第2章 物联网基础理论

2.1 物联网的概念与范畴

从狭义的角度看，只要是物品之间通过传感介质连接而成的网络，不论是否接入互联网，都应算是物联网的范畴。而从广义角度看，物联网不仅局限于物与物之间的信息传递，必将和现有的电信网实现无缝的融合，最终形成物与物的信息交互。传感网、泛在网和物联网的区别如表2-1所示。

从物联网的内涵来看，首先关注的是人与周边的和谐交互，而各种感知设备与网络是实现物物互联的方式和手段；在最终的网络形态上，不但涉及互联网的内容，同时还有一部分属于智能系统（如推理、情境建模、业务触发等领域）范畴。由于涵盖了物与人的关系，因此物联网涵盖的内容更为丰富。物联网在概念的指向上强调了从物到物的信息交互，因而如何阐述物与物之间的关系就变得尤为重要。

2.1.1 物联网的概念

物联网强调物与物的互联，被看作是一种通过各种信息传感设备使现实世界中各种物体互为连通而形成的网络，其使得所有物品都有数字化、网络化标识，方便人们识别、管理与共享。在英文表述中，物联网被称为“Internet of Things”，具有更为深广的含义，强调“Any Things Connection”，而“Things”不但包括现实世界的物（Object），也包括各种计算设备与虚拟空间的人工物体（Artifact），还包括用户（Human）。

维基百科（Wikipedia）对物联网的定义较为简单：The Internet of Things refers to a network of objects,such as household appliances（像家用电器一样的物体的互联网络）。物联网实际上是包含了物与物之间、人与物之间、人机之间、人与人之间等各种“主体”之间的互联。自20世纪90年代以来，互联网日益普及，人-机交互、人与人之间的社会性交互、计算机与计算机之间的通信已经得以实现，因此，在当前对物联网的研究与实践中，主体内容是现实世界中物（Object）的互联。

通过深入剖析物联网的运行规律，其本质在于物、人和运行环境（网络与标准规范）之间的信息交互。这里涉及的“物”是指物理世界中的实体存在，也包括人的实体属性；而“人”是指控制层面中人的意志，物联网中所有活动均为人的意愿所服务；网络与标准规范是物联网运行环境中的两个重要组成要素，其主要是为信息交互提供外界环境支持。物联网运行律如图2-1所示。

物联网通过信息采集过程，将实体的“物”转变为信息和数据进入运行环境中。物联网运行过程中的核心是信息，有效信息在网络传输过程中遵循一定的标准和规范，最终传递到“人”，由人来进行相应的操作和处理，从而实现对“物”的集中控制。物联网将物、人和运行环境三个要素有机结合，保证了整个运行过程的自由周转。

综上所述，物联网是利用感知手段将物的属性转化为信息，在相关标准规范的约束下通过传输介质进行物与物之间的信息交互，进而实现物与物之间的控制与管理的一种网络。

2.1.2 物联网的特点

物联网作为新技术时代下的信息产物，在其漫长的演化与发展过程中不断对自身进行着完善，在现有网络概念的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，从而更好地进行“物与物”之间信息的直接交互。物联网主要有以下4个方面的特点。

1.连通性

连通性是物联网的本质特征之一。国际电信联盟认为，物联网的“连通性”有三个维度：一是任意时间的连通性（Anytime Connection），二是任意地点的连通性（Any Place Connection），三是任意物体的连通性（Anything Connection）。

2.技术性

物联网是技术变革的产物，代表着未来计算与通信技术的发展趋势，而其发展又依赖众多技术的支持，如射频识别技术、传感技术、纳米技术、智能嵌入技术。

3.智能性

物联网使得人们所处的物质世界得以实现极大程度的数字化、网络化，使得世界中的物体不仅以传感方式，也以智能化方式关联起来，网络服务也得以智能化。物联网具有智能化感知性，它可以感知人们所处的环境，最大限度地支持人们更好地洞察、利用各种环境资源，以便做出正确的判断。

4.嵌入性

物联网的嵌入性表现在两个方面：一是各种各样的物体本身被嵌入在人们所生活的环境中；二是由物联网提供的网络服务将被无缝地嵌入到人们日常的工作与生活中。

2.1.3 物联网的工作原理

“物联网”概念的出现和应用，将传统思维中的物理世界与IT世界进行了全面整合，建筑物、实体设备设施将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，因此，物联网中的基础设施是一个整体，经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活都与物联网密不可分。物联网工作原理如图2-2所示。

物联网的工作原理主要有以下几个过程。

1.信息的感知

信息来源与对物体属性的感知过程：首先对物体属性进行标识，物体属性包括静态属性和动态属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测；其次通过识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式。

2.信息的传输处理

物体属性通过感知采集过程转化为信息，通过网络传输到信息处理中心（处理中心可能是分布式的，如家用计算机或者手机；也可能是集中式的，如中国移动的IDC），由处理中心完成物体通信的相关计算，将有效信息进行集中处理。

3.信息的应用

物体的有效信息分为两个应用方向：一是经过集中处理反映给“人”，通过“人”的高级处理后根据需求进一步控制物；另一个方向是直接对“物”进行智能控制，而不需要经过“人”进行授权。

2.2 物联网的基本结构与组成

物联网的基本结构是物联网系统化的重要体现，物联网各组成部分分工协作、有机结合，以实现物与物之间的交互沟通和基于物联网的工作组织。物联网的组成包括感知层、网络层和应用层，物联网的基本结构如图2-3所示。

2.2.1 感知层

物联网的“物”是物理实体，正是物理实体的集合构成了物质世界，即物联网的作用对象。物联网的感知层通过对物质世界的物理实体的感知布局，实现对物理实体的属性的感知、采集与捕获，使之成为可供传输和识读的信息。

感知层的构成包括实体感触端、感触传输网与感知工具。实体感触端与物质世界紧密相连，是物联网对物理实体属性信息进行直接感触的载体，也是整个物联网网络的末梢节点。实体感触端可以以实物方式存在，也可以是虚拟的。感触传输网是对物理实体的属性信息进行传输的网络，距离可以很长。感知工具是将实物的属性信息转化为可在网络层的传输介质中进行传输的信息的工具。

感知层作为物联网基础信息的来源，其布局决定了物联网的作用范围，目前运用于物联网感知层的技术和相关设备主要包括二维码、标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器，以及M2M终端、传感器网络等，在物联网的发展和完善过程中，感知层要突破的方向是具备更敏感、更全面的感知能力（如通过嵌入式技术和纳米技术），降低功耗、小型化和降低成本。

2.2.2 网络层

物联网的网络层是通过相关的工具和媒介对感知层将物体属性转化而成的信息进行汇集、处理、存储、调用、传输。

围绕着对感知信息的汇集、处理、存储、调用、传输五项作用，网络层的构成中有相应的组成部分完成各项职能。汇集工具与感知层相衔接，将感知层采集终端的信息进行集中，并接入物联网的传输体系；处理工具用于对传输信息进行选择、纠正，以及不同信息形式间的转化等处理工作；存储工具需对信息进行存储；调用工具以某种方式实现对感知信息进行准确调用；传输工具是网络层的主体，通过用可传递感知信息的传输介质构建传输网络，使感知信息可传递到物联网的任何工作节点上。

网络层是物联网提供普遍服务的基础设施，其各功能要素的实现水平，决定了整个物联网体系的工作效率和服务质量。在传输工具的选择上，通信网络与互联网形成的融合网络，是现阶段相对成熟的解决方案。网络层有待在传输容量、海量信息处理、传输速率、传输安全等方面进一步发展。

2.2.3 应用层

应用层将物联网所提供的物的信息引入相关领域，与其现有技术相结合，实现广泛智能化应用的解决方案。

应用层可由应用控制和应用实施构成，物联网通过感知层和网络层传递的信息是原始信息，这些信息只有通过转换、筛选、分析、处理后才有实际价值，应用控制层就承担了该项工作。应用实施是通过应用控制分析、处理的结果对事物进行相关应用反馈的实施，实现物对物的控制。应用实施可由人参与，也可不由人参与，实现完全的智能化应用。

应用层是物联网实现其社会价值的部分，也是物联网拓宽产业需求、带来经济效益的关键，还是推动物联网产业发展的原动力。目前物联网的应用层通过应用服务器、手机、PC、PDA等终端，可在物流、医疗、销售、家庭等产业实现应用。未来应用层需要拓宽产业领域，增加应用模式，创新商业运营模式，推进信息的社会化共享。

2.2.4 物联网基本结构特点

物联网的三层结构是通过技术特点和在物联网体系中所起的作用，以及功能来划分的，这样的层级组成有如下特点。

（1）物联网分解为三层，各层在功能上是相对独立的，各层内部的改变不会影响其他层，这使得物联网的设计变得相对简单、灵活，同时对物联网的扩大和发展也是有利的。

（2）层与层之间是逐层上下链接的关系，下层作为上层的基础，为上层实现其功能提供服务。

（3）层与层之间有不同技术体系、功能模式，以及协议、标准及法律法规等支撑体系。

物联网的三层基本结构划分是目前业界对物联网基本结构划分较为统一的认识，但随着业界对物联网的研究不断深入，以及物联网本身的不断发展，物联网的基本结构也可能会有所变化。

2.3 物联网的层级划分

物联网可按其应用规模和应用的整体性与系统性进行层级划分，可分为国际级物联网、区域级物联网、行业级物联网和企业级物联网，如图2-4所示。层级由上至下具有包含关系，其中区域级物联网和行业级物联网相互部分包含，区域级物联网可包括多个行业级互联网，行业级物联网也可跨越多个区域级物联网。

2.3.1 国际级物联网

国际级物联网是物联网发展的终极目标，即在世界范围内实现泛在网络，使世界上的物与物、人与物之间能够进行直接沟通。国际级物联网的实现对人类社会的改变效果最大。国际级物联网对标准和协议的统一性要求也最高，实现起来较为困难，需要国际组织制定和发布统一的标准及协议，这也是国际级物联网实现的关键。国际级物联网的构想如图2-5所示。

2.3.2 区域级物联网

区域级物联网是以国家、地区为范围，实现物物广泛连接的物联网层级，区域级物联网的发展是构建国际级物联网的必经之路。区域级物联网与国际级物联网较为相似，但范围更小，对标准和协议的统一性要求较高，实现起来不如国际级物联网困难，但也需要相关组织制定和发布统一的标准及协议。目前世界各国都抓紧制订规划，构建本国的区域级物联网。

2.3.3 行业级物联网

行业级物联网将是率先形成的规模型物联网，企业级物联网作为最先发展起来的物联网基本单元，将以行业级物联网的方式通过网络组织在一起。各行各业都有其特性，行业级物联网有一定的封闭性，因此，各行业级物联网在发展过程中具有不平衡性。行业级物联网也需要相关标准、组织和规则的支撑，实现起来会比较容易。

2.3.4 企业级物联网

企业级物联网是构成国际级物联网的基本物联网单元，是物联网应用的基本主体。企业级物联网的技术体系与国际级物联网相似，在网络层，主要依靠企业内部的局域网进行信息的传输与交互，外网则用于与企业外的客户、供应商、金融机构、政府部门等进行信息传输的服务。由于对物联网标准没有过多的要求，投资规模也较小，所以企业级物联网的实现最为容易，企业级物联网的发展是推动物联网发展的动力。企业级物联网的构想如图2-6所示。

一切事物的发展都是从少到多，从简单到复杂的过程。物联网也将以企业级物联网的发展为开端，进而形成行业级和区域级物联网，并最终实现遍布整个地球的国际级物联网。

2.4 物联网标准体系

物联网的发展潜力无限，但物联网的实现并不仅仅是技术方面的问题，建设物联网的过程将涉及规划、管理、协调、合作问题，还涉及标准和安全保护等问题，这就需要制定和完善一系列相应的配套政策和规范。本节将对物联网标准体系进行研究和分析。

2.4.1 建立物联网标准体系的必要性

标准是对于所有技术的统一规范，标准的缺失将大大制约技术的发展和产品的规模化应用。因此，标准体系的建立将成为发展物联网产业的先决条件，是物联网发挥自身价值和优势的基础支撑。

互联网标准问题，如网际协议、路由器协议、电子邮件协议、域名标准、终端构架与操作系统等的有效解决为互联网的顺利运营奠定了基础。从而实现了在全世界任何一个角落，使用任意一台电脑即可连接到互联网中进行通信。

与互联网相比，在物联网的发展过程中，感知层、网络层和应用层会有大量的技术出现，可能会采用不同的技术方案。如果各行其是，大量小规模的专用网相互之间就无法联通，不能进行联网，不能形成规模经济和整合的商业模式，也不能降低研发成本。因此，尽快统一技术标准，形成一个管理机制，这是物联网马上需要面对的问题。

2.4.2 物联网标准化现状

鉴于物联网标准体系的重要性，目前有很多标准化组织开展了与物联网相关的标准化工作，主要标准化组织包括ISO/IEC JTCl、ITU-T、IETF、IEEE等。

1.ISO/IEC JTCl相关工作

2008年6月，首届ISO/IEC物联网国际标准化大会在中国召开，中国代表提出的物联网体系架构、标准体系、演进路线、协同架构等代表物联网发展方向的顶层设计被ISO/IEC国际标准认可，已纳入ISO/IEC SGSN总体技术文档中。经过一年多的研究和论证，2009年10月正式成立了ISO/IEC JTCl物联网标准工作组WG7。根据SGSN的论证，物联网标准工作组WG7计划按照统一的标准技术体系和架构来协调各相关分技术委员会和其他国际标准组织，并处理物联网中新方向的技术标准提案，全面启动物联网国际标准的制定工作。WG7主要成员国包括中国、美国、韩国、德国、法国、英国等，中国代表通过前期的努力，已在ITCl物联网标准制定方面占据了重要的地位和话语权。

此外，ISO/IEC JTCl下的多个分技术委员会也在致力于物联网相关标准的开发工作。

1）ISO/IEC JTCl SC6

ISO/IEC JTCl SC6（以下简称SC6）主要从事远程通信的标准化工作，涉及开放系统间的信息交换，包括系统功能、规程、参数、设备及其使用条件。在标准化方面，开发支持物理层、数据链路层、网络层和传输层的协议和服务的底层技术，以及支持应用协议和服务的上层技术。SC6与ITU-T和其他全球及地方的标准化组织（如IEEE和IETF）开展了长期有效的合作，目前已通过“物联网的网络方面应用和服务的参考模型”的提案立项，但鉴于新WG7的工作范围，该项目已转交至WG7。

2）ISO/IEC JTCl SC25

ISO/IEC JTCl SC25（以下简称SC25）的主要工作是信息技术互连设备的标准化，其中WGl主要处理传感器和物联网的家庭网络系统，以及WG3处理建筑通用电缆，有可能成为物联网的骨干网络之一。

3）ISO/IEC JTCl SC27

安全和隐私是物联网中很重要的两个方面。ISO/IEC JTCl SC27（以下简称SC27）主要从事信息和ICT保护的标准化，包括涉及安全和隐私的通用方法、技术和指南。

4）ISO/IEC JTCl SC31

ISO/IEC JTCl SC31（以下称SC31）主要从事数据格式、数据语法、数据结构、数据编码、处理自动识别和数据采集技术的标准化工作，以及用于行业应用和国际业务交换的相关设备的标准化。在物联网应用方面，SC31已经提出了一些相关提案。

5）ISO/IEC JTCl SC35

ISO/IEC JTCl SC35（以下称SC35）负责制定用户与系统之间接口领域的标准化，包括信息技术环境中的输入、输出设备。物联网某些应用需要使用SC35定义的用户接口。

2.IEEE相关工作

1）IEEE 1451.x

制定IEEE 1451系列标准的目的就是通过定义一套通用的通信接口规范，使传感器/执行器独立于网络，实现系统、仪器仪表与现场总线的互连，满足网络兼容性和互操作性要求。目前，IEEE主要制定了传感器通用命令和操作集合，同时制定了包括模拟传感器接口标准、无线传感器接口标准和执行器接口标准等在内的一系列标准。

2）IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4针对新的短距离通信需求，分别建立新的组织来制定物理层和MAC层的标准，其中包括针对中国780MHz的IEEE 802.15.4c，针对工业无线监控的IEEE 802.15.4e，针对智能电网的IEEE 802.15.4g等组织。目前，中国科学院微系统所、华为、威讯紫晶等单位正在积极参加上述标准的制定工作。其中IEEE 802.15.4e已于2009年5月正式颁布，中国科学院微系统所等提的EGTS提案也已被IEEE 802.15.4e采纳。

2.4.3 物联网标准体系架构

目前，物联网还未形成统一的全球化标准，在构建标准体系架构时应着重解决如下几个方面的标准问题：物品信息分类与编码标准制定；信息采集技术标准的制订和推广应用；信息交换标准的制定，完善EDI系统；应用平台标准的制定。

综合分析以上问题，结合物联网层次结构和特点，本书提出包括通用标准、感知层标准、网络层标准和应用层标准四部分的物联网标准体系架构，如图2-7所示。

通用标准存在于物联网的各层结构之中，包括术语标准、物理接口标准、数据接口标准和隐私权限标准。

感知层标准包括物品编码标准、物品识别标准、传感标准和接入安全规范。其中，物品编码标准包括分类编码标准、企业编码标准、产品编码标准、位置编码标准；物品识别标准包括标签设备规范、阅读器设备规范和自动识别技术标准；传感标准包括传感器通用命令标准和传感器操作平台标准。

网络层标准包括数据传输标准、通信与信息交互标准、服务支持标准、网络管理标准和网络安全规范。其中，数据传输标准包括数据格式规范和数据交换规范；通信与信息交换标准包括物理层通信协议、MAC层通信协议、传输层通信协议和网关接入标准；服务支持标准包括信息描述标准、信息存储标准、目录服务标准、中间件标准。

应用层标准包括应用控制标准、应用实施标准和应用安全规范。其中，应用控制标准包括支持服务标准和信息服务规范；应用实施标准包括应用平台标准和行业应用相关的设备标准。

2.5 本章小结

本章主要对物联网的基础性理论进行了研究与探讨，通过对物联网本质的研究给物联网下了定义，阐述了物联网的特点及工作原理，并通过对物联网工作机理进行抽象化，定义了物联网的基本结构与组成。此外，还对物联网进行了层级划分和标准体系研究。本章的研究内容为深入研究物联网打下了扎实的基础，为后续的研究提供了系统的理论依据。

参考文献

[1]Antonio J．Jara，Miguel A．Zamora，Antonio F．G．Skarmeta．An architecture based on Internet of Things to support mobility and security in medical environments[J]．Consumer Communications and Networking Conference，2010：109-111．

[2]R．W．L．Ip，H．C．W．Lau，F．T．S．Chan．An intelligent Internet information delivery system to evaluate site preferences[J]．International Journal of Expert Systems With Applications，2000：33-42．

[3]张罡．RFID技术与物联网[J]． 计算机与网络，2010：201-211．

[4]沈杰，邢涛． 传感网标准化分析[J]． 电信技术，2010：34-36．

[5]ITU．ITU互联网报告2005：物联网[R]．2005．

[6]IBM商业价值研究院． 智慧地球[M]． 北京：东方出版社，2010．

[7]邹生，何新华． 物流信息化与物联网建设[M]． 北京：电子工业出版社，2010．

[8]周洪波． 物联网：技术、应用、标准和商业模式[M]． 北京：电子工业出版社，2010．

[9]吴功宜． 智慧的物联网——感知中国和世界的技术[M]． 北京：机械工业出版社，2010．

[10]王志良． 物联网——现在与未来[M]． 北京：机械工业出版社，2010．

[11]郑海初． 正在爆发的物联网革命[M]． 北京：中华工商联合出版社有限责任公司，2010．

[12]项有建． 冲出数字化——物联网引爆新一轮技术革命[M]． 北京：机械工业出版社，2010．

[13]张福生． 物联网：开启全新生活的智能时代[M]． 太原：山西人民出版社发行部，2010．

[14]张成海，张铎． 物联网与产品电子代码（EPC）[M]． 武汉：武汉大学出版社，2010．

[15]Romer K，Ostermaier B，Mattern F．Real-Time Search for Real-World Entities:A Survey[J]． Proceedings of the IEEE，2010：1887-1902．

[16]Roy S，Jandhyala V，Smith JR．RFID:From Supply Chains to Sensor Nets[J]．Proceedings of the IEEE，2010：1583-1592．

[17]Michael K，Roussos G，Huang GQ．Planetary-Scale RFID Services in an Age of Uberveillance[J]． Proceedings of the IEEE，2010：1663-1671．

[18]Wu SX，Ma YJ，Xiang YT．A Secure Networking Architecture for the Internet of Things[J]． Progress in Measurement and Testing,PTS 1 and 2:Advanced Materials Research，2010：135-140．

[19]Boos D，Grote G，Lehtonen M． Investigating Accountability Relations with Narrative Networks[J]．ECCE 2009-European Conference on Cognitive Ergonomics-Designing Beyond the Product-Understanding Activity and User Experience in Ubiquitous Environments:VTT Symposia，2009：411-415．

[20]来勐，刘洪泉． 浅议物联网及其应用[J]． 邮电经济，2010：23-25．

[21]沈璞． 运营商发展物联网的瓶颈及突破思维[J]． 移动通信，2010：26-27．