1.1 IoT的形成

计算机网络技术最成功的应用是互联网。互联网正沿着“移动互联网-物联网-智能物联网”的轨迹快速发展，潜移默化地融入各行各业与社会的各个方面，改变着人们的生活方式、工作方式与思维方式，深刻地影响着各国政治、经济、科学、教育与产业发展模式。研究IoT的形成与发展，首先需要了解物联网发展的社会背景与技术背景。

1.1.1 IoT形成的社会背景

比尔·盖茨在1995年出版的《未来之路》（The Road Ahead）中描述了他对IoT朦胧的设想与初步的尝试，1998年MIT的科学家向我们描述了一个基于射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）和产品电子代码（Electronic Product Code, EPC）的研究，阐述了IoT的基本概念，展示了一个IoT原型系统。

电信行业最有影响的国际组织是国际电信联盟（ITU）。20世纪90年代，当Internet应用进入快速发展阶段时，ITU的研究人员就前瞻性地认识到Internet的广泛应用必将影响电信业今后的发展。他们将Internet应用对电信业发展的影响作为一个重要的课题开展研究，并从1997年到2005年发表了七份“ITU Internet Reports”系列的研究报告（如图1-1所示）。2005年，ITU在世界Internet发展年度会议上发表了题为The Internet of Things的研究报告。报告向我们描绘了世界上的万事万物，小到钥匙、手表、手机，大到汽车、楼房，只要被嵌入一个微型的传感器芯片或RFID芯片，就可以通过Internet实现物与物之间的信息交互，从而形成一个无所不在的IoT构想。

2009年，在国际金融危机大背景之下，IBM公司向美国政府提出“智慧地球”（Smarter Planet）科学研究与产业发展咨询报告。IBM学者认为：智慧地球=互联网+物联网。智慧地球将传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并与超级计算机、云数据中心组成IoT，实现人与物的融合。智慧地球的概念是希望通过在基础设施和制造业中大量嵌入传感器，捕捉运行过程中的各种信息，然后通过无线网络接入Internet，通过计算机分析、处理和发出指令并反馈给控制器，控制器远程执行指令。控制的对象小到一个开关、一个可编程控制器、一台发电机，大到一个行业。通过智慧地球技术的实施，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产与生活，提高资源利用率和生产能力，改善人与自然的关系。

将比尔·盖茨在《未来之路》中所说的“我的房子用木材、玻璃、水泥、石头建成”和“我的房子也是用芯片和软件建成的”，与“智慧地球”报告中描述的“将传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中”联系起来，我们就会体会到：在IoT的概念出现之前，小到人居住的房屋，大到高速公路、铁路、机场，用钢筋混凝土修建的基础设施建筑都与高科技的传感器、芯片、通信、软件技术似乎没有任何必然的联系。在IoT中，冷冰冰的基础设施建筑中嵌入了传感器、执行器、芯片、通信、软件技术，“人-机-物”融为了一体，使没有生命的钢筋混凝土建筑有了“智慧”。IoT将应用到各行各业与社会的各个方面，开启一个新的时代。

“智慧地球”报告让IoT的概念与产业发展规划浮出水面，各国政府都认识到发展IoT产业的重要性，在2010年前后纷纷从国家科技发展战略的高度，制定了IoT技术研究与产业发展规划。

1.1.2 IoT形成的技术背景

任何一项重大科学技术发展的背后，都必然有前期科学研究的基础。在讨论IoT发展的技术背景时，必然要联系前期的两项重要的研究工作：普适计算（Pervasive Computing）与信息物理系统（Cyber Physical System, CPS）。

1.普适计算

普适计算也叫作“泛在计算”（Ubiquitous Computing）或“无处不在的计算”，同时出现了与之对应的术语“泛在网”（Ubiquitous Network）。

1991年，美国Xerox PAPC实验室的Mark Weiser在“The Computer for the 21st Century”文章中正式提出了普适计算的概念。1999年欧洲研究团体ISTAG提出了环境智能（Ambient Intelligence）的概念。环境智能与普适计算的概念类似，研究的方向也比较一致。普适计算的最终目标是实现物理空间与信息空间的完全融合，通过将“人-机器-环境”融为一体，实现“环境智能”的目标。

仅从字面上读者很难理解普适计算概念的深刻内涵，我们可以用图1-2所示的“3D试衣镜”应用实例，来形象地理解普适计算的概念，总结普适计算的主要技术特征。

一种被称为“魔镜”的“3D试衣镜”已经在很多商场服装销售中得到了使用。一位希望购买衣服的女士可以在3D试衣镜前不断地摆出各种姿态，用手势或语音指令去更换不同款式与颜色的衣服，选择她心仪的品牌、颜色、款式的衣服。后台的3D试衣镜系统将自动根据试衣区摄像头传过来的女士形体数据，分析这位女士的指令与对服饰选择的嗜好，从数据库中挑出合适的服装，结合女士的形体数据将她穿上不同服饰后的效果图，以三维的形式通过试衣镜展示给女士，供她挑选。在挑选衣服的整个过程中，她不需要操作计算机，她也不知道计算机在哪里，以及计算机是如何工作的，她要做的事就是比较不同服饰的穿着效果，享受购物的乐趣。顾客试衣和购买的过程可以在愉悦的气氛中自动完成。

理解普适计算的概念需要注意以下几个问题。

第一，普适计算的重要特征是“无处不在”与“不可见”。“无处不在”是指随时随地访问信息的能力；“不可见”是指在物理环境中提供多个传感器、嵌入式设备、移动设备，以及其他任何一种有计算能力的设备，可以在用户不觉察的情况下进行感知、通信、计算，提供各种信息服务，以最大限度地减少用户的介入。

第二，普适计算体现了信息空间与物理空间的融合。普适计算是一种建立在分布式计算、通信网络、移动计算、嵌入式系统、传感器等技术基础上的新型计算模式。它反映了人类对于信息服务需求的提高，具有随时、随地分享计算资源、信息资源与信息服务的能力，以实现人类生活的物理空间与计算机提供的信息空间的融合，借助于大量部署的传感器节点，可以实时地感知与传输人们周边的环境信息，从而将虚拟的信息世界与真实的物理世界融为一体，深刻地改变了人与自然的交互方式。

第三，普适计算的核心是“以人为本”。我们平常在办公室处理公文都需要坐在办公桌的计算机前，即使是使用笔记本计算机也需要随身带着它。细想之后我们会发现：在桌面计算模式中，人是围着计算机转的，是“以计算机为本”的。普适计算研究的目标就是尝试着突破桌面计算的模式，摆脱计算设备对人类活动的约束，将计算与网络技术结合起来，将计算机嵌入环境与日常工具中去，让计算机本身从人们的视线中“消失”，从而让人们的注意力回归到要完成的任务本身。

第四，普适计算的重点在于提供面向用户的、统一的、自适应的网络服务。普适计算的网络环境包括互联网、移动通信网、电话网、电视网和各种无线网络；普适计算设备包括计算机、智能手机、传感器、汽车、家电等能够联网的设备；普适计算服务内容包括计算、管理、控制与信息浏览。

普适计算的思想就是使计算机从用户的意识中彻底“消失”。在物理世界中结合计算处理能力与控制能力，将人与人、人与机器、机器与机器的交互最终统一为人与自然的交互，达到“环境智能”的境界。

因此，普适计算的主要技术特征可以总结为：

• 计算能力的“无处不在”与计算设备的“不可见”；

• “信息空间”与“物理空间”的融合；

• “以人为本”与“自适应”的智能服务；

• 实现普适计算的关键是“智能”。

普适计算与IoT的关系可以总结为：

• 普适计算与IoT从研究目标到技术特征、工作模式都有很多相似之处；

• 普适计算研究方法与研究成果对于IoT有着重要的借鉴与启示作用；

• IoT的出现使得我们在实现普适计算的道路上前进了一大步。

2.CPS

随着新型传感器、无线通信、嵌入式与智能技术的快速发展，CPS研究引起了学术界的广泛重视。理解CPS概念的内涵需要注意以下几点。

第一，CPS是一个综合计算、网络与物理世界的复杂系统，是将感知、通信、计算、智能与控制技术交叉融合的产物，通过计算技术、通信技术与智能技术的协作，实现信息世界与物理世界的紧密融合。

第二，CPS研究的对象小到纳米级生物机器人，大到涉及全球能源协调与管理的复杂大系统。CPS的研究成果可以用于智能机器人、无人驾驶汽车、无人机，也可以用于智能医疗领域的远程手术系统、人体植入式传感器系统。

第三，CPS是将计算和通信能力嵌入传统的物理系统中，形成集计算、通信与控制于一体的下一代智能系统。

CPS技术研究的内容很丰富，我们选择了大家感兴趣的“自动泊车”系统设计所涉及的问题，来直观地解释CPS的基本概念、研究的基本内容与技术特征。

对于很多生活在城市中的人们，寻找一个合适的车位，并且能够将汽车安全、快速、准确地泊入车位是一件困难的事。在这样的背景下，自动泊车系统应运而生。自动泊车也是无人驾驶汽车的基本功能之一。图1-3给出了自动泊车的示意图。

汽车的自动泊车过程由车位识别、轨迹生成与轨迹控制三个阶段组成（如图1-4所示）。

自动泊车系统是一种安全、快速地将车辆自动驶入车位的智能泊车辅助系统，它通过超声波传感器和图像传感器去感知车辆周边的环境信息，识别泊车的车位。

第一阶段：车位识别。自动泊车的第一阶段是车位识别阶段，需要通过两步来完成。

第一步，利用超声波传感器实现车位识别功能（如图1-5所示）。

行进中的车辆用超声波传感器感知泊车环境。利用超声波传感器对车辆到泊车环境中障碍物的精确测距，可以为自动泊车系统提供确定泊车环境模型的准确数据。

当驾驶员选择“自动泊车”功能且按下“泊车”键时，超声波传感器就周期性地向周边发送超声波信号，同时接收反射回的信号。用计数器统计发送到接收超声波的时间差，计算出车辆与障碍物的距离。

一般情况下，能够提供自动泊车功能的汽车要在车的前端、后端和两侧安装8个以上的超声波传感器，以便提供与车辆周边不同方位障碍物的精确距离信息，确定空闲车位是否能够满足泊车条件，实现车位识别功能。

第二步，利用图像传感器实现车位调节功能（如图1-6所示）。

行进中的车辆用图像传感器感知泊车环境。利用在车尾安装的广角摄像头，采集车位环境图像信息，并将环境图像信息传送到车载计算机的图像处理系统中。图像处理系统根据采集的环境图像信息进行图像测距，并且在图像中建立一个与实际车位大小相同的虚拟车位，通过在图像中调节虚拟车位，可以实现虚拟车位与实际车位之间的匹配，进一步完善车位信息。

第二阶段：轨迹生成。轨迹生成是通过建立车辆运动学模型，分析车辆转弯过程中车辆运动半径与方向盘转向角的关系，计算出车辆在泊车过程中可能会遇到的碰撞区域。

在对泊车过程建模分析的基础上，构造泊车模型，根据几何学原理计算出车辆在泊车过程中的轨迹。当生成的车辆移动轨迹与根据图像分析的车位数据匹配后，将控制车辆实时运动轨迹的转向角、速度指令发送给执行机构。轨迹生成过程如图1-7所示。

第三阶段：轨迹控制。在自动泊车过程中，通过执行实时运动轨迹的转向角、速度指令，车辆机械传动系统控制方向盘的转向角与车辆速度，进而控制车辆的泊车过程。

总结以上分析的自动泊车过程，我们可以看出：设计一个自动泊车系统需要用到感知技术、智能技术、计算技术、通信技术与控制技术（如图1-8所示）。

自动泊车技术是汽车无人驾驶技术的一个重要研究方向。它是将感知、计算、通信、智能与控制技术交叉融合的产物，是一种典型的信息物理融合的CPS系统，也是IoT智能交通领域中无人驾驶汽车研究的重要组成部分。

从“自动泊车”这个实例中，我们可以清楚地认识到：CPS是在环境感知的基础上，形成可控、可信与可扩展的网络化智能系统，扩展新的功能，使系统更加智能。

CPS系统的主要技术特征可以总结为“感、联、知、控”四个字：

• “感”是指多种传感器协同感知物理世界的状态信息；

• “联”是指连接物理世界与信息世界的各种对象，实现信息交互；

• “知”是指通过对感知信息的智能处理，正确、全面地认识物理世界；

• “控”是指根据正确的认知，确定控制策略，发出指令，指挥执行器处理物理世界的问题。

从以上分析中，我们可以清晰地看出CPS与IoT的关系：

• CPS研究的目标与IoT发展方向是一致的；

• CPS与IoT都会催生大量的智能设备与智能系统；

• CPS的理论、技术研究的成果对IoT有着重要的启示与指导作用。

在讨论了普适计算、CPS研究之后，我们会得到一种启示：普适计算与CPS作为一种全新的计算模式，跨越计算机、软件、网络与移动计算、嵌入式系统、人工智能等多个研究领域。它向我们展示了“世界万事万物，凡存在皆联网，凡联网皆计算，凡计算皆智能”的发展趋势，这也正是IoT要实现的目标。因此，我们在研究IoT应用时，必须认真学习、借鉴CPS技术的研究成果，使得IoT与CPS之间能够形成一种自然的衔接与良性的互动关系。

参与IoT研究的技术人员头脑中都会呈现一个美好的愿景：将传感器或RFID芯片嵌入电网、建筑物、桥梁、公路、铁路，以及我们周围的环境和各种物体之中，并且将这些物体互联成网，形成IoT，实现信息世界与物理世界的融合，使人类对客观世界具有更加全面的感知能力、更加透彻的认知能力和更加优秀的处理能力。如果说互联网、移动互联网的应用主要关注人与信息世界的融合，那么IoT将实现物理世界与信息世界的深度融合。

综上所述，我们可以用图1-9描述IoT形成与发展过程。

1.1.3 IoT与Internet的主要区别

深入理解IoT基本概念与技术特征，就需要对IoT与Internet的技术特点进行比较和分析。IoT与Internet的不同之处主要表现在以下几个方面。

1.IoT提供行业性、专业性与区域性的服务

历数Internet所提供的服务，从传统的E-mail、FTP、Web，到搜索引擎、即时通信、网络音乐、网络视频以及基于位置的服务，Internet应用的设计者采取开放式的设计思想，试图建立全球公共信息服务系统。为了推广Web服务，设计者制定了创建网页（Web Page）的超文本标记语言（HTML）协议，制定了定位网页的统一资源定位符（URL），制定了链接网页的超链接（Hyperlink）协议，制定了Web客户端与Web服务器通信的超文本传输协议（HTTP）。只要网站开发者按照这个协议体系开发网站，编写应用程序，就可以方便地链接到全球的Web服务体系之中（如图1-10a所示）。

IoT设计目标与Internet不同，IoT应用系统是面向行业、专业和区域的。如图1-10b所示，我国在第十二个五年计划中重点发展智能工业、智能农业、智能电网、智能交通、智能医疗、智能物流等九大行业的应用。对于关乎国民经济发展的重要应用领域，一定是由政府责成相关的行业与产业主管部门来组织规划、设计、建设的。例如，我国智能电网的建设由国家电网规划、设计、组建、运行和管理。智能交通目标是解决一个城市、一个地区内的交通问题，并且由城市交通主管部门规划、组建与管理。因此，IoT应用系统具有行业性、专业性与区域性的特征。

2.IoT数据主要通过自动感知方式获取

纵观Internet应用的发展，我们可以清晰地看出：Internet主要提供的是人与人之间的信息共享与信息服务，Internet上传输的文本、视频、语音数据主要是通过计算机、智能手机、照相机、摄像机，以人工方式产生的。Internet构成了人与人之间信息交互与信息共享的网络空间，Internet数据主要是以人工方式生成的（如图1-11a所示）。

IoT的大量信息是通过RFID标签、传感器自动产生的。例如，在智能交通应用中，不同的交通路口通过视频摄像探头、地埋感应线圈、智能网联汽车、智能无人机等IoT接入设备，实时感知城市交通信息，通过智能交通专用网络传送到城市交通指挥中心；城市交通指挥中心通过云计算平台与超级计算机对智能交通的大数据进行处理，形成适应当前城市交通状况的交通疏导方案；城市交通指挥中心根据交通疏导方案，通过智能交通专网将不同路口红绿灯的开启时间指令传送到指定路口的红绿灯控制器。同时，通过车联网向运行的车辆发布路况与疏导信息，帮助驾驶员与智能网联汽车了解当前交通状态，选择正确的行驶路线，以达到快速、安全出行的目的。因此，IoT通过“泛在感知、互联互通、智慧处理”最终实现信息世界与物理世界的“人-机-物”融合。IoT数据主要通过感知方式获取（如图1-11b所示）。

3.IoT是可反馈、可控制的“闭环”系统

Internet采用的是“开放式”设计思想，为人类构建了一个人与人信息交互和共享的网络虚拟世界；而IoT通过感知、传输与智能信息处理，生成智慧处理策略，再通过执行器实现对物理世界中对象的控制。因此，Internet与IoT一个重要的区别是：Internet是开环的信息服务系统，而IoT是闭环控制系统。我们可以以智能交通应用为例来说明这个问题。

我们每个人对于Internet应用都特别熟悉。我们可以使用E-mail系统发邮件，用FTP系统下载软件，用Web系统看新闻，用搜索引擎查询“大数据”方面的论文，需要注意的是：Internet对于我们来说是人与人之间信息交互、信息共享的平台。人是“有智慧”的，人们不希望有任何外部力量或意识能够通过Internet控制自己的思维。即使是通过搜索引擎去查询一件事，我们也只希望计算机将相关的资料按照重要性排序后提交给我们，最终是通过自己的判断，有选择地决定看什么或不看什么。IoT则不一样。以智能交通应用为例，我们把交通路口埋设的感应线圈、安装的摄像头，以及车联网实时感知的交通数据，通过智能交通网络传送到城市交通控制中心。交通控制中心通过对采集到的实时交通数据进行融合处理，形成交通控制指令，再将控制指令反馈到路口信号灯控制器、道路路口引导指示牌、行进的车辆、执勤的交警，通过调节不同道路上车辆的数量、时间、速度，达到优化道路通行状态的目的。智能交通的闭环控制机制如图1-12所示。

同样，智能工业、智能电网、智能医疗、智能交通等系统都需要采用闭环控制机制。根据IoT应用系统的规模，以及对控制的实时性、可靠性要求的不同，有的只需要采用传统的智能控制理论与方法，有些复杂大系统需要研究新的控制方法。智能工业追求的目标是智能工厂、智能制造与智能物流，支撑智能工业技术的主要特征是：高度互联，实时系统，柔性化、敏捷化、智能化。智能工业的控制对象是复杂大系统，传统的控制理论与方法已经不适用，必须找到新的控制理论与方法，那就是数字孪生。

IoT闭环控制追求的最高境界应该是数字孪生。目前研究人员正在尝试将数字孪生用于智慧城市、智能医疗、智能交通等更为广泛的领域，实现“虚实结合，以虚控实”的目的，以提高IoT的智能控制能力与应用效果。因此从这个角度看，IoT是可反馈、可控制的“闭环”系统。

4.IoT是虚拟世界与现实世界的结合

Internet上流传着一句话：在Internet上没有人知道它是一只“狗”，而在IoT上“狗”也是有身份的“网民”。这句话看上去是一句戏言，其实有一定道理。Internet从设计之初就强调它的开放性，Internet虚拟世界不归世界上任何一个部门或公司所有，它是由用户遵守一个标准的TCP/IP体系，以网际互联的方式不断扩展形成的。一个用户可以在不同的电子邮件服务网站注册多个邮箱，使用多个用户名。写过TCP/IP程序的人都知道，IP地址是一种“软件”地址，它由网络管理员来分配并且是可以改变的，也可以在应用软件中由程序员“写”进去。其实伪造IP地址是一件非常容易的事，在Internet上截取一个“用户名”与对应的“密码”也是一件容易的事。因此，Internet用户身份的可信度并不高。图1-13描述了IoT与Internet对接入对象身份真实性要求的区别。

IoT中“实体”与“设备”是对人与物的一种抽象。智能电网、智能安防、智能物流等IoT应用系统必须给接入的“实体”（如智能电表、智能水表、商品）或“设备”分配一个身份标识，并且这个标识在全世界是唯一的。RFID其实就是给接入IoT中的商品、人或者动物配置一个可识别和唯一的标识，IoT应用系统必须通过身份识别和认证机制，来保证接入的传感器、执行器、设备与用户“身份”的真实性、可信性和合法性。这也是IoT与Internet的一个基本的差别。Internet创造的是网络虚拟世界，而IoT是虚拟与现实的结合。

5.IoT面临着更为严峻的网络安全问题

网络安全是一种伴生技术。网络上出现一种新的应用，就会随之出现新的网络安全问题。愈演愈烈的Internet网络安全威胁一直困扰着我们，而IoT面临着更加严峻的网络安全局面。

接入IoT的设备与系统的复杂度差异很大。例如，接入IoT的很多种低端传感器与执行设备数量大、分布广、造价低、结构简单，不可能具备较强的安全防范能力，易于被黑客利用，形成了易攻难防的局面。而一个大型IoT应用系统一定是由多个子系统组成的，属于“系统级的系统”。不同功能的子系统分布在不同的层次和不同的地理位置，由网络互联起来，构成一个复杂的分布式协同工作系统。

在智能交通的研究中，实现最低端的汽车控制功能至少需要几十个微处理器，而高端的智能网联汽车要用到几百个传感器、执行器以及微处理器。车载操作系统用于自动驾驶、复杂的态势感知、车载信息服务，嵌入式软件代码一般超过数百万行。Steve McConnell在《代码大全》中给出一个统计数据：软件中平均每1000行代码中大约存在30个漏洞；即使是被公认为漏洞较少的Linux内核，每10 000行代码中也有1～5个漏洞。这也就是说，不管软件工程师多么细心，软件测试多么严格，软件存在着漏洞都是不争的事实。IoT协议与软件庞大复杂，数据交互如此之繁多，存在漏洞和被攻击的可能性一定会比较高。

IoT的智能工业、智能农业、智能交通、智能医疗、智能家居、智能安防、智能物流等应用中接入的智能硬件设备，小到病患者的心脏起搏器、植入式传感器、居民的电子门锁、婴幼儿监控设备，大到城市供水、供电、供热、供气系统与照明系统，以及智能工厂制造设备、智能网联汽车、飞机控制系统，针对IoT的网络攻击都有可能造成危及生命与财产安全的重大事故，严重时会造成突发事件，引发社会动乱。

同时，由于IoT接入设备的数量庞大、类型多样、分布极广，并且大量的IoT终端设备处于移动状态，因此传统Internet网络安全防护体系已经不能满足IoT网络安全的要求，研究人员必须另辟蹊径，去研究IoT安全防护体系、策略、技术与产品。

1.1.4 我国IoT技术与产业发展

我国政府高度重视IoT技术与产业的发展。2010年10月，在国务院发布的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中，明确将IoT列为我国重点发展的战略性新兴产业之一，大力发展IoT产业成为国家具有战略意义的重要决策。之后在2011年发布的《“十二五”规划纲要》、2015年发布的《“十三五”规划纲要》，以及2013年发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》、2016年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》、2016年发布的《国家创新驱动发展战略纲要》、2017年发布的《物联网发展规划（2016—2020年）》中，都对IoT技术研究与产业发展做出了规划，明确了IoT研究的关键技术、重点发展的应用领域，以及服务保障体系的建设。我国政府为IoT技术研究与产业发展创造了良好的社会环境。2018年世界物联网大会（WIOTC）发布的《世界物联网排行榜TOP250》中，我国华为公司排名第一。

截至2020年年底，我国IoT产业规模已经突破1.7万亿元，“十三五”期间IoT总体产业规模保持20%的年均增长率。这些数据说明，全球IoT产业保持着高速发展态势，我国IoT产业有着巨大的发展空间。