第 2 章 物联网定义与架构
本章主要介绍物联网理念、 定义及其实用框架。
2. 1 物联网定义
在第 1 章里， 我们指出， 物联网是以互联网为基础发展起来的， 其目标是实现AP 节点或者若干 AP 节点按需安全获取全球万物相关信息。 目前， 关于物联网的定义尚在不断完善中， 因此， 下文是对物联网理念的一种诠释， 并非措辞严格的定义。 但是， 我们临时为物联网确定了一种 “工作定义”， 并将其作为本文研究的逻辑基点。
2. 1. 1 一般性认识
关于物联网的定义， 有以下一些认识：
“物联网是 20 世纪的新生事物。 物联网域中， 实物消费品 （元产品） 接入网络， 并通过传感器和触发器相互交流……”[1]
“如今， 用户通过互联网可以体验各种应用， 比如， 发送电子邮件、 即时信息以及应用社交网络。 在执行应用服务的同时， 用户无须在场， 但是目前在许多情况下， 用户需要保持在位。 虽然不同的终端设备在性能上存在明显差异， 但是互联网中终端设备的性能通常较高。 随着各种设备接入互联网， 其相关特性必将发生变化。 ‘物联网’ 域中的大量设备享受基于互联网协议的通信服务。 而且， 其中的许多设备并不需要人们直接介入， 它们可以是建筑物、 车辆和环境中的一分子。 不同的设备在计算能力、 可用内存和通信带宽等方面将有不同的要求。 其中的许多设备将提供新型服务， 和之前未互联的设备相比， 这些设备甚至能创造更多的价值。 一些设备已经基于传统的方式实现了互联， 但是现在要转而使用互联网协议， 所有的应用要凭借统一的通信媒介从而实现更多的通信服务……”[2]
“M2M 是指机器之间的交互， 比如机器间的数据自动交换 （‘机器’ 还包括虚拟机器， 如软件应用等）。 鉴于其功能与潜在应用， M2M 正在催生泛在物联网， 或者说智能物体互联网。 但是， 经进一步论证考察， M2M 尚只是关于遥测技术 （测量数据自动远距离传输） 和 SCADA 数据采集与监控等高要求应用的流行用语。 与遥测技术和 SCADA 不同的是， 大多数 M2M 应用， 尤其是目前使用的通信协议和传输方法， 都是基于既定标准。 遥测技术应用专门的解决方案， 在很多情况下， 这些解决方案甚至仅面向一个具体的用户或者应用程序； 而 M2M 理念应用 TCP / IP等用于互联网和局域网的开放式协议， 任何情况下的数据格式也是一致的……”[3]
“物联网涉及大量的应用程序。 关于物联网中的 ‘物’ 包括哪些设备， 人们有不同的认识。 大多数物联网设备都会受到不同程度的制约。 物联网应按照不同的应用领域予以划分……”[4]
“信息通信技术的发展催生了智能手机、 个人电脑和掌上电脑等个人无线设备。 这些设备都是基于 IP 网络运行， 因此， 接入互联网的设备正以几何速度增长。这样， 互联网的定义通常被界定为 “未来互联网和物联网”。 物联网的目标是全面融合并统一通信系统， 这样， 各种系统便处于可控状态， 还能全面接入其他系统，实现泛在通信与计算， 从而界定新一代的通信服务。”[5]
“物联网的愿景是将任一物体接入小型设备， 使其可凭借唯一的 IP 地址予以识别。 这些设备之间可自动交互。 物联网的实现取决于能否攻克下列技术难关： ①转变现行 IP 地址使用模式， 未来要能给任一物体提供一个 IP 地址： ②设备的嵌入式芯片所需功率要更小且更节能； ③进一步开发软件应用， 实现其与来自互联非计算设备的数据流之间的交互， 并对数据流进行管理。 上述互联非计算设备构成了一个智能系统， 可以适应和应对各种变化。”[6]
“……物联网将是一种先进的网络， 它涵盖一般的物理实体、 计算机以及其他电子设备。 一般的物体都是网络的一部分， 无须构建自主网， 便能实现协作、 理解实时环境数据， 并在必要时做出相应的回应……最初， 物联网要将我们周围的物体（包括电器、 电子产品和非电器等） 连接起来， 从而实现无缝通信， 并提供相应的服务。 RFID 标签、 传感器、 触发器和移动电话等的发展为实现物联网奠定了物质基础。 物联网中的物体可交互合作， 并能随时随地接入、 享受更好的服务……物联网是日常物体的网络化互联。 物联网还是让所有能独立寻址的普通物理对象按照标准通信协议实现互联互通的全球泛在网络。 物联网域的物体无所不包， 它包括电脑、 传感器、 人类、 触发器、 电冰箱、 电视机、 车辆、 移动电话、 服装、 食物、 药品、 书籍等。 这些物体可分为人、 机器 （如传感器、 触发器等） 和信息 （如服装、食物、 药品、 书籍等） 三类。 这些 ‘物体’ 可至少通过一种独立的方式予以寻址识别， 与其他物体进行交互， 并确认身份……如果某物得以识别， 它就是物联网中的 ‘物体’ ……”[7，8]
“……通常我们要重点建设新一代网络化物体的通信、 传感和执行能力， 提供大量的应用服务， 实现从简单互联物体 （传感网络中） 向更为复杂、 更为智能的物体间通信发展……从 IETF / IRTF 的角度来说， 我们的愿景之一是， 通过 IP 实现全球互操作， 从而使异构/ 约束物体高度智能……”[8，9]
“……M2M 所指的设备为借助各种固定、 无线网络接入互联网的物体， 它们之间可互相通信， 并和世间万物通信。 ‘嵌入式无线通信’ 这一术语是针对无线蜂窝通信用于电话之外的各种设备连接的有关应用。 全球移动通信系统协会 （ GSMA）广泛使用这一术语……”[10]
“物联网” 一词最早是在 2001 年由麻省理工自动识别技术中心启用的。 当时的 “物联网” 架构包括以下四个部分[11] ：
1） 被动式射频识别标签， 如 EPC 全球联盟开发的第一类第二代工作频率为
㊀ （也称第二代标准） 定义实体与逻辑的被动式反向散射， 询答器先言， 无线射频系统的需求， 该系统包括询答器 （亦称读写器） 和标签， 其工作频率为 860 ～ 960MHz。
860 ～ 960MHz㊀的超高频电子标签。
2） 接入本地 （计算） 系统读取产品电子代码的读写器。
3） 基于对象名解析服务 （ Object Naming Service， ONS） 协议， 提供 IP 连接的、 收集 EPC 信息的本地系统。
4） 处理 ONS 请求与恢复物理标识语言 （PML） 文件 （如包含关于 RFID 的有意义信息的 XML 文件） 的 EPCIS 信息服务器。
综上所述， 物联网这一术语可谓包罗万象。 本章最后将列举部分有关物联网定义的参考文献[7-9，12-19] 。
2. 1. 2 ITU- T 电信标准化部门对物联网的认识
国际电信联盟远程通信标准化组织 （ITU- T） 正在寻找一种统一的方法对物联网进行定义描述。 迄今为止， 该部门尚未找到一个合适的定义， “能涵盖物联网的方方面面， 因为物联网涉及的领域非常广泛……无论我们怎样给物联网下定义， 都不能让所有人满意”[20] 。
我们可以把互联网看作是拥有许多技术能力的基础设施， 也可以把它看成是一种理念， 它能提供大量的数据交换与连接服务。 前者是把互联网描述成互联计算机网络构成的全球系统， 这些网络 （包括大量的个人网、 公共网、 商业网、 学术网、政府服务器、 计算机以及节点等） 使用 TCP / IP 互联网协议栈实现交互； 后者把互联网看作是全球逻辑互联的计算机和网络， 可支持用户间的信息交换， 包括但不局限于万维网的互联超文本文件。 如今， 即便按照以上两种情况对物联网进行定义，不同的专家学者亦存在不同的观点[20] ：
观点一： 物联网只是一种理念， 它并不是网络基础设施； 物联网并非技术范畴， 只是一个理念 （或者说是一种现象）。
观点二： 物联网是基础设施。
如图 2-1 所示， 如果将物联网看成是基础设施， 那么物联网应具备基础设施的所有特点， 如服务与功能性需求、 体系结构等。 如果将物联网看成是一种理念， 那么需要基于每一个技术领域确定支撑物联网理念的相关能力与具体功能。
国际电信联盟远程通信标准化组织第十三研究组 （ITU- T SG13） 推出 Y. 2002项目 （泛在组网及其对下一代网络的支撑作用） 时指出， 泛在组网并非新型网络；
物联网是一种概念设计目标， 同时必须开发相应的标准。 基于该概念目标 （简单定义）， 每一个研究组可对其进行具体的定义。 从 SG13 的观点来看， 新一代网络、智能泛在网 （ Smart Ubiquitous Network， SUN） 以及未来网络 （ Future Network， FN） 应具备物联网的关键特性。 SG13 将基于新一代网络、 智能泛在网以及未来网络， 重点加强组网技术开发， 而不是构建一个全新网络。
电信标准化部门认为， 应给物联网更为普通的简短定义， 而不是从技术层面进行定义。 这有助于物联网应用向众多领域拓展， 而且更容易得到其他各研究组的认可。 然后， 我们可以着力对物联网的应用范围 （如服务、 网络、 控制、 安全、 质量、 收费等） 予以界定， 并研究探索相关的技术问题， 为下一步的标准化建设奠定基础。 电信标准化部门 “极力坚持把物联网作为一个理念， 并给出简短定义，拒绝对其进行冗长的技术描述”[20] 。 表 2-1 和表 2-2 就是物联网全球标准化工作组（IoT- GSI） 对物联网提出的颇具代表性的定义。
有人认为， M2M 的部署应覆盖传感器和控制器、 收集来自传感器和控制器的数据 “边界”、 存储管理数据的 “云” 以及对数据进行最终评价的 “代理” 等四个作用域[21] 。
2. 1. 3 工作定义
综合已出版的专著以及本书前面有关物联网的各种观点， 我们对物联网的工作定义如下： 物联网是一个泛在的计算、 通信应用与应用- 消费集成系统， 可分为本地物联网 （L- IoT）、 城市物联网 （ M- IoT）、 区域物联网 （ R- IoT）、 国家物联网（N- IoT） 和全球物联网 （ G- IoT）。 它涵盖： ①四处分散、 安装有单向 （或双向）嵌入式通信设备 （或具有计算能力） 的可感知物体； ②物联网域的物体可通过有线 （无线） 局域网 （广域网） 追踪； ③（应用） 系统以高度人工或计算机智能传输或发出入站数据和 （或） 出站命令。
该定义说明， 物联网中的 “物” 通常包括物体、 标签、 传感器或者触发器，一般不含商用/ 个人计算机、 便携式计算机、 智能手机或者平板计算机。 我们认为，从上述定义来看， 物联网既是一种理念， 也是一种基础设施。 如无特别需要界定其属性， 我们认为 “物联网” 这一专业术语可涵盖所有的技术。
值得注意的是， 有关物联网的定义有很多种。 上述定义并不排斥其他研究人员对物联网的认识， 毕竟， 我们必须为本书要研究的问题确定一个参考基点。
此外， 还有两种相关的 “工作性定义”：
其一： 传感器是能主动检测自然或人造环境中变量 （如建筑大楼、 生产线或者工业流程中的某一部分） 的设备。
传感与控制技术包括电磁场传感器、 无线射频传感器、 光/ 光电/ 红外传感器、雷达、 激光、 导航/ 定位传感器、 地震波/ 压力波传感器、 环境参数传感器 （如风力、 湿度、 温度等传感器） 以及面向国土安全的生化传感器等。
鉴于设备的性能， 通常将传感网络中的远程设备分为两类： 全功能设备 （Full Function Device， FFD） 和精简功能设备 （Reduced Function Device， RFD）。 传感器和触发器是无数物体中的一部分。 物联网域中的物体也可以从功能性的角度予以分类。
其二： 触发器是一种大小尺寸各异 （超小型、 巨型） 的机械化设备， 可完成机械或系统控制、 阀门开启与关闭、 某旋转或线性移动的启动、 物理移动的启动等一系列任务。 物理实体通过触发器作用于环境。
触发器的能量主要来自电池能、 太阳能和动能， 它还是实体交互 （液压、 气压） 的源泉。 触发器一旦收到外部指令或某种刺激， 就会将能量转换成某一行为或动作。
物联网域的 “物” （对象） 是某实体的模型。 一个物体之于其他物体的不同在于其行为存在差异。 “物” 或具备某一功能， 并可提供某种服务 （可对其他实体或物体施加影响的 “物” 意味着， 它可提供某种服务）。 为便于建模， 相关功能与服务的物体行为及其接口被进一步具体化[18，22] 。 必要时， “物” 可执行多种功能， 一种功能也可由几种 “物” 共同执行。 还有人把 “物” 称作 “智慧/ 互联物体”。 在ITU 给出的定义中[18] ， “物” 还包括终端设备 （如人们访问网络使用的智能手机、个人计算机等）、 远程监控设备 （如摄像机、 传感器等）、 信息设备 （如内容分发服务器）、 各种产品、 内容及资源等。 但是， 我们在第 1 章指出， 为便于本书论述， 可以将个人通信设备 （智能手机、 平板计算机） 看成是机器， 甚至是终端节点。 当个人通信设备用作 H2M 设备时， 比如人们用智能手机实现与恒温器或者家用电器等通信， 我们就认为个人通信设备是物联网的一部分； 反之亦然。 因智能/ 互联物体自身不同的大小、 移动性能、 能量来源、 连接机制以及协议， 它们具有异构特质。一个物理实体与若干实体交互， 完成多种任务， 其生成的数据可供其他实体使用。 通常情况下， 这些物体资源是有限的。 而且， 不同的网络接口具有不同的覆盖率和数据率。 此时的网络 环 境 具 有 蓝 牙、 IEEE 802. 15. 4 （6LoWPAN、 ZigBee）、 近场无线通信（NFC） 等低功耗有损网络的特点[8] 。物联网域中的物体 （对象） 的分类如图 2-2， 它们具有如下特点[8] ：
1） 可感知和 （或） 触发；
2） 通常很小 （但不绝对）；
3） 计算功能有限 （但不绝对）；
4） 能量有限；
5） 与物理世界互连；
6） 间歇连接；
7） 可移动 （但不绝对）；
8） 备受关注；
9） 受制于设备， 而不是受制于人 （但不绝对）。
虽然从原则上讲， 物联网比 ETSI M2M 标准定义下更具包容性， 但是 M2M 相关定义有助于完善本书的论述。 我们在图 1-1 中对实体- 实体交互空间进行了详细的逻辑分区， 其中包括 H2H 交互、 M2M 通信、 H2M 通信以及 MiH 通信 （ MiH 设备可包括医疗监控仪， 全球定位腕带等） 。 目前有关物联网讨论的重点在于
M2M、 H2M 和 MiH 应用及其在图 2-3 中显示的应用范围。 图 2-4 显示了物联网属性分类。
直观地讲， M2M/ H2M 环境包含三个要素： 数据融合点㊀、 通信网络以及数据端点 （仍然是机器）。 图 2-5 所示， 进程 X 和应用 Y 构成了实际的功能端点。 一般来说， 数据端点就是一个微电脑系统， 它的一端通过特定的接口与某一进程或者上一级子系统连接， 另一端接入通信网络。 然而， 和 MiH 环境下一样， 数据端点可
以是人， 也可以是机器。 许多应用都有巨大的数据端点库[3] 。 数据融合点可以是互联网服务器、 公司主机上运行的应用软件或者云服务应用程序。 前面已经提到，物联网基本应用包括 （但并不绝对） 智能仪表、 电子医疗、 物流追踪、 监控、 交易、 家庭自动化、 城市自动化、 联网用户以及车辆。
正如第 1 章里提到的一样， 在宏观层面， 物联网包含远程传感设备 （ 在M2M 环境下也叫传感域） 、 网络域和应用域。 物联网各域视图如图 2-6 和图 2-7所示。
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