于政府、企业、消费者三类群体将衍生出多样化的物联网应用，创造巨大的社会价值。根据企业业务需要，在平台服务层之上建立相关的物联网应用，例如，城市交通情况的分析与预测，城市资产状态监控与分析，环境状态监控、分析与预警（如风力、雨量、滑坡），健康状况监测与医疗方案建议等。
上述物联网体系架构的设计是从物联网建设和发展的实际情况出发的，考虑了物联网所涉及各技术的层次，也兼顾了物联网产业链中的各个环节，对于物联网规模化、产业化发展具有一定的参考价值。该架构中的各个层次的物联网平台的建设与部属都将会非常有助于激发物联网应用的活力，而且还十分有利于促进物联网在各行业、各领域的渗透与深化。2.3感知层2.3.1 RFID技术
RFID即无线射频识别，俗称电子标签（E-Tag），是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并对其信息进行标志、登记、存储和管理，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。目前RFID技术已被广泛应用于零售、物流、生产、交通等各个行业，如全球最大的跨国零售商沃尔玛公司已要求其供应商在消费品包装盒物流方面必须采用RFID技术。
1.RFID系统组成
一般来说，射频识别系统由射频标签、读写器和应用系统三部分组成，其组成结构如图2.3所示。其中射频标签由天线和芯片组成，每个芯片都含有唯一的识别码，一般保存约定的电子数据。在实际的应用中，射频标签粘贴在待识别物体的表面，其分类及技术特性见表2.1所示。读写器是根据需要并使用相应协议进行读取和写入标签的信息的设备，它通过网络系统进行通信，从而完成对射频标签信息的获取、解码、识别和数据管理，通常有手持的或者固定的两种。应用系统主要完成对数据信息的存储和管理，并可以对标签进行读写控制。图2.3 射频识别系统的组成结构表2.1 射频标签分类及技术特性
2.RFID工作原理
RFID技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现的无接触式信息传递，并通过所传递的信息达到自动识别的技术，其工作原理和过程概述如下。（1）工作原理。利用射频信号和空间耦合传输特性实现对被识别物体的自动识别，射频标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（非接触）耦合。在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。以RFID卡片阅读器和电子标签之间的通信及能量感应方式来看，大致可以分成电感耦合及电磁反向散射耦合两种，如图2.4所示。一般低频的RFID大都采用电感耦合，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。而高频大多采用电磁反向散射耦合（如雷达原理模型），发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。（2）工作过程。当带有射频标签的物品在读写器的可读范围内时，读写器发出磁场，查询信号将会激活标签，标签根据接收到的查询信号要求反射信号，读写器接收到标签反射回的信号后，通过内部电路无接触地读取并识别射频标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的，然后进一步通过计算机及计算机网络实现对物体识别信息的采集、处理及远程传输等管理功能。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]