2.1 物联网概述
2.1.1 物联网概念
物联网是一类信息系统。信息系统按支持对象可以分为四类：支持人到人的信息系统称为通信系统；支持人到物的信息系统称为遥控系统；支持物到人的信息系统称为遥测系统；支持物到物的信息系统称为狭义物联网。除通信系统之外的信息系统被称为广义物联网。社会信息化总是从低级到高级循序渐进的。首先是推广应用通信系统，然后是推广应用物联网。所以，推广应用物联网是社会信息化从初级走向高级的主要标志。
我国先有信息化，后来才出现“物联网”这个专有名称。因此，并不能简单地把当今所有的信息化系统都称为物联网，更不能把所有信息化的成就都说成是物联网的成就。
2.1.2 物联网起源
1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中曾提及物联网，但未引起广泛重视。1999年美国麻省理工学院（MIT）的Kevin Ashton教授首次提出物联网的概念，同年美国麻省理工学院建立了“自动识别中心（Auto-ID）”，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义。早期的物联网是依托射频识别（RFID）技术的物流网络，随着技术和应用的发展，物联网的内涵已经发生了较大变化。2003年美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。
国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）发布的《ITU互联网报告》对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
物联网与互联网仅仅差了一个字，似乎差别不大，但从技术角度来看，物联网比互联网整整多了一层。如图2-1所示，物联网有三个层次：感知层、网络层、应用与平台层。
图2-1 物联网结构图
感知层：主要是感知信息。如这个房间的温湿度，窗帘是否打开，空调是否开启等。温湿度传感器、红外检测、摄像头、麦克风等都可以算在这一层次。
网络层：传感器读取到信息后，通过网络把数据发送到后台，构建网络的技术就属于网络层。如2G/3G/4G、Wi-Fi、以太网、蓝牙等。
应用与平台层：处理信息的一个层次，可以理解为云端或后台服务器。网络层把数据传输到后台服务器，服务器首先根据需要对数据进行存储、计算、分析等。然后通过具体网页、App等方式将服务器处理好的数据展现给用户。有些文献把物联网分为四个层次，其实是把应用与平台层分开了。
从图2-1可以看出，物联网比互联网多了“感知层”，这也就体现了物联网是人与机器、机器与机器连接的特征。
既然物联网的基础是互联网，那蓝牙、RFID、ZigBee这些网络都连不上互联网，怎么也算物联网呢？基于蓝牙的门禁锁，基于RFID的公交卡、校园卡，基于ZigBee的农业大棚管理系统的确都没有连上互联网，但实际都可以划为物联网技术。严格来说，其实没有专门的物联网技术，物联网是电子、通信、计算机三大领域技术的融合。与之类似，其实也没有专门的互联网技术，我们常说的Web开发技术、搜索引擎技术、网络游戏技术、移动开发技术、视频直播技术等都属于互联网技术。
将蓝牙、RFID、ZigBee等连入互联网需要一个中间的衔接设备——网关。现在最常见是ZigBee网关，ZigBee经过网关，可以转换为Wi-Fi以太网连接到服务器；蓝牙可以直接连到用户手机，再通过手机连接服务器，手机可以称为蓝牙网关。当然要做一个专用的蓝牙网关也没有技术难度。手机的NFC本质上就是RFID，现在很多手机都已经自带交通卡了。
如图2-2所示，物联网就是在互联网的基础上实现物物相连（万物互联）。
图2-2 万物互联
与其说物联网是一种技术，不如说是一个时代（互联网也是一个时代）。它通过对相关技术进行整合，形成了一个时代的概念，是一个建立在技术基础之上的时代。
2.1.3 物联网相关术语
2.1.3.1 无线传感网、物联网、泛在网
这三个名词在定义的范围上是有重合的，所以容易混淆，下面对它们之间的区别进行分析。
1. 无线传感网
无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）起源于美国，根源可追溯到1978年由国防部高级研究计划署（DARPA）在卡内基·梅隆大学发起的分布式传感器研讨会。其具体描述是：“由在检测区域内大量的低成本、低功耗的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。”无线传感网示意图如图2-3所示，构成WSN的三要素是传感器、感知对象、观察者。
图2-3 无线传感网示意图
2. 物联网
前面已经给出了物联网的ITU定义，维基百科给出了更通俗的解释：通过互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。
（1）物联网一般为无线网，而由于每个人周围的设备可以达到1000～5000个，所以物联网可能要包含500兆～1000兆个物体。
（2）在物联网上，每个人都可以应用电子标签将真实的物体“入网”，在物联网上都可以查出它们的具体位置。
（3）类似自动化操控系统，通过物联网可以用中心计算机对机器、设备、人员进行集中管理、控制，也可以对家庭设备、汽车进行遥控并搜索位置、防止物品被盗等。同时，通过收集这些小事件的数据，最后可以聚集成大数据，包含重新设计道路以减少车祸、都市更新、灾害预测与犯罪防治、流行病控制等社会的重大改变。
3. 泛在网
泛在网的定义出现要追溯到2008年11月6日的美国纽约。IBM总裁兼首席执行官彭明盛（Samuel J. Palmisano）在美国外国关系理事会上发表了题为Smarter Planet：The Next Leadership Agenda（智慧的地球：下一代领导人议程）的演讲。他在演讲中提到：“这个世界已经紧密相连，无论是在经济、技术还是社会层面。但我们也知道仅仅连接是远远不够的。是的，世界会变得越来越‘平’，地球变得越来越小，人类的联系也将更加紧密。但有一点变化潜力无穷，那就是我们的地球变得越来越智能化。这不是简单的一个词。我是指将智能技术应用到生活的各方面，如应用到各系统和程序之中，以便货物能被顺利地研发、制造和购买，人们能享受各种服务，万物（包括人、货币、石油、水电等）可以顺畅流通，人们可以安居乐业。”
泛在网的ITU示意图如图2-4所示。
图2-4 泛在网的ITU示意图
以上是对无线传感网、物联网、泛在网三个名词的解释，物联网三大概念的关系图如图2-5所示。
图2-5 物联网三大概念的关系图
2.1.3.2 LPWAN
LPWAN也称为LPN，全称为LowPower Wide Area Network或LowPower Network，指一种低功耗广域网络。概括来讲，LPWAN具有如下特点：
（1）双向通信，有应答；
（2）星形拓扑（一般不使用中继器，也不使用Mesh组网，以求简洁）；
（3）低数据速率；
（4）低成本；
（5）非常长的电池使用时间；
（6）通信距离较远。
目前LPWAN包括的技术和标准很多，本章仅介绍主要概念，详细内容在后面的章节有叙述。
LoRa：包含LoRaWAN协议和LoRa协议。事实上，LoRaWAN协议指的是MAC层的组网协议，而LoRa协议则是一个物理层的协议。具体来说，LoRa协议是物理层的传输技术，对应的产品就是收发器芯片，使用这种技术需要把自己业务的bit输入或读出，再往上层的协议和业务都需要自己定义。而LoRaWAN协议是在LoRa物理层传输技术基础之上的，以MAC层为主的一套协议标准。对应产品包括LoRaWAN节点、LoRaWAN网关和LoRaWAN协议的数据云平台。
Sigfox：2009年，Sigfox公司于法国成立，试图以独立营运商的角色在全球进行网络基地部署。Sigfox技术工作在1GHz以下的免许可ISM射频频段。频率根据各国家法规有所不同，在欧洲广泛使用868MHz，在美国则使用915MHz，每个载波占用100Hz。Sigfox有双向通信功能，通信往往是从终端到基站向上传送比较容易，但从基站回到终端其性能是受限制的，这是因为终端的接收灵敏度不如基站。其采用的UNB技术，每秒只能处理10～1000 bit的数据，但能支持成千上万的连接。据估算，每个基站可以连接100万个终端，仅需建设1万个基站其网络就可以覆盖整个美国。
NB-IoT：NB-IoT英文全称是Narrow Band Internet of Things，中文名直译为“窄带物联网”。NB-IoT是在LTE基础上发展起来的，其主要借鉴了LTE的相关技术，并针对自身特点进行了相应的修改。为适应物联网“大连接、低功耗”的场景，其做了以下几个方面的重点改进：一是设计了“低功耗模式”，即允许通信模块在进入空闲态一段时间后，关闭信号的收发和AS（接入层）相关功能，相当于部分关机，从而降低天线、射频、信令处理等的功耗；二是基于“低功耗模式”，针对业务时延不敏感的特点，设计更多的用户接入，保存更多的用户上下文，上下文信息由基站和核心网维持，一旦有数据发送，可以迅速进入激活态。
eMTC：eMTC是LTE-M（LTE-Machine-to-Machine）在3GPP R13中的叫法，是基于LTE演进的物联网技术，旨在基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。 eMTC与NB-IoT同属3GPP标准内的LWPA技术，二者有很多相似之处，可谓是3GPP组织下的一对双胞胎。eMTC与NB-IoT技术比较见表2-1。
表2-1 eMTC与NB-IoT技术比较
