解读物联网

　　本书以物联网技术特征、关键技术为主线，说明物联网发展的必然性；以九大领域的应用为重点，说明物联网发展对当今社会发展的重要作用；以物联网引发新的科学研究问题为线索，说明物联网对未来科学技术发展的重大影响；从以上三个方面，通过300多个问题描述了物联网的“过去、现在与未来”。本书也可作为担任物联网工程导论的教师作为教学辅导书，可以作为物联网工程及相关专业学生课外读物，以启发学生对物联网技术学习的积极性、主动性；也可以作为从事物联网、互联网、移动互联网研发工作的技术人员学习物联网知识的参考书。

前　言
第一部分　物联网的基本概念
第1章　初识物联网/ 1
问题1：什么是物联网？ / 1
问题2：如何认识物联网发展的必然性？ / 2
问题3：为什么人们在讨论物联网起源时总会提到比尔·盖茨的《未来之路》？ / 4
问题4：为什么说MIT的EPC技术描述了一个物联网应用的原型系统？ / 6
问题5：ITU是在什么样的背景之下提出物联网概念的？ / 9
问题6：ITU的互联网报告《The Internet of Things》包括哪些主要内容？ / 11
问题7：如何认识从互联网、移动互联网到物联网的技术演变过程？ / 14
问题8：“智慧地球”战略对物联网的概念做了什么样的诠释？ / 15
问题9：物联网能给我们带来哪些好处？ / 17
问题10：物联网与互联网是什么关系？ / 19
问题11：物联网与互联网有哪些主要区别？ / 20
第2章　对物联网概念的深入理解/ 26
问题12：目前为什么会存在多种关于物联网的定义？ / 26
问题13：目前阶段对物联网做什么样的定义比较恰当？ / 27
问题14：如何理解物联网中“智能物体”的主要特征？ / 29
问题15：为什么要研究物联网体系结构？ / 31
问题16：如何在物联网体系结构的研究中借鉴成熟的计算机网络研究方法？ / 32
问题17：为什么体系结构研究对于设计物联网协议标准体系有着重要意义？ / 33
问题18：如何理解物联网层次结构模型？ / 37
问题19：为什么要独立设置感知层？ / 40
问题20：为什么要在网络层中引入接入层？ / 42
问题21：为什么要在网络层中引入汇聚层？ / 45
问题22：为什么要在网络层中引入核心交换层？ / 47
问题23：为什么要在应用层中引入管理服务层与行业应用层？ / 51
问题24：为什么要在物联网层次结构模型中增加四项共性的服务？ / 53
问题25：如何从计算机体系结构的角度来认识物联网的组成与结构？ / 56
问题26：普适计算研究对物联网有什么样的启示作用？ / 61
问题27：CPS研究对物联网有什么样的启示？ / 67
问题28：可穿戴计算研究对物联网有什么样的启示？ / 69
问题29：物联网、互联网、传感网与泛在网之间是什么关系？ / 72
问题30：物联网与数字地球是什么关系？ / 72
问题31：物联网与数字地球神经系统是什么关系？ / 77
问题32：物联网与全球综合对地观测系统（GEOSS）是什么关系？ / 78
问题33：物联网与数字城市、无线城市、智慧城市、宜居城市是什么关系？ / 81
问题34：互联网发展成功的经验对于推进物联网应用发展有什么启示？ / 85
第二部分　物联网关键技术
第3章　RFID技术及其应用/ 87
问题35：自动识别技术经历了怎样的发展过程？ / 87
问题36：RFID标签可以完全取代条形码吗？ / 90
问题37：二维码的应用目前发展到什么阶段？ / 90
问题38：无源RFID标签内部结构是什么样的？ / 93
问题39：如何理解RFID基本工作原理中“近场”与“远场”的概念？ / 94
问题40：为什么RFID标签天线会有不同的形状？ / 96
问题41：RFID标签是如何分类的？ / 99
问题42：什么是工业、科学与医药ISM频段？ / 103
问题43：使用不同频段的RFID标签各有什么特点？ / 103
问题44：RFID读写器有哪几种基本类型？ / 105
问题45：为什么多RFID标签在读取过程中会出现“碰撞”现象？ / 106
问题46：如何理解RFID应用系统结构与基本工作原理？ / 107
问题47：EPCglobal是个什么样的组织？ / 108
问题48：EPC体系具有哪些基本特征？ / 109
问题49：如何理解EPC ONS系统的基本设计思想？ / 110
问题50：如何理解EPC体系中EPC码物品信息查询过程？ / 112
问题51：什么是统一资源定位符（URL）？ / 114
问题52：如何设计一个覆盖全球的EPC ONS系统？ / 114
问题53：EPC ONS的对象域名解析算法主要有几种？ / 116
问题54：如何优化EPC ONS系统性能？ / 118
......

　　在完成这本书时，我有两点感触颇深。
　　第一是“物联网—大趋势”。物联网是继计算机、互联网之后全球信息产业的第三次浪潮。不管是赞成还是反对，物联网不会以我们的意志为转移，它只会沿着自身的轨迹向前发展。这就像我们在20世纪90年代初讨论互联网发展时一样，最初人们对互联网充满不解、疑虑和猜测。互联网的发展也不是一帆风顺的，2000年互联网泡沫的破灭，更加剧了人们对互联网产业发展前景的不信任感。但是， 2010年之后，互联网、移动互联网的发展对信息产业、现代信息服务业发展的支撑作用，以及对社会发展、对人类生活方式与工作方式的深刻影响，使我们不得不重新认识互联网的作用。物联网的发展过程与互联网的发展有很多相似之处。作为科技工作者，我们要清醒地认识到技术与社会发展的大趋势。任何一项重大的技术与产业的发展都不会一帆风顺，一定要经历曲折的发展过程。在这个发展过程中会有高潮，也会有低潮。科技工作者和学者不能跟风，而是应该凭着自己的学识，做先进科技的倡导者与推动者。科学技术的发展和进步是需要坚持和积累的，所以我们现在需要沉下心来，认真地研究和思考：如何用合适的方法让物联网技术能够更好地造福于人类，以及如何在科研与教学的过程中不断地进步。
　　第二是“在教言教”。我国已经有600多所大学开设了物联网工程专业，一批聪明、好学的学生等着我们这些“灵魂的工程师”去指点迷津。作为老师，我们必须认真地研究教学，教好每一门课、每一堂课。也许我们是“被选择”的，但如今我们已经别无选择。
　　记得45年前大学毕业刚留校任教时，我曾经向一位老先生请教如何教好一门课。老先生说：“你要给学生一勺水，你自己就需要准备一桶水”。多年来我一直铭记老先生的教导，辛勤地在教室和实验室里耕耘和积累。多年的教学实践让我深刻地体会到：要教好一门课，教师需要通过教学研究，深入理解这门课程的精髓；通过科学研究来提高自身的学术水平，深化对教学内容的理解和把握；需要在教学的过程中，了解学生学习知识、提高能力的过程，掌握教学规律，经历一个教学相长的过程。这些工作恰恰就是在准备那“一桶水”。
　　在编写《物联网工程导论》时，我融入了自己在30年网络课程教学、科学研究，以及多年学科管理与社会信息化工作经验的基础上总结、梳理形成的认识。在与很多老师讨论如何用《物联网工程导论》这本教材开好物联网工程专业的“入门”课程时，我清醒地认识到：教授“物联网工程导论”课程需要的“这桶水”准备起来是很困难的。这是因为物联网工程专业的教学体系与学科建设刚刚开始，教学经验积累与实验环境建设需要一个过程。物联网是多学科交叉形成的一个新的技术，作为基础的导论课程，它涉及的知识面太宽，要求所有教师都有宽厚的知识基础与丰富的学术积累是不现实的。即使是对于多年从事计算机专业教学工作的老教师，初次讲授这门导论课程的难度也较大，不容易把握。针对这种情况，很多有经验的教师提出：物联网工程专业的其他核心课程都有实验学时与实验教材辅助，导论课程也可以配一些课堂演示或视频的内容，同时希望有一本针对导论课的“教师用书”。我认为这是一个可行的办法，希望通过回顾自己对物联网概念、理论与方法的认识、理解、接受的过程，把写作《物联网工程导论》的“潜台词”融入《解读物联网》之中，供讲授“物联网工程导论”课程的老师参考，和老师们一起提高导论课程的教学水平。
　　但是，将“理想”变为“现实”的过程是漫长和痛苦的，完成这本书规划、准备、写作的过程困难重重。这里存在着几个难题：一是如何准确地提炼问题，二是如何正确地回答问题，三是如何将这些问题归纳成一个完整的体系。首先，提炼问题就很困难。我对于物联网的核心技术同样有很多问题，而站在读者的角度，把这些问题归纳和简洁地表达出来更是难上加难。即使提出了问题，如何用通俗的语言正确地回答也是一个挑战。有时候几天也提不出一个问题，即使提出了问题也找不出一个满意的答案，甚至曾经试图放弃写作。但是出于对教育工作的责任，写作团队、研究团队成员艰难地支撑着，总结出了书中的这些问题。在这个过程中，我们曾经向多位同行讨教，也阅读了很多著作与参考文献。
　　总结起来，本书主要有以下几个特点：
　　（1）系列丛书，满足不同读者群体对物联网知识的学习需求本书与已出版的《智慧的物联网：感知中国与世界的技术》《物联网工程导论》《物联网技术与应用》可组成物联网知识基础的系列丛书，每一本书都有各自的重点，既自成一体，又相互呼应。
　　《智慧的物联网：感知中国与世界的技术》从科普的角度描述了物联网技术与应用；《物联网工程导论》是物联网工程专业的规划教材，也是这套丛书的核心部分；《物联网技术与应用》脱胎于《物联网工程导论》，可以用作学时比较少的物联网专业课或物联网通识课、公选课的教材；《解读物联网》可以作为“物联网工程导论”及相关课程的教师参考书，也可作为广大青年教师和学生了解物联网热点研究和技术问题的参考，以及由于物联网的发展与应用将会引发的下一阶段需要解决的科学研究问题的参考。
　　（2）以“问/答”形式透析物联网的背景知识和疑难问题本书针对物联网初学者可能提出的问题，采用“问/答”形式，通过对300多个问题的解答，辅以400余幅插图以及大量的数据、表格，透析物联网的背景知识和疑难问题。本书适合作为物联网工程及相关专业师生的参考读物，可扩大学生的知识面，培养他们对物联网技术学习的兴趣，提高学习的积极性与主动性；也适合作为从事物联网、移动互联网、互联网研发工作的技术人员学习和理解物联网知识的参考书。
　　（3）贴近技术发展前沿，展示物联网的过去、现在与未来本书在编写过程中注意贯彻“应用驱动”的思路，贴近社会发展与技术发展的前沿，解析物联网发展的背景，展现物联网的应用前景；以物联网特征、关键技术为主线，以九大领域的应用为重点，阐明物联网发展对推动社会发展的重要作用；以物联网引发新的科学研究问题为线索，说明物联网对未来科学技术发展的重大影响，向读者全方位地展示物联网的“前世、今生与未来”。
　　本书融入了我们对近年来阅读过的一些学术专著与论文的理解和对目前正在开展的研究课题的技术路线与进展情况的认识，并对一些学者提出的某些具有启发性的研究问题、研究方向与研究思路进行了综述。本书希望为青年教师和学者开展物联网方向的科研工作提供参考。
　　全书分为三个部分，第一部分介绍物联网的基本概念，包括：初识物联网、对物联网概念的深入理解；第二部分介绍物联网关键技术，包括：RFID技术及其应用，传感器与传感网技术，嵌入式、可穿戴计算与物联网、物联网与计算机网络技术的发展，无线通信、移动计算与物联网，物联网的位置服务技术，物联网智能数据处理与云计算、大数据技术，信息安全技术；第三部分介绍物联网应用与产业发展，包括：智能电网、智能交通、智能医疗、智能环保、智能安防、智能农业、智能家居、智能物流以及物联网在军事领域应用。
　　由于本书的内容涉及多个学科，因此在准备和写作的过程中，我们认真阅读了很多书籍和文献，也请教了很多专家、学者，这本书的内容实际上凝聚了很多智者的心血，我们只是将个人能够理解的部分内容按照自己的思路整理了出来。本书收集了大量的物联网应用实例与正在开展研究的课题。由于本书内容源于多年阅读的积累过程，因此在参考文献中列出了一些主要的参考书籍与文献，但不可避免会出现遗漏。另外，我们从互联网搜索引擎或专业网站上摘选和编辑了一些图片，希望能以图文并茂的方式帮助读者理解知识。在选择图片时，我们考虑了图片的新闻性、正面引用、教学使用与不涉及个人肖像权等问题。
　　本书的第一部分和第二部分由吴功宜教授执笔完成，第三部分由吴英副教授执笔完成。全书由吴功宜教授统编。
　　感谢教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会副主任、国防科技大学王志英教授和上海交通大学傅育熙教授，教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会秘书长、北京航空航天大学马殿富教授的支持。感谢教育部计算机教指委物联网工程专业教学研究专家组的上海交通大学王东教授、蒋建伟教授，武汉大学黄传河教授，四川大学朱敏教授，西安交通大学桂小林教授，华中科技大学秦磊华教授、金海教授，西北工业大学李士宁教授，在与诸位交流的过程中受到很多启发。感谢产业界与政府的朋友们，他们深入的研发工作和对物联网发展的精辟见解对我都有很大的帮助。
　　感谢南开大学网络实验室刘瑞挺教授、徐敬东教授、张建忠教授的支持与帮助。感谢吴英副教授以青年学者对技术与应用的敏感，提出了很多有价值、有启发和有趣的问题，并且完成了很多有创意的插图。感谢牛秀卿教授，正是有她的理解和支持，我这些年来才能够安心研究和写作。
　　感谢机械工业出版社华章公司温莉芳总编辑与朱劼编辑敏锐的洞察力和热情的邀约，不是她们的鼓励和支持，我可能很难坚持将这一个系列的四本书写完。
　　感谢我的小孙女天天。每一次写累了或者写不下去的时候，就想找她玩玩。从书稿写作开始到完成，她已经从“牙牙学语”成长到能够完整地表达自己的想法。看着孩子们，我觉得有责任将自己多年研究的心得与很多有益的想法留给他们，希望物联网能够为他们创造更幸福的生活环境。
　　本书完稿时，正逢2014年教师节。我一边对着屏幕修改文字，一边回复国内外很多学生发来的节日问候短信与邮件。这一天也从朱劼编辑那里得知《物联网工程导论》入选教育部“十二五”国家级规划教材的消息。这些都是我在教师节收到的最好礼物。
　　这本书出版时也是我到南开大学读书、任教50年之时。我1965年从安徽省安庆一中高中毕业，是文革之前最后一届考入南开大学的大学生。5年的大学生活结束之后，1970年留校任教至今。借此机会，谨向培养我的母校安庆一中、南开大学与所有的老师道一声“教师节快乐”，谨将这本书献给你们，衷心地感谢母校和老师的教育之恩。
　　面对 “解读物联网”这样一个宽泛和深刻的问题，我对自己“学识有限、视野不宽”的评价实实在在，绝非过度谦虚。这本书只能起到抛砖引玉的作用。书中难免有对某一方面技术的理解错误或不准确的地方，总结中也可能会出现挂一漏万的问题，敬请专家、学者和广大读者不吝赐教。
　　吴功宜于南开大学