根据GSMA发布的《The Mobile Economy 2021》,至2020年全球物联网连接数以达到131亿，预计到2025年将达到240亿。

1.1 基本概念

1.1.1 物联网定义（Internet of things,IOT）

物联网的概念最初来源于美国麻省理工学院(MIT)在1999年建立的自动识别中心(Auto-ID Labs)提出的网络无线射频识别(RFID)系统——把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，为每个产品建立全球唯一标识代码，采用射频技术实现对产品信息在全球范围内识别和管理，强调物品标识和基于RFID的实物互联。

2005年ITU在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上正式确定了“物联网”的概念：“通过将短距离移动收发器嵌入到各种配件和日常用品中，人与人、人与物、物与物之间形成了一种新的交流方式，即在任何时间、任何地点都可以实现交互”，并随后发布了《ITU Internet reports 2005——the Internet of things》，介绍了物联网的特征、相关的技术、面临的挑战和未来的市场机遇。

狭义上的物联网就是“物物相连的网络”，广义的物联网由国家标准定义：通过感知设备，按照约定协议，连接人、物、系统和信息资源，实现对物理和虚拟世界的信息进行处理并作出反应的智能服务系统。（GB/T 35319-2017 物联网 系统接口要求）

根据对物联网的理解，物联网可以定义为：使用统一标识建立唯一编码，通过传感器技术、网络技术、数据库技术、通信技术等将物品通过网络连接起来，实现智能识别、定位跟踪、监控和管理的一种网络。物联网主要特征可以概括为：全面感知、可靠传递、智能处理。

1.1.2 相关概念

工业互联网（Industrial internet of things, IIOT)是物联网在工业领域中的应用，其通过工业资源的网络互联、数据互通和系统互操作，实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应，达到资源的高效利用，从而构建服务驱动型的新工业生态体系，具有智能感知、精准控制、数字建模、实时分析、迭代优化等特征。（GB/T 38619-2020 工业物联网 数据采集结构化描述规范）

泛在网（ubiquitous Network）：“Ubiquitous(泛在)”的概念最早由美国加州Xerox(施乐)公司Palo Alto研究中心专家Mark Weiser在1991年提出，Mark Weiser认为在21世纪将会迎来计算历史上的第三次浪潮一一"Ubiquitous Computing(无处不在的计算)”，我们的任务是让Computing(计算)功能普及，其中“Ubiquitous”是无处不在、无时不在的意思。Suguru Kameda,seong-Kweon Kim(2004)认为泛在网就是能够让我们在任何时间、任何地点都能实现人与人之间的交流、寻找并查阅数据库内容、感知和控制万物的网络，泛在网是未来网络的最高形式。泛在网的定义覆盖范围最广，是终极意义上的物联网。（物联网的应用和发展研究 黄迪）

泛能网(ubiquitous energy internet; UEI)：以需求为主导搭建一次能源和二次能源一体化的物理能源网络及与其匹配的数字能源网络形成能源物联网，实现用供一体、多能互补、多网融合的智慧优化，释放能源的综合价值。（GB/T 39120-2020 综合能源 泛能网术语）

移动互联网（mobile internet）：用户使用移动终端（包括手机、上网本、平板电脑、智能本等）通过移动网络获取移动通信网络服务和互联网服务的开放式基础电信网络。（GB/T 35281-2017 信息安全技术 移动互联网应用服务器安全技术要求）。

M2M(machine to machine)：从狭义上说，M2M仅代表机器与机器(machine to machine)之间的通信，广义来讲也包括人与机器(man to machine)的通信，是以机器智能交互为核心、网络化的应用与服务。目前，业界提到M2M时，更多的是指非信息技术(IT)机器设备通过移动通信网络与其他设备或IT 系统的通信。自2002年起，M2M技术在世界各地开始得到快速推动，M2M应用遍及电力、交通、工业控制、零售、公共事业管理、医疗、水利、石油等多个行业。欧洲电信标准化协会(ETSI) 和第三代合作伙伴计划(3GPP)等国际标准化组织都启动了针对快速成长的M2M技术进行标准化的专项工作。M2M偏重于实际应用，得到了工业界的重点关注，是现阶段物联网最普遍的应用形式。（物联网:概念、架构与关键技术研究综述 孙其博）

CPS(Cyber Physical System)：是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C——计算(computation)、通信(communication)和控制(control)——技术的有机融合与深度协作，实现大型系统的实时感知和动态控制。CPS基本特征是构成了一个能与物理世界交互的感知反馈环，通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环，实现与实物过程的密切互动，从而给实物系统增加或扩展新的能力。CPS更偏重于研究，吸引了学术界的更多目光，是将来物联网应用的重要技术形态。（物联网:概念、架构与关键技术研究综述 孙其博）

1.1.3 物联网与互联网的区别

物联网设备连接的范围和宽度非常巨大，但很多时候连接不可靠，且很多通信是机器与机器间的小批次数据交互；物联网规模较大，编址和寻址都比较困难；系统开销要求严格，传统的计算机网络协议的开销对于物联网来说是不可接受的；物与物交互，人不必须介入。

1.1.4 物联网基本功能

连接

HTTP协议在网络中广泛使用，但考虑到内存和功耗的原因，物联网需要一个更简单、小巧的连接协议。

设备管理

更新软件、更新安全证书、定位设备、远程重新配置等等。

数据收集、分析和执行

收集数据，进行分析，然后做出相应的动作。

基于位置的能力

能够提供自动感知和追踪位置信息的能力。

可拓展性

支持从很小的部署到很多的设备。

可插拔

物联网需要具备即插即拔的能力。

自组网（Autonomic networking）

网络自动管理、自动配置、自动优化、自动修复、自动保护等等。

自动服务供应

服务需要基于配置好的资源自动的收集数据、处理数据并进行数据通信，这一技术的实现依赖于数据挖掘技术的发展。

可管理性

物联网设备通常在没有人的参与的情况下自动工作，但需要能够被人所管理。

安全

能够抵抗安全威胁，尤其是在设备和用户网络差异很大的情况下集成不同的安全政策和技术。

隐私保护

很多物有其主人和使用者，需要能够保护其隐私。

人相关的服务

能够采集人的静态特征或者动态的行为，对人进行一定的服务。

1.2 物联网体系架构

物联网还没有统一的、公认的体系架构，其中比较有代表性的有美国麻省理工学院Auto-ID实验室提出的网络化自动标识系统体系结构Networked Auto-ID、日本uID中心提出的基于uID的物联网体系结构、韩国电子与通信技术研究所提出的泛在传感器网络体系结构USN、美国弗吉尼亚大学提出的Physical-net、欧洲电信标准组织提出的M2M 架构，欧盟FP7计划提出的IOT-A、SENSEI，美国自然基金委提出的CPS，以及法国巴黎第六大学提出的自主体系结构AOA等。

总体来说物联网体系架构可以分为两类，后端集中式和前端分布式。其中，Networked Auto-ID、uID和USN属于后端集中式架构，该架构模式大部分信息处理任务和用户服务请求由后端服务平台完成，系统的规模将受限于后端信息服务器的数据处理能力；M2M、IOT-A、CPS、SENSEI、Physical-net以及AOA属于前端分布式架构，该架构模式大部分信息处理任务和用户服务请求由前端感知设备或网关设备完成，系统不强依赖于后端信息服务平台，即使局部系统毁坏，也不会对整个系统的正常运行带来影响，因此抗毁性较好。两种模式在不同的应用场合各有优势。

1.2.1 发展现状

欧盟、美国、韩国、日本等都是物联网发展走在前列的国家，尤其在物联网体系架构和标准化等方面开展了大量工作，有的甚至成为国家级的发展重点。

欧盟方面，高度重视物联网创新，拥有一套相对完善的政策体系，涵盖了包括技术、应用标准、管理、未来愿景等在内的众多领域，并且持续发布信息化战略框架、行动计划和战略研究路线图。欧盟提出了两个比较典型的物联网体系架构方案： SENSEI架构和IOT-A架构。SENSEI架构共分为三层：通信服务层、资源层和应用层。IOT-A架构是SENSEI架构的增强版，尤其在互操作性方面做了重点提升。IOT-A架构一共分为四层：无线通信协议层、M2M API层、IP层和应用层。其中，M2M API层定义了各类物联网资源交互的接口，是实现不同无线通信协议转换为统一物物通信接口的桥梁。IP层则用于提供实现广域范围内资源共享的互联技术。IOT-A架构提供了一套较为完备的物联网体系结构参考模型。

美国方面，一直在战略层面布局物联网发展。不仅发布了包括总统创新伙伴计划、先进制造伙伴计划等在内的一系列国家战略，将物联网、信息物理系统（cyber Physical system，CPS）等列为影响国家潜在利益的关键技术。目前美国在体系架构方面的成果主要有Physical-net架构和CPS架构。Physical-net架构分为四层：服务提供层、网关层、协调层和应用层。它最大的特点是，底层感知设备能够直接提供服务，并通过网关层进行服务收集与分发，从而有效分离了应用需求与资源分配环节，能够很好地解决多用户环境下异构资源的管理与规划问题。CPS架构则由美国自然基金委提出，它以构建可控可信、可扩展的CPS网络，实现物理世界与信息世界的融合为目标。其最大的特点是，物理设备具有计算通信、自治、远程协调、精确控制等能力，有助于实现计算、通信与物理系统的一体化设计。

韩国电子与通信技术研究所（ETRI)提出的USN架构。USN架构包括五层：感知层、接人网层、网络基础设施层、中间件层和应用平台层，强调了物联网基础设施的重要作用。目前已形成国际电信联盟（ITU-T）标准。

（物联网开放体系架构发展研究_李晓辉）

1.2.2 我国物联网体系架构

我国物联网体系架构主要有三种形式，分别是：中国电子标准化研究院（电子标准院）和无锡物联网产业研究院联合提出的“六域”模型，中国信息通信研究院（信通院，原工信部电信研究院）《物联网白皮书2011》中的三层架构，行业研究中常用的四层架构。

“六域”模型

该模型已列入我国当前技术标准《GB/T 33474-2016 物联网 参考体系结构》。根据该模型，物联网由用户域、目标对象域、感知控制域、服务提供域、运维管控域和资源交换域组成。其中，用户域是不同类型物联网用户和用户系统的实体集合；目标对象域是物联网用户期望获取相关信息或执行相关操控的对象实体集合，可包括感知对象和控制对象；感知控制域是各类获取感知对象信息与操控控制对象的软硬件系统的实体集合；服务提供域是实现物联网基础服务和业务服务的软硬件系统的实体组合；运维管控域是实现物联网运行维护和法规符合性监管的软硬件系统的实体集合；资源交换域是实现物联网系统与外部系统间信息资源的共享与交换，以及实现物联网信息系统和服务集中交易的软硬件系统的实体集合。

ISO/IEC JTC 1/SC 41（物联网及相关技术分技术委员会）标准项目ISO/IEC 30141：2018《物联网 参考体系结构》借鉴了相关概念。ISO/IEC标准与GB/T标准具体内容上存在一定差异。

三层模型

物联网网络架构由感知层、网络层和应用层组成。其中，感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层；网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网、接入网和核心网，网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用通信网络；应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。

四层模型

国内行业分析中应用较多（尤其是互联网行业）的是四层模型框架，由感知层、传输层、平台层和应用层组成。

感知层是物联网的基层，通过传感器、RFID、全球定位系统、二维码等对物理世界的信息进行采集和识别。

传输层主要发挥信息传输作用，将感知层采集和识别的信息进一步传输到平台层。传输层可分为有线传输和无线传输，无线传输可进一步分为远距传输和近距传输，而远距传输还可分为授权频谱传输和非授权频谱传输。

平台层主要将来自感知层的数据进行汇总、处理和分析，按功能分类可分为设备管理平台、接入网络平台、应用开发平台。

应用层是物联网的顶层，将处理分析后的数据信息应用到具体领域，目前，物联网已实际应用到安防、交通、物流、工业制造、家居、农业等领域，应用领域还在进一步扩展。

1.3 物联网技术体系

物联网涉及感知、控制、网络通信、微电子、计算机、软件、嵌入式系统、微机电等技术领域，因此物联网涵盖的关键技术也非常多，《物联网白皮书2011》将物联网技术体系划分为感知关键技术、网络通信关键技术、应用关键技术、共性技术和支撑技术。

1.3.1 感知、网络通信和应用关键技术

传感和识别技术是物联网感知物理世界获取信息和实现物体控制的首要环节。传感器将物理世界中的物理量、化学量、生物量转化成可供处理的数字信号。识别技术实现对物联网中物体标识和位臵信息的获取。

网络通信技术主要实现物联网数据信息和控制信息的双向传递、路由和控制，重点包括低速近距离无线通信技术、低功耗路由、自组织通信、无线接入M2M 通信增强、IP 承载技术、网络传送技术、异构网络融合接入技术以及认知无线电技术。

海量信息智能处理综合运用高性能计算、人工智能、数据库和模糊计算等技术，对收集的感知数据进行通用处理，重点涉及数据存储、并行计算、数据挖掘、平台服务、信息呈现等。

1.3.2 支撑技术

物联网支撑技术包括嵌入式系统、微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）、软件和算法、电源和储能、新材料技术等。

微机电系统可实现对传感器、执行器、处理器、通信模块、电源系统等的高度集成，是支撑传感器节点微型化、智能化的重要技术。

嵌入式系统是满足物联网对设备功能、可靠性、成本、体积、功耗等的综合要求，可以按照不同应用定制裁剪的嵌入式计算机技术，是实现物体智能的重要基础。

软件和算法是实现物联网功能、决定物联网行为的主要技术，重点包括各种物联网计算系统的感知信息处理、交互与优化软件与算法、物联网计算系统体系结构与软件平台研发等。

电源和储能是物联网关键支撑技术之一，包括电池技术、能量储存、能量捕获、恶劣情况下的发电、能量循环、新能源等技术。

新材料技术主要是指应用于传感器的敏感元件实现的技术。传感器敏感材料包括湿敏材料、气敏材料、热敏材料、压敏材料、光敏材料等。新敏感材料的应用可以使传感器的灵敏度、尺寸、精度、稳定性等特性获得改善。

1.3.3 共性技术

物联网共性技术涉及网络的不同层面，主要包括架构技术、标识和解析、安全和隐私、网络管理技术等。

物联网架构技术目前处于概念发展阶段。物联网需具有统一的架构，清晰的分层，支持不同系统的互操作性，适应不同类型的物理网络，适应物联网的业务特性。

标识和解析技术是对物理实体、通信实体和应用实体赋予的或其本身固有的一个或一组属性，并能实现正确解析的技术。物联网标识和解析技术涉及不同的标识体系、不同体系的互操作、全球解析或区域解析、标识管理等。

安全和隐私技术包括安全体系架构、网络安全技术、“智能物体”的广泛部署对社会生活带来的安全威胁、隐私保护技术、安全管理机制和保证措施等。

网络管理技术重点包括管理需求、管理模型、管理功能、管理协议等。为实现对物联网广泛部署的“智能物体”的管理，需要进行网络功能和适用性分析，开发适合的管理协议。

接下来将分几个方面对物联网比较重要的技术领域进行说明。

1.4 物联网通信及组网技术

通信技术可分为无线传输和有线传输技术，而根据实际应用发展情况，无线传输成为物联网行业的主要发展趋势，因此物联网传输层主要关注点在无线传输。无线传输可进一步分为远距传输和近距传输，亦即广域网和局域网技术，广域网技术还可分为授权频谱技术和非授权频谱技术，未授权频谱技术包括LoRa、Sixfox 等技术，授权频谱技术主要为蜂窝通信技术，包括NB-IoT、eMTC 等。

无线传输技术按速率分类可分为高速率、中速率、低速率技术业务（见图 2-7）。高速率无线技术主要为3G、4G、5G、WiFi，能适应涉及语音、图片、视频等高流量情景，可用于自动驾驶、视频监控等领域；中速率技术主要为蓝牙、eMTC，适用于智能穿戴、智能家居等领域；低速率无线技术主要为Zigbee、LoRa、NB-IoT、Sigfox，适用于文本为主的低流量业务场景，如共享单车，智能抄表等。