5.2 物联网概述

5.2.1 物联网的概念及定义

1）物联网概念的提出

历史上第一次谈及物物相联是在20世纪90年代中期由比尔·盖茨创作的《未来之路》一书中，但是由于无线传感器网络及各类物理硬件设备的发展限制，并未得到世人的重视。1999年，美国麻省理工学院的自动识别实验室提出了真正的“物联网”概念，并指出物联网是通过RFID和条码等信息传感装置把所有物品按照一定的通信协议与互联网连接起来，构建一张智能化的网络以使物与人、物与物之间能够进行信息交流。

2005年，国际电信联盟在突尼斯发布了一份名为《ITU互联网报告2005：物联网》的报告，其中指出了“物联网”的新概念，并指出以物联网为核心的通信时代即将到来。以互联网为基础，世界万物（如钥匙、手表、楼宇、汽车）通过嵌入一个微型的RFID芯片或传感器芯片，就能实现相互交换信息，从而构建一张无处不在的“物联网”。正因这份报告，物联网概念得到前所未有的发展，但是该报告中对物联网并没有给出一个清晰明了的定义。

2）物联网的定义

随着技术和应用的不断发展，物联网的内涵也不断扩展丰富。现代意义的物联网不仅可以对物品进行感知、识别、控制，还可以实现网络化互联和智能处理的统一化，进而达到高智能决策的目的。2011年工信部电信研究院发布的《物联网白皮书（2011年）》认为：物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。

根据上述物联网定义，相比传统的互联网，其具有如下特征。

（1）海量利用各类传感技术。将众多不同类型的感知标签和传感器部署在物联网上，每个设备作为独立的信息源，感知到的信息内容和信息传输格式不同，并按照一定的周期不断更新和实时地采集周围环境信息。

（2）基于传统通信网和互联网。物联网技术的核心技术是互联网，采用有线和无线相结合的传输方式与互联网融合，实时并准确地将感知信息通过网络传递出去。物联网上的传感器数量极其庞大，同时按照一定频率不断更新数据，造成了海量的信息。为了保证数据在网络传输过程中的正确性与及时性，必须适应不同种类的异构网络和传输协议。

（3）具备智能决策的能力。物联网将感知信息和智能决策处理相结合，运用各种智能算法与技术，扩大其运用空间。对传感器采集的海量信息进行分析、过滤、加工和处理，以此满足不同用户的需求，探索新的应用领域和模式。

5.2.2 物联网的发展态势

1）产业融合促进物联网形成“链式效应”

产业物联网的进一步发展对产品设计、生产、流通等各环节的互通提出新的需求，而“物联网+区块链”（BIoT）为企业内和关联企业间的环节打通提供了重要方式。链式效应主要体现在两个方面：一是基于BIoT完成产品某一环节的链式信息互通，如产品出厂后物流状态的全程可信追踪。二是基于BIoT的更大范围的不同企业间价值链共享，如多个企业协同完成复杂产品的大规模出厂，其中涉及产品不同部件协同生产，包括设计、供应、制造、物流等更多环节互通。

2）智能化促进物联网部分环节价值凸显

随着物联网应用的行业渗透面不断加大，数据实时分析、处理、决策和自治等边缘智能化需求增加。根据IDC公布的相关数据显示，未来在网络边缘侧进行分析、处理和存储操作的数据会超过总数的一半。边缘智能的重要性获得普遍重视，产业界正在积极探索边侧智能化能力提升和云边协同发展。据GSMA最新预测显示，到2025年，物联网上层的平台、应用和服务带来的收入将占物联网收入的67%，成为价值增速最快的环节，而物联网连接收入占比仅5%，因此物联网连网数量的指数级增加，以服务为核心、以业务为导向的新型智能化业务应用将获得更多发展。

3）互动化物联网向可定义基础设施迈进

可定义基础设施是指用户可基于自身需求定制物联网软硬件基础设施的支撑能力。可定义基础设施包括面向不同行业需求的基础设施资源池，提供应用开发管理、网络资源调度硬件设置等覆盖全面的共性支撑能力。现阶段，运营商等企业已经开始探索以业务需求为导向的网络基础设施自动配置能力，如意图网络、算力网络等。可定义基础设施有助于降低物联网应用开发复杂性，推动物联网规模化应用拓展。而物联网规模应用拓展则反向促进可定义基础设施持续升级、能力完备及整合，形成闭环迭代，实现能力的螺旋式上升。

4）蜂窝物联网网络协同发展

蜂窝物联网网络是基于蜂窝移动通信技术的物联网网络，因覆盖场景不同，主要涵盖面向大部分低速率应用的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）网络，面向中速率和语音应用的LTE Cat1网络，面向更高速率、更低时延应用的5G移动网络。与2017年《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》重点布局NB-IoT网络不同，2020年5月工信部印发的《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》明确要求建立NB-IoT、LTE Cat1、5G协同发展的蜂窝物联网网络体系，蜂窝物联网的整合期加速到来。

5）向新的技术演进

对传统技术解决方案中低成本和高成熟度技术进行不断的完善，使其更低成本和更成熟。有线向无线演进、高功耗向低功耗演进是两个典型的物联网解决方案代表。主要体现在两个方面：一方面是运用新技术升级换代早已落地的应用；另一方面是对新用户直接选用新技术进行实施落地。例如，低功耗广域网络技术的成熟发展，逐渐取缔以往高功耗或短距离的无线技术，并在公用事业、消防、环境监测等领域得到广泛应用。

5.2.3 物联网的网络架构

在物联网网络中，信息需要经历感知、传输、处理三个阶段。根据这三个阶段将物联网划分为三层结构，包括感知层、网络层和应用层。物联网的网络架构如图5-1所示。

1）感知层

感知层作为物联网的基础环节，主要通过采集各类物理量、音视频、标识等数据信息实现对物理世界的智能感知识别。感知层的关键技术包括检测技术、自组织网络、短距离无线通信技术等（具体技术参考第10章）。感知层由感应器件和由感应器组成的网络两大部分组成，其中感应器件包括RFID标签和读写器、各类传感器、摄像头、GPS、二维码标签等，感应器组成的网络有RFID网络、传感器网络等。

2）网络层

网络层作为物联网的传输环节，负责连接感知层和应用层，将感知层获得的数据信息及时并可靠地通过通信网络传输到应用层，而后应用层根据需求对数据进行分析处理。目前物联网的通信网络主要包括互联网、卫星通信网和有线电视网。因为网络层肩负着大量的设备接入和庞大的数据传输，同时还需要满足较高的服务质量，所以对现有网络进行融合和扩展是非常有必要的，运用新技术以实现更加广泛和高效的互联功能。

3）应用层

应用层作为物联网的终端环节，主要包括应用基础设施/中间件、物联网应用两方面。前者用于支撑跨行业、跨运用、跨系统之间的信息共享、协同和互通，为后者提供信息计算、信息处理等服务及调用基础设施资源的接口。通过各类终端设备，应用层能够及时获取感知层采集的丰富数据，并进行计算、分析处理和信息挖掘等操作，进而实现对物联网网络的实时控制和科学管理。