1.1 什么是物联网
1.1.1 概念的形成和发展
物联网已经成为第四次科技革命的重要标志，在驱动国民经济各行各业转型升级方面发挥着不可替代的作用。在全球经济大变革的背景下，物联网已不再是对传统行业和企业的小修小补，而是从深层次上改变产业的生产经营方式，重塑各大企业的商业模式，也从很大程度上开始改变人们的生活方式，引发经济发展新形态。
2017年，物联网（Internet of Things，IoT）再次成为大众热点，各类媒体宣传、行业应用和解决方案层出不穷，尤其是以NB-IoT为代表的蜂窝物联网走到前台，借助全球主流统一标准优势和国家层面政策的大力支持，三大电信运营商纷纷启动大规模建网，上下产业链共同积极推动各类规模应用的落地，如智慧停车、智能抄表、自动监测等业务。
1995年，比尔·盖茨在其《未来之路》（The Road Ahead）一书中描述和展示了物联网的雏形，但真正物联网的概念和实践来自于MIT Auto-ID Center的Ashton等人于1999年正式提出的构想：在计算机互联网的基础上，利用射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）、数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“物联网”，从而把所有物品与互联网连接起来，实现智能识别和管理的目的。在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。从Ashton提出的物联网技术、架构和目标愿景来看，着眼于静态（无源）物体（特别是商品）的连接和智能管理，所以首先应用在大型超市、仓储物流企业的物品运输和销售管理上。
2005年，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）在突尼斯举行的信息社会世界峰会（World Summit on the Information Society，WSIS）上发布《国际电信联盟ITU互联网报告2005：物联网》（ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things），官方首次承认并定义了物联网的概念。报告指出，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主动进行数据交换。RFID技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入四项技术将得到更加广泛的应用。根据ITU的设想，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间、任何地点的人与人之间的沟通连接，扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。报告共有7章，内容包括了何为物联网；物联网技术支持；市场机遇；物联网面临的挑战和存在的问题；发展中国家的机遇；展望2020年的某一天和一种新型生态系统。
2008年，国际商业机器公司（International Business Machines Corporation，IBM）提出“智慧地球”的概念，建议政府在宽带网络、智慧医疗和智慧电网等新一代的智慧型基础设施方面加大投入，从而拉动就业，提升竞争力，其中，物联网就是这些智慧型基础设施中间的一个重要组成部分。IBM认为智慧地球意味着更透彻的感知、更全面的互联互通和更深入的智能化，其实这也是物联网核心的三要素：感知、网络、智能（平台+应用）。IBM认为物联网将物理世界和互联网紧密连接从而更好地管理物理世界，是信息技术（IT）和控制技术（OT）的融合，它借助数据采集技术和智能网络分析预测和优化物理世界，创造新的价值。
2010年，在第十一届全国人民代表大会第五次会议上，物联网被首次写入《政府工作报告》，并列入国家“十二五发展规划”，成为国家的重要战略性产业，物联网产业在中国正式走向前台。2013年，国务院专门出台《关于推进物联网有序健康发展的指导意见》（国家〔2013〕3号）。2017年，工业和信息化部先后颁布《物联网的十三五规划（2016—2020年）》《工业和信息化部办公厅关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》《中华人民共和国工业和信息化部公告2017年第27号》等一系列关键性、纲领性的政策文件，将我国物联网产业从初期的感知为主、区域性发展推向全网性、全面爆发式发展。
1.1.2 物联网的定义
从字面理解，所谓的物联网就是将所有物体联接起来的网络，不同于现有的互联网（联接计算机为主）和移动通信网（联接手机/智能终端为主），物联网联接的主体是非智能化的物体或设备，绝大多数的物体本身属于静态无源型。根据ITU的定义：物联网是基于现有的/演进的可互操作的信息通信技术，通过互联（物理和虚拟）物件提供先进服务的全球信息社会基础设施，其中虚拟物件是在信息世界可存储、处理和接入的内容，如多媒体内容和应用软件等。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）之间的互连，着重是连接并使能Things。业界还经常会提及另外一个概念M2M，它包含了3个方面的含义：人到人（Man to Man）、人到机器（Man to Machine）、机器到机器（Machine to Machine）。从本质上看，M2M可以说是物联网的一个子集，Things包含Machine的概念。
物联网必须和计算机、互联网、电子信息技术充分相结合，才有可能实现物体与物体之间关于环境、状态等信息的实时共享，以及智能化的收集、传递、处理和执行。物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息的承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。
物联网包含了以下几层关键步骤：
• 识别物体，将物体有价值的物理特性转换为数字信号，或者有源物体能够直接提供数字信号；
• 联接物体，表征物体特性的数字信号可通过各类网络传输手段采集上传，也可接受下发的控制信号并做出响应；
• 处理数据，收集的数据集中到数据中心进行统一分类处理，提高数据价值；
• 应用数据，集中处理后的数据会被深度加工，提炼出各类应用，从而更好地管理、利用物体，服务于社会。
综上所述，本书认为物联网本质是扩充了互联网和通信网的触角和内涵，将所有的物体接入到网络中，形成人与物、物与物、物与数据之间的信息交互和影响，同时针对不同物体数据特别的特性和用途，采用特定的网络连接、数据处理和应用实现方法，从而实现物体的数字化、自动化、智能化处理。物联网不仅仅是一种网络形态，也是特定的业务和应用，是二者的有机结合体。从技术标准化的角度来看，物联网是全球信息社会的基础设施，以物质互连（物理和虚拟）的方式，在现有和新兴互操作信息通信技术（ICT）的基础上提供先进的业务和应用。
本文从物联网利用的网络、技术特征及应用场景出发，将物联网分为以下三大类。
蜂窝物联网（Cellular Internet of Things，CIoT）：基于蜂窝网的专用物联网技术，以及搭建的网络、平台和应用。
基于蜂窝网的物联网应用：指基于2G/3G/4G等蜂窝网的特性而开展的物联网应用，不是专用技术和网络，也没有基于物联网应用的特殊性而对网络架构、技术做特别的处理。
非蜂窝物联网技术及应用：泛指所有不是基于蜂窝网的物联网技术和应用。基于技术特征可以分为两种：一种是专用物联网技术，如远距离（Long Range，LoRa）、SigFox（法国的一家公司，其技术主要用于低功耗物联网）、ZigBee（紫蜂协议）等，与蜂窝物联网CIoT类似；另一种是基于公用计算机技术和网络开展的物联网应用，如无线保真（Wireless Fridelity，Wi-Fi）、蓝牙（BlueTooth）等。
1.1.3 物联网的特点
物联网具有全面感知物体、可靠网络传输、智能数据处理和特定应用场景四大特点。
1. 全面感知物体
物联网要将大量物体接入网络并进行通信活动，全面感知各物体的重要特性是十分重要的。全面感知是指物联网随时随地获取物体的信息，获取物体所处环境的温度、湿度、位置、运动速度、耗电量、运行数据等各种各样有价值的数据。全面感知就像人身体系统的各个感觉器官，眼睛收集各种图像信息，耳朵收集各种音频信息，皮肤感知外界温度，手指感受重量，脚步丈量出速度，所有器官协同工作才能全方位扫描外界环境。物联网正是通过射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）、各种传感器、二维码等感知设备获取物体的多方面信息。
2. 可靠网络传输
全面感知物体的数据需要通过一个可靠、安全的网络进行传输，物体接受控制信号及物体之间互通也同样需要可靠网络传输。可靠传输是物联网的一个重要特征，通过对各种无线网、有线网和互联网进行融合，将物体的信息实时准确地传递给用户。获取信息是为了对信息进行分析处理从而进行相应的操作控制，将获取的信息可靠地传输给信息处理方。可靠网络传输相当于人体系统中的神经系统，把各个器官收集到的各种不同信息传递给大脑这个中枢系统，并且将大脑做出的指示传递给各个器官。
通过各种形式的高速、高带宽的无线/有线通信工具形成可靠网络，将个人电子设备、组织和政府信息系统中收集和储存的分散的信息及数据连接起来，进行交互和多方共享，从而更好地实时监控环境和业务状况，从全局的角度分析形势并实时解决问题，可以通过多方协作远程完成工作和任务，将彻底地改变整个世界的运作方式。
3. 智能数字处理
智能数字处理是指深入分析收集到的数据，以获取更加新颖、系统而且全面的洞察来解决特定问题。这要求使用先进技术（如数据挖掘和分析工具、科学模型和功能强大的运算系统）来处理复杂的数据分析、汇总和计算，以便整合和分析海量的、跨地域、跨行业和职能部门的数据和信息，并将特定的知识应用到特定行业、特定的场景、特定的解决方案中，以便更好地支持决策和行动。这是物联网的核心，相当于人体器官中的大脑，它会根据神经系统传递来的各种信号做出决策，指导相应器官的活动。
4. 特定应用场景
物联网搭建了从底层感知、网络传输到数字信息处理的全套系统，最终是为了解决某一类或几类特定的应用场景，比如智能家居、智能抄表、智慧医疗、智慧工厂等。其实物联网从最初概念的萌芽、诞生直至发展，都紧紧围绕着应用场景，可以说物联网因应用而生，也正因为日常生活、工作和社会中各式各样的碎片化应用太多，导致物联网发展没有像互联网、移动通信网这样快速壮大，始终面临碎片化市场、多样化技术手段、解决方案需应对不同应用的困境。不同于计算机互联网和移动通信网，在物联网终端构建的行业应用中，各领域应用对信息采集、传递、计算的质量要求差异很大，系统和终端部署的环境也各不相同，特别是千差万别的工业环境。在构建具体的应用时，还需要考量技术限制（供电问题、终端体积等）和成本控制（包括建设成本和运营成本）。因此，特定应用场景是物联网的一个本质特征。
1.1.4 物联网应用
目前，信息通信技术迅速发展，物联网作为信息通信技术的典型代表，在全球范围内呈现迅猛发展的态势。物联网应用涉及城市管理、智慧家庭、物流管理、零售、医疗、安全等在内的重要领域。物联网应用的普及和物联网技术的成熟推动世界进入万物互联的新时代，可穿戴设备、智慧家庭等数以百亿计的新设备接入网络。预计到2020年，全球联网设备数量将达到400亿，物联网市场规模达到1.9万亿美元。在2018年年底，全球车联网的市场规模达到400亿欧元，年均复合增长率达到25％；全球智能制造及智能工厂相关市场规模达到2500亿美元；全球可穿戴设备出货量从2014年1960万部增长到2019年1.26亿部。万物互联在推动海量设备接入的同时，将在网络中形成海量数据，预计2020年全球联网设备带来的数据将达到44ZB（Zettabyte十万亿亿字节），物联数据价值的发掘将进一步推动物联网应用呈现爆发性。随着物联网基础技术的突破，LoRa、蜂窝组网技术基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、增强性机器通信技术（enhanced Machine-Type Communication，eMTC）、5G等技术标准不断深化成熟，连接成本不断下降，最终将迎来一个万物互联的时代。
物联网应用从接入速率和接入技术角度可以分为三大类：第一类是低速率应用，要求宽带的速率在100 kbit/s以下，主要用于智能电/水/气表，各类烟雾、温湿度等环境检测器，消防栓、物流跟踪、共享单车、智慧农业等，这类应用和物联网节点占整个物联网节点的60％；第二类是中速率应用，要求宽带的速率在1 Mbit/s以下，包括智能家居、POS等，基本上占到市场的30％；第三类是高速率应用，要求宽带的速率在10 Mbit/s以上，如视频监控，大约占市场的10％。不同速率要求的物联网应用及对应的技术如图1-1所示。
图1-1 不同速率要求的物联网应用及对应技术
对于高速率的物联网应用，适合使用4G/5G或光纤接入，而对于量大面广的低速率广域应用，不但所需带宽低，而且联网时间短，使用Wi-Fi、ZigBee或蓝牙等技术要通过手机、中继网关或无线访问接入点（Access Point，AP）送到基站，数据准确率低，耗电量大，这类应用很难找到合适的接入手段。对于智能家居、M2M等中速应用也没有非常合适的接入技术。目前，接入到运营商网络的物联网终端仅有6％，低成本和低速率物联网的发展催生了蜂窝物联网CIoT技术的发展。
1.1.5 物联网业务特征
1. 连接海量化
根据Analysys Mason预测，到2020年全球将有400亿物联网设备，而DHL（敦豪航空货运公司）和思科联合发布的报告则预测2020年物联网连接数将达到500亿。无论是哪种预测，物联网产业形成海量连接已成为趋势。
2. 业务碎片化
物联网业务与个人及家庭生活、工业生产深度融合，应用场景多，产业链中的终端、网络、芯片、操作系统、平台、业务等具体实现各不相同。各类应用场景的业务规模、终端功能、数据种类也存在差异，碎片化现象严重。
3. 服务开放化
物联网业务平台既有运营商平台，也有互联网或垂直行业用户自建的平台，可满足各种业务需求；同时，部分业务需要平台开放云计算、位置查询、设备状态查询、认证等必要的能力，使整个网络更加开放。因此，物联网的服务模式和传统通信的服务模式有较大不同，产业链将更长且不断产生各类新兴的商业模式，也相应地提出了新的网络信息安全需求。
1.1.6 与互联网的区别
物联网与互联网的区别如图1-2所示。
图1-2 物联网和互联网的区别
“物联网”是在“互联网”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。互联网着重信息的互联互通和共享，解决的是人与人的信息沟通问题；物联网则是通过人与人、人与物、物与物的相联，解决的是物理实体世界信息化的智能管理和决策控制问题。
互联网与物联网在终端系统的接入方式也不相同。互联网用户通过端系统的服务器、台式计算机、笔记本电脑和移动终端访问互联网资源；物联网终端一般无法直接接入网络，需要无线传感器网络、RFID应用系统或通过转换为电信号发送至专用通信模块才能接入网络。
除了这些，还有更重要的一点区别就是物联网对互联网的一个巨大优势：感知层的运用。对物联网而言，信息的产生和传输在很大程度上都是主动的，人不必深入参与到信息的采集和分析中，大量不需要亲自关注的信息由设备和网络处理，从而能够将人从信息爆炸的困局中解脱出来。