第1章　物联网：未来之路

1.1　始于《未来之路》的畅想

1995年正值中国互联网商业元年，比尔·盖茨（Bill Gates）出版了《未来之路》（The Road Ahead），他在书中畅想：机器设备像人一样接入互联网络；人们通过遥控器随意切换节目；应用计算机钱包，不用停车便可快捷支付停车费；失窃或遗漏的电子设备可以自动报警，告诉你“我在……”［1］，等等。只是受限于当时的网络条件、硬件及传感设备的发展，这些畅想的提出并未引起世人的重视，但如今看来，这些畅想变得越来越触手可及，甚至引导着信息技术向前发展。《未来之路》成为人们窥探21世纪信息高速公路和网络生活的一扇窗户，引导人们阔步走向未来，从连接人到连接物，从无机（器）到有机（器），再到万物互联。

1.1.1　传感网——人工替代和规模化信息采集与融合

1995年的比尔·盖茨并没有给这种万物互联的生活场景起一个名字，或许和当时的人一样，大家都还在沉醉于互联网带来的信息传播的畅快体验。但物联网在真真切切地慢慢积聚力量，此时它有另一个名字：传感网。早在20世纪70年代，就有通过传感器采集信息并连接控制器进行数据交换的传感器网络雏形。随着传感器网络综合分析和计算能力的增强，以及现场总线（Field Bus）技术的应用，20世纪末，传感网技术逐渐朝着智能化和无线化发展，并在军事侦测、国土监测和工业安防等领域备受推崇，如美国交通部的“国家智能交通系统项目规划”、美国陆军的“灵巧传感器网络通信”计划、美国桑迪亚国家实验室（Sandia Nationd Laboratory）的有毒气体反恐检测传感网等。我国也在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中将“传感器网络及智能信息处理”列入其中，并在国家“863”“973”计划中将其列为重点支持项目。

如果说比尔·盖茨第一次对物联网如何改变人们的生活给出了一个粗线条的勾勒，那么传感网概念的提出则凸显了人们对机器互联技术在信息采集和信息融合领域对人工替代和补充的美好向往。由此可见，信息采集和智能服务是驱动机器互联的原始动力。然而遗憾的是，无论是《未来之路》还是各国的传感网战略和规划，都没有对物联网的网络结构有一个清晰的规划和认识，更没有对物联网的应用模型提出一个标准框架，这成为制约物联网走向商业、走进千家万户的重要因素。

1.1.2　产品编码——了解你的来源

20世纪初，“异想天开”的科学家们还在探索另一种实验：给每个商品一个“身份”，还要让商品能够“开口说话”，告诉人们：我是谁？我来自哪里？我价格几何？这些如今已经被人们习以为常的应用场景着实让当时的人们大吃一惊。

产品编码（Product Code，PC）概念的提出并不是新鲜事儿，在20世纪20年代就出现了条形码（Bar Code，BC）技术［2］，在著名的西屋实验室（Westing House），天才发明家约翰·科芒德（John Kermode）希望利用产品编码技术对邮政单据实现自动分拣。40年后，终于诞生了射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，著名电磁科学家R·F·哈林顿（R.F.Harrington）在其1964年发表的论文《加载散射理论》（Theory of Loaded Scatters）［3］中第一次提出了RFID相关方案，通过RFID系统可以轻易识别电子标签中的信息，获取产品的相关信息。

学术界和工业界意识到电子标签和识别技术的重要性，并迅速开展了大量相关研究和实践：先讯美资（Sensormatic）等公司率先推出了基于“1-比特”电子标签的电子物品防盗应用；美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos Nationd Laboraton）也发布了可以传输几十米远的“被动式”电子标签原型系统。到了20世纪80年代，RFID和电子标签技术已经开始在世界各国崭露头角：商场零售、物流运输、工业原材料与产品管理、动物监控等逐步走向机器化、自动化和智能化。1991年，美国俄克拉荷马州（Oklahoma）第一个高速公路不停车收费（Electronic Toll Collection，ETC）系统投入使用，次年，电子收费与交通管理相结合的系统在休斯敦（Houston）运行。21世纪初，沃尔玛（Wal-Mart）将RFID应用到商贸零售业。

产品编码让“每个商品会说话”，让商品、货物在信息社会的传递过程中时刻保持足够的透明性，让管理者和控制中心时刻掌握“它是谁”“它在哪”“它是否需要补充能量”“告诉它该怎么做”。“了解你的来源”（Know Your Derive，KYD）成为万物互联社会中重要的基础。与此同时，RFID的大规模应用还推动了产品编码和通信协议的标准化[1]，进一步提高了KYD的可及性和易用性。

1.1.3　产品电子代码标准——超时空货物信息流动

20世纪末，当全世界都在为“千年虫问题”[2]焦虑的时候，无论是美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）还是物联网，都迎来了极其辉煌的时刻：1998年，MIT Auto-ID实验室创造性地提出了电子产品代码（Electronic Product Code，EPC）系统的物联网构想。1999年，该实验室主任凯文·阿什顿（Kevin Ashton）创造性地提出了物联网（Internet of Things，IoT）的概念。

阿什顿很早就发现，“虽然宝洁化妆品的营销人员处处都是，可是零售商店的货架上来自宝洁的玉兰油唇膏总是缺货”。阿什顿希望通过技术对此进行修复和改进，并因此而接触到RFID标签。不过当时的RFID标签售价过于高昂，每片需要几美元，显然这是公司难以承受的，更不要说将其规模化地贴在每个商品上。但是阿什顿并没有因此而止步，他知道标签的制造成本仅为价格的一小部分，尤其是如果宝洁公司大量订购的话，价格会更低。

阿什顿开始拿着他的RFID方案演示文稿提供给任何愿意听的人，并一直推动着宝洁公司在该领域前进。终于，1998年，宝洁公司将阿什顿“借调”去MIT的Auto-ID中心任执行主任。Auto-ID中心是大名鼎鼎的MIT媒体实验室（MIT Media Lab）的一部分，加上“老东家”宝洁、吉列、卡夫联合利华、沃尔玛、家得宝等零售公司提供的资金支持，阿什顿开始了他的“疯狂计划”：他要将RFID标签贴在每个商品身上；任何一个商品在入库和出库的时候都可以通过专业的RFID读取和接受器完成信息采集，以便商店所有者及时进行货物的调度和促销计划；他甚至希望每个消费者都可以“不停顿”（Now Speed Straight）地通过结账台［4］，如图1-1所示为“不停顿”结账系统。

最终，在阿什顿和MIT Auto-ID实验室的共同探索下，MIT提出了RFID与互联网相结合的物联网概念，并由桑杰·沙玛（Sanjey Sarma）与大卫·布洛克（David Broc）教授第一次系统地提出了依托EPC的标准框架，构建可以超越时空实现物物互联、物物溯源的概念和解决方案。EPC标准并不是一个单独的系统，而是一个提供存储、查询和对象名解析服务（Object Naming Service，ONS）功能的标准体系，为全球各种RFID应用系统提供约束和指引。

EPC标准构建了第一个完整的EPC物联网应用模型（见图1-2）：EPC编码体系、EPC射频识别系统和EPC信息网络系统。

● EPC编码体系负责给任何一个可能联网的设备分配一个身份，以便在通信中将机器与机器或物与物彼此识别和区分。值得注意的是，该标准实现了对每个商品分配唯一的标识码，而不仅仅是对一类商品分配一个标识码。　

● EPC射频识别系统负责物理世界与信息系统的耦合，类似于传感网概念中的传感器，将对象信息转变为系统信号。二者的不同之处在于EPC射频识别系统不仅可以收集环境数据，更重要的是它所采集的数据能够准确区分“由谁采集”“来自哪里”和“什么时间”等问题。

● EPC信息网络系统规定了物与物之间数据传输及通信的协议和基础设施。该系统创造性地将域名解析服务系统（Domain Name System，DNS）与互联网数据传输能力相结合，真正实现了全球范围内任何一个商品的识别、查询和解析，为EPC的商用化提供了技术保障。

建立在物品编码、RFID技术和互联网基础之上的物联技术，不仅能够满足物品信息自动、快速、准确识别的需求，还可将全世界的物品信息实现实时共享，并进行物与物之间的通信，一场影响深远的技术革命也随之而来。目前Auto-ID实验室与全球化、非营利的标准组织国际物品编码组织（Global Standard 1，GS1）[3]合作，为供应链带来了效率和透明度，为物联网提供身份服务、连接认证服务和数据/交易/事件的分享等服务，实现了“让每个商品会说话”。如图1-3所示为GS1标准和服务体系赋能IoT。

1.1.4　M2M——构建机器与机器的连接

2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界首脑会议上，国际电信联盟（International Telecommunication Union，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[4]。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交换。RFID技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。

如果说传感网的发展代表了人们对机器辅助人工甚至取代人工所进行的数据采集和监测需求，EPC标准则将采集对象更加全面化和可视化[5]，使物物互联服务更具有操作性和具体性。然而EPC标准中对信息网络系统的探讨并不够深入，“连接”成为掣肘物联网发展的重要阻碍。于是，针对机器与机器（Machine to Machine，M2M）、机器与平台（Machine to Platform，M2P）、机器与控制用户（Machine to Man，M2M）的通信研究就成了关键。狭义的M2M仅指机器与机器的通信，并且仅存在于机器与机器之间。

M2M的定义并不复杂，如其字面意思——机器与机器的通信。M2M起源于远距离观测技术，指设备（Machine或Device）与设备之间通过互联网或其他网络进行数据交换，而无须人工参与。就连一些IT知识渊博的人都经常将M2M等同于IoT使用，但我们必须清楚M2M技术是先于IoT技术产生的，M2M主要包括机器、M2M硬件、通信网络、中间件和应用五部分，其中M2M硬件又包括嵌入式硬件、可组装硬件、调制解调器（Modem）、传感器和识别标识（Location Tags）五种类型。因此可以说，M2M技术更关注连接的机器终端本身，而不是用户控制和系统，是IoT的重要基础。

从另一方面说，IoT的概念是在M2M基础之上发展而来的，旨在提供更多的功能和服务，这就使IoT的连接规模更大，服务能力更强。IoT不仅包含所有机器与机器的通信方式，还可以使用互联网、蜂窝网络等进行连接；不仅可以在同类型机器的机群之间实现通信，而且可以将不同的设备和系统结合在一起，努力与不同的技术堆栈结合起来，并在不同的环境中提供交互式且完全集成的连接网络。图1-4给出了M2M与IoT网络的对比。从区域数据中心的应用到基于IP的广域连接的转变，标志着IoT由传感网和M2M真正转变到万物互联。为了更好地理解M2M与IoT的异同，如表1-1所示给出了二者在网络结构、系统服务、扩展性等方面的差异。