物联网的涵义、架构、技术和产业概述

物联网的涵义、架构、技术和产业概述

吴国发

初稿：2020年9月19日

修改：2022年4月29日

内容提要：本文简明扼要地介绍物联网的定义、内涵、特征、架构、技术和物联网产业。

关键词：物联网  互联网  因特网  传感器  IoT  RFID

物联网是物与物联成的互联网，其英文是Internet of Things (IoT)。物联网是万物（人、动物、植物和无生命的物体）互联的网络。

（一）物联网的定义、内涵和特征

（A）“物联网”概念的提出

1999年，美国麻省理工学院(MIT)自动识别（Auto-ID）中心的阿希顿(Ashton)教授首先提出“物联网”（Internet of Things）的概念。

中国科技界以前把物联网称之为传感网。中国科学院早在1999年就启动了传感网的研究，并已取得了一些科研成果，建立了一些传感网。

2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。

（B）物联网的定义和内涵

物联网是物与物联成的互联网，其英文是Internet of Things (IoT)。这里，“物”是广义的，不仅包括没有生命的物体（手表、电视机、电冰箱、汽车、火车、飞机、军舰、导弹、机器、设备、大楼、水坝、桥梁，等等），而且包括有生命的人、动物和植物。

因此，物联网的定义是：物联网是万物互联的网络，它通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与互联网相联结；物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、管理、控制等功能。

 按照国际电信联盟(ITU)的定义，物联网主要解决物品与物品(Thing to Thing，T2T)，人与物品 (Human to Thing，H2T)，人与人(Human to Human，H2H)之间的互相联结。但是，物联网与传统互联网不同的是，H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接，从而使得物品连接更加的简化；而H2H是指人之间不依赖于计算机而进行的互联。互联网并没有考虑到对于任何物品联结的问题，故我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。

M2M（Machine to Machine）是机器与机器的信息交流，通过移动通讯对设备进行有效控制。M2M是物联网的组成部分。不能把M2M解释成“人到人”（Men to Men）、“人到机器”（Men to Machine）。

（C）物联网的特征

物联网的基本特征可概括为智能感知、可靠传输和智能处理。

根据物联网的特征，围绕信息的流动过程，可以归纳出物联网处理信息的功能如下：

(1)获取信息的功能，主要是信息的感知、识别；

(2)传送信息的功能，主要是信息的发送、传输和接收；

(3)处理信息的功能，是指信息的加工过程，处理已经获取的信息，产生新的方案、计划、决策等；

(4)施效信息的功能，指信息最终发挥作用、产生效益的过程。

（二）物联网体系的层次和架构

物联网体系的层次和架构如下：

物联网分为四层，自下而上分别是感知识别层、网络传输层、应用支撑层和应用接口层。

（1）感知识别层实现对物理世界的感知与识别。感知层由各种传感器（温度传感器、湿度传感器、光传感器、二维码标签、RFID 标签、摄像头等）以及传感器网关构成。

（2）网络传输层利用无线网络技术和移动通信网络，完成数据的传输。网络层由各种计算机网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成。

（3）应用支撑层对传输过来的数据进行处理；把经过处理的数据形成数据库，再传输到上一层。

（4）应用接口层将处理过的数据送到各类应用系统，形成相应的解决方案。应用接口层是物联网和用户（包括个人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

物联网体系主要由运营支撑系统、传感网络系统、业务应用系统、无线通信网系统等组成。

（三）物联网应用的各种技术

物联网技术是信息时代技术发展继电子计算机、互联网技术之后的第三个里程碑。

物联网技术的范围很广。在物联网的各个层次使用不同的技术。

（1）感知识别层的技术：

传感器技术，射频识别（Radio Frequency Identification， RFID）技术，条形码技术，实时定位技术，自动识别技术（生物识别技术、磁卡和IC卡识别技术、光学字符技术等），微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术，等等。

（2）网络传输层的技术：

ZigBee技术（极短距离无线传输技术），Wi-Fi（Wireless Fidelity）技术（短距离无线传输技术），WiMAX（Worldwide Electroperability for Microwave Access）技术（全球微波接入技术），蓝牙（Bluetooth）技术，移动通信5G技术，卫星信息传输技术，等等。

（3）应用支撑层的技术：

嵌入式技术（包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户应用程序），数据库管理系统，软件的中间件，海量数据存储技术，搜索引擎技术，大数据挖掘与处理技术，云计算技术，等等。

（4）应用接口层的技术：

运营平台建设技术，各种应用软件，人工智能技术，等等。

（5）物联网安全技术：

传感器网络安全技术，RFID安全技术，数据库安全技术，移动通信5G安全技术，等等。

（四）物联网技术和产业的发展

（A）外国的物联网技术和产业

美国、日本、欧盟等对物联网技术和产业非常重视。

2009年，美国奥巴马政府把新能源和物联网并列为振兴经济的两大重点产业。

日本第一个提出了“泛在网络”的概念。“泛在网络”源于拉丁语的ubiquitous，故简称“u网络”。2004年，日本在提前完成e-Japan战略目标的基础上，提出了u-Japan战略，目标是实现无论何时、何地、何物、何人都可以受益于ICT（信息与通信技术）的社会。日本的泛在网包含物联网。

2009年9月，欧盟发布《欧盟物联网战略研究路线图》，提出到2020年，突破物联网关键技术，在航空、航天、汽车、能源等18个领域，应用物联网技术取得很大经济效益。

物联网技术和产业发展迅速。外国有关机构的调查显示，2015年，全球物联网联结的物件大约60亿个左右；预计到2020年底，物联网联结的物件将达到270亿个。

（B）中国的物联网技术和产业

2009年8月，国务院把物联网产业列入五大新兴战略性产业之一。

2011年，工业和信息化部发布《物联网“十二五”发展规划》。这个规划的大部分目标达到了，少数目标没有达到。

2019年9月7日至10日，“2019世界物联网博览会”在无锡举行。世界30多个国家，参展企业542家，世界五百强企业37家，参会人数18万。无锡成为“东方物联网之都”。

2019年11月8日，2019世界物联网大会在北京开幕，围绕“推动5G物联世界创造全球智慧经济”主题展开高端对话、专题论坛和专场会议。

网络通信相关技术和产业支持能力，中国与美国差距较小。在传感器、RFID （无线射频技术）等感知端制造产业，物联网核心芯片，以及高端软件（操作系统、数据库管理系统）集成服务等方面，与美国的差距较大。例如，我国共有450余家从事敏感元件及传感器生产厂家，但外资企业占67%。RFID标签产业几乎全部使用美国的技术。物联网通用的操作系统、数据库管理系统、大数据处理技术都是美国研究开发的。

至于中国物联网产业的发展情况，工信部发布的数据显示：2017年，物联网产业的规模突破了1万亿元；2020年，物联网产业规模达到1.8万亿元。

世界物联网大会主席何绪明指出，中国占到全球物联网产值1/4左右，2025年全球物联网产值有望达到30万亿美元的市场体量。

在中国，上海、无锡、杭州、南京、西安等城市已经建立了物联网科技园。