第一章 物联网概述

1.1  物联网的起源和发展

    早在1995年，比尔·盖茨在其著作《未来之路》中已有这样的描述：“凭借你佩戴的电子饰品，房子可以识别你的身份，判断你所处的位置，并为你提供合适的服务；在同一房间里的不同人会听到不同的音乐；当有人打来电话时，整个房子里只有距离人最近的话机才会响起……”。
上面这些在科幻小说里面出现的场景和功能，被视为人们对物联网所具备的神奇功能的期待和预言。谈到物联网具体的起源，当前普遍认同的观点是：物联网起源于传感器网络和射频识别。

    1.1.1  传感器网络

    传感器网络（Sensor Networks）诞生于军事应用中，最早可以追溯到20世纪60年代的越南战 争。由于密林和多雨的天然屏障，大大削弱了卫星与航空侦察的效果。美军从1968年开始，在胡 志明小道上投放了数十万个具有音频和振动感知功能的无线传感器，以期建立电子屏障来切断越 军的补给线。这个项目的名称为Operation Igloo White。这一阶段的无线传感器除了与侦察机点对 点通信外，还不具备现代传感器网络所具备的节点计算功能和节点间的通信功能。
    1980年，美国国防部先进研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency， DARPA）启动了分布式传感器网络（Distributed Sensor Networks，DSN）项目。但由于技术条 件的限制，传感器网络的研究热潮在20世纪90年代才开始真正出现。
    早期传感器网络的研究主要来自美国军方和自然科学基金的资助项目。1993年开始的无线集成网络传感器（Wireless Integrated Networks Systems，WINS）项目，由美国加州大学洛杉矶分校 和罗克韦尔自动化中心共同开发。1996年开始的由美国麻省理工学院承担的μAMPS（Micro- Adaptive Multi-domain Power Aware Sensors）项目致力于开发一个完全面向低功耗需求的无线传 感器网络系统。1998年开始的SensIT（Sensor Information Technology）项目致力于研究大规模  分布式军事传感器系统。Smart Dust和PicoRadio项目在1999年启动，由美国加州大学伯克利分校负责。
    上述传感器网络科研项目主要致力于研究和开发小型化、低功耗无线传感器网络节点。其中， WINS项目涵盖了MEMS传感器、通信芯片、信号处理体系、网络通信协议等多个研究领域； μAMPS项目有一个重要研究成果，即著名的低功耗无线传感器网络组网LEACH（Low Energy  Adaptive Cluster Hierarchy）协议；SensIT项目的首要任务是为网络化微传感器开发所需要的软 硬件；Smart Dust和PicoRadio项目负责研究低成本、低功耗的传感器网络节点芯片。
    早期传感器网络科研项目的主要成果是一系列无线传感器网络平台和初级应用示范系统，其中 以Motes硬件平台及其配套操作系统TinyOS的影响最为广泛，目前已被全球400多家研究机构所采 用。
    进入21世纪以来，传感器网络系统不再只局限于军事应用，在非军事方面也获得了日益广泛的应用。例如，部署于美国缅因州大鸭岛的传感器网络主要用于监测环境；部署于旧金山金门大桥的传感器网络主要用于监测桥梁状态；部署于地下矿井的传感器网络主要用于保证煤矿安全生产。这些实际的应用场景为传感器网络提供了真实的测试验证环境，同时也发掘了传感器网络研究的新方向。
    近期传感器网络的科研工作主要致力于开展大量针对传感器网络通信协议及其支撑技术的细化 研究，如网络拓扑控制、MAC协议、路由协议、网络安全、时间同步、节点定位等，同时也对传 感器网络中的信息处理、数据查询、数据融合、部署覆盖等相关问题进行了深入研究。
    综合以上介绍不难看出，与传感器网络相关的研究工作起步于传感器节点平台的研制，随后以 应用为驱动扩展到网络通信协议、数据信息处理等研究领域，目前已经在数据信息的采集、处 理、传输、应用等方面取得了丰硕的技术成果并积累了宝贵经验。从技术和应用两方面的经验总 结来看，传感器网络最显著的技术特征和最重要的应用目标是感知现实物理世界。
    许多专家和学者认为，物联网最重要的特点之一同样是感知现实物理世界。随着传感器网络技术的进步和应用领域的延伸，使得物联网的目标逐渐清晰、发展时机日趋成熟。因此，传感器网络被视为物联网的一个主要起源。

    1.1.2  射频识别（RFID）

    射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到目标识别目的并交换数据。RFID技术能实现多目标识别、运动目标识别，便于通过互联网实现物品的识别、跟踪和管理，因而受到广泛的关注。
    产品电子编码（Electronic Product Code，EPC）是与EAN/UCC码兼容的编码标准，其特点是给每一个单独的产品编号，并且为RFID标签的编码和解码提供一致的标准。EPC标准的出现使得RFID标签在整条物流供应链中的任何时候都可以提供产品的流向信息，使每个产品信息有了共同的沟通语言。通过互联网实现物品的自动识别和信息交换与共享，进而实现对物品的透明化管理。
    在1999年成立的Auto-ID中心最早开展RFID技术的研究工作。在2003年，Auto-ID中心将研究成果和相关技术形成了无线射频身份标签的标准草案。同年10月，Auto-ID中心的管理职能正式终止，其研究功能并入新成立的Auto-ID实验室，而商业功能则由新成立的EPC global负责。
    Auto-ID实验室已建立一个具有商业驱动力、全球可持续、经济高效、面向未来的RFID基础设施网络。这种基础设施网络具有很强的鲁棒性和灵活性，能够很好地支持未来的技术、应用和产业。目前，Auto-ID实验室的总部设在美国的麻省理工学院，并且包括全球顶尖的6所研究型大学的实验室参与，它们是英国的剑桥大学、澳大利亚的阿德莱德大学、日本的庆应义塾大学、瑞士的圣加仑大学、中国的复旦大学和韩国的信息与通信大学。
    EPC global是国际（欧洲）物品编码协会（European Article Number Association，EANA）和 美国统一代码委员会（Uniform Code Council，UCC）的一个合资公司，它是一个受业界委托而 成立的非盈利组织。EPC global在许多著名的跨国公司和世界范围内的顶级大学之间建立了密切 的合作关系。EPC global的主要职责是在全球范围内对各个行业建立和维护EPC网络，保证供应 链上各环节信息的自动、实时识别采用全球统一标准，通过发展和管理EPC网络标准来提高供应 链上贸易单元信息的透明度与可视性，以此来提高全球供应链的运作效率。
    综合以上介绍不难看出，Auto-ID实验室和EPC global分别从研究和应用的角度推动了RFID技术的不断发展。
    近年来，RFID技术的重要进展包括：超高频RFID读写器功能增强，并向低功耗、低成本、一 体化、模块化发展；采用新开发的喷墨打印制造工艺生产RFID电子标签，可以使单个电子标签价 格降至4美分；RFID新型中间件的推出使标签数据、读写器的管理更加快捷和简单。RFID技术的 这些进步，为准确、高效地实现物品识别提供了可靠保障。
    目前，RFID技术的应用领域包括电子门票、手机支付、车牌识别、不停车收费、港口集装箱管 理、食品安全管理等。由于具备实现物品自动识别和信息交换的能力，RFID技术被形象地比喻 为“物物通信技术”。加之RFID技术广泛应用于物流领域的现状，RFID被视为物联网的起源之一。