大话物联网 —郎为民 编著

人 民 邮 电 出 版 社

北 京

大话物联网

编 著 郎为民

责任编辑 李 强 人民邮电出版社出版发行 北京市崇文区夕照寺街 14 号

邮编 100061 电子函件 315@ptpress.com.cn

网址 http://www.ptpress.com.cn

北京 印刷厂印刷 开本：7871092 1/16

印张：18.75

字数：362 千字 2011 年 1 月第 1 版

印数：1 – 000 册 2011 年 1 月北京第 1 次印刷

ISBN 978-7-115-24538-0

定价： 元

读者服务热线：(010)67129264 印装质量热线：(010)67129223

反盗版热线：(010)67171154

广告经营许可证：京崇工商广字第 0021 号

Abstract 6内容提要

本书是一本关于物联网的基础知识读物，内容涉及物联网的各个领域，从物联网的

产生背景、概念、特点、现实与困境，到物联网的感知层、网络层和应用层，再到科技

奥运、科技世博、麦德龙的未来商店、美军全资产可视化系统、浦东机场电子围界防入

侵系统、比尔•盖茨的豪宅等多个物联网应用案例，始终紧紧围绕物联网发展前沿的热点

问题，依据物联网相关技术的最新标准，比较全面、通俗地介绍了物联网基础理论和应

用实践的最新成果。本书用独特的行文风格，以风趣、幽默的语言向读者讲述了物联网

的发展历程，以独特的视角说明物联网的特点、原理和应用，使用大量的实例和漫画式

的插图帮助读者理解晦涩、枯燥的技术，向读者展示了物联网高科技的巨大魅力，为初

学者打开了一扇深入学习物联网技术的大门。

本书可作为需要了解物联网基本知识的各级政府公务员、企业管理者、科研人员和

高等院校教师等读者朋友的参考书籍，还可以作为高等院校相关专业学生的专业课教材

或参考用书。

PREFACE 6 前言

“主人该起床了！主人该起床了！”郎先生收到了闹钟传出的叫醒信号，今天公司有

个很重要的会议郎先生必须提早到。刺耳的闹铃声让郎先生赖床的想法顿时消散，他懒

洋洋地伸出手，在床头上摸索着手机，屏幕上显示：2020 年 6 月 16 日上午 6:30。郎先

生使用手机遥控洗漱杯放好水，挤上牙膏，并炮制一套早餐食谱让厨房里的全自动烹调

设备开始工作。

上午 7:10，郎先生洗漱用餐完毕，提着公文包准备去上班，临出门时，他着重检查

了一下手机是不是老实地呆在口袋里。对郎先生来说，可以不带钱、不带钥匙，但万万

不能没带手机，因为手机是钱包，是钥匙，是遥控器，是通信工具，是浏览器。

在关上家门之后，郎先生立刻通过手机上的控制系统开启了安装在房子四周的防盗

报警系统。有了这个系统，郎先生既不怕小偷儿上门，也不怕煤气和水电泄漏出现异常

情况，防盗报警系统不仅会自动给主人发短信，还会向物业自动报警，是主人最贴心的

保镖。

当郎先生离门只有 5 步远的时候，门自动打开了，电梯也已经停在那里等候郎先生

的乘坐。当郎先生走到门口的时候，郎先生的车已经打开了驾驶室的门，上车后车厢内

响起郎先生最喜欢的音乐，在确认郎先生的目的地没有变化后，汽车自己启动。郎先生

拿出昨天改好的领导发言稿，在车内做最后的校验。在确认发言稿没有问题以后，郎先

生将发言稿传给了领导。当然现在传输文字已经不需要通过邮件、QQ，稿纸能自动识别

信息并通过手机信号将信息传输到对方的手机上，对方的手机接收到信号以后，将信息

传输到对方的稿纸上，稿纸识别以后显现出来。

在郎先生到达公司大厅的时候，离会议开始只有 5 分钟了，会议在 20 层召开，电梯

门口已经站立了很多等待电梯的员工，如果正常排队等候郎先生肯定要迟到了。这时候

郎先生对电梯发送了紧急使用的通知，一台紧急情况下才能使用的电梯，在获知郎先生

的紧急使用通知并确认后启动使用，迅速将郎先生带到了 20 楼，在会议开始前 1 分钟，

郎先生走进会议室。

会开得很长，老郎百无聊赖之际，拿出手机浏览了一下家里的监控，又查询了一下

大话物联网

2

水电煤气账户是否还有余额。突然从手机里传出报警铃音，定睛一看，是汽车的报警器

被触发了。郎先生一阵紧张：但愿是行人不小心碰到了，可别是刮擦啊！一边通过手机

定位功能锁定了汽车的位置，一边匆匆忙忙跑下楼去。郎先生正绕着爱车团团转地观察

着呢，老板的电话就来了：小郎，昨天我们订的货，今天到了没？公司等着用呢，你赶

紧去看看！郎先生立刻用手机登录物流公司的网站，调出自己的订单号来。物流公司为

每一件货物都贴上了电子标签，货物进出各地仓库时都能留下详细记录。根据网站显示，

下午货物就能送到。

忙碌了一上午，郎先生终于迎来了午休时间。在通往餐厅的路上，他再次拿出了手

机。这次，是登录幼儿园网站，打开幼儿园里的监控系统，远程查看自己的女儿在幼儿

园的活动情况。

下午 14:30，郎先生的老婆巧巧打来电话，说中午出去逛街时发现了一款新外套，

让郎先生过去帮忙参谋参谋。郎先生通过商场的远程监控系统用手机实时打量该外套，

并将手机拍下的照片发给巧巧的闺中密友小雪—小雪属于资深购物专家兼砍价专

家。小雪告诉巧巧一个合适的价格底线，在与销售小姐唇枪舌剑的一轮砍价之后，巧巧

高兴地购得了该外套。

下午 15:00，郎先生的死党诚诚在电影院订了两张最近热播大片的电影票，通过加

密彩信将一张电子票发到郎先生手机上。郎先生的手机电视节目单上正好有一个该片的

片花介绍，郎先生打开流媒体播放器，喜滋滋地先睹为快。

下午 17:30，郎先生走出公司大楼，结束了一天的工作在楼梯拐角处的自动贩卖机

上，他点了一罐冰咖啡，但是一摸口袋，没有零钱。不过这没难倒郎先生，他掏出手机，

在扫描器上一刷，潇洒地转身离去。

离家还有四五公里的时候，郎先生使用车内的远程遥控系统“告诉”家中的浴缸：

嘿，哥们儿，准备放水！到家后，浴缸已经自动放水调温，做好一切准备迎候。同时，

他还给中央控制系统发短信：嘿，哥们儿，开始上班了！中央控制系统开始根据郎先生

预先设定的温度、湿度、灯光、音乐等条件，先期启动空调、加湿器等设备开始工作。

等郎先生进入房间时，中央控制系统又对音响及灯光系统下达指令，使得室温让人倍感

舒适、灯光明暗适度，并投其所好播放音乐。

吃过晚饭，郎先生陪太太和女儿玩了一阵子，眨眼就八九点钟了，郎先生用手机遥

控家里的环境控制系统，将空调、加湿器等家电调整成晚间睡眠状态，准备入睡了。然

而他的手机仍然忠心耿耿地在枕边侍候着：它监测着主人的心跳、呼吸等状态，采集身

体数据，一旦发生异常，立刻发送至医院。这时，它又变身为温柔的女护士了。等郎先

生再次被电子音乐唤醒的时候，又将是新的一天。

这就是物联网时代普通人一天的生活。到那时，物联网将成为人们如影随形的亲密

前 言

3

战友，套用一句广告词：“人类失去物联网，世界将会怎样！”

物联网，被公认为是继计算机、因特网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪

潮，正在向我们“袭来”，开发应用前景巨大。虽然，现在人们似乎还没有感觉到它的存

在，但是这个被美国总统奥巴马称为“智慧地球”，被温家宝总理叫作“感知中国”的新

生事物，实际上已经应用于某些领域，离我们越来越近。

在编写本书时，我们力求让初涉物联网的人远离复杂的公式，抛开大段晦涩的专业

论述，放松心情，愉快地接受物联网这个新生事物。读过本书后，读者会感觉到，物联

网原来距离现实世界这么近，并不是想象中的那么神秘兮兮和遥不可及。为了不让读者

感到枯燥乏味，我们会使用普通的生活常识来类比复杂的物联网知识，并且让任何学到

的知识具有可延展性而不是简单地就事论事。

本书是一本关于物联网的基础知识读物，用轻松、诙谐的语言，向读者展示了物联

网技术和业务应用的巨大魅力，内容既涵盖了物联网的关键技术，包括条码、传感器、

RFID、因特网、移动通信网、云计算、ZigBee 等，又使用大量实例诠释了物联网的应用

领域，包括安全防伪、工农业生产、物流、交通、生活、休闲娱乐等。同时，给出了物

联网的一些代表性案例，如奥运会、世博会、麦德龙的未来商店、美军全资产可视化系

统、浦东机场电子围界防入侵系统、比尔 • 盖茨的豪宅等。本书用独特的行文风格，以

风趣、幽默的语言向读者通俗地解释各种物联网理论和技术术语，结合生活中的常识和

案例，图文并茂，从另一个侧面，向普通民众介绍了物联网方面的技术知识。

本书由郎为民主编，武汉职业技术学院的焦巧，通信指挥学院的刘建国、钟京立、

毕进南、刘建中、李建军、孙月光、孙少兰、吴帆、宋孝先、任保全、刘璐璐、王其州、

崔遥、张昆、郝红、崔健、徐小涛、李键、刘军、靳焰、王逢东、任殿龙、胡东华、马

同兵、熊华参与了本书部分章节的撰写，和湘、朱元诚、高泳洪、周莉、蔡理金、王会

涛、李官敏绘制了本书的全部图表。华中科技大学电信系的桂良启、刘干、王玉明对本

书的初稿进行了审校，并更正了不少错误，总参 61 所的张新强、西门子中国研究院的袁

勇、华为技术公司的邓勇强提供了相关案例资料，并对本书案例部分内容进行了审校，

在此一并向他们表示衷心的感谢。

由于物联网技术仍在发展之中，新的标准和应用不断涌现，加之作者水平有限，编

写时间仓促，因而本书难免存在错漏之处，恳请各位专家和读者不吝指出。

谨以此书献给我活泼可爱的女儿郎子程！

郎为民

1

Contents

第 1 章 ■ 物联网来了 1

1

1.1.1 1

1.1.2 2

1.1.3 4

5

1.2.1 6

1.2.2 · 7

1.2.3 Ashton MIT 8

1.2.4 ITU 2005 9

1.2.5 18

20

1.3.1 21

1.3.2 25

1.3.3 26

第 2 章 ■ 初识物联网 28

28

2.1.1 29

2.1.2 32

2.1.3 33

2.1.4 36

2.1.5 RFID 37

39

2.2.1 40

2.2.2 41

大话物联网

2

Contents

2.2.3 42

43

2.3.1 44

2.3.2 51

2.3.3 56

57

2.4.1 58

2.4.2 VIP 59

2.4.3 61

2.4.4 63

第 3 章 ■ 感知层：物联网的皮肤和五官 64

65

3.1.1 65

3.1.2 68

3.1.3 70

3.1.4 71

3.1.5 72

3.1.6 74

78

3.2.1 RFID 79

3.2.2 9527 81

3.2.3 RFID 84

3.2.4 RFID 87

3.2.5 RFID 89

92

3.3.1 92

3.3.2 95

3.3.3 97

3.3.4 101

3.3.5 104

目 录

3

Contents

第 4 章 ■ 网络层：物联网的神经中枢和大脑 109

109

4.1.1 110

4.1.2 IPv6 116

4.1.3 Web 2.0 119

4.1.4 124

4.1.5 129

130

4.2.1 130

4.2.2 GSM 133

4.2.3 CDMA 135

4.2.4 IMT-2000 139

4.2.5 LTE-Advanced 802.16m 145

150

4.3.1 151

4.3.2 153

4.3.3 156

4.3.4 158

162

4.4.1 ZigBee 163

4.4.2 ZigBee 166

4.4.3 ZigBee CT 168

4.4.4 ZigBee 170

第 5 章 ■ 应用层：物联网的“社会分工” 173

173

5.1.1 174

5.1.2 174

5.1.3 175

5.1.4 176

177

5.2.1 177

大话物联网

4

Contents

5.2.2 178

5.2.3 181

182

5.3.1 183

5.3.2 184

5.3.3 EAS 185

188

5.4.1 188

5.4.2 ETC 190

5.4.3 192

5.4.4 193

198

5.5.1 198

5.5.2 199

5.5.3 202

208

5.6.1 208

5.6.2 RFID 209

5.6.3 210

第 6 章 ■ 科技奥运，科技世博 214

214

6.1.1 214

6.1.2 218

6.1.3 221

6.1.4 225

228

6.2.1 229

6.2.2 233

6.2.3 235

6.2.4 239

目 录

5

Contents

第 7 章 ■ 未来商店与美军全资产可视化系统 246

246

7.1.1 247

7.1.2 248

7.1.3 249

7.1.4 ESL 251

7.1.5 251

7.1.6 PDA 252

7.1.7 253

7.1.8 254

7.1.9 255

256

7.2.1 257

7.2.2 260

7.2.3 261

第 8 章 ■ 电子围界防入侵系统与比尔 • 盖茨的豪宅 266

266

8.1.1 267

8.1.2 10 270

8.1.3 272

8.1.4 274

• 275

8.2.1 276

8.2.2 277

8.2.3 279

8.2.4 281

参考文献 283

Chapter 1

第1 章

1

物联网来了

似乎是巧合，又似乎已成为规律，每次经济危机之后，都会极大地激发人们对新技

术的追求和探索，而技术进步和飞跃将成为经济增长的新引擎，进而实现整体经济的再

一次腾飞。通信产业自然也不例外。对于通信产业来说，物联网是一种重要趋势，它将

成为未来引领通信发展的主要动力。

物联网并不是一个新词儿，这一概念产生于 1999 年。但是谁也没想到，它会在 10

年之后一夜成名，而且大红大紫。“物联网”概念将股市搅得“热血沸腾”，各大公司、

研究所及知名大学的有识之士纷纷站出来，使出浑身解数，来证明自己就是“物联网”

从业者，而且在努力地去唤醒沉睡的百姓从没有物联网的时代中醒来，准备迎接一个不

一样的缤纷世界。在这场浩浩荡荡的运动中，娱乐界也不甘寂寞。

1.1

从三部好莱坞大片说起

美国好莱坞电影的魅力是我们有目共睹的。我们今天再回头看时，许多经典镜头仍

然回味无穷。这些影片使用先进的高科技进行制作，让我们人类产生了许多无穷无尽

的幻想，难怪人们把那里称作“梦工厂”。好莱坞大片拥有无可比拟的观赏性和征服力，

总能给人以极大的震撼和幻想，告诉你什么叫真正的电影，告诉你什么叫现代电影，这

些大片充分体现了科技和艺术结合的魅力。同时，它们又总能紧跟潮流，将最时尚、最

前沿的新东东融入到电影当中，因而一些年轻人对好莱坞大片情有独钟也就不足为奇了。

在 007 系列电影《大战皇家赌场》中，有这么一个情节：M 夫人让人使用貌似冲击

大话物联网

2

钻的大家伙在邦德的手臂中植入了一枚电子芯片，并通过扫描设备将身份的信息植入芯

片，如图 1-1 所示。此时，邦德对 M 夫人说：“八婆，你想监视我？”M 夫人不动声色

地说：“是的。”但正是这枚能够识别个人身份信息的芯片，关键时候成为邦德的救命恩

人。勒·希弗斯为了除掉邦德，在他的酒里下毒。当邦德历尽千辛万苦钻到车内，并使

用扫描设备激活电子芯片后，一条求助消息发送到总部的信息系统中。在总部专家的远

程指导和芙斯珀的大力协助下，邦德转危为安，从昏迷症状中恢复过来，成功赢得了最

终的赌局。最后，邦德用枪指着坏蛋怀特的头，说出那句标志性台词：“The name’s Bond，

James Bond”。

图 1-1 电影《大战皇家赌场》

这枚电子芯片就是射频标签，只不过在实际生活中，它是被广泛或者说正逐渐被

应用于商品，而不是我们人类。因此，有人将《大战皇家赌场》称为物联网的萌芽。

当然，这是电影作者的艺术构思，然而在欧美国家的一些特殊部门，已经有人尝试在

相关人员的体内植入身份识别装置，从而可以准确无误地识别他们的身份，而不用担

心有人假冒。

一个秘密政府组织训练动物去执行间谍行动，代号 G 的豚鼠特工队共有 5 名成员：

负责武器和运输的布拉斯特，武功超群、魅力不凡的华雷斯，有着“计算机天才”称号

的特工斯贝克尔斯，会飞檐走壁的侦查员苍蝇莫奇，还有特工队的队长达尔文。豚鼠特

工队的行动目标是赛博林公司总裁赛博。

调查局的情报显示，赛博可能会将研制的新型微芯片应用于军事，而且怀疑他已经

把他的技术卖给其他国家。特工队的任务就是到赛博图书馆的个人计算机中下载关于芯

片的资料，找出赛博打算如何运用这项科技。

赛博听命于神秘人物，建立了一个集中袭击网络，制造了一大批机器人，而这些机

器人组成了一大片电磁网点，这些网点能把所有围绕地球的太空垃圾摧毁，将人类一个

不留地埋葬掉。

第 1 章 物联网来了

3

豚鼠特工队进入赛博的实验室后，集群风暴已经启动。通过卫星发指令，全球所有

的赛博产品都接收到微型芯片的信号变得武器化，这些家用电器开始攻击人类。贪吃的

赫尔利为了一块蛋糕爬到了微波炉中，结果微波炉使用辣椒、汤、鸡蛋、牛肉等原料，

选择一定的方式准备烤熟赫尔利，并精确地计算出了烤熟时间。达尔文和其他同伴想方

设法将它救了出来。

当神秘人物驾驭着由多个家电组合而成的超大机器人出现时，大家出乎意料地发现

这个赛博背后的老大竟是内鬼：鼹鼠斯贝克尔斯，它准备利用全球的站点将太空中的宇

宙垃圾吸附到地球，并放出一台受芯片控制的电器攻击达尔文。在达尔文强大的思想攻

势下，鼹鼠斯贝克尔斯重新燃起善良之心。但它已经不能阻止太空垃圾撞向地球，莫奇

吃力地抓住掌上计算机飞到达尔文身边。达尔文将病毒植入鼹鼠的计算机中，它发起的

集群风暴终止了。

在影片中，每一台赛博林生产的电器中都装有一个秘密芯片，比如制冷冰箱或者微

波加热的咖啡机，这个秘密芯片的最大功能是交流，如图 1-2 所示。当人们按下某个按

钮后，该按钮会激活一个称为“赛博感应”的无线系统，可以唤醒已存在于所有赛博林

电器主板上的芯片，允许咖啡机了解有多少咖啡已经被喝掉了，并与家里的计算机进行

交流，在您的购物单中填上咖啡一项。

图 1-2 电影《豚鼠特工队》

“赛博感应”会连接每一台新旧赛博林电器，组成一个无所不在的巨大网络。在该网

络中，物体变得“有感觉、有思想”，物与物可进行“交流”。因此，业界专家将《豚鼠

特工队》称为物联网的雏形。

《豚鼠特工队》是一部高水准制作的真人动画，从剧情来说，属于爆米花电影一列，

而且夹杂着一些新潮玩意儿。例如，豚鼠特工华雷斯躲在自己的屋里，通过写 Facebook

或者 Twitter 微博，来与大家分享心情，并炮制出了《豚鼠特工队》电影中最经典的语言：

“人就像是政府债券，得经过好久才能成熟起来，如果你是一个试图在男权社会里挣扎的

大话物联网

4

女人，你必须学会像男人一样思考，并永远对他们保持神秘感！”

不久的将来，在物联网世界中，智能芯片将被植入人们生活中的各种物品中，甚至

是基础建筑中。听起来很酷？Sure！15 年前你能想象物联网在我们生活中所扮演的角色

吗？你能想象 N 年后物联网加入我们的生活后会是什么样子吗？

像春运期间的火车票窗口一样，人们排着老长的队伍，个个都买《阿凡达》。全

球掀起观看电影《阿凡达》的热浪，而且这一浪直接就把詹姆斯·卡梅隆导演的《泰

坦尼克号》给拍死在沙滩上了。没有看过电影《阿凡达》的人，其实很难理解《阿

凡达》到底有多棒，到底为什么有那么多人会排队买《阿凡达》的票。《阿凡达》

创造了全球 25 亿美元的票房神话，而《泰坦尼克号》在全世界的票房为 18 亿 4 000

万美元。

《阿凡达》的故事发生在未来世界中，人类为获取另一星球—潘多拉星球资源，启

动了阿凡达计划，并以人类与纳美人（潘多拉星球土著）的脱氧核糖核酸（DNA，

Deoxyribonucleic Acid）混血，培养出身高近 3 米高的“阿凡达”，以方便在潘多拉星球

生存及开采矿产。受伤的退役军人杰克，同意接受实验并以他的阿凡达来到天堂般的潘

多拉星球。

在电影《阿凡达》前段中，一缕“蒲公英”（圣树种子）飘落在女主角奈蒂莉肩头，

她顿悟男主角杰克到来是圣母旨意，从而放弃暗杀杰克将其带回部落，至此贯穿全剧的

物联网概念拉开序幕。

外星球的各种生物、纳美人的历代祖先都可以通过圣树来实现连接（纳美人称之为

“萨黑鲁”缔结关系）。在树与树根之间都有着某种类似电流的信息传递，就好像神经连

接细胞组织那样。每一棵树之间都有着成千上万个不同的节点。潘多拉星球上有上亿棵

树，它像一种全球网络，纳美人可以登录进去，进行信息的上传、下载和存储。

圣母化身的神树实际上是潘多拉星球的服务器，星球上所有纳美人和生物都是

物联网的传感器节点，物物通信、人机通信通过纳美人和马、龙等生物的精神合体

来实现，经常飘现的“蒲公英”可理解为圣母监控全网的传感器，如图 1-3 所示。

纳美人的长辫子和树木的根须，是神经接触灵魂沟通的重要媒介，他们通过尾巴进

行连接这种独特的方式，达到心灵相通。最神的是他们没有经过强制标准化，就形

成了可以互通的接口，土著们的传感器发达到可以与树连接、与天上飞的翼龙连接

并进行信息交换和互操作，天人合一的巨大网络让所有的一切变得有生命和灵性，

人与自然之间的互相依存也变得清晰可触。这简直就是 IBM 描绘的“智慧的地球”

的神话版！

第 1 章 物联网来了

5

图 1-3 电影《阿凡达》

同时，电影中的“经典台词”和主题曲，用纳美人土著语说的“I See You”，意味着

不仅是表面上的视觉效果，还有能看到并理解内心的意思。物联网也是这样，将来到商

店去买一包巧克力，你将不仅看见它表面的样子，还可以通过内置的射频识别（RFID，

Radio Frequency Identification）芯片来了解它的各种信息，好像是“巧克力的内心”，而

周边商场同类巧克力的价格以及你购买了这块巧克力的信息，也都可以在物联网中被存

储、被调用。因此，有人将《阿凡达》称为史上最强的物联网宣传片。

《阿凡达》能够给人以极大的震撼，它告诉了人们什么叫电影，什么叫现代电影，充

分体现了科技和艺术结合的魅力。《阿凡达》的成功是对科技、艺术、3D 这种技术模式

的一种接受、一种转变。《阿凡达》这部史诗般的好莱坞大片，高科技处处存在。小到一

个水母、人物造型，大到森林园、潘多拉星球。不过，有一种预言将会成真，这就是“天

人合一”。而这种梦想的实现，物联网是不可逾越的一环。

电影《阿凡达》为人们展示了一个神奇的外太空世界，这些细节具体到现实科技的

发展，就是物联网在未来的典型应用。的确，物联网技术的应用将“让一切自由连通”，

甚至做到“沟通从心开始”。

1.2

物联网的前世今生

从有语言开始，人类一直没有停止对自由交流的追求。从书信到电话，再到因特

网„„现如今，人们又把目光投向身边的各种物体，开始设想如何与它们交流，这就是

广受关注的物联网。

物联网的英文说法其实更清楚，“The Internet of Things”直译过来就是“物体的因

特网”。其理想是让每个目标物体通过传感系统接入网络，让我们在享受“随时随地”两

个维度的自由交流外，再加上一个“随物”的第三维度自由。

大话物联网

6

那么，物联网的思想起源于哪里？这个科幻般的愿景会给人们的生活带来什么便

利？它最终能够实现吗？

物联网的理念最早可以追溯到 1991 年英国剑桥大学的咖啡壶事件。小小的咖啡壶竟

然能吸引上百万人的关注，这可能吗？可能。实现这一壮举的就是这只名为“特洛伊”

的咖啡壶（如图 1-4 所示）。

“特洛伊”咖啡壶事件发生在 1991 年。剑桥大学特

洛伊计算机实验室的科学家们在工作时，要下两层楼梯

到楼下看咖啡煮好了没有，但常常空手而归，这让工作

人员觉得很烦恼。为了解决这个麻烦，他们编写了一套

程序，并在咖啡壶旁边安装了一个便携式摄像机，镜头

对准咖啡壶，利用计算机图像捕捉技术，以 3 帧/秒的速

率传递到实验室的计算机上，以方便工作人员随时查看

咖啡是否煮好，省去了上上下下的麻烦。这样，他们就

可以随时了解咖啡煮沸情况，咖啡煮好之后再下去拿。

1993 年，这套简单的本地“咖啡观测”系统又经过

其他同事的更新，更是以 1 帧/秒的速率通过实验室网站

连接到了因特网上。没想到的是，仅仅为了窥探“咖啡

煮好了没有”，全世界因特网用户蜂拥而至，近 240 万人点击过这个名噪一时的“咖啡壶”

网站。就网络数字摄像机而言，确切地说：其市场开发、技术应用以及日后的种种网络

扩展都是源于这个世界上最富盛名的“特洛伊咖啡壶”。

此外，还有数以万计的电子邮件涌入剑桥大学旅游办公室，希望能有机会亲眼看看

这个神奇的咖啡壶。具有戏剧效果的是，这只被全世界偷窥的咖啡壶因为网络而闻名，

最终也通过网络找到了归宿，最后关于这只咖啡壶的新闻是：数字世界最著名的咖啡壶

日前在 eBay 拍卖网站以 7 300 美元的价格卖出！时间大约在 2001 年 8 月。一个不经意

的发明，居然在全世界引起了如此大的轰动。

至于是谁最先想到这个发明的，剑桥大学的科学家们显然不愿意归功于个人。高登

是 1991 年参与建立这个系统的成员之一，他说：“没有人确定到底是谁的主意。我们一

致认为这是个好想法，于是就把它编到我们的内部系统里去了。”

就在“咖啡壶”网站吸引全世界越来越多的关注的时候，它却已经走到了生命的终

点。后来，剑桥大学计算机实验室宣布，由于实验室需要搬进位于剑桥郊区的新办公大

楼，这个直播网站将关闭。对此，高登解释说：“整个系统已经过时，硬件也已经老化。

图 1-4 咖啡壶事件

第 1 章 物联网来了

7

我们不能把这些陈旧的设备带到新的办公大楼里。”

·

无论你爱他，恨他，你都无法漠视他—这就是比尔·盖茨，有人说他对于软件的

贡献，就像爱迪生之于灯泡。1995 年，这位微软帝国的缔造者曾撰写过一本在当时轰动

全球的书—《未来之路》，他在这本书中预测了微软

乃至整个科技产业未来的走势，如图 1-5 所示。盖茨

在书中写道：“虽然现在看来这些预测不太可能实现，

甚至有些荒谬，但是我保证这是本严肃的书，而决不

是戏言。10 年后我的观点将会得到证实。”

在该书中，比尔·盖茨也提到了“物联网”的构

想，意即因特网仅仅实现了计算机的联网，而未实现

与万事万物的联网，但迫于当时网络终端技术的局限，

这一构想无法真正落实。下面就让我们一起来回顾一

下，关于物联网，盖茨在书中都预测了些什么，这些

预测是否已经变为现实。

《未来之路》中写道：您将会自行选择收看自己喜

欢的节目，而不是等着电视台为您强制性选择。如今

的数字电视已经实现了这种视频点播功能，机顶盒功

不可没。您还可以通过网络，使用网络电视来实现上

述目标。

《未来之路》中写道：如果您计划购买一台冰箱，您将不用再听那些喋喋不休的推销员

唠叨，电子论坛将会为您提供最为丰富的信息。如今的因特网上，几乎没有您找不到的，

只有您想不到的，各类论坛、购物网站、交友网站等提供的最新信息，让您天天应接不暇。

《未来之路》中写道：一对邻居在各自家中收看同一部电视剧，然而在中间插播电视

广告的时段，两家电视中却出现完全不同的节目。中年夫妻家中的电视广告节目是退休

理财服务的广告，而年轻夫妇的电视中播放的是假期旅行广告。此项定制广告业务至今

为止还没有得以实现，不过部分高科技公司已经着手开始进行定制广告业务的销售，相

信在不久的将来我们就可以看到这个画面。

《未来之路》中写道：音乐销售将出现新模式。那些对光盘和磁带等产品感到头疼的

用户将可以不再受它们的侵扰，以全新数字模式出现的音乐产品将会登陆市场，且音乐

将会成为因特网信息高速公路上一个重要的组成部分。比尔·盖茨的先知先觉体现无疑，

但是让人感到迷惑的是，10 年前的比尔·盖茨既然已经意识到数字音乐市场的巨大潜

图 1-5 比尔·盖茨的《未来之路》

大话物联网

8

力，为什么微软不第一个兼职做数字音乐产品，而让苹果在市场上抢得先机呢？难道是

微软不差钱！

《未来之路》中写道：如果您的孩子需要零花钱，您可以从计算机钱包中给他转 5

美元。另外，当您驾车驶过机场大门时，电子钱包将会与机场购票系统自动关联，为您

购买机票，而机场的检票系统将会自动检测您的电子钱包，查看是否已经购买机票。如

今的信用卡、网上支付、移动支付、eBay 服务、电子机票最接近比尔·盖茨的预测，它

们共同开启了电子商务时代。

《未来之路》中写道：您可以亲自进入地图中，这样可以方便地找到每一条街道、每

一座建筑。虚拟的第二人生提供完全模拟现实的生活体验，谷歌地球提供的地图几乎可

以覆盖地球上任何地方，甚至可以“找根皮筋儿做弹弓打你家玻璃”。

《未来之路》中写道：您丢失或者失窃的摄像机将自动向您发送信息，告诉您它现在所

处的具体位置，甚至当它已经不在您所在的城市也可以被轻松找到。十分不幸，比尔 • 盖茨

的预言没有实现，不过让我们感到欣慰的是，未来物联网能够轻而易举地实现上述功能。

真正的“物联网”概念最早由英国工程师 Kevin Ashton（如图 1-6 所示）于 1998 年

春在宝洁公司的一次演讲中首次提出。当时根据美国零售

连锁业联盟的估计，美国几大零售业者，一年因为货品管

理不良而遭受的损失高达 700 亿美元。宝洁公司（P&G，

Procter & Gamble）前任营销副总裁 Kevin Ashton 对此有切

身之痛，1997 年宝洁公司的欧蕾保湿乳液上市，商品大为

畅销，可是太畅销了，许多商店货架常常空掉，由于商品

太多、查补的速度又太慢，“我们眼睁睁地看着钱一分一秒

从货架上流失。”Ashton 表示。

作为“条形码退休运动”的核心人物，Kevin Ashton

花了两年找到了答案，就是将 RFID 取代现在的商品条形

码，使电子标签变成零售商品的绝佳信息发射器，并由此变化出千百种应用与管理方式，

来实现供应链管理的透明化和自动化。在宝洁公司（P&G）和吉列公司（Gillette）的赞

助下，他与美国麻省理工学院（MIT，Massachusetts Institute of Technology）的教授 Sanjay

Sarma、Sunny Siu 和研究员 David Brock 共同创立了一个 RFID 研究机构—自动识别中

心（Auto-ID Center），他本人出任中心的执行主任，Sunny Siu（下一任是 Sanjay Sarma）

为中心的研究室主任（后称为研究所所长），中心成立的日期 1999 年 10 月 1 日正是条形

码问世 25 周年。EPCglobal 于 2003 年 11 月 1 日将自动识别中心更名为自动识别实验室，

图 1-6 Kevin Ashton

第 1 章 物联网来了

9

该实验室主要为 EPCglobal 提供技术支持。

Kevin Ashton 对物联网的定义很简单：把所有物品通过射频识别等信息传感设备

与因特网连接起来，实现智能化识别和管理。MIT 自动识别中心提出，要在计算机因

特网的基础上，利用 RFID、无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）、数

据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“物联网”。在这个网络中，物品（商

品）能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。Kevin Ashton 说：“这是比因特网更大，

为公司创造一种使用传感器识别世界各地商品的方法。这将彻底改变我们以往从生产

厂商到顾客，甚至是通过回收产品来跟踪产品的固有模式。事实上，我们创造了物联

网。”Kevin Ashton 预测电子产品代码（EPC，Electronic Product Code）网络将使机器

能够感应到全球任何地方的人造物体，从而创造真正的“物联网”。Kevin Ashton 后

来离开 MIT 自动识别中心，成为 RFID 读写器供应商 ThingMagic 公司市场副总裁。

2007 年，加入清洁能源合同 EnerNOC，但仍在 ThingMagic 公司顾问委员会中任职。

2008 年，Kevin Ashton 创立了 Zensi 公司，并担任该公司的首席执行官（CEO，Chief

Executive Officer）。该公司主要是将华盛顿大学、杜克大学和乔治亚理工大学的研究

者们发明的传感器商用化，该传感器可以通过每个系统上的单一点来追踪整幢建筑中

的水电使用情况。2010 年 4 月，该公司被电子硬件制造商贝尔金（Belkin）国际公司

收购。

2005 年 11 月 17 日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS，World Summit on the

Information Society）上，国际电信联盟（ITU，International Telecommunications Union）

发布了《ITU 因特网报告 2005：物联网》（如图 1-7 所示），正式提出了物联网的概念。

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因特网主动进行数据交换。射频识别（RFID，Radio Frequency

Identification）技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入这 4 项技术将得到更加广泛的应

用。ITU 战略与政策部的分析师 Lara 评价说：“虽然未来还需要解决新资源的标准制定

和管理等问题，但我们的确正迈向一个新世界，在那里物与物之间不需要我们的任何指

示就能相互进行数据交换。”

根据 ITU 的描述，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的

移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间、任何地

点的人与人之间的沟通连接，扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。该报告描绘了“物

联网”时代的图景：当司机出现操作失误时，汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带

了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求，等等。

大话物联网

10

报告主要分 7 章，包括何为物联网、物联网技术支持、市场机遇、面临的挑战和存

在的问题、发展中国家的机遇、展望 2020 年的某一天、一种新型生态系统等内容。

我们正处在一个全新的、泛在计算和通信时代，这个时代将从根本上改变我们的企

业、社区和个人的存在方式。1991 年，科学家马克·维瑟（Mark Weiser）开创性地提出

泛在计算（UC，Ubiquitous Computing）的思想，认为泛在计算的发展将使技术无缝地

融入到日常生活中。早期泛在信息通信网络的基本形式就是广泛使用移动电话：截至

2005 年 6 月底，全球的移动电话用户超过 20 亿，这些小玩意儿已经成为无数人日常生

活中不可缺少的一部分，甚至比因特网更贴近人们的生活。

今天，科学技术的发展使这种现象继续推进，通过在各种日常使用的设备中嵌入移

动无线电收发器，可以实现人与物、物与物之间的通信。信息与通信技术（ICT，Infor-

mation and Communication Technology）领域呈现出新模式：除了针对人的随时、随地连

接，还增加了针对任何物体的连接，如图 1-8 所示。

图 1-7 《ITU 因特网报告 2005：物联网》 图 1-8 新的维度

各种连接会因此翻番增加，并创造出一种全新的动态网络—物联网。信息与通信

技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物体的阶段，而万

物的连接就形成了物联网。物联网既非科幻小说，亦非商业骗局。它是建立在坚实的技

术优势和广受认可的泛在网络前景之上的。

第 1 章 物联网来了

11

物联网是一次技术的革命，它揭示了计算和通信的未来，它的发展也依赖于一些重

要领域的动态技术革新，包括射频识别（RFID）技术、无线传感器技术和纳米技术。

首先，为了连接日常用品和设备，并将其属性信息导入至大型数据库和网络，尤其

是因特网，一套简单易用且低成本有效的物体识别系统是至关重要的。只有这样，才能

收集和处理与物体有关的数据。射频识别（RFID）技术提供了这种功能。其次，采集的

数据要反映物体物理状态的变化，这就要用到传感器技术。物体中的嵌入式智能可以通

过在网络边界转移信息处理能力而增强网络的威力。最后，小型化和纳米技术的发展，

意味着体积越来越小的物体具有交互和连接功能，如图 1-9 所示。

图 1-9 物联网的小型化

所有这些技术融合到一起，形成了物联网，将世界上的物体从感官上和智能上连接到一

起。事实上，借助集成化信息处理的帮助，工业产品和日常物件将会获得智能化的特征和性

能。它们还能满足远程查询的电子识别需要，并能通过传感器探测周围物理特性的变化。如

此一来，甚至于像灰尘这样的微粒都能被标记，并连接入网。这样的发展将使当前的静态物

体变成未来的动态物体，在我们的环境中处处嵌入智能，刺激更多创新产品和服务的诞生。

RFID 技术被认为是物联网的关键技术，尽管某些时候，人们把它贴上“下一代二维码”

的标签，但是 RFID 能够提供更多的功能，比如实时追踪物体以便获得关于位置和状态的重

要信息。早期的 RFID 应用包括高速公路自动收费，大型零售商的供应链管理，药品防伪和

电子医疗中的病人看护。最近的发展表明，RFID 的应用将更加广泛，从体育运动和娱乐休

闲（滑雪场门票）到个人安全（为学校的孩子加注标签）。RFID 甚至可以被植入到人体皮

肤之下来实现医疗目的，或者作为黄金海岸俱乐部的贵宾（VIP，Very Important Person）入

大话物联网

12

场券。在电子政务上，可以将 RFID 植入驾驶执照、护照和现金之中，也可以将 RFID 读写

器植入到移动电话中，例如诺基亚早在 2004 年就发布了支持 RFID 的商务手机。

除了 RFID，为了记录环境变化情况，具备检测物体物理状态变化的能力也是必要的。从

这个角度看，传感器在连接物理世界和虚拟世界上起到了关键的桥梁作用，它使得物体能够

对周围物理环境的改变作出反应。传感器从环境中收集数据，生成信息，并提高对周围环境

的意识。例如，电子夹克中的传感器能够收集外部气温的变化，从而夹克的参数能随之修正。

物体本身的嵌入式智能可以增强网络前端的处理能力，为数据处理提供更大的可能

性并提高网络的适应能力。对于什么是“智能物体”很难去界定，但智能物体都具备某

些处理能力和对外部刺激作出反应的能力。现在比较领先的有智能家庭、智能汽车和智

能机器人，对可穿戴计算机（包括可穿戴移动车辆）的研究也正在逐步进行中。科学家

正在运用自己的想象力来开发新的设备和应用，如通过电话或因特网控制的智能烤箱、

在线冰箱和无人网络等，如图 1-10 所示。物联网将会融合上面各种技术和功能，来搭建

一个完全可交互的、可反馈的网络环境。

图 1-10 智能家庭

第 1 章 物联网来了

13

物联网技术的发展为消费者、制造商以及公司等提供了潜在的市场。但是要使这

些创新从概念变为市场上的产品或应用，还需要艰难的商业化运作，这其中包括一系

列参与者，如标准化组织、国家研究中心、服务提供者、网络运营商以及领先用户等，

如图 1-11 所示。

图 1-11 物联网：从概念到市场

需要注意的是，从开始到整个研究设计阶段，都会出现新的概念和技术，最终到达

产品阶段，要进入市场还需要关键的“领先用户”，他们可以推动技术革新。到目前为止，

物联网的关键技术对于推动私人企业加入还是非常重要的，比如通过产业论坛和产业合

作，公共机构也逐渐加入其中。然而，通过技术开发（如纳米技术）和特定领域（如医

疗、国防或教育）投资，公共部门的参与度也在不断提升。

大话物联网

14

RFID 是这些关键技术中最成熟的一种，已经建立了标准协议，并拥有一个相对

广阔的应用市场。全球的 RFID 产品和服务市场正在飞速发展，2004 年全球 RFID

市场和服务税收已经达到了 15～18 亿美元。而在未来中长期发展之后，随着各种

消费产品（尤其是移动电话）中的智能卡和 RFID 的广泛应用，这些收入将显得微

不足道。

无线传感器网络广泛应用于自动化、国家安全、医疗、家庭自动化、航空航天、远

程监控、环境监管等领域，市场潜力相当大。分析家预测，随着价格的下跌，各领域的

应用数量将有大幅度增长。同时，机器人出现了新的应用领域和市场。目前，工业机器

人的市场大于个人机器人和服务机器人，但是这种状况将会改变，将来个人机器人有望

引领市场增长。

不断变化的商务战略是物联网市场的特征，特别是零售业、自动化以及电信产

业。公司应该抓住物联网技术，优化内部处理过程，拓展传统市场，发展新的商务

模式。

虽然物联网会带来相当的便利和巨大的市场，但同时也面临着许多挑战。技术标

准化是最大的挑战，现在物联网技术标准还处于起步阶段，相当不完善。显而易见，

管理和培育业务创新对很多国家和产业而言是一种挑战。标准化是任何一项技术广泛应

用和扩散的必要条件，几乎所有在商业上成功的技术都要经历标准化阶段，才能实现更大

的市场占有率。如果没有标准化的传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）/

因特网协议（IP，Internet Protocol）和 IMT-2000，将不会有今天的网络和移动电话的

繁荣。

RFID 的标准化工作已经通过自动识别中心（现为 EPCglobal）获得了初步的成功，如

欧洲电信标准组织（ETSI，European Telecommunications Standards Institute）、国际标准化

组织（ISO，International Standardi Organization）/国际电工技术委员会（IEC，International

Electrotechnical Commission）等组织也在为 RFID 的标准化努力，ITU 也将进一步协调

RFID 协议的标准化问题。通过 ZigBee 联盟和其他组织的努力，无线传感网络的标准化

已经取得了很大进步。与此形成鲜明对比的是，纳米技术和机器人技术的标准化，则由

于未形成共识和缺乏沟通协商而进展缓慢。

妨碍用户采用新兴技术的一个重要挑战是对数据和隐私的保护。对隐私和数据安

全的关注是广泛存在的，特别是传感器和智能标签能够跟踪用户的行动、习惯以及偏

好等。当日常物体能够拥有 5 种感觉（如视觉和嗅觉）中的几种时，再加上计算和通

信能力，数据请求和数据获取的概念会为之焕然一新。人和物、物和物之间不可见而

第 1 章 物联网来了

15

持续的数据交换，很有可能给数据所有者和数据接触者带来未知隐患。技术的大范围

部署更是加剧了这个问题。谁将能够最大限度地控制我们周围嵌入的成千上万的“眼

睛”和“耳朵”呢？为了提高物联网技术的更广泛应用，保护秘密数据的安全，不仅

要坚持用户许可的原则，同时还要考虑立法、市场机制和社会道德等因素，如图 1-12

所示。如果政府部门、民间社团以及私人企业不加以保护，物联网的发展将受到很大

阻碍。

图 1-12 隐私保护涉及的方方面面

公众的极大关注和激进消费者发起的抵抗运动已经阻碍了两家知名零售商的 RFID

商业试用。要大力推广物联网技术的部署，必须要确保用户的数据和隐私安全，且隐私

保护不能仅局限在技术解决方案上，还要在市场和社会伦理方面贯彻实行。只有通过广

泛宣传物联网的技术优势，并确保解决这些敏感问题，我们所有人才能从以用户为中心

的物联网中受益。

物联网技术不仅仅是工业化国家的“宝藏”，同时也为发展中国家提供了更多便利，

为他们带来了诸多领域的应用，比如在医疗诊断、污水处理、能源产业、环境卫生和食

品安全等领域。

根据千年发展目标（MDG，Millennium Development Goal），信息社会世界峰会

提出通过国家电子战略来发展信息通信技术，提倡通用的、无所不在的、平等的、

大话物联网

16

可用的技术连接以及信息、知识的广泛传播和共享。WSIS 不但关注技术传播的问

题，还在通过通信技术和其他新兴技术以求缓解贫穷、促进人类潜力发展和整体进

步等方面进行了努力。从这种意义上讲，物联网下的各种技术带来了很多潜在的

好处。

举例来说，在日用品生产和出口领域，传感器技术可用于测试不同产品的质量和纯

度，如巴西的咖啡和纳米比亚的牛肉。RFID 已经被用来跟踪和验证牛肉的来源、加工、

装运和出货的整个过程，这些应用能帮助确保来自发展中国家的日用品质量，以便开拓

市场。

物联网用到的技术能够给发展中国家提高生活质量带来很大帮助。孟加拉国正运用

纳米过滤技术消除污染，确保饮用水的安全。纳米传感器可以帮助低成本地监控水质，

纳米隔膜可以用来处理废水。同时，纳米技术在疾病诊断和治疗上的应用以及纳米药物

在疾病中的应用正在研究中，新兴技术将有助于提高发展中国家传统药物的质量和可靠

性，比如 RFID 能跟踪安全药物的来源，减少假冒的可能性。

传感器技术能够检测到环境的细微变化，预防或限制自然灾害。我们需要系统的早

期预警和人员疏散，从而降低由于自然灾害带来的损失。例如，一些特制的机器人被用

来进行矿产探测，在突发的困境中救人。部分发展中国家，比如印度、泰国、土耳其等

也将这些技术用在商业上。

下一代通信技术的发展将借助于发展中国家（特别是中国和印度）日益扩大的市场。

许多发展中国家已经开始了一些实质项目的研究，未来物联网将会被广泛应用在本地市

场和国际贸易中。在物联网上，发展中国家不是消极的跟随者，而已经对这些新兴技术

的应用和传播产生重要的影响。

物联网对未来的居民有什么特别的意义呢？让我们想象一下 2020 年一位居住在西

班牙的 23 岁学生罗莎一天的生活吧！

罗莎刚刚同男朋友吵完架，想要独处一段时间。她决定驾驶自己的智能丰田汽

车去法国阿尔卑斯山的滑雪胜地度周末。由于罗莎汽车的 RFID 传感系统提醒她轮

胎坏了，因而她必须先去汽修厂。当她经过她喜爱的汽修厂入口处的时候，使用无线

传感技术和无线传输技术的诊断工具对她的汽车进行了检查，并要求其驶向指定的

维修台。

当她进入修车厂后，应用传感器和无线电系统的诊断工具为她的车进行了详细检查，

送进一个配备有完全自动的机器人手的维护终端。罗莎去喝杯咖啡，“OrangeWall”饮料

自动售卖机知道罗莎喜欢冰咖啡，所以在罗莎通过自己的网络手表付过账之后她得到了

第 1 章 物联网来了

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一杯冰咖啡。当罗莎回来时，一对新的轮胎已经安装好。这对新轮胎装有集成 RFID 标

签，可以检测压力、温度和变形情况。

这时机器人指导提示罗莎选择轮胎上与隐私相关的选项。汽车控制系统里存储的信

息本来是为汽车维护准备的，但是在有 RFID 读写器的地方，旅程的线路也能被阅读。

罗莎不想任何人（尤其是男友）知道她要去哪里，这样的信息太敏感了，不能不保护，

因而她选择隐私保护来防止未授权的追踪。

然后罗莎去了最近的商业街购物。她想买一款新的内嵌有媒体播放器和具有天气预

测功能的新滑雪衫。那个滑雪胜地使用了无线传感器网络来监控雪崩的可能性，这样罗

莎就能保证舒适安全。在通过法国和西班牙边境时，罗莎没有停车，因为她的汽车里包

含了她的驾照信息和护照信息，已经自动传送到边检相关系统了。

忽然罗莎在自己的太阳镜上接到了一个视频电话请求。她选择了接听，看到她男友

正在请求她的原谅，询问她是否愿意共度周末。她喜出望外，马上对导航系统发出一条

指令：禁用隐私保护，这样男友就能找到她的位置直接过来了。

瞧，即使是在这样一个充斥着智能互联系统的世界，人类情感依然是主宰。

我们知道，因特网正在迅速演变。从一开始面向少数用户的学术网络，演变为现在

面向大众和消费者的网络。现在，它正慢慢变得更加普及、交互和智能化。不仅实时通

信成为可能，而且任何时间、任何地点的任何物体之间都能通信。物联网的出现将创造

更多革新性应用和服务，这些应用和服务将提升人的生活质量。在为一些商业企业提供

新收入机会的同时，也缩小了不同人群之间的不平等。

随着物联网的发展将出现新型的生态系统，该生态系统包含如下要素：产品和

应用、消费者支持群、研究设计组织、政府和立法机构、国际组织、领先用户，如

图 1-13 所示。这些要素通过运行一系列持续发展的经济和法律系统，能够为他们的

最终盈利努力提供框架。然而，人类还应该处在整个系统的核心，因为人类的需要

对物联网未来的革新是最重要的。事实上，技术和市场不可能脱离社会和伦理体系

而独立存在。物联网将从很多方面改变我们的日常生活，影响我们的行为，甚至价

值观。

对于电信产业而言，物联网是一个成功的投资机会，如在移动通信和无线通信领域，

同时也是开拓新领域的绝好机会。在一个以迅速发展的技术为媒介的世界里，我们必须

确保人类是一切行为的核心。在通往物联网的道路上，只有面向人的战略才能获得成功。

要在创造技术和应用技术之间建立紧密的联系，这样，我们才能更好地应对未来生活中

的挑战。

大话物联网

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图 1-13 物联网的生态系统

1995 年，克林顿政府提出“信息高速公路”的国家振兴战略，大力发展因特网，推

动了全球信息产业的革命，美国经济也受惠于这一战略，并在 20 世纪 90 年代中后期获

得了历史上罕见的长时间繁荣。奥巴马的振兴战略方向在哪？种种迹象表明：智慧的地

球和新能源发展战略将成为主导。

“智慧地球”的概念是 IBM 于 2008 年提出的。2008 年 11 月初，在纽约召开的外国

关系理事会上，IBM 董事长兼 CEO 彭明盛发表了《智慧的地球：下一代领导人议程》。

奥巴马就任美国总统后，2009 年 1 月 28 日与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”。

作为仅有的两名代表之一，IBM 首席执行官彭明盛（如图 1-14 所示）提出“智慧的地球”

这一概念，建议新政府在未来几年内，如果每年在宽带网络、智慧的医疗和智慧电网等

新一代的智慧型基础设施方面投入 300 亿美元，那么每年可以产生 100 万个就业岗位，

同时还将帮助美国建立 21 世纪的长期竞争优势，并阐明其短期和长期效益。物联网就是

这些所谓智慧型基础设施中间的一个概念。奥巴马对此给予了积极的回应：“经济刺激资

金将会投入到宽带网络等新兴技术中去，毫无疑问，这就是美国在 21 世纪保持和夺回竞

争优势的方式。”

第 1 章 物联网来了

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图 1-14 IBM 首席执行官彭明盛

2009 年 2 月 17 日，美国总统奥巴马在美国西部城市丹佛签署了总额为 7 870 亿美

元的经济刺激计划，这标志着奥巴马“新政”正式付诸实施，如图 1-15 所示。经济刺激

计划几乎涵盖美国所有经济领域，资金总额中约 35%将用于减税，65%用于投资。在减

税项目中，每个美国劳动者最高可获得 400 美元退税，每个美国家庭最高可获得 800 美

元的退税；在投资项目上，基础设施建设和新能源将是两大投资重点。奥巴马表示，该

计划将为美国保住和创造约 350 万个工作岗位。

图 1-15 奥巴马签署的总额为 7 870 亿美元的经济刺激计划文件

从选举到履新，新能源和物联网不仅是奥巴马认为的全球经济新引擎，也是他许诺

给美国人民的“美利坚未来”。有分析预测称，物联网建设很有可能被奥巴马政府上升为

国家战略。

IBM 提出“构建一个更有智慧的地球”，这是因为 IBM 认识到互联互通的科技将改

大话物联网

20

变这个世界的运行方式。这一系统和流程将能够实现：实体商品的开发、制造、运输和

销售，服务的交付，从人、金钱到石油、水和电子等万事万物的运动，数十亿人的工作、

自我管理和生活。

IBM 认为建设智慧的地球需要如下 3 个步骤。第一，各种创新的感应科技开始被嵌

入各种物体和设施中，从而使得物质世界极大程度地实现数据化。第二，随着网络的高

度发达，人、数据和各种事物都将以不同方式联入网络。第三，先进的技术和超级计算

机则可以对这些堆积如山的数据进行整理、加工和分析，将生硬的数据转化成实实在在

的洞察，并帮助人们做出正确的行动决策。同时，IBM 提出将在 6 大领域建立智慧行动

方案，分别是：智慧的电力、智慧的医疗、智慧的城市、智慧的交通、智慧的供应链、

智慧的银行。

作为新一轮 IT 技术革命，智慧的地球对于人类文明的影响之深远，可能将远远

超过因特网。预计其中投资于新一代智慧型基础设施的建设项目，能够有力地刺激经

济复苏，而且能为美国奠定长期繁荣的基础。这一前景，毫无疑问引起了奥巴马团队

的兴趣。

当前，美国正遭受着金融风暴的影响，美国公民正在期望改变，奥巴马更加希望利

用“智慧的地球”让美国迅速走出金融风暴，重现经济的繁荣和发展。“智慧的地球”已

经上升为美国的国家战略。

1.3

智慧的地球是个什么球

两千多年前，阿基米德曾经说过：“给我一个支点，我就能撬起地球。”两千年后的

今天，我们不禁要问，还有什么能够撬动地球？IBM 给出的答案是智慧的系统。

“下一个大未来是什么？”2008 年初的一天，IBM 董事长兼首席执行官彭明盛

问 IBM 高级副总裁 Jon Iwata。彭明盛继续追问：“是不是云计算？”Jon Iwata 表示

疑问：“云计算„„这个概念太窄了点吧？”一个月后，他们再次碰头讨论时，忽

然有人插嘴道：“智慧的地球（Smart Planet），这个概念够大了吧？”彭明盛兴奋地

说：“Yes！”

这是坊间流传的一个 IBM 如何炮制“智慧的地球”概念的版本，如图 1-16 所示。

跨国公司就是跨国公司，人家的老总说出尚未实现的计划或概念，就是“蓝图”或“预

言”；如果是我等凡夫俗子抛出“智慧的地球”概念，人家一定以为你在开“地球级玩笑”，

甚至会质疑你小时候脑子是不是被门框给挤过。但“智慧的地球”这个概念是 IBM 提的，

命运就不一样了，全世界都得“顶礼膜拜”。

第 1 章 物联网来了

21

图 1-16 智慧的地球：IBM 的“掌中宝”

实际上，IBM 是全球 IT 行业中最善于创造“概念”的创新高手。20 世纪 90 年末，

Internet 出来后，我们跟人家学会了搞网站，IBM 就提出“电子商务”概念，赚足了眼

球和银子。等大家都学会了，“随需应变和面向服务的体系结构（SOA，Service-Oriented

Architecture）”又出来了；等你学会应变了，人家又“网格（计算）”了；等你网格了，

人家已开始“云（计算）”了；等你云里雾里跟着嚷嚷的时候，人家又“智慧”了，而且

不但智慧了你我，还一网打尽，整个地球都给装进去了。你不服不行啊。

如果你在过去一年内曾经看过电视体育节目，或是阅读过某个著名的报纸、杂志或

浏览过知名网站，你就会知道这正是 IBM 最近一直努力的方向。借助那个眩目的快餐商

业广告以及贝纳通广告中真诚传递的多文化主义思想，IBM 的“智慧的地球”推广活动

让我们了解了这个蓝色巨人的雄心壮志，去解决我们这个时代面临的一些最让人头痛的

问题。

“智慧的地球”概念的提出源于 IBM 对信息技术（IT，Information Technology）促

使人类社会变革的深刻洞察，像 IBM 这样的“大块头 IT 企业”在关键时刻，的确需要

有“大智慧”。

IBM 认为，当今世界正变得更“小”、更“扁平”，但还不够智慧。权威数据显示，

人们每天用电，有 40%～70%的电力从发电到最终使用中被损耗了，这意味着每年大约

多烧几亿吨煤，向大气排出几亿吨的碳和几十吨的二氧化硫。

大话物联网

22

世界上现有油井的产量仅占可采储量的 20%～30%。钻一口新井花费巨大，但其实

如果我们能够适当提升已有油井的生产力，其增加的总和也会给生产商带来巨大利润，

并使消费者享受油价降低的好处。但这是一项信息密集型的任务，仅一个油田或天然气

田每天产生的数据量即在 100 万兆字节（TB）左右。

据劳伦斯伯克利国家实验室 2004 年的一份报告，从 1980 年到 2003 年，由于气候相

关灾难造成的全球经济损失总计达 1 万亿美元。而同一时期新兴市场上的相关保险业务

仅覆盖气候相关灾难总损失的 4%。高收入国家的情况相对好一些，达到 40%。但仍有

5 000 亿美元以上的损失不在保险范围之内。

交通系统浪费巨大。按时间（42 亿小时）和燃油（29 亿加仑）浪费计算，美国的交

通阻塞每年造成的损失高达 780 亿美元。一项研究则发现，在一年当中，美国洛杉矶的

一个小区里，光是车子每天找车位所消耗的油就高达 47 000 加仑，排放二氧化碳超过

730 万吨。如果把这个油省起来，可以让一辆空车环绕地球行驶 38 圈。

再看供应链，市场研究公司 Yankee Group 在一份研究报告中指出，消费品和零售行

业由于供应链效率低下而造成的损失每年约为 400 亿美元，相当于其销售额的 3.5%。中

国每年物流所占 GDP 比重达 20%，这个数字比美国高一倍。还有食品安全和医疗卫生

方面，含有过量三聚氰胺的奶粉致使 29.4 万人患病，84%的中国消费者声称对食品安全

的关注度提高。这些问题触目惊心，亟待解决。

食品系统问题重重。据联合国统计，单是美国，食品商和消费者每年浪费的食品价

值就高达 400 亿美元。另外，还有被环保主义者用“食物里程”来表示的供应链效率低

下。在艾奥瓦州，普通胡萝卜来自 2 754km（1 600 英里）之外的加利福尼亚州，土豆来

自 1 931km（1 200 英里）之外的爱达荷州，而牛肩胛肉则来自 965km（600 英里）之外

的科罗拉多州。而且困难不只是食品供应，还包括保鲜。

因为缺乏好的电子医疗记录，美国每年有 220 万起因为手写处方造成的配药错误；

如果电子医疗统一记录的话，每年可以帮助防止 10 万人因为医疗事故而导致的死亡。由

于供应链低下，消费品和零售行业每年损失约为 400 亿美元；每年有 32.5 万人因为食物

中毒住院，5 000 人死亡„„面对这一切，IBM 在牛年之初，给出了一条“看上去很牛”

的解决之道：智慧的地球。

2008 年年底，IBM 首席执行官彭明盛首次提出了“智慧的地球”这一概念。IBM 所

谓的“智慧地球”，即是指把新一代的 IT、因特网技术充分运用到各行各业，把感应器

嵌入、装备到全球的医院、电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、

油气管道，通过互联形成“物联网”；而后通过（基于 IBM 平台的）超级计算机和云计

算，使得人类以更加精细、动态的方式管理生产和生活，从而在世界范围内提升“智慧

水平”，最终就是：“因特网 + 物联网 = 智慧的地球”。

第 1 章 物联网来了

23

IBM 的架构是：“新锐洞察”让你有时间将资料变成信息，把信息变成智慧；“智慧

运作”就是我们用新的方法来做事情；“动态架构”让更加智慧的架构支持客户，让客户

的管理成本更低、可靠性更高；“绿色与未来”包括了我们本身 IT 数据中心，也包括了

我们会帮助客户来管理他们的设备，让他们达到绿色的要求。

智慧地球的核心是以一种更智慧的方法，通过利用新一代信息技术来改变政府、公

司和人们交互的方式，以便提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度。如今信息基

础架构与高度整合的基础设施的完美结合，使得政府、企业和市民可以做出更明智的决

策。根据 IBM 的官方解析，智慧地球分成三个要素，即“3I”：物联化（Instrumented）、互

联化（Interconnected）和智能化（Intelligent），分别对应“更透彻的感知”、“更全面的

互联互通”和“更深入的智能化”，如图 1-17 所示。

图 1-17 智慧地球的三个要素

物联化，可以说“更透彻的感知”是实现智慧的地球的最基本需求。所谓“更透彻

的感知”就是运用身边一切的感知设备，例如数码相机、RFID 等来得到所需要的信息。

当然这里所说的感知设备不仅仅是这些，它是一个更为广泛的概念。具体来说，它是指

利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程。通过这些设

备，我们可以检测人的血压、财务数据甚至城市交通状况等任何信息，然后再将其进行

分析，便于立即采取应对措施和进行长期规划。

也许听起来有些抽象，举一个简单的实例吧。据美国能源部的研究结果，由于美国

电网效率低下而造成的电能损失高达总电能的 67%。为了节省能源，美国德克萨斯州、

丹麦、澳大利亚和意大利的公共事业公司便开始建设新型数字式电网，以便对能源系统

进行实时监测。此举不仅有助于他们更迅速地修复供电故障，而且有助于他们更“智慧”

地获取和分配电力。也许你会觉得这种做法和消费者没有直接的关系，那你就大错特错

了。消费者也能够加强他们对能源消耗的掌控，每户最多可减少 25%的能源花费。此外，

“智慧能源”管理还能够改善可靠性、服务、效率乃至法令透明度。

大话物联网

24

也许你觉得这个听起来不错，但能否实现还值得怀疑。每个人身边的数据量巨大，

如何才能实现所谓的“更透彻的感知”呢？其实，世界的基础结构正在向“智慧”的方

向发展。这不只是一个比喻，就晶体管数量而言，2010 年，世界上每个人将拥有 10 亿

只晶体管。这些晶体管已被嵌入到数十亿的设备，如车辆、器具、道路等中。当这些传

感器有序地利用到供应链、医疗保健网络、城市，甚至河流等各个生态系统中时，更加

透彻的感知将呈现在我们面前。据统计，全球移动电话用户数量 2007 年已突破 33 亿大

关，也就是说，全球平均每 2 个人就拥有 1 部移动电话。更重要的是，据预测，2010 年

移动因特网用户的数量将会达到 10 亿之多。2010 年全球生产的电子标签数量可望达到 300

亿个，产品、护照、建筑物甚至动物身上都将带有射频标识。盘旋在绕地轨道上的数百

个卫星每天产生数太字节（TB）的数据量。同时，联网对象—即构成“物联网”的车

辆、设备、摄像头、车道、管道—的数量正在迈向 1 万亿大关。

有了“更透彻的感知”做基础，“更全面的互联互通”将可以发挥更大的作用。自从

因特网的出现，我们的互联互通大计就已经开始推进了，你可千万别把“更透彻的感知”

就简单地理解成因特网，这里讲的是更加宏观的互联互通，是“物联网”与“因特网”

的融合。说白了吧，就是把我们生活中所有的东西，小到一杯水，大到一个国家，只要

是有必要的，都能够联接到相应的“网络”中，让你在日常生活中都可以跟踪到你需要

的信息。

搭建如此庞大的网络当然就需要通过各种形式的高速的高带宽的通信网络工具，将

我们刚刚讲到的那些传感器、个人电子设备、组织和政府信息系统中收集和储存的分散

信息及数据连接起来，然后再进行交互和多方共享。这样我们就可以从全局的角度分析

形势，并实时解决问题，使工作和任务可以通过多方协作来得以远程完成，从而彻底地

改变了整个世界的运作方式。

不相信？好吧，据权威机构预测，到 2011 年网络用户将达到 20 亿，高速分组接入

（HSPA，High Speed Packet Access）将促成“三种屏幕”（电视、计算机和移动电话）的

融合，并有可能实现不中断的网络连接。通过这种网络的作用，数以万亿计的拥有“电

子神经”的“东西”将被紧密链接，其中包括汽车、家用电器、相机、道路、管道，甚

至医药品和家畜。想象一下所有这些东西互动所产生的信息量，那将是空前庞大的。

是不是觉得可以喘口气了？通过“更全面的互联互通”得到了海量的数据之后就万

事大吉了吗？当然不是！如何通过智能化的数据分析得到有用的信息才是最重要的。

“更深入的智能化”是指对海量数据进行深加工的过程。经过这样的加工过程，获取

更加新颖、系统且全面的洞察来解决特定问题。这要求使用先进技术（如数据挖掘和分

析工具、科学模型和功能强大的运算系统）来处理复杂的数据分析、汇总和计算，以便

整合和分析海量数据和信息，并将特定的知识应用到特定行业、特定的场景、特定的解

第 1 章 物联网来了

25

决方案中以更好地支持决策和行动。如此苛刻的要求我们能实现吗？当然。IBM 的

Roadrunner 超级计算机突破了“petaflop”限制，每秒钟可以进行 1 000 兆次运算，而 exaflop

计算机将实现下一个具有里程碑意义的计算速度，即每秒钟将进行 100 万兆次运算，计

算速度比 Roadrunner 快 1 000 倍。

当前美国次贷危机就用残酷的现实，告诉了我们“更深入的智能化”的重要性。目

前，银行的现有系统已经无法处理随着抵押债权证券化、融资和交易而形成的错综复杂

的相互联系，致使银行无法得知和管理其风险敞口。此外，这些事情是实时发生的而且

复杂性过于巨大，可以说现有系统对市场已经丧失了洞察力。“更深入的智能化”将可以

透过重重的数据迷雾洞悉金融系统内部的潜在危机，从而为金融行业提供更有力的监督

与管控，让“智慧金融系统”有可能成为现实。

飓风艾克横扫德克萨斯州东南部，休斯敦整个大都会区的电线上到处挂着被风吹上来

的枝杈。就像是消防员投入灭火战斗一样，电厂工作人员脚蹬胶鞋，身披雨衣，手持手电

筒，匆忙穿行于各个街道，搜寻被风吹断的电线。此时正有 200 万家庭在黑暗中焦急地等

待。在有些地区，这种搜寻工作需要持续几周的时间。断电导致的总损失高达几十亿美元。

在地球的另一端，斯德哥尔摩正在经历高峰时段的大堵车。连接瑞典首都城市的几

座桥梁成了交通瓶颈，车辆水泄不通。废气污染着空气，数以百万加仑的燃料在浪费

着，公共交通举步维艰，行人的安全也受到威胁。

就在挪威的边境地区，一场大肠埃希杆菌疫情的爆发给这个国家带来了灾难性后

果。1 名儿童死亡，9 名儿童住院。这个向来以食品安全著称的国家陷入了对食品的

恐惧之中。同时，在西非，一种由真菌引起的疾病和全球变暖正在威胁着世界上最大

的可可树种植区，该地区首要的经济收入来源身陷囹圄—更不用提用可可去制造人

类钟爱的甜食了。

如果司机不了解前方拥堵的路况，或者不知道如何避免陷入拥堵的话，就会造成交

通堵塞。我们该如何阻止大肠埃希杆菌呢？从源头切断病菌，但只有当我们拥有一个透

明的供应链的时候才可能去这么做。断电也是一样。如果我们能够精确地监测电网上的

电流，我们就能轻易地找到短路的具体位置。至于那些果实能够做成巧克力的树，很简

单，只要准确地更改它们的基因，创造一种耐疾病和耐热的超级可可树就会变得像番茄

杂交育种一样简单。

借用信息技术行业的术语，上述各种情况都属于“哑巴网络”问题。这种叫法听

起来可能有点贬低的意思，但是它只是说明我们并没有真正理解通勤交通或电流、可

可基因的内在作用原理，因此，我们的高速公路、电网和经济作物的管理没有达到预

大话物联网

26

期效果。

2003 年 5 月，《哈佛商业评论》发表了一篇尼古拉斯·卡尔的文章—《IT 不再重

要》，一度引发了轩然大波。该作者认为，只有当 IT 变成一种基础性技术、成为一种普

通的资源时，它才能为大多数企业所应用，它的经济和社会效益才能最大化。

迄今为止，我们的思路一直是将物理基础设施和 IT 基础设施分开：一方面是机场、

公路、建筑物、发电厂、油井；另一方面是数据中心、个人计算机、移动电话、路由器、

宽带等。前者的特点是钢筋混凝土和电缆，后者是比特、芯片和带宽。现在，实体基础

设施和信息基础设施正在合为统一的智慧全球基础设施。

实际上，在此意义上，“基础设施”这个词似乎有一点过时。它更像是一块新的地球

工地—世界的运转（经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活）就在它上面发生。

你可以将它视为一个日益整合的、由无数系统构成的全球性系统—包含 60 亿人、成千

上万个应用、1 万亿个设备及其之间每天的 100 万亿次交互。

这些智慧的系统应该具有 5 个特征：跨越完全不同的行业的全部系统的集成和管理，

能够从海量数据中发现潜在模式的下一代分析，资源和能源的优化，可灵活地支持新流

程、业务模式和应用的智慧 IT 基础设施，以及超越防火墙的全球一体化协作。

IBM 当前看中的行业，从传统基础设施、交通系统的智慧化升级（智慧城市），到

医疗、电网的改善，以及环保应用，都是利益盘根错节的庞大产业。IBM 要借助“智慧

地球”这个切入点，在这几块大蛋糕中分得一勺。

作为市场宣传，“智慧的地球”是一个相当虚的概念，没有办法找到销售对象，总不

能去联合国推销产品吧！呃，马上来了，智慧的地球落在中国就叫“智慧中国”，落在城

市就叫“智慧城市”（从 IBM 网站了解到，他们还真搞成了个“智慧沈阳”和“智慧昆

山”之类的项目），在行业就有一系列的“智慧电力”、“智慧交通”、“智慧医疗”、“智慧

银行”、“智慧城管”等（如图 1-18 所示），最后是“智慧的企业”。至此，智慧中国完全

落地了。难怪大家开玩笑说，任何东西，只要从 IBM 借一双慧眼，就能成为“智慧乐园”

的一份子。还有人说：“智慧地球是个筐，需要什么往里装。”

从“智慧的地球”中，我们看到的将是这个国际巨头营销手段的一次巨大升级。以

前是卖产品，一个客户一个客户地推销（我们可以形象地称为“点型营销”），那时候它

是“计算机公司”。后来升级为“行业营销”，一次性将一个行业搞掂，如银行、烟草、

公安等从上到下产品和方案结合，实现赢家通吃，这可以称为“线型营销”，他们称之为

服务转型。而智慧中国、智慧城市就是一次性搞定整个城市核心运作的信息化，一锅端，

达到“面型营销”，通过卖“点子”来销售产品，高雅的说法是咨询营销，这才是“智慧

第 1 章 物联网来了

27

的地球”最具威力的地方，也是国内 IT 企业应该感到威胁的地方。

图 1-18 智慧地球的构成

解读到此，你就了解到了这个概念的强大，你也许能够理解为什么蓝色巨人要开动

门户网站、电视媒体、杂志报纸、公交站台等传统的现代的媒体进行广告轰炸，进行“普

及教育”。“智慧的地球”所包括的领域极为广泛，有电网、铁路、桥梁、隧道、公路、

建筑、供水、大坝、油气管道、企业生产线、物流网络等。这些领域几乎涉及了市民生

活、国民经济的所有领域。“智慧的地球”概念的提出，显示了 IBM 的战略眼光，也预

示着在 IT、顾问服务领域，IBM 将以空前的气魄整合其强势品牌，争夺未来世界的霸主

地位。

如果要把“智慧的地球”的战略推进到底，IBM 面临的最大挑战，就是怎样把微软、

谷歌这些巨头也整合进入这个战略联盟。只有在此基础上，整合行业解决方案供应商才

有最坚实的基础。否则，未来客户可能的尴尬就是“天上神仙打架、地上凡人遭殃”，被

不同的概念、解决方案弄得晕头转向、无所适从。

Chapter 2

第2 章

28

初识物联网

刷员工卡进入办公大楼，你所在办公室的空调和灯会自动打开。快下班了，用手机

短信发送一条指令，在家“待命”的电饭锅会立即启动做饭，空调开始工作预先降温。

如果有人非法入侵你的住宅，你还会收到自动电话报警„„这些不是科幻电影中的镜头，

而是正在大步向我们走来的“物联网时代”的美好生活。

自从 2009 年响亮鸣笛以后，物联网像一辆疾驰的列车，无论是地方政府、科研

院所、企业，还是行业用户，都争先恐后地登上这辆列车。物联网的发展，对于中

国在未来世界经济中所扮演的角色，有着非常重要的作用和意义，规划、标准、扶

持政策纷至沓来。“忽如一夜春风来”，“物联网”之风在较短的时间内迅速吹遍神

州大地。

人们常说：“云里云计算，雾里物联网。”这说明对于大多数人而言，接触物联网一

词的时间并不太长，且还有很多人闻所未闻。

2.1

热概念冷思考

给放养的羊群中的每一只羊都贴上一个二维码，这个二维码会一直保持到超市

出售的每一块羊肉上，消费者可以通过手机阅读二维码，知道羊的成长历史，确保

食品安全。这就是“动物溯源系统”，今天，我国已经有 10 亿存栏动物贴上了这种

二维码。

将带有“钱包”功能的电子标签与手机的用户身份模块（SIM，Subscriber Identity

Module）卡合为一体，手机就有钱包的功能，消费者可将手机作为小额支付的工具，用

手机乘坐地铁和公交车，去超市购物，去影剧院看电影。重庆市已有 20 万人刷手机乘坐

第 2 章 初识物联网

29

城市轻轨。

在电表上装上传感器，供电部门随时都可知道用户的用电情况。江西省电网对分布

在全省范围内的 2 万台配电变压器的运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量

监测、负荷管理、线损管理等高效一体化管理，一年可降低电损 1.2 亿度。

在电梯上装上传感器，当电梯发生故障时，无需乘客报警，电梯管理部门会借助网

络在第一时间得到信息，以最快的速度去现场处理故障。重庆市已有 1 200 部电梯连接

到智能运行管理系统，效果很好。

这些都是物联网的实际运用场景。那么，物联网的真正内涵是什么？它是如何工作

的？它与传感网、RFID 和泛在网有着怎样的关系？为什么会“一夜成名”呢？

这年头，最盛行的就是炒作，只要能吸引眼球，能赚钱的就炒，直到炒成“芝麻糊”

为止，大到炒楼、炒矿，小到炒普洱茶、炒大蒜、炒辣椒。媒体和咨询机构、调查公司

更是推波助澜，兴风作浪。更有甚者，还没炒就涌进一批打劫的，端着碗，看着锅，等

炒。炒作之风就如同六月的热浪，一浪接一浪。

相信这几年持续最火爆的就是炒房。但从 2009 年下半年开始，有一新名词横空出世，

又刮起了一股新的炒作风暴。美国总统叫它“智慧的地球”，温总理称它“感知中国”，

著名调查机构说是信息技术的第三次浪潮，将成为下一个兆亿的通信产业，媒体说它比

因特网产业大 30 倍，领军企业说它将会彻底改变现今企业的经营方式，它就是国际电信

联盟（ITU）定义的“物联网”。

正当因特网热得烫手时，美国麻省理工学院的 Kevin Ashton 于 1999 年提出了物联

网的概念，它的定义很简单：把所有物体通过射频识别等信息传感设备与因特网连接起

来，实现智能化识别和管理。2005 年 11 月 17 日，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU

因特网报告 2005：物联网》，对“物联网”的涵义进行了扩展。报告认为，物联网是一

种全新的动态网络，能够随时随地实现人与人（通过 PC 和非 PC）、人与物、物与物之

间的交互。

像鸟儿一样在天空飞翔，自古以来就是人类的梦想。为了实现这个目标，人们付出

了坚持不懈的努力，甚至许多先驱者付出了生命的代价。终于在 1903 年 12 月 17 日，

世界上第一架载人动力飞机在美国北卡罗来纳州的基蒂霍克飞上了蓝天，如图 2-1 所示。

这架飞机被叫做“飞行者 1 号”，它的发明者就是美国的威尔伯·莱特和奥维尔·莱特兄弟。

莱特兄弟的第一次有动力的持续飞行，实现了人类渴望已久的梦想，人类的飞行时代从

此拉开了帷幕。

与此相类似，真正能够称得上开始进入物联网时代的，也就是现在。而在此之前，

大话物联网

30

只能够将它们称之为物联，但谈不上具备了“网络”的定义。就好像在因特网发明之前，

人类其实也已经开始使用我们现在称之为局域网的手段，通过这些技术手段，人们已经

实现了计算机与计算机之间的连接使用。

图 2-1 1903 年人类飞上天空

目前，针对物联网，业界尚未给出一个标准的定义。物联网定义的难产，究其根源，

在于物联网所涉及的行业、领域、技术太宽泛，而其应用模式和场景又过于分散。下面

我们给出一个大家较为认可的定义：物联网是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、

全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与因特网连接

起来，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，

如图 2-2 所示。通俗地说，通过装置在物体上的传感器、电子标签和全球定位系统（GPS，

Global Positioning System）等设备，网络将赋予物体智能，既可以实现人与物体的沟通

和对话，也可以实现物体与物体之间的沟通和对话。比如在电视上装传感器，可以用手

机通过网络控制电视的使用；在空调、电灯上装传感器，计算机可以精确调控、开关，

实现有效节能；在窗户上装传感器，你就可以坐在办公室里通过计算机打开家里的窗户

透气；再看远一点，物联网还可以控制物流运输、移动销售点（POS，Point of Sale）机

等应用，而结合云计算，物联网将可以有更多元的应用。

物联网就是“物物相连的因特网”，其目标是让万物开口说话。这里包含两层意思：

一是物联网的核心和基础仍然是因特网，是在因特网基础上的延伸和扩展的网络；二是

其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。通信网络连接的

第 2 章 初识物联网

31

是人与人，是网络中的“客流系统”；物联网连接的是物与物，是网络中的“物流系统”。

物联网给人的印象是相当宽泛，似乎无所不包、无所不能。

图 2-2 物联网定义

轻触一下计算机或者手机的按钮，千里之外即可对办公室和家里的各种情况一目了

然，办公室和家里的电器也可以任由自己控制，在到办公室之前将计算机、空调开启；

在回家之前遥控家用电器满足自己的需求；当遇到侵袭，第一时间报警，这就是物联网

的用处。这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：要有相应信息

的接收器，要有数据传输通路，要有一定的存储功能，要有中央控制单元（CPU，Central

Processing Unit），要有操作系统，要有专门的应用程序，要有数据发送器，遵循物联网

的通信协议，在世界网络中有可被识别的唯一编号。

世界上的万事万物，小到手表、钥匙，大到汽车、楼房，只要嵌入一个微型感应芯

片，把它变得智能化，这个物体就具有“智慧”，可以“自动开口说话”，再借助无线网

络技术，人们就可以和物体“对话”，物体和物体之间也能“交流”。如果物联网再搭上

因特网这个桥梁，在世界任何一个地方我们都可以即时获取万事万物的信息。可以这么

说，物联网加上因特网就等于智慧的地球。

物联网把我们的生活拟人化了，万物成了人的同类。物联网利用传感器、RFID

和条形码等技术，通过计算机因特网实现物体/商品的自动识别和信息的互联与共享。

可以说，物联网描绘的是充满智能的世界。在物联网的时代中，每一个物体都可以通

信，每一个物体都可以寻址，每一个物体都可以控制，可以实现物物相连、感知世界

的目标。

因特网是以人为本，信息的制造、传递、编辑都是人完成的，实现的是信息共享。

大话物联网

32

而物联网不同，物联网需要以物为核心，让物来完成信息的制造、传递、编辑，实现的

是信息获取和信息感知。在物联网中，人只能是配角而不是主角，大到房子、汽车，小

到牙刷、纸巾，都是物联网的参与者，规模之大、情况之复杂，一般人是难以想象的。

所以，物联网实现起来，会比因特网难出许多，二者难以相提并论。毕竟，物体没有人

这样缜密细致的思考能力。

物联网与因特网最大的差别就是：如果说因特网让全世界变成了一个村，那物联网

就让这个村变成了一个人，这个人充满着智慧；因特网连接虚拟信息空间，而物联网连

接现实物理世界；如果说因特网是人的大脑，那物联网就是人的四肢，如图 2-3 所示。

其实，与因特网相比，物联网实际上只是多了一个底层的数据采集环节，大致是 4 类数

据的采集：条码和电子标签显示身份，传感器捕捉状态，摄像头记录图像，GPS 进行跟

踪定位。

图 2-3 物联网 PK 因特网

物联网是在计算机因特网的基础上，利用传感器、RFID、条形码等技术，构造一个

覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物体/商品能够彼此进行“自

由交流”，而无需人的干预。其实质是利用感知层、网络层和应用层关键技术，通过因特

网实现物体/商品的自动识别和信息的互联与共享。有人称，物联网出现了以后，老死不

相往来的人都能彼此找到。

物联网中非常重要的技术是传感器、RFID、条形码等技术。而电子标签（RFID）

和传感器技术，正是能够让物体“开口说话”的关键技术。RFID 系统是最简单、最朴

第 2 章 初识物联网

33

素、最原始的传感网，是身份感知，不带有其他功能，因而国际电信联盟将电子标签

作为无线传感器网络的一部分。在物联网的构想中，电子标签中存储着规范而具有互

用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物体 /商品

的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物体的“透明”

管理。

毫无疑问，如果物联网时代全面来临，人们的日常生活将发生翻天覆地的变化。

它把新一代 IT 技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到

电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，

然后将“物联网”与现有的因特网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合；在这

个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、

机器、设备和基础设施进行实时的管理和控制；在此基础上，人类可以以更加精细和

动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改

善人与自然的关系。

物联网在实际应用上的开展需要各行各业的参与，并且需要国家政府的主导以及

相关法规政策上的扶助。物联网的开展具有规模性、广泛参与性、管理性、技术性、

物的属性等特征，其中，技术上的问题是物联网最为关键的问题。物联网技术是一项

综合性的技术，目前国内还没有哪家公司可以全面负责物联网的整个系统规划和建设；

理论上的研究已经在各行各业展开，而实际应用还仅局限于行业内部。关于物联网的

规划和设计以及研发关键在于 RFID、传感器、嵌入式软件以及传输数据计算等领域的

研究。

一般来讲，物联网的基本工作原理是：首先是对物体属性进行标识，属性包括静态

和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时进行探

测；其次需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格

式；最后将物体的信息通过网络传输到信息处理中心，由处理中心完成物体通信的相关

计算，处理中心可能是分布式的，如家里的计算机或者手机，也可能是集中式的，如电

信运营商的因特网数据中心（IDC，Internet Data Center）。

物联网的发展需要经历四个阶段：第一阶段是电子标签和传感器被广泛应用在物

流、销售和制药领域，第二阶段则是实现物体互联，第三阶段是物体进入半智能化，

第四阶段就是物体进入了全智能化。在规模性、流动性条件的保障下实现 4A（任何时

间 Anytime、任何地点 Anywhere、任何人 Anyone、任何物 Anything）化通信。

就物联网来说，由于它涉及面广、影响大，从感知层、网络层到应用层，每一个层

大话物联网

34

都会涉及一些标准化组织，目前已经包括了 24 个标准化组织，主要分为国际标准化组织

以及国际工业组织和联盟两类，如图 2-4 所示。

图 2-4 与物联网有关的国际标准化组织和工业组织

包括负责制定物联网整体架构标准、WSN/RFID 标准、智能电网/计量标准和电信网

标准的国际组织。

负责制定物联网整体架构标准的国际组织主要包括国际电信联盟电信标准化组织

（ITU-T，ITU Telecommunication Standardization Sector）第 13 研究组（SG，Study Group）、

欧洲电信标准化委员会（ETSI，European Telecommunications Standards Institution）下的

M2M 技术委员会（TC，Technical Committee）以及 ISO/IEC 第 1 联合技术委员会（JTC，

Joint Technical Committee）第 6 子委员会（SC，Sub-Committee）中的传感器网络研究组

（SGSN，Study Group on Sensor Networks）。ITU-T SG13 负责制定传感器网络（USN，

Ubiquitous Sensor Network）的需求和架构设计标准。ETSI M2M TC 负责制定机器对机

器（M2M，Machine to Machine）需求和功能架构标准。ISO/IEC JTC1 SC6 SGSN 负责起

草与传感器网络有关的标准。

负责制定 WSN/RFID 标准的国际组织主要包括 IEEE 802.15 第 4 任务组（TG，Task

Group）、ZigBee 联盟、因特网工程任务组（IETF，Internet Engineering Task Force）下的

基于低功耗个域网的 IPv6（6LoWPAN，IPv6 over Low Power WPAN）工作组、IETF 低

第 2 章 初识物联网

35

功耗有损网络路由（ROLL，Routing over Low Power Lossy Networks）工作组、EPCglobal、

自动识别与移动技术（AIM，Association for Automatic Identification and Mobility）协会、

泛在 ID（UID，Ubiquitous ID）中心和 IP-X。IEEE 802.15 TG4 和 ZigBee 联盟负责制定

低速近距离无线通信技术（如 ZigBee）标准。IETF 6LoWPAN 工作组负责制定基于 IEEE

802.15.4 的 IPv6 协议标准。IETF ROLL 工作组负责制定低功耗有损路由方面的标准。

EPCglobal、AIM、UID 中心和 IP-X 负责制定 RFID 标准。

负责制定智能电网 /计量标准的国际组织主要包括美国联邦通信委员会（FCC，

Federal Communications Commission）、电子电气工程师协会（IEEE，Institute of Electrical

and Electronics Engineers）P2030 项目组和第 4 任务组（TG4）、欧洲标准化委员会（CEN，

Comité Europeén de Normalisation）、欧洲电子技术标准委员会（CENELEC，Comité

Européen de Normalisation Electrotechnique）和 ETSI。FCC 已开始着手制定美国智能电

网标准。IEEE P2030 项目组于 2009 年 5 月 4 日公布了《IEEE P2030 指南：能源技术及

信息技术与电力系统（EPS）、最终应用及负载的智能电网互操作性》项目，主要任务是

为智能电网制定标准，关注重点是电网信息化与互操作性；IEEE TG4 负责制定智能电网

近距离无线标准，目前已制定的智能电网相关标准有 66 项，正在制定中的有 35 项。

CEN/CENELEC/ETSI 正在制定欧洲智能计量标准。

负责制定电信网标准的国际组织主要包括第三代协作项目（3GPP，Third Generation

Partnership Project）/3GPP2、GSM 协会（GSMA，GSM Association）下的智能卡应用组（SCAG，

Smart Card Application Group）和开放移动联盟（OMA，Open Mobile Alliance）等。

3GPP/3GPP2 组织负责制定 cdma2000、WCDMA、LTE、M2M 优化需求、网络和无线接

入的 M2M 优化技术方面的标准；GSM 协会（GSMA）下的智能卡应用组（SCAG）负

责制定智能 SIM 卡方面的标准；OMA-DM 是开放移动联盟（OMA）定义的一套专门用

于移动与无线网络的管理协议，是 OMA 协议的一种应用。

包括负责制定因特网、端网/终端标准的工业组织和联盟。

负责制定因特网标准的工业组织和联盟包括万维网联盟（W3C，World Wide Web

Consortium）和结构化信息标准促进组织（OASIS，Organization for the Advancement of

Structured Information Standards）。W3C 是专门致力于创建 Web 相关技术标准并促进

Web 向更深、更广发展的国际组织，负责制定超文本标识语言（HTML，HyperText

Markup Language）、超文本传输协议（HTTP，HyperText Transfer Protocol）、统一资源

标识（URI， Uniform Resource Identifier）、可扩展标识语言（XML，Extensible Markup

Language）等标准。OASIS 是一个推进电子商务标准的发展、融合与采纳的非盈利性

大话物联网

36

国际化组织。相比其他组织，OASIS 形成了更多的 Web 服务标准的同时也提出了面向

安全、电子商务的标准，并在针对公众领域和特定应用市场的标准化方面也付出很多

的努力。

负责制定端网/终端标准的工业组织和联盟包括智能物体中的 IP 协议（IPSO，IP in

Smart Objects）联盟、欧洲智能计量产业集团（ESMIG，European Smart Metering Industry

Group）、KNX 协会和家庭网关动议（HGI，Home Gateway Initiative）组织。IPSO 联盟

负责制定与 IPv6 智能物体硬件和协议有关的标准。ESMIG 负责制定智能计量标准。

KNX 协会制定了 KNX 标准，该标准 2006 年被批准为国际标准 ISO/IEC 14543，即基

于开放系统互连（OSI，Open Systems Interconnection）的智能建筑网络通信协议，这

是一部家居和楼宇控制领域的开放式国际标准。HGI 组织负责制定与家庭网关有关的

标准。

无论是在军事领域还是民用领域，物联网都得到了广泛的应用。例如，在交通、电

力、环保、城市信息化等领域，物联网应用都有较快发展。物联网的主要组成部分包

括传感器网络、USN 接入网络、网络基础设施、USN 中间件和 USN 应用平台等，如

图 2-5 所示。

图 2-5 物联网的构成

第 2 章 初识物联网

37

① 传感器网络：包括传感器和独立的供电装置（如电池、太阳能），传感器可用于

采集和传输与周围环境有关的信息。

② USN 接入网络：中间节点或汇聚节点从一组传感器中收集信息，并与控制中心

或外部实体进行通信。

③ 网络基础设施：主要是基于下一代网络（NGN，Next Generation Network）

构建。

④ USN 中间件：用于收集和处理海量数据的软件。

⑤ USN 应用平台：是指在特定工业部门或应用中，用于支持 USN 高效使用的技术

平台。

传感器中的节点尺寸、成本和复杂性是可变的。根据应用特性，普通传感器节点与

汇聚节点进行通信时所使用的媒介也可以发生变化。根据传感器类型，传感器之间的链

路既可以是有线的，也可以是无线的。传感器数据可以使用射频进行传输，例如，当需

要对供应链管理（SCM，Supply Chain Management）中的货物进行跟踪时。射频识别（包

括可视作传感器的射频标签）技术的应用对应于物联网的低层。

① RFID 标签：它是一种 RFID 处理器，既可以是被动式的，也可以是主动式的（具

有读/写功能，通信范围比较宽，具有独立的供电单元）。主动式（有源）RFID 芯片能够

进行双向通信，而被动式（无源）标签是只读的。

② RFID 读写器：读写器能够感知并读取存储在标签上的信息，并对其进行传输，

以实现数据分析的目标。

③ RFID 中间件：与 USN 一样，RFID 包含自己特有的软件，主要用于收集和处理

数据。

由此可见，物联网并不是一种简单的网络，而是一种支持多种不同应用的智能信息

基础设施。物联网可以在随时将信息传送到任何地方、任何人。但最根本的是要实现物

与物之间的“交流”。

最近在“感知中国”的驱动下，传感网、泛在网和物联网得到了很多关注。传感网、

物联网、泛在网从学术界来看虽然不是新名词，但当这些概念与广大老百姓接触时，大

家还是容易被这几个词弄迷糊。下面我们进行简单地辨析。

传感器网络是利用各种传感器（收集光、电、温度、湿度、压力等信息）加上中低

速的近距离无线通信技术构成一个独立的网络，是由多个具有有线/无线通信与计算能

大话物联网

38

力的低功耗、小体积的微小传感器节点构成的网络系统，它一般提供局域或小范围物与

物之间的信息交换。

传感器网络的概念最早由美国军方提出，起源于 1978 年美国国防部高级研究计划署

（DARPA）开始资助卡耐基·梅隆大学进行分布式传感器网络的研究项目，当时此概念

局限于由若干具有无线通信能力的传感器节点自组织构成的网络。随着近年来因特网技

术和多种接入网络以及智能计算技术的飞速发展，2008 年 2 月，国际电信联盟电信标准

化组织（ITU-T，ITU Telecommunication Standardization Sector）发表了《泛在传感器网

络》研究报告。在报告中，ITU-T 指出传感器网络已经向泛在传感器网络（USN，

Ubiquitous Sensor Network）的方向发展，它是由智能传感器节点组成的网络，能够以

“任何地点、任何时间、任何人、任何物体”的形式被部署。该技术可以在广泛的领域

中推动新的应用和服务，从安全保卫和环境监控到推动个人生产力和增强国家竞争力。

从以上定义可见，传感器网络已被视为物联网的重要组成部分，如果将智能传感器的

范围扩展到 RFID 等其他数据采集技术，从技术构成和应用领域来看，泛在传感器网络

等同于现在我们提到的物联网。

从广义上说，物联网与传感器网络构成要素基本相同，是对同一事物的不同表述，

其中物联网比传感网更贴近“物”的本质属性，强调的是信息技术、设备为“物”提供

更高层次的应用服务；而传感器网络（传感网）是从技术和设备角度进行的客观描述，

设备、技术的元素比较明显。打个比方说，传感网是学名，物联网是俗名；或者说传感

网是大名，物联网是小名。从产业和用户角度来说，它叫物联网；从技术支撑角度来说，

它叫传感器网络。物联网和传感网是同一个东西，其精髓就是“感知”。

RFID 和传感器具有不同的技术特点，传感器可以监测感应到各种信息，但缺乏对

物体的标识能力，例如可以让温度传感器感知到森林的温度，但它无法区分是哪棵树。

而 RFID 技术恰恰具有强大的标识物体能力。尽管 RFID 也经常被描述成一种基于标签

的，并用于识别目标的传感器，但 RFID 读写器不能实时感应当前环境的改变，其读写

范围受到读写器与标签之间距离的影响。因此，提高 RFID 系统的感应能力，扩大 RFID

系统的覆盖能力是亟待解决的问题。而传感器网络较长的有效距离将拓展 RFID 技术的

应用范围。传感器、传感器网络和 RFID 技术都是物联网技术的重要组成部分，它们的

相互融合和系统集成将极大地推动物联网的应用，其应用前景不可估量。

“物联网+因特网”几乎就等于“泛在网”。泛在网络是指基于个人和社会的需求，

第 2 章 初识物联网

39

实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使

用等服务，网络具有超强的环境感知、内容感知及智能性，为个人和社会提供泛在的、

无所不含的信息服务和应用。

泛在网络的概念最早见于施乐首席科学家 Mark Weiser 在 1991 年“21 世纪的计算”

文章中提出的泛在计算。2005 年前后曾经见到日本学者也有争论说是他们最先提出的。

最早是谁提出对学者很重要，但对其他人而言并不重要。其实对 Mark Weiser 也不重要

了，因为他已经于 1999 年左右故去。

从泛在的内涵来看，首先关注的是人与周边的和谐交互，各种感知设备与无线网

络不过是手段。最终的泛在网形态上，既有因特网的部分，也有物联网的部分，同时

还有一部分属于智能系统范畴。由于涵盖了物与人的关系，因此泛在网似乎更大一些。

人与物、物与物之间的通信被认为是泛在网的突出特点，无线、宽带、因特网技术的

迅猛发展使得泛在网应用不断深化。多种网络、接入、应用技术的集成，将实现商品

生产、传送、交换、消费过程的信息无缝链接。泛在计算系统是一个全功能的数字化、

网络化、智能化的自动化系统，系统的设备与设备之间实现全自动的数据、信息处理，

全自动的信息交换；人与物的联网、人与人的联网、物与物的联网，可以实现关于人

与物信息的完全的、系统化的、智能化的整合，应用范围十分广泛。泛在网络将以“无

所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征，帮助人类实现“4A”化通信，即

在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信。相对于物联网技术的当前

可实现性来说，泛在网属于未来信息网络技术发展的理想状态和长期愿景，即“泛在

网”包含了物联网、传感网、因特网的所有属性，而物联网则是“泛在网”实现目标

之一，是“泛在网”发展过程中的先行者

和制高点。

物联网、传感器网络、泛在网的关系：

泛在网是 ICT 社会发展的最高目标，物联

网是泛在网的初级和必然发展阶段，传感

器网络是物联网的延伸和应用的基础。它

们之间的关系如图 2-6 所示。

2.2

物联网的脸谱

物联网给人以巨大的想象空间，未来虚拟世界和真实世界连接在一起，人们的生

活将是智能的。它通过云计算和高效传输，将终端能力聚合，成就超级智能网络，其

图 2-6 物联网与传感器网络、泛在网络之间的关系

大话物联网

40

应用囊括了网络家电、物流管理、动植物研究、智能交通、电力管理等方方面面，难

怪中国移动通信集团公司董事长王建宙先生会发出“物联网将再造几个中国移动”的

感慨。他指出，物联网至少具有三个关键特征：一是各类终端实现“全面感知”；二是

电信网、因特网等融合实现“可靠传输”；三是云计算等技术对海量数据“智能处理”。

物联网最大优势在于各类资源的“虚拟”和“共享”，这也与通信网发展的扁平化趋势

相契合。

在物联网中，物和物、物和人简单地互联意义不大，如把一杯水同某个人联在一起，

没有多大意义。但是，如果通过感知告诉人们这杯水的水温、矿物质含量、是否有毒等，

就非常有用。全面感知是指利用无线射频识别（RFID）、传感器、定位器和二维码等手

段随时随地对物体进行信息采集和获取。中国神话里有两个神，一个是千里眼（如图 2-7

所示），一个是顺风耳。其实千里眼的功能就非常类似物

联网的特点，把物和物连在一起最根本、最精髓的目标

就是感知。感知包括传感器的信号采集、协同处理、智

能组网，甚至信息服务，以达到控制、指挥的目的，否

则就没有意义。

例如，一杯牛奶摆在眼前，眼睛看到的是杯子，鼻

子闻到的是奶香味，嘴巴尝到的是甜味，用手摸一下有

温度„„感官的感知综合在一起时人便得出了这是一杯

牛奶的判定。假如把牛奶的感知信息上传因特网，坐在

办公室的人通过网络随时能了解家中牛奶的情况。假如

给你授权，你也可以看到这杯牛奶的情况。如果家中设

置的传感器节点与因特网连接，经过授权的人通过网络

了解家里是否平安、老人是否健康等信息，并利用传感器技术及时处理解决，这就是“物

联网”的感知功能。

大家都知道《盲人摸象》的故事：几个盲人各自抚摸大象的身体；每个人都以为自

己所摸到的一部分就是大象。因此，各人所说不一，争论不休。它告诉我们，看问题不

能凭自己主观的片面了解就作判断，应了解事物的全貌。同样，物联网强调的感知是全

面的感知，即将各个传感器采集到的信息进行综合分析、科学判定，即从摸象的盲人专

家组中推举一名组长，大家摸完象后，由组长召集开个专家评审会，对大象给出个鉴定

结论，如图 2-8 所示。

物联网为每一件物体植入一个“能说会道”的高科技感应器，这样任何冷冰冰的、

图 2-7 千里眼

第 2 章 初识物联网

41

没有生命的物体都可以变得“有感受、有知觉”。当你的生活进入到这一步时，这也意味

着进入了“物联网”时代。“物联网”将让人的生活发生翻天覆地的变化。例如，洗衣机

可以通过物联网感应器“知晓”衣服对水温和洗涤方式的要求；借助物联网，人们可以

了解到自己的小孩一天中去过什么地方、接触过什么人、吃过什么东西等。未来的物联

网可以精确感知战场上的每一粒沙子。在物联网中，传感器发挥着类似人类社会中语言

的作用，借助这种特殊的语言，人和物体、物体和物体之间可以相互感知对方的存在、

特点和变化，从而进行“对话”与“交流”。

图 2-8 《盲人摸象》新解

物联网离不开传感设备。射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫

描器等信息传感设备，就像视觉、听觉和嗅觉器官对于人的重要性一样，它们是物联网

不可或缺的关键元器件。有了它们才可以实现近/远距离、无接触、自动化感应和数据读

出、数据发送等。物联网之所以又称为传感器网络，就是因为传感设备在网络中的关键

作用而得名。

手是人们执行动作的器官，大脑是人们用来思考的器官，而耳朵和眼睛是人们用

来接收信息的器官。各个器官之间，必须实现彼此之间的交流，才能使各司其职的各

个器官有机结合在一起，各施所长，否则用脑来执行操作，用手来思考问题，其结果

可想而知。

物联网，实际上是仿生学的一种产物，它模仿的是人类这种具有思维能力和执行能

力的高级动物。与人类一样，作为耳目的传感器、作为手的执行器和作为大脑的因特网，

大话物联网

42

需要实现各个器官之间的互动与沟通。要实现互动与沟通，就必须要有一种供各器官进

行沟通所用的语言，通过这种语言，各种信息可以在各器官间相互交流，为人们提供更

好的服务。

可靠传递，是指通过各种电信网络和因特网融合，对接收到的感知信息进行实时远

程传送，实现信息的交互和共享，并进行各种有效的处理。在这一过程中，通常需要用

到现有的电信运行网络，包括无线和有线网络。由于传感器网络是一个局部的无线网，

因而无线移动通信网、3G 网络是作为承载物联网的一个有力的支撑。

物联网如果与手机 3G 网络结合，将会改变人们的生活方式，使之更加便捷安全。

例如，我们可以在保险柜产品内植入电子标签，将该电子标签与用户 3G 手机相连，使

手机与保险柜形成一个狭义的“物联网”。当有人碰到该保险柜时，其内置设备会“开口

说话”，立即给用户手机发送视频和图片资料，起到及时提醒用户的作用。同时，用户可

以通过 3G 手机，实时查看保险柜的状态，可以实现“随时随地监控，安全无处不在”

的效果，如图 2-9 所示。

图 2-9 物联网保险柜

物联网是一个智能的网络，面对采集的海量数据，必须通过智能分析和处理才能实

现智能化。智能处理是指利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对随时接收到的

跨地域、跨行业、跨部门的海量数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会

各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。

物联网通过感应芯片和 RFID 时时刻刻地获取人和物体的最新特征、位置、状态等

第 2 章 初识物联网

43

信息，这些信息将使网络变得更加“博闻广识”。更为重要的是，利用这些信息，人们可

以开发出更高级的软件系统，使网络能变得和人一样“聪明睿智”，不仅可以眼观六路、

耳听八方，还会思考、联想。

例如，我们现在可以通过电子警察、摄像头、雷达测速装置、搁在地面上的地感

线圈监测车流量、抓拍超速等，但是做不到安全预警。你在开车上桥时，是无法看到

桥另一端情况的。如果这时候另一端有一个人在过马路，就难免会发生交通事故。而

如果我们在马路下面安装了传感器节点（其寿命可长达 7 年），并与你车上的传感网

终端或手机相连接，一旦有人过马路，马上就会通过传感网告诉你，就能避免灾难的

发生。有人测算过，提前几秒钟刹车就可避

免 90%以上的交通事故，而我国每年交通事

故死亡七八万人。使用传感器，汽车行驶在

道路上就可以随时检测出车流量、车速甚至

车辆形状。当你驾驶在路上，不用听收音机

的路况信息，只要通过传感器，就能了解实

时路况。一个车辆过拱桥的时候你会有一个

视线的盲角，但是用物联网以后你就可以知

道前方有人在通过，这样就可以减少事故的

发生。当司机因超速而不可避免地发生事故

时，事故数据会及时发送给后台数据管理中

心，使用云彩（云计算）进行智能化处理，

如图 2-10 所示。

2.3

物联网的现实

物联网将会推动信息产业进入第三次浪潮。信息产业的第一次浪潮是以信息处理、

个人计算机（PC，Personal Computer）为代表；以因特网、通信网络为代表的信息传输

推动了信息产业的第二次浪潮；而以传感网、物联网为代表的信息获取或信息感知，将

会推动信息产业进入第三次浪潮。信息产业的第一次浪潮，我们国家是后起的。在计算

机领域，我国在国际上的发言权很少，整个操作系统、平台都在别人手上。第二次浪潮，

我国是中期介入的，这时我国有了时分同步码分多址（TD-SCDMA，Time Division

Synchronization Code Division Multiple Access）的国际标准，至少中国在国际舞台上有声

音了。在以传感网、物联网为代表的信息产业第三次浪潮中，我国与国际是同步启动

图 2-10 交通事故数据的智能化处理

大话物联网

44

的，具有同发优势。近年来，随着传感器、条形码、RFID、GPS、云计算等关键技术

的迅猛发展，物联网产业作为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机”，受到世界各

国的普遍重视。

早在 1999 年，在美国召开的移动计算和网络国际会议就提出，“传感网是下一个世

纪人类面临的又一个发展机遇”；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；2005 年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）

上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU 因特网报告 2005：物联网》，正式提出了“物联

网”的概念。

自美国提出“智慧的地球”后，世界发达国家纷纷在物联网领域加快研发和工程化、

规模化应用步伐，可以说是群雄逐鹿、你追我赶。物联网在国外被视为“危机时代的救

世主”，在当前的金融危机尚未完全消退的时候，许多发达国家将发展物联网视为新的经

济增长点。物联网的概念虽然仅是最近几年才趋向成熟，但物联网相关产业在当前的技

术、经济环境的助推下，在短短的几年内已成星火燎原之势，世界各国触网记录如图 2-11

所示。这些国家信息化战略的共同点是：融合各种信息技术，突破因特网的限制，将物

体接入信息网络，实现“物联网”；在网络泛在的基础上，将信息技术应用到各个领域，

从而影响到国民经济和社会生活的方方面面；未来信息产业的发展在由信息网络向全面

感知和智能应用两个方向拓展、延伸和突破。

图 2-11 世界各国触网记录

第 2 章 初识物联网

45

奥巴马总统就职后，积极回应了 IBM 公司提出的“智慧的地球”的概念，并很快将

物联网的计划升级为国家战略，投入巨资深入研究物联网相关技术。无论基础设施、技

术水平还是产业链发展程度，美国都走在世界各国的前列，已经趋于完善的通信因特网

为物联网的发展创造了良好的先机。

该战略认为，IT 产业下一阶段的任务是把新一代 IT 技术充分运用在各行各业之中，

具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系

统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓的“物联网”，然后将“物

联网”与现有的因特网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合；在这个整合的网络

当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础

设施实施实时的管理和控制。在此基础上，人类能够以更加精细和动态的方式管理生产和

生活，达到“智慧”的状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

例如，智能电网就是这些“智慧”方案中颇为吸引眼球的方案之一。智能电网是指

在物理的电网之上，建立基础信息沟通平台，将相关的设备、装置、系统、用户、员工

和用电量等互动起来，通过对用户和需求侧的随需访问和智能分析，实现更智慧、更科

学、更优化的电网运营管理，进而实现更高的安全保障、可控的节能减排和可持续发展

的目标。有关分析认为，能源产业就是美国这个内需和创新的最佳结合部，是美国手上

两张王牌的结合点，它既可以解决内需置换，也可以促进创新出口。

“智慧的地球”战略能够带来长短兼顾的良好效益，尤其是在当前的局势下，对

于美国经济甚至世界经济走出困境具有重大意义。在短期经济刺激方面，该战略要

求政府投资于诸如智能铁路、智能高速公路、智能电网等基础设施，能够刺激短期

经济增长，创造大量的就业岗位；其次，新一代的智能基础设施将为未来的科技创

新开拓巨大的空间，有利于增强国家的长期竞争力；第三，能够提高对于有限的资

源与环境的利用率，有助于资源和环境保护；第四，计划的实施将能建立必要的信

息基础设施。

在 21 世纪日新月异的信息化发展浪潮中，日本因其高质量的网络建设、先进的信

息技术应用和前瞻性的信息产业战略规划，成为全球 ICT 领域的领先国家，x-Japan 模

式一直成为世界各国研究的热点。

副首相级首席信息官（CIO，Chief Information Officer）、国民个人电子文件箱、教

育电子化„„当这些名词出现的时候，意味着日本已经转变了他们信息化战略的方向。

大话物联网

46

自 20 世纪 90 年代中期以来，日本政府相继制定了多项国家信息技术发展战略，实现了

从“e-Japan”到“u-Japan”再到“i-Japan”的三级跳。该国从大规模开展信息基础设施

建设入手，稳步推进，不断拓展和深化信息技术的应用，以此带动本国社会、经济发展，

如图 2-12 所示。这不仅仅是首个字母的变化，更书写着日本信息化战略一代又一代的

发展与变革。其中，日本的 u-Japan、i-Japan 战略与当前提出的物联网概念有许多共同

之处。

图 2-12 从“e-Japan”到“u-Japan”再到“i-Japan”的三级跳

（1）e-Japan

据不完全统计，到 2000 年年底，日本的因特网用户数约为 4 700 万人，同比增长率

高达 74%，因特网的普及率更是由 1999 年底的 21%提升到 37%，这是个可喜的成绩，

但是当时日本的有线和无线网络的应用情况仍然让日本政府有些担忧。

于是，2000 年 7 月，日本政府召开了 IT 战略会议，创立了 IT 战略总部，将其

作为国家信息化的集中研究组织。2001 年 1 月，这个成立不到一年的 IT 战略总部便

喊出了推行“e-Japan”战略的响亮口号，其中的“e”是“electronic”（电子的）的首

字母。

那时候，网络这个新兴事物正在快速崛起，人们对有线或是移动网络的需求都在迅

猛增长。然而基础设施不完善、IP 地址资源有限、通信质量较差等问题成为了当时日本

信息产业进一步发展的瓶颈。

“e-Japan”战略担负起了打破这一瓶颈的重要使命。该战略的核心目标是促进信息

化基础设施建设以及相关技术的研发，为信息化的发展打下坚实的物质基础，其中明确

第 2 章 初识物联网

47

提出“到 2005 年，在全日本建成有 3 000 万家庭宽带上网及 1 000 万家庭超宽带（30~100

Mbit/s）上网的环境”。

为了实现这些目标，“e-Japan”战略提出了诸如“为地理环境恶劣的地区建立高速

因特网，通过地方公共团体构建并充实广域公共网络”以及“为使地区之间以及地区内

的主干光纤线路流畅，开放道路、河流、港口等公共设施管理用光纤线路”等实施方案。

此外，“e-Japan”战略还在教育上下足了功夫。除了鼓励培养高级 IT 人才、完善 IT 教材

外，该战略重点对校园内网络的建设以及利用 IT 提升教学质量等提出了要求。

2001 年，日本政府在“e-Japan”战略的基础上推出了“e-Japan”2002 年工程计划。

根据计划，日本要在 2002 年建成全国各级政府网络的基本构架。可以说，从家庭、学

校到政府，从核心干道到偏远地区，“e-Japan”战略的实施推进了这些地区基础设施的

建设。

（2）u-Japan

尽管宽带普及率迅速提高，但宽带的实际使用率却不禁让人一惊：数字用户线

（DSL）、电缆调制解调器（CM，Cable Modem）和光纤到户（FTTH，Fiber To The Home）

的实际使用量分别只占到设施能力的 30%、11%和 5%左右。面对这一状况，2004 年 3 月，

日本政府召开了“实现泛在网络社会政策”座谈会。2004 年 5 月，日本信息通信产业的

主管机关总务省（MIC，Ministry of Internal Affairs and Communications）提出 2006—2010

年间 IT 发展任务—u-Japan 战略。用“u”（ubiquitous，意指“无所不在的”）取代“e”，

虽然只有一个字母之差，却蕴含了战略框架的转变。根据“u-Japan”战略，到 2010 年，

日本将建成一个“任何时间、任何地点、任何人、任何物（anytime，anywhere，anyone，

anything）”都可以上网的环境。除了泛在性，u 的理念还包括普及性（universal）、用户

导向性（user-oriented）和独特性（unique）三方面，即 4u。

在日本山口县津宇野，游客可以用一种以比手机稍大的终端器，对准各景点嵌入 u

码电子标签，以获取该景点历史与当前的信息。而且，每个游客可根据自己的具体情况，

获得相应的信息。例如盲人可获得声音导游，外国人可以获得本国语言的导游，而乘坐

轮椅者可获得斜坡信息。这里是日本“u-Japan 战略”的一个示范点。

此战略将以基础设施建设和利用为核心在三个方面展开。一是泛在社会网络的基础

建设。希望实现从有线到无线、从网络到终端和包括认证、数据交换在内的无缝链接泛

在网络环境，100%的国民可以利用高速或超高速网络。二是 ICT 的高度化应用。希望通

过 ICT 的高度有效应用，促进社会系统的改革，解决高龄少子化社会的医疗福利、环境

能源、防灾治安、教育人才、劳动就业等 21 世纪的问题。三是与泛在社会网络基础建设、

ICT 应用高度化相关联的安心、安全的利用环境。此外，贯穿在三方面之中的横向战略

措施还有其国际战略和技术标准战略。

大话物联网

48

那么，如何来营造这样一种上网环境？如何培养用户的使用习惯呢？“u-Japan”战

略将发展各种网络应用作为主要的解决之道。“u-Japan”战略提出要创造新商业及新服

务，如开发区域资讯平台，强化“电子政府”的服务等，通过应用的普及和多元化，建

立起促进用户使用网络的软条件，但这只是众多手段之一。

在日本，人们不使用网络有各种各样的原因。“u-Japan”战略针对不同的原因，制

定出了不同的解决方案。如针对老人和残疾人，“u-Japan”战略支持开发更便捷的人机

交互界面、提供 ICT 知识培训等；针对那些对网络安全性抱以强烈怀疑态度的人，

“u-Japan”战略扶持保障医疗、教育等领域信息化应用安全的技术和产品的研发。

通过这些策略，“u-Japan”战略计划构建一个适合人们、吸引人们上网的大环境，

让网络资源得到充分利用。当基础设施已逐步完善，用户使用量大大提升的时候，日本

政府又开始为新战略布局了。

（3）i-Japan

日本政府指出，日本的通信基础设施已在世界领先，然而各公共部门利用信息技术

的进程却十分缓慢。为了解决这一问题，2009 年 7 月，日本政府补拨了 1 万亿日元预算

用于信息技术的发展，并推出了助力公共部门信息化应用的“i-Japan”战略。该战略的

目标是让数字信息技术融入每一个角落，它将成为转动公共部门的网络齿轮。

首先，日本将 i-Japan 政策目标聚焦在三大公共事业：电子化政府治理、医疗健康信

息服务、教育与人才培育。“i-Japan”战略针对政府部门的执行策略有许多特别之处，其

中之一就是设立首席信息官一职，赋予其必要的权限，并为其配备相关辅佐专家。此外，

“i-Japan”战略还提出要广泛普及并落实“国民电子个人信箱”，为国民提供专用账号，

让国民能够放心获取并管理年金记录等与个人相关的各类行政信息，同时，国民可经由

各种渠道轻松享受一站式行政服务，并可参与电子政务。提出到 2015 年，透过数字技术

达到“新的行政改革”，使行政流程简化、效率化、标准化、透明化。其次，推动电子病

历、远程医疗、远程教育等应用的发展。日本政府对企业的重视也毫不逊色。另外，日

本企业为了能够在技术上取得突破，对研发同样倾注极大的心血。在日本爱知世博会的

日本展厅，呈现的是一个凝聚了机器人、纳米技术、下一代家庭网络和高速列车等众多

高科技和新产品的未来景象，支撑这些的是大笔的研发投入。

三大公共部门这些应用的发展将会产生辐射效应，不仅可以带动其他领域的信息化

应用，还可以形成新的市场。总体来说，从“e-Japan”到“u-Japan”再到“i-Japan”，

随着时代的变化，日本的信息化建设也实现了“三级跳”。

韩国也经历了类似的发展过程。韩国最先于 2002 年 4 月提出了 e-Korea（电子韩国）

第 2 章 初识物联网

49

战略，其关注的重点是如何加紧建设 IT 基础设施，使得韩国社会的各方面在尖端科技的

带动下跨上一个新的发展台阶。为了配合 e-Korea 战略，该国于 2004 年 2 月推出了 IT839

战略。2004 年 3 月，韩国信息通信部（MIC，Ministry of Information and Communication）

主导成立了 u-Korea 策略规划小组，并在 2006 年确立了 u-Korea 的政策方针，公布了

u-Korea 战略，这个战略旨在使所有人可以在任何地点、任何时间享受现代信息技术带

来的便利。u-Korea 意味着信息技术与信息服务的发展不仅要满足产业和经济的增长，

而且将给人们日常生活带来革命性的进步。2007 年 8 月 7 日公布的 KCC-2008-108 文件，

正式宣布韩国通信委员会（KCC，Korea Communication Commission）取代过去的韩国信

息通信部。

（1）u-Korea 的愿景和发展策略

u-Korea 旨在建立无所不在的社会（ubiquitous society），即通过布建智能网络（如

IPv6、BcN、USN）、推广最新的信息技术应用（如 DMB、Telematics、RFID）等信息基

础环境建设，让韩国民众可以随时随地享有科技智能服务。其最终目的，除运用 IT 科技

为民众创造衣、食、住、行、体育、娱乐等各方面无所不在的便利生活服务之外，也希

望通过扶植韩国 IT 产业发展新兴应用技术，强化产业优势与国家竞争力。

为了实现上述目标，u-Korea 提出了基于 BEST 构建 FIRST 泛在社会的发展策略，

内容包括 BEST 四项关键基础环境建设以及 FIRST 五大应用领域开发，如图 2-13 所示。

图 2-13 u-Korea 的愿景和发展策略

大话物联网

50

（2）u-Korea 政策执行阶段

在过程规划部分，u-Korea 主要分为发展期与成熟期两个执行阶段。

① 发展期（2006—2010 年）：此阶段的重点任务是 u-Korea 基础环境的建设、技术的

应用以及 u化社会的建立。除发展 u 化物流配销体系、u化健康医疗等无所不在服务（ubiquitous

service）和扶植 u 化产业与新兴市场，也将完成无所不在网络基础设施建设、IT 技术在

生物科技与纳米科技各领域的应用、建立 u 化社会规范。本阶段预期完成的目标包括：

使韩国跻身全球前 15 位最具竞争力的和前 25 位高生活水准的国家之列，提高人均国民

收入达到 22 000 美元。

② 成熟期（2011—2015 年）：此阶段重点任务为推广 u 化服务。除将 u 化服务推

广应用于国内各个产业外，将国内 u 化服务推广至海外市场也是本阶段核心任务。此

外，将嵌入式智能芯片、生物科技与纳米科技、IT 技术活用、稳定 u 化社会文化也

是本阶段发展的重要内容。本阶段预定完成的目标包括：跻身全球前 10 位具有竞争

力和前 25 位高生活水准的国家，将人均国民收入提高至 30 000 美元。

2010 年 7 月，第二届物联网大会在布鲁

塞尔召开。欧盟官员及来自世界各地的企业

主管、专家学者、法律人士和消费者代表等

齐聚布鲁塞尔，就物联网发展前景与挑战、

带来的机遇与风险、对人们日常生活的影响

等方面进行了广泛而深入的讨论。欧盟决定

成立一个由相关各方组成的专家小组，就未

来物联网的管理机制、数据所有权、隐私权、

技术标准、国际合作等问题向欧盟委员会提

供建议。

欧盟已经将物联网作为实施 2010 年 5

月 19 日提出的《欧洲数字计划》的重要平

台之一，该计划是欧盟抢占数字经济发展制

高点的一个重大举措，它提出的 100 项主要

行动中有许多都要靠物联网来落实。“欧洲

数字计划”是旨在取得稳定、持续和全面经

济增长的“欧洲 2020 年战略”的重要组成

部分。

图 2-14 《欧盟物联网行动计划》框架

第 2 章 初识物联网

51

在《欧盟物联网行动计划》（如图 2-14 所示）中，欧盟委员会提出物联网的三方面

特性：第一，不能简单地将物联网看作今天因特网的延伸，物联网建立在特有基础设施

上，将是一系列新的独立系统，当然，部分基础设施仍要依存于现有的因特网；第二，

物联网将伴随新的业务共同发展；第三，物联网包括了多种不同的通信模式，物与人通

信，物与物通信，其中特别强调了包括机器对机器（M2M）通信。

欧盟委员会认为，物联网的发展应用将在未来 5～15 年中为解决现代社会问题作出

极大贡献：健康监测系统将帮助人类应对老龄化的问题；“树联网”能够制止森林过渡采

伐；“车联网”可以减少交通拥堵和提高循环利用率，从而降低碳排放。物联网可以提高

人们的生活质量，产生新的更好的就业机会、商业机会，促进产业发展，提升经济的竞

争力。物体与网络的连接将成倍增大和加深通信网络对社会的影响，人类向信息社会迈

进的步伐更加坚实。

1992 年，新加坡提出 IT2000 计划，即“智能岛”计划。此后，该国先后确定了“21

世纪资讯通信技术蓝图”、“ConnectedCity（连城）”等国家信息化发展项目，希望进一

步加大信息通信技术的普及力度。综合看来，之前的数次信息化战略都可以说是处在

“e”阶段，即通过提高信息通信技术的利用率促进社会方方面面的发展。2005 年 2 月，

新加坡资讯通信发展局发布名为“下一代 I-Hub”的新计划，标志着该国正式将“U”型

网络构建纳入国家战略。该计划旨在通过一个安全、高速、无所不在的网络实现下一代

的连接。

像传感器、射频识别（RFID）、通信网络等物联网必不可少的技术，目前已比较成

熟，但如何形成一个统一的网络是个关键问题，这首先牵涉到一个“语言标准”问题。

比如，中国的杯子和美国的杯子都要“开口说话”，中国的杯子“说”的是中文，美国的

杯子“说”的是英文，他们俩就没办法沟通；再比如，郑州生产的杯子“说”河南话，

成都生产的杯子“说”四川话，他们俩也没办法沟通。所以，最好让他们都“说”一种

语言。这些问题都需要标准来解决。

在前几次高科技产业浪潮中，中国都受制于自主标准缺失，在 PC、软件、因特网、

移动通信、数字化视频光盘（DVD，Digital Video Disc）等领域，美国等起步较早的国

家直接掌握着大部分国际标准的制定权，从而掌握着整个产业发展的主动权。因此，

在信息产业的第三次浪潮—物联网中，我国高度重视标准化问题，力争主导国际标

准的制定。

大话物联网

52

在各技术委员会以及行业协会的协同下，中国正在努力通过直接或间接的方式向世

界推广中国制定的标准，而不再像从前那样单方面地接受国际标准。高科技是未来国际

贸易战争中的滩头阵地，中国已经充分意识到标准是这场竞争中的重中之重。2003 年 1

月 17 日，全国产品与服务统一代码（NPC，National Product Code）标准被正式颁布，

标准名称为《GB 18937-2003 全国产品与服务统一标识代码编制规则》，2003 年 4 月 16

日实施，定位为强制性国家标准。2003 年 11 月 25 日，国标委下发高新［2003］30 号文，

正式批复成立电子标签国家标准工作组，其任务是负责起草、制定中国有关“电子标签”

国家标准，使其既具有中国的自主知识产权，同时和目前国际的相关标准互通兼容，促

进中国的电子标签发展纳入标准化、规范化的轨道。2004 年 1 月 30 日，电子标签国家

标准工作组宣告成立，工作组由原信产部、国标委、代码管理中心牵头，清华大学、北

京大学、上海交通大学以及国内 60 多家电子标签的大型企业共同参与。2004 年 9 月，

国家标准化管理委员会高新技术部发布了《关于暂停“电子标签国家标准工作组”工作

的通知》。通知指出：“电子标签相关国家标准的制定机构之间工作重复，为保证电子标

签技术和管理规范有序，确保正在制定中的相关标准之间协调一致，要待重新整合后再

开展工作。”

为促进我国电子标签技术和产业的发展，加快国家标准和行业标准的制 /修订速

度，充分发挥政府、企事业单位、研究机构、高校的作用，经原信息产业部科技司批

准，2005 年 12 月 2 日，电子标签标准工作组在北京正式宣布成立。该工作组的任务

是联合社会各方面力量，开展电子标签标准体系的研究，并以企业为主体进行标准的

预先研究和制修订工作。其组织结构如图 2-15 所示。该工作组是由组长、联络员、

成员、专题组和秘书处构成。专题组包括 7 个，分别是总体组、知识产权组、频率与

通信组、标签与读写器组、数据格式组、信息安全组和应用组。成员分为全权成员和

观察成员。

总体组的工作范围是负责制定 RFID 标准体系框架并协调各个组的工作；知识产权

组的工作范围是制定 RFID 标准知识产权政策、起草知识产权法律文件，提供知识产权

咨询服务；频率与通信组的工作范围是负责提出我国 RFID 频率需求、制定 RFID 通信

协议标准及相应的检测方法；标签与读写器组的工作范围是负责制定标签与读写器物理

特性、试验方法等标准；数据格式组的工作范围是负责制定基础标准、术语、产品编码、

网络架构等标准；信息安全组的工作范围是负责制定 RFID 相关的信息安全标准，包括

读写器与标签之间的信息安全，读写器与后台系统的信息安全；应用组是在国家总体电

子标签应用指南的框架下制定 RFID 相关应用标准。

第 2 章 初识物联网

53

图 2-15 电子标签标准工作组的组织结构

电子标签标准工作组成员单位参与制定的 RFID 标准主要有《GB 18937—2003 全

国产品与服务统一标识代码编制规则》；《TB/T 3070—2002 铁路机车车辆自动识别设

备技术条件》以及在上海市使用的《送检动物电子标示通用技术规范》。

电子标签标准工作组目前已经公布的相关 RFID 标准主要有参照 ISO/IEC 15693 标

准的识别卡和无触点的集成电路卡标准，即《GB/T 22351.1—2008 识别卡 无触点的

集成电路卡 邻近式卡 第 1 部分：物理特性》和《GB/T 22351.3—2008 识别卡 无

触点的集成电路卡 邻近式卡 第 3 部分：防冲突和传输协议》。

电子标签标准工作组的总体目标是：努力建立一套基本完备的、能为我国 RFID 产

业提供支撑的 RFID 标准体系；积极参与国际标准化工作，争取具有自主知识产权的我

国的 RFID 标准成为国际标准；完成基础技术标准，包括电子标签、读写器、RFID 中

间件、数据内容、空间接口、一致性测试等方面的标准；完成主要行业的应用标准，

包括物流、生产制造、交通、安全防伪等方面的标准，积极推动我国 RFID 技术的发展

与应用。

2009 年 9 月 11 日，“传感器网络标准工作组成立大会暨‘感知中国’高峰论坛”在

北京举行。传感器网络标准工作组是由国家标准化管理委员会（SAC，Standardization

Administration of the People’s Republic of China）批准筹建，全国信息技术标准化技

大话物联网

54

术委员会批准成立并领导，从事传感器网络（简称传感网）标准化工作的全国性技

术组织。

传感器网络标准工作组的主要任务是根据国家标准化工作的方针政策，研究并

提出有关传感网标准化工作方针、政策和技术措施的建议；按照国家标准制 /修订原

则，以及积极采用国际标准和国外先进标准的方针，制订和完善传感网的标准体系

表；提出制、修订传感网国家标准的长远规划和年度计划的建议；根据批准的计划，

组织传感网国家标准的制、修订工作及其他标准化有关的工作。传感器网络标准工

作是由国际标准化（PG1）、标准体系与系统架构（PG2）、通信与信息交互（PG3）、

协同信息处理（PG4）、标识（PG5）、安全（PG6）、接口（PG7）和电力行业应用调研

（PG8）等 8 个专项组构成，开展具体的国家标准的制定工作，其组成结构如图 2-16

所示。

图 2-16 传感器网络标准工作组的组成

2009 年 12 月，传感器网络标准工作组完成了 6 项国家标准和 2 项行业标准的立项

工作，6 项国家标准包括总则、术语、通信和信息交互、接口、安全、标识，2 项电子行

业标准是机场传感器网络防入侵系统技术要求和面向大型建筑节能监控的传感器网络系

统技术要求。这 6 项国家标准和 2 项行业标准将在 2010 年年底完成，目前正在紧锣密鼓

地制定过程当中。

除了 2009 年 12 月立项的 6 项国家标准，2010 年 1 月，工作组又申报了 4 项国

家标准的立项，即传感器网络网关技术要求、传感器网络协同信息处理支撑服务与

接口、传感器网络节点中间件数据交互规范和传感器网络数据描述规范。其中，协

同信息处理支撑服务及接口在国际标准化组织中推动了目前一个新的工作项目，

第 2 章 初识物联网

55

2010 年 3 月，这项标准已经通过了新工作项目的投票，即将启动国际标准化的制

定工作。

2010 年 2 月 2 日，中国通信标准化协会（CCSA，China Communications Standards

Association）泛在网技术工作委员会（TC10）成立大会暨第一次全会在京召开。TC10

的成立，标志着 CCSA 今后泛在网技术与标准化的研究将更加专业化、系统化、深入化，

必将进一步促进电信运营商在泛在网领域进行积极的探索和有益的实践，不断优化设备

制造商的技术研发方案，推动泛在网产业健康快速发展。

2010 年 6 月 8 日，在国家标准化管理委员会、工业和信息化部等相关部委的共同

领导和直接指导下，由全国工业过程测量和控制标准化技术委员会、全国智能建筑及

居住区数字化标准化技术委员会、全国智能运输系统标准化技术委员会等 19 家现有标

准化组织联合倡导并发起成立物联网标准联合工作组。联合工作组将紧紧围绕物联网

产业与应用发展需求，统筹规划，整合资源，坚持自主创新与开放兼容相结合的标准

战略，加快推进我国物联网国家标准体系的建设和相关国标的制定，同时积极参与有

关国际标准的制定，以掌握发展的主动权。中国物联网标准联合工作组的组成如图 2-17

所示。

一个新兴产业的发展，最重要的是掌握标准。2005 年，在国家标准化管理委员会下

属的全国信息技术标准化技术委员会领导下，中国科学院和标准化研究所合作推进国家

传感网的标准化工作，这要早于国际标准的启动。目前，中国与德国、美国、英国、韩

国等国一起，成为国际标准制定的主要国家之一。

国际标准化组织与国际电工委员会（ISO/IEC）举办的国际首届传感器网络标准化大

会于 2008 年 6 月 25—27 日在上海举行。在这次大会上，由传感器网络标准工作组代表

中国牵头提出了整个传感网的体系架构、产业的演进路线、协议栈架构等，获得一致通

过。中国代表团向大会提交 8 项技术报告，这标志着我国在这项新兴信息领域的技术处

于国际前列，在制定国际标准中享有重要话语权，这必将对前沿科技领域的可持续发展

和产业化具有重要意义。在此后的会议上，基本上都是由我国代表国际标准化组织作总

体报告和特邀报告的。可以说，在标准化方向上我国具有举足轻重的主导话语权，这在

我国的信息技术发展史上还是第一次。

大话物联网

56

图 2-17 中国物联网标准联合工作组的组成

既然物联网是继因特网之后的一个超级大萝卜，那么我们就得齐心协力把它完完整

整地拔出来。发展物联网对调整经济结构、转变经济增长方式具有积极意义，因为物联

第 2 章 初识物联网

57

网自身就能够打造一个巨大的产业链。巨大的产业链意味着巨大的价值。国内调研机构

易观国际表示，物联网催生的电信、信息存储处理、IT 解决方案等市场潜力惊人。美国

研究机构 Forrester 预测，物联网所带来的产业价值要比因特网大 30 倍，物联网将会形

成下一个万亿元级别的通信业务，10 年内物联网就可能大规模普及。赛迪顾问的研究也

显示：2010 年，我国物联网产业市场规模已达到 2 000 亿元；2015 年我国物联网产业整

体市场规模将达到 7 500 亿元，年复合增长率超过 30%。

物联网被许多企业专家称为“一个未探明储量的金矿”，正孕育企业管理变革、

信息革命的全新契机，“钱”景远大。可以设想，在企业生产、供应、营销及售后服

务等各个环节与要素设置电子标签读取装置，通过无线和有线网络将其连接起来，那

么每个企业要素及营运单元甚至整个企业组织力量都将处于全信息、全数字化、全智

能状态。因此，物联网概念的问世，在不远的未来，将对现有国内行业企业营运系统

格局产生巨大影响，将会给企业带来前所未有的经营体验和管理变革。但是人们不禁

要问，如此巨大的效益我们能占多少？如果仅仅是搭上顺风车，吃点露水，就也太可

惜了！

目前，我国物联网总体还处于起步阶段，为推进物联网产业发展，我国将采取四大

措施，通过核心网技术突破，典型示范以及参与国标制定，支持电信运营企业开展物联

网技术创新与应用。此前，三大运营商及其产业链上的企业，已经积极筹备物联网相关

业务。

2.4

物联网的困境

当物联网开始像一个大箩筐，什么东西都往里装，什么人都可以和这个产业沾边的

时候，这个游戏就开始变得低俗了。物联网不是树上的桃子，伸手就能摘，蹭蹭就能吃。

要享受“物联网”带来的红利，那么请快些起来练内功。

“物联网”的理念早在 1991 年就提出了，而直到现在，技术刚刚可以提供初步的物

联网条件，概念才真正登台。这给了我们一个警示，其实概念并不是关键，关键的是技

术支持。当年，我们的老祖宗得到了火药的概念，但最终得益的是欧洲人。他们用火枪，

打开了我们的大门。而今天也一样，“物联网”的概念大家都有了，但是要想从中得益，

你的技术必须超越别人。

尽管物联网已经被列入国家发展战略，资本市场上物联网概念也一度火爆，但要形

成完善的物联网产业还有待时日。目前，制约产业发展的拦路虎仍存在，主要体现在地

址、频谱、核心技术、标准化和安全等方面。

大话物联网

58

物联网就是“物物相连的因特网”。然而，真的要把物和物连接起来，除了需要这样

那样的传感器，首先要给它们每个都贴上一个标签，也就是每个物体都有个自己的 IP 地

址，这样用户才可以通过网络访问物体。就像门牌号码一样，每个物体要想在物联网中

被找到，那就需要一个地址。未来的物联网将给所有的物体都设定一个标识，实现“IP

到末梢”，这样我们才能随时随地地了解物体的信息。全球人口 60 多亿，如果物联网的

概念真地加以实施，则意味着在人与人、人与物，乃至物与物之间，都会建立连接，这

就是说，都需要使用到 IP 地址，而目前的 IPv4 受制于资源空间耗竭，已经无法提供更

多的 IP 地址。既然无法限制 Internet 的发展速度，像限制人口的增长一样来个“Internet

计划生育”，就必须寻找新的解决方案。因此，物联网的发展需要大量的 IP 地址，而现

有因特网在 IP 地址资源上的不足已经成为物联网发展最大的瓶颈。

从现在起到 2020 年的 10 年里，中国物联网产业将经历应用创新、技术创新、服务

创新 3 个关键的发展阶段，成长为一个超过 5 万亿元规模的巨大产业。对于大量细节、

节点信息的感知需要通过更便捷、更可靠、更安全的方式传输汇聚到中心节点或者提供

给信息处理单元，在这方面“可以给每一粒沙子都设定一个 IP 地址”的下一代因特网 IPv6

技术为大范围的物联网应用传输提供了可能。IPv6 可以让人们拥有几乎无限大的地址空

间，这使得全世界的人使用的手机、家电、汽车甚至鞋子等上网都成为可能，这样就能

构筑一个人人有 IP、物物都联网的物联网世界。

IPv6 是物联网等重要应用的基石，其商用将决定性地推动物联网等新兴应用的发

展。将来的物联网，就是可以做到每一件物体有一个自己的 IP 地址，用户可以通过网络

访问物体。IPv6 和当前 IPv4 的关系，就好比高速公路和国道的关系。高速公路修建得

越宽，可以并排行驶的车辆就越多；路宽则通畅，车辆的可达速度也越高，不会出现拥

挤现象。IPv6 可以让人们拥有几乎无限大的地址空间，这使得全世界的人使用的手机、

家电及汽车等上网成为可能。举例来说，一条在海里游泳的鲨鱼，只要有个 IP 地址，加

上谷歌卫星定位，就可以知道它在哪里裸泳。这里需要强调的是，IPv6 是物联网的上游

底层技术条件基础，没有 IPv6，物联网如死水。IPv6 的重要性由此可见一斑。

我国在 IPv6 方面也开展了多项研究、试验和示范工程，如“十五”期间的 IPv6 核

心技术开发、中科院的“IPv6 关键技术及城域示范网”和国家发改委的“下一代因特网

中日 IPv6 合作项目”等。目前国内已有 30～50 万 IPv6 的现网用户，可以体验 IPv6 的

网络环境。在将 IPv6 应用于物联网方面，由天地互连公司设计的基于 IPv6 的视频监控

和传感器网络已成功应用于 2008 年奥运会。前不久，由中国电信湖南分公司和中国电信

北京研究院共同实施的“下一代因特网在‘两型社会’中的应用实践”项目，在国内首

第 2 章 初识物联网

59

次开发部署了基于 IPv6 的物联网应用—农作物温室综合监控系统（如图 2-18 所示），

并成功应用于湖南农科院良种果茶培育繁殖中心，在网络演进、业务创新、互联互通技

术等方面均实现突破，被称为“长沙模式”。

图 2-18 基于 IPv6 的农作物温室综合监控系统

该项目不但实现了在湖南现网开放 IPv6 宽带接入商业服务的突破，而且摸索出了低

成本、可复制的网络平滑演进模式，可充分利用正常的网元设备升级、改造和扩容过程

同步实现 IPv6 部署。在业务方面，应用农作物温室综合监控系统，湖南农科院科研人员

可以对温室内的温度、湿度、光照、土壤含水量等参数实施远程实时监控，并可以基于

IPv6 技术实现对于温室内通风、天窗、侧窗、灌溉、保温装置的实时控制，显著提升了

农业科研工作效率和智能化水平。

近年来，随着无线技术的广泛应用，无线频谱已成为最稀缺、最珍贵的资源之一。

物联网中的无线电设备都需要使用频率资源，但大量使用将会给频率和频谱管理带来很

大的挑战，目前物联网感知无线电将开启一个前所未有的巨大市场，也将对现有秩序带

来巨大冲击，目前的现有规则将面临巨大改革。

虽然理论上无线电频谱是无限大的，但是在实际的制造技术中，在某一个时间段里

面可以使用的频率资源是有限的，各个无线电系统之间要有区别，而目前我们生活中关

于无线电的使用又非常多，这个数字会越来越大，这使有限的频谱变得更加拥挤。物联

网是以无线电频谱作为基础资源来实现其移动性、泛在性的，而无线电频谱作为一种不

可再生的无形资源，国家必须出台相关政策明确各个无线频谱的具体应用。

感知层在物联网体系中处于信息采集的最前端，对物联网的实现起着基础性作用。

大话物联网

60

该层包括二维码标签和识读器、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS、传感器和 M2M 终

端、传感器网络和传感器网关等，需要大量的频谱资源。

例如，RFID 是物联网感知层的关键技术之一。目前，我国已基本完成了低频（LF，

Low Frequency）、高频（HF，High Frequency）、特高频（UHF，Ultra High Frequency）

及超高频（SHF，Super High Frequency）频段的 RFID 技术的频率规划，为 RFID 技术在

我国的应用和发展提供了无线电频谱资源保证。我国无线电管理部门历来十分重视

RFID 等无线感知技术的发展，在频率规划方面给予此类技术大力的支持。

网络层是物联网的中间环节，也是最重要的环节。而物联网无处不在的特点，使得

有线传输受到很大限制，移动网络和宽带无线接入将成为物联网的主要传输方式。而物

联网信息交互与传输以无线为主的特点注定了它将成为频谱资源需求的大户。

首先，物联网的业务规模是通信业无法比拟的。据 Forrester 预测，到 2020 年，物

物互联业务与现有人人通信互联的比例将达到 30:1，即可能从 60 亿人口扩展到 500 亿

乃至上万亿的机器和物体。有专家以家居应用为例，一个家庭布设几十个甚至上百个传

感网终端或节点并不为过，但一个人不会随身携带几十部手机。除家庭之外，物联网还

有众多行业应用，其规模一定远远大于移动通信。因此，当物联网正式实现，有超过 500

亿以上的终端需要通过无线方式连接在一起时，其对频谱的需求绝不是如今已分配的移

动通信和无线接入频率所能承载的。

其次，目前物联网应用一般是小流量的 M2M 应用，比如路灯管理、水质监测等，

所需要传输的数据量很小，原有的 2G 网络足以实现对这些数据量的支撑。目前国内的

手机用户已经超过 7 个亿，3G 用户也超过 1 000 万，手机上可用的频谱资源已经开始出

现拥挤。工业和信息化部为了更好地保障 TD-SCDMA 的发展，已经为中国移动划拨了 3

个频段共 85MHz 的频谱资源。同时，物联网涉及的控制、计费、支付，实际上都不会

占用大量带宽，目前有充足的频谱资源支撑建设物联网。但是，物联网也有大量占用高

带宽的应用，比如平安城市、公共交通等以视频图像为主的监控业务。以北京公交系统

视频监控业务为例，目前北京有 3 万多辆公交车，如果每辆公交车上面布设 4 个摄像头，

则 3 万辆公交车的数据总量预计将达到约 180Gbit/s，且对图像的连续性和实时性有较高

要求，所以传输频谱需求绝不是目前 2G、3G 甚至未来 4G 可以轻松承载的。

再次，物联网的识别层将信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、

全球定位系统、激光扫描器等与网络连接在一起，方便识别和管理，而这种连接将采用

低功率技术，其中可供选择的技术包括 Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真）。如果将

Wi-Fi 用于物联网，Wi-Fi 的频谱需求将大大超过目前已分配的频谱总量。按照预测，我

国到 2020 年在设定 150 人同时使用 Wi-Fi，其速率为 200kbit/s，每用户忙时呼叫次数为

0.15，每户平均呼叫时长为 3 000s 的情况下，上下行共需 2 500MHz 频率。而 Wi-Fi 用

第 2 章 初识物联网

61

于物联网，在一个小区内的物体或设备数量可能远远多于 150 个，而且实时在线的比例

更高，其频谱需求也将超过 2 500MHz，成为名符其实的用频“大户”。

最后，至今物联网的流量模型并没有权威研究结果，它肯定既不同于因特网流量模

型，也不会等同于移动通信的流量模型。但是，物联网的规模巨大，尽管有些业务每次

传输的数据量不一定非常大，甚至只有几十个字节，但是必须一次传输成功，有着非常

高的实时的传输要求。另外，移动蜂窝网络着重考虑用户数量，而物联网数据流量具有

突发特性，可能会造成大量用户堆积在热点区域，引发网络拥塞或者资源分配不平衡。

这些都会造成物联网对频谱的需求方式和规划方式有别于已有的无线通信，所以不能轻

言物联网不存在频谱资源的制约。

我国已为 2G 和 3G 移动通信规划和分配了 525MHz 频率，到 2009 年 10 月，承载的

移动用户已达 6.27 亿户，而且可以满足 3G 业务继续发展的需要。预测我国 4G 频谱的

需求，到 2020 年在两个运营商的前提下需要继续增加 800～1 100MHz 频率。根据 2007

年世界无线通信大会决议，我国为 4G 确定了包括 450～470MHz、698～806MHz、2 300～

2 400MHz 和 3 400～3 600MHz 在内的 428MHz 频率，按照预测我国 4G 还需要的 352～

1 152MHz 频率尚无着落。而且以上频谱都是按照 4G 的用户流量模型为人与人的通信而

设计的，并不包括物联网的频谱需求，因此解决物联网的频谱需求的难度远远大于 4G。

物联网对以 Wi-Fi 为首的低功率、短距离无线接入的频谱需求与已有频率资源之间

同样存在很大差距。例如，我国至今在非授权的 2.4GHz 和 5.8GHz 频段为 Wi-Fi 分配了

208.5MHz 频率，与到 2020 年 Wi-Fi 人与人通信所需的 2 500MHz 频率相比尚存巨大缺

口，如果加上物联网的频谱需求，其频率缺口更大，而至今并无弥补的措施和办法。当

然，解决物联网频谱需求紧缺难题，采用逐步成熟的动态频谱分配方式是比较有效的途

径，但必然带来对传统频谱管理体制和方式的重大变革，其中未知因素难以预料。

总之，频谱是物联网存在和发展的重要基础资源，但业界对物联网频谱资源需求

及面临困难的研究远远落后于其他方面，这必然成为阻碍物联网发展的“难点”。万事

预则立，希望国家及产业层面尽早将物联网频谱资源纳入规划，在国际上如同积极参

与物联网的概念设计、框架规划、标准制定一样，使其成为掌握物联网顶层话语权的

重要部分。

“没有规矩、不成方圆”，物联网的发展同样是也遵循一定“规矩”，而这个“规矩”

就是标准。现阶段的物联网没有形成统一的标准，很难形成产业的规模应用，对于推动

物联网的普及将产生很大的阻碍。因此，标准的建立至关重要。

“一流企业定标准，二流企业做品牌，三流企业卖技术，四流企业做产品”是经济发

大话物联网

62

展的普遍规律。标准之争其实是市场之争。谁掌握了标准，就意味着先行拿到市场的入

场券，甚至成为行业的定义者。

众所周知，CDMA 手机普遍比全球移动通信系统（GSM，Global System for Mobile

Communication）手机贵一大截，主要是因为一家叫高通的公司。高通拥有 3 000 多项

CDMA 专利，核心技术专利超过 600 项，而在宽带码分多址（WCDMA，Wideband Code

Division Multiple Access）的核心专利中，高通大约占了 1/4。凭借这些“优势”，高通构

筑的专利壁垒让手机厂商叫苦不迭。高通曾与三星签订过为期 15 年的专利技术共享许可

协议，入账 13 亿美元；与诺基亚也签订过 15 年的专利授权协议，入账 23 亿美元。

高通 CEO 保罗 • 雅各布大人心里一定在说，世界上的 CDMA 手机其实全都是姓高

通。签署这种长期协议，意味着高通占据了全球 65%的手机市场。可以肯定的是，它将

从手机生产商中获得长期的专利费和现金流。过去，TD-SCDMA 曾经给国人带来了骄傲；

未来，能否有物联网标准给国人带来自豪？

《IBM“智慧地球”的认识和思考》报告中显示，中国的信息产业目前非常缺乏核心专

利。半导体专利国外企业占 85%，电子元器件、专用设备、仪器和器材专利国外企业占 70%。

无线电传输国外企业所占比例高达 93%，移动通信和传输设备国外企业也占到了 91%和

89%。据业内人士预计，国内相关企业要想追上与国际巨头之间的技术差距，至少还需要 5

年以上的时间，如果要实现基础核心设备的完全自主的话，则可能需要更长的时间。

在物联网领域，标准工作涉及方方面面，目前至少已经包括了 24 个国际标准化组织，

毫无疑问这些组织需要共同携手才可能完成物联网的整个标准化工作。在无线传感领域

的研究，中国早在 20 世纪 90 年代就已经开始，2004 年开始在军、民两个领域展开标准

化研究工作，2009 年以来开始积极推进产业化。尤其是在 2009 年 8 月 7 日国务院总理

温家宝视察中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心，指示要迅速在无锡建立中国的“感

知中国”中心后，国内物联网相关产业化迅速升温。三大运营商、广电、国家电网乃至

产业链多家企业，上海、无锡、苏州、重庆等政府纷纷出台各自的规划或战略。不过需

要指出的是，虽然目前国内物联网行业应用已经出现了不少，但是在最核心的芯片和传

感器标准等领域，仍然还是国外厂商的天下，我国具有自主核心知识产权的较少，相关

厂商推出的也大多是集成解决方案，也就是在采购国外硬件的基础上进行软件应用的开

发，深入展开的基础标准研发和生产的企业很少。

沿用国际标准确实有促进经济交往的积极一面。比如说人们在超市中随处可见、不

可或缺的条形码，对于那些外向型企业来说，由于它的唯一性，条形码还是这些企业的

商品走向全球市场的通行证。但是人们或许不知道每个条形码背后每年都要交费，而这

笔不小的费用都交给谁了，去向如何，大部分国人都无从知晓。国家工商行政管理总局

《2009 年一季度全国市场主体发展报告》显示，截至 2009 年 3 月底，全国实有企业 97 177

第 2 章 初识物联网

63

万户。我国企业每年由于使用条形码缴纳的年费高达百亿元，长尾效应和年费时间效应

的乘积，使得条形码收费成为一个天文数字。

虽然目前国内已经成立了电子标签标准工作组、传感器网络标准工作组、泛在网技

术工作委员会（TC10）和中国物联网标准联合工作组等多个物联网标准工作组，但各工

作组专注于本领域，标准制定过程均独立开展，缺乏完整体系，急需在原有工作基础上

整合相关资源，在跨部门、跨地区之间开展合作，加强协调，倾全国之力，联合推进。

因此，物联网的标准化问题需要在政府统一领导下，跨行业、跨部门，在标准化组织之

间形成一个物联网标准体系。只有这样，我国的物联网才会非常健康的发展。

任何东西有积极的一面，也有消极的一面，一旦消极的一面给人们的生活带来不便，

那么这个所谓的高科技就失去了意义，或者说吸引力。例如，某公司设计开发的智能抄

表系统，每 15 分钟就报一次数据。一个月积累下来以后，主人家什么时候用这个东西，

什么时候家里是有人的，就一清二楚。但如果这个数据被小偷拿到，就会很危险。

2009 年 5 月 19 日，江苏、浙江等 6 省大面积断网，20 余个省份因特网域名无法解

析，全国近半数网站瘫痪。公安机关及时抓捕到导致这次断网事件的嫌犯，断网的真相

是一家私服网站为了攻击竞争对手，采用黑客的方式攻击国内最大的免费域名服务商的

服务器所致。

网络安全从来都是一个老生常谈的问题，物联网的安全也很“潮”。当黑客足够强大

时，他可以掌控红绿灯的变化限制你的出行，也可以入侵你的手机阻挡你的通信，甚至

可以利用任何一个你身边的物体监视你的每一刻，就像电影《黑客帝国》里面黑衣人病

毒一样的无所不在，四处肆虐。当因特网中了病毒时你可以通过断网阻挡它的入侵，但

是当整个世界都成为一个网络后，你就很难应对了。现在的黑客通过因特网远程只能够

弄个摄像机来偷拍什么的，物联网时代的黑客升级了！他可以通过物联网潜入，在冬天

给你开风扇开窗户，再把水龙头打开，也让你的房子又冷又水淹。因此，在不久的将来，

如果有一天，你发现家里的饭煮焦了，冬天的空调却被调成冷气，花园的玫瑰谢了，不

要大惊小怪，告诉你，你的物联网遭遇黑客了。

物联网创造了一个新的病毒和黑客的活动空间，病毒的问题、可信度的问题，以及

随之而来的伦理问题，林林总总。设想一下，你今后出去随时被摄像头捕捉着，一整天

的活动都在各种探头下进行，从某种程度上讲，它势必影响人的隐私。这仅仅是一个摄

像头的例子，如果把各种传感器都调动起来，可能还会产生很多我们无法想象的问题。

Chapter 3

第3 章

64

感知层：物联网的皮肤和五官

通常来说，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层，如图 3-1 所示。感知层

相当于人体的皮肤和五官，网络层相当于人体的神经中枢和大脑，应用层相当于人的社

会分工。感知层包括条码和扫描器、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、传感

器网络等。其中条码和 RFID 标签显示身份，传感器捕捉状态，摄像头记录图像，GPS

进行跟踪定位，最终实现识别物体、采集信息的目标。

图 3-1 物联网的分层结构

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

65

3.1

条码：物联网的第一代身份证

商品外包装上，都印有一组黑白相间的条纹，这就是商品的第一代“身份证”—条

码。它是一种商品通行于国际市场的“共同语言”，是商品进入国际市场和超市的“通行

证”，是全球统一标识系统和通用商业语言中最主要的标识之一。

条码这个东东，不想见到它都很难。随手拿一件身边的商品（假冒伪劣的东东不

算），咱们都能看到这玩意儿的存在。也许就因为这玩意儿太常见了，以至于大家都忽

视了它的存在。各位难道就没发现条码其实有很多种类型？就不想知道条码到底隐含了

些什么秘密？我们相信，大多数人还是有过这个想法的，只不过没有人告诉你而已。现

在，我们就从条码的身世说起，讲述条码记录世界的故事。

在 20 世纪 20 年代，信件还是由人手动分拣，工作效率相当低，难以满足大众日益

增长的信件收发需求。于是在 Westinghouse 实验室里，有个叫约翰·柯莫德（John

Kermode）的性格古怪的发明家“异想天开”地想对邮政单据实现自动分拣。他的想法

是在信封上做条码标记，条码中的信息是收信人的地址，就像今天的邮政编码。为此

Kermode 发明了最早的条码。设计方案非常简单，即只使用一个条表示“1”，两个条表

示“2”等。然后，他又发明了由基本的元件组成的条码识读设备：一个能够发射光并接

收反射光的扫描器；一个测定反射信号“条”和“空”的方法，即边缘定位线圈；还有

一套使用测定结果的方法，即译码器。

Kermode 的扫描器利用当时新发明的光电采集器来收集反射光。“空”反射回来的是

强信号，“条”反射回来的是弱信号。与当今电子元器件应用不同的是，Kermode 利用磁

性线圈来测定“条”和“空”。在接收到“空”信号的时候吸引一个开关，在接收到“条”

信号的时候，释放开关并接通电路。因此，最早的条码阅读器速度很慢，噪声很大，开

关由一系列继电器来实现，“开”和“关”由打印在信封上“条”的数量决定。通过这种

方法，可用条码符号直接对信件进行分拣。

此后不久，Kermode 的合作者 Douglas Young 作了些改进。他利用条之间空的尺寸

变化，使新的条码符号可在同样大小的空间内对 100 个不同的地区进行编码，而原来

Kermode 发明的条码只能对 10 个不同的地区进行编码。

1948 年，当条码的发明人之一伯纳德·西尔弗（Bernard Silver）还是美国费城德雷

克塞尔大学技术系的研究生时，一名当地的食品连锁店老板前来询问开发自动化结账系

大话物联网

66

统的可能性。西尔弗无意间听到了这段谈话，之后便和好朋友诺曼·伍德兰（Norm

Woodland）研究商业化的可能性。

两人的第一个尝试是会在紫外线下发光的图案，但是墨水的稳定性欠佳，而且价格

高昂，因此他们又尝试了几种不同的方式。最后在 1949 年 10 月 20 日提出了今日条码

雏形的专利申请，并在 1952 年 10 月 7 日获得专利。该

条码最大的特点是将竖直的条码弯曲成环状，就像是箭

靶或是公牛眼一样。公牛眼代码的好处在于无论什么方

向都可以扫描出来，缺点是太浪费空间，如图 3-2 所示。

可惜的是，两位发明家都没能从这个重大的发明中

捞到什么好处。专利在 1952 年被他们以相当少的钱卖给

了 RCA 公司，但就算他们没卖，专利也会在 1969 年过

期，比条码的大规模商业化应用早了至少 5 年。只能说

这个发明实在是超前太多了啊！西尔弗在 1962 年死于车

祸，而伍德兰在 1992 年才获得了美国国家科技与发明奖

的肯定。

以吉拉德·费伊塞尔（Girard Fessel）为代表的几名发明家，于 1959 年提出申请了

一项专利，描述了数字 0～9 中每个数字可由 7 段平行条组成的条码。但是这种条码使机

器难以识读，人读起来也不方便。不过这一构想的确促进了后来条码的发展。1966 年，

条码技术开始应用于商业领域。1967 年，克罗格连锁超市的辛辛那提分店首先使用条码

扫描器。为了鼓励条码的应用，在这家超市，一旦顾客碰到不能正确读取的条码，超市

会提供免费购物券。到 20 世纪 60 年代末，条码的读取器开始与计算机互联。

20 世纪 70 年代初期，诺曼·伍德兰教授担任 IBM 工程部主管时，再次致力于条码

的开发。当时零售市场结账长龙的情况已到了令人无可容忍的地步。众商家纷纷要求开

发快、准、省的自动辨识系统。伍德兰教授的研发成果，经过公开评选被最终录取为现

代通用产品代码（UPC，Uniform Product Code）的码规基础。美国采用它作为世界产品

编码系统。UPC 码首先在杂货零售业中试用，这为以后条码的统一和广泛采用奠定了基

础。不久，布宁克（E·F·Brinker）申请了另一项专利，该专利是将条码标识在有轨电

车上。20 世纪 60 年代西尔沃尼亚（Sylvania）发明的一个系统被北美铁路系统采纳。这

两项可以说是条码技术最早期的应用。

1970 年美国超级市场委员会制定了通用产品代码（UPC，Uniform Product Code），

此后许多团体也提出了各种条码符号方案。UPC 码首先在杂货零售业中试用，这为以后

该码制的广泛采用奠定了基础。次年，布莱西公司研制出“布莱西码”及相应的自动识

别系统，用于库存验算。这是条码技术第一次在仓库管理系统中应用。1972 年，莫那奇·马

图 3-2 公牛眼代码

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

67

金等人研制出库德巴码，至此美国的条码技术进入了新的发展阶段。

美国统一代码委员会（UCC，Uniform Code Committee）于 1973 年建立了 UPC 条码

系统，并全面实现了该条码编码以及其所标识的商品编码的标准化。UPC 条码一般包括

12 个数字，每个字符由两个黑线条和两个白线条组成。代码由左右两个半截线条组成，

便于实现双扫描识别。这种代码还有一个缩短码，即 E 型短版本码，它由 6 个数字组成，

只能进行单向扫描识别。UPC 条码有四大优点：一是利用商店结账机可快速加以识别；

二是从各种角度都能识别；三是印刷成本比较便宜；四是不需多余的费用，适用于各种

商品。同年，食品杂货业把 UPC 码作为该行业的通用标准码制，为条码技术在商业流通

销售领域里的广泛应用起到了积极的推动作用。

1974 年，Intermec 公司的戴维·阿利尔博士推出 39 码，很快被美国国防部所采纳，

作为军用条码码制。39 码是第一个字母、数字式的条码，后来广泛应用于工业领域。1976

年美国和加拿大在超级市场上成功地使用了 UPC 系统，这给人们以很大的鼓舞，尤其是

欧洲人对此产生了很大的兴趣。次年，欧洲共同体在 UPC 条码的基础上，开发出与 UPC

码兼容的欧洲物品编码系统（EANS，European Article Numbering System），简称 EAN 码，

并签署了欧洲物品编码协议备忘录，正式成立了欧洲物品编码协会（EAN，European

Article Numbering Association）。直到 1981 年，由于 EAN 组织已发展成为一个国际性组

织，被称为“国际物品编码协会”（IAN，International Article Numbering Association），

但由于历史和习惯，该组织至今仍延用 EAN 作为其组织的简称。20 世纪 80 年代，人们

开发出了密度更高的一维条码，如 EAN128 码和 93 码（这两种码的符号密度均比 39 码

高将近 30%）。同时，一些行业纷纷选择条码符号，建立行业标准和本行业内的条码应

用系统。

2005 年 1 月，EAN 正式更名为全球第一标准化

组织（GS1，Global Standard 1st）。2005 年 6 月，UCC

正式更名为 GS1 US。目前，EPCglobal 就是由 GS1

和 GS1 US 两大标准化组织联合成立。

在利用各项专利技术对一维条码进行不断改进的

过程中，1958 年，美国最著名的科普作家、世界顶尖

级科幻小说作家艾萨克·阿西莫夫（Isaac Azimov）在他

出版的《赤裸的太阳》（The Naked Sun）一书中讲述

了使用信息编码的新方法实现自动识别的事例，如图

3-3 所示。那时人们觉得此书中的条码符号看上去像

是一个方格子的棋盘，但是今天的条码专业人士马上

会意识到这是一个二维矩阵条码符号。虽然此条码符

图 3-3 艾萨克·阿西莫夫

大话物联网

68

号没有方向、定位和定时，但很显然它表示的是高信息密度的数字编码。

直到 1970 年 Iterface Mechanisms 公司开发出“二维码”之后，才有了价格适于销售

的二维矩阵条码的打印和识读设备。那时二维矩阵条码用于报社排版过程的自动化。二

维矩阵条码印在纸带上，由今天的一维电荷耦合元件（CCD，Charge-coupled Device）

扫描器扫描识读。CCD 发出的光照在纸带上，每个光电池对准纸带的不同区域，根据纸

带上印刷条码与否输出不同的图案，组合产生一个高密度信息图案。用这种方法可在相

同大小的空间打印上一个单一的字符，作为早期科芒德码之中的一个单一的条。定时信

息也包括在内，所以整个过程是合理的。当第一个系统进入市场后，包括打印和识读设

备在内的全套设备大约要 5 000 美元。

此后不久，随着 LED（发光二极管）、微处理器和激光二极管的不断发展，迎来了

新的标识符号（象征学）和其应用的大爆炸，人们称之为“条码工业”。由于在这一领域

的技术进步与发展非常迅速，并且每天都有越来越多的应用领域被开发，用不了多久条

码就会像灯泡和半导体收音机一样普及，将会使我们每一个人的生活都变得更加轻松和

方便。

条码是由一组宽度不同、平行相邻的黑色条纹和空白，按预设的格式与间距组合起

来的符号。这是人与计算机“沟通”的一种特定语言。千万不要小看了这一组条空组成

的条码，条码曾经成为影响我国出口产品档次的一个重要因素。中国有些名酒驰名中外，

就因为包装盒上没有条码，只好屈居国外商品货架底层，价格低了很多。我国有的省市

生产的时钟飘洋过海之后，外商加上条码，摇身一变身价倍增而出现在高级自选商店。

那时，欧美地区和中国香港等地的大型超级市场都设置有销售点终端（POS，Point of Sale），

没有条码的商品即被拒之门外。随着境外这种销售方式的飞速发展，没有条码的商品已

经失去立足之地。

如今，徜徉于琳琅满目的商品市场上，只要稍加注意你就会发现许多商品的外包装

都印有粗细不同、平行相间的黑线条图案，这就是条码。在零售商品结算时，收银员只

需要在激光扫描器上扫描每件商品的条码，便可以马上知道商品的价格，实现快速结算。

整个过程只花了几秒钟的时间。这样的结算方式，比起过去传统上用计算器和算盘的结

算方式可要快多了，这一切都得益于商品上的条码。

条码在我们的生活中无处不在。它是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成

的特殊标记。从表面来看，条码大体雷同，其实不然，当商品售出时，无论它如何千变

万化，只要把条码在光电扫描器上通过一下，瞬时间就知道该商品的品名、价格和国籍

等信息，这些带有神秘色彩的条码里，到底隐藏着什么秘密呢？

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

69

首先条码是一种供光电扫描器识读、由计算机自动识别的特殊代码，深色为条，浅

色为空，条空代表的 13 位数字是特定的商品代码。下方的这一串数字和条、空所表示的

信息是相同的。那么数字在条码里到底起着什么样的作用呢？通俗的比喻，就像我们的

电话号码，前几位代表的区号，代表你所在的区域；后几位代表的是号码的相关信息。

条码也是如此，数字是直观的，代表这一商品的相关信息。

标准条码是由厂商识别代码、商品项目代码、校验码三部分组成的 13 位数字代码，

分为四种结构。厂商识别代码由 7～10 位数字组成，中国物品编码中心负责分配和管理。

厂商识别代码是由前缀码和厂商代码构成的。前 3 位代码为前缀码，国际物品编码协会

已分配给中国大陆的前缀码为 690～695，分配给中国台湾的前缀码为 471，分配给中国

香港特别行政区的前缀码为 489。

就拿我们身边的一个商品代码来说吧！如图 3-4

所示，前 3 位数字代表的是国家或地区的代码。690

代表产地为中国大陆。中间 4 位数是厂商代码，它是

由商品的厂商自行编码的，代表着这个商品的厂商编

号。后 5 位是商品项目代码，由各厂自行确定产品号

码，代表商品的类别，如它的日期、年份等。最后一

个数字则是校验码了。说到这里，大家如果想区别哪

些是进口货，只需要看商品的前 3 位数字就可以了。当然，数据是直观的视觉图像，现在

也可以手动输入计算机，而上半部的条、空组合则是对数据的翻译，它的目的是方便机器

的扫描和识别，只需要轻轻扫描一下，就可以立刻知道商品的相关信息，简单而快捷。

我们可不要小看条与空之间的微小差距，两者之间哪怕相差 1mm 的距离，就代表

着不一样的商品信息。如图 3-5 所示，这两件商品都是同一厂家出产的，它们的条码也

只是尾数相差了一位数，所代表的商品就不一样了；一个是香辣味的，一个是麻辣味的。

图 3-5 条码不同，代表的商品也不同

图 3-4 13 位代码结构

大话物联网

70

当光电扫描器发出的光束扫过条码时，扫描光线照在浅色的空上容易反射，而照到

深色的条上则不反射，这样被条空反射回来的强弱、长短不同的光信号即轮换成相应的

电信号，经过处理后变为计算机可接收的数据，从而识读出商品上条码的信息。商品信

息输入电子收款机的计算机中后，计算机自动查阅商品数据库中的价格数据，再反馈给

电子收款机，随机打印出售款清单和金额，这一切速度之快，几乎与扫描条码同步完成。

条码是一种信息采集的新技术，它的最大优点是输入速度快，商店经理可随时掌握商品

销售信息和库存情况，以便合理调整进货，加快资金周转。

因此，我们不难看出，印刷在商品包装袋上的条码，像一条条商品信息的纽带，将

世界各国制造厂商和形形式式的商品有机地联系起来，又清清楚楚地加以识别。它使商

品在世界迅速流通，解除了各国文字语言的障碍，给计算机信息采集带来很多方便，为

建立起全球性的商品交易网络，发挥着很大作用。

以 EAN-13 条码为例，我们再来看看条码的结构吧！EAN-13 条码符号的每个条码

字符的条与空分别由若干个模块组配而成，一个模块宽的条表示二进制 1，一个模块宽

的空表示二进制 0。EAN-13 条码由左侧空白区、起始符、左侧数据符、中间分隔符、

右侧数据符、校验符、终止符、右侧空白区及供人识别字符组成，如图 3-6 和图 3-7

所示。

图 3-6 EAN-13 条码的构成

图 3-7 EAN-13 条码符号构成

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

71

左侧空白区位于条码符号最左侧的与空的反射率相同的区域，其最小宽度为 11 个模

块宽。起始符位于条码符号左侧空白区的右侧，表示信息开始的特殊符号，由 3 个模块

组成。左侧数据符位于起始符右侧，表示 6 位数字信息的一组条码字符，由 42 个模块组

成。中间分隔符位于左侧数据符的右侧，是平分条码字符的特殊符号，由 5 个模块组成。

右侧数据符位于中间分隔符右侧，表示 5 位数字信息的一组条码字符，由 35 个模块组成。

校验符位于右侧数据符的右侧，表示校验码的条码字符，由 7 个模块组成。计算方法参

见国家标准《GB 12904-2008：商品条码 零售商品编码与条码表示》。终止符位于条码

符号校验符的右侧，表示信息结束的特殊符号，由 3 个模块组成。右侧空白区位于条码

符号最右侧的与空的反射率相同的区域，其最小宽度为 7 个模块宽。

说到这里，大家每次逛超市的时候有没有想过，超市里商品那么多，工作人员都

是怎么对它们进行管理的呢？当然，这也是靠条码啦！工作人员只需要将从全国各地

发来的商品对条码一次性地进行扫描录入，就可以实现对几百个种类、几百万个商品

进行规格、价格、数量等的准确统计。它与结算前台的收银系统是共享的，当收银员

扫描到商品上的条码时，收银系统就会很快地显示这种商品的相关信息。反过来，采

购中心也会根据计算机系统所提供的前台销售信息，及时地作出配送反应。哪些商品

卖了多少需要进货，哪些商品库存多少，哪些商品货架该上货了，一目了然，清清楚

楚。除此之外，在超市里我们经常会碰到商品的价格变化和有买有送的情况，这时又

该怎么办呢？其实，管理人员事先已经将新价格的条码信息重新输入并储存在计算机

里。当收银员扫描物品时，显示的就是已经变化的价格了。同时，为了避免扫描的时

候失误，管理人员都会将赠送的商品条码与商品贴在一起，避免扫到赠品，或者直接

在赠品上标注“送”、“赠品”等字样，这样收银员一看，就很清楚地知道商品的活动

信息了。

除了在商品上的条码外，在购买糖果等散装食品时，会使用一种独特的条码—店

内条码。这样的条码，又是怎么制作出来的呢？工作人员先将商品的名称和保质期输入

计算机备案数据库内，消费者只要将所购食品放在称重器上，然后输入商品相关的信息

后，就可以进行打印了。就像条码打印机一样，从输入到打印，过程就是这么简单。

超市独特的利用扫描器和 POS 机进行结算的方式，决定了其店内所有的商品都必须

要有一个数字标识来代表其规格、价格等详细信息—这是商品条码产生和发展的根源。

但客观上，商品条码无法涵盖一切。在商品条码的盲区里（主要是一些散装的商品），店

内条码就成为了超市唯一的选择—这是店内条码产生的根源。从这一点上来说，店内

条码会在一定范围内和商品条码长期共存。实际上，在条码应用最为广泛的日用百货超

大话物联网

72

市里，店内条码依然占有一定的比例。

在我们的生活中，店内条码其实随处可见，如图 3-8 所示。当你在家乐福或是沃尔

玛想购买一些散装的糖果或新鲜蔬菜时，你会先

把它们放进一个塑料袋子里，超市的店员在称完

商品的重量后，会将袋子封口，然后再将即时打

印出来的一个小标签贴在袋子上。这个小标签上

标有商品的规格、重量、价格和条码。如果你细

心的话，就会发现这个条码是以 20～24 之间的数

字开头的，它就是店内条码。

和大多数人想象的不一样，店内条码并不是

超市或企业自己随意制定的，也必须遵循相应的

国家标准（GB/T 18283—2008：商品条码 店内条码）。比如超市店内条码按国家标准规

定必须是以“20～24”作为前缀。店内条码的编码分为两种：不包含价格等信息的 13

位代码和包含价格等信息的 13 位代码。

需要说明的是，店内条码是根据商品种类和价格由超市自己确定的，和能在国际上

通用的商品条码不同，店内条码只能在超市自己的信息系统内使用，只能用于超市自己

的结算、库存、配送和商品的管理。

如今，在越来越多的杂志和报纸文章中，细心的读者在标题附近会看到一个方块形

的类似于迷宫似的图案；拆开手机的后盖，在电池下面的电路板上，也会看到这样的图

案，上面分布着密密麻麻的小黑点，这就是二维条码。去火车站买张火车票，火车票右

下角也印有一个二维条码，还有潮男潮女热衷的手机二维条码。瞧，广告词听着都来劲，

精彩生活，“码”上开始。

在我们的日常生活中，条码随处可见，漫步商场、书店、超市，每件商品都有条码

记录其价格、品类和信息，条码是商品在流通领域的身份证。而我们非常熟悉的商品包

装上的条码是一维条码，它只是在一个方向（一般是水平方向）表达信息，使用时通过

这个代号调取计算机网络中的数据。一维条码有一个明显的缺点，即垂直方向不携带信

息，故信息密度偏低。当初这样设计有两个目的：一是为了保证局部损坏的条码仍可正

确辨识，二是使扫描容易完成。

受信息容量的限制，一维条码通常是对物品的标识，而不是对物品的描述。它对两

个助手—计算机网络和数据库相当依赖。没有两个助手的鼎力协助，一维条码很难派

上用场。在通用商品条码的应用系统中，对商品信息，如生产日期、价格等的描述必须

图 3-8 店内条码

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

73

依赖数据库的支持。

然而随着社会经济生活的进步，这种仅有身份识别功能的条码，也开始满足不了人

们对日益繁多的商品的需求，于是二维码应运而生。最近几年开始有人提出一些储存量

较高的二维条码。由于二维条码具有高密度、大容量、抗磨损等特点，所以更拓宽了条

码的应用领域。而二维条码则可以在水平和垂直方向的二维空间存储信息，作为一种全

新的自动识别和信息载体技术，二维条码能将图像、声音、文字等信息进行整合，从而

增加搭载的信息量，二维码的数据存储量是一维码的几十倍到几百倍，就像是一个便携

式的数据库。

要提高信息密度，又要在一个固定面积上印出所需信息，可用两种方法来解决：一

是在一维条码的基础上向二维条码方向扩展；二是利用图像识别原理，采用新的几何形

体和结构设计出二维条码。前者发展出堆叠式二维条码，后者则有矩阵式二维条码之发

展，构成现今二维条码的两大类型，如图 3-9 所示。

图 3-9 常用的二维条码

堆叠式二维条码的编码原理是建立在一维条码的基础上，将一维条码的高度变窄，

再根据需要堆成多行，其在编码设计、检查原理、识读方式等方面都继承了一维条码的

特点，但由于行数增加，对行的辨别、解码算法及软体则与一维条码有所不同。较具代

表性的堆叠式二维条码有 49 码、16K 码、PDF417 等。其中，49 码是由戴维·阿利尔博

士研制、Intermec 公司于 1987 年推出的第一个二维条码，16K 码是由特德·威廉斯于

1988 年推出的二维条码，PDF417 码是由 Symbol 公司的留美华人王寅敬博士发明的。PDF

是取英文 Portable Data File 三个单词的首字母缩写，意为“便携数据文件”，是目前应用

最为广泛的堆叠式二维条码。

矩阵式二维条码是以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上，用点的出现表示二

大话物联网

74

进制的“1”，不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵码所代表的意义。其

中点可以是方点、圆点或其他形状的点。矩阵式二维条码是建立在计算机图像处理技

术、组合编码原理等基础上的图形符号自动辨识的码制。具有代表性的矩阵式二维条码

有 Data Matrix（DM）码、Maxi Code 码、快速响应（QR，Quick Response）码等。Data

Matrix（DM）是由美国国际资料公司于 1989 年推出的，是所有的二维条码中占地最小

的，同时具有极高的纠错能力，适合直接刻印在物体表面。美国联合包裹服务（UPS）

公司用于公司内部包裹分拣的 Maxi Code，由于中间定位圈的存在，看起来就像是早期

牛眼码的再生。QR 码是由日本 Denso 公司于 1994 年 9 月研制的一种矩阵二维码符号，

具有超高速识读、全方位识读、能够有效地表示中国汉字和日本汉字等特点。

目前，二维条码的国家标准包括《GB/T 17172—1997 四一七条码》和《GB/T

18284—2000 快速响应矩阵码》等。2006 年 5 月，具有我国自主知识产权的紧密矩阵

码（CM 码）/网格矩阵码（GM 码）二维条码码制正式被原信息产业部批准成为国家电

子行业标准，即《SJ/T 11349—2006 二维条码 网格矩阵码》和《SJ/T 11350—2006 二

维条码 紧密矩阵码》。从此，中国人依靠自己的创新能力，成功阻击了国外条码技术的

长驱直入。

手机为二维码的应用打开了一方更加广阔和充满想象力的天地。我们知道，二维条

码是由黑白方格组成的马赛克矩阵，它可以横向和纵向两个方位同时表达信息，因此能

在很小的面积内表达大量的内容，且具有纠错能力强、识别速度快、全方位识读等特点。

就是这样一个神奇的图案，配合以越来越高效的网络，借助于手机的扫码功能，即可轻

而易举地获得丰富的信息。

手机二维条码的出现，为手机和网络的联运创造了无限可能，为我们打开了一条跨

媒体的通道，它轻松地连接起了人们的日常生活和网络世界，尽管它与商业的结合散发

出来的魅力因为稚嫩还有所局限，但一个新兴营销国度的开启，已经势在必然。而 3G

时代的到来，更是为手机二维码的应用开辟了无比广阔的应用空间。手机二维码是二维

码技术在手机上的应用，通过手机的扫码功能对二维码进行扫描，快速获取二维条码中

存储的信息。正是因为获取信息的便捷和快速，手机二维码在生活中也开始有了日益广

泛的应用。手机二维码可以印刷在报纸、杂志、广告、包装以及个人名片上。用户使用

手机扫描二维码或输入二维码下面的号码，即可实现快速手机上网，便捷地浏览网页，

下载音乐、视频，获取优惠券，参与抽奖，了解企业产品信息，不用再经历输入网址、

翻阅网页等繁琐的过程，实现手机“一键上网”。

2006 年，当细心的朋友乘坐北京地铁时也许会发现，地铁通道内的广告牌出现了一

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

75

种极为新鲜的宣传广告，就是“发送二维码为超女投票”的广告，广告的内容大概就是

为超女投票可以通过两种方式：一种是发送特定号码，短信支持超女投票；另一种是用

手机拍照二维码发送投票，如图 3-10 所示。

图 3-10 北京地铁站内的二维码广告

贴有二维码的蔬菜，只要轻轻一刷，就可以知道它的产地。在景区，用手机拍导览

二维码，即可获取到景点导览信息，手机直接成为贴身导游。正在热映的电影口碑不错，

带有场次和座位的电子票可直达手机。刊登在海报上的打折信息，通过手机拍照，就可

拿到电子折扣券。杂志上的推介不够详细，直接登录 Web 网站，将网站交换过来的名片

直接用手机一扫，就能马上进入对方的博客。这些移动商务概念，推出时曾做过种种关

于移动未来手机的设想如今正在通过手机二维码真正走进人们的生活。随着通信技术的

迅猛发展，以及 3G 时代的来临，二维码技术必定会为更多的人所了解和认知，并融入

到人们的衣食住行等方方面面，影响并改变我们的生活习惯。

老婆是都市里的时尚一族，对一切吃喝玩乐的休闲信息都保持密切关注，街头的时

尚杂志常常会有新店铺、酒吧的图文介绍，这也是老婆周末闲逛的主要信息来源。近年

来，很多杂志彩页的一角上出现了一个小小的黑白条纹方形码，根据介绍指引，通过下

载软件，用手机一扫，就可以登录店铺的 WAP 网站，更多详细的信息和图片立刻呈现

眼前。

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76

我有个在上海当老板的同学，平时他常常忙得四脚朝天，他的最大希望就是在休息

时间抽空陪老婆孩子看场电影，尽尽做老公和老爸的义务。但是，热门电影常常买不到

当场票，这是他感到最烦心的事。后来他发现，可以通过一种特殊的方法买到电影票，

那就是用移动积分在网上兑换。与一般网络购票不同，当你兑换后，就会得到一个方方

正正的抽象化的图案，并被告之可以凭这个图案去电影院看电影。从此朋友的烦恼没了，

而这个图案，其实就是二维条码，也就是说，兑换完成之后，电影票的信息就会编在二

维条码里，发送到你的手机上。此时，我们手机上的二维条码，其实就是一张电子电影

票。这样的话，你到电影院门口的设备去识读一下，你就可以进场来观看影片了。

如果你要赶乘某个班次的火车，来不及预先去买票，怎么办？能不能用二维条码来

购票乘车呢？现在我们就可以通过手机的 WAP（无线应用协议，Wireless Application

Protocol）上面开通这个服务，你可以在 WAP 网站上购买你的火车票，而且你可以比较

准确地来预定你的时间，这样当你完成支付之后，系统就会自动把票的信息编在一个二

维条码中，发送到你的手机上。到了火车站之后，用这个电子火车票在自助设备上识读

一下，就可以把你的真实火车票打印出来。当然，下一阶段，火车站的检票口也可以实

现电子验票，凭借一张电子票就可以直接登上列车，省去了转换这个环节。

在上海繁忙的人民广场地铁车站，1 号线、2 号线、8 号线构成了一个错综复杂的交

通网络，该坐哪辆车，该怎么换乘，在哪里换乘，这些看似简单的问题，往往容易让人

感到困扰。不过，如果你细心观察，你会发现在每个通道口都有一个不太引人注意的图

案—二维码，用手机对着它照一下，手机就会出现一个网址，进入这个网址，轨道交

通的所有信息也就一目了然了。二维码的应用领域还有很多，比如说现在网络上就有一

种软件，可以直接将自己的信息转换成二维码，然后将这些二维码印在名片上，别人只

要使用手机拍一下，就会看到相关的信息了。

由此可见，手机二维码就是一种内部存入了有关信息的特殊几何图案，它会随着信

息的改变而改变。手机二准码是横纵排列的，这样就能大大提高它的信息容量。而在读

取上，手机二维条码可分为主动读取和被动读取两种。所谓主动读取，就是说手机作为

拍摄体，去拍摄印刷品上的二维条码。被动读取是把二维条码传输到手机上显示出来，

然后另外用专用的设备去照射。也就是说，如果你用手机去拍摄印有二维条码的图案，

就是主动读取，当手机内已经存入一个二维条码的图案，用特殊设备来识别它，就是被

动读取。

我们知道，一维条码往往打印在纸张上或者塑料袋上，容易损坏。现在二维条码储

存在手机里，手机显示又会受到亮度、对比度等因素影响，这对于二维码来说，会不会

受到识别干扰呢？虽然二维码本身有一定的容错能力，即当你的屏幕有一定的磨损、污

损、脏污，或有一些划痕的时候，只要它在一定的比例之内，二维码还是可以顺利读取

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

77

的。但是如果损坏的面积太大，那一定是会影响到二维码的读取的。此外，还有它的横

竖比例，不能拉伸得太多。包括它在识别的时候，倾斜的角度不能太大。二维码，不管

是印在纸张上的，还是显示在手机屏幕上的，最终还是要被相应的设备仪器所识别，所

以首先要保护好图形的完整性。如果是显示在手机屏幕上，在扫描之前，需要打开手机

的背光功能。相对而言，印在纸张上的二维码就更容易被识别了。

随着二维码在商业领域的广泛应用，它的功能也会越来越完善，国外有些地方对于

二维码情有独衷，因为它的出现大大方便了人们的生活。在日本，在大街小巷都会看到

各种不同的二维码，它是指路用的。只要拿手机对着它照一下，就能知道自己身在何处。

即使是第一次来到这里，也不用怕迷路。

不过，尽管二维码作用很大，能够存入比一维条码多得多的信息，但还是无法承载

图像、视频等超大的流媒体信息。其实按照标准的二维码的编码规范，你的二维码图形

的面积越大，它可以储存的信息量也是越大的。但是，由于手机屏幕是有一定大小限制

的，尤其是咱们中国的手机种类特别复杂。所以，现在的手机二维码信息，能储存的大

概是 100 个汉字以内，不会太多。这么一个长度，应付我们大部分的应用是绰绰有余了。

但如果利用二维码来储存图片或者视频短片，就有些困难了。如何解决这个难题呢？3G、

网络技术的提升，很多信息都在因特网和用品上，都是可以方便地存储的。此时，我们

所需要得到的是一个方便快捷的索引介质，二维码作为一个人机交互的理想载体，是可

以承担这个功能的。它可以让你很方便地找到你所需要的东西，而未必需要在二维码本

身里面，把所有完整的信息存进去。

近年来，随着网络的迅速发展和扩张，网络安全问题显得越来越重要，引起大家，

特别是手机二维码用户的极大关注。其实，手机二维码在开展应用的时候，都已经采用

了非常高级别的安全加密，是对业务信息进行加密，这样其他用户就无法伪造这个二维

码了。比如说，电影票上的二维码是经过高级加密的，把这个二维码用扫描设备识别一

下，你会发现读出来的信息是乱码。在传输过程中，你想破解它的规律，来伪造另一张

合法电影票，基本上是无法实现的。只有传输到后台系统，后台系统再进行解密之后，

才能还原到最初的业务信息。在我们普通消费者和普通玩家这边，你要想破解，这几乎

是不可能的。从技术角度来看，手机二维码如果用于一般的商业用途，基本上不会出现

安全隐患，而对于掌握各种二维码生成源程序的厂家来说，都可以在生成手机条码的过

程中采用二维码内部的加密，对二维条码进行防盗和防伪。

日本和韩国是手机二维码应用最为普及的国度。在韩国，二维码有着一个有趣的称

谓—Magic Code（魔码），颇有无处不在、无所不能的意味。而日本的二维码应用更为

广泛，名片、户外广告、杂志、产品包装上，到处都印着二维码，人们可以通过二维码

获得非常多的应用。在日本市场基于二维码的识读应用上，手机二维码占据了 80%以上

大话物联网

78

的市场份额。早在 2005 年，亚马逊（Amazon）就注意到了日本市场的风向，这家电子

商务巨头为自己打造的潮流是鼓励用户在购买其网上服装的同时，下载一个标识着该商

品的二维码并印贴在衣服上，如果旁人对这身装束感兴趣，可以用手机扫描上网，直达

亚马逊的商品页面，而做了中介推销的这位顾客，则可以从亚马逊那里获得一定的佣金。

3.2

电子标签：物联网的第二代身份证

在大型超市购物，最“痛苦”的事恐怕莫过于结账—面对排起的长龙，收银员不

停地扫描着购买的每件商品，遇到“扫”不出来时，又不得不手工操作，输入商品的序

号，然后收款、找零、装袋—多么繁琐。在长长的队列中，顾客会不时发出不耐烦的

感叹声。也难怪，购物本该是一种享受，如此的购物和结账方法让人无可奈何。都 e 时

代了，难道就没有解决的办法？

IBM 曾经有一则电视广告播放率很高，富有创意，留给观众抹不去的记忆：在没有

售货员的超市，一位穿着潇洒的男子东张西望（有意误导），不时地将看好的商品往自己

风衣里揣。然后，此君一脸得意地冲过没有收银员的门槛。这时，超市的一位保安很有

礼貌地将其拦下（故弄玄虚），出人意外地把打印出的结账清单递给他，此时电视屏幕上

赫然出现“IBM，一切就这么方便!”虽然很多人会觉得 IBM 的广告是对未来的一个美

好憧憬，但事实已在我们身边悄然发生。

不久的将来，当我们走进超市按需选取商品后，将可以免去排队付款等一切烦琐

的手续，更无商品伪劣假冒之忧。这不是痴人说梦，而是“物联网”给我们带来的购

物方便。这一购物过程的完成，都依赖于射频识别（或称电子标签）技术。商家在商

品包装过程中加入电子射频标识—高技术含量的芯片，可视为包装商品的“智能大

脑”。当你满意地提着所购商品不辞而别时，“付款没商量”，你的购物款已悄然在银行

的记账卡上被划走。

近年来，射频识别技术的应用急剧增长。尤其是电子产品代码（EPC）和物联网

的概念提出之后，基于 RFID 技术的可用于单品识别的物联网平台给人们提供了无限

的想象空间，使得 RFID 一时成为全球关注的热点。随着射频识别（RFID）的发展和

普及，贴有电子标签的商品随处可见。与我们将第一代居民身份证换发为第二代居民

身份证一样，商品的身份证也在“升级”。作为物联网的第二代身份证，电子标签将

伴随商品从仓库到商店再到购买者，甚至一直到变成垃圾的整个生命过程。同时，顾

客还可以通过这种智能标签直接了解他们所需要的商品，并立刻得到带有标签的商品

的有关信息。

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

79

一天，中国四川大熊猫保护区的工作人员泰勒被大山深处传来的一声枪响所震惊，

而随即出现在监视跟踪器上闪烁的红灯告诉泰勒，刚刚装上项脖式跟踪器的一只熊猫妈

妈遇到了麻烦„„这是美国电影《小猫熊历险记》所描绘的一个场景，如图 3-11 所示，

片中所说的熊猫妈妈身上的项脖式跟踪器，实际上就是一个做成项链的电子标签。

图 3-11 美国电影《小猫熊历险记》

能量是 RFID 存在的基础，电磁能是自然界存在的一种能量形式。人们对电磁能的

认识可以追溯到公元元年，那时人们就发现并开始利用天然磁石，并用磁石制成了指南

针。到了近代，越来越多的人对电、磁、光进行深入的观察和数学基础研究，其中包括著

大话物联网

80

名美国科学家富兰克林。1846 年，英国科学家法拉第发现了光波与电波均属于电磁能量。

1864 年苏格兰科学家麦克斯韦发表了他的电磁场理论。1887 年，德国科学家赫兹证实了

麦克斯韦的电磁场理论并演示了电磁波以光速传播并可以被反射，具有类似光的极化特

性，赫兹的实验不久也被俄国科学家波普重复。1896 年，马克尼成功地实现了横越大西

洋的越洋电报，从此开创了利用电磁能量为人类服务的先河。1922 年雷达诞生，作为一

种识别敌方空间飞行物（飞机）的有效兵器，雷达在第二次世界大战中发挥了重要的作用，

同时雷达技术也得到了极大的发展。至今，雷达技术还在不断发展，人们正在研制各种用

途的高性能雷达。

任何新技术的产生和发展都源于实际应用的需要，RFID 技术也不例外。RFID 技术

是无线电广播技术和雷达技术的结合。雷达采用的是无线电波的反射和反向散射理论，

而无线电广播技术是关于如何使用无线电波发射、传播和接收语音、图像、数字、符号

的技术。

RFID 在历史上的首次应用可以追溯到第二次世界大战期间。1942 年，因为被德军

占领的法国海岸线离英国只有 40km（25mil），英国空军为了识别返航的飞机，就在盟军

的飞机上装备了一个无线电收发器。当控制塔上的探询器向返航的飞机发射一个询问信

号，飞机上的收发器接收到这个信号后，回传一个信号给探询器，探询器根据接收到的

回传信号来识别敌我。这是有记录的第一个 RFID 敌我识别（IFF，Identify Friend or Foe）

系统，也是 RFID 的第一次实际应用，如图 3-12 所示，这一技术至今还在商业和私人航

空控制系统中使用。

到了 20 世纪 70 年代末期，美国政府通

过 Los Alamos 科学实验室将 RFID 技术转移

到民间。RFID 技术最初的商业上的应用是

在牲畜身上。到了 20 世纪 80 年代，美国与

欧洲的几家公司开始着手生产电子标签。

RFID 技术已经被广泛应用于各个领域，从

门禁管制、牲畜管理，到物流管理，皆可以见到其踪迹。

RFID 技术是直接继承雷达的概念，并由此发展起来的一种新的自动识别技术。1945

年，特雷门（Theremin）为前苏联发明了第一个基于 RFID 技术的情报用装置。1948 年，

哈里•斯托克曼（Harry Stockman）的论文“利用能量反射的方法进行通信”发表在无线

电工程师协会（IRE，Institute of Radio Engineers）（IEEE 的前身）的论文集中，奠定了

RFID 的理论基础，成为 RFID 理论发展的里程碑。Stockman 预言：“显然，在能量反射

通信中的其他基本问题得到解决之前，在开辟它的实际应用领域之前，我们还要做相当

多的研究和发展工作。”事实正如他所预言，在 RFID 成为现实之前，人类花了大约 30

图 3-12 二战时的 RFID 敌我识别系统

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

81

年时间才解决了他所说的问题。

20 世纪 50 年代是 RFID 技术和应用的探索阶段。远距离信号转发器的发明扩大了

敌我识别系统的识别范围。Harris 的“使用可模式化的被动反应器的无线电波传送系统”

提出了信号模式化的理论和被动标签的概念。

1961 至 1980 年期间 RFID 变成了现实。反向散射理论以及其他电子技术（如集成电

路和微处理器）的发展为 RFID 技术的商业应用奠定了基础。20 世纪 60 年代出现了 RFID

技术的第一个商业应用系统—商品电子防盗系统（ EAS ， Electronic Article

Surveillance）。贵重商品被贴上 1bit 码的电子标签，并在商店门口装置一个探测器。当

顾客携带被盗的商品经过门口的探测器时，探测器会自动报警。1977 年，美国的 RCA

公司运用 RFID 技术开发了“机动车电子牌照”。另外，RFID 在动物追踪、车辆追踪、

监狱囚犯管理、公路自动收费以及工厂自动化方面也得到了广泛应用。

20 世纪 90 年代，RFID 技术在美国的公路自动收费系统得到了广泛应用。1991 年，

美国奥克拉荷马州出现了世界上第一个开放式公路自动收费系统。装有电子标签的汽车

在经过收费站时无需减速停车，按正常速度通过，固定在收费站的读写器识别车辆后自

动从账户上扣费。这个系统的好处是消除了因为减速停车造成的交通堵塞。RFID 公路

自动收费系统在许多国家都得到了应用。RFID 的其他应用包括汽车门遥控开关、停车

场管理、社区和校园大门控制系统等。20 世纪 90 年代末，随着 RFID 应用的扩大，为

保证不同 RFID 设备和系统的相互兼容，人们开始认识到建立一个统一的 RFID 技术标

准的重要性。EPCglobal（全球电子产品码协会）就应运而生了。EPCglobal 是由 UCC（北

美统一码协会）和 EAN（欧洲商品编码协会）共同发起组建的专门负责制定 RFID 标准

的机构。

进入 21 世纪初，RFID 标准已经初步形成，第二代标准已于 2004 年年底公布。2003

年 11 月 4 日，世界零售业巨头沃尔玛宣布，它将采用 RFID 技术追踪其供应链系统中的

商品，并要求其前 100 大供应商从 2005 年 1 月起将所有发运到沃尔玛的货盘和外包装箱

贴上电子标签。沃尔玛的这一重大举动揭开了 RFID 在开放系统中运用的序幕。在这一

RFID 冲击波效应影响下，中国已经认识到 RFID 技术在供应链管理中的重要性并加入到

RFID 世界标准的制定工作中，建立中国自己的标准。

RFID 技术虽然是“小荷才露尖尖角”，但已显示出强大的生命力，应用范围十分广

泛，发展前景让人乐观。射频技术与条码分属两种不同的技术，有不同的适用范围，有

时会有重叠。两者之间在有无写入信息能力、能否实现远距离识别和批量识别、运营成

本等方面有着较大区别。经过实地检验，沃尔玛的零售商场和配送中心应用 RFID 技术

大话物联网

82

后，其货物短缺率和产品脱销率降低了 16%，商品库存管理效率提高了 10%左右，商品

补货速度较之以前提高了 3 倍左右，商场（超市）补货效率加快 63% ，零售商场和配

送中心的商品平均库存量降低了 10%。

与传统条码识别技术相比，RFID 的优势在于以下几点。

（1）为每件物品分配唯一的标识

以往使用条码，由于长度的限制，物流行业只能给每一类产品定义一个类码，就是

说，一批牛奶，不管保质期是哪一天，他们在商场的代码都是一样的，商场无法通过代

码判断每一件产品的准确库存周期。RFID 彻底抛弃了这种限制，现在所有的产品都可

以享受独一无二的 ID。这对 ERP 和 SCM（供应链管理）系统来说是一种革命性的突破。

每个电子标签具有唯一性，意味着系统可以识别单个物体。如果未来的某一天你在街头

看到某个人的脖子上挂着嵌有电子标签的项圈，或者穿着印制有电子标签、可重现个人

行踪的个性 T 恤，或者在裸露的皮下组织注射电子标签、千万不要觉得奇怪，因为这是

每个物品（包括人类）在这个世界上独一无二的数字代号，就像 9527 代表周星驰演的唐

伯虎在华府做下等佣人使用的编号，如图 3-13 所示。

图 3-13 唐伯虎在华府的终身代号：9527

（2）扫描速度快

条码扫描仪一次只能扫描一个条码，读写器可同时识别和读取数个电子标签。无需

接触，读写器就能够直接读取信息至数据库，一次性处理多个标签，并将处理的状态写

入标签。RFID 读写器的扫描速度是传统条码技术所不能相提并论的，RFID 的读卡器每

250ms 便可从电子标签中读出商品的相关数据。RFID 技术可识别高速运动物体并可同

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

83

时识别多个标签，操作快捷方便。这就意味着，在使用 RFID 之后，读取设备会同时自

动获得货品信息，将传统的单体处理方式变为“批处理”方式，在提高工作效率的同时

还可以大幅减少人力成本开支。在零售业的门店运营管理和客户服务方面，RFID 可以

让昂贵的防盗监控系统彻底退休。此外，收银机和收款台也将退出历史舞台：高效的 RFID

识别器能在瞬间计算出购物的价格总和。

（3）体积小，易封装

RFID 在读取上并不受尺寸大小与形状之限制，不需为了读取精确度而配合纸张的

固定尺寸和印刷品质。电子标签更加趋于小型化与多样化，以应用在不同产品。电子标

签能隐藏在大多数材料或产品内，同时可使被标记的货品更加美观。电子标签的外形多

样（如卡形、环形、钮扣形、笔形等），它的超薄和多种大小不一的外形，使之能封装在

纸张、塑胶制品上，使用起来非常方便。

（4）抗污染能力强，可实现穿透性识别

传统一维条码的载体是纸张，因而容易受到污染，但电子标签对水、油和化学药品

等物质具有很强的抗性。在黑暗或脏污的环境之中，读写器照常可以读取电子标签上的

数据。由于条码是附于塑料袋或外包装纸箱上，因而特别容易受到磨损；电子标签是将

数据存于芯片当中，因而可以免受污损。虽然手机二维码也具有一定的抗污染能力，但

仍然无法与电子标签抗衡。

电子标签可以透过非金属材料阅读，读写器能透过泥浆、污垢、油漆涂料、油污、

木材、水泥、塑料、水和蒸汽阅读标签，而且不需要与标签直接接触，因而使得它成为

肮脏、潮湿环境下的理想选择。由于无机械磨损，因而电子标签的使用寿命可以长达 10

年以上，读写次数达 10 万次之多。RFID 技术是革命性的，它可以将所有物品通过无线

通信连接到网络上。在可以预见的未来，电子标签将得到高速发展。目前，电子标签和

条码适用于不同的场合，条码适用于售价极低的商品，而 RFID 适用于价格较高或多目

标同时识别的场合。当电子标签的价格进一步降低后，电子标签将是零售业中条码的终

结者。

（5）可重复使用

RFID 支持可读写功能。传统条形码里面的信息是只读的，如果你想改变里面的内

容，增加新的信息，你只能重新打印一张条码，旧的条码就被废弃了。而 RFID 标签支

持信息写入，你可以在标签制造出来以后通过 RFID 的读写系统随时写入你想要增加的

信息。这一点对于物流中的节点记载、货物追踪特别有用。一宗货物，从制造商到零售

商那里，目标物运输起始地点、中转地点、终止地点及目标物经过某一地的具体时间、

具体负责人，都可以写入 RFID 标签中。这样一来，一方面明确了物品流通中的权责关

系，提高物流效率；另一方面，一件货物从出厂到消费者手里，经过了多少环节，用户

大话物联网

84

都可以知道得一清二楚，有利于提高商品交易的透明度，让消费者可以放心购买货品。

一旦你购买了贴有 RFID 标签的商品，你也可以打上你本人的信息，这样你在物品丢失

或者物品需要维修时，你就不必携带发票之类的东西，标签上的信息可以证实你对商品

的所有权。

（6）穿透性和无屏障阅读

传统的条码技术是利用光电效应，利用条码扫描器将光信号转换成电信号，进而读

出条形码所“储存”的信息。传统的条码是一个“近视眼”，它只有在足够靠近条码识别

器的时候，才可以被“认”出来。而 RFID 标签则不同，它可以不断地主动或者被动地

发射无线电波，只要处于 RFID 读写器的接收范围之内，就可以被“感应”并且正确地

识别出来。读写器的收发距离可长可短，根据它本身的输出功率和使用频率的不同，从

几厘米到几十米不等。由于无线电波有着强大的穿透能力，我们隔着一段距离，甚至隔

着箱子或其他包装容器就可扫描里面的商品，而无需拆开商品的包装。在被覆盖的情况

下，RFID 技术能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透

性通信，但不能穿透铁质金属。

（7）数据的存储容量大

一维条码的容量是 50 字节，二维条码最大的容量可储存 2～3 000 字符，RFID 最大

的容量则有数百万字节。随着存储载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物

品所需携带的资料量会越来越大，对标签所能扩充容量的需求也相应增加。电子标签的

数据存储容量大，标签数据可更新，特别适合于储存大量数据或物品上所储存的数据需

要经常改变的情况下使用。

（8）安全性高

一维条码无法进行加密，二维条码只能进行简单的加密，而电子标签承载的是数字

化信息，其数据内容可经由密码保护，不易被伪造及变更。

在信息社会，提升数据采集的效率和准确程度，是每个行业共同关注的焦点，而

RFID 的无线识别无疑在这方面跨出了一大步。

纵观 RFID 技术，其实质实际上是条码技术的发展和完善，也就是说，条码技术和射

频识别（RFID）技术都是现代物流信息系统的重要组成部分。

历史证明，当沃尔玛在背后支持某件事物时，它将快速发展。条码是 1952 年的专

利，到 1984 年才得到比现在小得多的沃尔玛的支持。到 1987 年，75 000 个供应商成为

条码用户。射频识别在 1973 年被申请专利，到 2003 年得到了更为强大的沃尔玛的支

持。这些都源于沃尔玛在业界的强势。

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

85

2003 年，就任沃尔玛公司 CIO 刚 1 年的琳达·迪尔曼作出了一个重大技术发展决定：

着手在这个价值 2.7 万亿美元的零售企业的庞大供应链普及 RFID 技术。这项技术可使

这家位于美国阿肯色州的全球最大零售企业通过网络追踪商品库存—从中国的供应商

一直到遍布世界各地的超市货架。

让我们将时间倒退回到 2003 年 6 月 14 日这天，全球最大的零售商沃尔玛公司要

求其前 100 家供应商，在 2005 年 1 月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用无线

射频识别（RFID）技术，2006 年 1 月前在单件商品中投入使用。供应商们被这份命令

急得牙根痒痒，但谁也不敢怠慢沃尔玛的要求，否则“你的东西就有可能从世界上最

大的零售商的货架上撤下来。”2003 年 11 月 5 日，全球 100 家沃尔玛公司最大的供货

商全数聚集于沃尔玛公司位于美国阿肯色州罗杰市的总部，现场还有来自世界各地的

零售相关业者、重要的科技公司（如甲骨文、SAP、IBM 等都有代表参加）。这一天是

被沃尔玛公司视为充满硝烟味的 D 日（第一次世界大战联军登陆法国诺曼底半岛，启

动胜利反攻的日子）。沃尔玛公司正式宣布，截至到 2005 年年底，所有供应沃尔玛公

司的商品包装箱上，都要有应用 RFID 技术的电子商品码。

其实，在沃尔玛公司之前，2003 年 4 月，德国最大的零售商麦德龙就在莱茵伯格建

立了一家“未来超市”，利用低成本的 RFID 标识货物。英国 TESCO 公司也于 2003 年

11 月公布了使用无线标识的计划，要求前 100 位供应商在 3 年后的 2006 年 9 月起必须

在商品包装盒上使用无线标识，进行物流管理。尽管稍晚一步，但沃尔玛凭借更强势的

姿态和声音，被人们视为在全球推广 RFID 技术的标志性企业。

那么，RFID 系统的组成是怎样的？电子标签分为哪几类？RFID 系统又是如何进行

工作的？

一般来说，射频识别系统包含电子标签、读写器和数据管理系统三部分。其中电子

标签由天线及芯片组成，每个芯片都含有唯一的识别码，一般保存有约定格式的电子数

据，在实际应用中，电子标签粘贴在待识别物体的表面；读写器是可非接触地读取和写

入标签信息的设备，它通过网络与其他计算机系统进行通信，从而完成对电子标签信息

的获取、解码、识别和数据管理，可设计为手持式或固定式；数据管理系统主要完成数

据信息的存储和管理，并可以对标签进行读写控制。数据管理系统可以由简单的小型数

据库担当，也可以是集成了 RFID 管理模块的大型企业资源规划（ERP，Enterprise Resource

Plan）数据库管理软件。射频识别系统的组成结构如图 3-14 所示。其中电子标签与读写

器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（非接触）耦合，在耦合通道内，根据时序关

系，实现能量的传递和数据的交换。

大话物联网

86

图 3-14 射频识别系统的组成结构

电子标签根据供电方式、数据调制方式、工作频率、可读写性和数据存储特性的不同

可以分为不同的种类。根据标签的供电形式分为有源标签（主动标签）和无源标签（被动

标签）。有源电子标签使用标签内电池的能量，识别距离较长，可达几十米甚至上百米，

但是其寿命有限并且价格较高。由于标签自带电池，因而有源标签的体积比较大，无法制

作成薄卡（比如信用卡标签）。有源标签距读写器的天线的距离较无源标签要远，有源标

签需定期更换电池。无源标签本身不带电池，自然也不能发射信号，但是它和一个“线圈”

封装在一起，利用耦合的读写器发射的电磁场能量作为自己的能量。接近读写器时，在读

写器本身磁场的作用下，由于“电磁感应线圈”中将会形成电流，从而激活标签发射出信

号来。无源电子标签重量轻、体积小，寿命可以非常长，成本便宜，可以制成各种各样的

薄卡或挂扣卡；但无源电子标签的发射距离受限制，一般是几十厘米到几十米，且需要有

较大的读写器发射功率。无源标签工作时，一般距读写器的天线比较近。

RFID 系统的工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭

借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片

中的产品信息 （无源标签或被动标签），或

者主动发送某一频率的信号（有源标签或主

动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中

央信息系统进行有关数据处理。

在射频识别系统工作过程中，空间传输

通道中发生的过程可归结为三种事件模型：

数据交换是目的，时序是数据交换的实现方

式，能量是时序得以实现的基础。射频识别

系统的模型如图 3-15 所示。发生在读写器和

电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：电感耦合和电磁反向散射耦合。

图 3-15 射频识别系统的模型

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

87

电感耦合：变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。

电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：

125kHz、225kHz 和 13.56MHz。识别作用距离小于 1m，典型作用距离为 10～20cm。

电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时带回

目标信息，依据的是电磁波的空间传输规律。电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、

微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz、915MHz、2.45GHz 和

5.8GHz。识别作用距离大于 1m，典型作用距离为 3～10m。

电子标签工作时所使用的频率称为 RFID 工作频率，基本上可划分为四个主要范围：

低频（30～300kHz）、高频（3～30MHz）、特高频（300MHz～3GHz）和微波（2.45GHz

以上）。电子标签的工作频率是其最重要的特点之一。电子标签的工作频率不仅决定着射

频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）和识别距离，而且还决定着电子标签和

读写器实现的难易程度和设备成本。2003 年，威廉姆斯在《产品标识的未来》一文中曾

指出，当商店中的商品以低于 0.5 美元的价格促销时，标签的成本无论是 0.28 美元还是

5 美分，都将是极大的成本负担，一般会使商品利润低于 10%，在这个价格水平上使用

RFID 标签就不划算了，现在不行，永远都不行。

工作在不同频段或频点上的电子标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或

频点在国际上有公认的划分，即位于 ISM 波段之中。典型的工作频率有：125kHz、133kHz、

13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860～930MHz、2.45GHz、5.8GHz 等。

低频段电子标签，简称为低频（LF，Low Frequency）标签，其工作频率范围为 30～

300kHz，典型工作频率有：125kHz 和 134kHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量

通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与读写器之间传送数

据时，低频标签需位于读写器天线辐射的近场区内。低频标签的读写距离一般情况下小

于 1m。

其实，RFID 技术首先是在低频得到广泛应用和推广的。该频率主要是通过电感耦

合的方式进行工作，即在读写器线圈和电子标签线圈间存在着变压器耦合作用。通过读

写器交变场的作用在电子标签天线中感应的电压被整流，可作为供电电压使用。

低频标签的主要优势体现在：标签芯片一般采用普通的互补金属氧化物半导体元件

（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺，具有省电、廉价的特点；工

作频率不受无线电频率管制和约束；可以穿透水、有机组织和木材等；非常适合近距离

大话物联网

88

的、低速率的、数据量要求较少的识别应用（如动物识别等）。低频标签的劣势主要体现

在：标签存储数据量较少；只能适合低速、近距离识别应用；与高频标签相比，标签天

线匝数更多，成本更高一些。

低频系统用于短距离、低成本的应用中，典型应用包括：畜牧业的管理系统、汽车

防盗系统、无钥匙开门系统、马拉松赛跑系统、自动停车场收费系统、车辆管理系统、

自动加油系统、酒店门锁系统、门禁和安全管理系统、货物跟踪系统、动物识别系统、

容器识别系统、工具识别系统、电子闭锁防盗（带有内置标签的汽车钥匙）系统等。

高频段电子标签，简称为高频（HF，High Frequency）标签，其工作频率一般为 3～30MHz，

典型工作频率为 13.56MHz。从射频识别应用角度来说，该频段电子标签的工作原理与低

频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，因而宜将其归为低频标签类中。

在该频率的电子标签不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀印刷的方式制作天线。

电子标签一般通过负载调制的方式进行工作，即通过电子标签上的负载电阻的接通和断

开来使得读写器天线上的电压发生变化，以实现用远距离电子标签对天线电压进行振幅

调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，则这些数据就能够从电子标签传

输到读写器。

高频标签一般也采用无源方式，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁）

耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得的。标签与读写器进行数据交换时，标签

必须位于读写器天线辐射的近场区内。高频标签由于可方便地做成卡状，主要用于需传

送大量数据的场合，典型应用包括：图书管理系统、瓦斯钢瓶管理系统、服装生产线系

统、物流管理系统、三表预收费系统、酒店门锁管理系统、大型会议人员通道系统、固

定资产管理系统、医药物流管理系统、智能货架管理系统、电子车票系统、电子身份证

系统、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）系统等。

特高频（UHF）工作频率为 300MHz～3GHz，典型工作频率有 433.92MHz 和 915MHz。

该频段读取距离比较远，无源可达 10m 左右，主要是通过电容耦合的方式实现。特高频

作用范围广，传送数据速度快，但是比较耗能，穿透力较弱，作业区域不能有太多干扰，

适用于监测港口、仓储等物流领域的物品。

特高频标签的数据存储量大，读写距离较远，可为几米到十几米的距离。适应物体

高速运动的性能较好，主要应用于需要较长的读写距离和较高的读写速度的场合，典型

应用包括：供应链管理系统、生产线自动化管理系统、航空包裹管理系统、集装箱管理

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

89

系统、铁路包裹管理系统、后勤管理系统、铁路自动车辆识别（AVI，Automatic Vehicle

Identification）系统、集装箱识别系统、公路车辆识别系统、高速公路自动收费（AFC，

Automatic Fare Collection）系统和自动公路系统（AHS，Automatic Highway System）。

在将来，特高频的产品会得到更为广泛的应用，如沃尔玛、Tesco、美国国防部和麦德龙

超市都会在其供应链上广泛应用 RFID 技术。

微波标签支持 ISO/IEC 18000-4 标准中微波段的技术要求和无线非接触信息系统应

用的标准空中接口，典型工作频率有 2.45GHz 和 5.8GHz。系统包含两种模式：一种是

读写器先发指令的无源标签系统，另一种是标签先发指令的有源标签系统。

工作时，电子标签位于读写器天线辐射场的远区场内，标签与读写器之间的耦合方

式为电磁耦合方式。读写器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相

应的射频识别系统识别距离一般大于 1m，典型距离为 4～6m，最大可达 10m 以上。读

写器天线一般均为定向天线，只有在读写器天线定向波束范围内的电子标签可被读/写。

微波电子标签的数据存储容量一般限定在 2KB 以内，再大的存储容量几乎没有太大

的意义，从技术及应用的角度来说，微波电子标签并不适合作为大量数据的载体，其主

要功能在于标识物品并完成非接触的识别过程。典型的数据容量指标有 1KB、128B 和 64B

等。由 EPCglobal 制定的产品电子代码 EPC 的容量为 90bit。微波电子标签的典型应用包

括：移动车辆识别、电子身份证、仓储物流、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。

有人说 RFID 的应用挑战着人类的想象力。当矿难事故时不时见诸报端时、当《越

狱》让你看得津津有味时，关于矿山井下人员安全定位、防脱逃监狱管理的 RFID 应用

尝试也正在接受检验。部署 RFID 系统采取何种标准成为大家最为关注的问题。RFID 标

准争夺的核心主要集中在 RFID 标签的数据内容和编码标准这一领域。目前，国际上已

经形成了五大标准组织，分别代表了不同团体或者国家的利益。

EPCglobal 是一个中立的非盈利性标准化组织，它继承了 EAN/UCC 与产业界近 30

年的成功合作传统，其前身是 1999 年 10 月 1 日在美国麻省理工学院（MIT）成立的非

盈利性组织 Auto-ID 中心。2003 年 11 月 1 日，国际物品编码协会（EAN/UCC）正式接

管了 EPC 在全球的推广应用工作，成立了 EPCglobal，负责管理和实施全球的 EPC 工作。

EPCglobal 授权 EAN/UCC 在各国的编码组织成员负责本国的 EPC 工作，各国编码组织

大话物联网

90

的主要职责是管理 EPC 注册和标准化工作，在当地推广 EPC 系统、提供技术支持以及

培训 EPC 系统用户。在我国，EPCglobal 授权中国物品编码中心作为唯一代表负责我国

EPC 系统的注册管理、维护及推广应用工作。同时，EPCglobal 将 Auto-ID 中心更名为

Auto-ID 实验室，为 EPCglobal 提供技术支持。

2005 年 1 月，EAN 正式更名为 GS1（全球第一标准化组织）。2005 年 6 月，UCC

正式更名为 GS1 US。目前，EPCglobal 就是由 GS1 和 GS1 US 两大标准化组织联合成立。

其职责是在全球范围内对各个行业建立和维护 EPC 网络，保证供应链各环节信息的自动

实时识别采用全球统一标准。通过发展和管理 EPC 网络标准来提高供应链上贸易单元信

息的透明度与可视性，以此来提高全球供应链的运作效率。

EPC 在北美地区（美国）发展最好，终端用户和系统服务商的数量大致相当，而在

其他地区则主要是系统服务商。亚洲是 EPC 系统成员增长最快的地区，在 EPCglobal 的

系统成员中，不少公司，如沃尔玛、麦德龙、宝洁、吉列等已经进行了 EPC 的应用测试。

日本在电子标签方面的发展始于 20 世纪 80 年代中期的实时操作系统（TRON，The

Real-time Operating System Nucleus）。T-Engine 是其中核心的体系架构。在 T-Engine 论

坛领导下，泛在识别中心于 2003 年 3 月成立，并得到日本政府经产省和总务省以及大企

业的支持，目前这些企业包括微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普、富士通、

NTT DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量级企业。

日本泛在识别中心与欧美制定的 RFID 标准在使用频段、信息位数和应用领域等方

面存在着许多不同点。日本的电子标签采用的频段为 2.45GHz 和 13.56MHz，欧美的

EPC 标准采用 UHF 频段；日本的电子标签的信息位数为 128 位，EPC 标准的位数为 96

位；日本的电子标签标准可用于库存管理、信息发送和接收以及产品和零部件的跟踪管理

等，EPC 标准侧重于物流管理和库存管理等。

根据 1976 年 ISO 与 IEC 的新协议，两组织都是法律上独立的组织。ISO 标准的范

围涉及除电工与电子工程以外的所有领域；电工与电子工程标准，由国际电工委员会

（IEC）负责制订和修订；信息技术标准化工作由 ISO 和 IEC 共同负责。而 IEC 的工作领

域已由单纯研究电气设备、电机的名词术语和功率等问题，扩展到电子、电力、微电子

及其应用、通信、视听、机器人、信息技术、新型医疗器械和核仪表等电工技术的各个

方面。

ISO/IEC 通过制定和发布相关标准，对国际交换环境中使用的各种识别卡（磁卡、

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

91

IC 卡和光卡）技术的应用和发展提供了极大的帮助。该组织在制定国际标准过程中，尤

其是制定集成电路（IC，Integrated Circuit）卡国际标准过程中充分考虑了市场的需求，

积极吸收了各国际行业协会的意见，所形成的国际标准得到了广泛的产品支持，是目前

国际标准化组织的标准体系中实现最好的国际标准，已成为直接影响本行业技术和产品

发展方向的重要国际标准。

自动识别与数据采集（AIDC）组织先前主要负责制定通行全球的条形码标准。1999

年，该组织另外成立了 AIM（自动识别与移动技术）协会，目的在于推出 RFID 标准。

不过，AIMglobal 未来是否有足够能力影响 RFID 标准之制定，将是一个变量。

IP-X 是第三世界标准组织，其标准主要在南非等国家推行。

总的来看，EPCglobal 是由北美产品统一编码组织 UCC 和欧洲产品标准组织 EAN

联合成立，在全球拥有上百家成员，得到了零售巨头沃尔玛和制造业巨头强生、宝洁等

跨国公司的支持。而 AIM、ISO、UID 则代表了欧美国家和日本，IP-X 的成员则以非洲、

大洋洲、亚洲等国家为主。比较而言，EPCglobal 由于综合了美国和欧洲厂商，实力相

对占上风。同时，与 RFID 技术和应用相关的国际标准化机构还有国际电工委员会（IEC）、

国际电信联盟（ITU）、世界邮政联盟（UPU，Universal Postal Union）等。

此外，区域性的标准化组织欧洲计算机制造协会（ECMA，European Computer

Manufacture Association）在 RFID 基础上提出了近距离无线通信（NFC，Near Field

Communication）的技术标准，并获得欧洲电信标准协会（ETSI）以及 ISO/IEC JTC1/SC6

（系统间通信与信息交换）的认可，发布了相应的技术标准。美国国家标准协会（ANSI，

American National Standard Institute）下的 MH1、国家信息技术标准化委员会（NCITS，

National Committee for Information Technology Standards）等也制定了与 RFID 技术相关

的技术标准，大部分标准目前已经或者正在上升为 ISO 标准。此外，欧洲标准化委员会

（CEN）、英国标准协会（BSI，British Standard Institute）、ANSI、德国标准化协会（DIN，

Deutsches Institut für Normung）、美国电信协会（ATA，American Telecommunication

Association）、美国汽车工业协会（AIAG，Automotive Industry Action Group）、美国电子

工业协会（EIA，Electronic Industries Alliance）等也制定了与 RFID 相关的区域、国家或

产业联盟标准，并通过不同的渠道提升为国际标准。

目前，RFID 尚未形成统一的全球化标准，市场呈现多种标准并存的局面。从全球

范围来看，美国已经在 RFID 标准建立、软硬件技术开发、应用等方面走在世界前列。

大话物联网

92

欧洲 RFID 标准追随美国主导的 EPCglobal 标准，在封闭系统应用方面与美国基本处于

同一阶段。日本提出了 UID 标准，但支持者主要是中国厂商。韩国政府对 RFID 给予了

高度重视，但至今韩国在 RFID 标准上仍模糊不清。

3.3

传感器：物联网的神经元

在因特网时代，网络即人与人之间的信息传播；而将来，网络将是物与物之间的信

息交流。物联网也叫传感网，它的运用可大到军事反恐、城建交通，小到家庭、个人。

如果在家庭中布置传感器，在外地就能知晓家中各角落的情况；如果在人体上安装传感

器，医院就能随时了解其健康状况。有了传感器，你买楼时，坐在家里就能知晓目标楼

盘早晚的噪声情况、日照时长、地基牢固程度等，还能监控到整个建设过程。未出门时，

就能掌握目的地温湿度、交通情况以及实地三维场景等。

作为政府从战略层面进行推进的产业，物联网如何从愿景走向现实应用并得到快

速发展已成为业界关注的话题。正所谓“万丈高楼平地起”，作为构成物联网的基础单

元，传感器在物联网信息采集层面能否如愿以偿完成它的“使命”，成为物联网成败的

关键。同时，未来 MEMS、微光机电系统（MOEMS，Micro Optical Electromechanical

System）将成为物联网的技术核心，使无线传感网、光网快速加入物联网的应用系

统，为其提供更明确的应用方向和更丰富的市场机会，物联网也将成为传感器市场的

新引擎。

你对传感器了解有多少？实际上传感器无处不在，虽然你可能感觉不到它的存在。

自动门：在宾馆、办公和娱乐场所，处处都有自动门的身影。当人靠近时，自动门

就会自动根据情况开关。这是因为使用了红外传感器，它对物体存在进行反应，不管人

员移动与否，只要处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。

全自动洗衣机：在洗衣机中，通常安装有浊度传感器，可以合理地安排漂洗次数，

起到节水、节电的作用。

自动冲水装置：当你如厕靠近大小便池时，就会有一股水流出现，当你离开时就会

第二次冲水，此举为厕所的节水以及洁净作出了巨大贡献，光电传感器和电子系统发挥

了关键作用。

遥控器：生活中，从电视遥控器到空调遥控器，从电冰箱遥控器到计算机遥控器，

无一不把人们从以前繁杂的手工操作中解放出来，甚至是在我们平时应用最广泛的手机

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

93

中也出现了遥控操作。不得不承认，红外传感器的作用不可忽视。

汽车：汽车电子控制装置的应用越来越广泛，每个电子控制装置都包括传感器、电

控单元、执行机构三部分。汽车简直就是一个传感器俱乐部，它包含了温度、空气流量、

压力、转速、位移、相位、水位、曲轴、防抱死制动系统（ABS，Anti-lock Brake System）、

爆震、里程表等多种传感器。

话筒：唱卡拉 OK 用的话筒，内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理

是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片

前后振动时，就将声音信号转变为电信号。

声控灯：住宅楼走道里路灯能“听声”即亮，因为它采用了一种压电传感器，根据

人们发出的声音，可以方便及时地打开和关闭声控照明装置，且有防误触发、自动延时

关闭功能，可以设有手动开关，使其应用更加方便。

手机的触摸屏：分好几种，有的是点触摸，有的是面触摸，不尽相同，不过原理应

该是差不多，只是硬件材料上的支持有所不同，所以出现不同的操作方式，不过说回来

还是传感器在发挥作用。

数码产品：MP3、手机等数码产品，我们听歌的时候，用力一摇就换成了下一曲，

这是用了加速度传感器。

电饭锅：采用了温度传感器，通过测量内胆温度来实现。当温度上升到一定值，启

动开关，停止加热。

电熨斗：熨烫衣物，使衣物保持整洁。不过在加热中有一个问题需要解决，那就是

加热温度的问题，所以另一种温度传感器应运而生，在达到一定温度时，就会出现断电

使温度保持在一定的范围内，此举与电饭锅有异曲同工之妙！

光电鼠标：在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，

照亮光电鼠标底部表面（这就是为什么鼠标底部总会发光的原因）。然后将光电鼠标底

部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）

内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图

像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移

动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行

分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。光电鼠标中使用的

是光学传感器。

汽车称重：在渡口为汽车称重，用上压力传感器，即使是很重的物体也能在短时间

内准确称出，此为大型的压力应变片的应用。

电子天平：无需复杂操作，就能很快称出物体的质量，而且一般来说很精确。这是

因为在电子秤下安装了压力传感器再加上一些电子系统。

大话物联网

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电子温度计：在电子温度计内部加入红外传感器，由于人体在不同温度下发射红外

线的强度等因素皆有不同，利用此特点即可简单快捷、精确地测量人体体温。

2003 年，位于美国南加利福尼亚阿卡迪亚的 Arkon 设备公司推出了一种可以安装在

马桶盖上的高科技设备，如图 3-16 所示。在这个被称做 LavNav（“厕所”与“导航”二

词的缩写）的小巧而精美卫生间设备上安装着灵敏的传感器，它使用彩色信号灯来指引

夜间去方便的主人快速准确地找到马桶的位置。而且，这个设备绝不会让您在内急而又

找不到电灯开关的慌乱中吵醒熟睡的家人。

图 3-16 高科技马桶传感器

当它“听”到走向卫生间的脚步声后便立即开启信号指示灯；如果马桶盖子是盖着

的，它便开启红灯并彬彬有礼地提醒主人不能立即就位；而如果盖子打开着，绿色信号

灯便提醒您“敬请使用”。此外，该设备上的信号灯明暗适中，它的亮度足以让你快速找

到要找的位置而不会发出强光影响家人的睡眠。

2009 年诺贝尔物理学奖由高锟、威拉德·博伊尔和乔治·史密斯三人分享。威拉

德·博伊尔和乔治·史密斯就是电荷耦合器件（CCD）图像传感器的发明者（如图 3-17

所示）。1969 年，贝尔实验室的这两位科学家发明了第一个成功的数字图像传感器技术：

电荷耦合器件。图像传感器技术给整个世界带来了巨大且深远的影响，在全球掀起了疯

狂使用成像技术的风潮。2009 年，13 亿颗图像传感器被运往世界各地；2010 年，10 多

亿颗图像传感器被应用在手机市场；汽车市场的图像传感器出货量将从 2009 年的 420

万颗上升到 2013 年的 1 460 万颗。

此时，你是否会发出感叹：传感器已成为我们的亲密伙伴，生活中我们相依为命，

须臾不可分开！

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

95

图 3-17 CCD 图像传感器的发明者：威拉德·博伊尔（左）和乔治·史密斯（右）

传感器来自于“感觉”一词。人用眼睛看，可以感觉到物体的形状、大小和颜色。

用耳朵听，可以感觉到声音的尖细和强弱。用鼻子嗅，可以感觉到气味的芳香。用舌头

尝，可以感觉到酸、甜、苦、辣。用身体摸，可以感觉到物体的软硬和冷热。眼睛、耳

朵、鼻子、舌头和身体是人类赖以生存而感受外界刺激所必须具备的感官。

人的五官能够接受外界光线、温度、声音等刺激，并将它们转化为相应的生物物理、

生物化学的信号，通过神经系统传输到大脑。大脑对信号作出分析判断，发出指令，使

机体产生相应的活动。

人体为从外界获取信息，必须借助于感觉器官，但是单靠人们自身的感觉器官，在

研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需

要传感器。

与此类似，高温、高压环境中以及远距离的物理量，不易直接测量，传感器可以把

它们的变化转化为电压、电流等电学量的变化。电学量易于测量，易于处理，并且能够

使用电子计算机进行分析，以便得到所需的数据，最后由执行器完成显示、记录、控制

等功能。通过分析电学量的变化就可以知道那些相应的非电学量的变化。信息的采集依

赖于传感器，信息的处理依赖于电子计算机。如果把电子计算机比作大脑，传感器则是

大话物联网

96

人类五官的延长，可以称为“电五官”，如图 3-18 所示。

关于传感器的概念，我国国家标准

《GB/T 7665—2005 传感器通用术语》规

定：能感受被测量并按照一定的规律转

换成可用输出信号的器件或装置，通常

由敏感元件和转换元件组成。国家标准

就是严谨，拗口得让你脑筋转不过弯来。

咱们都是俗人，就用白话来说。传感器

是把非电学物理量（如位移、速度、压

力、温度、湿度、流量、声强、光照度

等）转换成易于测量、传输、处理的电学量（如电压、电流、电容等）的一种元件。在

实际应用中，传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还加上辅

助电源，如图 3-19 所示。

图 3-19 传感器的组成

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，它直接感受被测非电学量，

输出与被测量有确定对应关系的、转换元件所能接收的其他物理量，如膜片或膜盒把被

测压力变成位移量。敏感元件是传感器的核心，也是研究、设计和制作传感器的关键。

转换元件指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电

信号部分，它把敏感元件输出量变换为电学量输出，如差动变压器把位移量转换为电压

输出。需要指出的是，并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部

分，有些传感器转换元件不止一个，有些传感器（如热电偶）将敏感元件和转换元件合

为一体。

测量电路是将转换元件输出的电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线

性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等

功能。测量电路的类型视传感器的工作原理和转换元件的类型而定。不同类型的传感器，

其测量电路也不同。常见的有电桥电路、阻抗变换电路、振荡电路、放大电路、相敏整

流电路和滤波电路等。

电源是可选项，主要负责为敏感元件、转换元件和测量电路供电。无源型是最简

单、最基本的传感器构成形式，它只由敏感元件单独组成。输入量多为力学量（力、湿

图 3-18 人与机器的对应关系

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

97

度、速度、加速度），输出量一般是电学量。最大特点是还需要外接电源，其敏感元件能

够从被测对象直接获取能量，并将能量转换为电量，但一般输出能量较弱，如热电偶传

感器、压电传感器等通常是无源传感器。有源型通常建立在无源型的基础上，它与无源

型的不同之处在于为了确保敏感元件的工作点稳定，使用了辅助能源。辅助能源主要起

激励作用，它既可以是电源，也可以是磁源。有源传感器的特点是，不需要测量电路即

可有较大的电量输出，如光电管、光敏二极管、霍尔式传感器等。

“胡志明小道”这个名字当年是由西方媒体叫出来的，越南称之为“中央走廊”，听

起来给人一种神秘感。“胡志明小道”是支援南方的“战略路”。干部南下、北上，北方

及外界支援越南南方的武器、物资都通过这条小道，依靠人背、肩扛、牛车拉、自行车

载等方式送到战火纷飞的南方，如图 3-20 所示。它可以说是越南南北方之间的一条“大

动脉”，是一条炸不断的“生命线”。

图 3-20 “胡志明小道”

人们只知道它是越、老边界和越、柬边界崇山密林中的一条运输线。这条小道的起始、

长度以及具体路线，外界谁也说不清。当年美国人曾花了很大代价寻找这条小道的具体位

置，妄图卡住越南北方对越南南方的人员、物资供应，但直到他们以失败告终，从越南撤

出，始终未能弄清这条小道的真实面貌和奥秘之处。军事历史学家普拉多斯分析说，“胡

志明小道”应该有 5 条主路、29 条支路，还有捷径和“旁门左道”，总长近 2 万千米。

大话物联网

98

1959 年 5 月 5 日，根据抗美斗争的需要，越南中央军委决定正式开辟一条向南方运

输的道路，这就是被美国人称之为“胡志明小道”的秘密补给线。1959 年 5 月 9 日，越

南人民军根据胡志明主席的指示，成立了“559 部队”，又称“长山部队”，这个大队的

番号就是根据决定开辟这条道路的年月来命名的。该大队辖有交通联络团及警卫、通信、

工兵、运输队，并特别配备了中国援助的“凤凰”和“永久”牌加重自行车、大象、骡

马、小推车等运输工具。1959 年 6 月 10 日，越南北方首次通过“胡志明小道”向越南

南方运送物资。1964 年，越南北方又对“胡志明小道”进行了大规模的扩建和改造，以

保证卡车能够通行。

1960 年，由于一个农场主捡到了一捆越南人民军丢失的步枪，“胡志明小道”的秘

密随即被美军发现。为了加快战争进程，美军总部决定扼断向越南南方输送补给品和武

器的胡志明小道。为此，美军出动轰炸机云集小道上空狂轰滥炸，又朝小道两旁的丛林

喷洒脱叶毒剂，但这些手段后来收效甚微，而且代价昂贵。

不久，作为美国官方思想库之一的贾森小组建议修建一道“高科技屏障”来阻止越

南北方向越南南方提供兵力和物资支援。这道屏障“是一条总长约为 256km 的直线，从

海边开始，穿越越南和老挝直到湄公河”。它在越南的部分被称为“染色标兵”，在老挝

的部分叫做“肌肉暗礁”。这个计划的消息被报纸披露后，便成为众所周知的“麦克纳马

拉防线”。

1967 年 1 月，项目进入到随心所欲的发展阶段。科学家们在一种鲁莽而狂热的氛围

中开始工作，一位电子战军官这样形容当时的情景，“如果他们在第二天中午之前需要

10 000 个巧克力奶油馅饼，第二天就会毫不费力地得到”。在工作过程中，贾森小组曾

经提出过许多光怪陆离的计划，但很快就被放弃了。其中一个计划是训练鸽子携带炸弹

降落在越南北方运输车队的卡车上，在鸽子降落时引爆炸弹。但由于鸽子无法识别越南

北方卡车和非越南北方卡车，这个荒谬的计划未能实现。另一个奇异的主意是研制一些

特殊的传感器，将它们放到狗的大便里。但这一方案很快被否决，因为情报人员发现“胡

志明小道”上根本就没有什么狗。

最终，“麦克纳马拉防线”计划只有部分得到了实施，被称为“白色冰屋”。1968 年

初，美国飞机多得像一群麻雀，盘旋在“胡志明小道”的上空，投下了 20 多万枚新近研

制成功的传感器。这些传感器的大小形状像桃子，美军为了便于伪装，特意把它染成了

绿色。这些“桃子”周身都拴着细绳索，空降时很容易挂在树梢上和灌木枝条上，只有

少数落在了地面上。20 多万个传感器组成了一个网络，大部分由海军和空军的飞机撒

布，其余的由地面特种部队布设。它们被五个或六个一串的从空中投放下去。这样可以

保证至少每一串中有三个传感器能够在落地时保持完好状态。传感器由电池驱动。电池

只能保证传感器工作数周，其后就得再次撒布传感器。这些发明为美军的轰炸机提供了

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

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准确有效的信息。从此，“胡志明小道”就不安全起来。当驮着军用物资的骡马经过时，

地面传感器就会自动把情报发回美空军基地，随后就会有美机前来狂轰滥炸。“胡志明小

道”被封锁了，这条通道的瘫痪导致了前方战局的恶化!

美军在“胡志明小道”投放了多种传感器，包括声响传感器、震动传感器、磁性传

感器、红外传感器和压力传感器。

声响传感器就像常见的“话筒”，是利用声电转换器件，将目标运动时所发出的声响

转换为相应的电信号，再经过放大、处理，确定目标的方向、位置和性质，从而实现对

运动目标探测的侦察。声响传感器主要有两种，都是从海军的声纳投放浮标发展而来的，

在声纳上加装了扩音器和电池，使得它可以听到车辆声和语音。一种叫“幻听”声纳，

长 91cm（36 英寸），重 12kg（26 磅），投放后释放降落伞下降，挂在树上监听声响。另

一种叫“长钉”声纳，长 168cm（66 英寸），重 18kg（40 磅），它被投放后就一头扎到

“胡志明小道”厚厚的树叶层中，只有天线在外面，像野草的茎杆一样露在地面上。

声响传感器分辨力强，探测范围大，但同时耗电量也较大，通常只能受人工指令信

号控制探测，或者与耗电少的震动传感器联用。平时震动传感器工作时，声响传感器则

关机，等震动传感器探测到目标后再启动声响传感器。这样虽能取长补短，但两种传感

器只要被破坏一种，探测能力就会大大降低。因此，当越南人让猩猩、猴子在树丛中上

蹿下跳时，声响传感器起到的警示作用实在有限。

震动传感器由换能器、放大器、信号处理电路、编码器、发射机（或用有线传输）

组成，是对人员、车辆等地面目标运动产生的震动、声响发现并确定目标性质的探测器

材，是使用最普遍的一种传感器。震动传感器通过探测地表的轻微震动来确定地面的人

员和车辆运动情况，其外形很像“长钉”声纳，只是更小更轻［长 79cm（31 英寸），重

11kg（25 磅）］。它在“胡志明小道”上被大量撒布。与声响传感器相比，震动传感器的

优点在于：它不受风声、打雷、雨滴、地震和动物声响（特别是越南普遍的蛙叫声）的

干扰。

布设时通常将换能器埋入地下（约 100mm），它能将目标引起的地面震动信号转化

为电信号，放大后发给监控中心。当探测范围内无运动目标时无信号输出，传感器处于

“控守”状态；当有运动目标出现时，换能器根据运动目标“扰动”的大小，输出与运动

目标相关的信号，由信号处理电路进行处理，然后由编码器编码，经有线或无线传送至

监视终端进行报警。

大话物联网

100

震动传感器的探测距离比很多传感器都远，但这一距离很受土质的影响：土质硬，

探测距离就远；土质软，探测距离则近。此外，洼地、沟壕、水溪几乎可以完全阻止它

的探测。而对目标进行更准确的鉴别，如判断是徒手人员还是武装人员，判断是履带车

辆还是轮式车辆，当时也还做不到。越南北方部队发现了这些隐藏在树林中的震动传感

器后，立即采取干扰措施。当成群的牛羊开始频繁出现在森林中时，震动传感器的探头

经常上当受骗，弄得美军的监视器到处“咝咝”直响，分不清真正的目标。

磁性传感器是通过探测由武装人员、车辆或其他金属物体引起的地球磁场的变化发

现目标，并判明其运动方向和数量的探测器材。换能器（磁性探头）启动工作时，就会

在其周围建立一个静磁场，当铁磁金属物体进入这个静磁场时，就会被感应产生一个新

的磁场，干扰原来的静磁场；同时由于目标运动变化所产生干扰磁场的大小也在变化，

这个变化的干扰磁场引起磁强计指针的偏转及摆动，产生一个电信号，从而实现对携带

武器的人和车辆的探测。磁性传感器鉴别目标性质的能力较强，反应速度也较快。但是

它受到设备体积和重量的限制，使得探测距离较近。

红外传感器主要由人工布设到地表层，在能见度有限的条件下可昼夜自主地实施广

域侦察、监视和捕获目标。装有全球定位系统的热像仪可发现 2.2km 远的车辆和 1.1km

远的人员。

压力传感器是通过测量目标沿地面运动时对地面所产生的压力变化来发现和测定目

标的侦察设备。压力传感器种类很多，如应变钢丝传感器、平衡压力传感器、振动/磁性

电缆传感器、驻极体电缆和光纤压力传感器等。其中，光纤压力传感器最具有代表性。

它采用多模光纤感受压力的变化，当运动目标通过埋设有光纤的道路或警戒地域时，由

于地面压力的变化使光纤产生微小变形，根据光纤的微弯效应，光接收部件输出变化的

信号，经处理电路检测、处理、编码，由发射机传输至终端报警。

贾森小组还研制了一种“人迹嗅探器”。这是一种悬挂在直升机上的长鼻子雷达，能

探测生物排出的氨。为了对付这种传感器，越南北方特地训练了成百上千的猿猴，并把

它们赶到无人荒野撒尿拉屎。尿骚气竟引来了成群的 B-52 轰炸机。

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

101

越南北方发现了美军撒布的传感器后，便开始意识到“麦克纳马拉防线”的威胁，

并采取了一些对策，想方设法破坏传感器，并试图引导传感器发送假情报。但是，地面

上的传感器还好收拾，那些隐蔽在高高树梢上面的，就很难发现，即使发现了也很难摘

下来。

一次，有个中尉看到一只猴子爬到了一棵大树上，把传感器当作桃子摘下来，放进

嘴里就吃。这猴子硌了牙，又吱吱怪叫着吐出来。

中尉不由心里一亮，把自己的设想立即报告给上级。部队很快找了 300 多名耍猴艺

人，调集了 3000 多只猴子，组成了一个特殊的侦察团队，耍猴艺人都当了班长，每个班

都有 10 个“猴兵”。稍加训练后，就把这些“猴兵”放进了“胡志明小道”两侧的丛林

里。猴子们争先恐后嗖嗖爬上树去，见了“桃子”就摘，摘下来尝尝不好吃就扔。这样

摘了吃，吃了扔，效率竟是人工的几十倍！当然，这些“猴兵”也需要发饷的，人们搞

些真桃子挂在树梢上，以此激发它们干下去的兴趣。

后来，有统计表明，这些“猴兵”们清除的传感器足有 45 万多个。从 1965 年到 1971

年，美军为切断“胡志明小道”，花费了 500 多亿美元，在“猴兵”的面前却收效甚微。

战争结束后，这批“猴兵”都退伍了，回归到大自然中去。直到现在，参加过抗美

战争的越南老兵对猴子还有一种特殊的感情。

进入 20 世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些实用化的机

器人相继问世，1927 年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并

在纽约举行的世界博览会上展出。它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答

一些问题，但该机器人不能走动。

1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人，如图 3-21 所示。由英

格伯格负责设计机器人的“手”、“脚”、“身体”，即机器人的机械部分和完成操作部分；

由德沃尔设计机器人的“头脑”、“神经系统”、“肌肉系统”，即机器人的控制装置和驱动

装置，它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。

这种机器人外形有点像坦克炮塔，基座上有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转

动，大臂上又伸出一个小机械臂，它相对大臂可以伸出或缩回。小臂顶有一个腕子，可

绕小臂转动，进行俯仰和侧摇。腕子前头是手，即操作器。这个机器人的功能和人手臂

功能相似。

机器人是由计算机控制的复杂机器，它具有类似人的肢体及感官功能，动作程序灵

活；有一定程度的智能，在工作时可以不依赖人的操纵。传感器在机器人的控制中起了

非常重要的作用，它作为机器人的重要部件，使机器人不再是聋子，不再是冷热不知的

大话物联网

102

呆子，也不再是对周围环境一概不知的“植物人”。正是因为有了传感器，机器人才具备

了类似人类的知觉功能和反应能力。

人类在生活中通过眼、耳、鼻、舌、身来感知外界，神奇的机器人要有人工智能，

这些感官必不可少。为此，科学家们成功研制出了电五官—各种传感器，能将外界刺

激变成电信号的元件，使机器人也能像人一样感知外界，如图 3-22 所示。

图 3-21 工业机器人 图 3-22 机器人五官传感器部位

人类获取外界的信息，有 90%以上是由眼睛获取的，所以眼睛有五官之首的美称。

在机器人的眼球里装入微型摄像机，光电转换器相当于视网膜，使外部景物不断反映到

眼中，这些电信号传入计算机，机器人就可以“看见”外界景物了。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量物体的变化转

换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般

由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触

等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。

声音是一种振动波，传到耳中引起耳膜的相应振动，再传到大脑，就可以感知声音

了。但是人耳只能听到 16～20 000Hz 的声音。科学家根据人耳原理，研制出了电子耳。

现代电子耳使用了新材料，而且更为灵敏，由于振动会引起压力的不同，电子耳会将振

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

103

动信号变成相应的电信号，传入计算机，就可使机器人“听到”外界的声音了。

压力传感器能够在一定程度上感受到来自外界各种声音源的声波振动，将它们转换

为电信号后，送到机器人“大脑”的声音信号处理中枢，由神经网络计算机系统去进行

分析、识别和处理。尽管人耳对周围声音的识别能力比机器人高得多，但是机器人的“听

觉”能力在某些方面比人耳还要灵敏，那些混杂于千百种野外生物大合唱中的陌生人脚

步声，或者优质发动机的轻微振动声，都逃不过机器人警觉的“耳朵”。

人类能闻到气味是鼻子的功劳，经过特殊训练的鼻子可以分辨出几千种不同的气味。

要给机器人装上这样的鼻子，必须找到这样的材料：第一要能“呼吸”气体，第二又能

随着呼吸气体的不同改变导电能力。科学家以此制成了气体传感器—电子鼻。

传统的电子鼻体积比较大。最近，科学家又研制出微型电子鼻，运用纳米技术，制

成可以呼吸气味的导电聚合物。这种微型芯片只有 1cm2大小，能够轻便地拿在手中，仅

需微量电流即可工作。有一种精密的电子鼻，其本领超过了猎犬和警犬，能分辨出几百

万种不同气味，可以帮助猎人捕猎，也可以帮助公安人员搜捕嫌犯和搜查毒品。还有一

种医院使用的电子鼻，通过探测病人发出的特殊气味，能发现早期肺癌，对病人的及时

治疗有重要意义。

味觉传感器又经常被称为“人工舌头”，它是一套能够模仿人类的舌头并将各种味觉

数字化的味觉识别装置。九州大学的都甲洁教授和他的同事们于 2007 年 5 月成功地开

发出了上述装置。该装置通过利用识别到味觉的时候舌头表面膜的电势的差异，对味觉

进行测定。除了如整体的味道、苦味、咸味、酸味和涩味等味觉成分以外，该味觉传感

器还将“丰富度”和“嚼劲”转化为数字数据。这样一来使得科学分析食物的适口性和

感觉成为可能。

人的舌头上面有许多味蕾，品尝食品刺激了味蕾，人就尝到了味道。要使机器人具

有味觉感官，可是一个难题，因为味觉最复杂！这也是电五官最后一个被攻克的课题。

日本科学家研制成功了味觉传感器，它能辨别咸、甜、酸和苦味，再与微型计算机相结

合，就成为电子舌。在做菜时，将一个探测器伸进菜和汤中，便可马上显示出咸淡程度、

酸度数值以及糖分含量，很有实用价值。

还有一种号称品味能手的电子舌，这是一种多孔高分子膜，由经过特殊处理的蛋白

质构成，有四种生物化学味觉传感器，可以品尝鉴定酸、甜、苦、辣、咸及特殊味道，

包括酒、咖啡、茶、饮料，还可以品尝出厂家、出厂时间及新鲜程度，甚至连矿泉水的

大话物联网

104

真伪都可以辨别出来。

当前，世界新技术革命浪潮中，传感器技术的发展越加令人瞩目，航空、电力、化

工、采矿、交通、农业、医疗、环保等行业离不开，在人们家庭中也出现了各种传感器。

温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电学量的传感

器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非

接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

人类的触觉也十分复杂，主要有两方面的感觉：冷热和软硬。首先皮肤能感知外界

的冷热，科学家研制成功热敏电阻，使机器人有了冷热感觉。这种温度传感器作用很大，

比如在粮食仓库、果品仓库装上它，可以在温度升高或降低时及时报警，防止粮食果品

发霉或受冻。将温度传感器和冷源、热源结合，就成了“恒温箱”，在空调器、电冰箱、

电饭煲中就使用了这种技术。

人的皮肤还有感知软硬的触觉，有的机器人装上了触感器，能感知物体的形状和软

硬。该触感器是由三层组成，中间一层尼龙网不导电；底层是密密麻麻的触点，与计算

机相连；顶层是有弹性的导电橡胶；内外两层只有在压力作用下才能接触，并由相应的

触点向计算机发出电信号，转换成完整的物体形状。因此机器人可以感知物体的软硬粗

细程度，从而发出相应的指令。这就是有的机器人能够拿鸡蛋、摘水果、挤牛奶的原因。

要做到眼视六路，耳听八方是人类长久的梦想，现代卫星技术的出现虽然使人们离

这目标又进了一步，但卫星高高在上，洞察全局在行，明察细微就不管用了。这个时候，

无线传感器网络就派上用场了。将大量的传感器节点遍撒指定区域，数据通过无线电波

传回监控中心，监控区域内的所有信息就会尽收观察者的眼中了。

无线传感器网络（WSN）的构想最初是由美国军方于 20 世纪 70 年代提出的。

1978 年，DARPA 在卡耐基·梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组。1980 年，

DARPA 的分布式传感器网络项目开启了传感器网络研究的先河。20 世纪 80 至 90 年

代，研究主要在军事领域，成为了网络中心战的关键技术，拉开了无线传感器网络研

究的序幕。

1996 年，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA，University of California，Los Angeles）

的 William J Kaiser 教授向 DARPA 提交了“低能耗无线集成微型传感器”研究计划书。

该计划书不但给出了基于微机电系统（MEMS）的微小节点的概念设计模型，还描绘

出了无线传感器网络的广泛诱人而极具想象力的应用背景，特别是在军事领域。1998

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

105

年，同是 UCLA 大学的 Gregory J Pottie 教授从网络研究的角度，重新阐释了 WSN 的

科学意义。在其后的 10 余年里，WSN 网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛

关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、

复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区

的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国的《技术评论》杂志在论

述未来新兴 10 大技术时，将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》

预测的未来 4 大新技术中，无线传感器网络也列入其中。美国《今日防务》杂志更是

认为，无线传感器网络的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的

变革。可以预见，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的生活和产业变革产

生深远影响。可以预计，无线传感器网络的广泛应用是一种必然趋势，它的出现将会

给人类社会带来极大的变革。

对于尘埃，很多人都心存厌恶，但美国加利福尼亚大学伯克利分校的工程学教授克

里斯·皮斯特却与众不同。他不但研制了“尘埃”，而且还打算把它们撒播到世界各地去。

当然，皮斯特所研制的并非普通的尘埃，而是一种“智能尘埃”。“智能尘埃”是一种具

有一定智能而又微小如尘的微型监测系统，如图 3-23 所示。它的大小、外观与尘土没有

多少区别，但却安装有探测器、传感器、处理器、电池、存储器、发射器等一系列功能

模块，真可谓是麻雀虽小，五脏俱全。“智能尘埃”的体积不到 1mm3，好像一颗细小的

沙粒。它既可以附着在物体上，也可以在空中随气流飘浮，并在方圆 21km 的范围内，

按照指令或自动完成有关信息的收集、处理和发送。

图 3-23 “智能尘埃”

在 20 世纪 90 年代中期，皮斯特第一次萌生了制造“智能尘埃”的想法。在他的设

想中，这种“尘埃”的体积可以缩小到 1mm3，可以被撒播到世界的任何地方，去收集

那些以前很难得到的信息。皮斯特把自己的这项研究计划提交给了五角大楼，五角大楼

的官员很快便发现这种“尘埃”在军事领域具有十分广阔的应用前景，于是同意资助这

个项目。有了经费之后，皮斯特和他领导的研究小组很快便研制出了第一批“智能尘埃”

样品，这批样品的配置包括一个微处理器、一个双向无线电装置和一个光敏元件。他相

大话物联网

106

信，智能尘埃技术可能真正实现整个地球的网络化，在因特网和物质世界之间形成另一

层基础结构。皮斯特深信“智能尘埃”对社会造成的深远影响将不亚于因特网。

2001 年初，他们又研制出了第二代“智能尘埃”。第二代智能尘埃比火柴盒稍大，

由两节 5 号电池提供动力，支持的传感器最多可达 8 个。虽然从尺寸上来说，这种“尘

埃”还名不符实，但皮斯特等人正努力使智能尘埃的体积接近真正的尘埃。2001 年 3 月，

皮斯特将 6 粒“智能尘埃”用泡沫塑料包好，然后用遥控飞机送上天。飞机在距离地面

50m 的高度以每小时 50km 的速度沿一条公路飞行，把这些“尘埃”逐次投掷到距离公

路 20m 远的地方。它们的任务是监测路上的坦克和其他军用车辆的行驶情况。实验证明，

它们足以胜任这项工作。

“智能尘埃”的应用范围十分广泛，它既可以用于检测建筑物、观测天气，也能用来

执行军事和间谍任务。科学家们曾经把一些“智能尘埃”放入地震多发地区的建筑物中，

用以检测地震后幸存的建筑物是否可以安全进入。这项试验的现实意义非常大，因为发

生地震之后，大型建筑和摩天大楼通常先对用户关闭，直至完成安全检查。这个过程费

用高昂而且历时数月之久。但如果在建筑的每个重要结构点都安装含有加速计的传感器

（加速计能感知震颤），人们就能计算出建筑在地震时的摇晃程度。这些传感器还能测算

出传感器彼此间距改变了多少，立即显示各个位置的受损程度，从而计算建筑的稳固性。

“智能尘埃”的研制成功，也给野外生态学家们带来了福音。以前，野外生态学家只

能根据少量“粗糙”的环境数据（如固定在研究站的气象仪的数据）进行推断，或亲自

到野外去收集有关数据，而后者可能对被研究物种造成负面影响。现在好了，生态学家

们只要在野外安放一些“智能尘埃”，这些小家伙便能全天候地收集周围的环境数据，并

将数据发回研究机构。有了这些小家伙，生态学家们足不出户便能轻松得到高清晰度的

环境数据。

2002 年夏天，在缅因州海岸的“大鸭岛”上，英特尔实验室研究人员将处方药瓶

大小的 32 个传感器放入海燕栖息的洞穴中，并与因特网相连，以了解缅因州“大鸭岛”

上的气候。位于缅因州海岸“大鸭岛”上的海燕由于环境恶劣，海燕又十分机警，研

究人员无法采用通常方法进行跟踪观察。为此，他们使用了加利福尼亚大学伯克利分

校开发的“智能尘埃”，节点上运行的软件是该校开发的 TinyOS。节点上装有多种传

感器以监测海岛上不同类型的数据。使用光敏传感器、数字温湿度传感器和压力传感

器监测海燕地下巢穴的微观环境，使用低能耗的无源红外传感器监测巢穴的使用情况。

为了将节点放置在海燕的巢穴中，需要严格控制节点的体积。传感器都集成到传感器

板上，从而大大减小了节点的体积以满足监控需要。部署在实际环境中的节点需要考

虑封装问题，根据不同监控任务采用不同的封装形式。实际环境中的传感器节点封装

如图 3-24 所示。

第 3 章 感知层：物联网的皮肤和五官

107

图 3-24 实际环境中的传感器节点部署

仅仅 3 个月，生态学家便收到 300 多万条信息，而 2003 年第二季度，他们换用 150

个安有 D 型微型电池的第二代传感器，来评估这些鸟巢的条件。系统通过自组织无线网

络，将数据传输到 92m（300 英尺）外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服

务器。在那之后，全球的研究人员都可以通过因特网察看该地区各个节点的数据，掌握

第一手的环境资料，为生态环境研究者提供了一个极为便利有效的平台，如图 3-25 所示。

气象学家也十分看好“智能尘埃”在气象领域的应用，他们计划将来在大气中释放 100

亿粒“智能尘埃”，用于监测天气的变化。

图 3-25 大鸭岛生态环境监测系统

毫无疑问，“智能尘埃”以其隐蔽性强、功能齐全和成本低廉，将在军事上得到广泛

大话物联网

108

应用。在和平时期，大量“智能尘埃”可被混杂在各种物品内轻易带入别国，由间谍情

报人员或者其他人员将“智能尘埃”带入党政军要害部门、重要首脑机关附近、会议厅

室、指挥机关、某些大型兵器和新型武器研究试验场所等，以实时掌握重要首脑活动、

党政军重要决策、部队调动和新型武器性能等机密情报。在战时，“智能尘埃”可以用飞

机、导弹、火炮等进行大量布设，在目标点附近形成严密的探测网络，使敌军的每辆坦

克、每门火炮甚至是每个单兵身上都可能沾有几粒“智能尘埃”，将其行动处于己方的掌

握之中。对某些防护严密的场所（如地下指挥所等），可遥控智能微型爬行器（如智能电

子蜘蛛或电子蟑螂）沿着细小缝隙进入其中，将其内部活动尽收眼底。

Chapter 4

第4 章

109

网络层：物联网的神经中枢和大脑

网络层是物联网的神经中枢和大脑。网络层包括融合网络、网络管理中心、信息

中心和智能处理中心等，涉及的关键技术包括因特网、移动通信、云计算和 ZigBee 技

术等。

4.1

因特网

科学家们描绘了下一代因特网的广阔前景：未来的某一天，当你打开冰箱，但冰箱

出现警示话语，提醒你已经超重；你正在家里看电视，突然有电话打入，因特网主动把

电视调成静音，接完电话后，声音又将自动调回。

作为现代社会中人们耳熟能详的一个名词，因特网已经成为人与人交流沟通、传递

信息的纽带，然而细心的用户可以发现，虽然因特网有着丰富的内容和成熟的应用，但

这些内容与应用仅是针对人与人这个特定的领域并且是虚拟的。因特网上的信息必须要

通过人去收集和数字化，然后再放置到因特网上供人们浏览。人在其中要做很多的工作。

物联网则不需要。它让物体自己“说话”，通过在物体上植入各种微型感应芯片，借助无

线通信网络，与现在的因特网相互联接，让其“开口”。这样一来，人们不仅可以和物体

“对话”，物体和物体之间也能“交流”。

因特网连接的是虚拟世界网络，物联网联接的是物理的、真实的世界网络。物

以网聚是形成开放产业生态体系的关键，且物联网需要对接的大量资源都已经存在

于因特网之上，而规模化地引入物联网设备还需要 IPv6 地址体系的支持。因此，从

某种意义上说，因特网是物联网灵感的来源，是物联网产业化规模发展的网络基础。

同时，物联网是因特网发展的延伸，其发展又必将推动因特网向一种更为广泛的“互

大话物联网

110

联”演进。

从某种角度来说，最早对网络的需求源于战争。翻开美国人写的关于因特网发展历

史的书或者从因特网上查找这方面的资料，都少不了提起 1957 年 10 月 4 日前苏联发射

的第一颗人造地球卫星。这颗卫星重约 80kg，差不多每天都要在美国人的头顶上飞过一

次。喜欢“恶作剧”的前苏联人似乎觉得这一颗卫星还不过瘾，仅仅在一个月之内，1957

年 11 月 3 日，第二颗人造地球卫星又上天了。这颗重达 500kg 的卫星，甚至还带了一只

活狗进入太空做实验。

敏感的美国人把前苏联的卫星看做是对自己技术落后的严重警告，当然要奋起直

追。1958 年 1 月 31 日，他们终于把“山药蛋”给抛了上去。同时，美国军队的通信网

络也令人担忧。尽管这些网络按照当时的标准是高水平的，但是，这种由中央控制的网

络从一开始就先天不足：稍有常识的人都会想到，只要摧毁这种网络的控制中心，就可

以摧毁整个网络。因此，在这个意义上，军队通信联络的网络化程度越高，受到破坏的

可能性也就越大。

1962 年，美国国防部为了保证美国本土防卫力量和海外防御武装在受到前苏联第一

次核打击以后仍然具有一定的生存和反击能力，认为有必要设计出一种分散的指挥系

统：它由一个个分散的指挥点组成，当部分指挥点被摧毁后，其他点仍能正常工作，并

且这些点之间，能够绕过那些已被摧毁的指挥点而继续保持联系。为了对这一构思进行

验证，1969 年，美国国防部国防高级研究计划署（DARPA）资助建立了一个名为

ARPANET（即“阿帕网”）的网络，这个网络把 UCLA、UCSB（加州大学圣塔芭芭拉分

校，University of California，Santa Barbara）、SRI 以及位于盐湖城的犹他州州立大学的计

算机主机联接起来，位于各个结点的大型计算机采用分组交换技术，通过专门的通信交

换机（IMP）和专门的通信线路相互连接。这个阿帕网就是因特网最早的雏形。

因特网改善了人类的通信与计算方式，提高了人类的生产与生活效率，在科学技术

史上具有无与伦比的革命意义。在关注知识产权的今天，是谁发明了因特网？自然不会

无人问津。至少在美国，这件事就争论了不短的时间。

1999 年，因特网的 30 年诞辰纪念盛典时，会议组织者干脆一并请来四位曾被媒

体称作“因特网之父”的杰出人物—雷纳德·克兰罗克（Leonard Kleinrock）、劳伦

斯·罗伯茨（Lawrence G. Roberts）、罗伯特·卡恩（Robert E. Kahn）和温顿•瑟夫

（Vinton G. Cerf），郑重其事地为他们合影留念，让这一珍贵的镜头，永远定格在因特

网的史册中。

《今日美国》杂志对此发表题为《荣誉归于谁—四位不同的祖先》署名文章，文章

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

111

评论说：“虽然在因特网建立过程中，他们全都担任了至关重要的角色，但谁最适合戴上

‘因特网之父’的桂冠至今尚无定论。”文章还援引劳伦斯•罗伯茨的谈话指出，希望这次

会议能进行讨论，结束在这个历史“悬案”上“每个人对每件事都可以提出权力要求”

的混乱状况。

我们不妨分别简述这四位“父亲”在因特网创立中作出的不同贡献，看看究竟谁最

有资格。

•

1934 年，雷纳德•克兰罗克（如图 4-1 所示）生于

纽约曼哈顿，是为阿帕网第一结点远程通信试验亲自

“接生”的 UCLA 教授。美国曾有传记文章用《从连环

画到赛伯空间》的标题记载了他的传奇经历。文章这样

写道：

“因特网的奇迹始于连环画。”克兰罗克 6 岁那年阅

读了一本描写“超人”的连环画，萌生了自己动手制作

矿石收音机的想法。他搜罗到父亲的剃须刀片、母亲丢

弃的卫生纸卷筒、一段铅笔芯和一些铜线，然后溜进公

用电话亭偷来一个电话耳机。在不具备任何无线电常识

的前提下，他根据连环画“按图索骥”制成了一台不用

电池的矿石收音机。由于家境贫寒，到上大学时连社区

学院低廉的学费都交不起，只好一边读书一边打工，5 年后居然以优异成绩获得麻省理

工学院（MIT）全额奖学金，如愿以偿进入电机工程系深造。

1959 年，当他还在 MIT 电机工程系读研究生时，该系绝大多数学生都选择信

息理论为研究专业，只有克兰罗克独辟蹊径，为自己的博士论文选择了一个全新的

题目—数据网络。1963 年，克兰罗克在 MIT 获得博士学位，后来一直在美国加州

大学洛杉矶分校当教授。1964 年，他的博士论文《通信网络》出版，首次提出“分

组交换”概念，为因特网奠定了最重要的技术基础。1991—1995 年，他担任 UCLA

计算机科学系主任。

前苏联发射的世界上第一颗人造地球卫星对美国产生了极大的震撼。为了应对这一

挑战，1958 年美国国防部建立了高级研究计划署（ARPA，Advanced Research Projects

Agency）。ARPA 支持全美范围的科学家从事与国防有关的研究项目。ARPA 发现申请的

资金大都要购买计算机，这些科学家为什么不能联网来共享价格昂贵的计算机呢？于是

ARPA 对网络产生了浓厚的兴趣。

图 4-1 雷纳德•克兰罗克

大话物联网

112

鉴于克兰罗克教授在数据网络方面的特殊专长，ARPA 把他请到华盛顿，让他担任

关键的角色，为筹备阿帕网编写性能规格的说明。这是政府支持的数据网络，它采用的

技术就是分组交换技术。该规格说明于 1968 年写成。

1969 年，由于他的杰出工作，UCLA 成为阿帕网的第一个结点。1969 年 9 月初，作

为第一个结点的接口消息处理机（IMP，Interface Message Processor）运抵学校。10 月

初，第二台 IMP 运抵 700km 以外的斯坦福研究院（SRI，Stanford Research Institute）。

这些 IMP 实际就是 Honeywell 生产的小型机，几乎没有通信功能。于是克兰罗克组织了

他的研究生（包括温顿•瑟夫在内），从开箱验收到开发通信功能，并在他的直接指导下，

于当年 10 月 29 日实现了网上第一个报文的传输。

克兰罗克教授曾获得无数专业奖项。2008 年 9 月 29 日，时任美国总统的布什在白

宫亲自为克兰罗克颁发了著名的代表美国最高科学荣誉的美国国家科学奖章，他还常被

人们称为数据网之父。

•

劳伦斯•罗伯茨（如图 4-2 所示）1937 年生于康涅狄格

州纽黑文，父母都是耶鲁大学的化学家。他是因特网前身

“阿帕网”（ARPANET）项目技术负责人，无可争议的“阿

帕网之父”。他早年就读于麻省理工学院，从学士、硕士直

到获得博士学位。毕业后留校在林肯实验室担任高级研究

员，靠自学进入计算机领域，继而成为行家里手，甚至为

TX-2 计算机写作了操作系统和分时系统。他在软件设计、

计算机绘图，特别是通信技术方面获得非凡的成就，而且

具有天才的组织管理能力。

1965 年他在 DARPA 基金的支持下，建立了一个远程

网络的连接：把 MIT 的 TX-2 计算机横跨美国与远在西部

圣莫尼卡的 Q-32 计算机通过声耦合器和专用电话线路连接起来。他的网络经验被

DARPA 看中，于是，1966 年 10 月，罗伯茨接受了调令，成为国防部高级研究计划署的

ARPANET 项目经理和首席科学家。

据罗伯茨后来回忆说，他基本上是在受到“勒索”后，才被迫前往美国国防部

高级研究规划署（ARPA）任职的。1966 年，APPA 信息处理技术办公室（IPTO，

Information Processing Technology Office）鲍勃•泰勒申请到 100 万美元经费实施联

网计划，多次上门请他“出山”。屡遭拒绝后，泰勒竟使出了“杀手锏”，向 ARPA

署长赫兹菲尔德求援：“你不是掌握着林肯实验室的经费吗？难道你就没有办法让

图 4-2 劳伦斯•罗伯茨

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

113

劳伦斯来为我们工作？”赫兹菲尔德听后立即拿起电话，不一会儿就笑着回答：“让

我们等着瞧吧。”

罗伯茨迫于无奈出任 ARPA 联网计划技术负责人，果然不负众望。1967 年 4 月，他

在密歇根州的安阿伯召开了一个 ARPA 基金研究项目负责人的调查会议，主要议题是

ARPANET 项目。罗伯茨和盘托出他的计划，但这个想法并没有被大家认可，而且反对

联网计划的人，还有两位人工智能方面的重量级人物：马文·明斯基（Marvin L. Minsky）

和约翰·麦卡锡（John McCarthy）。不过，在与克兰罗克教授的接触中，却得到很大的

鼓舞。他正是通过《通信网络》一书，坚定了使用分组交换技术的决心。1967 年 10 月，

劳伦斯·罗伯茨发表了阿帕网的构想《多计算机网络与计算机间通信》的设计论文，提

出资源子网与通信子网分开的概念，并正确地为阿帕网选择了“分组交换”通信方式。

1968 年，他提交了一份题为《资源共享的计算机网络》的报告，提出首先在美国西海岸

选择 4 个结点进行试验。

1969 年 1 月，BBN 公司（由 Bolt、Beranek 和 Newman 合伙建立的位于波士顿的

一家高技术公司）赢得阿帕网项目的合同，按照规格说明去设计、实现和配置计算机，

使之成为分组交换网的结点交换机。BBN 选择了 Honeywell 的小型机作为交换机的基础。

1969 年 9 月 2 日，第一台结点交换机在 UCLA 安装。一个月后，第二台结点交换机在

斯坦福研究院安装。1969 年 10 月 29 日，在克兰罗克教授的指导下，第一个报文从 UCLA

传送到 SRI。于是，他领导着诸多大学和研究机构协同攻关，最终导致了“天下第一网”

阿帕网诞生，标志着人类社会正式进入网络时代。

1969 年至 1973 年，罗伯茨进一步担任了 ARPA 的信息处理技术办公室（IPTO）的

主任，在扩大阿帕网上就更得心应手了，阿帕网迅速扩大了应用的范围。

•

罗伯特•卡恩（如图 4-3 所示）1938 年 12 月 23 日生于纽约布鲁克林，是阿帕网

总体结构设计者，并为因特网创立作出了巨大贡献。在纽约城市大学获电机工程学士

后，接连拿到了普林斯顿大学硕士和博士学位，被麻省理工学院聘为助理教授。1969

年，BBN 公司承揽了阿帕网接口消息处理机（IMP）项目，卡恩第一个参加 IMP 小

组，并且担任最重要的系统设计任务。IMP 就是今天网络最关键的设备—路由器的

前身。

1972 年，卡恩前往 ARPA 协助罗伯茨工作。当年 10 月，在卡恩主持下，美国各地

40 台计算机通过网络互联，向国际计算机通信会议（ICCC，International Conference on

Computer Communication）展示了阿帕网的成功，因特网从此走向了世界。此外，1970

年，卡恩设计出第一个“网络控制协议”（NCP，Network Control Protocol），即网络通信

大话物联网

114

最初的标准；20 世纪 80 年代中期，他还参与了美国国家信息基础设施（NII）的设计，

NII 后来被我们称之为“信息高速公路”。

然而，罗伯特•卡恩对因特网的最大贡献，是与温顿•瑟夫共同完成的。

•

温顿•瑟夫（如图 4-4 所示）1943 年 6 月 23 日生于康涅狄格州纽黑文，与罗伯茨同

乡。虽然当地有著名的耶鲁大学，但这位美国新英格兰地区的青年，不去离家咫尺的耶

鲁，却横跨大陆，来到加州。因早产造成听力缺陷，助听器伴随了他的一生，成名后曾

写过一篇《一位有听觉缺陷的工程师自白》的论文。有趣的是，他的夫人也有听力障碍，

两人平时说话都大声嚷。后来，瑟夫考进了著名的斯坦福大学主修数学，但很快迷上了

计算机，导致他后来到 UCLA 于 1970 年获得计算机科学（CS，Computer Science）硕士，

1972 年获得 CS 博士。

图 4-3 罗伯特·卡恩 图 4-4 温顿·瑟夫

早在 1969 年温顿·瑟夫和罗伯特·卡恩就已经做阿帕网的工作。1972 年，温顿•瑟

夫博士去斯坦福大学任教，而罗伯特·卡恩从 1972 年到 1985 年进入 DARPA 管理分组

网的研究工作，随后成为 DARPA 信息处理技术办公室的主任。而温顿•瑟夫在 1976 年

至 1982 年也进入 DARPA 工作，在管理因特网相关的数据分组技术和网络安全程序方面

扮演了主要的角色。

作为克兰罗克教授的学生，温顿·瑟夫在研究生阶段有幸参加第一台结点交换机安

装、调试、运行的全过程，这的确是一个千载难逢的好机会。当时 4 个结点（UCLA、

SRI、UCSB 和犹他州州立大学）的研究生自发地组织起来，成立了“网络工作组

（NWG，Network Working Group）”，温顿•瑟夫成为活跃的骨干。当时阿帕网面临的主

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

115

要障碍是各校配置的主机互不兼容，而 BBN 仅仅提供 IMP 能够传送报文分组，并没有

设计与主机进行通信的方法。NWG 则解决了通过 IMP 彼此进行通信的方法。1976—

1982 年温顿•瑟夫在国防部高级研究计划署任职期间，扮演了关键角色，领导了因特网

以及与因特网相关的数据分组及安全技术工作。

1972 年，全世界计算机业和通信业的专家学者在美国华盛顿举行了第一届国际计算

机通信会议（ICCC），决定成立国际网络工作组，计划以阿帕网为基础连接全球大大小

小的网络，温顿•瑟夫当选为工作组主席。国际网络工作组负责建立一种能保证计算机

之间进行通信的标准规范（即“通信协议”）。

1973 年，美国国防部也开始研究如何实现各种不同网络之间的互联问题。因为

ARPANET 最早应用于美国军方，就出现了这样一个问题：美国陆军、空军、海军使用

的计算机都不一样。在这种情况下，要想用 ARPANET 将各军种的计算机连起来，并使

他们内部系统中各台计算机都运行正常，能够相互通信并共享资源，是非常困难的。这

个问题不解决，ARPANET 的研究将毫无意义。这里就涉及一个协议的问题。“协议”一

词来源于人类各个集团为了自身的利益而进行的各种谈判，最后双方或多方达成共识，

签定“协议”。现在，在不同的计算机之间也需要谈判，共同遵守某种“协议”，只有这

样两台不同的计算机之间才可以通信。

1974 年 5 月，他们在《IEEE 通信学报》上发表了一篇名叫《分组网络互联协

议》的论文，俩人用掷硬币的方法决定排名先后，结果温顿·瑟夫的名字排在了前

面（这也造成他被媒体更多地承认为“因特网之父”的原因）。文中只提到了传输

控制协议（TCP）的设计，它负责在因特网上传输和转发信包。他们认为，可以通

过传输控制协议直接在 ARPANET 上传送信包，但是在后来一些实验中证明，使用

这种协议有时丢失信包的情况并没有得到纠正。因此，他们认识到应该建立两个不

同的协议，一个是传输控制协议（TCP），另一个是因特网协议（ IP），这时才提出

了真正的 TCP/IP 协议。有趣的是，因特网协议的最初版本，并不是在实验室里完

成的，而是温顿•瑟夫在旧金山一家宾馆的大堂里等人的时候，闲着没事考虑如何

设计因特网协议。正如许多科学家需要灵感一样，温顿•瑟夫的设计灵感也到了，

但苦于手边没有纸张，只好将想法（网关体系结构的草图）写在一张信封纸的背面。

由瑟夫和卡恩首先提出并逐渐完善的网络规则，即两个关键协议：IP（因特网协议）

和 TCP（传输控制协议），合起来叫 TCP/IP。就像闪电划过太空，正是 TCP/IP 协议，

标志着因特网正式诞生。

随后，美国国防部决定向全世界无条件地免费提供 TCP/IP，即向全世界公布解决计

算机网络之间通信的核心技术，TCP/IP 协议核心技术的公开最终导致了因特网的大发

展。可以说，没有 TCP/IP，计算机联网、全球信息共享将只能是一个浪漫的幻想。

大话物联网

116

TCP/IP 协议以其独具的跨平台特性为全球信息化时代的到来架起了桥梁。

其实在 TCP/IP 之前，还有一个协议在历史上发挥了作用，这就是 ARPA 网最初使

用的网络控制协议（NCP，Network Control Protocol）。温顿·瑟夫参加过这个协议的设

计，并了解它的种种缺陷。因此，他和罗伯特·卡恩对原有协议加以完善，形成了现有

的 TCP/IP 协议。

1977 年 7 月，瑟夫和卡恩作了一次具有里程碑意义的试验：他们驱使阿帕网、无线

电信包网和卫星信包网等 3 大网络一致运作，“信息包”从美国旧金山海湾，通过卫星线

路直达挪威，又沿电缆到达伦敦，然后返回美国加州大学，行程 15 万千米（9.4 万英里），

没有丢失一个比特。为了表彰瑟夫和卡恩发展因特网的杰出贡献，1997 年 12 月，时任

美国总统的克林顿为他们颁发了“美国国家技术奖”。

时至今日，网络已经渗透进人们生活的各个环节，当你浏览网页，登陆 QQ 或是更

新博客时，或许没有意识到，经过 30 多年的发展，第一代因特网已经“不堪重负”。我

们都知道，岁月的流逝并不会使一些美好的事物消失。但不幸的是，一些现在看来不错

的事物，并不意味着能够永远使用下去—无论它现在是多么的辉煌，它或者将会过时，

或者将被开发殆尽，总会有新鲜的事物遮盖它原有的光芒。而当这种好的事物已经成为

基础设施的一部分的时候，对它的维护变得非常重要，而了解何时对它进行升级以及如

何以最少的混乱、最低的代价进行升级则显得尤其重要。

IP 解决的最根本的问题是如何把网络连接在一起，也就是如何把计算机连接在一

起，而且除了其他计算机的网络地址之外，这些连接起来的计算机无需了解任何的网络

细节。这就有以下三个要求：首先，每个连接在因特网上的计算机必须具有唯一的标识；

其次，所有计算机都能够与所有其他计算机以每个计算机都能识别的格式进行数据的收

发；最后，一台计算机必须能够在了解另一计算机的网络地址后把数据可靠地传至对方，

而无需了解对方计算机和网络的任何细节。

我们现在所用的 IP 协议是 IPv4，起源于 1968 年开始研究的 ARPANET，当时的研

究者们为了给 ARPANET 建立一个标准的网络通信协议而开发了 IP 协议。IPv4 是一个

令人难以置信的成功的协议，它可以把数十个或数百个网络上的数以百计或数以千计的

主机连接在一起，并已经在全球因特网上成功地连接了数以千万计的主机。IP 协议开发

者当时认为 ARPANET 的网络个数不会超过数十个，因而他们将 IP 协议的地址长度设定

为 32 个二进制数位，经常以 4 个两位十六进制数字表示，也常常以 4 个 0 至 255 间的数

字表示，数字间以小数点间隔。每个 IP 主机地址包括两部分：网络地址，用于指出该主

机属于哪一个网络（属于同一个网络的主机使用同样的网络地址）；主机地址，它唯一地

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

117

定义了网络上的主机。这种安排一方面是 IP 协议的长处所在，另一方面也导致了地址危

机的产生。

随着 ARPANET 日益膨胀，IP 协议开发者认识到原先设想的网络个数已经无法满足

实际需求，于是他们将 32 位 IP 地址分成五类，只有三类用于 IP 网络，这三类地址一度

被认为足以应付将来的网络互联。A 类，用于大型企业；B 类，用于中型企业；C 类，

用于小型企业。A 类、B 类、C 类地址可以标识的网络个数分别是 128、16 384、2 097 152，

每个网络可容纳的主机个数分别是 16 777 216、65 536、256。虽然对 IP 地址进行分类大

大增加了网络个数，但新的问题又出现了。由于一个 C 类网络仅能容纳 256 个主机，而

个人计算机的普及使得许多企业网络中的主机个数都超出了 256，因而尽管这些企业的

上网主机可能远远没有达到 B 类地址的最大主机容量 65 536，但又不得不为它们分配 B

类地址。更小的公司，某些只有几台主机，它们对于 C 类地址的使用效率很低；而大型

机构在寻找 B 类地址时却发现越来越难；那些幸运地获得 A 类地址的少数公司很少能够

高效地使用它们的 1 600 万个主机地址。这种情况的大量存在，一方面造成了 IP 地址资

源的极大浪费，另一方面导致 B 类地址面临着即将被分配殆尽的危险。与此同时，一些

解决地址危机的办法开始得以广泛使用，其中包括无类别域间路由选择（CIDR，Classless

Inter-Domain Routing）、网络地址转换（NAT，Network Address Translation）和使用非选

路网络地址。

一个需要全球唯一地址的网络示例是电话系统：每个电话用户必须具备一个唯一的

电话号码。随着电话网络的扩展和用户数量的增加，电话公司用增加交换局和地区号来

加长电话号码的做法并不少见。与电话号码不同，虽然 IP 地址也是由数字组成，但它既

不能多于也不能少于 32 位。正如在美国使用的 10 位电话号码把电话用户的数量限制在

了 1010之内，32 位地址限制了因特网的地址数量不能超过 2

32，即接近于 40 亿。与电话

号码一样，真正可用的地址少于理论值（在因特网地址中更少），这主要是由于一些号码

被保留或具备了特殊意义。地址空间的限制是 IPv4 的根本问题。但是，就像被过度使用

的桥或高速公路一样，IPv4 已经走到了尽头并且必须马上升级。

考虑到 IPv4 存在的时间，它确实工作得不错。那为什么还要用其他的东西来替换它

呢？毕竟如果把 IPv4 替换掉的话，网络中的所有系统均需要升级。升级到最新的微软

Windows 易如闲庭信步，但 IPv4 的升级对于大型组织来说，简直就是一场恶梦，比全国

13 亿中国人换发第二代居民身份证工程量还要大。我们讨论的网络可能包括十亿甚至更

多的遍布全球的系统，上面运行着不知道多少种不同版本的 TCP/IP 联网软件、操作系统

和硬件平台。要求对其中所有系统同时进行升级是不可想象的。

为了克服 IPv4 的以上不足，IETF 从 90 年代初开始制定 IPv6 协议，最早的描述 IPv6

及其支持的协议的请求评论（RFC，Request For Comments）标准（RFC1883~1887）于

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118

1996 年早期发表，其中 RFC1883 中描述的是协议本身，而 RFC1884 介绍的是 IPv6 的地

址结构。后来，RFC2373（IPv6 的寻址体系结构）替换了 RFC1883，RFC2460 标准正式

取代了 RFC1883 标准。

IPv6 继承了 IPv4 的端到端和尽力而为的基本思想，其设计目标就是要解决 IPv4 存

在的问题，并取代 IPv4 成为下一代因特网的主导协议。IPv6 的地址长度由 IPv4 的 32

位扩展到 128 位，提供了充分大的空间以满足各种设备的需要。另一个值得考虑的因素

是地址分配。IPv4 时代因特网地址分配的教训使人们意识到即使有 128 位的地址空间，

一个良好的分配方案仍然非常关键。

IPv6 并不等同于下一代因特网，但它是下一代因特网的核心和灵魂。下一代因

特网始于美国克林顿政府的下一代因特网（NGI，Next Generation Internet）计划。

下一代因特网几个基本计划几乎是并行提出和进行的，它们是：美国国家科学基金

会（National Science Foundation，NSF）超高带宽网络服务（Very High Bandwidth

Network Service，VBNS），高等院校与企业合作的 Internet2，白宫下一代因特网 NGI

倡议。

超高带宽网络服务（VBNS）：1995 年，美国国家科学基金会就 VBNS 与 MCI 公司

签订 5 年合作协议，VBNS 于 1995 年 4 月起投入运行，连接 5 个超级计算机中心和 100

所大学及研究机构，到 2000 年 VBNS 主干速率升级到 2.5Gbit/s。

Internet2：1996 年 10 月 1 日，美国一些科研机构和 34 所大学代表在芝加哥聚会，

提出开发新一代因特网，取名“Internet2”，以提供高速因特网服务的设想。1997 年

9 月，高级因特网开发合作组织成立，以管理 Internet2 和帮助其他联合组织。

Internet2 的建立不是为取代因特网，也不是为普通用户新建另一个网络，而是用于

教育和科研。

白宫下一代因特网：Internet2 提出之后，美国政府随即于 10 月 6 日宣布白宫 NGI

这一多机构倡议。1997 年，研究机构已经演示了 5 种“前期应用”。NGI 计划的研究工

作主要涉及协议、开发部署、高端试验网以及应用演示。其中某些目标会通过 Internet2

或 VBNS 来实现。NGI 计划在 3 个倡议计划中是最领先的。它的一个关键目标是开发和

演示两个试验网，要在端到端的速率方面分别比目前的因特网快 100 倍和 1 000 倍，即

达到 100Mbit/s 和 1Gbit/s。

下一代因特网与现在使用的因特网相比，具有革命性的优势，如图 4-5 所示。

更大：下一代因特网将逐渐放弃现在使用的 IPv4，启用 IPv6 地址协议。目前使用

的 IPv4。其地址为 32 位编码，可提供的 IP 地址大约为 40 多亿个，而且由美国掌握绝

对控制权，全球已面临 IP 地址枯竭的危机。IPv6 的地址是 128 位编码，能产生 2128

个

IP 地址，地址资源极为丰富，其数量之多可以这么形容：如果地球表面铺上一层沙子，

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

119

那么每一颗沙子都可以拥有一个 IP 地址。采用 IPv6 地址后，未来的移动电话、冰箱等

信息家电都可以拥有自己的 IP 地址，让数字化生活变成现实。同时，网络规模将更大，

接入网络的终端种类和数量更多，网络应用更广泛。

图 4-5 IPv6 的特征描述

更快：速度是当前网速的 1 000 倍，即可以实现 100Mbit/s 以上的端到端高性能通信。

同时，传输和处理速度更快。

更安全：由于身份标识与唯一 IP 地址绑定，因而可实现地址溯源。可以进行网络对

象识别、身份认证和访问授权，具有数据加密和完整性，能够实现一个可信任的网络。

同时，将会有更严格的管理规范，在确保网络畅通的同时，保证了管理及安全，对预防

黑客和病毒攻击更有章可循。

可控可管：网络地址规划将更为科学合理，网络流量控制更为简单，用户行为分析

和控制将更为精细，可以提供有序的管理、有效的运营、及时的维护。

从前，在饥荒的年月，旅行者来到贫穷的小镇。一个当地的村妇看见他把水灌入壶

中，用小火煮了起来。他把一颗拳头大小的鹅卵石放入水中，坐下来等着。过了一会儿，

几个村民好奇地围拢过来。一个小伙子忍不住问道：“你煮石头干吗？”外乡人答道：“我

在用魔石煲汤！它能滋阴补阳„„但是没有什么味道，你们不会喝的。”一个村民说应该

加一些白菜，就有味道了，另一个人建议放一些胡萝卜。那个人摇摇头说：“我可没有这

大话物联网

120

些东西，我不放了。”那两个村民就自己放了一些东西进去，马上其他人也放了一些自己

喜欢的东西—土豆、盐、胡椒、洋葱、鸡进去„„一会儿，全村人都来享用丰盛的晚

餐，载歌载舞，直到深夜。第二天，外乡人把那块魔石送给了那个村庄，继续前进。到

了下一个村庄，他如法炮制，又在路边找了一块魔石„„

魔石煲汤是一个古老的故事，但是它却有着现代的意义，这就是 Web 2.0—大杂

烩的世界：个人资源被共享以后，就有了新的用途，可以达到大家共同的目的。

因特网的发展经历了几个阶段：萌芽期、Web 1.0 时代、Web 2.0 时代和 Web 3.0（移

动因特网）时代。在因特网出现前，PC 面临的最大问题是“孤芳自赏”，无法实现信息

的共享，因特网应运而生。但是，在萌芽期，人们慢慢发现，因特网只是局限在少数人，

而它的潜力却不仅仅在此，因此，因特网开始出现在普通人的视线中，因特网开始进入

Web 1.0 时代。

在 Web 1.0 时代，最突出的问题是内容奇缺，因此，门户网站成为因特网的主流，

如新浪、搜狐等网站开始崭露头角。接下来是被称为“信息爆炸”的阶段，因特网企业

恨不得把所有的报纸、杂志和一切可以搬上因特网的信息都搬上因特网，因此，这一时

期因特网的最大问题不是信息过少，而是过多，造成信息的堆砌—用户需要的信息被

大量杂乱的信息所淹没，因此，信息的筛选和搜索成为当务之急。因此，在这一时期，

谷歌、百度等搜索引擎公司大行其道，成为因特网企业中的新宠。

随着因特网的进一步发展，人们渐渐发现，与以往任何媒体不同的是，因特网

是最大的舞台，一个人人可以参与的舞台，而在这当中，“群众的力量”还远远未

被挖掘出来。至此，Web 2.0 悄然而至，社区、博客、消费者对消费者（C2C，Customer

to Customer）电子商务大行其道，他们共同的特点是：搭建一个平台，方便用户的

参与—用户参与创建内容、提供信息、进行交易、进行传播。从因特网的发展历

程来看，因特网是在不断“进化”，而在进化的过程中，是围绕一个“中心”、一个

“特征”展开的—一个“中心”就是“以用户的需求”为中心，一个“特征”就是

因特网特征：开放、平等、分享、互动、创新。因特网从萌芽期到 Web 2.0 时代，

越来越开放，越来越平等，越来越强化用户的互动、分享和创新，人们通过因特网

不断提高沟通效率，不断释放生产力。

许多人们认为 Tim O'Reilly，一个书籍出版商和 Web 2.0会议的创立者发明了 Web 2.0

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

121

这个词，实际上是一个为他工作的人首先创造了这个词，用以言简意赅地表达 O'Reilly

所阐述的思想。

2007 年 3 月，Tim 写了一篇题为《什么是 Web 2.0：下一代软件的设计模式和商业

模型》的文章：文中提到是奥瑞利（O'Reilly）副总裁（VP，Vice President）戴尔·多尔

蒂（如图 4-6 所示）在 2004 年初创造了这个词。当时，多尔蒂是奥瑞利的 Make 杂志的

主编和发行人。

Web 2.0 这一说法现在已成业界热点。毫不

夸张地说，万众瞩目、赢得诸多追光、人人得

而欣喜不已、照到哪里哪里亮„„而它最早出

现，是在 2004 年美国著名的奥瑞利公司主办的

一次会议上。在这个头脑风暴会议上，为了吸

引更多人的关注，会议的主办者—戴尔·多尔

蒂（Dale Dougherty）与在线媒体（Media Live）

公司的克雷格·克莱恩（Craig Cline）煞费苦

心地选择了“Web 2.0”这一另类的词汇作为会

议的中心议题，奥瑞利公司副总裁戴尔·多尔

蒂在这次会议上指出，网络非但没有破灭，而

且随着许多令人激动的新程序和网站的突然出

现，网络比以往的作用更重要。2004 年 10 月，

这两家公司联合召开了全球第一次 Web 2.0 主题会议。第二次的年会已在 2005 年 10 月

举办。在他们的会议开场白上，O'Reilly 和 Battelle 总结了他们认为的表现了 Web 2.0 应

用特色的一些关键原则。

① 多人参与。在 Web 1.0 里，因特网内容是由少数编辑人员（或站长）定制的，比

如搜狐；而在 Web 2.0 中，Web 2.0 网站的内容通常是用户发布的，使得用户既是网站内

容的浏览者也是网站内容的制造者，这也就意味着 Web 2.0 网站为用户提供了更多参与

的机会，例如博客网站和维基就是典型的用户创造内容的指导思想，而标签技术（用户

设置标签）将传统网站中的信息分类工作直接交给用户来完成，每个人都是内容的供稿

者。在 Web 2.0 信息获取渠道里，真正简易聚合（RSS，Really Simple Syndication）订阅

扮着一个很重要的作用，如图 4-7 所示。

② 人是灵魂。在因特网 Web 2.0 时代，信息是由每个人贡献出来的。各个人共同组

成因特网信息源，Web 2.0 的灵魂是人，如图 4-8 所示。

图 4-6 戴尔·多尔蒂

大话物联网

122

图 4-7 多人参与

图 4-8 Web 2.0 的灵魂是人

③ 可读写因特网。在 Web 1.0 里，因特网是“只读式因特网”，而 Web 2.0 是“可

读写因特网”。如图 4-9 所示。Web 2.0 更加注重交互性，不仅用户在发布内容过程中实

现与网络服务器之间交互，而且也实现了同一网站不同用户之间的交互，以及不同网站

之间信息的交互。

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

123

图 4-9 Web 2.0 是可读写因特网

④ Web 2.0 的元素。Web 2.0 包含了我们经常使用到的服务，例如博客、播客、维

基、沃客、P2P 下载、社区、分享服务等，如图 4-10 所示。例如，博客/网志（Blog）是

一个易于使用的网站，你可以在其中迅速发布想法，与他人交流以及从事其他活动，所

有这一切都是免费的。RSS 是站点用来和其他站点之间共享内容的一种技术，最初源自

浏览器“新闻频道”的技术，现在通常被用于新闻和其他按顺序排列的网站。维基百科

全书是一种多人协作的写作工具，其站点可以有多人（甚至任何访问者）维护，每个人

都可以发表自己的意见或者对共同的主题进行扩展或者探讨。

图 4-10 Web 2.0 的元素

目前，中文因特网中的 Web 2.0 站点非常多，如图 4-11 所示。

大话物联网

124

图 4-11 中文 Web 2.0 站点

当前，大量关于移动因特网业务应用场景的描述充斥于各个国际/国内服务提供商、

电信运营商、设备制造商、咨询调研公司的报告和宣传材料当中。他们在给用户描述一

个到处都是移动因特网的世界。当你看到那些绘声绘色、千变万化的场景描述时，感觉

自己仿佛是在看科幻小说。本书在对移动因特网进行介绍之前，不妨也从善如流，描绘

一系列 3G 应用场景，以给人身临其境之感。我们尽量保证所有描述的场景具备实现的

可能性，以避免这种类似讲故事般的描述真的成了科学幻想而无法在将来实现。让我们

将摄像机对准老狼，一位普通高校老师，片名暂定为《老狼的一天》。

8:00—老狼走进某早点店。老狼通过手机拍照该店先前刊登在海报上的打折信息，

拿到了电子折扣券。吃完早饭后，老狼将手机在扫描器上一放，买单过程瞬间完成。

8:20—老狼在候车期间。使用手机下载了最新流行的《爱情买卖》手机铃声。这

些天小女儿天天嘴里哼的就是这个调子，老狼想：回家两岁女儿又会抱着他猛亲了。

8:30—老狼在公交车上用手机上网浏览本市新闻，并通过手机查看昨天的股市行

情和收看订阅好的科技新闻。

9:00—系里开交班会，老狼用手机接收邮件，并将几封急需处理的邮件简单进行

了回复。会开得很长，老狼百无聊赖之际，用手机即时通信与朋友聊天，并开始在手机

上“偷菜”。

10:30—手机弹出日程表信息，提示老狼 11:00 要会见一位客人，对方是北京某知

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

125

名出版社的编辑，商谈下一本通信技术科普读物的出版事宜。该编辑的名片信息已经提

前通过彩信传给老狼，老狼进入了对方的博客，浏览了该编辑的家庭籍贯，包含习惯、

毕业院校、专业方向等信息。经过短暂思考，老狼确定了会客的交谈主题，成竹在胸，

踌躇满志。

12:00—老狼与编辑会谈愉快，中午一同进餐，老狼打算寻找一个比较有特色的

餐厅，走出办公室外时他利用了手机位置搜索的业务，很快在手机上展现了他们周边

的地图，同时在地图上明确标识了餐厅的位置和特色菜，老狼用手指触摸显示屏，一

个距离较近的西餐馆弹出了新的特色菜—西式烤鱼和相关折扣信息，老狼确认了该

折扣信息，于是手机上出现了一条电子折扣券，然后两人一同到该餐厅进餐。老狼点

了一瓶国内知名品牌的红酒，发现有点奇怪，开始怀疑此酒的真伪，他通过手机中的

RFID 读写器实现对商品上的 RFID 防伪标识进行识读，同时通过后台完成了对产品的

防伪认证。

14:00—老狼的老婆巧巧打来电话，说中午出去逛街时发现了一款新外套，让老狼

过去帮忙参谋参谋。老狼建议巧巧将这款外套拍摄下来，将照片发给巧巧的闺中密友小

雪—小雪属于资深购物专家兼砍价专家。小雪告诉巧巧一个合适的价格底线，在一轮

与销售小姐唇枪舌剑的砍价之后，巧巧高兴地购得了该外套，今夜做梦都会笑。

15:00—老狼的死党诚诚在电影院定了两张最近热播的大片《唐山大地震》的电影

票，通过加密彩信将一张二维码电子票发到老狼手机上。诚诚是某电影院的经理，有大

片好片时总会慷慨请客，真是纯哥们儿。老狼是冯小刚导演的铁杆粉丝，许多冯导作品

的经典台词经老狼改造后都成为大家津津乐道的“狼氏语录”。老狼的手机电视节目单上

正好有一个该片的片花介绍，老狼打开流媒体播放器，喜滋滋地先睹为快。

16:00—老狼通过手机访问自己的博客，发现昨天上传的名为“再回首”的全家福

照片下面多了不少评论，其中的一条评论令老狼激动不已，那是他初恋女友莉莉的留言。

老狼诗意大发，随即给莉莉回复：“蓦然回首，伊人嫁作他人妇。”

18:00—家里来电话了，要进行视频聊天，原来老狼妈妈想孙女了。老狼三弟打开

了计算机，通过聊天软件和摄像头与老狼的手机进行视频对话。程程又是背唐诗，又是

唱歌跳舞的，逗得老狼妈妈大笑到咳嗽。末了，老狼妈妈又嘱咐老狼夫妇，要注意身体，

工作休息同样重要。真是可怜天下父母心呀！

19:00—老狼一家三口来到诚诚的电影院，在电影院门口出示电子票。在电影院的

海报上又在宣传最新精彩大片，老狼用手机扫过海报，一个网址出现在手机显示屏上，

那里有该电影的预告和片花。

21:00—系主任打过电话，要老狼第二天下午飞到 A 市参加一个学术研讨会。老

狼查询了该城市明天的天气并在手机上下载了 A 市的地图。他突然想到了同学勺子在

大话物联网

126

A 市高就，于是打了一个视频电话，好久没见过老同学了，到那边相约好好 PK 一下子

酒量。

移动互联的时代来了，将会深刻地影响我们每个人的生活，如同因特网曾经做到的

一样。因特网时代的江湖很热闹，热闹到许多不相关的人会投身到因特网江湖里来，包

括修路的、盖房的、造水泥的„„都纷纷声称要向因特网转型。移动互联时代的江湖很

寂静，但是昨天的喧嚣仍然历历在目：被移动梦网拯救的门户网站、三年登录纳斯达克

的企业传奇、强捆用户订购的疯狂、自消费和刷卡冲量的荒唐，然后是政府的限期整

改„„一切就像是半夜的迪斯科舞厅，强光闪烁、人影晃动，当曲终人散的时候，一切

突然归于沉寂。

2007 年，当苹果的 iPhone 横空出世，大部分人以为它还只是个“会释放雾气”的

品牌：智能手机由此从黑莓时代的商务工具进入寻常百姓家，但没有太多人注意到它所

意味的可能不仅是生活方式，而是生活道路。直到 3 年后，一个崭新的时代已呼之欲出。

根据摩根士丹利 2009 年底出炉的《移动因特网研究报告》，技术发展周期一般会持

续 10 年的时间，继大型机、小型机、个人计算机、桌面因特网之后，技术发展周期已于

3 年前（2007 年）进入下一个重大计算产品发展周期，即移动因特网发展周期，如图 4-12

所示。

图 4-12 技术发展周期划分

人们正跑步进入移动因特网新时代，移动因特网的发展速度远快于桌面因特网，且

规模大得超乎所有人的想象，如图 4-13 所示。移动因特网代表着五大趋势（3G、社交、

视频、网络电话和日新月异的移动装置）的融合。

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

127

图 4-13 移动因特网市场的规模至少将是桌面因特网的 2 倍

移动因特网是什么？移动因特网≠移动 + 因特网，不等于简单的无线接入+因特网

内容服务。实质上，移动因特网体现的是融合—移动和因特网的融合，发生的不是

物理变化，而是化学变化，二者有机结合出现新的产业形态，用数学的方法来表示就

是：移动因特网 = 移动 × 因特网。所谓长江后浪推前浪，移动因特网继承了移动随时

随地随身和因特网分享、开放、互动的优势，是整合二者优势的“升级版本”。它将因

特网延伸至随时随地。因特网将不再局限于办公室或者家里的 PC，而将延伸至 PC 和

任何可移动终端，如手机、个人数字助理（PDA，Personal Digital Assistant）、MP3、

手持游戏终端等。

移动因特网的概念是相对传统因特网而言，强调可以在随时随地，并且可以在

移动中接入因特网并使用业务。与此类似还有无线因特网的概念，强调以无线方式

而非同轴、双绞线、光纤等有线方式接入因特网并使用因特网业务。一般来说移动

因特网与无线因特网并不完全等同：移动因特网强调使用蜂窝移动通信网接入因特

网，因此常常特指手机终端采用移动通信网（如 2G、3G、4G）接入因特网并使用

因特网业务；而无线因特网强调接入因特网的方式是无线接入，除了蜂窝网外还包

括各种无线接入技术，例如便携式计算机采用 802.11（Wi-Fi）技术接入因特网并使

用因特网业务。

随着电信网络和计算机网络在技术、业务方面的相互融合，手机除了通过移动通信

网接入因特网之外，也可以通过 Wi-Fi 接入因特网；便携式计算机除了通过无线局域网

（如 Wi-Fi）之外，也可以使用数据卡通过移动通信网接入因特网。很多人已经不再纠缠

移动因特网与无线因特网的细微差别。一般人们可以认为移动因特网是采用手机、个人

数字助理（PDA）、便携式计算机、专用移动因特网终端等作为终端，移动通信网络（包

括 2G、3G、4G 等）或无线局域网作为接入手段，直接或通过无线应用协议（WAP）访

问因特网并使用因特网业务。移动因特网网络结构如图 4-14 所示。

大话物联网

128

移动因特网的发展经历了两个阶段：封闭

发展阶段和融合发展阶段。

封闭发展阶段。1997 年，当因特网红红火

火的时候，就有人开始在想是否可以照搬它的

成功，于是就开发出来一个叫无线应用协议

（WAP，Wireless Application Protocol）的东西，

实质上它就是因特网的翻版，只是它是为手机

量身定做的“因特网”而已。在这一阶段，从

协议到应用，WAP 从因特网移植的痕迹就是跳

进黄河也洗不清。移动因特网在很大程度上复

制了传统因特网，手机相当于计算机，手机号

码就像是因特网络的 IP 地址，移动运营商的

GSM 和 CDMA 网络就像是因特网，而短信网

址则是移动因特网的中文实名，用户可以不去

记网站的手机号码，直接进行网站的访问。与因特网相比，移动因特网更加方便灵活，

可以随时随地进行访问。但是，它在平台层面并没有实现 WAP 和因特网的无缝对接，

WAP 网络完全是一个封闭的网络，是一个“有围墙的花园”，可以把它理解为一个面向

手机客户的巨大的“局域网”。它体现的仅仅是手机随时随地的优势，而没有体现因特网

分享、开放的优势。

融合发展阶段。严格意义上来说，WAP 阶段只能算是移动因特网的雏形，而第二阶

段手机和因特网的融合才是真正的移动因特网，实现了移动通信和因特网的“胜利会

师”。在这一阶段，一个重大的变革是通道和应用实现了分离，从而导致在应用层面，

业务和平台从封闭走向了开放，花园的围墙被推倒了，移动网络和因特网之间的隔阂没

有了，世界变平了！从竞争的角度来看，这是革命性的变化；在某种意义上来说，电信

运营商与因特网企业突然变成了针尖对麦芒的竞争对手—除非运营商甘心只做通道。

而在这一过程中，电信运营商遇到的最大挑战就是：在移动因特网时代，手机号码不再

是客户身份识别的唯一手段，应用识别码也可成为用户的识别码，如 QQ 号码未来就可

能成为通用的用户识别码。这就意味着手机号码对用户的捆绑作用未来可能会消失—

就像现在的不对称数字用户线（ADSL，Asymmetric Digital Subscriber Line）接入码一样，

一旦接入网络之后就失去意义。因此，最好的办法就是运营商通过一些应用来强化手机

号码作为认证的手段，如飞信、手机邮箱等基于手机号码的黏性新业务，将手机号码打

造成未来的“网络身份证”。

因此，从本质上，移动因特网继承了移动和因特网二者的特征。因特网的核心

图 4-14 移动因特网网络结构

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

129

特征是开放、分享、互动、创新，而移动通信的核心特征是随身、互动，由此不难

看出，移动因特网的基本特征就是用户身份可识别、随时随地、开放、互动和用户

更方便的参与，是用户身份可识别的、口袋中的新型因特网。狄更斯的《双城记》

开篇就说：“这是一个最好的时代，这是一个最坏的时代。”让我们对移动因特网的

明天拭目以待吧。

在中国因特网行业，流传着胡启恒院士的一句话：“因特网进入中国，不是八抬大轿

抬进来的，而是从羊肠小道走进来的。”20 年时间，中国的因特网从最初的一个点、一

条线成为一张网，直至一份对未来的期待。在现实与虚拟的交错中，一个因特网大国正

在快速崛起„„

20 年前，人们不知道因特网是什么样子；20 年后，人们无法想象没有因特网的生活

是什么样子。弗里德曼则在《世界是平的》中说，电子邮件是推动“世界是平的”的一

种基本力量。只因基于因特网技术的电子邮件比我们先前的任何一种通信方式都来得便

捷，使得信息交流跨越了时空的概念。

1993 年，李春波的《一封家书》唱出了书信所能承载的浓浓乡愁；1996 年，汤姆•

汉克斯与梅格•瑞恩的《电子情缘》在演绎了一段甜美爱情的同时，也为全球观众上了

一堂浪漫的 E-mail 知识普及课。从手写书信到电子邮件，这是十几年间的一个悄然转

变，转变的背后，是一个个少数人口口相传的故事，更是一道道国家信息化进程留下

的车辙。

1987 年 9 月 14 日晚，北京计算机应用技术研究所（ICA，Institute for Computer

Application），十几个人围在一台西门子 7760 大型计算机旁，他们的任务是发送一封

电子邮件，内容以英德两种文字书写，中

文译为“越过长城，走向世界”，如图 4-15

所示。在德国卡尔斯鲁厄大学维纳·措恩

教授带领的科研小组的帮助下，王运丰教

授和李澄炯博士等在北京的计算机应用技

术研究所建成了国内第一个电子邮件节

点。但第一次发送，却因计算机科学网，

（CSNET，Computer Science Network）邮件

服务器上的一个数据交换协议存在漏洞而

失败。1987 年 9 月 20 日 20 点 55 分，这封邮件终于穿越了半个地球到达德国，中国

因特网在国际上的第一个声音就此发出。据粗略估算，发送这封邮件的费用将近 50

图 4-15 我国最早的电子邮件发送场景

大话物联网

130

元人民币。

从第一封电子邮件发出，到下一代因特网抢占网络技术发展制高点，20 年间，一个

快速成长的因特网大国正在崛起，中国在国际因特网的地位与日俱增。随着网络的发

展，IP 地址资源枯竭和不断升级的安全问题已成为因特网难以承受之痛，在因特网面临

凤凰涅槃的时候，我们欣喜地看到，中国的下一代因特网已经走在了世界前列。

4.2

移动通信网

2009 年“物联网”被媒体炒得炙手可热，比较 3G 有过之而无不及。物联网的发展

离不开应用，所以物联网的发展一定是结合各个行业、各个方面的应用来做的。工业、

农业、环保、安全等各行业应用是物联网发展的重要驱动力，且物联网的发展必然需要

各部门之间、地区之间、行业之间的联动。3G 网络的发展为信息无线传输提供了高速和

安全可靠的通道。

目前，物联网对于 3G 的价值在于用物联网理念引导客户，结合技术产生创新性需

求，这是一个运营商和用户互动提升的过程，最终找到满足用户需求的应用。总体来说，

物联网不会因为从 2G 到 3G 的变化就出现突飞猛进的发展，制约它发展的因素也不会因

为 3G 的到来而被解决，3G 也不会因为引入物联网而在应用方面得到极大的丰富，二者

只是一定程度上互为促进而已。

手机，曾是人们炫耀身份的资本，遥想当年的大砖头时代，手机只是少数富人才用

得起的奢侈品。如今，一个人装着几个手机都不鲜见，手机早已成为生活的一部分。

20 世纪 70 年代末，AT&T 的贝尔实验室发明了美国的第一个蜂窝电话系统，即高

级移动电话系统（AMPS，Advanced Mobile Phone System）。1983 年，Ameritech 公司的

AMPS 首次在芝加哥的城区和郊区部署。当年，美国联邦通信委员会（FCC，Federal

Communications Commission）分配了位于 800MHz 频段的 40MHz 频谱给 AMPS，到了

1989 年，由于业务量激增，FCC 又额外分配了 10MHz（称为扩展频谱）给 AMPS。北

欧也于 1981 年 9 月在瑞典开通了北欧移动电话（NMT，Nordic Mobile Telephone）系统，

1985 年英国开通了全接入通信系统（TACS，Total Access Communication System），同年

意大利开通了无线电话移动系统（RTMS，Radio Telephone Mobile System），德国开通了

C-450 系统等，这就是第一代移动通信系统（1G，First Generation）。

第一代移动通信系统的核心技术是频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

131

Acces），即不同的用户分配在时隙相同而频率不同的信道上，它采用调频的多址技术。

业务信道在不同的频段分配给不同的用户，如 TACS 系统、AMPS 系统等。我们可以想

象一个很大的会议室被均分成很多的小隔间，每一个隔间里都有一对人正在交谈。这样

由于隔间的分离，谈话都不会听到其他人交谈，这就像一个“FDMA”系统。

第一代移动通信系统，俗称“大哥大”。在中国香港一些警匪片中，黑社会资格较老

的成员一般称为“大哥”，而头头、老板之类则称为“大哥大”。由于这些“大哥大”常

手拿“移动电话”在屏幕上出现，所以人们便把“移动电话”叫“大哥大”。但是只流行

于手提电话初面世那几年，等到大部分人手里都有一部而且是最新款时，就改称手机了。

“大哥大”电话体积大，常被戏称为“砖头”。它采用模拟信号传输，只能应用在一般语

音传输上，而且音质低，信号不稳定，覆盖范围不够全面，话费贵得吓人，信号也容易

被破解窃听。

处于改革开放的最前沿的广东，改革开放初期许多投资广东客商手中的“大哥大”

因为内地没有移动通信网络而处于闲置状态。而与之毗邻的港澳地区模拟移动电话网已

经起步。1987 年，我国确定了以 TACS 制式作为我国模拟制式蜂窝移动电话的标准。广

东为了与港澳实现移动通信接轨，率先建设了 900MHz 模拟移动电话。11 月 18 日，在

第六届全国运动会召开前夕，广东省珠江三角洲移动电话网首期工程开通。11 月 21 日，

第一个手机用户在广州产生。广州也开通了我国第一个移动电话局，号码长度为 6 位，

首批用户为 700 个，实现了我国移动电话用户“零”的突破，这也标志着我国开始进入

大容量蜂窝式公用移动通信阶段。当时，经过激烈的争论后，在爱立信和摩托罗拉之间

确定了爱立信厂家的产品，认为爱立信的产品更助于以后的联网和漫游，因为爱立信采

用的是国际电信联盟的标准，而当时的摩托罗拉则采用的是本国标准，对漫游方面的关

注不如爱立信。直到后来全国开始了大规模的模拟网建设后，仅仅爱立信一家的产品和

服务都远不能满足当时建网的需要时，原邮电部决定引进摩托罗拉的设备，这也是为了

引入市场竞争机制，促使模拟网设备的价格有了较大幅度的下降。而实际上，由于初期

人们对移动网的认识有限，总认为它是市话的延伸和补充，同时资金也有限，模拟网发

展得并不是很快。尤其是到了 20 世纪 90 年代初，数字通信的风声开始起来了，人们在

模拟网上的投资也就愈发显得谨慎。

于是，摩托罗拉在北京设立了办事处，推销移动电话。这种重量级的移动电话，厚

实笨重，状如黑色砖头，重量都在 500g 以上。它除了打电话没别的功能，而且通话质量

不够清晰稳定，常常要喊。它的一块大电池充电后，只能维持 30 分钟通话。虽然如此，

“大哥大”还是非常紧俏，有钱难求。能搞到“大哥大”批文的是“高级倒爷”。有一个

90 年代初的笑话说，有钱人就是“开着桑塔纳，打着大哥大。”

当年，“大哥大”公开价格在 20 000 元左右，但一般要花 25 000 元才可能买到，黑

大话物联网

132

市售价曾高达 5 万元。这不仅让一般人望而却步，就是中小企业买得起的也不多。让摩

托罗拉公司也没有料到的是，“大哥大”很快就得到了当时一部分先富起来的人的青睐。

由于“大哥大”身躯庞大，使用它的人也多是商界大哥级的人物，物随主贵，“大哥大”

很快成为身份显赫的象征，如图 4-16 所示。那年头，人们对私家车没什么概念，也很少

心生羡慕。那时你开一辆宝马车出门，别人也以为是公家车，远远不如“大哥大”那么

耀眼。很快人们以拥有“大哥大”为荣，开始了一种炫耀攀比式的消费。

图 4-16 移动通信起步阶段，大哥大成为一种身份象征

性格外向的人，会整天手拿“大哥大”，吃饭喝茶谈判，往桌上一放，就像押上了一

个富贵的筹码和权杖，立刻会获得多一份尊重，生意谈判也因此变得轻松。性格收敛的

人，会将“大哥大”放在擦得铮亮的老板包中，老板包夹在腋下。适当时拿出来，拉出

长长的天线，花上一元一分钟的话费，在人群里喊上一句：“喂！喂！听不清，你再说一

遍。”便引来无数惊羡的目光。那个年代的人们很淳朴，从不隐藏自己对别人的仰慕之情。

很多人因为有了“大哥大”，迅速打开了自己的社交圈。一时间，梳大背头、抹发胶、手

持“大哥大”，成了不少人理想中的富人形象。

在各地引进摩托罗拉设备后，由于两家产品组建的网络所使用的频率不同，人们通

常把用爱立信设备组建的模拟网称为 B 网，把由摩托罗拉设备组建的网络称为 A 网。B

网使用的频率是 900～920MHz，A 网使用的频率是 920～940MHz。广东一直使用的是 B

网，紧跟其后的北京则是 A、B 两网并存。

在模拟网开通初期，由于各地的网络还没有互联，导致不少经常出差的用户要同时

配备若干个手机号码，每到一地就换一个号码，非常不方便。所以在引进模拟网不久，

我国就开始就联网漫游问题进行讨论。而当时的实际情况是，A、B 两网各自之间的联

网不成问题，但 A、B 网之间的联网就成了很让人头疼的一件事，原邮电部还为此专门

成立了漫游联网工作组，负责两网之间的漫游联网工作。最初两网之间采取的是人工漫

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

133

游的方式，直到 1995 年才发展为自动漫游。而此时的 GSM 数字网络已开始大规模的建

设，原邮电部的专家们也吃够了 A、B 两网互联漫游的苦头。

“大哥大”的出现，意味着中国步入了移动通信时代。它虽然是移动通信历史上奠基

式的革命，但最初的模拟网只能人工漫游，1995 年才实现自动漫游。但随着数字网的日

益壮大，到了中国已拥有上千万用户的 21 世纪之初时，容量有限的模拟网已经没有太

多存在的价值，“三网并行”也给运营商的运营维护带来了诸多的不便，并带来了频率

浪费的问题，而且由于模拟网功能有限、成本偏高、终端价格太贵等原因，已经很难再

与 GSM 数字网在同等平台上进行竞争。

而此时，更先进的 GSM 数字网络已开始大规模建设。在原邮电部统一部署下，模

拟用户开始通过自然淘汰、适当引导等方式，逐步转入数字网，并于 2001 年在全国关闭

了 A、B 两网。至此，国人算是彻底告别了模拟的语音时代，以小步快跑的步伐几乎没

有多少思想准备就进入了快速发展的数字语音时代，过去的“大砖头”也瞬间变换成了

一部部小巧精致、功能多样的各式手机。

不过，模拟网依然对我国移动通信事业起到很大的推动作用。数据显示，1988 年，

我国大陆电话用户为 493.32 万户，移动电话用户 3 227 户，移动电话普及率低于

0.001%；到 1998 年，大陆电话用户 1.12 亿户，移动电话用户增至 2 500 万户，普及率

达到 2%。

当年人们一丝一毫也不会料想到，在 20 多年以后的今天，就连街边拾荒者手里都

会有一个小巧玲珑的手机。手机已不再是过去富人们吃饭时立到饭桌中间炫耀的奢侈

品，而是成为大众消费的普及型用品。虽然粗笨的大哥大和它的长天线已定格在了历史

的长卷中，但那些妙趣横生的场景，仍值得人们反复品味。

蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利

用率并增大了系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务

范围，但上述模拟系统有 4 大缺点：各系统间没有公共接口；很难开展数据承载业务；

频谱利用率低无法适应大容量的需求；安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。尤其是

在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游，给客户带来很大的不便。

GSM 数字移动通信系统源于欧洲。早在 1982 年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统

在运营，例如北欧多国的 NMT（北欧移动电话）和英国的 TACS（全接入通信系统），

西欧其他各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方

便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统。1982 年，北欧国家向欧洲邮政电信

管理部门会议（CEPT，Conference of European Posts and Telecommunication）提交了一份

大话物联网

134

建议书，要求制定 900MHz 频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个

在欧洲电信标准化委员会（ETSI）下的移动特别小组（GSM，Group Special Mobile），

来制定有关的标准和建议书。

1986 年，该小组在巴黎对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的 8 个建议

系统进行了现场实验。1987 年 5 月，GSM 成员国就数字系统采用窄带时分多址

（TDMA）、规则脉冲激励—长时预测—线性预测编码（RPE-LTP，Regular Pulse

Excited-Long Term Prediction-Linear Predictive Coding）、话音编码和高斯滤波最小移频键

控（GMSK，Gaussian Minimum Shift Keying）调制方式达成一致意见。1987 年 9 月 7

日，来自欧洲 17 个国家的运营者和管理者在哥本哈根签署了一项关于在 1991 年实现泛

欧 900MHz 数字蜂窝移动通信标准的谅解备忘录（MoU，Memorandum of Understanding），

相互达成履行规范的协议。与此同时还成立了 MoU 组织，致力于 GSM 标准的发展。

1990 年，完成了 GSM900 的规范，共产生大约 130 项的全面建议书，不同建议书经

分组而成为一套 12 系列。1991 年在欧洲开通了第一个系统，MoU 组织为该系统设计和

注册了市场商标，将 GSM 更名为“全球移动通信系统”，从此移动通信跨入了第二代数

字移动通信系统。

1991 年，移动特别小组还完成了制定 1 800MHz 频段的公共欧洲电信业务的规范，

名为 DCS1800 系统。该系统与 GSM900 具有同样的基本功能特性，因而该规范只占

GSM 建议的很小一部分，仅将 GSM900 和 DCS1800 之间的差别加以描述，绝大部分二

者是通用的，二系统均可通称为 GSM 系统。

GSM 系统的核心技术是时分多址（TDMA）。采用时分多址技术，可以在不同的时

间，将业务信道分配给不同的用户，如 GSM、数字高级移动电话系统（DAMPS，Digital

Advanced Mobile Phone System）等。打个比方，可以想象一个很大的会议室被均分成很

多的小隔间，我们把隔间做得大些，这样一个隔间可以容纳几对交谈者。但是，大家的

交谈有一个原则：只能同时有一对人在讲话。如果再把交谈的时间按照交谈者的数目分

成若干等分，就成为一个“TDMA”的系统。

GSM 系统有几个重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话

清晰、稳定性强，不易受干扰，信息灵敏，通话死角少，手机耗电量低。

截至 2009 年，全球共有 39.3 亿 GSM 和 WCDMA/HSPA 用户。根据行业生命周期，

由于新兴市场的增长、GSM 终端相对低廉的价格和 GSM 技术革新等因素，GSM 的发

展将持续到 2014 年。GSM 继续推动着主要市场中移动业务的增长。全球移动用户中，

GSM 用户占了 83.5%，并且这一压倒性的比例持续了相当长的时间。在 2014 年之前，

GSM 的规模经济效应不会改变。随着 3G 的广泛应用，GSM 用户份额到 2013 年底可

能降至 56.4%。从技术前景来看，全球 GSM 网络工作于多个不同的频段（分为 2G 使

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

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用的 GSM 频段和 3G 使用的 UMTS 频段）。大多数 2G GSM 网络工作于 900MHz 或

1 800MHz 频段。北美国家（包括加拿大和美国）采用 850MHz 和 1 900MHz 频段，因

为 900MHz 和 1 800MHz 已经分配给其他地区。欧洲的大多数 3G GSM 网络工作于

2 100MHz 频段。

在我国，1992 年，原邮电部批准建设嘉兴地区全数字移动电话（GSM）演示系统。

1992 年 5 月 17 日，该系统完成第一阶段试验任务，包括网络调试、测验等。1993 年 9

月，嘉兴 GSM 网络正式向公众开放使用，这是我国第一个 GSM 系统。全国各地的移动

通信系统中大多采用 GSM 系统，使得 GSM 系统成为目前我国最成熟和市场占有量最大

的一种数字蜂窝系统。

1994 年，北京无线通信局给 GSM 网定名“全球通”，被原电信总局采用。随后，

GSM 网被统称为“中国电信全球通数字移动电话网”，简称“全球通”。业界一直把 1994

年 7 月 19 日联通成立日看作是中国数字网络时代的开始，因为联通采用 GSM 技术。联

通成立前，原邮电部曾多次组团考察欧洲的 GSM 技术。联通的成立促进了 GSM 网在中

国的落地生根，并在以后的发展中一发而不可收拾，且由中国移动发扬光大。而 1994 年

10 月 25 日由时任原邮电部部长吴基传在中国国际通信设备技术展览会上拨通的第一个

GSM 数字移动电话则可以看作是数字移动电话进入中国的一个标志性事件。

目前我国主要的两大 GSM 系统为 GSM900 及 GSM1800，由于采用了不同频率，因

此适用的手机也不尽相同。不过目前大多数手机基本是双频手机，可以自由在这两个频

段间切换。早期来看，GSM900 发展的时间较早，使用的较多，而 GSM1800 发展的时

间较晚。物理特性方面，前者频谱较低，波长较长，穿透力较差，但传送的距离较远，

而手机发射功率较强，耗电量较大，因此待机时间较短；而后者的频谱较高，波长较短，

穿透力佳，但传送的距离短，其手机的发射功率较小，待机时间则相应地较长。

GSM 数字网的全面发展促进了我国移动通信事业前所未有的发展。2010 年上半

年，仅中国联通，GSM 用户就累计净增 455.7 万户，用户总数达到 14 940.2 万户，同

比增长 6.4%。

20 世纪 80 年代末，全球范围从模拟向数字蜂窝技术的突然转变，使欧洲的 GSM 数

字技术受益匪浅，并迅速推广到近 100 个国家，占据了无可争议的市场领先地位。然而，

更具突发性的是 CDMA 技术在蜂窝移动通信中的应用。

CDMA 技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。与目前应用中的一些技

术一样，CDMA 的最初应用也是在军事领域。CDMA 移动通信系统是一个保密通信系

统，它的码址总共有 4.4 万亿种可能的排列，可防止窃听，保密性强。CDMA 技术是在

大话物联网

136

第二次世界大战期间因战争的需要而出现的，其初衷是防止敌方对己方通信的干扰，在

战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，其后才由高通公司开发成为商用移动通信技术。

创造 CDMA 标准并使其商用化，注定要在 3G 时代赚个盆盈钵满。CDMA 之父、美

国高通公司创始人艾文·雅各布博士（如图 4-17 所示）无疑是全球通信业界呼风唤雨的

人物。虽然许多中国企业对高通公司的“专利霸权”

愤愤不平，但艾文·雅各布传奇般的创业经历无法

不使人们对其敬仰有加。

艾文·雅各布的家乡在美国麻省的新贝德福德

（NewBedford）。1950 年，刚刚高中毕业的雅各布在

家人和学生顾问的建议下，进入了康奈尔大学酒店

管理系。然而在一年半以后，对理工学科一直很感

兴趣的雅各布，就毅然决定转学电子工程专业，并

于 1956 年顺利进入麻省理工学院，1957 年获得硕

士学位，1959 年获得博士学位。

到了麻省理工学院后，表现突出的雅各布博士

很快和一些信息理论专家取得了联系，这些专家包

括 Claude Shannon、Norbert Weiner、Robert Fano、Peter Elias 和 Y W. Lee。在这些专家

的影响下，他开始对信息理论感兴趣，并决定学习通信，也就是在那个时期，雅各布博

士开始深入接触 CDMA 的原始理论。Shannon 对 CDMA 基础理论的形成作出了极大贡

献，出于对该理论的浓厚兴趣，雅各布博士毕业以后决定留校任教，同时继续他的通信

理论研究工作。1964 至 1965 学年期间，他请假去加利福尼亚推进技术试验室担任美国

国家航天局的一名驻留研究员。在那里，雅各布第一次与 Andrew J. Viterbi 教授相识，

而且成为了好朋友。

回到麻省理工学院不久，雅各布博士接到了康奈尔 Henry Booker 教授的电话，邀请

他去加州大学圣地亚哥分校任教。出于对加利福尼亚的喜好，他欣然接受了这一邀请。

1968 年，雅各布、Andrew J. Viterbi 和 Len Kleinrock 一起成立了 Linkabit 技术咨询公司，

该公司的早期项目几乎都来自政府部门和军队。当时，美国海军正在大量扩充在圣地亚

哥区域的部署，这使军用通信咨询方面的订单如雪片一样飞来。

Linkabit 成长飞速，平均年增长率超过 50%，雅各布博士终于在 1971 年决定离开

他从事 13 年的教学工作，全身心投入公司的业务发展。也就是那段时间，雅各布博士

和他的团队开始深入接触 FDMA、TDMA 和 CDMA 在数字卫星通信中的应用。1980

年 8 月，Linkabit 已经由最初的 3 个人成长为一个 600 人的中型公司。出于业务发展的

考虑，Linkabit 管理层决定把公司卖给了 M/A-COM。随后，因为 M/A-COM 管理层发

图 4-17 CDMA 之父艾文·雅各布博士

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

137

生的一些变动，雅各布博士于 1985 年 4 月决定退休，随后很多 Linkabit 原始员工也离

开了公司。

但是，仅仅是躺在加州的海滩上安渡余生并不能使雅各布博士对通信业界一日千里

的变化视而不见。“离开 M/A-COM 三个月后，我觉得退休之后很无聊，所以同 Linkabit

公司的其他 6 个同事决定再干一场”。于是，1985 年 7 月 1 日，7 位有识之士聚集在圣地

亚哥雅各布博士的家中共商大计。这几位富有远见的人（Franklin Antonio、Adelia

Coffman、Andrew Cohen、Klein Gilhousen、雅各布、Andrew Viterbi 和 Harvey White）

最终达成一致，决定创建“Quality Communications”，他们的宏伟蓝图造就了 20 年后电

信业中最耀眼的新星—高通公司。

高通公司成立之初主要为无线通信业提供项目研究、开发服务，同时还涉足有限的

产品制造。公司的先期目标之一是开发出一种商业化产品，由此而诞生了全线通

（OmniTRACS），如图 4-18 所示。全线通是美国高通公司研制开发的车辆跟踪和调度管

理系统，是移动信息管理领域的主流产品，占全球 80%的市场份额。目前，该系统已在

世界上 34 个国家的近 30 万个终端上使用，服务的行业包括运输业、军队、公安、电力、

银行、船舶等。

图 4-18 全线通（OmniTRACS）系统构成

全线通系统将 GPS、GIS、通信、计算机、物流技术融为一体，不仅为交通运输业

提供卫星定位、双向通信、网上发布（车、货）的动态信息，使货主能通过因特网方便

地查询托运货物的动态信息，还能够与企业现有的调度、财务和仓储等系统集成，实现

物流管理的一体化和全面自动化。

在公司成立之初，高通主要是为用户提供有关信息技术的咨询服务，位于西雅图的

航天工业巨头休斯公司就曾经是高通的客户之一。在高通成立后的几个月后，艾文·雅

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各布博士和另外一位高通创始人 Klein Gilhousen 同休斯公司会晤之后，在从休斯公司回

圣地亚哥的高速公路上，灵感让两位意识到可以利用码分多址（CDMA）大幅度提高移

动环境下的容量。虽然当时 TDMA 技术已经取得了一定的技术成熟度和业界支持度，

但雅各布博士凭借他对各种移动通信技术（FDMA、TDMA 和 CDMA）的深刻了解，坚

信 CDMA 较 TDMA 能够更加有效地利用稀缺的频谱资源，并提供更好的服务质量。随

即，他带领公司的一些顶级工程师投入民用 CDMA 技术的开发，而这一决策使高通最

终得以加入到 90 年代数字移动通信的“淘金”大潮之中。

CDMA 的核心技术—扩频技术可以增加网络的用户容量并重复利用频率资源，具

备更强的安全性，基站数量可以大大减少，从而大大节省了运营商的网络运营成本。从

最终用户的角度看，他们可以享受优异的话音质量、更高的保密性和更可靠的接通率。

同时，CDMA 还具有系统容量大、配置灵活、通话质量更佳、频率规划简单、建网成本

低等优势。

当采用扩频的码分多址技术时，所有用户在同一时间、同一频段上，可根据不同的

编码获得业务信道。我们可以想象一个宽敞的空间，在这里正在进行着一个聚会，其中

的宾客正在两两一对进行着交谈。假设每一对人使用一种语言，有说汉语的、英语的、

法语的„„，所有交谈的人都只懂得自己使用的一种语言。于是，对于正在谈话中的任

何一对来说，别人的交谈无疑是一种背景噪声。通过这个场景，我们可以使用以下几个

类比：房间相当于 CDMA 系统中的一个载波，交谈者所使用的语言则相当于区分用户、信

道的码，交谈中的人就如同 CDMA 系统中正在通话的用户。这就是一个“CDMA”系统。

然而，CDMA 在技术概念上虽然具备着 GSM（即 TDMA）无法比拟的优势，但在

CDMA 正式商用之前，仍然需要无数个试验去逐渐完善 CDMA 技术。基于对 CDMA 技

术的信心和执著，高通专注于解决 CDMA 技术商用化之前的技术障碍，诸如功率控制和

解决切换问题等，并在 1986 年注册了高通公司的第一个 CDMA 专利。尽管如此，

CDMA 技术的曙光并没有解除人们对 CDMA 的猜测。很多通信业内人士认为那是不可

能完成的任务。

可是，通过两年多的努力，以雅各布为代表的高通人克服了一系列的技术障碍。

在 1988 年 10 月，高通公司第一次向公众介绍了 CDMA 蜂窝移动通信概念。出于对

CDMA 技术的信心，高通人又花费了一年时间艰苦地开发出一个样板系统，然后将这

一系统带到 1989 年在芝加哥召开的一次电信行业会议上，竭尽全力向人们展示并推荐

这种技术。当回忆起 20 年前 CDMA 打破 GSM（即 TDMA）技术垄断的那段刻骨铭心

的历史时，老人深情并风趣地说：“1989 年 11 月，高通成功在圣地亚哥进行了 CDMA

历史上的第一次演示，并且相当成功。当时存在一个非常现实的问题，在做第一次公

开演示的时候，我们用了一辆箱式货车运输那些测试设备，当时手机的体积非常大，

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

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所以我们要用货车来装。之后，因为十分成功的测试结果，高通公司获得了很多公司

的积极支持。”这次成功的实地测试扫除了所有人对 CDMA 技术上的怀疑。不夸张地

说，它是高通公司发展道路上一个至关重要的里程碑。

从 1989 年到 1993 年第一个 CDMA 网络的部署，经历了 4 年的时间。而当时几乎

所有主流运营商和设备商都是 GSM 联盟的成员。虽然大部分通信专家都坚信 CDMA 在

技术上的确比 GSM 有着很强的技术优势，但当时 GSM 的标准刚被确立，在短时间再引

入另外一种新的技术标准，难度可想而知。高通所要做的就是要用大量的事实去说服标

准制定机构，让他们相信 CDMA 比起 GSM 不止强一点点，而是大大优于 GSM，只有

这样才能让美国电信工业协会（TIA，Telecommunication Industry Association）接纳

CDMA。在此间的几年中，高通都是在各种方式的演示中度过的。

终于，在 1993 年 6 月，TIA 接受 CDMA 技术为北美标准，也就是我们现在常说的

CDMA IS-95A 标准。 1995 年，CDMA 被指定为个人通信业务（PCS，Personal

Communication Service）的标准之一，正式进入 2G 技术标准竞争的舞台。1995 年 10 月，

全球第一个商用 CDMA 网络在香港部署。1996 年 11 月，韩国大规模部署了 CDMA 商

用网络。

雅各布的工程师背景使他有着一种 IT 偏执狂的个性，他背行业而行，倔强地推动了

高通的历史。高通初期清一色的工程技术人员也许不懂经营，但是他们做了最重要的两

件事：第一，把高通的 CDMA 技术提交到美国标准组织 TIA 和世界标准组织 ITU，申

请被确立为世界移动通信标准；第二，高通把 CDMA 研发过程中所有大大小小的技术

都申请了专利。而当时所有的通信巨头都在为争夺 GSM 专利而激战正酣，没有人去注

意这个小公司正在玩的把戏，自然也就没有人去和高通抢专利。

可以说，高通是一家专门经营和销售知识产权的公司。它所创造的赢利模式正在逐

渐成为知识经济下顶尖企业的生存方式。标准和专利，成为高通抵御比自己庞大百倍的

对手的利器。

毫不夸张地说，高通在移动通信领域的成功是一个奇迹。经过将近 20 年的发展，

高通已经从一家只有 7 个人的技术公司成为拥有 8 000 多名雇员，销售收入达 49 亿美

元的财富 500 强企业，高通公司的创始人艾文·雅各布博士被美国《福布斯》杂志评

为全球十大最佳 CEO 之一。而更为骄傲的是，高通 CDMA 技术已经成为全球 3G 标准

的核心技术。

3G 是“3rd Generation”英文的缩写，意思就是第三代移动通信系统。说是第三代，

是相对于 2G 和 1G 来说的。1G 只能进行语音通话，2G 增加了数据接收功能（如短信、

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电子邮件等）。与 2G 相比，3G 的最大特点是在传输声音和数据的速率上有了较大提升。

打个比方，如果说 2G 是“一条坑坑洼洼的乡村公路”，则 3G 就是“一条宽大通畅的高

速公路”。路宽了，车速也更快了。3G 手机功能强大，可以视频通话、收发邮件、浏览

网页、看电视、看电影和高速下载音乐等。

正如“小明”的真名是“李明”一样，“3G”的真名是“IMT-2000”。第三代移动通

信系统（3G）是国际电信联盟（ITU）于 1985 年提出的，当时被命名为未来公众陆地移

动通信系统（FPLMTS，Future Public Land Mobile Telecommunication System）。1996 年，

ITU 根据一些国家的建议，将 FPLMTS 更名为 IMT-2000，意即该系统工作在 2 000MHz

频段，最高业务速率可达 2Mbit/s，预计在 2000 年左右得到商用。

从 1997 年开始，由于第二代移动通信系统的巨大成功，用户的高速增长与有限的系

统容量和有限的业务之间的矛盾渐趋明显，第三代移动通信系统（3G）的标准化工作从

1997 年开始进入实质阶段。

2000 年 5 月，国际电信联盟正式公布第三代移动通信标准，我国提交的

TD-SCDMA 正式成为国际标准，与欧洲 WCDMA、美国 cdma2000 成为 3G 时代最主流

的三大技术之一。

2007 年 10 月 19 日，国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，经过多数

国家投票通过，全球微波互联接入（WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave

Access）正式被批准成为继 WCDMA、cdma2000 和 TD-SCDMA 之后的第 4 个全球 3G

标准，成为业界一时热议的“黑马”。

作为第三代移动通信技术的一个主要代表，cdma2000 技术是从 cdmaOne 演进

而来的。cdma2000 是美国向 ITU 提出的第三代移动通信空中接口标准的建议，它

作为 IS-95 标准向第三代演进的技术体制方案，是一种宽带 CDMA 技术。cdma2000

室内最高数据速率为 2Mbit/s 以上，步行环境时为 384kbit/s，车载环境时为 144kbit/s

以上。

cdma2000 标准是一个体系结构，称为 cdma2000 家族，它包含一系列子标准。由

cdmaOne 向 3G 演进的途径为：cdmaOne、cdma2000 1x、cdma2000 3x 和 cdma2000 1x EV。

其中从 cdma2000 1x 之后均属于第三代技术。

一般认为，IS-95A 和 IS-95B 这两个移动通信标准属于第二代移动通信技术标准。

IS-95A 是 1995 年美国 TIA 正式颁布的窄带 CDMA 标准。IS-95B 是 IS-95A 的进一步发

展，于 1998 年制定的标准。主要目的是能满足更高的比特速率业务的需求，IS-95B 可提供

的理论最大比特速率为 115kbit/s，实际只能实现 64kbit/s。IS-95A 和 IS-95B 均是系列标

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

141

准，其总称为 IS-95。cdmaOne 是基于 IS-95 标准的各种 CDMA 产品的总称，即所有基

于 cdmaOne 技术的产品，其核心技术均以 IS-95 作为标准。

cdma2000 标准是一项不断演进的标准。cdma2000 标准是从最初的 2G CDMA

IS-95A、CDMA IS-95B 标准演进到 2.5G 的 cdma2000 1x 标准。cdma2000 1x 就是众所周

知的 3G 1x，它是 3G cdma2000 技术的核心。标志 1x 习惯上指使用一对 1.25MHz 无线

电信道的 cdma2000 无线技术。此后，开始出现两个分支。一个分支是 cdma2000 标准

定义的 3x，即利用一对 3.75MHz 无线信道（3 个 CDMA 载频）来实现高速数据速率。

3x 版本的 cdma2000 有时被叫做多载波，这一版本还没有部署，正处在研究开发阶段。

另一个分支是 1x EV，包括 1x EV-DO 和 1x EV-DV。其中 1x EV-DO 在一个无线信道

传送高速数据报文数据的情况下，支持的下行链路最高数据速率为 3.1Mbit/s，上行链路最

高数据速率为 1.8Mbit/s。1x EV-DV 支持的下行链路最高数据速率为 3.1 Mbit/s，上行链路

最高数据速率为 1.8Mbit/s。1x EV-DV 还能支持 1x 语音用户、1x RTT 数据用户和高速 1x

EV-DV 数据用户使用同一无线信道并行操作。

cdma2000 由高通公司提出，摩托罗拉、朗讯和韩国三星等厂商先后参与。韩国目前

是该标准的主导者。由于目前使用 CDMA 的地区只有日、韩、北美和中国，从而导致

CDMA 的“粉丝”不如 WCDMA 多。由于 cdma2000 是 CDMA 标准的延伸，它与

WCDMA 互不兼容。

目前，全球 CDMA 投资萎缩，在 CDMA 技术演进路线问题上，业界已经基本达成

共识。除了一部分转网建设 HSPA，相当数量的 CDMA 运营商还是会升级到 cdma2000

1x EV-DO Rev. A，并最终演进到 LTE。2008 年 11 月，高通公司宣布终止开发超移动宽

带（UMB，Ultra Mobile Broadband）技术，即 cdma2000 1x EV-DV Rev. C。

早在 20 世纪 90 年代初期，欧洲电信标准协会（ETSI）就开始为 3G 标准征求技术

方案，并将 3G 技术统称之为通用移动通信系统（ UMTS ， Universal Mobile

Telecommunication System）。WCDMA（带宽 5MHz）建议是众多方案之一。其后，日本

的积极参与极大地推动了 3G 标准的全球化步伐。1998 年，日本和欧洲在宽带 CDMA 建

议的关键参数上取得一致，使之正式成为 UMTS 体系中频分双工（FDD，Frequency

Division Duplex）频段的空中接口的入选技术方案，并由此通称为 WCDMA。W 即宽带，

以区别于源于北美的窄带 CDMA（带宽 1.25MHz）标准。

WCDMA 主要由欧洲 ETSI 和日本无线电产业协会（ARIB，Association of Radio

Industries and Businesses）提出，由于其核心网是基于 GSM 系统的移动应用部分（MAP，

Mobile Application Part）的，因而可以保持与 GSM/通用分组无线业务（GPRS，General

大话物联网

142

Packet Radio Service）网络的兼容性，这就是 GSM 网络升级到 3G，选用 WCDMA 作为

标准的原因。国际上已有 100 多个国家、200 多张网络采用 WCDMA。

WCDMA 系统支持宽带业务，可有效支持电路交换业务、分组交换业务。灵活的无

线协议可在一个载波内对同一用户同时支持话音、数据和多媒体业务，通过透明或非透

明传输块来支持实时和非实时业务。

为了既保护现有网络投资，又可灵活应用最先进的技术创新，3G 标准的指导思想是

系统中的网元可分别独立演进，网络尽可能实现平滑过渡，最终实现全 IP 化的全球宽带

移动通信网络。具体来讲，就是系统中无线接入网技术与核心交换网技术可各自遵循自

己的演进路线。在接入技术方面，特别是空中接口，3GPP 致力于不断提高频谱利用率，

除 WCDMA 作为首选空中接口技术获得不断完善外，UMTS 还相继引入了 TD-SCDMA、

高速下行链路数据分组接入（HSDPA，High Speed Downlink Packet Access）技术和高速

上行链路数据分组接入（HSUPA，High Speed Uplink Packet Access）技术。中国的

TD-SCDMA 技术提案首次成为国际主流通信标准，它可利用单边的频谱提供高速移动

通信组网能力。HSDPA 引入了利于超高速数据传输的速率控制技术。在核心网技术方面，

则引入了分组软交换技术，进而顺应 IP 多媒体应用的发展趋势引入了 IP 多媒体域，也

就是 IMS 以实现全 IP 多业务移动网络的最终发展目标。

将来，WCDMA 将沿着 HSDPA、HSUPA、HSPA+过渡到 LTE。HSDPA 和 HSUPA

统称为 HSPA，HSUPA 上行速率更快。中国联通在大城市采用 HSUPA 技术，而 HSPA

的升级版 HSPA+已经在一些国家开始建设，速率为 21Mbit/s。

10 年前，中国代表团参加 ITU 这类国际组织会议，通常做的事情被戏称为“3S”，

即 Smile（微笑）、Stand（起立）、Silence（沉默）。由于当时参与度不高，因而我国代表

团一般被认为是听众的角色。因为没有自己提出的标准，中国在第一代（1G）和第二代

（2G）移动通信产业上付出了沉重代价。从基站、交换机到手机，中国移动通信市场的

格局基本被欧美通信巨头把持。有数据显示，在 1G、2G 阶段，中国的企业曾对外支付

专利使用费 2 500 亿人民币元与 5 000 亿元人民币，通信网络建设几千亿人民币的投入

中绝大部分被外商赚走。如果在第三代移动通信系统（3G）的竞争上，中国民族通信业

不在标准上超前，1G 和 2G 的被动局面将会再现。

1997 年 4 月，国际电信联盟（ITU）向各国发出了征集 3G 技术标准的信函，并制

定了详细的 IMT-2000 无线传输技术（RTT）形成的时间表和步骤，要求全部提案在 1998

年 6 月 30 日之前提交到国际电信联盟。对于早已经涉足 3G 的欧美通信巨头来说，角逐

3G 市场志在必得。而对中国相关部门和大多数厂商来说，这仍将习惯性地被认作是一次

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

143

缺席的赛事。

大唐电信集团不甘心弃权，为之做了大量富有成效的工作，最终研发提出了

TD-SCDMA 第三代移动通信技术提案。时任电信科学技术研究院副院长的李世鹤提出：

在 SCDMA 技术的基础上引入时分多址（TDMA）技术，并将这项技术命名为

TD-SCDMA。李世鹤本人也被誉为“TD-SCDMA 之父”、“中国 3G 之父”（如图 4-19 所

示）。这种技术的优势是不需要对称频段，可以见

缝插针，灵活方便地规划使用日益紧张的频谱资

源。此外，还可以灵活地设置上下行业务占用时

间，最大限度地利用带宽和系统资源，非常适合

未来应用广泛的数据业务需求。

1998 年初，原信息产业部确定 TD-SCDMA

成为我国的第三代移动通信技术，并支持其成为

第三代全球移动通信标准，参与 ITU 角逐。此时，

距离 6 月 30 日的标准方案提交截止日只剩下 3

个月时间。

时间相当紧迫，大唐人为此开展了艰苦卓绝、

可以说在国内前无古人的标准起草工作。直到 6

月 29 日下午，时任原信息产业部部长的吴基传才

在这份名为“TD-SCDMA 第三代移动通信标准建

议”的文件上签名。6 月 30 日下午，在截稿前的几个小时，大唐将这份代表中国 3G 方

案的标准发送到国际电信联盟。

各国一共向 ITU 提出了 15 个技术方案。此后的一年半时间里，ITU 相继又召开了

几次会议，对各种标准提案进行了筛选和技术研讨，大唐代表中国提出的 TD-SCDMA

一路突围而来，其中艰辛一言难尽。

面对外国通信巨头“把中国提出的 TD-SCDMA 标准扼杀在摇篮之中”的企图，中

国政府相关主管部门明确表示：如果中国标准不被采用，中国也有足够的市场空间来支

持自己的标准，仍然要采纳运用 TD-SCDMA！

中国政府的坚决支持改变了国外公司的态度。2000 年 5 月 5 日在土耳其举行的 ITU

全会上，投票表决结果揭晓：由中国大唐电信集团提出的 TDD 模式的 TD-SCDMA 系统

被采纳为国际 3G 标准之一，与欧洲提出的 WCDMA 和美国提出的 cdma2000 同列三大

主流无线接口标准，写入 3G 技术指导性文件《2000 年国际移动通信计划》（简称

IMT-2000）。至此，中国真正拥有了第一个电信国际标准！

掌声响起了，整个会场沸腾了。远隔万里的北京学院路 40 号也沸腾了！一位华裔美

图 4-19 李世鹤

大话物联网

144

国代表团成员紧紧握住大唐代表的手说：“中国终于有一家公司可以拿着口袋向全世界收

知识产权费用了！”国际标准的确立，意味着中国人在一直是由外国人制订游戏规则的全

球电信市场上第一次有了话语权，这是中国信息产业历史上的第一次！

TD-SCDMA 标准被国际电信联盟采纳，只是 TD 发展之路的第一步。大唐电信集

团深知，标准不实现产业化，就只是空中楼阁上的一纸空文，民族通信业的崛起还远

未成功。在政府主管部门的支持下，大唐电信集团开始着力将其推向产业化和商用化

的道路。2001 年，TD-SCDMA 标准被 3GPP 组织接纳，成为被全球运营商和制造商认

可的标准。

与其他 3G 系统相比，TD-SCDMA 是一个全新的移动通信系统，采用 TDD 模式，

并同时采用了同步 CDMA、智能天线、联合检测、软件无线电、接力切换和动态信道分

配等一系列最新技术，具有频谱灵活性强、频谱效率高、系统设备成本低、适应多种应

用环境、系统功能和软件升级容易等优点。

20 世纪 90 年代宽带无线接入技术发展迅速，以本地多点分配系统（LMDS，Local

Multipoint Distribution System）和多信道多点分配系统（MMDS，Multi-channel Multipoint

Distribution System）为代表的无线技术的市场定位为小型办公室/家庭办公室（SOHO，

Small Office/Home Office）、中小企业和城市商业中心等用户，其技术和产品都获得了一

定范围的应用。但是，由于没有统一的全球性宽带无线接入标准，各厂商提供的设备采

用了私有协议，无法实现互连互通，从而加大了终端成本，大规模应用受到限制，因而

这一产业并未像预期那样进一步繁荣壮大。

IEEE 针对特定市场需求和应用模式提出了一系列不同层次的互补性无线标准，其中

已经得到广泛应用的标准系列包括应用于无线个域网的 IEEE 802.15 标准和应用于无线

局域网的 IEEE 802.11 标准。尽管无线局域网（WLAN）技术已经得到了广泛的应用，

可是人们对于无线宽带通信的探索并未停止，人们期待着更大的覆盖范围、更高的信息

速率和更好的服务质量。

1999 年 7 月，IEEE 成立了 802.16 工作组来专门研究宽带无线接入技术规范，目标

是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。IEEE 802.16 工作组推出的 IEEE 802.16 系

列标准可以满足上述需求。而 IEEE 802.16 系列标准的提出，也弥补了 IEEE 在无线城域

网标准上的空白。IEEE 802.16 系列标准所能实现的最大传输距离为 50 km，远远大于无

线局域网 200m 左右的覆盖范围。IEEE 802.16 系列标准的接入速率最高可达 120Mbit/s，

超过 IEEE 802.11a 所规定的接入速率 54Mbit/s。同时，IEEE 802.16 提供完善的服务质量

支持和安全性机制，相对于无线局域网有了本质上的发展。

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

145

目前，IEEE 802.16 具有深远影响的标准有两个：固定宽带无线接入标准 802.16d（即

802.16—2004）和支持移动特性的宽带无线接入标准 802.16e。IEEE 802.16d 标准于 2004

年 10 月发布，它定义了固定宽带无线接入情况下用户终端同基站系统之间的空中接口，

并对空中接口的物理层和 MAC 层进行了规范。802.16e 标准于 2006 年 2 月发布，其最

大特点在于对移动性的支持。该标准同时支持固定和移动宽带无线接入系统，工作频段

为 6GHz 以下，适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动。同时，

802.16d 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。

WiMAX 之所以能占据一席之地，显然有自身的诸多优势。而各厂商也正是看到了

WiMAX 的优势可能引发的强大市场需求才对其抱有浓厚的兴趣。WiMAX 可以实现更

远的传输距离（50km 左右）、提供更高速的宽带接入（70Mbit/s），可提供优良的最后 1km

无线网络接入并提供多媒体通信服务。IP 通信的巨大成功，促成了 WiMAX 的快速成长，

从默默无闻到闻名天下，WiMAX 走开了一条惊世之路。

其实，严格上来说，WiMAX 应该算 4G 技术，但为了获得国际电信联盟的支持，才

“自降身价”，称自己为 3G 技术。

“未来总是到来得太快，而且总是时机不对。”著名的预言家托夫勒说。无线电信业

是一个范例。从最初的模拟信号发展到 GSM、GPRS、CDMA 以及当前正在部署的 3G，

技术更新换代的速度快得像坐过山车。然而，更令人惊讶的是，3G 刚刚出世，就迎来了

新的竞争对手：4G。

尽管 3G 要比 2G 优越得多，但 3G 仍然遗留了一些尚未解决或仅解决了一部分的

问题。在支持爆炸式增长的多媒体方面，3G 系统还存在着一定的局限性。3G 的局限

性和困难主要体现在：难以支持更高速率的业务，频谱资源的缺乏和带宽饱和，在支

持下一代的因特网协议（IPv6）方面存在困难；要实现在不同频段间的不同业务环境

中的漫游显得非常困难，无法提供全范围的多速率业务，缺乏端到端的无缝传输机制，

费用高昂。

10 年前，就在我们还不知 4G 为何物时，相关工作已经随着 3G 国际标准的确立随

即展开。2000 年，ITU 在确定了 WCDMA、cdma2000 和 TD-SCDMA 三个 3G 国际标准

后，就启动了 4G 的相关工作，当时的名称还叫做超 3G（B3G，Beyond 3G）。

ITU 当时要做的第一件事就是对 4G 进行定义。1G 时代是语音业务天下；2G 虽然

已有短信等数据业务，但主流仍是基于 TDMA 的语音通话；3G 则是以数据业务为主的

大话物联网

146

宽带市场；那么，4G 就意味着更高速率的数据应用支撑。

ITU 认为，4G 是基于 IP 的高速蜂窝移动网，从现有 3G 演进，在移动状态下速率达

到 100Mbit/s，静态和慢移动状态下速率达到 1Gbit/s。与现有的移动通信技术相比，4G

的传输速度可提高 1 000 倍，发射功率只有现在的 1/10 或 1/100，不再对其他设备构成

电磁干扰，并支持手机互动功能。

2005 年 10 月 18 日结束的国际电信联盟无线电部门（ITU-R，ITU Radio communi-

cations Sector）第 8F 工作组（WP8F，Working Party 8F）第 17 次会议上，国际电信联盟

给了 B3G 技术一个正式的名称 IMT-Advanced，也就是我们所说的 4G 技术。按照 ITU

的定义，当前的 WCDMA、HSDPA 等技术统称为 IMT-2000 技术；未来的新的空中接口

技术，叫做 IMT-Advanced 技术。IMT-Advanced 标准继续依赖 3G 标准组织已发展的多

项新定标准加以延伸，如 IP 核心网、开放业务架构及 IPv6。同时，其规划又必须满足

整体系统架构能够由 3G 系统演进到未来 4G 架构的需求。IMT-Advanced 的国际标准化

工作以 ITU-R WP5D 为主导。

2008 年年初，ITU-R 新成立了第 5D 工作组（WP5D，Working Party 5D），下设 4

个常设工作组和 1 个特设工作组，如图 4-20 所示。4 个常设工作组分别是总体工作组

（WG-General）、频谱工作组（WG-SPEC）、技术工作组（WG-TECH）和发展工作组

（WG-DEV），1 个特设工作组是工作计划特设组（AH-WPLAN）。ITU-R WP5D 的前身

是 ITU-R WP8F，2007 年 10 月召开的无线电全会（RA-07）对 ITU-R 进行了调整，将

原来的 SG8 改组为 SG5，相应的 ITU-R WP8F 也改组为 ITU-R WP5D。ITU-R WP5D

的重要工作之一是征集和评估 IMT-Advanced 候选技术，并最终确定 IMT-Advanced 技

术方案。

图 4-20 ITU-R WP5D 组成

对于 IMT-Advanced 技术方案的提交、评估和技术方案的确定，ITU 已经制定了详

细工作流程和时间表，包括 5 个重要时间点，即：2008 年 3 月，WP5D 第 1 次会议，发

出征集候选技术方案的通函，开始接收候选技术方案；2009 年 10 月，WP5D 第 6 次会

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

147

议，提交候选技术方案截止；2010 年 6 月，WP5D 第 8 次会议，提交候选技术方案评估

报告截止；2010 年 10 月，WP5D 第 9 次会议，确定 IMT-Advanced 技术框架和主要技术

特性，即确定 IMT-Advanced 技术方案；2011 年 2 月，WP5D 第 10 次会议，完成

IMT-Advanced 技术规范的制定工作。

ITU 成员在提交候选技术方案的同时还需要提供自评估报告或者邀请第三方完成一

份评估报告，此外还需要对提案中的知识产权情况根据 ITU 的知识产权政策作相应说

明。ITU 成员、标准化组织和其他组织都可以参与到 IMT-Advanced 候选技术方案的评

估工作中，并以评估工作组的形式提交评估报告，2009 年 2 月至 2010 年 10 月经过评

估、融合最终确定 IMT-Advanced 技术方案。

正如 IMT-2000 的技术规范 ITU-R M.1457 在 2000 年完成之后经过多次更新，2011

年 2 月 ITU 完成 IMT-Advanced 第 1 版本技术规范之后将开始 IMT-Advanced 技术规范的

更新工作，这也意味着能够满足 IMT-Advanced 最低技术需求的新技术方案仍然可以在

后续更新中加入 IMT-Advanced 阵营。

2008 年 3 月，WP5D 在第 1 次会议上发出了征集 IMT-Advanced 候选技术的通函，

截止日期为 2009 年 10 月 7 日，这标志着 4G 宽带移动通信技术方案征集正式拉开了序

幕，也标志着 IMT-Advanced 标准化工作正式启动。

ITU 的“最终截稿”收到了 6 项提案。这 6 项技术提案基本上可以分为两大类，一

是基于 IEEE 802.16m（WiMAX）的技术，包含 3 个提案，分别来自 IEEE、日本和韩国。

另外一个是基于 LTE-Advanced 的技术，也包含 3 个提案，分别来自 3GPP、日本和中国。

中国提交的技术叫做 TD-LTE-Advanced，由于事先已经在 3GPP 做了大量的工作，这个

技术方案已经成为 3GPP 技术方案的 TDD 模式。

2008 年 6 月，WP5D 在迪拜召开第 2 会议，确定了 IMT-Advanced 的最低技术要求。

最低技术要求是衡量候选技术方案是否能够成为 IMT-Advanced 技术的关键指标，因此

对于最低技术要求的争论一直非常激烈。候选技术方案可以是一种空中接口技术（RIT，

Radio Interface Technology），也可以包括多种空中接口技术。一个候选技术方案应该满

足 8 个方面的技术要求，包括系统带宽、蜂窝频谱效率、蜂窝边缘频谱效率、峰值频谱

效率、移动性、时延、切换时延和 VoIP 容量。

IMT-Advanced 技术的最低技术要求相对于 3G 系统更注重对数据业务的支持，频谱效率

大幅提高。同时 ITU 定义了 IMT-Advanced 应满足的 4 个场景，候选技术方案应满足室内、

微蜂窝、城区覆盖和高速移动这 4 个场景中的 3 个。如果候选技术方案包括多个空中接口技

术，而每个空中接口技术应至少满足一个场景，那么整体候选技术方案应满足至少 3 个场景。

大话物联网

148

2009 年 9 月 17 日，电信设备商诺基亚—西门子宣布，该公司通过下一代移动通信

技术打了世界上第一个 LTE 电话。这次呼叫是该公司在德国乌尔姆的研发机构，使用一

个商业基站和完全标准化软件进行的。

2009 年 10 月 14 日至 21 日，国际电信联盟在德国德雷斯顿举行了 ITU-R WP5D 工

作组第 6 次会议，遴选新一代移动通信（IMT-Advanced）候选技术。中国主导的具有自

主知识产权的 TD-LTE-Advanced，作为 LTE-A 技术的 TDD 分支，已获得欧洲标准化组

织 3GPP 和国际通信企业的广泛认可和支持。

由于高通已经放弃 UMB（EV-DO Rev.C）技术，因此 802.16m 在 4G 时代将单枪匹

马挑战 LTE。2007 年 10 月，802.16e 已经成功跻身 3G 标准；而在 4G 时代，尽管 LTE

已经公认拥有最多的支持者，但 802.16m 作为

颠覆者的表现同样令人期待。

会议最终确定，LTE-Advanced（包括 TDD

和 FDD 两种制式）和 802.16m 这两类技术为

4G 国际标准候选技术。在此之前，全世界已经

成立了 14 个评估小组，准备对这 2 个候选技

术进行评估，作为 ITU 做最后选择的技术依

据。这 14 个独立的外部评估小组（如图 4-21

所示）已经在 ITU-R 登记，他们代表了全部领

域的利益相关者，包括设备厂商、技术开发商、

网络运营商、服务提供商、市场和用户组织、

大学、研究机构和国家行政部门。评估组将根

据已定义的评估程序流程展开严格的分析评

估、试验验证，并提供评估报告。

这 14 个评估小组分别是日本无线电产业协

会（ARIB，Association of Radio Industries and

Businesses）、美国电信行业解决方案联盟

（ATIS，Alliance for Telecommunications Industry

Solutions）无线技术与系统委员会（WTSC，

Wireless Technologies and Systems Committee）、

加拿大、中国、欧盟 ETSI、以色列、俄罗斯、印度 TCOE、TR-45、韩国电气通信技术协

会（TTA，Telecommunication Technology Association）第 707 项目组（PG，Project Group）、

阿根廷商业大学（UADE，Universidad Argentina de la Empresa）、WiMAX 论坛、美国国际

无线通信协会（WCAI，Wireless Communications Association International）和 WINNER+。

图 4-21 14 个 IMT-Advanced 技术方案评估小组

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

149

1997 年 7 月底，由李金清、曹淑敏、李默芳、丁怀远、沈少艾等一批无线通信领域权威

专家组成的 3G 无线传输技术评估协调组正式成立，并在国际电信联盟进行了注册，成为

国际上第 11 个评估组。时任电信传输研究所副所长的曹淑敏在 4 个月后担任评估组组长。

2010 年 6 月，WP5D 第 8 次会议为提交候选技术方案评估执行的截止时间。在

2010 年 10 月 4G 国际标准正式确立之前，竞争将更体现在 3GPP 和 IEEE 两大标准化组

织之间，它们分别代表着两大利益集团。根据计划，3GPP 预计于 2010 年底冻结 LTE-A

标准，IEEE 则于 2009 年底冻结 802.16m 标准。

2010 年 9 月 8 日，华为技术公司宣布，波兰 Mobyland 与当地领先的 2G 运营商

CenterNet 合作，选择华为独家端到端部署的全球首个基于 1 800MHz 频段的 LTE/EPC

商用网络，已经完成部署并于日前正式投入商用运营，可为当地用户提供单用户下行速

率超过 146Mbit/s 的极速移动宽带体验。

2010 年 2 月和 6 月召开两次会议后，ITU 预计于 2010 年 10 月在中国举行的会议上

确定 4G（IMT-Advanced）国际标准。

4 种 3G 技术体制将按照各自的演进路线发展到 IMT-Advanced（4G），如图 4-22

所示。WCDMA 将沿着 WCDMA→HSDPA→HSUPA→HSPA+→LTE→LTE-Advanced

的路线演进；cdma2000 的演进路线为 cdma2000 1x→1x EV-DO Rev.0→1x EV-DO

Rev.A→1x EV-DO Rev.B→LTE→LTE-Advanced 的演进路线；TD-SCDMA 的演进路

线 为 TD-SCDMA → TD-HSDPA → TD-HSUPA → TD-HSPA+ → TD-LTE →

TD-LTE-Advanced；WiMAX 将沿着 IEEE 802.16—2004→IEEE 802.16e—2005→IEEE

802.16m 的方向演进。

图 4-22 3G 向 4G 的演进路线

从当前的国际发展形势来看，各国的 B3G 研究工作均已进入系统设计、评估、实验

大话物联网

150

的实质阶段，甚至已经开始变相的“预标准化”。相对而言，我国的研究和标准化仍有大

量工作需要加紧推进。

我国在“十五”期间通过以高校为主的 FuTURE 计划，对 B3G 关键技术进行了广

泛的研究，取得了令人瞩目的成果。2006 年 11 月，FuTURE 演示系统在上海成功进行

了测试，验证了正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）、

广义多载波（GMC，Generalized Multi-Carrier）、多输入多输出（MIMO，Multiple Input

Multiple Output）等 4G 关键技术，演示系统通过多媒体视频流验证了宽带无线传输能力，

在高速移动环境下可实现 100 Mbit/s 峰值速率。系统同时支持小区之间切换。面向

IMT-Advanced 标准化，高校在自主创新技术成果向实用系统设计转化、向标准和设备开

发转化方面尚需和企业加强合作。

我国除积极组织国内标准工作外，还积极参与国外相关标准工作。中国通信标准化

协会（CCSA）成立了 TC5 WG6 工作组，专门研究 B3G 技术，几项 B3G 研究项目取得

快速进展，在无线接入技术、业务和市场、核心网技术、终端技术等方面已形成初步的

研究报告。

2005 年，原信息产业部、科学技术部、国家发展和改革委员会联合成立了宽带无线

移动（BWM，Broadband Wireless Mobile）通信技术专家组，下设知识产权工作组、增

强型 3G（E3G，Enhanced 3G）技术工作组、BWA 技术工作组（负责宽带无线接入方面

工作）和 B3G 工作组。其中，E3G 技术工作组负责 LTE 和空中接口演进（AIE，Air Interface

Evolution）方面工作，BWA 技术工作组负责宽带无线接入方面工作。在 E3G 技术组的

协调下，我国企业积极参与了 LTE 和 AIE 标准化工作。

4.3

云计算

在开放式的物联网环境中，由于海量业务数据产生了巨大压力，终端增长迅速，终

端关联数据增加，应用自定义数据迅速增加，传统的硬件环境难以支撑。同时，运营商

长期积累了大量闲置的计算能力和存储能力，有必要加以利用，这也是绿色环保的需求。

另外，还有大规模业务驻留凸显性能瓶颈，随着业务发展，大量自定义业务同时运行，

对平台造成性能压力，服务器 CPU 处理能力以及内存容量均难以满足不断增长的自定义

业务的运行。因此，云计算和物联网将是一体的，物联网是延伸到物质世界的一个触角，

云计算则是负责对物联网收集到的信息进行处理、管理、决策的后台计算处理平台，两

者需要进行有机的结合。

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

151

以往我们喝水都是家家户户各自打一个井，然后通过小水泵抽地下水，如果每次只

抽一小桶水的话又浪费电又浪费水，所以一般还需要大水缸储水，至今我国农村很多地

方还是这种取水方式；而城市中则是由自来水公司使用多台大水泵统一抽水，然后经过

净化、消毒、软化等处理之后，通过自来水管道输送给千家万户，居民使用起来又便宜

又方便。云计算就是这个道理，它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像

水、电、煤气、暖气一样，取用方便，费用低廉。最大的不同在于，它是通过因特网进

行传输的，而不是各种管道。

我们生活在一个现实和虚拟的混合世界中，浩如烟海的信息压得我们喘不过气来，

如同《西游记》中的师徒四人，如果不依靠“腾云驾雾”就没有办法在天地之间轻松往

来。就在我们为自己手中的计算机无法安全存储与高速处理海量信息的时候，一朵美丽

的“云”，一种全新的计算模式已经悬浮在我们的上空。

有个牛人网友这么调侃云计算：起初，人们使用算盘进行计算。后来，发明了计算

机，出现了计算机网络。再后来，中国人口大爆炸，男女比例失调，男的比女的多 3 700

万，这三千多万人没事干，都去上网。结果，服务器吃不消了，纷纷冒烟。

于是，人们就发明了高明的技术，用更好更多的服务器。随着时间的推移，使用计

算机上网的人更多了，服务器也更多了。但事实上，这样的效果并不好，过度繁重的结

构加大了网站设计和构架的难度，而且越是复杂的系统越是不稳定。有可能一个服务器

出问题，一个完整的系统就彻底挂掉。

如果考虑到系统的崩溃情况，那势必要引入一个更复杂的方案来保证不同的服务器

可以相互关照和支援。这是一个无解的循环，大量的计算资源被浪费在无限制的互相纠

缠中，很快就出现了瓶颈问题。人们想，那我不用这么乱七八糟复杂的系统，我上个功

能极其强大的服务器不就好了？可是，太贵了，宇宙无敌第一强大的服务器，价格 5 亿

刀（美元），买了它，这辈子买不起猪肉了，而且这种服务器也还没制造出来！

于是，人们突然想到了一个好办法，可以将服务器不是简单地链接起来，说你是缓

存，我是数据库，并发使用系统资源，每个操作请求都可以按照一定的规则分割成小片

段，分给不同的机器同时运算，每个机器其实只要做很小的计算就可以，哪怕是 286 机

器都可以轻松完成的。最后将这些机器的计算结果整合，输出给用户。对用户来说，他

其实面对的根本不是许多机器，而是一个计算能力巨大无比的单个服务器。事实上这个

服务器是不存在的，但它拥有着成千上万台服务器的能力。

实际上过程没这么简单。哪怕是统计收集资料的过程也会占据可怕的处理时间。这

就将云计算的任务进一步划分下去，哪个服务器的 CPU 干什么，处理哪个任务段。这个

大话物联网

152

其实可以由算法安排成自动分配的。总之，压榨每一个步骤的潜力，让服务器集群们一

起完成一项任务，自然能飞速达成。

例如，用户在百度搜索框中键入“物联网”，百度需要在 1 000 亿个网页中搜索出符

合这个搜索条件的页面，而时间还不能太久。我们都看到百度搜索东西没很久的吧，基

本上是瞬间出来的。但如果用一台服务器在 1 000 亿个网页中搜索，那是要“死人”的。

实际上，搜索任务被拆分成许多小块，比如对一个服务器说，你在第 1～10 000 个网页

中搜索结果；对另一个服务器说，你在第 10 001～20 000 个网页中搜索结果；第 3 个，

第 4 个„„然后这个任务其实还可能划分得更细，比如每个服务器搜索 100 个网页，然

后将各自搜索的结果汇总出来，给出上面统计收集资料的服务器。那个服务器把接收的

信息汇总，经过 Web 服务器，显示在用户界面上。

别忘了，云计算不是弄个两三台服务器就可以达成的。云计算虽然和分布式计算有

着深厚的渊源，但我们现在说的云计算基本上还是海量级别的服务器基数才能达成的。

说成千上万台服务器绝不夸张。

过去我们做的是乘法。用户请求多，计算任务重，那么就把服务器叠加，这是一个

计算能力的加法。云计算走的另一个方向。在已有计算资源基数不变的情况下，我们把

用户的任务请求做除法，一个请求进来，我们把它变成许多个小任务段，最后汇总出去

给用户一个完整的结果。

对用户来说，他根本感觉不到云中哪个 CPU 作了什么处理，哪部分是哪几部分拼接

起来的，他就感觉自己面对的是一台 5 亿内存 3 亿吉赫兹的巨无霸计算机。用户对这样

的计算莫名其妙，云里雾里的，于是他就把这个东西叫做云计算，如图 4-23 所示。

图 4-23 计算方式的演变

云计算与拼客，已经成为社会的两大热点；一个是 IT 这个小社会的热点，一个是社

会热点；不同的热，有着相通的特点。这让我想起了红楼梦中的《枉凝眉》“„„一个是

水中月，一个是镜中花„„”。拼客与云计算，一个拼的是汽车，一个拼的是服务器和资

源而已，它们之间有着惊人的相似点。月光族上班没有车，几个人在讲好条件的情况下

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

153

与有车族一起拼车上下班，这样往小了说为了上班更舒服，更痛快；往大了说，可以节

约能源、减轻污染、缓解道路拥挤。而我们讲到云计算，拼的是服务器和资源，往小了

说是为了降低企业在硬件和服务方面的支出费用；往大了说也是节约资源，减少不必要

的浪费，缓解带宽拥挤问题。

世上本没有云计算，讲的人多了也便成了云计算。1943 年，IBM 的创始人托马

斯•沃森也预言，从某种意义上说，全世界只需要 5 台计算机，现在看来是指谷歌、

雅虎、微软、IBM 和亚马逊这几家公司构建的超级计算机，如图 4-24 所示。许多人估

计沃森当时说的是 5 亿台，秘书肯定少记了一个字，这差点毁了沃森的一世英名。1989

年，比尔•盖茨在谈论“计算机科学的过去、现在与未来”时，提出“把你的计算机当

作接入口，一切都交给因特网吧！用户只需要 640KB 的内存就足够了。”当时有人建

议盖茨先生可以收回这句话，因为打开他们家的“窗户”（Windows）实在是太费劲了，

“640K 牛顿”还差不多。但随着云计算的出现，这些预言正在逐渐成为现实。

图 4-24 云计算时代的“霸主”

如果你还记得最早涉及网络的计算机课程，那你一定还对云的画法印象深刻。是

的，在当时的教材当中，只要涉及因特网这个关键词的时候，一定都是用一朵云来表

示。这朵云表现的不仅仅是在因特网的那一端有着庞大的计算能力，而且这朵云背后

还隐含了更深一层的含义，它表达了因特网后端复杂的计算结构和庞大的联结体系。

至少从这里我们可以看到，云计算并不新鲜，而是早已有之的概念。

云计算源自于 2006 年秋季谷歌工程师克里斯托夫·比希利亚（如图 4-25 所示）在

会议间隙与谷歌董事长兼 CEO 埃里克· 施米特谈话时，脑海里浮现的一个想法。他希

望利用自己的“20%时间”（即谷歌分配给员工用于独立开发项目的时间）来启动一门课

程，这门课程将在他的母校华盛顿大学进行，着重引导学生们进行“云”系统的编程开

大话物联网

154

发。他把这个项目命名为“谷歌 101”，并正式提出

“云”的概念和理论。随后这个计划不断发展和深化，

最终促成了谷歌与 IBM 雄心勃勃的合作。

为什么我们需要云计算？原因有二个。第一，信

息洪水时代的到来，需要高效率低成本的信息保存与

处理系统。随着 3D 技术和高清数码相机、高清视频

等数码技术和产品的广泛使用以及因特网 Web2.0 的

蓬勃发展，越来越多的个人和企业用户参与到信息的

生产和消费过程中，全球产生的信息量急剧扩大。2006

年，全球产生 161EB（1EB = 1018

B）的数据，印成书

的厚度是地球到太阳距离的 10 倍。而人类历史 5000 年的文字记载只有 5EB。2007 年，

因特网的数据流量一共有 281EB（1EB = 1018

B，1TB = 1012

B），预计 2010 年这个数据流

量将达到 988EB，这的确是一个爆炸式的增长。按照当前的 IT 技术，每吉字节信息处理

的成本需要 5 美元，显然我们无法支撑海量信息增长。第二，目前企业机房主要采用自

建模式，利用率极低，使用效率通常只有 5%～20%，服务器的 CPU 利用率普遍低于

10%，存储和网络的利用率小于 15%，完成海量信息的处理需要付出高昂的 IT 成本。原

因在于高峰期对服务器的需求，经常比平均需求高出 2～10 倍。

例如，Facebook 里面有个制作视频的插件 Animoto，登台亮相之初，宾客盈门，后

台服务器在三天内，从 50 台一下子猛增到 3 500 台。热闹了一阵子以后，宾客热情消

退，门可罗雀，根本用不了 3 500 台服务器。如果 Animoto 自己建网站，流量大增时，

Animoto 后台服务器忙不过来，失去的是市场。如果 Animoto 建了 3 500 台服务器的后

台系统，流量大跌以后，这 3 500 台服务器的闲置的后台系统，将造成对现金流的无意

义的侵蚀。幸亏 Animoto 建在 Facebook 平台之上，而支撑 Facebook 平台的，是 Joyent，

一个云计算平台供应商，云计算把一场惊悚化为

无形。

谷歌前全球副总裁李开复为云计算打了一个

形象的比喻，他认为云和钱庄是同一个意思。以

前没有钱庄，人们只是把钱放在枕头底下；后来

有了钱庄，大家觉得还很安全，就把钱存进去，

不过兑现起来比较麻烦。现在钱庄发展到银行，

实现了可以到任何一个网点取钱，甚至通过 ATM

或者国外的渠道。美国联邦首席信息官 Vivek

Kundra（如图 4-26 所示）对云计算大加赞赏，

图 4-25 克里斯托夫·比希利亚

图 4-26 美国联邦首席信息官 Vivek Kundra

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

155

以美国政府网站 USA.gov 改版为例，如果以传统 IT 模式，政府得花 6 个月时间，一年

预算达到 250 万美元；若改用云计算模式，只要一天就完成升级，一年的费用预算只有

80 万美元。

在云计算领域最常用的例子就是将云计算比喻成为一个发电厂。当时爱迪生发明了

直流发电机，电灯开始被企业接受。然而，为了用电照明，每家企业都必须采购发电机，

并有专业的人员维护电机的运转。爱迪生希望能够向企业长期销售发电机，持续地获取

设备利润。然而，交流电技术兴起使得远距离传输电力成为可能，于是情况发生了改变。

一些大型电站被兴建起来，企业不再需要采购昂贵发电机，只要安装电表，按实际的使

用量给电厂付费即可。正是电力集中生产，按需付费的模式，使得用户的用电门槛和用

电成本大幅降低，电力开始走进了千家万户。

现在的 IT 行业与早期的电力行业发展非常相似。企业为了引入办公自动化（OA，

Office Automation）、知识管理（KM，Knowledge Management）、客户关系管理（CRM，

Customer Relationship Management）等各种信息系统，都必须采购一套高性能的服务器，

同时购买昂贵的软件，还需要配备专业的技术人员对系统进行升级和维护。对于大企

业，可以承受大额的 IT 预算。而对于普通企业来说，数十万、数百万的成本让他们望而却

步。在云计算概念下，CRM 开发方把系统安装在云端，企业用户只需要把设备接入云端，

即可享受到过去只有大企业才能实施的“信息化”服务，而企业只需要向开发方支付少

量的授权费。就像我们日常用电不需要家家装备发电机，只需每月查看电表，直接从电

力公司付费购买一样。这意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水

电一样，取用方便，费用低廉。开发方只要对云端程序升级，即可完成所有用户的系统

升级，免去了企业用户的维护之苦。

云计算平台通常面向多家企业，各个企业需求计算资源的时间分布不同，这个企业

的需求高峰期，可能恰好是另一家企业的需求低潮期。这样，云计算平台可以动态调配

计算资源，既满足高峰时期的需求，又不至于造成低潮期资源的浪费。就像保险金一样，

平时每个投保人都缴纳小额保险费，万一某人有急用时，可以把众人的保险费集中起来，

供一人使用。

通俗来讲，云计算的作用就是整合数据中心，减少了服务器机房的数量；将放在一

个机房数据库上的数据分散到不同机房的服务器上完成。就像分散的片片云朵，经过汇

聚成为大块云彩集结成雨水一样，这正是云计算的“云”的概念。狭义的云计算是指 IT

基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源（硬件、

平台、软件），提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩

展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。广义云计算是指服务的

交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是

大话物联网

156

与 IT、软件、因特网相关的服务，也可以是其他任意服务。

在自然界中，也有类似“云计算”的应用案例，包括我们熟知的蚂蚁和蜜蜂等种类

的生物。单个蚂蚁是没什么威胁的，但是一窝蚂蚁，就自然组合成为一个生命群体，有

各自的分工和任务，有着可以摧毁其他生命的能力（例如南美洲的火蚁），甚至可以成立

搬家公司（蚂蚁搬家）。一窝个体构造简单的蚂蚁，其实就是一个有着不亚于高等生物复

杂行为的生命体。

而我们人类的大脑，也有类似的“云计算”构造。单个神经元，并没有所谓的“意

识”，只是生物电信号传递的工具细胞，而一大堆细胞神经元频繁交换信息所组成的复

杂人类大脑，却存在着凌驾于其他生命体的“灵魂”。

老王是一名公务员。一天，他到单位上班；到了单位，他打算管理一下自己最近的

任务，于是他通过 Google Calendar 来管理自己最近的日程安排；整理完日程，老王可

以通过 Gmail 收发邮件，通过 GoogleTalk 来与同事朋友进行联系；如果他这时打算开始

工作，可以通过 Google Docs 来编写在线文档，在这个过程中，如果他需要查阅相关论

文，可以通过 Google Scholar 进行搜索，他也可以使用 Google Translate 翻译一些英文，

他甚至可以使用 Google Charts 来绘制一些图表；如果老王工作累了，他可以通过 Google

Blogger 来分享日志，通过 Google 的 YouTube 来分享视频，通过 Google 的 Picasa 来编

辑分享图片„„或许有一天，当我们已经十分习惯使用 Google 所提供的每一项服务时，

蓦然发现我们的生活已经处在云计算的时代。

云计算出现之前，通常个人在使用计算机时，需要在计算机上安装操作系统。如

果要进行文字操作，需要安装文字处理软件。如果绘图，需要安装图形处理软件。当

需要用计算机或移动存储设备来存储文件和数据时，文件或数据只能被单机访问或被

同一网络上其他计算机访问，而网络外的计算机不能访问，整个运行模式以个人计算

机为中心。

云计算诞生后，整个运行模式将被改变。你不需要在自己计算机上安装所需的文字

或图形处理软件，也不需要一个越来越大的硬盘或移动存储设备来存储文件或数据，只

需要一个上网设备且能联上因特网，其余服务都由云服务器完成。

云计算使因特网的作用从单一的信息传递媒介变成信息、计算和服务的传递媒介，

它将各种资源传递到每个用户终端。计算技术的发展在云计算时代将全面进入服务时

代，软硬件实体将全部集中在云端，唯一面向用户的只有服务，普通用户不用知道在完

成一项任务时到底有多少台服务器在参与，到底有多少工程师在维护。

微软全球资深副总裁张亚勤曾提出一个充满想象力的公式：云计算 =（数据 + 软

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

157

件 + 平台 + 基础设施）× 服务。这个公式表明，“云计算”的终极价值取决于“服务”值

的大小，当“服务”值为零时，一切均化为乌有；只有增大“服务”值，才能创造括号

里各个项目的最大价值。而在应用的基础上，多大的服务带来多大的成效，没有服务就

没有成效。

设想一下，当计算机的计算能力不受本地硬件的限制，更小尺寸、更轻重量、却能进

行更强劲处理的移动终端触手可得。企业与个人用户无需再投入昂贵的硬件购置成本，只

需要通过因特网来购买租赁计算力。把你的计算机当作接入口，一切都交给因特网吧！

云计算超大的并行计算能力，非常适用于高性能计算（HPC，High Performance

Computing）。2008 年 3 月 19 日，美国国家档案馆解禁了一批档案，其中包括希拉里作

为第一夫人，在克林顿任总统的 8 年间，每日生活的起居录。这份档案共 17 481 页，全

部是 PDF 格式。华盛顿邮报得到这份档案后，指定一位工程师，让他把文件从 PDF 格

式转换成便于搜索的格式。如果用一台服务器，这份工作需要花费 1 400 多小时才能完

成。但是这位工程师租用了 200 台 Amazon 弹性计算云（EC2，Elastic Compute Cloud）

服务器，作并行处理，前前后后总共只花了 9 个小时。由此可见，租用 1 台 EC2 服务器

运行 1 400 多小时，与租用 200 台服务器运行 7 个小时，费用是一样的。另一个例子是，

《纽约时报》租用亚马逊的云计算服务，使用基于云计算的开源软件 Hadoop，将其自

1851 年以来的 1 100 万篇报道转变成可搜索的数字化文档，耗时仅仅 1 天。如果使用传

统方法，这项工作可能要数月才能完成。

云计算的内部层次结构如图 4-27 所示。最底层是物理层，包括了最基本的硬件资源，

比如计算资源、存储资源和网络资源，其提供的是硬件即服务（HaaS，Hardware as a

Service）。硬件资源虚拟化、IT 技术自动化和按使用资源的多少来定价的必然后果是，用户

可以购买或者租用一整个数据中心来订购服务。HaaS 是按需分配的、灵活的、可伸缩的，并

且是可管理的。这必然可以节约用户的成本，也降低了硬件资源闲置和利用率低下的风险。

图 4-27 云计算的内部层次结构

大话物联网

158

统一资源层可以分解成两个小层次，即虚拟层和基础设施层。虚拟层提供的服务是

数据存储即服务（dSaaS，data Storage as a Service），说白了就是把云计算包装成一个巨

大的网盘，客户想保存什么文件，不论是什么格式的，统统可以上传到这个网盘里。云

计算的网盘有一个优势，是 PC 的硬盘无法媲美的。譬如，你在办公室里写了一个文件，

晚上回家想接着写。文件存放在办公室的 PC 里，想调用这个文件，你先得设置 VPN，

才能访问你办公室的 PC，比较麻烦。如果你下班前，把文件上传到云计算的网盘里，那

么你回家后想调用这份文件就容易得多。我们把云计算和房地产开发相比较。盖了一栋

空房子，没有装修，也没有通电、通水、通气，如何赚钱？最简单的办法是把空房子出

租，给客户做仓库用。网盘就相当于仓库。

基础设施层提供的服务为基础架构即服务（IaaS，Infrastructure as a Service），是指

提供计算能力，就像提供标准厂房，供电，供水，供气。客户租用标准厂房，是为了组

装一个生产车间。所以，客户光租了标准厂房还不够，他们还得自己动手，购置机器，

雇用工人。把云计算包装成 IaaS，目标客户是动画制作商，数据挖掘商，天气预报局等。

他们编写自己的程序，自己负责运行和分析结果。之所以借助云计算 IaaS 服务，主要是

借助云计算的平行计算的能力。把云计算 IaaS 与标准厂房做个逐项类比，云计算的 IaaS

类似于标准厂房，天气预报局编写的程序就像是客户购置的机器，天气预报分析师就像

是车间里的工人。

平台层提供的是平台即服务（PaaS，Platform as a Service）。类似于开发商盖了一栋

商厦，里面分割成很多摊位，把摊位出租给各个小摊贩，卖衣服鞋帽等。PaaS 针对的客

户是各种传统行业的服务提供商，他们想建一个网站，开设网络商店，但是他们不太了

解 IT 技术，他们开设网络商店所需要做的，基本上只是上传内容。

顶部应用层可以提供的是最简单服务—应用程序，这一层被称作软件即服务

（SaaS，Software as a Service）。类似于开发商不仅建了房子，而且装修成酒店，聘用了

酒店管理人员。酒店面向是两类客户，一类是最终消费者，他们来酒店吃饭和住宿；另

一类是服务提供商，譬如婚庆代理公司，他们租用餐厅和客房，为新婚者承办婚宴。又

譬如会议承办机构，他们利用酒店的会议室等设施，代办各种会议。SaaS 也一样，它可

以给企业提供 ERP 之类的服务，也可以给其他网站提供 Gadgets，譬如地图指南或者日

历等。云计算的商务做得最好的，当属 Amazon.com。

《阿凡达》中有很多同云计算技术相关或相通的地方。

① 片中曾说，在整个潘多拉星球中，每棵树都像是大脑中的神经元，彼此之间相互

联系，从而形成一个很大的网络。而每一个纳美人都可以通过自己的神经末梢上传或下

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

159

载相关的数据与信息。而云计算技术正是将很多服务器与存储资源通过网络相互联系在

一起，向用户提供相应的计算能力与存储能力。从这一点看，潘多拉星球整个就是一个

巨大的“云”。

② 影片中每一个纳美人都可以通过辫子上的神经末梢同各种野兽以及大树之间进

行交互，这种交互形式简洁、高效且接口统一，十分便于用户进行访问。在云计算平台

中，端到云的接入体现的也是这些特点。正因为有这些特点，才使得云计算的用户可以

方便地屏蔽底层的编程接口，提高效率。同时，统一的接口也增强了可用性。这是云计

算优于网格计算之处。

③ 影片中整个星球有 1 万多棵神树，每棵神树又和 1010～10

20个其他植物相连。

这 1 万多棵树互相之间也布满连接。根据推算，该星球上一共有 1024个这样的节点，

比人脑的神经元还要多。其中每 1 棵神树都保存了大量本部落的相关信息。这实际

上可以看做是云环境中的一个个数据中心，通过分布式的存储策略，使得终端用户

能够方便快捷地在各处获取相关的数据信息。因此，潘多拉星球的各个“数据中心”

之间，必然存在十分高效的数据同步、副本创建与更新策略以及相应的容错机制，

即使在某个数据中心“失效”（大树被推倒）时，也能够保证数据的完整性、准

确性。

④ 影片中那个将地球人和阿凡达进行意识同步的仪器，可以看作是地球人接入到潘

多拉这个云平台的接入方案之一，可以称为是一种端到云的解决方案，而且该方案采用

了很成熟的无线技术，保证了数据链路不受物理距离和地形的影响。

⑤ 影片最后描写人类发动袭击时，潘多拉星球各种野兽都帮忙进行对抗。这反映出

圣母不仅仅是一个神，而且是一个拥有强大计算能力与人工智能的超级云计算环境，这

不是人类和一个原始种族的战争，而是一小撮“傻大兵”和拥有强大的计算能力、海量

信息存储能力以及高效的协同能力的云计算平台之间的对抗。

总的来看，《阿凡达》中包含了许多与云计算、分布式计算相关的理念与问题。可以

毫不夸张地说，现实生活中云计算的理念无处不在。正是由于其应用的普遍性，使得云

计算成为工业界与学术界十分关注的新计算模式。

“云计算”的优势可概括为省钱、省时、省力、安全。

省钱。计算机基础投入成本将降低，尤其是存储、运算这两大核心服务，将使得用

户对计算机采购的硬件配置不必站在一个很高的起点，尤其是未来对硬盘、CPU 等配件

的升级也将变得没有必要！“云计算”是否意味着可以把家里被淘汰的 386、486 老爷机

大话物联网

160

拿出来披挂上阵？当然不行！但目前市面上可用的机型都可以满足。

省时。你正在使用的计算机内存可以达到 40 万 GB 吗？硬盘空间是否达到你想象

的极限？过去是 1 个人针对 1 台机器，在云计算时代可能是 1 个人面对 10 万台，过去 1

个月才能够出来的东西，现在也许不到 1 分钟就出来了，云计算对于程序员来说是一个

难得的机遇。

省力。人们可以使用云计算服务来寻找、分享、创建和组织信息，也可以利用云计

算服务来购物、理财、沟通和社交。借助云计算，用户不仅可以通过计算机，还可以通

过电话、汽车、电视和其他设备来享受这些服务。

安全。在“云”的另一端，有专业的团队来帮你管理信息，有最先进的数据中心来

帮你保存数据。同时，严格的权限管理策略可以帮助你放心地与你指定的人共享数据。

比如你买了 4 箱牛奶。智能化冰箱可以告诉你：你喝了 3 箱，就剩 1 箱了，该去补

买了，然后通过短信或邮件发到你的 iPhone（手机上网）上。甚至，由于你太忙而忘了，

冰箱和汽车互联，你的汽车会提醒你去买牛奶。可以通过这样的方式来减少你生活中的

压力。

云计算做并行计算的能力，能够大大缩短数据处理的时间，这一点大家都不怀疑。

令人担忧的是把海量数据上传到云上去，以及把海量数据从云里下载下来，需要花费时

间和金钱。所以，有人开玩笑说，云不是问题，问题是云雨。

话是糙了点，但是问题很中肯。例如，假若想把 10TB 的数据，从伯克利大学

通过因特网，上传到位于西雅图的亚马逊云计算平台，需要 4 000 000 秒，也就是

45 天左右。而且还要支付 1 000 美元网络带宽费。无论从时间，还是金钱，通过因

特网传输 10TB 规模的数据，代价都是非常高的。如果用邮递方式，把光盘寄过去，

需要多少时间和金钱呢？最快的邮递方式是隔夜速递，也就是最多 24 小时。如果

每张光盘存放 1TB 数据，那么总共需要 10 张光盘，邮费大致是 400 美元。45 天 vs

1 天，1 000 美元 vs 400 美元。因特网时代传输海量数据，高科技网络反而比不过传

统物流，实在有点反讽。

谷歌把大家的期望值炒得很高，以至于每当谷歌搜索引擎没法用的时候，人们的第

一反应是网络断了，而很少有人怀疑是谷歌服务器坏了。但是事实上，谷歌也好，亚马

逊也好，只要是机器，的的确确就有出故障的可能。

2009 年 2 月 24 日，Google Gmail 电子邮箱爆发全球性故障，服务中断时间长达 4

小时。此次全球性故障的原因是位于欧洲的数据中心例行性维护，有些新的程序代码

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

161

产生了副作用，导致欧洲另一个资料中心过载，连锁效应扩及其他数据中心，致使全

球性的断线。

2009 年 3 月，著名的谷歌公司不得不尴尬地承认，由于 Google Docs 系统出现了错

误，导致他人可以访问用户的私密文件，因而“不小心”泄露了客户私人信息。美国总

统奥巴马一直是云计算的拥趸，但近日其 Twitter 账户也遭到一名 25 岁的法国黑客的入

侵。在此，我们不禁要问：既然奥巴马的账户都可以被黑，云计算的一般用户的数据安

全又由谁来提供保证呢？

3 月中旬，微软的云计算平台 Azure 停止运行约 22 小时，微软至今没有给出详细的

故障原因。不过，业内人士分析认为，Azure 平台的这次宕机与其中心处理和存储设备

故障有关。

除了谷歌和微软的云计算服务出状况外，2008 年 7 月 20 日亚马逊 S3 服务曾断网 6

小时。由此看来，云计算也未必百分百安全。虽然云计算厂商们屡次信誓旦旦地宣称，

能够保证高达 99.99%的可靠性与安全，但用户要相信，那 0.01%微小的可能万一降临到

自己的头上，带来的损失也是不可估量的。

可以预见的是，云计算普及之后，对现在的网络应用会产生很大的冲击。或许在不

久的将来，服务器这些庞然大物也会随之将家搬迁到网络上，让云另一端的专家来进行

管理。这是网络应用的一个全新发展阶段，进一步丰富云计算功能。

像交通警察一样，云计算可以疏导“交通”。在上下班高峰期，我们在路上总可

以看到交通警察的身影。通过他们的现场疏导，即使在道路的繁忙期，车流也会通畅

很多。其实，云计算在很大程度上就起着一个交通警察的角色，如现在比较流行的

SaaS。简单地说，SaaS 就是因特网上部署几台服务器，然后让众多用户使用，当用

户的数量不断增加时，服务器的性能就会逐渐降低。为了提高应用程序访问的性能，

SaaS 服务提供商可能会部署多台服务器。但是，这些服务器之间不是相互独立的，

他们是一个有机的整体。在这些服务器与用户之间，就好像站着一个交通警察。当用

户提出访问需求后，交通警察会根据服务器的繁忙程度，将用户引导到一台相对来说

比较空闲的服务器上。这不仅可以提高应用程序访问的性能，而且还可以降低 SaaS

提供商的投资成本。因为各个客户所访问的频率是不同的，从而让服务器实现最大的

利用率。而云计算在其中担当的就是一个“交通警察”的角色。云计算会分析服务器

的负荷程度，并对用户的请求进行正确的引导，让其与负荷并不是很重的服务器进行

连接，以提高用户访问的速度。可见，云计算可以帮助用户在服务器之间实现负载

均衡。

大话物联网

162

通过专家“会诊”，云计算能够保障应用服务与数据的安全。云计算出现后，用户

可以将文件放在这个网络服务上，而不用再在内部建立文件服务器。用户不用担心数

据的丢失或者损毁，因为在“云”的另外一端，有着全世界最专业的专家在帮你管理

这些文件。他们可以保证两点，一是让你的数据不会出现丢失、损坏的情况，他们会

通过对数据进行备份等措施来保障数据的安全；二是他们也不会让用户越权访问这些

文件，因为他们会制定严格的权限管理策略帮助企业用户放心地与用户指定的人共享

数据。这比保存在企业内部服务器的数据更加安全。其实这个原理跟银行存钱类似。

将钱放在家里，要担心小偷的光顾或者火灾等意外事故。但是，如果把钱存放在银行

里，并保管好相关的凭据与身份证明，那么，存在银行里的钱是安全的。如果到时候

由于银行的原因发生钱丢失的现象，银行会负责任。将企业的文件保存在因特网上的

基于云计算的应用服务器上，就好像将钱存放在银行里，会有很多的专家来保障这些

文件的安全。

云计算使终端更加傻瓜化。应用软件（如操作系统）的升级，往往要求硬件也随之

进行升级。同时，为了实现不同的需求，用户还需要在计算机上维护不同的软件。最要

命的是，还需要时刻防范病毒与各类网络的攻击。为此，对于一些不是很专业的人来说，

一段时间下来计算机就可能会变成垃圾站。病毒、木马等都在计算机中安家了。这不仅

危及到用户的信息化应用安全，而且还影响到了用户的工作效率。不过采用了云计算，

一切都会改变。如最近谷歌公司推出了在线的 Office 应用。这个应用也是在云计算的基

础上实现的。此时在用户的客户端不需要装有任何的文本处理工具。只要有一个浏览器

并且可以上网，那么用户就可以通过浏览器来直接编辑存储在云的另一端的文件。不用

担心这文件会被感染病毒，也不用担心由于软件版本较低而打不开这个文件。当客户发

一份文件给你的时候，也不用担心找不到合适的软件来打开这个文件。在云的另一端，

这些工作会有专业的人士帮助企业用户完成这些工作。如他们会帮你寻找、部署和升级

所需要的软件，帮助用户做好安全方面的防护等。在云计算的帮助下，云另一端的专家

可以做你以前在个人计算机上所做的一切。所以，云计算会让终端更加的傻瓜化，服务

器端也会变得更加的先进，从而给用户一个全新的体验。

4.4

ZigBee

不久的将来，从事种植的菜农们可以通过安装在蔬菜大棚上的小型无线 ZigBee 传

感器密切地监控自己的田地。这些一枚硬币大小的玩意儿可以跟踪土壤的温度和营养成

分等数据。它们利用卫星无线发射机相互连接。尽管 2l 世纪的人们并没有实现科幻小说

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

163

中的某些预言，然而更为奇妙的场景很快便会成为现实：只需一台计算机，一切尽在掌

控之中。你可以一边从个人 PC 中调控欣赏在平面电视上播放的影片，一边控制烤箱的

温度，等待享受美味的下午茶，同时密切地监控与了解一切需要关注的信息：家电设备

的运行情况，水表、电表和天然气表的运行数据，家中饮用水成分的变化，空气中或许

可能出现有毒物质的告警，路灯的远程调控„„不会再有过火而败味的美食，更不会有

《小鬼当家》中入室的匪徒，火灾和毒气泄漏都将最大程度地被防止，博物馆的馆长则不

再担惊受怕地忧虑古董名画的命运。而这一切，皆无需线缆。

如同计算机从单任务到多任务的跨越一般，人类将从事事亲历亲为却免不了顾此失

彼的尴尬中解脱出来，同时兼顾生活与工作的方方面面，一切将变得从容而妥当。最为

诱人的是，这样的效率不需要被繁冗杂乱的设备线路所缠绕，无线传感 ZigBee 将工作与

生活的广阔空间浓缩于双手可以掌控的距离。

什么是 ZigBee？从字面上猜像是一种蜜蜂。因为“ZigBee”这个词由“Zig”和“Bee”

两部分组成，“Zig”取自英文单词“Zigzag”，意思是走“之”字形，“Bee”英文是蜜蜂

的意思，所以“ZigBee”就是跳着“之”字形舞的蜜蜂。不过，ZigBee 并非是一种蜜蜂，

事实上，它是与蓝牙类似的一种短距离无线通信技术，国内也有人翻译成“紫蜂”。下面

就让我们一起进入这只蜜蜂的世界，与蜂共舞吧！

这只蜜蜂的来头还是要从它的历史开始说起。1999 年，蓝牙热潮席卷全球，然而发

展数年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题

的困扰。由于技术复杂、成本高、传输距离短等原因而不能应用在 WSN 上。于是，在

上世纪末，有人开始考虑发展一种新的通信技术，用于传感控制应用，这个想法后来在

IEEE 802.15 工作组当中提出来。2000 年 12 月，lEEE 成立了 IEEE 802.15.4（TG4）工

作组，致力于开发一种可应用在固定、便携或移动设备上的低成本、低功耗以及多节点

的低速率无线个域网（LR-WPAN，Low-Rate Wireless Personal Area Network）技术标准。

但该工作组只专注于底层，要达到产品的互操作和兼容，还需要定义高层的规范。2001

年 8 月，美国霍尼韦尔等公司发起成立了 ZigBee 联盟，他们提出的 ZigBee 技术被确认

为 IEEE 802.15.4 标准。

ZigBee 的标准化组织包括 IEEE 802.15.4（TG4）工作组和 ZigBee 联盟，如图 4-28

所示。IEEE 802.15.4（TG4）工作组制定的 IEEE 802. 15. 4 标准仅处理 MAC 层和物理层

协议，而由 ZigBee 联盟所主导的 ZigBee 标准，定义了网络层、安全层、应用层和各种

应用产品的资料或行规，并对其网络层协议和应用编程接口（API，Application

Programming Interface）进行了标准化。

大话物联网

164

图 4-28 ZigBee 标准化进展

IEEE Std 802.15.4 工作组方面。2003 年 10 月 1 日，IEEE 发布了 IEEE Std

802.15.4-2003 标准，该标准为无线个域网（WPAN）中的数据通信设备定义了协议和兼

容性互连规则，这些数据通信设备具有低数据速率、低功耗、低复杂性、短距离射频传

输的特性。IEEE 802.15.4-2006 是对 IEEE 802.15.4-2003 的修改完善，订正了歧义性，减

少了不必要的复杂性，增加了安全密钥使用的灵活性等。该标准定义了 4 种不同的物理

层，3 种物理层使用 DSSS 技术，1 种物理层使用并行序列扩展频谱（PSSS，Parallel

Sequence Spread Spectrum）技术。IEEE 802.15.4a-2007 是对 IEEE 802.15.4-2006 物理层

的补篇，规定了两种物理层可选的规范：超宽带（UWB）和 Chirp 扩频（CSS，Chirp Spread

Spectrum）。UWB PHY 使用三种频段：1GHz 以下、3～5GHz 以及 6～10GHz；CSS 物

理层使用 2.4GHz。IEEE 802.15.4c-2009 是对 IEEE 802.15.4 物理层的补篇。该补篇根据

中国无线电管理规定，定义了用于 779～787MHz 频段的多进制相移键控（MPSK，M-ary

Phase Shift Keying）物理层和偏移正交相移键控（O-QPSK，Offset-Quadrature Phase Shift

Keying）PHY 的 WPAN 规范。IEEE 802.15.4d-2009 是对 IEEE 802.15.4-2006 的补篇，为

日本新分配的频段（950～956MHz）定义物理层及相应的 MAC 层。

2004 年 12 月，ZigBee 联盟通过了 ZigBee 1.0（也称 ZigBee 2004）标准，之后

于 2005 年 9 月公布并提供下载。但这个规范推出得比较仓促，存在一些错误，并不实用。

2006 年 12 月，ZigBee 联盟又推出 ZigBee 1.1（也称 ZigBee 2006）版。ZigBee 1.1 较原

有 ZigBee 1.0 作了若干修改，例如新增 ZigBee 簇库（ZCL，ZigBee Cluster Library）、集

团装置、组播功效、并且可以直接通过空中下载（OTA，Over The Air）进行组态配置和

软件更新，此外也移除了键值对（KVP，Key Value Pair）的信息格式。2007 年 10 月，

ZigBee 联盟推出 ZigBee 2007 规范，该规范确定了 2 套高级的功能指令集，分别是 ZigBee

功能命令集和 ZigBee Pro 功能命令集。ZigBee 2004 和 2006 都不兼容这两套新的命令

集。ZigBee 2007 包含两个协议栈模板：一个是 ZigBee 协议栈模板，它是 2006 年发布的，

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

165

目标是消费电子产品和灯光商业应用环境，设计简单，适用于少于 300 个节点的网络中；

另一个是 ZigBee Pro 协议栈模板，它是 2007 年发布的，应用场景是商业和工业环境，

支持多于 1 000 个节点的大型网络，具有更好的安全性。该规范对 ZigBee 协议栈进行了

重大升级，加强了对家庭自动化（HA，Home Automation）、建筑商业楼宇自动化（BA，

Building Automation）、高级抄表结构（AMI，Advanced Meter Infrastructure）3 种应用剖

面的支持。同时在自动跳频、支持更大的网络、更高级的路由算法等方面的改进和提高，

将 ZigBee 协议栈的可用性和可靠性，提高到一个全新的阶段。

从 ZigBee的发展历史可以看到，它和 IEEE 802.15.4 有着密切的关系。事实上，ZigBee

的底层技术就是基于 IEEE 802.15.4 的，因而有一种说法认为 ZigBee 和 IEEE 802.15.4 是

同一个东西，或者说 ZigBee 只是 IEEE802.15.4 的名字而已，其实这是一种误解。实际

上 ZigBee 和 IEEE 802.15.4 的关系，有点类似于 WiMAX 和 IEEE 802.16、Wi-Fi 和 IEEE

802.11、蓝牙和 IEEE 802.15.1。“ZigBee”可以看作是一个商标，也可以看作是一种技术，

当把它看作一种技术的时候，它表示一种高层的技术，而物理层和媒体接入控制（MAC，

Medium Access Control）层直接引用 IEEE 802.15.4。事物是不断发展变化的，尤其是通

信技术，可以想象将来的 ZigBee 可能不会使用 IEEE 802.15.4 定义的底层，就跟蓝牙宣

布下一代底层采用超宽带（UWB，Ultra Wide Band）技术一样，但是“ZigBee”这个商

标以及高层的技术还会继续保留。

ZigBee 的特点突出，尤其在低功耗、低成本方面，主要包括如下特点。

① 低功耗。在低耗电待机模式下，2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 6～24 个月，

甚至更长时间，这是 ZigBee 的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周，Wi-Fi 可工作数小时。

② 低成本。通过大幅简化协议（成本不到蓝牙的 1/10），降低了对通信控制器的要

求，按预测分析，以 8051 的 8 位微控制器测算，全功能的主节点需要 32KB 代码，子功

能节点少至 4KB 代码，而且 ZigBee 免协议专利费。

③ 低速率。ZigBee 工作在 20～250kbit/s 的较低速率，分别提供 250kbit/s（2.4GHz）、

40kbit/s（915MHz）和 20kbit/s（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据

的应用需求。

④ 近距离。传输范围一般介于 10～100m 之间，在增加射频（RF，Radio Frequency）

发射功率后，亦可增加到 1～3km。这指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点

间通信的接力，传输距离将可以更远。

⑤ 短时延。ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需 15ms，节点

连接进入网络只需 30ms，进一步节省了电能。相比之下，蓝牙需要 3～10s、Wi-Fi 需

要 3s。

⑥ 大容量。ZigBee 可采用星形、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子

大话物联网

166

节点，最多一个主节点可管理 254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，

最多可组成 65 000 个节点的大网。

⑦ 高度安全。ZigBee 提供了 3 级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制列表

（ACL，Access Control List）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对

称密码，以灵活确定其安全属性。

⑧ 免执照频段。采用直接序列扩频（DSSS，Directed Sequence Spread Spectrum）

在工业、科学和医疗（ISM，Industrial Scientific Medical）频段、2.4GHz（全球）、915MHz

（美国）和 868MHz（欧洲）。

无所不在的网络将可提供一种任何时间、任何地点的信息访问服务。例如，一辆配

备有无线定位系统的急救车，可准确定位突发事故现场，利用无线网络获取实时的交通

信息。在事故现场，通过便携式和移动式设备监测病人的脉搏、血压、呼吸等数据，通

过无线网络访问分布式的医疗服务系统，下载有关病历数据等必要信息。除了基于定位

系统的应急响应机制，系统的功能还包括基于移动设备和无线网络的远程医疗诊断、远

程病人监护，以及远程访问存有患者病历信息的医疗数据库。

作为一项基于 IEEE 802.15.4 无线标准的安全网络技术，Zigbee 有希望让无线传感器

出现在各种应用中：从工厂的自动化系统到家庭保安系统和消费电子产品。在最近才得

到批准的 802.15.4 标准配合下，ZigBee 将普通小型电池的使用寿命延长到了几年时间。

人们预测，ZigBee 设备还将十分便宜，一些人估计，它的销售价格最终不到 3 美元。以

如此之低的价格，它们将会非常适用于无线电灯开关、无线调温器和烟感探测器，成为

包围办公室、家庭和交通工具的无线设备的流行趋势，而建立自动化传输房门、水表、

摄像、自动售货机和火警等系统信息的数据网络将成为其最大的市场空间。

ZigBee 的协议栈结构如图 4-29 所示。ZigBee 协议由物理（PHY，Physical）层、

媒体接入控制（MAC）层、网络（NWK，Network）层和应用（APL，Application）层

组成。网络层以上协议由 ZigBee 联盟制定，IEEE802.15.4 负责物理层和媒体接入控制

层标准。

物理层的主要功能包括：激活和休眠射频收发器，信道能量检测（ED，Energy

Detection），检测接收数据包的链路质量指示（LQI，Link Quality Indication），载波侦听

多点接入/冲突避免（CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）

机制下的空闲信道评估（CCA，Clear Channel Assessment），信道频率选择，收发数据。

设备支持的工作频段包括 250～750 MHz、779～787 MHz、868～868.6 MHz、902～928

MHz、950～956 MHz、2 400～2 483.5 MHz、3 244～4 742 MHz、5 944～10 234 MHz。

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

167

图 4-29 ZigBee 协议栈

MAC 层的主要功能包括：协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标

帧与协调器同步；支持个域网（PAN，Personal Area Network）网络的关联和取消关联操

作；支持无线信道通信安全；使用 CSMA/CA 机制访问信道；支持时隙保障（GTS，

Guaranteed Time Slot）机制；支持不同设备的 MAC 层间可靠传输。

网络层的功能包括：ZigBee 网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保

ZigBee 的 MAC 层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口，为了向应用层提供

其接口，网络层提供了两个必需的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服

务实体；网络层数据实体（NLDE，Network Layer Data Entity）通过网络层数据服务实

体服务接入点（NLDE-SAP，Network Layer Data Entity-Service Access Point）提供数据

传输服务；网络层管理实体（NLME，Network Layer Management Entity）通过网络层

管理实体服务接入点（NLME-SAP，Network Layer Management Entity-Service Access

Point）提供网络管理服务，网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理

工作，且网络层管理实体完成对网络信息库（NIB，Network Information Base）的维护

和管理。

应用层主要负责把不同的应用映射到 ZigBee 网络上，具体功能包括：安全与鉴权，

多个业务数据流的会聚，设备发现，服务发现。它是由应用支持子层（APS，Application

Support Sub-Layer）、应用框架和 ZigBee 设备对象（ZDO，ZigBee Device Object）构成。

大话物联网

168

低数据速率的 WPAN 中包括两种无线设备：全功能设备（FFD，Full Function Device）

和精简功能设备（RFD，Reduced Function Device）。FFD 支持任何一种拓扑结构，可以

与其他的 FFD 或是精简功能装置（RFD）进行通话，具备控制器的功能，可提供信息双

向传输，可以充当网络协调器、路由器和终端设备。RFD 只能传送信息给 FFD 或从 FFD

接收信息，在网络中通常用作终端设备。它可以与协调器、路由器通话，但不能与终端

设备通话。RFD 由于省掉了内存和其他电路，降低了 ZigBee 部件的成本。

一个 Zigbee 网络由一个协调器、多个路由器和多个终端设备组成。

ZigBee 协调器（ZC，ZigBee Coordinator）在无线传感器网络中可以作为汇聚节点。

ZigBee 协调器必须是 FFD，一个 ZigBee 网络只有一个 ZigBee 协调器，它往往比网络中

其他节点的功能更强大，是整个网络的主控节点。它负责发起建立新的网络、设定网络

参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等，网络形成后也可以执行路由器的

功能。ZigBee 中每个协调点最多可连接 255 个节点，一个 ZigBee 网络最多可容纳

65 535 个节点。ZigBee 协调器是 3 种类型 ZigBee 节点最为复杂的一种，一般由交流电

源持续供电。

ZigBee 路由器（ZR，ZigBee Router）也必须是 FFD。ZigBee 路由器可以参与路由

发现、消息转发，通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。此外，ZigBee 路由器还

可以在它的个人操作空间（POS，Personal Operating Space）中充当普通协调器。普通协

调器与 ZigBee 协调器不同，它仍然受 ZigBee 协调器的控制。

ZigBee 终端设备（ZE，ZigBee End-device）可以是 FFD 或者 RFD，它通过 ZigBee

协调器或者 ZigBee 路由器连接到网络，但不允许其他任何节点通过它加入网络，ZigBee

终端设备能够以非常低的功率运行。

ZigBee 支持三种自组织无线网络类型，即星形网络、网状网络和树状网络，特别是

网状网络，具有很强的网络健壮性和系统可靠性，如图 4-30 所示。

星形网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通过中心节点传输。在这种路由拓

扑中，外围节点需要直接与中心节点无线连接，某个节点的冲突或者故障将会降低系统

的可靠性。星形网络拓扑结构最大的优点是结构简单，因为很少有上层协议需要执行，

设备成本低、需要较少的上层路由管理；中心节点承担绝大多数管理工作，如发放证书

和远距离网关管理等。缺点是：灵活性差，因为需要把每个终端节点放在中心节点的通

信范围内，必然会限制无线网络的覆盖范围；集中的信息涌向中心节点，容易造成网络

阻塞、丢包、性能下降等情况。星形网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协

调器进行通信。

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

169

图 4-30 ZigBee 网络拓扑结构

树状网络是点对点网络的一个例子，也是 ZigBee 典型的网络拓扑结构。在一般的点

对点网络中，任意 2 个设备只要能够彼此收到对方的无线信号，就可以进行直接通信，

不需要其他设备的转发。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过该协调器的功

能不再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。

网络协调器的产生同样由上层协议规定，例如，把某个信道上第一个开始通信的设备作

为该信道上的网络协调器。在 ZigBee 的树状网络中，绝大多数设备是 FFD 设备，而 RFD

设备总是作为树状的叶设备连接到网络中。任意一个 FFD 都可以充当 RFD 协调器或者

网络协调器，为其他设备提供同步信息。在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对

点网络的网络协调器。网络协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备

更多的计算资源和能量资源。

网状网拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓

扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。网状网是一种特殊

的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。

由此可知，一个 ZigBee 网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。协调器

负责整个网络的建网，同时它也可作为与其他类型网络的通信节点（网关）。构成协调器

和路由器的器件必须是全功能设备（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能设备

（FFD），也可是精简功能设备（RFD）。

大话物联网

170

各种家用电器对网络的要求有所不同：多媒体设备要求网络具有较高的数据传输速

率和较好的服务质量（QoS，Quality of Service）；而家电设备要求低速但安全可靠的传

输控制指令，ZigBee 的技术特点恰好满足这一要求。

ZigBee 的主要优势在于该类产品可以联网，同时还具有可互操作、高可靠及高安全

等特性。许多应用现在已经能够在不使用电缆的情况下进入家庭和建筑当中，将来还可

通过远程控制（甚至可以是手机）来实现对楼宇自动化设备的管理。ZigBee 可以用于计

算机外设（鼠标、键盘和游戏手柄）、消费类电子设备、家庭智能控制（照明、煤气表及

报警等）、电子玩具、医护（监视器和传感器）等领域，如图 4-31 所示。

图 4-31 基于 ZigBee 的智能家居

不久的将来，ZigBee 可以帮助你实现下面的事情。

① 不再因遥控器“寻寻觅觅”。只要你预先设置好手机界面中遥控器的相关功能，

就能控制家中的电视、空调等带遥控器的设备。

② 在家中任何地方开关灯，并且可以根据需要控制灯的亮度和颜色。

③ 下班前先煮好饭，因为你家的电饭煲学会“上网了”。

④ 如果外出旅行，家里不幸被小偷“光顾”，你可以在千里之外选择报警。

第 4 章 网络层：物联网的神经中枢和大脑

171

⑤ 当你驾车驶入小区时，不需要再停车刷卡了。

⑥ 上班不需要记着打卡了，走进办公室的一刻就自动登记到考勤信息系统中。

⑦ 办公室里空调冷气不会再没完没了地照顾你，因为它可以根据传感器检测的数

据，自动调整工作状态。

⑧ 如果晚上你一个人还在大办公室里忙碌，不会出现众“灯”捧“月”了，只有你

周围的灯光依然灿烂„„

数字家庭领域。ZigBee 可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等。未来的家庭

将会有 50～150 个支持 ZigBee 技术的模块被安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游

戏机、门禁系统、空调系统和其他家电产品中，通过 ZigBee 收集各种信息，传送到中央

控制装置，或通过遥控达到远程控制之目的，使家居生活更朝向自动化、网络化与智能

化，有效增加人们居住环境之方便性与舒适度。例如，人们要开灯，就不需要走到墙壁

开关处，直接通过遥控便可开灯。当你打开电视机时，灯光会自动减弱；当电话铃响起

时或你拿起话机准备打电话时，电视机会自动静音。

智能交通领域。如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量 ZigBee 终端

设备，你就不再担心会迷路。安装在汽车里的器件将告诉你，你当前所处位置，正向何

处去。全球定位系统（GPS）也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能够向你提

供更精确更具体的信息。即使在 GPS 覆盖不到的楼内或隧道内，你仍能继续使用此系

统。从 ZigBee 无线网络系统能够得到比 GPS 多得多的信息，如限速、街道是单行线还

是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。使用这种系统，也可以跟踪公共交通

情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。

基于 ZigBee 技术的系统还可以开发出许多其他功能，例如在不同街道根据交通流量动态

调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。

医学保健领域。将借助于各种传感器和 ZigBee 网络，准确且实时地监测病人的

血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生的工作负担，有助于医生作出快速的

反应，特别是对重病、病危患者的监护和治疗。带有微型纽扣电池的自动化、无线

控制的小型医疗器械将能够深入病人体内完成手术，从而在一定程度上减轻病人手

术的痛苦。

汽车领域。汽车车轮或者发动机内安装的传感器可以借助 ZigBee 网络把监测数

据及时地传送给司机，从而能够及早发现问题，降低事故发生的可能性。汽车中使

用的 ZigBee 设备需要克服恶劣的无线电传播环境对信号接收的影响以及金属结构

对电磁波的屏蔽效应，内置电池的寿命应该大于或者等于轮胎或者发动机本身的

寿命。

农业自动化领域。农业自动化领域的特点是需要覆盖的区域很大，因而需要由大量

大话物联网

172

的 ZigBee 设备构成监控网络，通过各种传感器采集诸如土壤湿度、氮元素浓度、PH 值、

降水量、温度、空气湿度和气压等信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发

生问题的位置，这样农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式

转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的

生产设备。

Chapter 5

第5 章

173

应用层：物联网的 社会分工

应用层是物联网的“社会分工”。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，

与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人类的社会分工。物联网的应用已经

覆盖到各个角落、各个领域，可以用“无所不包、无所不在”来形容。

5.1

安全防伪保护神

由于电子标签具有非接触识别、可识别高速运动物体，数据的存储容量大，快速

自动扫描，抗恶劣环境强，安全保密性高，寿命长，可同时识别多个目标对象等突出

特点，因而被广泛应用于安全防伪领域。同时，传感器网络在安全领域也有着广泛的

应用。2009 年 1 月 15 日，全美航空公司 1549 航班因为和飞鸟相撞，迫降在纽约的

哈德逊河中，机上 146 名乘客及 5 名机组人员全部平安无事，堪称奇迹。其后，媒体

聚焦的中心放在了英雄机长身上，而在中国不少传感网专家看来，真相未必如此。事

后，相关媒体报道了美国政府处理这一突发事件的如下流程。当消息报告塔台后，塔

台马上通报了紧急行动通知系统（EANS，Emergency Action Notification System）、美

国应急办等部门，并立即和军方取得了联系。同时，事发现场的水情等情况被传送到

美国海岸警卫队和海上指挥中心，随后警察和营救人员迅速赶到现场，还带来了大量

应急物资。由于飞机上有大量燃油，必须防备可能发生的燃油污染河水事件。好在哈

德逊河中早已放置了大量的传感器，甚至在河中的鱼类身上也安装了信息采集装置。

这样，应急人员可以在指挥中心内，通过分析大量的数据，产生出可视化模型来做出

决策。就这样，整个应对过程仅耗费了几十分钟时间，当整个救援行动结束之后，人

们才依稀看见，事故背后有着一张无所不能的网络，力保着英雄机长创造的奇迹能够

大话物联网

174

延续。

随着我国换发第二代居民身份证工作正式启动，新身份证已经面世并陆续发放到居

民手中。第二代居民身份证解决了一代身份证遇到的五大难题：防伪性能大幅度提高；

机读功能增强；重号现象得到有效避免；照片彩色化；逼真程度大大提高。

新研制的第二代身份证是 IC 非接触式智能身份证，它集中了目前国内最新的防伪技

术。新身份证的防伪主要由视读和机读两部分组成。视读就是老百姓用肉眼可以辨别出

来身份证的真伪，机读则需要用机器来识别。

第二代居民身份证采用了多项新技术，证件质量、安全防伪性能大大提高。第一，

证件采用非接触式射频卡技术制作，利用芯片作为机读存储器，芯片存储容量大，写

入的信息可划分安全等级，分区存储，按照管理需要授权读写，也可以将变动信息（如

住址变动）追加写入；芯片使用特定的逻辑加密算法，有利于证件制发、使用中的安

全管理，增强防伪功能；芯片和电路线圈在证卡内封装，能够保证证件在各种环境下

的正常使用，证件的使用寿命较长；具有读写速度快，使用方便，易于保管以及便于

各用证部门使用计算机网络查询等优点。第二，证件信息的采集和传输采用数码照相

和计算机技术，可以缩短制证周期。第三，证件制作和生产管理采用计算机监控，可

以严密内部管理，提高工作效率。第四，证件信息的存储和证件查询采用数据库技术

以及网络技术，既可实现全国范围的联网快速查询和身份识别，也可以实现公安机关

与各行政管理部门之间的网络互查，能够有效利用人口资源，实现信息共享，加强社

会管理。

由于机读的代价较高，一般的老百姓不大使用，所以视读防伪就显得非常重要，

被人们称为新身份证件防伪的第一道屏障。第二代身份证视读防伪主要运用的是“定

向光变色模具”技术，可以将新身份证比喻为一张特殊的白纸，表面上看没有什么特

别之处，但若拿在手里，用左眼看可能是黄色、右眼看可能是绿色、两眼一起看就表

现为蓝色，白天、夜晚所显现的又是不同的光泽。同时，新身份证还有许多不易觉察

的防伪标志。

长期以来，假冒伪劣商品不仅严重影响着国家的经济发展，还危及着企业和消费

者的切身利益。为保护企业和消费者利益，国家和企业每年都要花费大量的人力和财

力用于防伪打假。然而，国内市场上的防伪产品，其采用的防伪技术绝大部分仍然是

在纸基材料上做文章，常见的防伪技术有：全息图案、变色墨水、产品和包装上面的

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

175

隐蔽标记，其技术不具备唯一性和独占性，容易复

制，从而不能起到真正防伪的作用。目前，国际防

伪领域逐渐兴起了一股利用电子技术防伪的潮流，

尤其是电子标签的运用，其优势已经引起了广泛的

关注，如图 5-1 所示。

利用电子标签防伪，与其他防伪（如激光防伪、

数字防伪）技术相比，其优势在于：每个标签都有一

个全球唯一的标识（ID，Identifier）号，此唯一 ID 号

是在制作芯片时放在只读存储器（ROM，Read Only

Memory）中的，无法修改、无法仿造；无机械磨损，

防污损；读写器具有不直接对最终用户开放的物理接

口，以保证其自身的安全性；信息安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算

法实现安全管理；读写器与标签之间存在相互认证的过程和机制等。

将射频识别技术应用在防伪领域有其自身的技术优势。防伪本身要求其成本较低，

但却很难伪造。电子标签的成本就相对便宜，而芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂，使

伪造者望而却步。电子标签本身具有存储器，可以存储、修改与产品有关的数据，利于

销售商使用。而且电子标签体积十分小，便于产品封装。目前，利用 RFID 技术进行防

伪应用的领域主要包括商品防伪、证件防伪、票务防伪和包装防伪等。

2009 年，五粮液集团订购了 2 000 万个 RFID 标签。他们将这些标签做进开盖纸贴

标签内，贴在每一瓶五粮液的开盖处。一旦酒瓶开封，标签便会被损坏。

外界都以为这不过是五粮液对付仿冒的新招，却不知道 RFID 的引入，极大地推进

了五粮液销售体系的建设。

在中国，每个省份的五粮液售价都不相同。不同地区的差价导致了大量的跨省倒卖

行为和销售体系的混乱，这一度让五粮液一筹莫展。

而在 RFID 标签被贴上后，每一瓶五粮液酒都具有了生命，其生产、运输、销售的

全过程都可以在 RFID 中读出。当所有销售网点都被要求装上 RFID 读写设备，每一瓶

五粮液酒的状况都得到了监控，从而有力地打击串货。

汽车防盗是电子标签较新的应用。由于已经开发了足够小的电子标签，因而含有特

定码字的电子标签能够封装到汽车钥匙当中，如图 5-2 所示。在汽车上装有读写器，当

钥匙插入到点火器中时，读写器能够识别钥匙的身份。如果读写器接收不到电子标签发

送来的特定信号，汽车的引擎将不会发动。利用这种电子验证的方法，汽车的中央计算

图 5-1 使用 RFID 进行产品防伪

大话物联网

176

机就能很容易防止短路点火。目前全世界已

经有大约数百万辆汽车安装有该防盗系统。

同时，还有其他类型的汽车防盗系统。

例如，司机自己带有一个电子标签，其发射

范围是在司机座椅 45cm 以内。读写器安装

在座椅的背部，当读写器读取到有效的 ID

号时，系统发出三声鸣叫，然后汽车引擎才

能启动。该防盗系统还有一个强大功能，倘

若司机离开汽车并且车门敞开引擎也没有关

闭的话，这时读写器就需要读取另一有效 ID 号。如果司机将该电子标签带离汽车，此

时读写器将不能读到有效 ID 号，则引擎会自动关闭，并会触发报警装置。这种电子标

签也可用于家庭和办公室的防盗中。

电子标签还可应用于寻找丢失的汽车。在城市的各主要街道路线处埋设有 RFID 的

天线系统，只要车辆带有电子标签，则车辆在路过任何天线读写器时，该汽车的 ID 号

和通过时间都将会被自动记录下来，并返回到城市交通管理中心的计算机中。除了城市

街道埋设天线外，警察还开动若干辆带有读写器的流动巡逻车，以更加方便地监测车辆。

如果车辆被盗，就能方便快捷地被找回。

智能门禁管理系统是指基于现代电子与信息技术，在建筑物内外的出入口安装智能

卡电子自动识别系统，通过持有非接触式卡片

来对人（或物）的进出实施放行、拒绝和记录

等操作的智能化管理系统，其目的是为了有效

地控制人员（物品）的出入，并且记录所有出

入的详细情况，实现对出入口的安全管理与人

员上班考勤的自动管理。

门禁管理系统均可应用 RFID 射频卡，此

卡可以多用，比如工作证、借书证、饭卡、出

入证、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等，

其目的都是识别人员身份、安全管理和进行收

费等，如图 5-3 所示。

门禁管理系统应用射频卡的好处是简化出

入手续、提高工作效率、加强安全保护。在出入口安装一台读写器，只要人员佩戴了封

图 5-2 带有 RFID 电子标签的汽车钥匙

图 5-3 使用 RFID 射频卡的门禁管理系统

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

177

装成身份证大小的射频卡，读写器就能自动识别身份，对于非法闯入者系统将会报警。

安全级别要求高的地方，还可以结合其他的识别方式，将指纹、掌纹或面相特征存入射

频卡。

5.2

生产领域好帮手

生产过程是依靠制度和规范保障的一个精确的执行过程，这必然要求对计划和执

行进行精确的对比，即生产过程中的每一个环节的数据都要准确记录，并同计划进行

比较，这就需要使用物联网技术进行自动识别，保证计划和执行相符合，并针对不符

合的问题和环节及时采取措施调整。由此可见，现代生产对物联网技术具有较强的依

赖性。

由于全球性的激烈竞争，汽车工业在新技术的采用方面一直拥有主导性的地位。通

过不断采用新技术，汽车工业已经改进了其流程和产品，主要措施包括及时（JIT，Just In

Time）制造、大规模定制、零缺陷生产和缩短周期时间。为了完成这些目标，汽车制造

商日益依赖于信息技术来协助管理整个流程。这些最新的管理方法之一就是用低成本的

RFID 技术进行识别和管理日常制造的产品。RFID 技术在汽车行业的应用可以分成零件

跟踪、资产管理和车辆相关三类。

零件跟踪能够改进供应链的信息透明度。供应链与选样、存货管理、商标鉴定、防

盗控制、装配以及像维护、召回和再循环这样的售后服务等任务密切相关。零件跟踪贯

穿汽车价值链的大部分，但是，对于不能循环再用的电子标签、分配费用的解决方案以

及应得的收益需要一个标准的基础架构。在汽车生产过程中，RFID 技术可用于对零件

进行跟踪，如图 5-4 所示。

RFID 技术能够改进公司内部的资源管理。流动资产由大量应用于物流的集装箱、

生产工具和维修工具组成。RFID 应用标准不是必需的，但如果标准适当，将会减少实

施费用，从而提高服务提供者的固定资产管理和外部采购效率。例如，今天的物流服务

大话物联网

178

提供商拥有和管理着许多应用于汽车工业的集装箱。

图 5-4 使用 RFID 进行零件跟踪

RFID 技术也能给汽车本身增加功能。这些功能包括汽车标识、信道控制、轮胎压

力监测（TPM，Tire Pressure Monitoring）。实施这些功能的原因是为了更好地按照客户

需求提供服务。RFID 技术将会对汽车供应链产生巨大影响，该供应链包括从原材料到

消费者移动货物有关的所有任务，如原料获取、存货管理、订单处理、装配、销售、运

输和入库等过程。

随着邮政业务不断拓展，邮件种类和数量每年都在增加，由于邮件的特殊性，因而

对邮件标码、识别和处理等显得尤为重要。对邮件标码的目的是为了方便、快捷、准确

地采集邮件信息，减少人为的错误，从重复采集邮件信息的繁重劳动中解脱出来。

随着计算机及其网络的发展与普及，对邮件标码越全，快速采集邮件相关信息就越

多。利用采集到的邮件信息，按照生产作业流程的要求，进行一系列相关处理，最终达

到快速、准确、高效的生产目标，同时还要考虑最大限度地降低生产运营成本，为企业

创造更多的经济效益和社会效益。

在邮政生产相关领域全程运用 RFID 技术，不但可以提高邮政生产相关环节邮件处

理速度和信息处理能力，降低运营成本，而且可以为邮件在信息网上的传递打下良好基

础，如图 5-5 所示。

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

179

图 5-5 RFID 技术在邮政生产领域的应用

在中国邮政第 10 个“五年计划”的科技发展规划中，就已将 RFID 技术应用作为新

技术应用的重点之一。2005 年年初，国家“863”计划项目“无线射频关键技术研究与

开发”启动。在科技部和中国科学院的支持下，中国邮政以速递总包处理业务为突破口，

选择上海为试点，进行了“射频识别技术在上海邮政速递总包处理中的应用”实验。2005

年 12 月，项目通过初验，正式投入试运行。

上海邮政速递总包处理的生产过程主要包括电子化支局的收寄与封发，市内邮路转

趟运输，沪青平速递处理中心总包接收、邮袋开拆、散件分拣、总包封发、总包并堆发

运，市内驳运，虹桥机场及新客站转运站接收与分拣、干线发运。RFID 识别系统由部

署在市内速递邮件汇集点、沪青平处理中心、虹桥航站、新客站等生产场地的手持或固

定 RFID 读写器及其上位计算机系统以及在全市邮政支局（所）和各生产场地之间流转

的射频袋牌及其调拨管理系统构成。

速递总包生产作业要求识读距离 3～4m，且要求在一定条件下多标签批量识别，因

此选择超高频频段的 RFID 系统。标签有 2 个要求：采用无源标签，以减少设备购置成

本和维护成本；采用只读和可读写两种不同功能的标签。

从电子化支局封发到处理中心开拆前，采用只读的射频标签袋牌，附加绑定 6 字符

条码信息，通过电子化支局操作时将射频标签信息与条码信息、总包业务信息绑定的方

式，实现了全市约 600 个电子化支局原有的基于条码的信息系统与 RFID 系统的有效结

合。这样，在电子化支局，不需配备射频读写器，可以利用原有的条码识读设备，最大

限度地保护和节省投资。

在处理中心封发到各转运站的总包处理中采用了可读写射频袋牌，实际记录邮政业务

所需要的 30 位总包信息，与现有条码袋牌信息完全相同，适应邮政干线网信息传输要求。

由于种种原因，目前超高频 RFID 标签的批量识别率尚达不到 100%。因此，RFID

系统的实施应与邮政生产的流程组织相结合，扬长避短，寻找能够发挥 RFID 远距离、

可穿透一般材料、多标签识读特点的操作场景。在总包交接中，选择在逐袋卸车过程中

大话物联网

180

进行信息采集；在总包分拣中，选择在供包工位进行信息采集，最大限度地提高了 RFID

的识读率，也最大限度地解放了工人的双手与头脑，简化了操作的复杂度，从而在保证

作业质量的同时提高了效率。

系统充分利用企业原有的信息网络资源，构建分布式的应用信息系统。在电子化支

局，实现分布式条码数据信息采集、射频标签 ID 与业务信息的绑定；在速递处理中心，

RFID 系统通过数据接口获得现有业务计算机系统发来的接收或发运邮件信息，在系统

内完成数据的采集和数据转换，并将阅读的业务数据传递给相关的业务系统，从而实现

与现有业务计算机系统的有机整合。RFID 应用系统的网络结构如图 5-6 所示。

图 5-6 RFID 应用系统的网络结构

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

181

系统使用效果：装卸车识读率 99.4%；分拣识读率 100%（初验测试值）；处理中心

内部速递作业和总包分拣处理可提高效率约 20%；实现了交接时的信息自动核对、分拣

时的信息自动采集，速递部门与邮运部门交接环节实现了即交即清；实现了各环节邮件

处理时间信息的自动采集，支撑了物流网络优化；完善了速递总包跟踪查询的环节，避

免了邮件延误和丢失，方便了质量考核，也提高了管理水平。

此外，RFID 在上海速递应用的效益不仅体现在作业效率和服务质量的提高，而且

由于 600 余个支局所每天可以循环使用射频标签而不再使用一次性的条码标签，每年通

过节省一次性条码标签的材料、设备损耗及人工成本减少开支 32 万元。

温室种菜是个技术活，温度、湿度、二氧化碳浓度都会影响产量。可惜蔬菜不会说

话，种菜的人怎么知道它住得舒服不舒服啊？

现在好了，有“温室娃娃”替蔬菜代言了，如图 5-7 所示。它形状像一个大号的手

机，能自动监测环境，通过语音告诉菜农该做什么。比如它会说：“温度太高啦，请打开

风口，”就好像蔬菜在说话一样。

图 5-7 会说话的“温室娃娃”

温室娃娃应用的是什么原理呢？它是通过内置和外接的温度、湿度、露点等传感器，

实时监测，再分析这些数据是否在允许范围内—靠的是娃娃的“大脑”里面长期实验

得来的数据。如果环境不合适了，娃娃就会发出警告。

温室娃娃分两种：一种是专家型温室娃娃，用户只要输入栽培作物种类，它就能根

据专家知识库作出决定，语音通知用户；还有一种是更便宜的简易型温室娃娃，用户对

大话物联网

182

日出时间、日落时间、温度上下限、湿度上下限手工设置后，娃娃就能帮你支招。

娃娃哭声说明温室里边或是温度低了，或是温度高了，或是缺水该浇水了，温

度、湿度、光照、二氧化碳含量等都可以进行控制。传统的测温度一般都是使用温

度计，只能看到温度，而且必须到跟前去看才行。温室娃娃里边有一些传感器，集

成了一些空气温度、空气湿度以及露点温度传感器，因而温室娃娃能测很多参数，

像空气温度、空气湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温度、土壤含水量都可以

进行测量。

温室娃娃可以自由设定测试的范围，您只需根据屏幕指示按键操作即可。温室娃娃

本身有防腐设施，温室的湿度再大，也不会使它受潮。温室娃娃可测量土壤的温度，即

将测试探头插入土壤，2 秒即可测出温度值。测光照需要外接测光仪。

借助“温室娃娃”这个农务小管家，在该公司蔬菜基地里，由于有了精确的即时数

据作参考，不仅农药、化肥使用量减少了 20%，工人的劳动强度也大大减轻了，原来 1

个工人管 2 个大棚，现在 1 个工人能管 3 个大棚。如今，你不是蔬菜专家，也能把菜种

得像专家一样好，有娃娃替你 24 小时照看着呢！

5.3

物流不再为难

物联网技术的诸多优点使其具有广泛的应用领域。在物流管理方面，可将物联

网应用于智能仓库的货物管理，它不仅能够处理货物的出库、入库和库存管理，而且

还可以监管货物的一切信息。同时，在物流管理领域引入物联网技术，能够有效地节

省人工成本，提高工作精确性、确保产品质量、加快处理速度。另外，通过物流中心

配置的读写设备，能够有效地避免黏贴有电子标签的货物偷窃、损坏和遗失的情况

发生。

实际上，我国物流信息化程度非常低。据统计，目前我国一般工业品从出厂经装卸、

储存、运输等各个物流环节，最终到消费者手中的流通费用，约占商品价格的 50%；而

水果、蔬菜、某些化工产品的流通费用，有时高达 70%。目前美国、日本、德国等发达

国家的这一比率在 8%左右。如果我国能逐步达到发达国家的平均物流成本，那就意味

着将带来超过 20 000 亿元的社会效益，这是一个触目惊心的数字。

如果物流公司应用了物联网系统的货车，当装载超重时，汽车会自动告诉你超载了，

并且超载多少，若空间还有剩余，告诉你轻重货怎样搭配；当搬运人员卸货时，一只货

物包装可能会大叫“你扔疼我了”，或者说“亲爱的，请你不要太野蛮，可以吗？”；当

司机在和别人扯闲话，货车会装作老板的声音怒吼“笨蛋，该发车了！”

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

183

信息的准确性和及时性是物流及供应链管理的关键因素，对此物联网技术能够提供

充分的保证，同时，物联网技术使物流的透明度大大提高，车辆和承载的物品能在任何

地方被实时追踪。据了解，目前国内应用物联网最早、也最成功的案例之一是铁路车号

自动识别系统（ATIS，Automatic Train Identification System）。早在 20 世纪 90 年代中期，

铁道部在中国铁路车号自动识别系统建设中，就最终确定物联网技术为解决“货车自动

抄车号”的最佳方案。

铁路车号自动识别系统是一个能实现自动识别并存储铁路车次和车辆车号的系统，

包括车号标签、自动识别装置和数据处理单元，其中在我国几乎所有的机车和车辆都安

装了车号标签，车号标签中存储了车厢上印刷的车号或机车车次信息。当安装了车号标

签的车辆通过车号识别装置时，车号信息将会自动被读取并上传到数据处理单元，为各

种系统实时提供准确可靠的车号数据。

ATIS 系统的目标是在所有机车、货车上安装电子标签；在所有区段站、编组站、大

型货运站和分界站安置地面自动识别设备（AEI，Automatic Equipment Identification）；

对运行的列车及车辆信息进行准确的识别；经计算机处理后为铁路管理信息系统（TMIS，

Transport Management Information System）等系统提供列车、车辆、集装箱实时追踪管

理所需的准确的、实时的基础信息；为分界站货车的精确统计提供保证；为红外轴温探

测系统提供车次、车号的准确信息；还可实现部、局、车站各级车的实时管理、车流的

精确统计和实时调整等，从而建立一个机车和货车号码、标识、属性和位置以及铁路列

车车次等信息的计算机自动报告采集系统。

标配车号识别装置配备了车轮检测传感器，可以判断车辆节数、轴数、轴间距和测

量车速等。与超载和货检系统相结合，可以实时准确定位车辆各个轴的重量信息，并产

生超重超限告警，通过告警信息，可以很快对超重超限车辆进行处理，有效保证铁路运

输的安全。

ATIS 系统由四大部分构成，如图 5-8 所示。一是货车/机车电子标签。安装在机

车、货车底部的中梁上，由微带天线、虚拟电源、反射调制器、编码器、微处理器和

存储器组成。每个电子标签相当于每辆车的“身份证”。二是地面识别系统（AEI）。

由安装在轨道间的地面天线、车轮传感器及安装在探测机房的 RF 微波射频装置、读

出计算机（工控机）等组成，对运行的列车及车辆进行准确的识别。三是后台的集中

管理系统。车站主机房配置专门的计算机，把工控机传送来的信息通过集中管理系统

进行处理、存储和转发。四是铁道部中央数据库管理系统，这是全路标签编程站的总

指挥部。把标签编程站申请的每批车号与中央车号数据库进行核对，对重复车号重新

大话物联网

184

分配新车号，再向标签编程站返回批复的车号信息，即集中统一地处理、分配和批复

车号信息，就像人脑的中枢神经系统。这些组成部分中，将标签顺利识别并将数据传

到后台是关键。

图 5-8 铁路车号自动识别系统

当列车即将进站时，列车的第一个轮子压过开机磁钢时开始计数，大于等于 6 次

时开启微波射频装置（该装置在没有列车通过时保持关闭状态）。微波射频装置开启

后，安装在轨道的地面天线开始工作，向急弛而过的列车的每辆车厢底部的电子标签

发射微波载波信号，为标签提供能量，使其开始工作。标签在微处理器控制下，将标

签内信息通过编码器进行编码，通过调制器控制微带天线，开始向地面反射信息；地

面天线立即接收反射回的标签内信息，并传送到铁路旁的探测机房；机房将接收到的

已调波信号进行解调、译码、处理和判别；然后将处理后的信息送入车站机房的 CPS

集中管理系统。当列车的最后一节车厢的轮子压过关机磁钢后，关闭射频装置。CPS

系统对多台地面识别设备进行管理，按照铁路 TMIS 的通信协议规程，将识别后的信

息向铁路 TMIS 等系统传送，即有目的地存储转发。

铁路车号自动识别系统与动态轨道衡的结合使用，可实现列车自动称重和去皮，自

动判别空车、重车，避免人为输入车号所产生的误差。其中无人值守自动称量，可以实

现动态轨道衡的真正自动化并可节约大量人力资源。在采用物联网技术以后，铁路车辆

管理系统实现了统计的实时化、自动化，降低了管理成本。按照铁路部门有关人员的统

计，自动抄号后，货运物流每年的直接经济效益达到 3 亿多元。

目前的集装箱在物流过程中的流向、流转和识别基本上还是处于人工、半人工状态，

自身不载有信息，从而引发出偷渡、走私、失窃等许多问题，引起全球各界的广泛关注，

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

185

其安全保障形势相当严峻。

现代集装箱物流迫切需要一种智能化电子标签系统，实时记录集装箱运输中的

箱、货、流信息以及相关的安全信息，并借助全球网络环境实现集装箱物流的全程实

时在线监控，以提高集装箱物流的透明度、安全性和效率，提升集装箱物流的整体服

务水平。

2010 年 7 月 1 日，国际标准化组织（ISO）正式发布了 ISO/PAS18186《集装箱

RFID 货运标签系统》。该规范是在国家标准

《供应链监控用集装箱电子箱封应用技术规

范》（GB/T23678—2009）的基础上，在物流

和物联网领域，第一项由我国提出并积极推

动制定、并由 ISO 正式发布的可公开提供的

规范。

制定《集装箱 RFID 货运标签系统》标准

的目标是给集装箱装上一个“电子牌照”，如

图 5-9 所示。集装箱从工厂装箱点装好货物，

到出发港口，再漂洋过海到达目的地港口，最

后到达产品分销中心，每一个环节电子标签都

会自动记录到达的时间、地点和集装箱的安全

状况，可以通过无线局域网、手机网络和因特

网查询，实时掌控集装箱的动态。

这个电子标签是小方盒子，装箱时用移动

式读写设备往盒子里写入箱源、货源和物流信

息，集装箱在经过港区道口、码头桥吊时会被自动读取，并同时显示在专用网站上，货

主、船公司、港口方、政府监管部门都可以查询。如果中途被非法打开，网页将显示红

色报警。

商品电子防盗（EAS，Electronic Article Surveillance）系统起源于法国，已有 30 多

年的历史，进入中国市场已有近 10 年的历史。多少年来，各商家为了使企业尽可能有效

地减少损失，一直在进行着多方面的探索和实践。目前市场上常见的防盗系统大致有三

种不同原理的产品，即电磁波原理、声磁原理和无线射频原理。不同原理的产品使用的

标签是互不相通的，但使用同原理的设备使用的耗材（标签）基本相同。

EAS 是一种商品自卫装置，它用电子技术手段赋予商品一种自卫能力，即一旦有人

图 5-9 集装箱上的“电子牌照”

大话物联网

186

企图不付款而将商品带出店外，它便会通知系统，发出报警。它让偷盗者昭然于众，这

从根本上改变了以往一切防盗系统都停留在被动状态的监控防盗上，使防盗措施落实到

每件商品上。

EAS 系统由检测天线、软签解码器、软签、开锁器、硬签等组成。

检测天线：由一个发射天线、一个接收天线组成，其基本原理是利用发射天线将一

扫描带发射出去，在发射天线和接收天线之间形成一个扫描区，当该区域内出现有效标

签时，由接收天线接收到信号并触发报警，如图 5-10 所示。

图 5-10 检测天线

软签解码器：是使软标签失效的装置。通常将带有标签的商品，在解码器上方 20cm

左右以内划过，标签即失效，可与 POS 机配合使用。

软标签：经特殊工艺将线圈固定在不干胶条形码上，在经过软签解码器后，即

失效。

开锁器：是快速、简单、方便地将各种硬标签取下的装置。

硬标签：其内部结构是一个 LC 振荡回路，通过防盗钉或防盗绳将其固定在商品上，

在经过收银口时由收银员用开锁器将其取下，可以重复使用。

EAS 系统的工作原理如图 5-11 所示。

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

187

图 5-11 EAS 系统工作原理

EAS 系统的主要作用如下。

（1）防止失窃。EAS 系统改变以往“人盯人”、“人看物”的方式，以高科技手段赋

予商品一种自卫能力，使安全措施落实到每一件商品上，为超市挽回损失。

（2）威慑作用。随着开架式售货方式的兴起，商品被盗的机会也随之增大，EAS 系

统以强硬而礼貌的方式阻止顾客“顺手牵羊”的行为，同时会使小偷在盗窃商品时产生

顾虑，甚至打消进入商店行窃的念头，给其造成极大的威慑力，避免人为因素造成的纠

纷，在尊重人权的同时也维护商家的利益。

（3）简化管理。EAS 系统能有效地遏止“内盗”现象，缓和员工和管理者之间的矛

盾，排除员工心理障碍，使员工全身心投入到工作中去，从而提高超市的工作效率。使

用 EAS 系统还可从原来的基础上精选员工，优化员工，从而提高超市的档次。

（4）改善购物气氛，提高服务质量。以往“人盯人”的方式令很多消费者反感，从

而有可能门庭冷落。EAS 系统把员工对顾客“无微不至”的防范，转化为替顾客专心服

务，从而提高服务质量。为消费者创造良好的轻松的购物环境，大大改善超市和消费者

大话物联网

188

的关系，为超市赢得更多的顾客。

（5）美化环境，提升企业形象。EAS 系统本身是一种高科技的外观精美产品，在

保护商品的同时也美化了超市的环境，EAS 是现代化商场发展的趋势，提升了企业

形象。

5.4

智能改变交通

智能交通是一个基于现代电子信息技术面向交通运输的服务系统。它的突出特点

是以信息的收集、处理、发布、交换、分析、利用为主线，为交通参与者提供多样性

的服务。

21 世纪是公路交通智能化的世纪，人们将要采用的智能交通系统（ITS，Intelligent

Traffic System）是一种先进的一体化交通综合管理系统。在该系统中，车辆靠自己的智

能在道路上自由行驶，公路靠自身的智能将交通流量调整至最佳状态，借助于这个系统，

管理人员对道路、车辆的行踪将掌握得一清二楚。

也许，我们现在还不能想象出 10 年以后的事情。也许，我们现在谁都不能想象这样

一幅场景：你装载着导航和监控装置的汽车在你完成工作后自动开启并到办公楼下接你，

而你由于工作劳累，设置好了目的地后，汽车就按照最快捷的路线自行送你回家。而你

在车上尽情地安排你的晚餐，防盗门自动开启，米饭早已做熟，烤炉里的烤鸭热气腾腾，

而你所做的仅仅是张开嘴咀嚼而已。

电子收费系统（ETC，Electronic Toll Collection System），又称不停车收费系统，它

利用自动车辆识别（AVI，Automatic Vehicle Identification）技术完成车辆与收费站之间

的无线数据通信，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，通过计算机网络进行收费

数据的处理，实现不停车自动收费。当车辆通过收费站时，通过使用车载设备来实现车

辆识别、信息写入（入口），并自动从预先绑定的电子标签或银行账户上扣除相应资金（出

口）。目前，ETC 是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于道路、大桥和隧道的电

子收费系统，如图 5-12 所示。

使用该系统，车主只要在车窗上安装电子标签并预存费用，通过收费站时便不用人

工缴费，也无须停车，通行费将从卡中自动扣除。虽然能实现不停车收费，但一般来说，

车辆还是需要以较低速度通过。这种收费系统每车收费耗时不到 2s，其收费通道的通行

能力是人工收费通道的 5～10 倍。

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

189

图 5-12 ETC 专用通道

电子不停车收费系统是目前世界上最先进的收费系统，是智能交通系统的服务功能

之一，过往车辆通过道口时无须停车，即能够实现自动收费。它特别适于在高速公路或

交通繁忙的桥隧环境下使用。近年来，我国的电子不停车收费系统的研究和实施取得了

一定进展。

与传统的人工收费系统不同，ETC 技术是以电子标签作为数据载体，通过无线数据

交换方式实现收费计算机与电子标签的远程数据存取功能。计算机可以读取电子标签中

存放的有关车辆的固有信息（如车辆类别、车主、车牌号等）、道路运行信息、征费状态

信息。按照既定的收费标准，通过计算，从电子标签中扣除本次道路使用通行费。当然，

ETC 也需要对车辆进行自动检测和自动车辆分类。

ETC 系统的关键技术主要如下。自动车辆识别（AVI）技术、自动车型分类（AVC，

Automatic Vehicle Classification）技术、专用短距离通信（DSRC，Dedicated Short-Range

Communication）技术、视频稽查系统（VES，Video Enforcement System）。

ETC 系统主要由 ETC 收费车道、收费站管理系统、ETC 管理中心、专业银行、车

道控制器、费额显示器、自动栏杆机、车辆检测器及传输网络组成。

ETC 系统的好处有如下两点。一是提高车辆通行能力。车辆装了车载器后，当行驶

至 ETC 车道时，安装在车道上方的检测器接收到车载器发射的信号后，栏杆自动抬起，

让车辆通过。因为受检测器读写速度限制，车辆进入 ETC 车道后需减速，以 15km 左右

的时速通过最佳。这样算来，每辆车通过收费站进口和出口只要约 3s。而人工收费口，

每辆车子进入车道经减速、停车、付钱、找零、起步等程序，约需 30s。ETC 车道将大

大话物联网

190

大提高通行能力。二是在节油方面，ETC 也是一把好手。由于减少了车辆刹车、起步的

频率，使用 ETC 通行进口、出口可分别节油 0.0083L 和 0.0211L。

实行了 8 年的武汉路桥“年票制”在 2010 年发生重大改革。武汉市不停车收费工作

领导小组宣布：力争 2010 年内在全市贷款建设的“六桥一隧一路”实行计次收费。

纳入计次收费的“六桥一隧一路”为：武汉长江二桥、白沙洲大桥、天兴洲大桥、

晴川桥、月湖桥、长丰桥、长江隧道、三环线道路，如图 5-13 所示。计次收费征收对象

为：通过收费路桥隧的机动车辆（免费车除外）。其中，在三环线通行的机动车辆若不经

过桥梁，则不收费。

图 5-13 武汉“六桥一隧一路”

据介绍，上述路桥隧将全面启用不停车电子收费系统（ETC），可在车辆正常行驶中

完成收费，不影响交通。目前 ETC 主要应用于高速公路，城区内大规模实施 ETC 在国

内尚无先例。

2002 年 10 月，武汉市首次改革路桥通行费征收方式，由设站、设卡按次收费，改

为“年票制”，武汉市籍车辆无论是否过桥或过桥次数多少，一律按年度缴纳通行费。这

一收费方式加剧了过江通道的紧张状态，对不过桥或少过桥的车辆有失公平。为适应城

市交通和路桥隧的建设管理需要，武汉市提出实行计次收费方案，2010 年 3 月获省政府

原则同意。

计次收费正式实行后，机动车辆多过桥多交费，少过桥少交费，不过桥不交费。此

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

191

外，针对不同群体，有关部门制定了不同的优惠政策：公交车免费，出租车、摩托车实

行现行的定额费制，经常过江的车主可选择年优惠票。

“计次收费”何以取代“年票制”？现行的“年票制”按车辆类别每年分别收取固定

年费，征收范围为武汉长江二桥、白沙洲大桥、晴川桥、月湖桥、长丰桥和三环线西段

道路。“年票制”的实施对改善武汉投资环境，加强道路桥梁建设维护等，作出了一定贡

献。但是，随着武汉市机动车保有量的迅速增加，“年票制”的弊端渐渐凸显：一是统一

的收费标准，不能区分过桥与不过桥、过桥次数多与少，收费有失公平；二是武汉市过

江交通流量逐年大幅增加，而不限制过江次数的“年票制”加剧了过江交通的紧张状态，

在一定程度上影响了路桥隧设施的运行安全。

“计次收费”有 5 大优点。

① 更加公平。对通过收费路桥隧的车辆按次收费，不通过的不收费，充分体现了“用

者付费”的公平原则。

② 改善拥堵。通过经济杠杆对机动车辆过江需求进行有效调节，提高路桥隧和车辆

的使用效率，缓解过江交通压力，改善城市交通拥堵状况。根据调查分析，实施计次收

费后，将有至少 25%的车主将重新考虑过江选择。

③ 提升交通管理水平。计次收费为拓展武汉市智能交通管理系统功能提供了一个

良好的平台。借助 ETC 的电子标签识别和车牌识别功能、过江交通流量分析统计功能、

车辆身份标识功能等，可及时掌握过江交通情况，引导、组织和调控过江交通，有利于

提升道路交通调控和管理水平。

④ 促进公交优先。计次收费可引导社会车辆减少过江交通需求，在客观上为公共

交通提供更为顺畅的道路交通条件，有利于增强广大市民优先选择公交出行的意识。同

时，实施计次收费后，机动车过江流量减少，能源消耗和碳排放也相应减少，符合“两

型社会”建设的要求。

⑤ 促进路桥隧项目建设。随着近年来过江交通的大力建设，武汉市收费路桥隧

贷款总额已达上百亿元，每年还贷利息达 10 多亿元，而现有的通行费收入远远不能

实现经济上的平衡。由于过江交通需求大，武汉市还需要建设更多过江通道，实行

计次收费后，有望实现路桥隧设施建设投资的平衡，促进城市基础设施建设可持续

发展。

计次收费将对本地车辆和外地车辆实行不同的收费方式。武汉市籍车辆采取“免费

装卡，预存费用，按次计费，用者付费”的方式征收。

“免费装卡”指对武汉籍车辆统一安装车载电子标签，在规定时间内首次安装

免费。据称，每套电子标签价格为 150～170 元，仅此一项，武汉市政府将耗资约 1

亿元。

大话物联网

192

“预存费用”指车主可根据需求预存一定额度的通行费。

“按次计费”指每通行一次收费路桥隧，计收一次通行费。

“用者付费”指对通行收费路桥隧的车辆收费，不通行的不收费。

外籍车辆通过收费路桥隧时，也应依法缴纳通行费。在武汉市办理年检的外籍

车辆，按市籍车辆进行征收管理。其他外籍车辆，则按通行次数缴纳通行费，出城

时再“结账”。具体方式为：车辆通过收费路桥隧时，电子收费系统通过车牌拍照

系统记录车辆通行次数，出城时在路桥服务管理站缴纳通行费或由高速公路收费站

代征通行费。

通过对机动车安装车载卡（电子标签），设置与车载卡相对应的车主专用账户，车主

预存通行费，当车辆通行收费路桥隧时，设在收费车道门架上的天线能读取车载卡的信

息，从车主的专用账户中自动扣划通行费，实现不停车收费。这就是武汉 ETC 系统的工

作原理。

武汉 ETC 系统可在车辆时速为 100km 以下时实现自动计次收费，即使堵车也不会

重复记录，在车辆跨道、变线时仍可实现多车道抓拍。当气温为−10℃～85℃之间或大

雪天气，其识别率可达 99%以上。

智能停车场管理系统基于现代电子与信息技术，在停车区域的出入口安装自动识别

装置，通过非接触式卡片来对出入此区域的车辆实施判断识别、准入/拒绝、引导、记录、

收费、放行等智能管理，其目的是有效地控制车辆与人员的出入，记录所有详细资料并

自动计算收费额度，实现对场内车辆与收费的安全管理。

停车场管理系统集 RFID 技术、计算机网络、视频监控、图像识别与处理及自动控

制技术于一体，对停车场内的车辆进行全自动化管理，包括车辆身份判断、出入控制、

车牌自动识别、车位检索、车位引导、会车提醒、图像显示、车型校对、时间计算、费

用收取及核查、语音对讲、自动取（收）卡等系列科学有效的操作。这些功能可以全部

实现，也可根据用户需要和现场实际进行灵活的删减或增加，形成各种规模与等级的智

能停车场管理系统。

停车场管理系统建立在先进的计算机技术、通信技术及非接触射频卡技术之上，主

要用于提高停车场的管理质量和水平。

具体目标为：持有效卡的车主可以很方便地驾车进出停车场；管理人员能够快捷、

准确地管理进出车辆并收取费用；严格一卡一车，不允许同一张卡带几辆车入场或出场；

防止盗车、换车和车辆丢失；管理系统具有经济合理的运营成本。

停车场管理系统能够实现车辆进出停车场的自动化管理，该系统集感应式 IC 卡技

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

193

术、计算机网络、视频监控、图像识别与处理及自动控制技术于一体，采用车辆身份识

别、出入控制、图像摄取及对比、车位检索、费用标准、计算核查、车牌判断等手段进

行有效、科学、可靠的全自动化管理。

停车场智能管理系统包含自动发卡、车辆出入自动控制、车位检索、车型与车牌

图像对比、计算机自动计费、计算机语音提示、多个出入口联网运行等功能，具有方

便快捷，收费准确可靠，保密性好，灵敏度高，功能强大等众多优点。不仅满足停车

用户进出方便、快捷、安全的要求，同时能极大地提高物业管理公司的服务水平及企

业形象，并成为安全文明小区建设的一个重要组成部分。停车场管理系统设备分布如

图 5-14 所示。

图 5-14 停车场管理系统设备分布

公交车要多久才能到站？末班车还有没有„„这些让公交车乘客挂心的问题，可以

通过电子站牌、智能车载机等设备来解决。智能公交系统的正常运行，要求所有公交车

全部安装智能车载机，以实现 100%的智能调度。同时，在公交候车亭和公交停车场安

装电子站牌，流动发布即时公交信息，如图 5-15 所示。

通过在各公交站点候车亭和公交停车场安装电子站牌，可实现对公交线路运行车辆

大话物联网

194

的实时监控，实现对多家公交公司经营线路公交车辆的实时监控，并在相关的公交车辆

安装了车载设备，如图 5-16 所示。电子站牌上面滚动发布各线路公交车离站点的距离，

还有时钟功能。

图 5-15 智能公交系统

乘客确定乘车起点和终点后，可在电子站牌的屏幕上查询。电子屏幕上显示各公交

线路距离本站的距离。这些数字资料每 10 秒左右就变化一次，如果某条公交线路很久都

没变化，则显示这一线路的车辆可能遇上塞车或抛锚等情况。公交车的车头上安装一个

小巧的 GPS 车载机，通过这一 GPS 车载机系统，公交车的有关信息可及时传送到电子

站牌。

大家经常有这样的体会，过去等公交车根本不知道还有多久车才能到站，有时等上

近半个小时了，想放弃却不甘心，继续等下去又耗不起时间，要么来了却挤不上车。如

今有了电子站牌，可以知道公交车离本站有多远，乘客可据此选择等下去、转乘别的线

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

195

路或改乘别的交通工具。

图 5-16 电子站牌

电子站牌的数据还可根据乘客需要增加公交线是否遇上塞车，车上是否拥挤，是否

增发车辆等一目了然的信息。同时，要提高数据更新频率，不能出现公交车实际已到站，

电子站牌还显示车在几百米之外的情况。

智能公交的最大特色是使用 GPS（全球定位系统）。例如，公共交通自动监控与通

信调度系统由公共交通车辆自动定位系统、公共交通自动调度系统、公共交通行驶信息

引导系统、电子站牌等公共交通子系统构成，目的是提高城市公共交通的总体服务水平

和智能化程度。

智能公交系统通过 GPS 卫星（如图 5-17 所示）定位确定公交车辆的位置，将定位

信息传送到总监控中心进行数据处理，再通过公共交通行驶信息引导系统和电子站牌实

现信息发布，同时通过公交调度控制中心实现公交车辆的调度。

电子站牌的运行方式主要是根据装有 GPS 的车辆自动采集的信息和司机根据实际

运营状况传回的信息，经无线通信网络传输到公交指挥调度中心后，通过广播电台的调

频数据广播综合业务平台发送至电子站牌上，直接快捷地将信息传递给乘客。大屏幕电

子地图显示各线路目前车辆的运行状态。

大话物联网

196

图 5-17 GPS 卫星

不少经常乘坐公交车的市民都会发现，最近各线路公交车上都逐渐出现了一个新玩

意儿—电子地图，如图 5-18 所示。通过车上的电子地图，市民可以清楚地知道自己所

乘坐的公交车到了哪个位置，初到异地的乘客更可借此认识该地的各条道路。

在公交车上安装先进的 GPS 导航系统和车载电子地图，在公交车车头和后门安装车

载小电视可显示车行电子地图，并可播放公益广告、MTV（音乐电视，Music Television）

等，行车过程中可自动报站，提醒乘客转弯等。当车辆行进时，电子地图同步以蓝

色路线显示行进路线，并显示离下一个站点的距离。电子地图有三级显示功能：第

一级对单个站点和周边区域进行显示，便于乘客了解车站离自己的目的地有多远；第

二级显示 5 到 6 个站点，让乘客知道还有几站下车；第三级显示整条线路的走向，特

别是电子地图有沿线各条道路的分布图，对一些不熟悉本地以及缺乏方向感的人有很

大帮助。

在公交车整个行进过程中，电子地图的全自动智能报站系统都自动进行报站，避免

出现司机忘记报站或者不报站的现象。在停站时，电子地图具有记录车行速度的功能，

一旦司机超速或者飞站，控制室将对司机发出指令，责令司机恢复车速，停止飞站。

为保护司机与乘客安全，可以在 GPS 公交车上安装报警按钮，一旦发生突发情况司

机可按下按钮悄悄报警。

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

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图 5-18 电子地图

按照设想，在 GPS 公交车上安装的报警系统可与公安部门的报警系统形成一个

报警网络，就像一些银行的报警系统一样。届时，一旦车上发生抢劫，司机可以在不

被歹徒发觉的情况下悄悄按下报警按钮，不声不响即时报警。而警方可以立即对这辆

车进行监控，通过“车载定位系统”马上追踪到出事车辆，并据此迅速出警，在前方

守株待兔，歹徒一下车，就有警车在等他。除了即时隐蔽报警，这一系统还有利于

保存证据，对犯罪分子依法进行制裁。从技术上而言，GPS 完全可以实现即时报警的

功能。

乘客等车，最烦的是人挤人，车太少。公交车安装智能车载机以后，通过智能调度

系统，根据从公交车上采集的数以亿条计的动态数据，指挥中心可以在电子地图上清晰

地看到各路车的运行情况，如果出现堵塞，可以及时通知总站调整发车的间隔。尤其是

组织大型活动或赛事的时候，周边地区公交线路的调整、车辆增补等情况一目了然，能

大话物联网

198

够大大改善公共交通的效率。

过去，公交车调度主要是由站长签发“更纸”，司机在两头总站间往返传递，站长联

络则依靠电话或便携式对讲机。这种原始的调度方式无法掌握、反馈营运车辆在途中的

动态，难以提高车辆的利用率，已远远不能适应时势的需求。如今，通过实时监控，调

度中心可进行科学调度，这是个质的飞跃。现在总站对乘客信息的掌握不到位，放车凭

经验，遇上塞车什么的，就难以把握。如果实现了智能调度，如乘客太多，马上就可加

派车辆疏运；车辆要出故障了，需尽快安排修理等，经过计算机的高速处理，能够迅速

地提供优选方案或通过电子站牌告知乘客。

5.5

物联网让生活更美好

在不久的将来，穿上一款衣服就能够对你的各项生理参数进行检测，判断你是不是

有生病的隐患，跟踪你吃药过程中的反应；在未来，人、车、路以及天气会形成四网合

一，检测驾驶者的状态是否适合开车，车在行驶过程中是否超速，监测前方路况，是否

有雨、雪、行人等。其实，能将这些种种假设实现的“物联网”已经诞生，充分发挥其

功能就会让人类生活变得更加便捷和美好。

为了控制家用电器的耗能指数，我们要将家中原有的电器插座更加智能化。使用

一种新型的“智能插座”，这个目标很快就能实现了。加拿大某公司生产的一种智能插

座可以安装在房间原有的插座上，用户通过这个智能插座就能了解每个电器耗电的情

况，如图 5-19 所示，那么它是如何做到的呢？

智能插座内部设有 RFID 芯片、微处理器和无线网络，这样的设计能在因特网上创

造控制节点。而且，智能插座是可编程的，人们可以通过程序控制相应插座上使用的电

器，例如，通过网络程序关闭暂时不用的电器。

如果用户同时使用多个智能插座，则可以通过网络路由器向该公司发送信息，从而

创建一个家庭能源网络，监测用电情况。同时，该公司还可以帮助用户分析网络上反映

的消耗电能的各项数据。这种分析与个人金融服务的概念相似，用户也能通过分析数据

与本城其他用户的用电情况进行比较。智能插座预计每个售价 50 美元，如果市场需求增

加，价格可能会下降。

该公司并不是唯一的开发能源管理方案以管理用电量的公司，但所有开展类似业务

的企业都面临同样的障碍：用一个“智能”设备来解释从“哑巴”电器上获取的信息。

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

199

这些公司发明的管理用电量的方法也十分相似，都是利用家庭网络收集和分发有关数

据。但如果他们希望获取真正的商业成功，则应该在家电组装线上做工作，将能源监控

技术植入家用电器。

图 5-19 智能插座

随着住宅建设的发展，人们对自己的居住环境有了更高要求：安全防范、自动

抄表、更加人性化的高效的小区管理等。当今一般小区智能化的概念仅仅体现在小

区网络化（有线局域网和因特网）的建设上，由于线路的铺设和维护都十分麻烦，

因而这种网络化的建设也受到很大的限制；人们开始考虑使用无线的方案，然而由

于现有一般无线方案的成本以及工作的可靠性都还存在着相当多的问题，无线方案

的实施当然也就难以普及。物联网出现之后，家庭无线射频技术就能很好地解决这

一问题。

无线网络技术在没有布线的情况下也可以搭建家庭局域网。而无线射频技术也就是

通过高频的无线频率（315 MHz 或 433.92 MHz）点对点传输，实现灯光、窗帘、家电等

的遥控功能。这类技术对于已经装修好了的用户非常适用，无需预先布线，不会破坏原

有家居的美观。

使用基于无线射频技术的产品，就可以将家里所有的电器串成一个网络，我们这里

称它为智能家居无线网络，在这个网络中，我们可以随意遥控，让每个冷冰冰的电器都

听命于我们。

家里的电器设备很多，电灯、冰箱、空调、计算机、家庭影院„„有些属于本身就

带有遥控能力的，比如空调、电视机„„有些是不具备遥控功能的，比如热水器、微波

大话物联网

200

炉、电饭煲、冰箱„„而不同的遥控设备又带有不同的遥控器，相互间又不能通用，于

是家里光遥控器就有四、五个。那么如何遥控不具备遥控功能的设备，如何让一个遥控

器实现多个遥控器的功能呢？从上面的介绍我们知道，基于无线射频技术的产品是能帮

我们解决这些问题的，但它们是如何实现的呢？

智能家居无线网络主要包括了一个家庭网关以及若干个无线通信子节点，如图 5-20

所示。在家庭网关上有一个无线发射模块，每个子节点上都接有一个无线网络接收模块，

通过这些无线网络收发模块，数据就在网关和子节点之间进行传送。

图 5-20 智能家电

家庭网关就是家庭的一个智能化控制中心，带有嵌入式处理器和操作系统；具有可

触摸的薄膜晶体管（TFT，Thin Film Transistor）液晶显示屏［13～25cm（5～10 英寸）］；

有 14 路报警点输入和 2 路报警控制输出，发生警情时可通过网络或电话报警；通过网关

上的无线射频模块与网络中各子节点进行通信，实现家电控制；可通过 Web 方式实现家

电的远程控制。同时家庭网关还具有留影、留言、MP3/MP4 播放功能，可方便主人进行

温馨留言等。

在不同的控制系统中，无线通信子节点具有不同的功能：照明控制，通过无线遥控

开关节点实现调光的功能；电源控制，通过无线遥控插座实现对电器的电源进行远程控

制；窗帘控制，通过无线窗帘控制器对电动窗帘电机进行远程控制；家电控制，通过无

线红外转发模块对红外遥控家电进行远程控制；继电器输出控制，实现对电动门窗、煤

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

201

气阀门等输入/输出（I/O，Input/Output）控制。

普通家用或商用接收器，通常使用红外线，信号收发要求直线路径，容易受外物遮

挡。使用无线射频技术，信号收发不受外物遮挡，凡在系统覆盖范围内，不论任何方位

或角度，接收皆准确可靠。此外，信号根据使用地区的不同，采用 315MHz 或 434MHz

无线频率传输，穿墙越壁，不受任何外物遮挡。系统在开放环境中，覆盖范围可达 100m。

加上无线射频耗电量低，覆盖面广，无论走到任何角落，操控都是最方便可靠、自由舒

心的。

业主的每辆车的钥匙圈上，都串有一个带有装饰性的、精致小巧的电子标签（使用

纽扣电池驱动的纽扣式异形标签）；每个保安的身上或佩戴的帽子上，也都有一个无线身

份卡；每一个需要看护的老弱病残或特殊人员，其身上（脖子上或手腕上等）也佩戴有

一个求助装置（使用纽扣电池驱动的按钮式异形标签）。

现在就可以通过智能家居无线网络实施智能化管理了。

① 每家的水电气表的读数，每月会按时自动地传到小区物管中心的计算机上。

② 每个家庭成员，都佩戴一个装饰用的电子标签，如果业主离开家超过 10 分钟，

家内的安防报警系统将自动启动，同时，特定的一些控制阀门（例如煤气，水阀门）或

开关（某些电器开关）还可自动被截断，以防人离开后，忘记关炉子或水管造成火灾或

水灾，或其他不必要的用电事故。业主回来后，安防报警系统将自动解除，同时关闭的

各种阀门开关将自动开启。

③ 每个家庭如果出现警情，各种安防设施传感器的报警信号，例如烟雾、火警、盗

警等信号会自动通过监控网络传往物管控制中心，并启动相关联动装置。每个业主什么

时间无人在家，保安人员应该予以特别注意。

④ 无人照看的老年人或病人，在急需帮助时可按一下佩带在身上的求助装置，物管

便可通过信号知道求助者的位置，求助种类，控制中心会同时显示求助者档案，物管就

可立刻赶到现场，提供必要的帮助。

⑤ 每个单元的门锁将不再需要繁琐的控制线路铺设工作，只需要使用一个 WV200P

模块，通过小区的监控网络，就可直接与每个家庭内部的无线控制终端连接。

⑥ 各种公用设施工作正常与否随时处于物管中心的监控之下，如出现问题将会报

警，并通过无线身份识别，知道报警信号的种类，内容及位置。

⑦ 物管中心有一个大的电子显示屏，随时显示保安所处的位置，并根据情况，进行

合理调度。

⑧ 可实现进出小区车辆的自动化管理。就我国目前的具体情况而言，小区车辆门禁

自动化管理应该是整个小区智能化管理最基本、最简单的第一步。因为它不但可以不需

要网络独立运行，而且成本也最低。因此，每个小区可根据自己的具体情况，将整个小

大话物联网

202

区智能化分成几个阶段来实现。

有人迷恋古堡酒店的优雅，有人钟情于酒店设计的别出心裁，也有人偏偏喜欢

“聪明”的酒店。当房间被赋予智慧，住在里面的人仿佛也跟着智能化了，如图 5-21

所示。

向左走，还是向右走？这样的困惑总是出现在踏出酒店楼层电梯的时刻。有了手中

这张门卡，一切问题似乎都不再是问题。

所有的惊喜就从手中这张看似平凡的门卡开始了„„相信许多对数字反应比较迟钝

的人都会有类似的经历：每次走出酒店电梯，面对至少 4 位数字的房间号，往往有着向

左走还是向右走的困惑。刚迈出电梯门，一道幽黄色的荧光会吸引你的目光，指示牌上

清晰地显示出了房间号码，沿着 3 道发亮的箭头，顾客仿佛被上帝之光牵引着走到了自

己的房间„„其实，你手里拿的不仅仅是一张房卡，而是一张名副其实的智能卡，如图

5-22 所示。

图 5-21 智慧酒店 图 5-22 神奇的门卡

门卡这样的客房导航功能，在 IBM 设计研发的一整套令人叹为观止的“智慧酒店”

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

203

解决方案中，还只能算是冰山一角。坐落于美丽的西子湖畔的杭州黄龙饭店被人们称

为中国第一家全智能化的五星级酒店。在乘坐专车前往酒店的路上，顾客就已经通过

酒店工作人员的手持登记设备进行了远程登记、身份辨别及信用卡付款等所有手续。

当顾客一下车，酒店的门童和接待员就已经通过精确的识别体系认出了顾客。没有前台

的等待排队，也没有任何需要手写的繁琐程序，一张入住门卡在 1 分钟内就交到了顾客

的手上。

进入房间，风尘仆仆的顾客跑去浴室，看似普通的淋浴间却另有玄机。原来所有

行政楼层客房的浴室与卧室之间都安装了液晶雾化玻璃，只要轻点控制面板，透明玻

璃便神奇地产生了“雾化”效果，营造了一个私密的沐浴空间。门铃声响起，跑去开

门的路上，顾客又被着实“吓”了一跳，门外的景象已经清晰地“跳”在了电视屏幕

上：一位笑容甜美的服务员正端着精美的茶点静静等候，如图 5-23 所示。服务员告

诉顾客，这是全世界第一套电视门禁系统，门上的猫眼其实也是个摄像头。顾客的全

部个人信息都已经记录在智能系统中，包括口味的偏好和饮食习惯，酒店的工作人员

准确地为顾客安排了低因咖啡。这样贴心的照顾还真让顾客有些感动，谁又能说科技

是冰冷的呢？

图 5-23 世界首套电视门禁系统

下午和朋友到附近的西湖小憩后，开着车来到了地下停车场。“智能卡”再次大

显身手，原来它还可以开启地下停车场的道闸，顾客直接从地下搭乘专用电梯回到了

房间。一进屋，清爽舒适的风迎面而来，这也要归功于手中小小的门卡，它具有特殊

的识别功能，当客人离开房间但没有退房时，系统会自动转入节能模式，不仅能够控

制房间里的空调，还可以记录顾客的喜好，对房间的温度、湿度进行调节。住在这样

的饭店，相信会让许多对高科技带有抵触情绪的人热烈鼓掌欢迎这个智能化美好时代

的到来。

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204

不要被房间里的“机关重重”吓坏，随手可触的按钮就像是成全懒人的遥控器。

无疑，每一家智能酒店的房间内都会被众多最新、最炫的科技产品所包围，如图

5-24 所示。走进东京半岛酒店客房的一刹那，顾客便为房间内的机关重重而折服！据

说东京半岛是全世界唯一一家设有内部研发部门的酒店，有 20 名工程师不断为客人开

发最人性化的智能科技服务。在顾客看来，这里的最妙之处还在于那些无所不在的按

钮，都以一种“润物细无声”的方式完美地融入了酒店本身唯美华丽的风格。

图 5-24 智能酒店房间

在地价昂贵的东京，住进 51m2大的半岛客房算是一件非常奢侈的事情了。房间

采用了日式传统的家具风格，包括樱花木

制成的橱柜、红色漆器材料的书桌面，加

上金底樱花图案的传统米纸塑造的天花

板，如图 5-25 所示，一切都在向经典致敬。

正当顾客沉浸在这日式的复古与恬静中

时，不经意间按下了房间走廊里的第一个

按钮，小屏幕上立即显示出了室外的天气

和湿度，为出门穿衣提供了贴心的建议。

在房间中漫步一圈，虽然没有细数，但少

说也有五六十个按钮：电灯与亮度控制、

房间的温度和湿度调节、电视的选台及音

量控制、房间灯光效果、背景音乐转换„„

真可以说是无所不能。

世界上许多伟大的发明都是为了满足

图 5-25 房间各处细节精致考究

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

205

人性中无可避免的懒惰。日本人的精益求精，在几件事情上表现得格外突出，其中就

包括女孩子们五花八门的美甲潮流，因此在浴室发现指甲油快速吹干机的时候，惊喜

之余却也不感到意外，如图 5-26 所示。这种平时只有在专业美甲店才能看到的玩意儿，

顾客还是头一次在酒店中遇上，涂好漂亮的指甲油后很快就能美美地出门了。房间内

整套的智能电话接听系统同样令人印象深刻：由于酒店知道顾客来自北京，所以特意

把电话设定成为中文显示；如果有电话响起，房间内的广播和电视都会自动变成静音，

而且只需按个钮就能免提接听；要是想用 Skype 拨打电话，也不必依靠笔记本电脑，

因为房间电话上已经设有一个 Skype 的专用按键„„如果要上街，客房电话还能带着

出门，只要按下其中一个钮就能直接联络到酒店工作人员，丝毫不用担心在错综复杂

的东京街道上迷路。

图 5-26 指甲油快速吹干机

另一个做到极致的地方就是浴室，走进去仿佛来

到了电影中的未来世界，30 多个按钮着实让顾客眼花

缭乱。不过每一个按钮的标注都非常清楚，使用起来

很是方便。虽然上厕所这件事情实在到了不能偷懒的

地步，不过马桶的设计依然让人“懒到家”了。当靠

近它到一定距离，盖子便会自动缓缓打开，离开后又

会自动合上。在这个智能马桶侧面的墙上有整排的按

钮，可以指挥马桶做出不同的动作，比如加温马桶边

缘、冲水、前后喷水、吹干、调整马桶盖位置等。宽

敞的按摩浴缸同样功能强大，按下标有“水疗”的按

键，整个浴室的灯光随即转成柔和的色调，同时播放

起悠扬的乐曲，如图 5-27 所示。慢慢将身体没入温暖

图 5-27 专用 iPod 播放器让客人

随时随地享受喜爱的音乐

大话物联网

206

的水中，SPA 精油的功效与水压按摩的节奏完美配合，整个人顿时舒缓下来。忽然有个

想法闪过心头：有了如此妙不可言的享受，即使错过东京的热闹街市，待在酒店里又有

什么可遗憾的呢？

从金钟道步行至太古广场，推开奕居酒店低调得甚至有些不起眼的大门，笼罩在柔

和的光晕下，身边竹影婆娑，乘着电梯扶摇而上，顿时仿佛从烦嚣的香港闹市登至了世

界静极！

拥有“百万元夜景”的奕居酒店，坐落在太平山山腰，面朝着美丽的维多利亚港湾，

背山面海，是香港人梦寐以求的居所。酒店的设计者 Andre 生于香港，自然深谙它的宝

贵，奕居的大堂与房间全部遵循“少即是多”的减法原则，一律以宽阔的玻璃大窗作为

最大亮点，因为窗外那流动的风景正是这里最可贵的装饰。奕居的房间面积在全港酒店

来说算是最大的，117 间客房中最小的也有 68m2；而且房间的一半空间都设置为了浴室，

泡澡时可以饱览街上的流光溢彩，整个人都跟着开阔舒展起来。

实而不华，真材实料，这是奕居带给居住者最直接的感受。房间的颜色全部为大

自然色系，青瓷、藕荷、墨绿、烟灰、咖啡，整个氛围自然而然地就让人心静神宁。

在低调简朴的样貌之下，奕居隐藏着一副真正的贵族灵魂：地板由优质橡木铺成，

赤脚踩在上面感觉细腻而清爽；并没有像许多五星级酒店一样使用韩国电器，这里

一律选择了日本 Sharp 品牌；对于卫浴设施也丝毫没有马虎，Toto 的浴缸搭配以玫瑰

精油而闻名的 REN 沐浴品，精致的洗漱包内全套 REN 护肤品应有尽有，还贴心地为

女孩子准备了发圈和按摩石，同时酒店鼓励客人将洗漱品带走反复使用，千万不要直

接丢弃。

同这里的设计风格一样，奕居的服务也摒弃了一切不必要的浪费和花哨，可以说是

一间名副其实的“绿色酒店”。透过特定的笔记本计算机，工作人员可以在酒店任何角落

为客人办理电子化入住登记，退房的手续还可以通过客房内的电视进行，并且酒店可以

将账单及资料发送至你的电子邮箱，最大程度减化了手续的同时，也实现了无纸化办公。

大概很多顾客都很少会去翻动酒店房间内厚厚的入住手册，特别是当它已经泛黄折角以

后。这一点奕居真是做得“聪明”，一台 iPodTouch 就静静地躺在每间卧房的茶几上，轻

触显示屏，多元化的信息接踵而来，酒店介绍、送餐服务、本地旅游资讯、天气情况、

常用电话等无所不有，还有一个板块专门让客人用来与酒店留言互动。工作人员还向顾

客介绍，为了减少“碳足迹”，酒店已经购入了耗油量极低的全新凌志 RX450H 混能环

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

207

保房车，而且房车内备有免费 Wi-Fi 无线上网服务，客人在往返机场的途中能够随时办

公或娱乐。

结束了一天的忙碌，当你陷在柔软的大床里，通过床头的窗帘控制按钮将自己彻底

“与世隔绝”时大概不得不承认，比起自己真正的居所，这个在香港暂住的家反而要来得

更加舒适。“在热闹的香港，静就是一种奢华。奕居像家，有家的宁静，顾客希望奕居会

被这样形容。”设计师 Andre 如是说。

什么样的酒店可以让人情愿赖在房间？对于迷恋电子娱乐的人来说，答案其实很

简单。

全新开业的澳门文华东方酒店座落于时尚新地标“一号广场”内，若想到澳门老

城中心逛街，也只需要步行十几分钟。本想趁此机会好好“血拼”一次的顾客，这回

却被酒店房间内的一整套智能娱乐设施搞得神魂颠倒，并且彻底改变了顾客的出行

计划。

和许多智能酒店一样，文华东方对于 Apple 产品的使用者也给予了优待关照。相信

许多 iPod 和 iPhone 的主人已经习惯了走进房间的第一件事就是找到那个专属的 Power

Station，摆好机身，按下播放键，Music！酒店还为每个房间配备了一台 iPodTouch，除

了可以查阅澳门当地的实用资讯外，还可以用

来听音乐或者玩游戏，Apple 的粉丝们一定会

玩得很开心，如图 5-28 所示。

不过最让顾客痴迷的，要属那台吸引眼球

的崭新的 42 寸等离子电视机。别以为顾客那么

无聊，打算窝在酒店房间里看一整天电视节目，

眼前的这台大家伙可绝不简单。它其实是一个

智能互动媒体平台，名叫“Deuromedia”，可以

将任何格式的宽频多媒体内容通过电视这个载

体得以展现。简单来说，打开电视，人性化

的操作界面即刻显示在屏幕上，电视、电台、

电影、本地节目、卫星频道、粤语、普通话、

英语、日语、法语等各类节目分门别类，一

目了然。

离电视机不远处，摆放有一张将近 2m 长

的多功能长桌，掀起一个隐蔽的盖子，里面藏满了各式各样的插口，包括免转换电源插

图 5-28 丰富精彩的影音娱乐让人情愿赖在床上

大话物联网

208

座、宽带网络、传真、视频图形阵列（VGA，Video Graphic Array）线、音频/视频（A/V，

Audio/Video）线、高清晰度多媒体接口（HDMI，High Definition Multimedia Interface）

数据线等。如此一来，只需要把对应的连接线插到自己的笔记本电脑、数码相机或数字

视频（DV，Digital Video）摄像机上，就可以轻松地在超大的电视屏幕上享受一番。睡

床正对着电视，靠在白天鹅绒枕头上，披着 480 针丝缎被褥，看看白天拍的照片，玩

一会儿计算机里最喜欢的游戏，或者在顶级的家庭影院音响效果中欣赏一部盼了很久

的最新影片，一切娱乐都尽在掌握。在所有这些高科技设备中，顾客最爱的是那台无

线键盘，通过它可以在 42 寸的屏幕上直接上网，比起对着计算机真是爽快多了，实在

妙不可言。

如果你是个换了床就会失眠的人，到了这里你也有救了。选择名叫“MotionChannel”

的频道，整个房间会飘荡起柔缓的天籁之音，海浪、溪流、鸟鸣、风雨声、瑜伽冥想或

催眠夜曲，伴着大自然的声响，整个人仿佛就躺在一个山海之畔的度假屋里，不知不觉

便会沉入梦乡。

5.6

休闲娱乐更尽兴

射频识别技术提供了可靠的自动识别和事物追踪方法，它所传递、存储的信息量是

很大的。与人工数据采集传递方法相比，射频识别技术能够有效地节省时间，减少出错

的概率，比以前采用的人工计时方法更快捷、准确、高效，且设备寿命长，成本低。与

磁卡、IC 卡等接触式识别技术不同，RFID 系统的射频标签和读写器之间无需物理接触

就可完成识别，它可实现多目标识别、运动目标识别，因而在休闲娱乐领域得到了较为

广泛的应用。

对于运动场馆、音乐会和其他一些休闲娱乐场所，RFID 系统能够提供一系列的开

放式门禁系统来进行票证管理，这样做可以减少因票证伪造所带来的损失。门票既可

以简单地由采用 RFID 技术的标签打印机来制作，同时也可以将 RFID 卡片制作成会员

卡、月卡或年卡，且门票无需拿出，只需放在身上就可以读到，以实现开放式的门禁

管理功能。

在滑雪场等娱乐场所，需要购买门票才能消费，且场所内还有许多景点或者活动需

要单独购票，这样就给游客带来诸多不便。同时，对于娱乐业主方来讲，由于需要人工

进行验票和卖票，不仅增加了运营成本，而且也容易给游客带来许多不必要的麻烦。

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

209

使用射频识别技术就可以圆满解决这些问题，可以采用非接触式射频卡或手表形标

签来替代纸质门票，如图 5-29 所示。在标签销售处通常会首先扣除一定金额的押金，使

用完毕后，将标签交回以换取押金。通过特殊的读写器，管理人员可为标签进行充值，

重复使用。此外，有些系统也允许游客预先存入—定金额的预付款，在继续消费时自动

扣除。

对于滑雪场来讲，开放式门禁系统是这样设计的，检票时滑雪者不必将标签放在

口袋手中，而只需像普通手表那样戴在手腕上即可。当开放式门禁感应到有游客通过

时，一旦检测到合法的含有可读写式电子标签的门票，门禁就会自动打开。而像信用

卡大小的门票只需放在夹克口袋中，而无需拿出来，这样可以更方便快捷地让游客通

过，如图 5-30 所示。

图 5-29 手表形标签 图 5-30 采用电子标签的滑雪场

国际马拉松比赛参加人数众多，比赛距离和时间长，场面宏大，是体育比赛中的一

项重要赛事，但马拉松比赛成绩自动检测技术难度大、准确率不高的问题长期得不到解

决。在马拉松比赛中，运动员识别与计时的传统做法一直使用手工作业，不仅工作量大，

而且时常会出现差错。

RFID 技术使得整理上万个马拉松参赛者的比赛时间变得简单，而不像以往的方式

花费大量的人力和物力。运动计时系统主要运用射频识别技术，可以收集所有来自世界

各地的马拉松运动员的数据。其方法是：将一个 RFID 标签固定在运动员的鞋子上，当

运动员通过埋设在起跑线和终点线的地面或地下的感应天线时，读写器进行识别，并通

过后台数据处理系统进行计时，从而保证每个运动员的信息都可以被记录下来，如图 5-31

所示。

大话物联网

210

图 5-31 具有 RFID 标签的运动鞋

采用 RFID 技术的运动计时系统的特点是：能够被世界上许多重要的比赛项目所接

受；可以对个别运动员在比赛中的时间进行跟踪；在一些临时检测地点放置感应天线可

以防止欺骗行为；可以应用到铁人三项、自行车比赛和滑冰比赛；赛事数据可以放在因

特网上以提高比赛的公平性和透明性。

手机搜索，打开了一扇通向内心的门，接下来要做的事就是旅行。在移动因特网时

代，只要带上一个电子工具—手机就能踏上全新的数字化之旅。在启程前，先来回顾

史上经典的旅行—《西游记》。

十万八千里的行程，目的并不在于最后的《大菩萨藏经》，而在于路上的九九八十一

难。这个经典而古老的哲理在当代越发显得潮流化。无论是短途户外，还是自驾远行，

唐僧那“朴素”的世界观越来越深入人心。假如是在移动因特网时代，唐僧西游将演绎

出不同的版本。

一是虚拟化和通信技术支持唐僧足不出户，就能获得更高深的佛经知识，并在因特

网上进行“无遮大会”，同样能名震五印。唐僧需要的是 ADSL 宽带、搜索引擎、个人

博客以及视频通信工具，如图 5-32 所示。

二是利用更好的装备和更全面的信息，选择适合自己的路线，把九九八十一难置于

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

211

自己的控制之下，给自己安排好路线，这会让唐僧更快地成长，更快地位列仙班。此时，

智能手机是不可缺少的装备。

图 5-32 移动因特网时代的《西游记》

2009 年的 QQ 群里，流行这样一个笑话。

唐僧师徒一行经历九九八十一难终于见到了如来佛求取真经。

如来问：“你们带 U 盘了么？”

唐僧师徒„„

如来又问：“移动硬盘呢？”

„„

如来继续问：“iPod 也可以呀！”

悟空挖起耳朵来„„

如来叹了口气：“那只有网上发给你们了，你们就原路回去吧！”

唐僧：“FT，早知道加你 QQ 就完了，害得我们走这么远！”

如来：“那你们路上是怎么娱乐的？”

唐僧师徒：“打怪升级„„”

回去后唐僧打开 QQ，发现如来没有传过来。

于是 Q 如来：是不是我们网络太差传不过来？

如来说：那你再来一次吧，带上 U 盘。

于是唐僧师徒带上 U 盘一行再次经历九九八十一难，终于见到了如来佛。

如来问：“带 U 盘了？”

唐僧师徒：“带了。”

如来继续问：“多大的？”

大话物联网

212

唐僧师徒：“2G。”

如来深深叹气：“真经太大，U 盘太小，回去带个 4G 的！”

„„

于是唐僧师徒回去之后又带上了移动硬盘，还是 1 000G 的，心想：这次有多少经我

都能给你带回去！

唐僧师徒一行再次经历九九八十一难，终于见到了如来佛。

如来问：“你们怎么又来了？”

唐僧师徒：“你不是说让我们带大点的 U 盘过来吗？我们带了个 1 000G 的硬盘！”

如来继续问：“你们回去没有开 QQ 吗？”

唐僧师徒：“我们回去之后就直接买了硬盘就过来了啊！”

如来深深叹气：“一群傻帽，我给你们在 QQ 里留了言，经书已经放在我的服务器里

了，你们随便下载！”

„„

唐僧师徒回去后打开如来的服务器下载，发现服务器中了木马，不能下载。

于是带上 1 000G 的硬盘继续了上路，心想：早知道这样，上次就拷回来，这次无论

如何都得拷回来！

经过九九八十一难，终于见到了如来。

如来问：“带纸了没？”

„„

如来继续：“哎，这次服务器中了木马，电子版的经书全毁了，我看你们还是手抄一

份吧！”

„„

唐僧师徒这次学乖了，买好纸，带上硬盘一上路了；之前还用 QQ 给如来发了个信

息确认。

经过九九八十一难，又见到了如来。

为防有变，唐僧先说话了：“木马破解了没？”

如来：“没有。”

唐僧：“那我们可以抄了吧？”

如来：“可以。”

唐僧师徒花了 10 年的时间终于把经书抄好了，准备去跟如来告别。

唐僧：“我们花了 10 年时间把经书抄好了，现在跟佛祖告别回大唐了。”

如来：“一群傻帽，有复印机干吗不用？”

这是一个信息时代的幽默故事。不过，移动因特网的存在，对于旅游者来说，绝不

第 5 章 应用层：物联网的“社会分工”

213

仅仅是增加了娱乐色彩，更重要的是，它让顾客们回归旅游的本意。

现代旅游与现代科技，是一对纠缠不清的冤家。

旅游满足的是人对顾客和自然的认识，在这种认识里，科技及科技产品是一种外

在的附庸。想象一下，即便是在旅途中，工作、邮件、客户还是会轻易地接触到自己，

那么旅途只是成为了另一个办公室。正如《大话西游》中的唐僧所说，“世界不过是更

大一点的监狱而已”。所以对人本身的思考和回归是现代旅游的趋势。

另一方面，顾客们看到，旅游者在放下一批现代科技产品时，却拾起了另一批科技

产品，如定向穿越中越来越高级的冲锋衣、背囊、卫星电话、GPS，自驾游中越来越全

面的汽车周边设备，甚至普通驴友的装备也从红外传输相机到新材料的太阳镜，充满科

技感。

回到唐僧的选择。在唐僧选择虚拟西游时，他同样要面对各种可能的难关，最艰难

的莫过于要在海量信息前始终保持自己的灵性，正如“Google”或“百度”时代的困境。

在研读了大量佛经，识别了各种流言后，唐僧也许突然微笑，所谓种种意见不过是虚幻，

“本来无一物，何处惹尘埃”。

假如他选择了实地旅行，则是另一种修炼的过程。他可以用地图搜索服务绕开危

险的火焰山，或者找到沙漠里最近的水源，遇到歹人还可以立刻向当地驻军求助。即

使飞沙走石、黄云遮天，他也心如磐石一般清楚自己前进的方向。每当他经过一寺一

庙一菩提偶有所悟，即可记录和上传，甚至和东土、西域高僧视频辩论一番。通过掌

中小小的手机捕捉当下的变化或许要比远离实地闭门造车更接近真相。敢问路在何

方？路在手中。

Chapter 6

第6 章

214

科技奥运，科技世博

物联网时代将带来从信息化到智能化的变革，渗透到每个行业和社会生活的各个角

落，改变产业格局和经济增长方式，改变人们的行为方式。奥运和世博就是其中的两个

典型代表。

6.1

科技伴着奥运跑

科技奥运是指充分运用现代信息技术，建设各种必要的信息基础设施和信息应用系

统，开发各种与奥运会相关的信息资源，营造良好的信息化环境，为相关组织和个人提

供优质的信息服务。

俗话说“民以食为天”，足以看出“吃”在日常生活中的重要地位。但是，民间流传

的顺口溜“吃荤的怕激素，吃素的怕毒素，喝饮料怕色素，能吃什么心中没数”，表明食

品添加剂、农药残留、抗生素超标等食品安全问题已成为严峻的社会问题。

北京奥运会期间，因为食品供应量大、种类多、标准高，且正值 8 月，正是食源性

疾患高发期，食品安全成为直接关系到奥运会成败的关键所在。因此，为奥运会提供安

全、健康、环保、营养的食品，也就成了奥运会准备工作中的重中之重。在北京奥运会

上，大量成熟、先进的科学技术被采用，其中近几年成为 IT 技术应用热点的 RFID 技术

在保卫奥运安全工作上大展身手。

是否真如一些媒体所说，是北京烤鸭帮助特里克特获得了女子蝶泳金牌，已难以考

证。但可以确定的是，运动员们餐桌上的食品不仅滋味美妙，而且质量也令人放心。2008

第 6 章 科技奥运，科技世博

215

年 8 月 22 日，北京官方宣布，他们监控了逾 161 万份奥运餐桌食品，无一例食品安全事

故发生。奥运餐桌的“零事故”是怎样炼成的？

如图 6-1 所示，特菜基地建筑面积达 5 000m2，有大、中、小型会议室 4 个，按

三星级标准装修的客房 70 多间，新装修的

餐厅达 300m2，可同时接待 150 人食宿。中

心建有网球场、歌舞厅、棋牌室等娱乐设施，

还有 40 亩的垂钓园，供客人休闲娱乐。农

业观光采摘和展示更是特菜基地的一大亮

点，有各种温室大棚 100 多个，常年种植无

公害、绿色蔬菜和水果 100 多种。在这里，

客人不但可看到普通的蔬菜，更可看到多种

南方热带水果作物（如番木瓜、番石榴、西

番莲、台湾青枣等）一年四季都可采摘。餐

厅以粤菜、川菜为主，满足不同宾客需求。

而最具特色的是特种蔬菜、药用蔬菜和花卉

蔬菜。农业试验、示范、研究的展示为北京

市农业科技人员培训提供了一个现场操作

的场所，同时也为北京农业今后的发展提供

技术支持。特菜基地集农业技术培训、住宿、餐饮、娱乐、观光采摘、旅游度假为

一体。

2008 年 5 月～9 月北京奥运会期间，部分符合“无公害食品标准”的蔬菜从这里启

运，走向运动员的餐桌。

一盒 3 根黄瓜刚刚包装完毕，并被打上标签。看上去，这与其他的黄瓜并无区

别，如何证明它的安全？其实奥妙就在黄瓜上面的条形码中。旁边是一台北京市农

业局食用农产品质量安全追溯系统机，如图 6-2 所示，拿起这盒黄瓜将条形码对准

扫描口，屏幕上会立即显示出这 3 根黄瓜的 3 类信息：生产者信息、产品信息、田

间履历信息。

点击开田间履历信息：5 月 3 日定植，栽培面积 0.8 亩，密度 140mm × 30mm；肥

料施用信息，5 月 3 日鸡肥、复合肥，5 月 16 日、6 月 11 日、6 月 20 日冲施肥„„农药

施用信息，5 月 20 日百菌清、蚍虫啉，6 月 2 日清源宝、蚍虫啉„„从信息中，可追溯

到任何时间和地点，甚至可以细到种植基地中温室大棚的编号。

图 6-1 北京市特菜基地

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图 6-2 食用农产品质量安全追溯系统机

条形码如同蔬菜的“身份证”，里面则是蔬菜履历的“信用”记录。一旦发生问题，

信息的可追溯性会确保在最短时间内发现问题所在，以便第一时间解决。

一盒包装完毕走出基地的蔬菜，开始了向奥运会各指定场地配送的过程。配送车有

可能遇上堵车、路面颠簸、车厢多次打开等情况，如何保障配送途中食品的安全？

从农田到餐桌，通过 GPS 定位等高科技手段和为奥运食品特制的配送车，可以实时

监控，无盲点，无断点，全覆盖。这种车外表看上去与普通配送车并无区别，但车中装

有针孔摄像机以及温度、湿度监测装置。在运送途中，配送车将每 30s 发射一次监测信

号，一旦温度、湿度超出设定指标或者车门超过规定开启次数，北京市食品安全办的监

测平台上就会即时收到报警信号，随时处置突发情况。

为确保奥运食品安全，北京市启动了首都奥运食品安全追溯系统建设。该系统作为

奥运食品安全保障系统的一部分，能够实现对首都奥运食品从生产到消费整个食品链的

全程跟踪、追溯。奥运会后，该系统已转变成首都食品安全日常监控措施，并服务于首

都重大活动、大型赛事的食品安全保障工作。

该系统依托于工商局网络环境，包括两级平台、4 个子系统。一级平台建立全市统

一的中心数据库，是整个系统的数据管理中心，用来实现全市范围内追溯数据的管理、

食品召回、监测预警、决策分析。二级平台由果蔬追溯子系统、动物产品追溯子系统、

预包装食品追溯子系统和奥运食品追溯子系统组成。

第 6 章 科技奥运，科技世博

217

果蔬追溯子系统和动物产品追溯子系统能够分别实现对果蔬及动物产品从种植养

殖、原料运输、生产加工、成品运输到奥运村验证等一系列环节信息的管理、查询和统

计分析等功能。预包装食品追溯子系统可实现对包装食品从流通配送、运输到奥运村验

证等一系列环节信息的管理、查询和统计分析等功能。奥运食品追溯子系统利用 GPS、

地理信息系统（GIS，Geographic Information System）、电子标签等技术实现对奥运食品

的追溯，特别是将奥运场馆就餐人员的身份信息与消费的食品原材料信息进行关联，实

现精细化管理。

北京全市共享的食品安全追溯数据中心下设果蔬、动物、预包装食品和奥运食

品等 4 个子系统构成的二级平台，覆盖水果、蔬菜、水产、畜禽、蛋类、预包装食

品等主要食品种类以及奥运食品的种植、养殖、生产加工、物流配送等环节。不仅

仅蔬菜，诸如猪、鸡等畜禽产品，通过佩戴“耳标”、“脚标”等手段，在屠宰和流

通环节应用 IC 卡、电子标签等技术，实现养殖、收购、屠宰、分割、运输及销售

等信息的全程追溯，随时对奥运食品安全信息进行归集、分析、评估、跟踪及预警，

如图 6-3 所示。

图 6-3 查查鸡的家谱

这样的奥运食品安全追溯系统，实现了从生产基地经加工企业、物流配送中心到奥

运村的全过程控制；在 2008 年 8 月的“好运北京”测试赛中，首先在奥运食品供应商、

赞助商、定点供应基地和企业以及物流配送中心应用，运行良好。

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奥运食品安全标准是以世界卫生组织（WHO，World Health Organization）标准为基

础，参照我国、欧盟及美国的食品安全标准确定的。伴随严苛的食品安全标准的，是全

覆盖的密集食品安全检测体系，不仅包括奥运场馆内及周边快速检测、奥运场馆内外实

验室检测，还包括对食品备选基地空气、土壤和水环境以及养殖基地兴奋剂类物质的动

态监测。

在北京朝阳公园奥运会沙滩排球测试场，场馆食品都由奥运会指定供应商提供。

食品从装箱、封箱到开封，每个环节都有卫生监督人员跟踪检测，现场对食品抽检、

留样、测温。在运动员餐厅，食品进入厨房前必须接受农药残留、细菌含量等多项检

查，对于可能影响运动员药检结果的中国传统腌制食品更有严格限制。仅水果一项，

根据 GB 18406.2—2001《农产品安全质量无公害水果安全要求》和 GB 2763-2005《食品

中农药最大残留限量》标准，“氧化乐果”等必检项目就达 12 项之多。

在北京奥运会期间，食品安全监控系统运转正常，各个子系统还成为北京奥组委以

及天津、上海、沈阳、青岛、秦皇岛等奥运赛区信息共享和食品安全监控的统一平台，

也是奥运食品供应企业开展自检、执法部门开展监督检查的数据交换中心。

2008 年 6 月 16 日起，当许多人还在为订不到北京奥运会门票而苦恼时，订购到北

京奥运会开闭幕式和第一、第二阶段奥运门票的“幸运儿”陆续拿到北京奥运会门票，

如图 6-4 所示。为了区别第三阶段销售时由中国银行网点实时打印的热敏门票（热敏纸

做的门票，纸质 5 个月后就发生变质，票面上的字迹会渐渐消失，没有保存意义），奥组

委将第一、第二阶段奥运门票定名为“纪念门票”。

图 6-4 北京奥运会开幕式门票

第 6 章 科技奥运，科技世博

219

总数超过 700 万张的北京奥运会可售门票，在不到两个月的时间内陆续发放到订购

者手中。这小小的一张门票，除了设计样式外，最让北京奥组委技术部津津乐道的，还

有北京奥运会门票所特有的、坚固的科技防伪系统。

在你脑中手持赛事门票入场的情景是什么样子？是不是还要由检票员逐一分辨真假

后方可入场？北京奥运会上，这种情景不复存在，在进入比赛场馆时，用手中的门票在

检票仪器上一刷，就顺利入场了。这让人想到了北京市民日常用的公交 IC 卡。2008 年

北京奥运会门票采用了实现芯片嵌入的门票，数量超过 1 600 万张，这在奥运历史上尚

属首次。

“北京奥运会门票的防伪科技绝对高于至今表现最好的德国世界杯”。在北京奥运门

票发布的新闻发布会上，技术工作者总是会拿这两届赛事的门票做比较，而让技术工作

者信心满满的杀手锏就是北京奥运门票独有的 RFID 技术。

在北京奥运会开幕式和闭幕式的门票里，都藏有一个防伪芯片，这个小小芯片含有

全球唯一的序列号。该芯片由清华大学、同方微电子公司共同研制成功，是我国最小尺

寸的无线射频电子标签芯片，芯片最小面积为 0.3 mm2，厚度最小达到 50 µm，可嵌入到

纸张内，最远识别距离为 5m 左右。

验票时，开闭幕式的查验设备将根据芯片上的全球唯一代码，在系统中查找购

票者的信息。序列号可以包含汉字以外所有的字符，组合方式也可以随机挑选。即

使有人侥幸猜出了序列号，也绝对无法攻克密码难关。密码就像保险库的钥匙，安

装在验票机里，这就如同随机产生的用户名和密码，必须两者匹配才能顺利进入比

赛场馆。

如果像电影里的黑客那样，使用超级计算机无限制比对用户名和密码，密码会被攻

破吗？绝对不可能攻破。为了避免被不法分子攻破，技术人员给每一个门票都设置了访

问次数限制。在一定次数内没有正确激活的门票将会作废，就好比在自动取款机（ATM，

Automatic Teller Machine）上多次输入错误密码之后被“吞卡”。

这种技术不仅能够验证门票的真伪，同时为观众快速通过避免拥堵提供了便利的服

务。并且，这种技术安全，不会泄露个人隐私。当观众入场时，拿票往验票机上一刷，

激活后台数据库，系统就会从数据库中调取出该名观众的个人信息；工作人员只需将系

统中的数据与真实情况相对照，就能知道票的真假。普通门票也与开、闭幕式门票一样，

每一张奥运门票上都有一个长宽 1mm 的芯片，芯片里有全球唯一的序列号，对应着验

票机上的一把“秘密钥匙”，这些首次在奥运会门票上使用的高科技手段，能将假票拒之

门外。就像公交 IC 卡一样，观众只需拿着门票在验票机上一刷，验票机就能在 0.1s 内

大话物联网

220

验出票的真假。这比普通红外照射辨识快很多。

奥运会开、闭幕式门票将实行实名制，如果将个人信息存储在票内的芯片上，万一

门票丢失，会不会泄露里面的信息呢？绝对不会。购买开、闭幕式门票观众的的私人信

息是存储在远程服务器上的。在验票的同时，开、闭幕式查验设备将根据芯片的全球唯

一代码，在系统中查找购票者的信息，包括照片、姓名、性别、国籍、年龄以及购票时

有效证件号码。这些信息同时显示在验票机后的大屏幕上，帮助工作人员比对。票内不

含任何个人隐私信息，绝对不会泄露持票者隐私。

每一个终端的验票机也有唯一的序列号，如果有人偷走验票机，验票机就会被列入

黑名单，失去验票功能。为了防止足球流氓，这种实名制的 RFID 门票技术曾经试图在

德国世界杯上使用，但是因为没有办法搜集到完整的持票人信息，最后实名制并未实现。

因此，RFID 技术在德国世界杯赛事上，单纯成了球票的防伪手段。

芯片的研发大约需要一年时间，虽然投入很大，但按照 1 200 多万张门票计算，每

张芯片的价格在 5 元以内。2004 年雅典奥运会没有使用 RFID 技术，一方面是因为技术

还不成熟，另一方面因为成本也比现在高得多。

奥运会开、闭幕式进场验票时，有一只摄像头在观众刷票时闪动快门。在验票员的

屏幕上不仅会出现门票对应的信息，持票人此时的头像也会出现在屏幕上。验票员甚至

可以不抬头，就能通过显示屏比对两张照片是否一致，加快了验票速度。

摄像头本来安装在显示屏的上方，但是观众在验票的一瞬间通常喜欢低着头，所以

将摄像头的位置安装在刷票区的下面。如果门票无法正常读取，可通过在设备上增加的

小键盘录入票面序列号来检索出购票人详细信息，解决了无法读取门票芯片的问题。验

票机上的摄像头成本也仅为 5 元。

门票“百折不挠”的功力到底有多深厚？国际奥委会技术官员在检验门票质量时，

先横着折，然后竖着折，再放进裤子的后兜里，一屁股坐在了椅子上，这时候门票已经

“惨不忍睹”。

看着已经扭曲成一团的门票，也不用担心门票过不了关。只听到“嘟”的一声，验

票机仍可顺利识别出门票。可是，专家们依然“不依不饶”，顺手拿起一瓶矿泉水，把这

张票浇了个“透心凉”，甩了甩，再往验票机上一放，门票仍然验证通过。

第 6 章 科技奥运，科技世博

221

外国专家有些难以置信，追问是不是在验票机上装了红外线感应装置，只要靠近就

会发出响声。北京奥组委的技术官员解释了其中的原理，并让他们对着阳光看票内的导

线。专家们将票内的导线从中间撕断，再靠近验票机的时候，就没有了“嘟”声。

除了小小的芯片，北京奥组委在门票制作过程中尽量使用较先进的技术，比如在门

票印刷时选用防伪油墨。由于采用了先进的材料，即使门票不慎被水淋湿或揉成团状，

也不会影响到使用。

另外，电子和物理等多重防伪技术也被广泛应用，其中包括胶印缩微文字、动感全

息开窗安全线、全息脱铝防伪技术等。据介绍，这次北京奥运会的门票防伪技术多达二

十几个。凭借这些防伪手段，可以大大提高门票真伪的鉴别速度；同时有效防止倒票现

象的发生，从而保障广大购票群众的利益。而在 2004 年的雅典奥运会上，奥运会门票在

印刷过程中也只采取了 11 项防伪措施。

北京奥运会门票在融合中国文化与奥林匹克精神的基础上，主要突出了观众、防伪

和管理三大功能需要。门票首先考虑到观众需求，要保证观众易于辨识，奥运会门票上

将比赛日期和场次用尽量大的字体显示出来，以免观众错过观赛时间。比赛门票还采用

了镭射、特殊油墨、隐形图案等防伪技术。另外，门票上还有一个特殊的地方是有荧光

的福娃图案。

奥运会门票包括纪念门票和热敏门票。纪念门票是事先做出来的，针对的群体主要

为第一和第二阶段购票的国内观众。而第三阶段销售的门票为实时售票，这阶段的门票

工艺类似于即买即开的彩票，票面有红、黄、白三色渐变的图案。

沙坑前一条新铺的 45m 红色跑道，似乎与普通跑道没什么两样，但不同的是沙坑边

的桌椅上排列着一排计算机。

运动员在跑道上助跑、起跳之后，可从旁边的计算机里知道自己刚才的步长、步频、

速度等关键技术参数，如图 6-5 所示。教练员再调出数据库里该运动员完成动作的数据，

向他指出刚才哪一个环节出了毛病。这时，心里已经有了数的他再次回到跑道上，开始

重复训练„„这一切，就像变魔术一样的神奇。这是最近发生在国家体育总局田径训练

馆里的一个场面。

2007 年 10 月底，智能所已经在国家体育总局田径馆成功铺设了一条长 45m 的数字

跑道，目前已在中国田径竞走、跳远和三级跳等重点项目的奥运备战中投入使用，并得

到了国家体育管理部门和田径训练专家的肯定。

大话物联网

222

图 6-5 数字跑道

数字跑道是中科院合肥智能所研发的一种具有完全自主知识产权的田径项目科学训

练系统。这种跑道的塑胶下面分布了大面积柔性压力阵列传感器、测力台等设备，并与

计算机相连接，可实时检测运动员的步频、步距、足部触地时间、离地时间、速度、发

力大小以及发力角度等信息，在此基础上进行技术诊断分析，为田径项目提供了一种全

新的科学化训练平台。

数字跑道的核心技术是通过一个全称叫做“柔性阵列压力传感器”的设备，来监测

田径运动员的足底压力分布，从而获取脚底与跑道或鞋底接触的形状、时间、蹬地力和

支撑力等信息，并依此测算出运动员的步长、步频、动作时序等技术参数。

柔性阵列压力传感器这个元件听上去复杂，其实实物就像一张厚纸一样，可以任意

按压、弯曲。而对接触物形状自适应的特性，也就是叫它“柔性”的来历。

具体来说，这种传感器由上下两层聚酯薄膜组成，中间在阵列与行列方向上分布着

一些导体，两根不同方向的导体相交的点上装有传感器单元。它的工作原理就是，当运

动员踩在跑道上时，由于受力情况不同，两层薄膜的接触面积发生改变，从而引发其中

的电阻大小发生改变；传感器再将这些变化的数据传输到与之相连的计算机里，经过专

门软件的分析，就可以得出运动员在训练中的各项参数，结合运动项目的基本规律和训

练专家的知识与经验，还能知道此次动作完成质量的好坏。

运动员那么大的力踩上去，踩多了会不会容易坏？没问题！传感器表面单位面积可接

受百万次的冲击，就按 100 万次计算，如果运动员每天在上面踩 1 000 次，那也能用将近

第 6 章 科技奥运，科技世博

223

30 年，更何况跳远运动员还不可能每天训练 1 000 遍。

数字跑道的具体构造就像夹心饼干一样，下面是跑道基层，中间是传感器，上面再

铺一层塑胶跑道。跑道宽 122cm，中间 80cm 宽的部分铺有传感器。运动员在上面训练

时，就跟在普通跑道上的体验一样，不会有什么异样的感觉。

为得到更多跳远运动员训练时的数据，除了在跑道上分布传感器外，还在起跳板

的下面铺设了三维测力平台，以收集运动员在起跳时的速度、加速度、地面反作用力

等信息。

这样一个具有高科技含量的跑道，在施工时遇到了困难。根据设计，计划在原有跑

道上另加上数字跑道，但这样跑道很难固定住。运动员原本力气就大，一踩上去跑起来，

跑道就歪了，测出来的数据也不准。后来想出一个办法，就是挖出一个跑道的地基，将

数字跑道“嵌”进去，与地面融为一体。

此外，由于传感器对地面平整度、柔软度，特别是对场地干净程度的要求非常高，

即使一点点的沙粒附着在表面，也会影响数据采集的精准度。所以，施工者要在传感器

下先铺一层沥青，而且在安装传感器时，要格外地小心。

使用数字跑道的好处是显然的。此前，我国田径项目的训练中多采用高速影像分析

技术，即采用照相机或者摄像机采集运动员的训练信息，然后再在计算机里对这些照片

和录像进行分析。这种做法固然有效，但存在两大缺陷，一是计算机分析的工作量巨大，

二是由此带来的信息滞后，教练员不可能在运动员训练的同时就得出当即完成动作的技

术参数，无法对其进行最及时的纠正和指导。

虽然这样的数字跑道在国家队还是首次应用，效果到底如何仍需实践来检验，但它

会对跳远队的训练带来帮助。它能让运动员对自己每一次技术动作的完成情况做到心中

有数，有不足可以马上进行改正，刘翔以后也会用上这样的跑道。

2000 年雅典奥运会女子 20km 竞走比赛中，排在我国选手王丽萍前面的 3 名选手由

于犯规而相继被罚下场，从而使她幸运地拿到了这枚金牌。

实际上，在竞走项目中，因“双脚腾空”而犯规是一个极为常见的现象。我国在女

子竞走项目上具有一定的优势，但在很多国际大赛上，我国选手往往在处于领先地位的

时候因犯规而被罚下，不禁令人扼腕。

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224

而数字跑鞋的出现，则将极有可能成为这一局面的终结者。与数字跑道一样，利用

传感技术制成的数字跑鞋，可在长跑类项目中发挥出巨大作用。

为了说清楚这个问题，首先有必要了解一下什么是“双脚腾空”。根据竞走规则要求，

运动员必须始终保持有一只脚落在地面上。但是，运动员为了走得更快，必须缩短双脚支

撑时间，这样就有可能双脚同时离地造成犯规，而这种犯规靠肉眼来观察是很难发现的。

因为在慢动作镜头中，谁的脚步都腾空。同时，运动员的“双脚腾空”犯规也有一定的规

律性：一般都是在比赛的后半程，体力下降、身体松懈时容易发生动作走形，从而犯规。

而穿上数字跑鞋之后，运动员的步伐、步频、节奏便都实时地反映到教练员的腕表

上去，使教练在运动员训练时就能对其进行实时纠正。哪一步迈得不对，犯规是怎么造

成的，都精确地体现出来，一目了然，有助于运动员的技术定形。此外，对研究运动员

的最佳体力分配也有巨大的指导意义。

猛地看上去，数字跑鞋与商场里卖的普通运动鞋没有区别，但仔细观察，可以发现

两只鞋的外侧各伸出来一个像 U 盘接口一样的东西，叫做信号采集器，是用来采集传感

器的信息分析后向运动员的特制腕表发送信号的装置；传感器就藏在鞋底与鞋垫之间，

如图 6-6 所示。运动员在训练时的技术数据首先由鞋底发送到手腕上的腕表上，教练员

再在自己的手持终端上查询自腕表发送过来的信息。

图 6-6 数字跑鞋

由于运动员脚底的着力点都各不相同，传感器节点如何分布才可以有效捕捉运动员

脚底几个关键点的信息就成了制作数字跑鞋的最大困难。对此，研究人员想出了一个“捷

第 6 章 科技奥运，科技世博

225

径”—研究竞走国家队几乎所有运动员旧鞋鞋底的磨损情况。通过鞋底磨损，就可以

很轻松地掌握绝大部分运动员的脚底着力点信息，借此再来决定数字跑鞋传感器的节点

分布。

目前，由中科院合肥智能机械研究所研制的数字跑道和数字跑鞋都已在国家队跑跳、

竞走、马拉松等项目的奥运备战日常训练中发挥重要作用，系统测试分析功能和实时反

馈结果也得到教练员和运动员的充分肯定。

数字跑道与数字跑鞋不仅是一个世界首创的训练仪器或系统，实际上可以看作是一

个研究人体工程的科技平台；不仅可用于田径运动的大多数项目训练信息的采集，也可

以用在诸如跆拳道、拳击、武术、乒羽运动员步伐和灵敏性训练，还可用于体操落地稳

定性研究以及其他需要测试跑步速度、步态模式特征等的场合；既可用于实时训练，又

可在人机工程科学研究和体育教学中发挥巨大作用。

奥运会中的许多比赛项目都需要计时，今天，许多以分秒计算的纪录都精确到小数

点后两位。从 1s 到 1/10s，再到 1/100s，甚至 1/1 000s，体现了科技的进步。

早期的奥运会，计时方法尚粗糙，当时都采用有独立秒针的计时码表，如图 6-7

所示。计时码表主要基于机械表的技术，计时的准确性依赖于制表工匠的精确调校。

随着钟表技术的改进，从机械表到石英表，再到电子计时技术，计时码表也得到长足

发展，但其在比赛中计时的原理并没有改变—在运动员出发时开始计时，到冲过终

点时停止计时。

图 6-7 计时码表

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226

也许很难想象，1928 年的阿姆斯特丹奥运会上，计时员还得自备计时表。当时，所

有比赛的时间只能精确到接近 1/5s，而大会也仅能提供田径运动冠军的官方记录时间。

现场观众，有时甚至裁判员都只能通过目测来判断比赛的结果。1932 年的洛杉矶奥运会

上情况有了改变，欧米茄成为第一家担任奥运会指定计时的公司，所提供的 30 只 1130

号机芯计时表可保证精度接近 1/10s 的准确计时。

不过，由计时员去判断时间点，难免会因个人反应时间等因素产生误差，而随着运动

员的比赛成绩越来越接近，有时凭借肉眼就难以判断。在 1932 年洛杉矶奥运会的百米决

赛中，根据计时员的手持计时表记录，美国选手梅特卡夫为三个 10.3s，同为美国选手的

托兰则是两个 10.3s 和一个 10.4s，尽管如此，最后裁判还是宣布托兰为冠军。其缘由是利

用了一种新发明的比人眼更可靠的观测手段。该次比赛的裁判团主席科比是计时电影摄录

机的发明者，这种装置可拍摄直至冲线的比赛最后阶段，并且计时精度接近 1/100s。然而，

科比发明的装置当时只是试验性质，而且冲晒底片需时甚久，只能在遇到特殊情况时才参

考胶片，还只限于判断谁最先冲过了终点，对提高总体比赛成绩的计时精度并没有帮助。

随着电子技术的发展，在奥运会中，全自动计时装置逐步取代了计时员的工作。全

自动计时装置通过与发令枪等相连，自动开始比赛计时，并利用摄像技术精确地记录比

赛成绩，使得一项项世界纪录变得更为准确。

在 1992 年的阿尔贝维尔冬季奥运会上，首次在四场短道速度滑冰比赛中使用了欧米

茄光感摄影机，如图 6-8 所示。在传统的胶卷摄影机中，计时和快门是两个独立运行的

机构，因此对运动员成绩的精确计时帮助不大；而新系统将计时和快门合并于一台集成

电路摄影机，利用线性垂直记录技术和集成开关电路拍摄下选手到终点的准确时间。数

码技术的应用，不但使光感摄影机将运动员的比赛成绩精确到 1/1 000s，而且可以使公

众在第一时间通过电子记分板观看现场冲线的成绩。

发展到今天，奥运会的计时系统已经是一个非常庞大、复杂的高科技系统，高速数

码摄像机、电子触摸垫、红外光束、无线应答器等高科技产品在有条不紊地互相搭配工

作，即便 1/1 000s 的差距，也能分辨高下。

事实上，在今天的奥运会中，不同的比赛项目有着不同的计时系统，究竟这些系统

是如何运作的呢？接下来我们一探究竟，去看看奥运会上的高科技计时系统。

在持续时间不足 10s 的 100m 短跑比赛中，准确计时就显得至关重要了。因此，计

时的方方面面均要实现电子化，甚至发令枪如今也电子化了。在起跑器上安装一个与发

令枪联动的传感装置，当压力达到给定数值（男子 29kg，女子 27kg）时便会被触发，并

自动显示出运动员起跑反应的时间。一旦选手双脚蹬在起跑器上，做好起跑准备，计时

第 6 章 科技奥运，科技世博

227

官员扣动发令枪扳机，电流通过铜线到达起跑器和单独的计时台。电流会启动计时台上

的石英晶体振荡器，与此同时，发令枪的声音经由每个选手起跑器的扬声器放大，这样

一来，所有参赛选手可同时听到发令枪响，以最快的速度起跑。

图 6-8 欧米茄光感摄影机

而在赛道的终点，激光信号则从终点线的一端传向另一端，而另一端的光传感器会

收到激光发出的光束信号。当选手穿过终点线时，光束受到阻塞，电子眼立即向计时台

发送信号，记录下选手的比赛用时。同时，与终点线平行安装的一台高速数码摄像机会

以 2 000 次每秒的惊人速度将图像扫描到一个狭窄的剖面上。计时台则将比赛时间发送

给裁判席和电子计分板，图像则会被发送给计算机，计算机使图像与时钟实现同步，令

其处于水平时标的并行位置，构成一幅完整的图像。1988 年的汉城奥运会上，德国十项

全能选手海格森虽荣为前世界纪录保持者，却因连续 3 次抢跑 1/1 000s 而失去卫冕机会。

无线应答器将安装在每辆自行车的前轮轮胎的前缘，可以随时向安装在起点线、终

点线及沿途各站的天线发送识别码，这些天线将记录下每名选手的比赛时间，并将其发

送给计时台进行比较。三台高速摄像机安装在终点线（包括跑道上），提供按照时间顺序

确定的选手成绩，如详细记录每名运动员轮胎前部数据的垂直指针，用于帮助确定冠亚

军的最终归属。

对游泳比赛来说，夺冠不是看谁身体先过线，而是看谁手指最先触碰壁板。游

大话物联网

228

泳比赛的金银之争也就百分之几秒的区分，传统计时根本无法胜任。1968 年的墨西

哥奥运会上，终点电子触摸屏首次启用，这是一块高 90cm、宽 2.4m 的平板，它的

2/3 浸没在水中，能够灵敏地感受运动员手指的轻微触碰，却对波浪的拍击不作反

应。自此，游泳计时已被精确到 1/1 000s。游泳池的出发台和田径赛的起跑器一样

装有压力传感器，以防运动员入水犯规。1991 年的澳大利亚世界游泳锦标赛上，计

时系统无情地显示美国女子接力运动员抢先 1/100s 入水，使正在拥抱欢呼胜利的姑

娘转瞬痛哭。

每名游泳运动员的出发台类似于短距离田径比赛，均安装有一个扬声器，用于宣布

由计时官或起跑器启动的时间。

在接力比赛中，身在泳池中的选手必须通过按动游泳池壁的触摸板，才能“交棒”

给下一位队友。接着，触摸板将信号发送到计时计算机，记录下第一名运动员的比赛时

间，同时启动第二名选手开始的时间，并报告给计时板。

这种触摸板由一堆薄薄的聚氯乙烯（PVC，Polyvinyl Chloride）和水平带制成，可

以记录集中压力（如来自于选手的手），而不是分散压力（如泳池的波浪）。蛙式游泳、

自由式游泳、仰泳等个人项目的计时过程均与之类似，比赛期间，选手必须按泳道两端

的触摸板，才可记录下他们的比赛时间。

如果说计时技术让每一项比赛的成绩更为可靠，那么电子记分板则让现场观众更快

地知道比赛结果的同时，也记录着奥运会上每一项突破性的成绩。在偌大的体育场里，

如果不借助巨大的记分板以及大屏幕的显示，坐在后排的观众是很难知悉比赛结果的，

这样也就失去了现场观赛的意义。而大屏幕之于奥运赛场，正是显示器技术不断改进和

完善的体现。近年来大屏幕技术迅速发展，除了应用等离子、液晶技术外，发光二极管

（LED）也有异军突起之势。北京奥运会上，各大场馆都装备了 LED 大屏幕，从电视转

播可以看到鲨鱼皮泳衣的结构，V 字型可以减少游泳时水流带来的阻力，现场的大屏幕

很快地显示出运动员的比赛成绩，通过高清电视转播技术，使场外观众也能感受到场内

的热烈气氛。

6.2

科技，让世博更精彩

买世博会门票，刷手机就行；打车去世博园，刷手机就行；中国馆门口检票，刷手

机就行；在世博园区里品美酒佳肴、买纪念品，刷手机就行—挥一挥手，不需要一分

钱现金，这只是物联网技术在上海世博会应用的缩影。继北京奥运会后，上海世博再次

成为物联网技术进一步发展的标志性事件。此次世博会将研制芯片、天线、读写设备和

第 6 章 科技奥运，科技世博

229

管理平台的不同企业联合起来，开发出了一整套适合世博会这样高人流量国际会议使用

的整体解决方案。从整体情况来看，这是一次对物联网产业的“大检阅”。经历了这一战

役，我国的 RFID 产业跃上一个新台阶。

2009 年末那股电影 3D 风可谓横扫祖国大江南北，电影《阿凡达》的票价也曾一度

被炒到五、六百元之高，而且还是一票难求。不过与我们相比，那就不足挂齿了。

话说我和我的同伴们于 2009 年 7 月 1 日开始面向个人消费者销售。之后，随着世博

会一天天临近，我们的销售更是如日中天。在制定的官网销售渠道中，想买到指定日期

的门票已经非常艰难，而网上转让的票价也从 180 元被炒到 500 元之高。价格升温之猛

烈，持续时间之久，当然为《阿凡达》所不能及。

制造商在设计和生产我们时采用了先进的 RFID 技术，我们身体内部都含有一颗

自主知识产权的“世博芯”，通过采用特定的密码技术，确保数据在传输过程中的安

全性，外界无法对数据进行任何篡改或窃取，如

图 6-9 所示。电路和芯片是我们的骨骼和大脑，

记录着参观者资料，并能以无线方式与遍布园区

的传感器交换信息。通过我们，计算机系统能了

解“观众是谁”、“现在在哪”、“同伴在哪”。观众

进入园区，手机上就能收到一份游览路线建议图。

随着参观的进行，观众能随时知道最近的公交站、

餐饮点的位置。融合 RFID 和 SIM 卡技术的我们，

使用户足不出户即能完成世博会门票的选购，省

去送票或取票的麻烦，同时还可查询购票、退票、

领取纪念票等信息。手机门票成为本次世博会的

一大亮点。相应地，组织者也能了解各场馆的观

众分布，既能及时向观众发出下一步的参观建议，

防止场馆间冷热不均；又能有效调动车辆，提高

交通效率。上海世博会门票将是全球范围内芯片

使用量最大，质量要求最高，时间跨度最长的

RFID 项目。

接下来，我将介绍为我们整个票务系统提供技术支撑的部门和企业，讲述我身后

的那些技术秘密。

图 6-9 世博会门票

大话物联网

230

保守估计，参观上海世博会的游客每天入园人数可达到 20 万，如何让观众快速通过

检票口？此外，从第一张门票销售到世博会结束，其使用跨度长达两年，什么样的技术

能保证这么长的使用寿命？如此庞大数量的门票怎么才能做到有效防伪？射频识别

（RFID）技术就能满足这些需求。

RFID 作为一项信息技术成果正在引起票务界的一次革命。由于芯片内可以写入大

量信息，读写器（或者闸机）不仅能在短时间，一定距离之内读出信息，还能把这些信

息统一汇总到后台，由此带来一连串的便于管理的优势。

很多人拿到我后的第一感觉是“很有质感”。的确，不管是重量、厚度，还是手感，

我都和一般的票子很不一样。

原因之一，打造我的人—中国印钞造币总公司很特别。从设计到印刷，工程技术

人员花的心思堪比印制人民币。

原因之二，我的“心”—嵌入的射频识别（RFID）芯片很特别。如果不仔细寻找，

很多人感觉不到藏在精美的世博会门票里的那颗“世博芯”。就是这颗芯，使得人均过闸

机时间不超过 20s，让游客可通过门票进行场馆预约。

2007 年起，上海华虹集团开始组织研发为我“造心”：不但要安全可靠，还得技术成

熟。虽然爱知世博会、德国世界杯等大型集会都成功采用了 RFID 技术，国内也已具备产

业基础，但要在世博会前约一年内制作出 7 000 万张的“我”，也就是平均每天需生产约

20 万张，无论是从技术、工艺上都是个挑战，这个任务可不算轻。当然，结果如何，你

们现在都看到了。

我和我的同伴们内部都含有一颗具有自主知识产权的芯片，面积只有 1mm2左右，

相当于一个芝麻粒大小，个头虽小，却有着复杂的内部结构，任何物品只要嵌入射频识

别标签，也就是这个芝麻粒大小的芯片，就相当于拥有了属于自己的“身份证”，在任何

地方都会被系统监控。

像公交卡、二代身份证和社保卡，其芯片外面都是一层塑料膜，可以保护芯片，而且芯

片可以做得比较大。而我和我的同伴们是纸质的，并且使用寿命会很长，传统的封装技术达不

到要求。所以上海华虹集团研发了倒封装技术，既缩小了芯片的大小，也保证了其使用寿命。

同时，我的家族里共有 9 种门票，不同种类的芯片不一样，怎样储存门票并准确无

误地将其分门别类送到全国各地的代理商手中也是一个大问题。华虹集团将集成有天线

和芯片的中间产品（芯料）提供给印钞总公司，他们根据不同票面封装好后，这张票里

是没有任何信息的。华虹集团接下来的工作就是要将各种信息写进去，而此时，从票面

上是看不出这张票是哪种类型的，所以精确的仓储物流是个极大挑战。

第 6 章 科技奥运，科技世博

231

攻克这样一个个技术难点后，华虹的世博会票务系统日趋完善。世博会开幕后，票

务系统一直运营状况良好，没有出现大的问题。

我的家族里一共有 9 种门票，分别为指定日普通票、指定日优惠票、平日普通票、

平日优惠票、3 次票、7 次票、夜票、普通团队票及学生团队票，如图 6-10 所示。类型

这么多，数量这么大，保证销售安全是非常重要的任务。

图 6-10 9 种世博会门票

为此，世博门票的票务系统指定了中国移动、中国电信、中国邮政、交通银行为销

售我们的 4 大境内代理商。不论代理商在哪个地点销售了多少张，世博局票务中心都能

通过系统平台掌握信息。并且，如果不是指定的门票代理商，根本不可能将大批量的我

们拿在手中。这些做法，都从源头上杜绝了假票的生存空间。

上海世博会开幕后，世博园区大门口设置了 10 个票房、232 个坐席现场售票，地处

上海的超市、便利店等 24 小时运营网络实现了 24 小时不间断销售。

我们如此受欢迎，销售渠道如此之多，市场又是供不应求，很容易让不法分子钻了

市场的空子。为了避免“李鬼”们搅局，制造商在设计和生产时采取了先进的防伪技术，

并研发了拥有自主知识产权的芯片技术。对于真假门票，最简便的辨别方法是手摸，门

票正面下端文字的表面触摸有明显的颗粒状粗糙感。避免买到假票的最好方法自然是通

大话物联网

232

过世博会指定票务销售点购票。我们身体中“内嵌”的电子标签可以让“保质期”变长，

提高防伪性能。

防伪堪比人民币，是许多媒体对我的防伪级别的报道。我前面说过，打造我外表的

是中国印钞造币总公司，防伪级别自不待言；而且我的“心”防伪性能突出，数据存取

方面也可以有密码保护，难以修改，难以仿造，但打造我的工作人员们想的可不只是这

么简单。

其实，从技术层面而言，这次使用的技术并不难。但要确保万无一失，相当难。我

们可以拿出两张测试票作比较。一张是经过检票闸机的，一张是还未检票的。很明显，

已检票那张表面印上了连续的 2010EXPO（世博会）字样的凸痕。

“这是为了防止有的票已被使用过，但有人却将其与未使用过的门票混淆。为了这个

细节，世博局讨论了很久，也试验了很多次，凸痕力度太深可能损坏票，力度太浅又容

易恢复原状；同时还不能影响验票速度。”

你听听，这工作够一丝不苟了吧。

184 天会期，平均每天约 38 万人次。如果用传统的纸质门票，需要人工识别；如果

用二维码，检票也不够简便快速，再碰上极端人流高峰，大量游客集中在同一时间入园，

要让所有人进园，光检票确实足足需要一整天！相比之下，我的优势就显而易见了。只

需在离读写设备 10cm 处轻轻一刷，20s 便可轻松进入世博园。而在票务后台，系统则会

马上统计、更新入园人数。拥有“世博芯”的我们，把应用射频识别（RFID）技术的优

点体现得淋漓尽致。

人均过闸机时间不超过 20s，还有数百台闸机“同时开工”。华虹集团的方案是支持

每天 80 万的极端人数，对设备和系统的即时响应要求高。现在采用这种类似交通卡的电

子门票，持票者根本不用看正面还是反面，直接插入闸机就行。

与此同时，检票闸机还可迅速读取我内嵌的电子标签信息以辨别真伪。别看我们省

去了照片、姓名、有效证件号码等防伪设计，但我们的每颗“芯”都被赋予了一个唯一

的类似身份证的密码。一票一密码，这样假票就混不进我们的队伍中了。

也就是说，整个票务系统，从制票的初始环节，就已经开始为其后的每一个环节考

虑。原则就是安全、可靠、高效。

完整的票务信息系统由制票系统、销售系统、检票系统和预约系统等组成。如此复

杂的环节，因为有了 RFID 芯片，每一个环节均可追根溯源，从制票、仓储物流、销售、

第 6 章 科技奥运，科技世博

233

票检到预约，全程数字化管理。

最后我们说说预约。2010 年上海世博会期间，如何防止超极端客流是必须解决的问

题。在参观高峰时，可能出现客车拥堵在高速公路出口，参观者拥堵在地铁、公交或世

博园区各出入口处的情况。虽然园区内规划 20 多处现场预约点、180 多台预约机，但一

般游客会由于操作生疏而滞留在预约机旁边，从而导致人群没有分散，反而更加集中排

队，所以还需通过建立专门的参观预约系统进行调控。

尽管中国国家馆是上海世博会的永久建筑，但和试运营时一样，它每天依然是游客

的宠儿。在安检口派发的散客预约券很快就被一抢而光。

整个中国馆以“寻觅”为主线，行走在“东方足迹”、“寻觅之旅”、“低碳行动”三

大展区，参观者在“寻觅”中可以发现并感悟人与城市和谐发展的智慧。

来到馆内，被设计成火车车厢模样的电梯将我们送上国家馆的 12 层。乘电梯直奔

49m 高处的过程，宛如搭上时光列车，见证中国五千年的历史变迁。

下电梯第一个看到的是正在播放的 180°球形电影。一群热情洋溢的年轻人在空旷

的土地上奔跑、奔跑„„镜头切换，一个头发花白的老人出现在荧幕上，一家四代人坚

守土地、离开农村建设城市、团聚„„这部名为《历程》的 8 分钟短片从一个家庭对离

别、团圆、生存的感悟，折射了中国的城市化进程。影片以“奔跑”开头，以“未来之

城”结尾，阐述了“城市，让生活更美好”的内涵。

走出影厅，眼前出现了 1978 年、1988 年、1998 年和 2008 年中国家庭的陈设。从大

衣柜、铁壳暖水壶、黑白电视机到计算机、液晶电视，真实可触的变迁触动不同年龄人

的内心。孩子们则会好奇地指着他们眼里的“老古董”一件件仔细询问。

右转，还沉浸在 30 年历史中的思绪一下子被拉回到数千年前：脚下是“城头山”，

中国最早的城市；右手是著名的开封“城摞城”，再走几步，又撞上了珍稀厚重的洛阳

文物„„

再左拐，别有洞天。一轮明月倒映在水波中，月影随着水波若隐若现；小河中，两对

男女在游船上吟诗作对；河岸的集市上，一个商贩在吆喝着卖酒，三三两两的人们买完东

西后边走边聊„„天亮了，只见疏林薄雾中，两个脚夫赶着驮炭的毛驴，缓缓走向城门。

此时，虹桥上已是一片喧杂，来来往往的行人中，有做生意的商贾，有看街景的士绅，有

骑马出行的官宦„„或许，很多人已经熟悉国宝级文物《清明上河图》里的城市风景，可

赶路的脚夫真的边走边吆喝，河边的纤夫拉着船索唱起劳动号子，如此一幅水会流、人会

走的《清明上河图》，只有在世博会的中国国家馆才有。大宋王朝的生活景象铺陈开来，

这就是被游客誉为中国馆“镇馆之宝”的“复活”的《清明上河图》，如图 6-11 所示。

大话物联网

234

图 6-11 会动的清明上河图

会“动”的《清明上河图》是中国馆“东方足迹”展区的一大看点，它是怎样“动”

起来的？据悉，动态的《清明上河图》以北宋画家张择端的《清明上河图》为蓝本制作，

高 6.3m、长 130 余米，约是原图的 30 倍，需要 12 台电影级的投影仪同时工作；整个活

动画面以 4 分钟为一个周期，展现城市的昼夜风景，其中白天出现人物 691 名，夜晚出

现人物 377 名„„

这一个个数字背后，是创作团队对古本《清明上河图》的重新解读和制作。首先

要保留原作的原始风景和建筑，看起来只是将原作上人物去掉的简单工序，也大有讲

究。《清明上河图》动态版主创设计师于正介绍说，一来要保留原作的所有特征，数百

棵树、数百座建筑一个不能少，色调、画风也一点都差不得。可原作有上千年的历史，

要放大 30 倍，很多细节必须重新修补。二来还要为这些背景制作透视效果，草木建筑

之间的遮挡关系、阴影分布以及在晨昏不同光线下的变化，都是创作团队一次次调试

比对后才确定的。

古本《清明上河图》中，出现了多少个人、多少只动物，业界一直有争论；但在中

国馆的动态《清明上河图》中，有多少个人、多少只动物必须一清二楚，才能保证每个

动态的造型都有属于自己的动作。为此，在相关古籍专家的指导下，新作中不仅保留了

原作中最具代表性的人物，还根据同时期的其他画作创作出新的人物。成百上千张草稿

后，才有了如今一群群衣着打扮、行为举止都符合北宋时期特征的行人游客。至于具体

的动作，尽管在技术制作上和大部分动漫没什么区别，可要展现出原作入木三分的写实

主义，必须从细微处着手。“举个小例子，在驼队走过街市时，旁边的行人不能各管各的，

而是要让路或者侧目观看，这样才自然。”于正说，为了让每个人物的动作和不同人物间

的关系都得到精心设计，最多时有 70 多人共同为《清明上河图》的“动”努力，而从项

第 6 章 科技奥运，科技世博

235

目启动到大样完成，总共花了近两年时间。

正因为如此，会“动”的《清明上河图》才具备很多新亮点：在原作中，有一艘大

船正要穿越虹桥的拱洞，船夫一脸严肃、行人探头张望，但船究竟过桥了没有？新作给

出答案：船夫们有的用竹竿撑岸，有的用长竿钩住桥梁借力，有的用麻绳挽住船帮，还

有几人忙着放下桅杆以便船只通过„„终于，在一番紧张的忙碌后，大船晃晃悠悠地通

过了虹桥。至于夜晚的北宋城市是怎样的风景，也只有动态的《清明上河图》大胆进行

了首次想象。

美国时代广场前的摄像头，能让你坐在家中目击大街上求婚的美国式浪漫；英国人

则通过装在商家或城镇中的摄像头玩“找茬儿”，从实时画面中寻找“不法行为”，并向

警方举报；而一位塞浦路斯妇女居然通过网络摄像头发现苏格兰野生动物园的母犀牛“快

生了”，并及时电话通知了还蒙在鼓里的园方„„在生活中，摄像头常常能给我们带来惊

喜，那么世博会中呢？

最多的时候，世博园区内有 300 多个“全球眼”，几乎每个在建场馆都在摄像头的“照

顾”之下。“全球眼”是中国电信提供的基于 IP 技术和宽带网络的远程网络视频监控业

务。本业务充分发挥了中国电信无处不在的网络资源优势，通过网络视频监控业务平台，

将分散、独立的采集点图像信息进行联网处理，实现跨区域的统一监控、统一管理及分

级存储，满足客户进行远程监控、管理和信息传递的需求。

“全球眼”网络视频监控系统由系统平台、前端设备、客户端 /监控中心、传输网

络 4 部分组成，其结构如图 6-12 所示。系统平台是全球眼系统的核心，提供用户的

管理、认证、计费和视频的转发、存储等功能。前端设备主要由摄像机、视频编/解

码器等设备组成。客户端/监控中心的功能有两种实现方式。硬解码方式通过硬件视

频解码设备还原监控点视音频信息，在电视墙上显示，此方式集中、专业；软解码方

式通过在计算机上使用客户端软件或直接通过 Web 方式还原监控点视音频信息，此

方式方便、灵活。

世博局工程部、世博运营指挥中心等就是靠这些“全球眼”远程了解工程进展的。

随着世博园区内建设的完工，这些“全球眼”已经完成了自己的历史使命。世博会大幕

正式拉开后，这些“全球眼”已经转战海、陆、空等各个其他“世博战场”，并继续大显

身手。

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236

图 6-12 “全球眼”系统结构

位于世博园区世博轴 C4 区的中国电信营业厅有一个视频监控室，通过高清电视屏

幕，拖动鼠标，就可以看到世博园区内每个场馆、重要地段的实时情况。

与普通的视频监控设备不同，“全球眼”可以在视频终端，通过拖动鼠标来观看某一

场馆各个方位的情况，或者查看整个园区各个角落的现场情景，如图 6-13 所示。

图 6-13 使用“全球眼”来监控整个世博园区

“全球眼”系统由移动摄像头和显示终端组成，由于引进了像素高达 1 600 万的高清

摄像头，而且系统采用热成像摄像头技术，哪怕是在漆黑的夜晚，也可清晰显示所监控

的区域。

目前世博园区内有超过 300 个高清摄像头和 3 622 个“全球眼”视频，监控摄像头

第 6 章 科技奥运，科技世博

237

覆盖整个视频园区，坐在房间里即可了解园区的整体情况。

作为最新研发的远程视频监控管理工具，管理者无论是在旅行途中、会议中，还是

身处办公室中，只要得到授权，输入权限账号，轻点鼠标登录管理平台，园区工地和场

馆的动态就能尽收眼底。

其实，早在世博园区建设时期，中国电信的“全球眼”就已经派上了用场。

在上海世博会开幕倒计时 1 000 天时，作为“走进世博会”大型巡展活动现场的一

个亮点，中国电信“全球眼”吸引了许多参观者的目光。

世博园区建设工程是一个庞大的系统管理工程，各项目建设方协同或交叉作业，

给管理提出了更新、更高的要求。如何应用现代科学和现代通信手段对世博园区建设

实施井然有序的全方位管理？“全球眼”管理系统多方位的远程管理功能，对于世博

园区的工地管理、人流管理和保安监控等，提供了极大的便利。特别是一系列人性化

的视频管理工具，可以随意放大或缩小画面，也可随室外光线和环境的变化调整光圈

和焦距，让世博会组织者能够轻松地掌握实地情况，最大程度地提高管理效率。根据

规划，中国电信“全球眼”影像监控覆盖了整个世博园区，在世博会筹备建设期间将

园区建设工地的动态画面统一汇总到管理平台上，当好世博会组织者的“千里眼”，如

图 6-14 所示。

图 6-14 中国电信“全球眼”时刻守望世博园区

除此之外，参观者还可以单击鼠标，随意转动“全球眼”镜头，多角度、全方位地

观看现场情况，就仿佛身临其境地在世博园区漫游。

大话物联网

238

五一期间，由于几十万游客比较集中地到世博园区游览，在一些热门场馆和重点地

段，出现了排长队和人员拥挤的情况。

这时候，及时增派志愿者、安保人员加强疏导就显得尤其重要。世博园区安保部门

通过“全球眼”监控现场情况，进而及时调派人手。从调播视频到完成调派人手，通过

“全球眼”只需要几分钟的时间，大大提高了世博安保、疏导工作的效率。

此外，在世博会期间，“全球眼”管理系统还配合上海市的公交系统实现车辆的远程

调度，大大降低了游客滞留和公交车辆等待、空驶现象的发生。

中国电信在世博园区还设置了 117 个信息亭，信息亭都加载了无线覆盖和“全球眼”。

信息亭最大的亮点是现声又现身的视频客服。拿起听筒，在屏幕上选择“视频客服”，屏

幕即刻出现电信客服人员，所有有关世博园区的信息“百问不倒”。

巴士公交依托“全球眼”卫星监控系统，如遇大客流，将及时采取灵活的调度方式

尽快疏散。“全球眼”卫星监控屏幕的整个画面为无缝拼接显示，做到各信号任意跨屏漫

游叠加，可以看到巴士集团旗下所有公交车当前的运营情况；还可通过数据回放观察到

每一辆公交车最近 15 天内的一举一动，真正实现监控全覆盖。驾驶员只要有跳站、超速

等一点点“违规小动作”，就会被监控系统毫不留情地“铆牢”并记录下来。154 个全球

眼探头则安装在世博园区和申城的各个重点角落，捕捉公交车辆的运行画面，能更快地

了解重要站点的车辆运营和客流情况。

公交智能管理系统目前已覆盖巴士集团下属 12 家公交企业的上万辆公交车，其中

7 300 多辆公交车已安装了数字视频录像机（DVR，Digital Video Recorder）车载视频监控

装置，还在试点营运车辆实现车载 DVR 监控信号的实时传送功能，实现了世博园内 36

辆世博大道线及园外世博 2 路、世博 3 路、146 路共 30 多辆营运车的车载信号实时传送。

在监控中心的大屏幕上，不仅可以看到公交车辆的当前位置、速度等信息，还可以

切转车内实时画面。通过这些画面，不仅可以监控车辆当前的载客情况，还为今后的调

度提供依据。

公交智能管理系统在巴士集团各成员公交公司都有一个同样的监控中心，只是权限

相对较小。而在每条线路一端的调度室，也同样配备了可看到本线路运营情况的监控系

统。如果出现终点站长时间车辆断挡，调度员只需轻点鼠标就能知道线路出现什么问题，

车辆都被堵在了哪里。

对于这次世博园区的安保工作，中国电信的“全球眼”监控系统是硬件技术环节的

第 6 章 科技奥运，科技世博

239

重要组成部分。无论是园区安保，还是调配疏导人员，抑或是监督工程进展，都可以通

过中国电信的“全球眼”来完成。

南京夫子庙大成殿广场日前竖起一根高达 16m 的白色杆子，该标杆的顶端将安装一

个可 360°调节角度、36 倍变焦、高清高速的“全球眼”球形探头。远在上海世博会江

苏馆参观的客人，通过这个“全球眼”，不仅能“游览”大成殿、贡院、东市、西市等南

京夫子庙的重要景点，还可以即时领略秦淮河的风采，实时观赏夫子庙大成殿广场、泮

池码头、二龙戏珠照壁、秦淮画舫等景点实况。

2010 年 4 月 2 日，南京电信安装人员在大成殿广场开挖沟槽，埋设宽带光缆；4 月

6 日，全球眼探头安装完成，现场调试顺利。

世博客人在江苏馆可拨打现场全球眼信息平台南京区专用号码，发送想观赏夫子庙

哪个景点实况的指令，指令通过电信宽带城域网传输到江苏全球眼信息平台；信息平台

按指令要求遥控大成殿广场全球眼探头，摄录现场景象，再回传给江苏馆，通过江苏馆

信息树南京屏播放。江苏馆还提供了可无线上网的 3G 手机，世博客人可手机连接全球

眼信息平台，视频观赏夫子庙美景。

江苏电信全球眼信息平台与江苏馆全球眼信息平台的远程信号对接完美，图像传输

清晰。

夫子庙大成殿广场的天下文枢牌坊轮廓灯也可通过全球眼信息平台与江苏馆信息树

亮化灯同步闪亮，实现实时互动。

为确保世博会开馆后实时互动不间断，电信方面在大成殿广场埋设了两条宽带光缆。

一旦正在传输信号的光缆出现故障，信号传输将快速切换到另一条光缆上。江苏馆和夫

子庙秦淮风光带景区的互动，每天从早上 10 点开放到晚上 10 点，夫子庙从早到晚人流

如织，非常适合扮演“互动角色”。

世博园是中国最大的物联网，世博园是对物联网的奇妙作用广泛而生动的展示。对

每一个参观者来说，进入世博园区，都是近距离地接触了物联网。在这个人流滚滚的大

课堂里，游客们身临其境地上了一堂物联网的科普教育课，这对于今后中国物联网的普

及和应用，其影响是无可估量的。

诚然，物联网作为一种新兴技术，作为因特网的一种物化，推广使用还有种种困难。

这不足为怪，就像手机等新兴事物被公众接受一样要有一个过程。不过，可以肯定地说，

随着后世博时代的到来，物联网改变我们的今天和明天的生活，将是指日可待的。

大话物联网

240

在上海世博园区的罗森便利店，一张看不见的大网正在试验着未来的生活。每一盒

在售的盒饭都被贴上一个薄薄的叫做 RFID 的电子标签，盒饭因此而具有了生命—它

会记录数据，有逻辑分析能力，能够和外界进行对话。

顾客拿起一盒贴过 RFID 标签的盒饭，把它放到店里的识别机器上，就可以很清楚

地看到这个盒饭的所有“出生信息”，包括快餐使用的所有原料的供应商，例如鸡软骨由

山东大宝养殖加工有限责任公司提供，西兰花由上海日冷食品有限公司提供„„令人不

放心的食品来源问题不再不可探究，如图 6-15 所示。

图 6-15 会说话的盒饭

便利店的收银员也不再需要将商品一一拿出对准条形码扫描，而可以一次扫描数十

盒盒饭，这大大缩短了顾客排队的时间。由此带来的配送、物流体系改革，大幅提升了

供货效率。一旦大量这种被“生命化”了的物体大规模地联成网络，便形成了所谓的“物

联网”。在这个网络中，人们可以做许多事情。

几年前，在上海的百联集团仓库里，所有的货物都被贴上了 RFID 标签。仓库保管

员可以轻易地通过感应识别设备知道整个仓库的库存状况：500 箱佳洁士牙膏，1 000 箱

可口可乐„„仓库的报关员也不用一次次地将货物搬来搬去，费力地清点。

采用这种方案大大降低了仓库的损耗：由 5‰降低到几乎为 0。原来耗时 8 小时的分

包、分装工作，也被压缩到了 2 小时。

我们做一个实验，浦东南路上的硬井盖被撬了起来。10 秒后，后台计算机系统跳出

了告警信息，清楚显示发生状况的井盖位于浦东南路 5 015 号。当井盖被盗走时，计算

第 6 章 科技奥运，科技世博

241

机上能够同步显示它的行走轨迹。井盖变得如此聪明，是因为它身上装了一个名叫水平

传感器的东西。如果发生盗窃，它会倾斜。倾斜之后，传感器就会报警，然后通过 CDMA

的天翼网络，传到中国电信的平台上去。

电信井盖防盗防偷技术是保障通信安全、提高管理效率、实现精确管理的重要手段。

上海电信于世博会期间在世博场馆周边投入了 100 个安装监测器的井盖，井盖自动报警系

统利用现有的 GPS 定位＋CDMA 网络，可在井盖位置变化时无线报警。利用物联网技术进

行防盗防偷、控制和管理，当有异常事件发生时，在 1 分钟内就可知晓，如图 6-16 所示。

图 6-16 中国电信施工人员在世博园区周边道路上调测电缆窖井盖自动报警系统

会说话的井盖是上海电信在城市管理方面做的一次尝试。世博园周边的 100 个井盖

都已经联入网。一旦被盗，管理者就会及时采取措施，避免坠井事故的发生。

世博园区可谓“城中城”。2010 上海世博会期间，242 个国家和地区入驻世博园，园

区规划用地 5.28km2，周界长度为 45km，总长相当于绕一个 400m 长的足球场跑道 112.5

圈，防区数量达 900 个之多。如此大面积、大规模的一个周界防护项目，足以体现出电

子围栏的适用性、可靠性。

2010 年上海世博会是我国继奥运之后承办的又一项国际性重大活动，是一次国际性

盛会，有 200 多个国家和地区参展，历时 184 天，如果加上前面的试运转时间还要长一

些。上海世博会无论从国家和地区入驻数量、园区大小、参观者数量方面，还是从资金

投入方面，均为历届之最，同时也是我国继 2008 年奥运会成功举办之后，所面临的最大

安保工程；园区面积大，人员流动系性强，配套工程多，反恐情况复杂等，是这次世博

大话物联网

242

会安保工作的难点。

世博会项目有其特点，首先，世博会占地面积大，周界长，需防范的场所多；其次，

安全要求高，世博会安保不仅要满足一般性治安要求，还要达到反恐标准；再次，世博

会运营时间长，运营时间为半年，人流量大。保证世博会施工期间和展览期间的园区及

配套工程的周界安全，对世博会的成功举办至关重要。因此，世博会防范强度大，对电

子围栏提出很高要求：第一，要有较高的防范等级；第二，能满足电子围栏系统智能化

统一的管理要求；第三，对于服务响应时间和频繁性有较高要求。

电子围栏最早起源于欧洲的流动牧场，牧人为了放牧的需要，拉一根导线，通上直

流电，就形成了简单的电子围栏，使牲畜在一定范围内活动。战后的欧洲，牧业在农业

中的比重是很高的，大量的牧业市场需求促进了电子围栏的开发和推广。牛羊等遇到电

子围栏的电击阻挡而退回，很好地起到“牧羊人”的作用；同时也防止圈外的大型动物

或猛兽跑进来，对当时的牧业发展起到了较大的促进，目前在一些畜牧业比较发达的国

家仍然在发挥着较大的作用。

世博园围栏区的物理环境多样，有道路、广场、河道等，周边埋设多种传感器，探

测不同形式的侵入和破坏。感知手段“五花八门”，包括振动、红外、微波及倾角变化等，

对翻越围界、闯入敏感区域甚至低空抛物等都能作出反应，实现了全天候、全时段警戒。

同时，联网的传感器信号能引导摄像头等进行视频跟踪，后端分析软件还能从画面中自

动勾画出嫌疑目标，并以灯光、声音、图文等方式向外报警。

世博会在 5 月到 10 月底举办，酷暑、暴雨、台风等恶劣天气都有可能出现，这会给

电子围栏的监控带来不少干扰。由于周边环境复杂，围栏每隔几米就要设置一个单元进

行探测，数据繁多，系统运行压力大。

在上海世博园内，从地面的围栏到地下埋藏的装置，都应用了无线数字传感技术。

上海微系统与信息技术研究所研发的“电子围栏”守护着整个世博园区，为保障世博会

安全、平稳运行提供立体式的探测，如图 6-17 所示。无线数字传感技术的应用把多种入

侵技术相融合，智能区分有意和无意的侵入，并在一定程度上实行预警、跟踪等功能，

有效防止破坏围栏进入世博会区域的状况。

尽管“电子围栏”此前已在浦东国际机场“上岗”，但无线传感网应用于世博会，还

是世博历史上的第一次。无线传感网好似人类远程布设的神经末梢网络，由各种类型的

传感器节点构成，每个传感器各司其职，既能获取声、光、电、磁等数据，又具有信息

处理和传输能力；多个节点之间还能相互“通风报信”，协同工作。这张网成为了世博园

区连接现实物理世界和虚拟信息空间的桥梁，它“无线”、“隐形”、“智能化”、“无人值

守”，形象地阐释了著名的美国橡树岭实验室的断言—IT 时代正从“计算机即网络”

向“传感器即网络”转变。

第 6 章 科技奥运，科技世博

243

图 6-17 世博园内的“电子围栏”

早在 10 年前，微系统所便开始启动研究，至今一直保持着与世界同步的发展势头。

貌不惊人的“电子围栏”为世博园区架起了一张隐形保护网，红外、震动等各种传感器

时刻感知并辨别着各种入侵—是大风吹落的树叶，还是游客的无意碰触，或是恶意闯

入，它能一一区分；微型雷达侦探低空抛物的入侵；另一些传感器埋在地下，随时监听

着挖掘的声音，防止地下入侵„„

电子围栏“走进”了世博园，说明电子围栏在保障安全方面能起到实实在在的作用，

它的周界安防效能得到了广泛的认可。

当您在冰箱里放入一瓶红酒，您相信冰箱会自动显示红酒的产地、年份等信息吗？

或者，当您家冰箱里食物存量不足，您相信冰箱会自动提示，并向超市发送订单吗？当

您用手机拍摄下生活的美好瞬间，即可远距离传输到冰箱上并清晰地显示出来吗？这并

不是描写未来生活的科幻大片，这是海尔“物联网冰箱”为我们构建的未来生活图景，

如图 6-18 所示。

这款物联网冰箱可以进行食品管理，通过点击屏幕上的食品管理，可以出现冰箱里

面储存了什么物品；然后点击一下，还可以出现它的营养成分以及保质期。例如，现在

我们把蛋糕拿出，过几秒它就会在界面上消失。

其实，玄机在于食品包装上的条形码，这和我们平时在超市看到的不太一样，里面

除了价格、保质期等信息外，冰箱能够感应到我们取出蛋糕，也是靠这个条形码实现的。

与超市用的收银台扫描器是一样的原理，将食品放进去或者拿出来，它都会有感应。

大话物联网

244

图 6-18 海尔“物联网冰箱”

通过感应，一旦冰箱里某款食品吃完了，它还会自动显示或者通过网络发送到您的

手机，提示您该购买了。例如，您从海尔“物联网冰箱”里取出仅剩的一瓶可口可乐，

这时“冰箱”会提醒主人，需要及时补充新的可乐。海尔“物联网冰箱”的显示屏上随

即出现了超市新到可乐的销售信息，以及新可乐的产地、生产时间、保质期和营养成分

等相关信息。

要是家里有台这么聪明的冰箱，买东西还用跑超市吗？我们可以通过网络购买，比

如说要买一款蛋糕，现在就可以点击，选择超市购买食品，界面上会出现食品的信息和

价格。我们点击了购买之后，订单就发送了。它与超市是直接相连的，一般可由供货商

来提供这条网络，超市收到订单之后会配送上门，足不出户完成购物。

同时，您可以向邮箱里发送一张照片，1s 后，海尔“物联网冰箱”的屏幕上就显示

出了刚收到的照片。这意味着无论身处何地，只要拥有海尔“物联网冰箱”，就能与家里

保持图片、视频等不同方式的密切沟通。

这台超级智慧的物联网冰箱，融合了红外感应、全球定位、激光扫描等信息传感技

术。通过物联网，不仅冰箱可以和食品对话，洗衣机也可以与衣服对话，智能识别衣服

第 6 章 科技奥运，科技世博

245

的质地和洁净度。让任何物品通过网络与人类智能对话。

与目前市场上的普通冰箱相比，海尔“物联网冰箱”是世界冰箱史上一款里程碑式

的革命性产品。它不仅可以储存食物，而且可以通过网络连接实现冰箱与冰箱里的食品

进行对话的功能。首先，它知晓储存其中的食物的保质期、特征、产地等信息，并会及

时将信息反馈给消费者，让消费者对冰箱里的食品做出必要的反应。其次，海尔“物联

网冰箱”还能与超市相连，让消费者足不出户就知道超市货架上的商品信息。最后，它

还能够根据主人放入及取出冰箱内食物的习惯，制定合理的膳食方案，给消费者提供健

康、营养的生活方案，并因此给消费者的生活带来全新的享受与体验。

此外，海尔“物联网冰箱”还是一个独立的娱乐中心。据海尔“物联网冰箱”的欧

洲设计师弗朗西斯科介绍，这款冰箱还带有网络可视电话、资讯浏览、视频播放等多项

生活与娱乐功能，让原本属于生活电器的冰箱成为一个娱乐中心。

Chapter 7

第7 章

246

未来商店与美军全资产可视化系统

物联网技术的出现使得包括电子信息产业在内的国民经济各行业在生产过程管

理、物流管理、物流运输和分销零售等多个领域的效率大大提高。物联网融合了条形码、

RFID、GPS 和传感器等技术，有望成为未来物流管理领域的主流技术。物联网的普及和

应用将为零售和物流等产业带来革命性变化。本章将介绍物联网技术在物流领域的两个

应用案例：麦德龙的未来商店和美军全资产可视化系统。

7.1

麦德龙的未来商店

世界大型零售企业历来十分重视采用先进技术，以扩大销售，提高效率和增加利润。

现代技术应用于商业和零售业，将大大提升企业的竞争力。创新技术能够提高仓储运输

和物流管理的效率。同时，企业将能够为其顾客提供量身定做的服务。作为高新技术的

推动力量，麦德龙集团未来商店项目旨在引领零售业技术变革的潮流。

顾客期望每次去超市都能发现和体验一些新生事物或高新技术，而超市也希望能够

通过各种途径为顾客定制产品和服务。麦德龙未来商店项目启动的初衷就是更好地满足

用户的需求。在零售商、产品制造商、服务商和 IT 厂商等强大合作伙伴的配合下，麦德

龙在全球唯一的未来商店内测试与零售业相关的高新技术，这些技术的应用能够使得购

物更加方便、快捷和舒适。RFID 等高新技术的应用也使得零售业的运作更加高效，因

为它使得制造商与零售商的联系更加紧密。麦德龙集团的未来超市项目为各方合作提供

了共同的平台，未来零售业的革命已经开始。

麦德龙未来商店坐落在德国杜伊斯堡市的郊区，是一家面积达 4 000m2、经营商品

近 4 万种，可停放汽车 300 辆，有 120 多名员工的大型超级市场。

第 7 章 未来商店与美军全资产可视化系统

247

个人消费助理可以提供方便快捷的个性化服务，它是放置在手推车上的界面友好的

计算机。从外观看，个人消费助理很像一台计算机显示屏（实际上 PSA 内置有计算机），

长 40cm，宽 25cm，如图 7-1 所示。它包含一个感压（Pressure-sensitive）触摸屏和键盘，

侧面安装有读写器。未来商店中的 PSA 要求会员购物者使用消费卡才能使用。在进入商

店之前，顾客将 PSA 固定在手推车上，并通过个人消费卡向 PSA 证明身份。使用时，

首先扫入消费卡编码，显示屏上将出现基于消费者本人在过去 8 周内的消费记录和消费

习惯而提出的购物单，特供商品位于显示屏的右侧。这些商品列表会随着 PSA 在未来商

店的位置不同而发生变化。

图 7-1 个人消费助理工作界面

显示屏能够为消费者提供商品导购图，如果顾客准备寻找某种特定商品，只需在

PSA 中输入相应的商品名称，PSA 将给出该商品的具体位置，并实时引导路径。消费者

选好商品后，可通过嵌入式读写器读取相关商品信息和数据（若想取消已经购买的商品，

也可按下取消键来删除购买信息），PSA 能根据购物信息（品种、数量、单价等）显示

商品价格和全部购物金额，并存入 PSA 中。另外，PSA 能够为顾客提供热卖和打折信息，

并随时更新所购商品的价格总和。

PSA 显示的信息包括：商店导购信息，通过检索商品，将顾客带到商品所在的位置；

会员信息，记录上次的购物和积分信息等；商品信息，包括特卖商品信息、使用各种食

品配料进行烹饪的方法以及各种酒类信息等。顾客可以一边在 PSA 上查看这些信息，

一边购物。

大话物联网

248

顾客使用 PSA 进行结算时，其效率比常规付款流程高得多，因而使用 PSA 进行支

付时方便而舒适。由于所有手推车中的商品已经扫描过，顾客不需要将这些商品放到清

算处的传送带上，而只需在 PSA 界面上点击“支付”键，数据会自动地传输到清算台，

等待时间大大缩短。结算处正常打印收据，收据打印后，顾客即可付款或刷卡，如图 7-2

所示。

在未来商店中，用户可以通过 PSA 来获取电子消费单。顾客可以在家中或单位的个

人计算机上列出电子消费单，并通过因特网发送给未来商店。一旦顾客发送了消费单，

进入未来商店后，他只需在 PSA 上调出购物单进行购买。

未来的消费卡将成为个人消费助理（PSA）的钥匙，并与个性化消费卡同时使用。

消费卡能够用于满足顾客的各种需要，如图 7-3 所示。消费卡由未来商店分发给每个经

常在商店内消费的顾客，作为激活 PSA 的一把钥匙。使用消费卡的顾客可参与未来商店

发起的返券或打折等活动。消费卡具有磁带和条形码，顾客只需将卡靠近 PSA 读写器进

行识别即可。在不久的将来，未来商店也可能会为无消费卡用户提供 PSA。在未来商店

入口处，工作人员可以为每位顾客分发一张消费卡，顾客可以在特殊的信息终端查询其

购物积分。

图 7-2 使用个人消费助理进行支付 图 7-3 未来的消费卡

在未来商店，电子广告显示屏位于相应商品旁，用以提供可靠的、最新的商品信息

和特供消息，如图 7-4 所示。它可以为顾客的消费引路，为顾客提供热卖和打折信息，

并通过录像或动画的形式提供详细的商品信息。

第 7 章 未来商店与美军全资产可视化系统

249

图 7-4 电子广告显示屏

电子广告显示屏不需要专用设备，可以手写变

动。除了常规的广告外，未来商店还安装有播放录像

的电子广告显示屏，如图 7-5 所示。这些等离子显示

屏用于提示杂货店、洗涤剂或快餐部门的促销信息或

商品信息。这些由中央服务器控制的电子广告显示屏

可以从数据库中调出录像。此外，还有安装在天花板

上的电子广告面板，用于为顾客提供附近商品的信息。

另外，电子广告显示屏可以设在特价商品促销区，用

于显示各种商品信息。在很短的时间内，工作人员可

以使用个人数字助理来更换频道。

未来商店在 DVD、光盘（CD，Compact Disk）、

录像带等音像制品上黏贴 RFID 标签，但是这种情况

不能进行智能库存管理，只能用于向顾客介绍商品外

形，提供视听服务和促销信息。设定电子广告显示屏

时，需要用消费卡登录，并可以在有年龄限制的销售

商品中附加避免让青少年看的措施。

未来商店在肉类、葡萄酒、婴儿用品、蔬菜水果、染发护发用品和音像制品等售货

部还设有不同的信息终端，它可以显示各类商品的信息，有的信息还相当详尽，比如产

地、生产方式、有无添加剂、价格、代用品以及菜肴的烹饪方法和葡萄酒的调配方法。

音像制品部的信息终端能供购买 CD 和 DVD 的消费者试听试看。

信息终端提供未来商店内商品的各种信息，包括关于商品特征、营养价值和零售价

图 7-5 播放录像的电子广告显示屏

大话物联网

250

格的信息以及最新的家居提示和技巧，如菜谱、酒水推荐、饮食建议和头发染色等。信

息终端允许顾客通过声频光盘查询详细信息；与投影设备相连，能够引导顾客到达存放

目标商品的货架，如图 7-6 所示。

信息终端是顾客的电子消费助手，通常被配置在未来商店的肉类、酒类、蛋类、水

果、蔬菜、化妆品、幼儿护理、头发染色、女性保健和音像制品专柜旁。信息终端提供

未来商店内的商品的各种信息，顾客在这里能够调出商店的平面图并找出商品的确切位

置，特定的信息终端还能够让顾客享受 CD 音乐以及观看家用录像系统（VHS，Video

Home System）/DVD 视频剪辑。此外，信息终端能够提供具体的商品特征和营养价值。

例如，顾客在信息终端工作界面上输入肉类或酒类商品的编码（或通过读写器读入），信

息终端可以实时提供此类商品的最新信息，并可以方便地打印。这种服务还可以加入季

节性（如圣诞节或复活节）信息，顾客能够从涵盖所购买商品的主题中获得灵感。而且

业余厨师能够充分利用烹调大典和视频片段来了解如何准备芦笋或解剖鸭子。信息终端

“蛋类质量”会提供关于蛋的来源、品质和保存时间等信息。使用未来商店的信息终端，

顾客可以知道肉类和水果蔬菜类的详细供应链信息，从饲养、成长到上架。同时，信息

终端能够为素食主义者提供营养信息，在信息终端的显示屏上，可以显示料理方法及原

料配方，以及诸如葡萄酒的产地等各种各样的商品信息，并能提供打印与检索功能。

信息终端通过与安装在天花板上的投影设备连接，能够以图像或动画的形式在平面

（如地面）上投影出该类商品的相关信息，如图 7-7 所示。当顾客使用信息终端选择某种

酒时，投影设备将提供该种产品的详细信息（如名称、产地和价格），投影内容通常位于

酒类摆放位置的前面，并出现在货架前面的地板上。另外，投影设备也可以为顾客提供

理想的商品信息、热卖信息和打折信息。

图 7-6 信息终端 图 7-7 投影设备

第 7 章 未来商店与美军全资产可视化系统

251

未来商店的货架安装有统一控制的电子货架标签（ESL，Electronic Shelf Label）。价

格的变动能够自动地以无线通信的形式发送到显示屏上，如图 7-8 所示。

图 7-8 电子货架标签

电子货架标签具有如下特点：电子货架标签是可靠的；不存在价格差异和标签错误；

价格能够方便快捷地进行实时更新。

在未来商店里，货架上的商品价格是通过电子货架标签显示的。电子货架标签直接

从商品管理系统获取必要的价格信息。当价格变动时，计算机无线通信系统自动地实时

更新电子货架标签和结算终端，以保证电子货架标签上的价格信息是连续的、最新的。

用于电子货架标签的逻辑控制（LC，Logic Control）显示屏除了可以显示商品价格

和 EAN 代码，还可用于显示其他商品信息。这些显示屏能够为顾客提供促销和打折信

息，即使短期限时的打折信息也能够方便地提供。ESL 也可以将重要的信息发送给商店

员工，如货架堆积的高度、次序和货架数量。

未来商店中的电子货架标签系统安装了 4 种不同尺寸的简单易读的数字 LC 显示屏。

该显示屏使用高能电池，装有小型的无线接收装置和微型天线。高能电池能够持续供电

至少 5 年。无线局域网用于发送价格信息到货架，电子货架标签使用通信基站（CBS，

Communication Base Station），以独立的无线网络方式进行通信。通信基站一般安装在商

店的天花板上，同时，未来商店通过安装收发装置来保证与 ESL 的通信。

智能称重仪不仅可以像一般的电子秤那样用于称量计价，而且能够根据果蔬的表皮

大话物联网

252

特征、外观形状、大小颜色等识别和确定果蔬的种类，并按该商品对应的信息来计量、

计价和打印标签，如图 7-9 所示。按重量销售的蔬菜和水果等商品，主要是通过使用 CCD

摄像机来进行自动识别的，并由称重仪进行称重后打印结账用的标签。此技术由 IBM 公

司开发，在世界范围内尚属首次使用。

智能称重仪易于操作。将商品放置在智能称重仪上，并将打印出来的标签黏贴到所

购商品上即可。智能称重仪能够自动地辨别不同的水果蔬菜，并进行快速称重，顾客无

需在价目表中记录或查找相应商品的数量和价格。由于安装了照相机和特定的软件，称

重仪可以自动根据表面纹理、颜色、尺寸和热成像来识别每件商品。最后，称重仪将会

根据购买重量和保存在存储器中的商品单价来计算出总价。带有黏贴功能的价格标签通

过嵌入式打印机打印出来，内容包括商品描述、重量、总价格和条形码，标签信息发生

错误的概率大大降低，如图 7-10 所示。

图 7-9 智能称重仪 图 7-10 智能称重仪的嵌入式打印机

只有当称重仪无法识别商品时，顾客才需要从智能称重仪显示屏提供的有限商品项

中进行选择。举例来说，如果商店正在销售种类繁多的西红柿，如牛排西红柿、洋李西

红柿、蔓生西红柿，顾客需要核对称重仪是否正确识别了商品种类，并通过按键予以确

认。智能称重仪通过商店的无线网络与 POS 机相连，以保证称重仪对每件商品的标价都

是正确的。

个人数字助理（PDA）是员工的智能助手，通过使用无线个人数字助理，商店员

第 7 章 未来商店与美军全资产可视化系统

253

工能够更加灵活高效地通信，如图 7-11 所示。PDA 允许员工在商店的任何角落访问

麦德龙集团的商品管理系统，在任何时间、

任何地点调出每种商品的库存情况，因而

员工不再需要为了防止商品过期而检查每

个货架。

未来商店的每个员工都使用最新的便携

式计算机—个人数字助理（PDA）。使用

PDA，员工可以在任何时间和商店的任何角落

访问中央商品管理系统（MMS，Merchandise

Management System）来查询目前库存状况。

通过无线网络，他们可以从麦德龙集团的

MMS 中得到相关信息。另外，员工能够使用 PDA 来发送和接收电子邮件，管理联系细节

和日程表。

PDA 实体的功能在不断增强，在不久的将来，PDA 可以作为智能电话来协助员工

来发现摆放位置不合要求的商品。使用安装 RFID 读写功能的 PDA，员工在商店过道内

通过时，能够得到 PDA 提供的实时商品清单。当员工在 PDA 上得知某个货架卖空的消息，

他能够使用 PDA 来生成一个订单，以补充商品。PDA 将赋予部门经理直接访问重要管

理信息的权限。

在未来商店中，某些商品已经黏贴有电子标签，它们通常被放置在智能货架上。这

些货架的底座上安装有 RFID 读写器，这些读写器与中央商品管理系统相连，当商品下

架或补充后，嵌入式 RFID 读写器能够记录这些活动并将信息传输给商品管理系统，通

知系统货架已经更新。同时，货架能够自动地记录丢失或放错位置的商品，从而有效地

避免了货架空闲的情况。智能货架能够提高质量控制，自动地记录新产品的有效期，并能

通知店员注意这些信息。此外，使用移动 RFID 读写器，员工只需走过货架或托盘，就

能够检查仓库或货架上某件商品的库存情况。商店产品的供应因而变得高效，以至于顾

客会发现他们所需要的商品经常会出现在货架上。

安装在货架上的 RFID 读写器能够识别商品的电子标签，并能够自动地记录下架商

品和放错位置的商品。必要时，智能货架可以使用 RFID 技术来通知员工补充商品，从

而使得货架空闲成为过去，如图 7-12 所示。中央部位的黑箱及货架上装置的天线设备，

可以读取在商品包装内侧安装的 RFID 标签，以便实时监视库存状况。

商品缺货率是卖场最大的经营指标，通过该项指标能够判别货架上的商品是否符合

图 7-11 个人数字助理

大话物联网

254

顾客的需求。同时，顾客将商品拿到手中再放回货架的时间等数据，在超市的营销分析

中也能够通过 RFID 技术获取并利用。

图 7-12 智能货架

不久的将来，系统能够分析货架需要更新的精确次数。当库存量低于某个关键点

时，货架将发出报警信息。“早期预警代理”通过识别智能芯片来监视货架存货量，并

在最后一件商品下架前要求员工及时补充该商品。智能货架能够草拟补充商品的优先级

列表，主要基于库房的可用性、商品价格、订单的紧急程度或商品脱销时间的长短。消

费者将不会由于无法找到需要的商品或商品价格标签不正确而感到失望。使用便携式

RFID 读写器，未来可以通过按键实时地生成商品清单。

商店管理者工作台是一种理想的实时集成和因特网解决方案。在未来商店，重

要的信息通常是实时可用的。采用“商店管理者工作台”这种特殊软件工具，商店

的管理粒度能够直接达到单件商品级。商店管理者工作台使得卖场的流程更加透明

化和可控制，如图 7-13 所示。从中央配送中心传送来的出货数量状况与物流信息也

能在画面上一并管理。可以预见，RFID 技术在未来商品保鲜度的管理方面会得到

充分利用。

由于采用了商店管理者工作台软件，未来商店的经营者随时可以了解整个商店

的销售和库存情况。依据当前的销售状况，该软件在任何时候都能够对经营状况进

行评估。如果货架上没有足够的商品，该软件会给出补充商品建议。商店经营者能

够指示员工去检查该货架的存货情况，并在必要时及时予以补充。无线局域网和移

第 7 章 未来商店与美军全资产可视化系统

255

动终端的使用保证了商店内各种设备与结算系统的联网通信，确保了商店管理者与

员工的实时沟通与联系。在不久的将来，商店管理者能够依据客流量使用软件打开

或关闭结算机。

图 7-13 商店管理者工作台

商店经营者能够通过个人数字助理、PC 或其他任何信息终端调用这些信息。通

过使用实时数据，工作台能够帮助管理者确保商店的平稳运转和提供高质量的顾客

服务。

麦德龙集团在未来商店的整个供应链和商品管理中广泛使用 RFID 技术，商店的许

多地方也都使用了 RFID 技术。麦德龙集团是商业界和零售业第一个在出口处设置去活

化设备的公司，使用该设备，顾客可以使商品上的智能芯片永久失效。

在收银台付款以后，如果将黏贴有电子标签的商品原封不动带回家往往涉及个人

隐私的问题。为保护个人隐私，麦德龙集团特别设置了可以使 RFID 标签失效的去活化

装置。

那些希望在离开商店之前使智能芯片上的信息不可读的顾客可以使用去活化设备。

它就安装在出口区域的信息席位上，工作过程如下：顾客将购买的商品放在装有集成

RFID 读写设备的指定区域，读写器将会自动地读取智能芯片上的信息，相应的代码也

会出现在显示屏上。通过按下某个键，顾客可以确认他将使该智能芯片永久失效。依据

智能芯片的不同，芯片上的代码可以被删除或归零，如图 7-14 所示。

大话物联网

256

图 7-14 去活化设备

7.2

美军全资产可视化系统

现代战争是典型的高消耗战争，军事物资器材的消耗量空前加大，军事物资器材的保障

难度与保障强度显著提高，其重要性越来越突出。美军在近年来的几次大规模战争中，各种

保障物资器材数量惊人。一个士兵作战日平均的物资消耗量随时间变化的情况如图 7-15 所示。

图 7-15 一个士兵作战日平均的物资消耗量

第 7 章 未来商店与美军全资产可视化系统

257

第一次世界大战时一个士兵作战日平均的物资消耗量为 6kg，第二次世界大战时为

20kg；20 世纪 50 年代朝鲜战争期间，美军人均消耗量为 29kg；到 60 年代越南战争期间

达到 117kg；70 年代的第 4 次中东战争，以色列士兵人均日消耗作战物资 250kg；海湾

战争时，美军装甲师人均日消耗物资 500kg。作战物资和装备消耗量不断增长的这一趋

势，在短期内不会发生逆转，战场物资流不会减压。

美军之所以能够在海外大量驻军，并能在短时间内进行战略部署，很大程度上就是

依赖其功能完备、运转高效、全球领先的全资产可视化系统。它使美军的物资和装备补

给时间大大缩短，精度大大提高。

早在第二次世界大战期间，美军为了有效提高战时的后勤保障能力，其后勤保

障系统便尝试运用各种先进的管理方法，将军用装备的生产、筹措、储存、运输、

分发等活动作为一个整体进行统筹安排、全面管理，并取得了满意效果，这就是

现代后勤保障系统的萌芽。二战结束以后，美军后勤保障系统的基础是装备的大量

库存，其中许多装备都是为以防万一而提前准备的，称为基于储备的军事后勤保障

系统。

基于储备的军事后勤保障系统可分为两个部分，一个是大规模的后勤保障系统，另

一个是零星的后勤保障系统。大规模的后勤保障系统存储的装备主要维持作战和平时需

求，为全球各个地区的美军提供装备供应。这些装备的储备数量是在历史数据的基础上，

通过预测产生的，且满足一个基本的安全数量，即安全库存控制点。零星装备的供应系

统则针对不同的需求制定不同的库存标准，这个标准主要根据需求的历史数据以及需求

者的具体要求来确定。

由于受到技术条件的限制，基于储备的军事后勤保障系统很难精确预测和判断作战

需求，因而不可能做到在“需要的时间、需要的地点，向作战部队提供其确实需要的保

障”。基于储备的军事后勤保障系统更加强调的是“充分”，而无法做到“精确”，其结果

就是在满足部队需求的同时造成了后勤效率低下和资源浪费严重。

在海湾战争中，美军的装备信息极不完整，且没有良好的跟踪能力和全资产可视化

能力。装备在需求不明的情况下进入供应通道，而且得不到真正的跟踪。当物资到达目

的地时，后勤人员不得不处理遗留下的大量问题。

由于无法“看”到流经装备供应渠道的资产，这使得后勤保障的灵活性、机动性

大大降低。美国国防部给前线陆军运送了 4 万多个集装箱，港口、机场、车站和调度

场都堆满了等待处理及配送的货物，如图 7-16 所示。士兵和装备负责人要在数以万计

的集装箱中找到重要设备和补给品。最后，由于标识不清，其中的 2.5 万多个集装箱被

大话物联网

258

迫打开封装，并再次投入运输系统。当战争结束后，还有 8 000 多个打开的集装箱未能

加以利用。

图 7-16 海湾战争时的美军港口

后来证实，从美国本土运至前线的装备数量远远超过所需装备数量。战争结束

时，仍有 101 艘舰船停留在公海上。据估计，如果当时采用全资产可视化系统来追

踪装备的去向，并获得集装箱的内容清单，将可能为国防部节省大约 27 亿美元的

支出。

海湾战争给了美国国防部一个沉重的打击。战后，美国军方一直在考虑如何才能省

下这几十亿美金，于是美国国防部开始测试新的追踪技术，以掌握后勤保障装备的动向。

1991 年海湾战争后，美军为解决物资在请领、运输、分发等环节中存在的严重现实问题，

给作战部队提供快速、准确的后勤保障，美国国防部于 1992 年 4 月正式提出了全资产可

视化计划。美军通过对传统保障模式的深刻反省，借鉴沃尔玛等现代物流公司的高效经

营模式，将“即时后勤补给”的理念应用于军事后勤变革中，取代了此前的“以防万一”

式的后勤补给战略。

1994 年起，美国国防部持续采用赛维公司的一系列关键技术，构建了美军全资产可

视化系统，如图 7-17 所示。该系统在军事后勤保障上产生了极大的效用，并帮助美军完

成了以下任务：透过自动化增加生产力并限制人工干涉，避免人为错误；达成供应链的

完全可视化；消除超额库存（多余补给品的申请）；获得快速的后勤保障管理，取得实时

的供应链动态数据；加速后勤保障装备由工厂到散兵坑的运送，并改善对运送的掌握；

减少多余的数据录入，并且提高数据的正确性。

第 7 章 未来商店与美军全资产可视化系统

259

图 7-17 配置在作战地域的美军全资产可视化系统

全资产可视化系统是一个由若干后勤自动化信息系统构成的信息网络，本质上是一

个集成的数据环境。具体地说，就是一个能够进入官方数据源系统，包含各类资产数据

的相关数据库。该系统收集所需的后勤资产数据，在分析、处理之后，以一种有用的形

式将其提交给用户。这样，各级后勤部门就可以清晰地“看见”后勤管道中的各类资产，

得到授权的用户可通过网络进行装备查询、请领、调拨等，从而极大地缩短装备请领时

间，减少重复请领现象，使后勤保障效率得到提高。更为重要的是，后勤资产的“透明”

还对以大量储备为特征的传统思维方式产生强烈的冲击。由于对资产“心中有数”，作战

部队和后勤机构增加了相互间的信任，不再一味追求装备的规模和数量，而是共同谋求

装备输送、补给的速度和精度，“以防万一”变成了“刚好适用”，“大量储备”变成了“精

确保障”。

2003 年，美军在伊拉克战争中利用了 RFID 技术建置的全资产可视化系统，使美

军的装备补给能力变得前所未有的强大。美军可以轻松掌握所有装备补给的即时信

息，实现了即时管理，减少了人工失误，为美军省下几十亿美元。依靠全资产可视化

系统，实现了由“储备式后勤”到“配送式后勤”的转变；与海湾战争相比，海运量

减少了 87%，空运量减少了 88.6%，战略支援装备动员量减少了 89%，战役装备储备

减少了 75%。

全资产可视化系统使得国防部可从计算机上实时查询全球范围内的物资信息，对应

紧急补给品的请求和运送，从美国到本土任何一个战场部队，时间一般不超过 48 小时。

通过该系统，实现了物资器材的实时可视、精确输送和精确运用。

大话物联网

260

美军的全资产可视化系统主要由三个系统组成，即在储资产可视化系统、在处理资

产可视化系统和在运资产可视化系统。

在储资产可视化系统包含批发级在储资产可视化系统和零售级在储资产可视化系统。

批发级在储资产可视化系统主要提供大宗库存装备的各类储备信息，如储备量、储

备种类、入库时间、请领量等。目前在用系统主要有：物资器材管理系统，主要用于各

级装备库存控制站；后勤资产支持评估系统，主要提供标准军事请领与核准程序及国防

后勤局资产状况查询；陆军全资产可视化系统，主要提供美陆军总部和国防后勤局资产

的可视化；需求查询系统，主要提供国防装备再利用和销售处资产的可视化；后勤信息

网，主要提供各类综合信息。

零售级在储资产可视化系统可分为实有库存资产和请领资产两部分，主要作用是通

过零售级的横向调配来满足请领、预测、采购和修理需求。目前，在用的零售级系统主

要有：物资器材管理系统，该系统除能够提供批发级资产的可视化外，也能提供零售级

资产的可视化；陆军全资产可视化系统，可提供陆军师级补给机构的资产信息；国防资

产再分配计划系统，主要用于审查和重新分配国防部剩余资产；舰队库存管理与分析上

报系统，主要提供舰载资产的可视化；可执行任务资产来源系统，与空军标准基地补给

系统配合使用，可满足急需装备需求；海军全资产可视化系统，可提供海军库存装备可

视化及横向调配能力；标准自动化装备管理系统，与陆军全资产可视化系统配合使用，

可提供国防后勤局管理的陆军零售级资产的可视化。

在处理资产可视化系统包括在修资产和采购资产两个子系统。

在修资产可视化系统主要有：装备库存控制站自动化系统；高级跟踪与控制系统，

可提供装备从损坏、修理、修复到返建的全程可视化；空军高级跟踪与控制系统，主要

用于分析非完好资产、完好资产和消耗性资产的补给、运输、维修数据；民用资产可视

化系统，可提供承包商修理设施中在修资产的可视化；后方维修系统，用于后方维修日

程安排和特种支援，如危险物资器材、设施和设备管理等；综合持续维修系统，主要用

于对陆军持续维修工作实施集中管理和工作安排；可变环境中的分发与修理系统，是空

军所属系统，用于确定后方修理程序和分发的优先顺序，可提高基地飞机可用性指标达

标率。

第 7 章 未来商店与美军全资产可视化系统

261

采购资产可视化系统主要有：标准采购系统，可提供采购过程中的资产可视化；“标

准自动化装备管理系统”电信子系统，是国防后勤局在其标准自动化装备管理系统中开

发的一个跟踪采购资产状态的子系统，使用装备的国家库存编号进行查询；“增强型供应

商交货后勤管理者”系统，由国防后勤局开发，可提供采购装备运输中的可视化和控制，

是国防部全资产可视化的组成部分，其信息可上传全球运输网。

在运资产可视化系统包括与装备运输有关的系统和与部队人员投送有关的系统。

与装备运输有关的系统主要有“终端站管理系统”、水（陆）上运输“全球港口系

统”、空中运输的“综合航空港系统 II”、“运输协调员自动化系统 II”、用于跟踪部队运

输的“陆军标准指挥与控制系统”以及用于战区间装备、集装箱运输预测和跟踪的“增

强型陆军部队运输管理系统”。这些系统与全球运输网相联结，可实时发布装卸港口、战

区装备配送站的各种运输数据。使用政府和民间货运力量的装备运输数据由“运输协调

员自动化系统 II”传送给“美国本土货运管理系统”，由该系统对相关数据进行更新。

与部队人员投送有关的系统主要有：标准自动化输入媒介装置，在投送起点使用，

主要用来自动获取人员信息；综合航空港系统 II，使用者为空中机动司令部，主要作用

是提供运输清单以及人员到港和离港信息；运输协调员运输自动化系统，部署在全球各

地的军事设施，可将人员清单等运输信息传送给全球运输网；全球港口系统、乘客预定

与清单编制系统，可自动跟踪人员从装载港到卸载港期间的全部运输情况，每 2 小时向

全球运输网更新一次数据。

在运资产可视化系统的作用，一是利用货运识别号、运输控制号、单位编号、单位

代码等全程追踪和监控装备输送和人员投送情况，实时获取运输起点、终点、途中位置

的各类信息，如装备与人员类别、起运与到达时间、承运人、收货人等；二是与全球作

战指挥系统和全球战斗支援保障系统连接，为各级指挥员决策提供支持；三是跟踪请领

装备输送情况，并根据战场形势、部队配属情况及时调整和变更运输目的地。为此，美

军规范了源数据格式，制定并实施了电子数据交换标准，以确保各类信息的精确性和及

时性。各种电子识别技术，如二维条形码、电子标签、光储卡、智能卡、读写仪等都得

到了广泛应用，后勤人员可方便地将运输装备的实时信息输入全球运输网，大大提高了

在运装备的可见性。

美军为改善后勤保障的工作流程与效率，积极引导全资产可视化系统朝着对军方有

利的方向发展，以便降低军方未来之建置成本；早在 2002 年即已着手规划全资产可视化

大话物联网

262

系统的目标、策略、实施步骤及发展方向，通过全自动资产透明化管理来实现精确化保

障，以满足未来战争需求。其发展的目标是运用成熟的、先进的民用供应链管理技术，

来使得军方供应链管理最佳化；发展策略是借鉴民用科技与经验，使用标准化产品以降

低未来部署成本。

目前，美军供应链作业采用赛维公司的策略，将相关的军品运送与存放分为 6 层，

对应的全资产可视化系统层次模型如图 7-18 所示。第 0 层为单件装备或物资，第 1 层为

包装单元，第 2 层为运输单元或容器（包括铁箱、纸箱、木箱、货柜），第 3 层为托盘（包

括仓库栈板、多层防护包装、商用纤维板），第 4 层为集装箱（包括大型货柜和航空栈板），

第 5 层为机动车辆（包括火车、运输车辆、轮船、飞机等）。

图 7-18 赛维公司对物资器材的层次划分

在全资产可视化系统中，依据装备或物资的运输方式，分别采用了一维条形码、二

维条形码、无源 RFID 标签和有源 RFID 标签等多种标签技术。而 RFID 目前的使用范围

仅限于物流管理上，即在单件装备、包装单元和运输单元上黏贴无源 RFID 标签或条形

码，装载单元和集装箱上黏贴有源 RFID 标签，机动车辆则借助全球定位系统来实现定

位与跟踪功能，如图 7-19 所示。

美军在装载单元（第 3 级）和集装箱（第 4 级）使用有源 RFID 标签，此类标签频

率一般为 433.9MHz，读取距离大于 100m（写入距离≥15m）。有源 RFID 标签的识别距

离较远，可靠性相对较高，成本也较高。标签的工作电源完全由内部电池供给，同时电

池能量也部分转换为标签与读写设备通信所需的射频能量。美国国防部明确指出，“对于

货运集装箱，包括 6～9m 海运集装箱及大型空运货盘，所有美国本土以外的集装箱必须

带有由发货地写入集装箱中货物内容的主动式（带电池的）标签”。在集装箱上使用有源

第 7 章 未来商店与美军全资产可视化系统

263

RFID 标签，可以充分发挥远距离识别的特点，减少开箱清点工作量。

图 7-19 物资器材识别等级

有源 RFID 标签识别距离远、可靠性高的特点使其比较适合野战条件下使用，但成

本高、不易维护是大规模推广的障碍。同时，有源 RFID 标签电池寿命有限，只能维持

2～5 年。实践表明，由于制造和使用上的差异，有源 RFID 标签电池的使用时间有较大

离散性，这给标签的维护带来麻烦，标签数量越大，维护问题越复杂。同时，由于有源 RFID

标签带有电池，因此通常体积较大，限制了其应用领域。

在单件装备、包装单元和运输单元上黏贴无源 RFID 标签或条形码，其中无源 RFID

标签的频率为 860～960MHz，最小读取距离为 3m。此类标签成本较低，标签存储容量

小，读写设备的天线方向性不强。由于没有内装电池，标签从读写设备发出的射频能量

中获取其工作所需的电能。半无源 RFID 标签有内装电池，但电池仅对标签内要求供电

维持数据的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支持。此类标签识别距离短，但体积

小、成本低、免维护的特点使其更适合使用在小包装识别上，主要用于人员、车辆身份

识别以及托盘和小型包装箱的标识。

RFID 标签的存储容量一般在 2KB 以内，更多的存储容量并没有太大的意义。从技

术及应用角度来说，电子标签小型设计、近距离识别特性及调制方式本身就不适合作为

大量数据的载体，其主要功能在于标识物品，并完成无接触的识别过程。而且射频识别

系统的瓶颈恰恰是在读写设备与标签之间的通信传输。因此典型的标签数据容量为 128

bit、64 bit、1 kbit 和 2 kbit。

美军要求在本土以外的集装箱和装载单元上安装有源 RFID 标签，并写入货单内容，

是基于某些地域不便通过网络交换数据的安全因素考虑。实际上，大量数据经标签进行

传输不仅效率低、时间长，而且容易出现错误。这种做法是将电子标签当作通信设备，

合适的用法应是只在标签上放少量的必要信息。美军除集装箱和装载单元以外的所有射

大话物联网

264

频识别应用都是只在标签上存放物品的军队唯一识别码，其他相关信息是通过网络得到

的。美军全资产可视化系统的工作原理如图 7-20 所示。

图 7-20 美军全资产可视化系统的工作原理

根据美军战略后勤发展计划，2005 年美军基本实现全资产可视化，2010 年将全部实

现全资产可视化。

2003 年 10 月，美国国防部要求其供应商采用 RFID 对美军供货。美国国防部是全

球最大的商品采购商之一，每年的采购预算为 4250 亿美元。

全资产可视化系统成为美军解决复杂物流问题的有效技术手段。美军的各种物资必须

进行全球范围内的运输，这些物资包括装备、营房、食品、服装等。起初，美国国防部要

求每件物品都采用 RFID 管理，唯一无需进行 RFID 管理的物品是散装物料，如液体、砂

子和砾石。国防部的这种要求可以采用有源标签来实现，也可以采用无源标签来实现。

当时，美国国防部宣布这项政策时，由于诸多原因，很多人认为这是不太切合实际

的。一个原因是国防部采购的商品数量非常庞大，而且供应商的数量也很多。美国国防

部后来才意识到，由于缺乏与供应商的充分沟通，导致到 2004 年底，许多供应商还不知

道国防部制定了此项政策。美国国防部的 RFID 实施计划最后变成了阶段性实施计划。

第 7 章 未来商店与美军全资产可视化系统

265

2004 年 7 月 27 日，美国国防部宣布了其供应商实施 RFID 技术供货的三个阶段。

第一阶段要求 4 个配送中心和 4 个类别的物品进行 RFID 管理。这 4 个配送中心是萨斯

奎汉、宾夕法尼亚、圣华金河和加利福尼亚。第二阶段需要对 32 个军事目的地和众多的

产品类别进行 RFID 管理。第三阶段对所有的产品类别和所有的军事目的地进行 RFID

管理。

在这个实施计划中，供应商可以考虑他们如何来满足国防部的要求，他们需要符

合国防部的标签标准和数据编码标准。美国国防部还专门编辑出版了相关 RFID 的实施

指南。

美国国防部是 EPCglobal RFID 标准的鼻祖，它要求所有无源 RFID 标签都是 EPC

96 位的。虽然如此，但是在一段时间内，供应商也可以采用 64 位的 Class 0 和 Class 1

的标签来进行管理，但标签的工作频率必须在 860～960MHz。

目前，美国国防部实施 RFID 项目的第一阶段和第二阶段的最后时间已经过去。从

第一阶段试点项目的实施到第三阶段的全面实施，RFID 项目的推行是充满挑战性的。

Chapter 8

第8 章

266

电子围界防入侵系统与

比尔 • 盖茨的豪宅

在美剧《24 小时》中，美国反恐局这个虚构的机构拥有相当可观的监控能力，几乎

可以调用从军用卫星到公路摄像头再到红外线遥感等诸多设备，再将整合后的信息传递

到手机上。这种看起来有些科幻的设想，正在因为物联网的发展而逐渐成为现实。

完善的物联网系统有着近乎无限的可能。护林员可以坐在千里之外的自己家里看到

哪里燃起了山火，然后遥控灭火直升机出动。消防员可以不再等待求救电话，因为城市

里任何区域的温度异常都会显示在他们的手机屏幕上。在我们把车开进自家车库时，汽

车可能会提示房间亮起灯，通知炉子开始加热昨天的炖菜，然后命令浴室的显示器准备

播放前一晚录下的剧集。本章将介绍物联网的两个应用案例：电子围界防入侵系统和比

尔•盖茨的豪宅。

8.1

浦东机场电子围界防入侵系统

2009 年 6 月 16 日，在上海浦东国际机场（后文简称“浦东机场”）某段围界外，两

名全副“武装”的“飞行爱好者”鬼鬼祟祟地走近防护网，商量着如何翻越高高的防护

网进入机场，但他们还未靠近防护网，就被一阵阵警告声给吓退了回去。随后，两人又

尝试了从外围挖掘、翻越旁边的防护墙等各种方法，均被警告声制止。就在二人犹豫着

下一步行动之时，几名安保人员突然出现，将他们“擒”了个正着。

上述场景并非真实发生，而是浦东机场向来自全国 20 多个机场的安全技术人员演示

其新投入使用的最新一代的电子围界防入侵系统。也就在当天，中国民用航空局（民航

局）安全督察组到沪检查民航华东地区安全工作，发生在浦东郊外的这一幕，正好展示

第 8 章 电子围界防入侵系统与比尔•盖茨的豪宅

267

了我国机场围界安全在“技防”方面的新突破。

机场围界防入侵系统是机场安全防范系统的第一道防线，非常重要。目前机场安全

措施主要集中在航站楼中，包括人防、技防和物防等，形成了戒备森严、功能完善的航

站楼安防体系，但是十几千米甚至几十千米长的机坪围界安防却没有得到足够重视，存

在很大隐患，是机场安防系统的薄弱环节。最近几年，在国内国外发生了数起入侵者翻

越机场围栏潜入飞机内部的事件，给机场安全造成了严重威胁。同时，也暴露出目前机

场围界防入侵系统还存在着巨大隐患，急需改进。

鉴于机场围界存在安全隐患，民航总局于 2008 年修订《民用航空运输机场安全保卫

设施建设标准》（MH/T7003-2008），详细地规定了有关飞行区围界、通道、监控和报警

系统等民用机场安保设施的建设标准：要求机场应设立围界报警、视频监控系统，系统

应能对围界入侵行为作出判断，对目标进行分类；应能在机场飞行和安全照明的环境下

工作，应满足全天候运行的要求。2009 年 7 月 1 日，《民用机场管理条例》正式实施，

新条例对机场的安全运营提出了更高的要求。

现有的机场围界电子防入侵技术发展经历了第一代视频监控防入侵技术和第二

代以信号驱动为特征的防入侵技术，正逐步过渡到以目标驱动为特征的第三代防入侵

技术。

—

第一代防入侵技术以视频监控技术为主，因其直观、准确、及时和信息内容丰富而

得到广泛应用，视频监控的发展大致经历了三个阶段：20 世纪 90 年代以前，大多采用

模拟监控系统；20 世纪 90 年代中期，进入数字化本地视频监控系统时期；到 20 世纪 90

年代末，视频监控步入了全数字化网络时代，如图 8-1 所示。

然而，视频监控本身有其难以根除的缺点：缺少报警功能，仅能起到事后追踪的作

用，虽然其后增加了智能视频技术，但仍因虚警、漏警率过高而无法得到大规模应用；

具有极强的环境约束性，在黑夜、大雨、大雾、大雪等天气条件下均无法使用；监控人

员易疲劳，据统计，安防人员连续监控 20 分钟以上，即会“视而不见”。

视频监控主要用于事后追踪，比如说坏人钻进机场，后来工作人员发现有人实施了

犯罪，然后为了破案，将当时的视频录像调出来备查。

—

第二代防入侵技术增加了报警功能，主要包括振动光纤、辐射电缆、红外对射、张

大话物联网

268

力围栏和高压脉冲等常见的围界防入侵技术，如图 8-2 所示。

图 8-1 第一代机场围界防入侵技术

图 8-2 第二代机场围界防入侵技术

振动光纤以光学干涉理论为基础，不间断地实时采集传感距离以内的各类振动信号，

安装隐蔽，检测距离长，适合各种形状的围界，既可埋在地下也可布设在空中，不会受

到任何辐射、电磁干扰的影响；对攀爬、剪切围栏等入侵企图所产生的各种振动频率非

常敏感，在使用过程中无需进行过多的维护保养。但是，其布线工程复杂，无法识别目

标，无法判断位置，漏警和误警率偏高，防范范围有限；在大风暴雨、无意触碰、悬挂

的异物、飞鸟停落、工地施工等情况下容易造成误警，对空中抛物、空中跨越入侵和地

第 8 章 电子围界防入侵系统与比尔•盖茨的豪宅

269

下入侵无法检测造成漏警。

辐射电缆是利用两根辐射电缆之间的空间形成一个椭圆形的电磁探测区，当有人

进入此探测区时，会干扰探测区的电磁耦合，使接收电缆收到的电磁波能量发生变化，

从而产生告警信号。它通常安装在地下，是一种隐蔽的无形探测手段，灵敏度高，漏

警几率小。电缆可环绕任意形状的警戒区域围界，不受地形、地面不平坦等因素的限

制。但是其感应范围小（1～2m），对于机场等电磁通信地域会造成电磁干扰；价格比

较昂贵，并且对于目标识别能力较弱，在人员靠近、动物靠近等情况下容易造成误警，

对空中抛物、空中跨越入侵和墙体打洞等入侵无法检测造成漏警，同时也容易受到电

磁辐射和噪声的干扰。

红外对射即红外线电子对射墙，是利用红外线发射器发射红外线的一种入侵探测

器。红外对射感应灵敏，不会破坏环境美观；安装简便，维护方便；防卫方式隐蔽，使

入侵者在不知不觉中触警。但是雨天或者雾天会影响报警系统。若红外安装柱发生形变

或倾斜，会破坏红外射线，导致没法正常预警。红外射线容易受到附近植物生长的干扰，

也无法识别具体的入侵目标，在动物穿越、大雾大雨的天气、植物生长等情况发生时容

易产生误警，也无法检测出空中翻越、人员匍匐、地下掘地入侵。

张力围栏基于张力的平衡原理进行探测，利用一组平行的探测线中的一根或几根线

受力偏斜触发报警。其外型美观，可作为天然物理围栏；不受光和电磁干扰；高强力拉

紧设计，适用于各种恶劣的环境。但是调整钢丝的拉力较麻烦，误警率很高，日后维护

围栏也很麻烦，并且无法防范高空跨越入侵、地下掘地入侵、攀爬安装柱入侵和空中抛

物等入侵手段。

高压脉冲利用一组平行的电线组成围栏，可以对入侵起到一定的阻吓作用，误

报率低。但是其安装不够美观，对墙体打洞入侵和空中跨越无能为力，危险系数太

高，不适用于人员密集以及出入频繁的地方，更多应用在油库，监狱等安防禁止出

入区。

其他的防入侵技术包括振动电缆、微波对射、激光对射等，以上技术的进步推进

了机场电子围界防入侵技术的发展，但都是基于检测信号的大小是否超过设定阈值来

进行报警，属于信号驱动型，虚警率和漏警率高，无法满足机场防入侵系统对目标分

类的要求。

—

传感网的精髓并不在网络。也不在传感器，而是在于多种手段的综合判断，是从物

体到物体的感知判断，强调多个传感器与自治网络相结合的综合信息系统。简单来讲，

传感网倡导的是物物互联，讲求的是协同感知和综合判断。

大话物联网

270

如果将传感器网络比喻为人的“头部”，传感器则是“五官”，网络便是“大脑”。举

例来说，单靠人的一只眼睛也许只能看清楚杯子的形状，而两只眼睛协同便能精确杯子

的大小以及与自己之间的距离，如果再加入手的触摸，则可以更进一步的感知其硬度和

温度等。这个例子可以很形象地概括出传感网的工作原理和过程，即通过多个传感器（眼

睛）的协同和多种类传感器（手）的融合对物体进行全面的感知。

基于传感器网络的机场围界防入侵技术，讲求以感知为目标的物物互联，对目标是

什么、在哪里、干什么等综合信息进行感知，是以目标物体为驱动，也是目前国内机场

新一代的围界电子防入侵技术，如图 8-3 所示。

图 8-3 第三代机场围界防入侵技术

浦东国际机场是华东地区的国际枢纽航空站，占地 50 多平方千米，日均起降航班达

700 架次左右，年旅客保障能力达到 6 000 万人次，年货邮吞吐能力达到 420 万吨。机

场地处亚热带，位于上海长江入海口南岸的滨海地带，为海洋性气候，年降水量

142 7.9mm；距离海边 500m，有轻度盐雾，室外温度为−10℃～40℃，极端风速可达

37m/s。其围界防范主要依靠物理围界和人员定期巡逻的方式，存在着很大的安全隐患。

同时，因为机场所属区域气候条件复杂，围界又临近道路，常年有大型货车经过，因此

传统的一、二代技防手段都无法完成浦东机场围界技防的重任。

早在 2007 年，上海机场集团就开始和中国科学院上海微系统与信息技术研究所合

作，组成联合开发团队，形成用户与研制方紧密合作的有效合作模式，采用基于中科院

自主知识产权的传感器网络技术，打造第三代机场围界防入侵技术。这种目标驱动型报

警技术抗干扰能力强，虚警和漏警率极低，满足全天候、全天时的监控要求，全面超越

第 8 章 电子围界防入侵系统与比尔•盖茨的豪宅

271

第二代信号驱动报警，为机场围界防入侵带来了革命性的技术创新，并在浦东机场得到

成功应用。他们研发的“上海浦东机场防入侵系统”电子围栏长达 35km，共部署了 10

万多个传感器节点。传感器节点是集传感器处理、组网、协同、通信于一体的终端，覆

盖了地面、栅栏和低空探测，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵，是

目前国际上规模最大的机场防入侵传感网，也是传感器网络技术在国内得到成功应用的

案例之一。

为完成整个飞行区围界的物防、人防、技防的一体化建设，同时为了降低整体大规

模建设的风险，浦东国际机场在 2007 年底已开始进行飞行区围界防入侵系统第一期工程

建设，如图 8-4 所示。系统采用了基于传感器网络的第三代防入侵技术，建设位置位于

浦东机场第一跑道北侧的仓储路附近，总长 2.4km。该系统主体工程于 2008 年 1 月 24

日完成，经受了当年特大雪灾的考验，经过 2 个月的试运行，于 2008 年 4 月 7 日正式通

过验收并交付使用。

图 8-4 浦东机场围界防入侵系统第一期工程概貌

在浦东国际机场的围界上，有些墙面贴着火柴盒大小的传感器，总数约 10 余万个。

它们有的能感受振动或声响，有的对磁力或微波很敏感。这些传感器节点间可无线联络，

协同感测围界周边物体的方向、速度、远近等；必要时可自动调用摄像头等手段，为安

防部门提供详实证据，确保航空安全。通过这些传感器，这些没有生命的铁栅栏就能够

主动地防止非法侵入。表面看是一堵普通的砖墙，但是里面却安装有传感器，只要一拍

大话物联网

272

打墙体，控制大厅就能够感受到。

系统在建设完成后进行了大量高强度的测试。一方面建设单位采用全天候、全天

时测试方法，对各种可能入侵情况进行案例脚本大纲编纂，逐点循序地进行测试。在 2

个多月的测试期间，即便是产品的研发人员，也无法逾越自己构筑的电子长城。另一

方面，机场方作为最终用户进行了背靠背的测试，多批次人员、多气候状况下对围界

的各个点进行轮番功能测试，尤其经历了南方雪灾的综合考验，测试结果表明，漏报

和误报率为 0。

截至目前，该系统经受住了机场滨海环境下的台风、雪灾、高温、湿热、盐雾等复

杂气候考验，设备工作正常，未发生一起漏报和误报事件。系统的正常稳定运行极大地

提升了机场安检部门在该区域的安全防范能力，改善了以前单独依赖人防、完全依靠现

场巡逻的防范方式，为机场安防构建了一个新的现代化模式，也必将为机场围界安防工

作带来质的突破。

机场围界防入侵系统的一期工程包括前端围界防入侵探测分系统、联动控制分

系统、视频监控分系统、监控中心分系统、网络传输及供电分系统等，如图 8-5 所

示。主体方案中，前端围界防入侵探测分系统采用了中科院全新的传感器网络防入

侵设备，根据机场对围界布防的要求，将围界布防设定为双层、单层、砖墙等 3 种

基本类型，建立了三级三维的布防体系，画地为牢，排除外界干扰，虚警、漏警率

极低。

围界根据布防要求设定了 3 级报警，分别为预警区、报警区和出警区。

预警区位于围界外部，主要用于防止闲杂人员接近。当人员靠近围栏时，系统将产

生预警信号，并自动进行声光警告督促其迅速离开。

报警区依附物理围界而建，用于对入侵行为发出报警。当人员攀爬、翻越、破坏围

界时，将触发产生报警，系统自动协同融合探测信号，对目标及其行为进行分类识别。

若系统判断确属人员入侵，则立即启动现场声光报警，并实时联动到指控中心值班人员

进行处理，同时支持远程手持设备联动。

出警区位于围界内部区域，用于对已入侵目标实施出警。当人员非法侵入围界后，

将实时触发紧急报警信号，同时产生现场声光报警，并联动视频在指控中心产生紧急入

侵提示，值班人员可以根据报警 GIS 位置远程指挥巡逻人员出警。

“机场禁区，请迅速离开，机场禁区，请迅速离开。”

当人们刚刚接近浦东国际机场的围栏时，栏杆上的高音喇叭就会提醒人们迅速

离开。

第 8 章 电子围界防入侵系统与比尔•盖茨的豪宅

273

图 8-5 浦东机场围界防入侵系统一期工程的系统组成

这属于预警区，如果在预警区里有人走动，系统就会通知你，并友善地提醒你这个

是禁区，你不要进来。在机场围栏的外面有一道无形的网，这个网由埋设在地下的传感

器组成，这些传感器不仅能够分辨出是人还是动物在靠近栅栏，而且能够精确地进行定

位。一旦有人靠近栅栏，系统就会自动发出善意提醒。如果来者不听警告，继续靠近栅

栏，第二道防线就会报警。

围栏上面的传感器分为两种，一种是倾角的，一种是挂壁的。它们记录了围栏的姿

态和围栏的振动方式。在报警区，人们一旦有所行动，例如轻轻拍一下，围栏即开始对

入侵者进行感知，并根据感知结果决定是否报警。

在铁栅栏里面，还有第三道电子传感围界，只要人员进入到机场的铁栅栏里面，报

警系统也就相应提高到最高级别。这些传感器结点与机场控制大厅紧密相连，正是通过

这些无形的传感网络，机场控制大厅才能够迅速对出现的报警情况进行处理。系统可以

通过几个传感器的协同感知，知道入侵者具体在哪里，因为报警区是分片的，入侵者所

在位置一响，机场值班显示屏上的红块马上就亮并不停地闪烁，当你点击进去的时候，

它就有个视频马上出来，播放入侵者的行踪。

大话物联网

274

同时，该系统还实现了三维防范，形成低空、地面、地下三维立体报警体系。低空

部分实现对空中翻越等入侵行为的报警，地面部分实现对攀爬、破坏等入侵行为的报警，

地下部分实现对掘地入侵行为的报警。

系统建立的三级三维立体防御体系，具备了对入侵目标和入侵行为的分类识别，能

够识别出目标是什么，在哪里，干什么，可对人员攀爬、破坏围栏、无意碰触、动物经

过、异物悬挂、大风大雨等进行区分；采用了画地为牢策略，能够智能化屏蔽非入侵干

扰源，排除飞机起降，周边建设施工，大型货车驶过等机场常见的外部干扰，有效降低

了虚警率。系统还具有自适应自学习机制，可根据机场周围气候复杂多变，周边干扰严

重，围界环境多样化等特点，适应各种气候和地貌环境，达到使用时间越久判断入侵越

准确的效果。同时结合机场组合气象传感器，根据实时气象信息，采用多模式工作方式，

自动调整系统算法和参数，进一步降低误报和漏报率。

系统较好地达到了预期目的，反响良好，具体表现在：虽然周边存在很多干扰，比

如与围界紧靠的公路上载重货车横行，机场内部警铃不断，跑道上飞机接连起降等，都

没有对防入侵系统造成干扰；该系统对入侵目标的定位精度达到了 0.5m，能有效排除外

界干扰；当有人员靠近围栏时，系统给予了友善提醒，可以有效喝止不当行为，并减少

出警次数；对于无恶意的脚踏和手推，系统并不立即报警，但是对围栏的攀爬和破坏，

系统无一例外及时发出警报；对于不碰触围栏的空翻入侵和掘地入侵，该系统也能立即

检测到并报警。

传感器网络机场围界防入侵系统的主要技术指标如下所述。

（1）大规模端到端网络容量：可容纳 10 万节点以上。

（2）探测手段：10 余种传感探测手段。

（3）识别能力：人员、车辆和动物等混杂目标的有效识别和分离。

（4）入侵响应时间：小于 2s。

（5）入侵目标区域定位精度：0.5m。

此系统区别于其他现有的防入侵手段，它通过多种传感器，融合报警、声光、视频

等，并组合气象传感器提供气象信息，设置相应的检测参数，从而提高全天候、全天时

的检测性能，降低虚报率和漏报率，具体包括如下 3 个方面。

（1）判断入侵物“是什么”：传感器通过对各种波形的检测，并区分入侵物的轨迹、

形状、大小等，来判断它是飞机、汽车、人，还是动物、树叶甚至风雨，这样就可以避

免很多虚警。

（2）判断入侵物“在哪里”：系统通过震动状态来定位传感器节点，并根据反馈

第 8 章 电子围界防入侵系统与比尔•盖茨的豪宅

275

信息判断出入侵者的具体位置，是在围界内还是外，到没到报警的级别，到了什么

级别。

（3）判断入侵物“干什么”：这种围界系统根据具体情况和要求采用了多种传感技

术，如震动传感、倾斜传感、微波传感等。这样就可以对入侵的情况进行细致甄别，

如攀爬（张力发生改变）、挖地道（发生震动）、腾空翻越（可以根据实际需要设定空

间高度）等。

结合上面检测判断的结果，加上气象传感器信息以及声（喇叭）、光（灯光照明）的

手段，再与视频进行复合，进而智能地完成防入侵的任务。结合气象条件（如温度、湿

度、风速、昼夜、季节），全天候、全天时地调整计算方法，来区分自然条件（如风、雪、

雨等）造成的虚报和漏报。系统能够识别像树叶、小鸟、小狗、小猫、飞机及汽车等非

入侵物，可以精确判断入侵物所在位置是在围栏内还是外，属于预警区、报警区，还是

出警区，判断人、车等入侵的目标以及行为方式。如果属于一级，二级入侵，可以通过

灯光照射、威慑喊话、警告驱赶来实现喝止，并通过视频复合、跟踪，来延迟入侵时间；

属于三级入侵的，在前面的基础上，智能视频直接报警，立即出警，并跟踪入侵行为。

该系统采取目标驱动报警，实现了低虚警率、高报警率的围界防入侵，与第二代的信号

驱动报警形成鲜明对比。

浦东机场围界防入侵系统一期工程的成功建设，不仅为浦东机场围界筑起无缝立体

“电子长城”打下了良好基础，而且对基于传感器网络的第三代目标驱动型围界防入侵技

术进行了应用验证，达到了应用与技术的互促互动。

由于在浦东机场一期工程中得到成功应用，第三代围界防入侵技术受到了民航总局

的高度重视。2007 年 6 月，由中国民用机场协会主办，在浦东机场召开了全国机场安防

技术现场研讨会，与会的众多机场代表均对此项技术表示高度认可。该技术目前正在全

国各机场进行推广应用，将满足民航总局对机场安防的新要求，推动我国机场安防系统

建设整体水平的提升。

有了第三代围界防入侵系统在机场的成功经验，上海世博局在世博园区也完成了对

该系统的测试，并投入世博会应用。同时该系统已经受到了监狱、电力等安防领域的重

视，应用范围将得到进一步扩展。

8.2

比尔 • 盖茨的豪宅

“凤凰，非梧桐不栖”，比尔 • 盖茨这样举足轻重的大人物，自然住得极其讲究。更

何况，他是干软件出身，家里还不率先武装最先进的技术设备吗？他的宅第坐落在西雅

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276

图，外界称它是“未来生活预言”的科技豪宅。豪宅将优雅的自然生态与先进的信息科

技完美结合，成为美国除白宫之外最受瞩目的名人宅邸。

比尔•盖茨与妻子美琳达的家坐落在西雅图市郊的华盛顿湖边，看起来和一个小村

庄没什么两样。大概真是“智者乐水”，比尔•盖茨傍水而居，那座著名的“未来之屋”

雄踞华盛顿湖东岸，盖茨把岸边小山挖去一半，于是，一块前临水、后倚山、易守难

攻、招财纳库的绝妙风水宝地便诞生了，如图 8-6 所示。然后，他在这个风水宝地上

建造了奢华居所，比尔•盖茨称它为“未来之屋”。这座“未来之屋”周围水域面积约

500 万平方英尺；建筑面积超过 6.6 万平方英尺，相当于几十个足球场。据说，土木工

程干了整整 7 年，比尔•盖茨先后花费了 9 700 万美元，足够买下一家中型的上市公司。

这座毫宅共有 7 间卧室、6 间厨房、24 间浴室、6 个壁炉、1 座穹顶图书馆、1 座会客

大厅和 1 片养殖鳟鱼的人工湖泊，建筑风格属于太平洋西北部格调。豪宅的周围种满

了原生桤树、枫树和道格拉斯冷杉，并且尽量保持其自然外观。大部分的人行道铺满

石板，水泥外墙用沙岩和花岗岩镶嵌。盖茨家人所住的 1 万多平方英尺的内宅相对而

言比较简朴，具有 4 个卧室和 1 个保姆房，还连着一个 4 车位的车库。最下层包括一

个电子乐队练习房，其设施远胜过大多数健身俱乐部的健身中心。它号称全世界最有

智慧的建筑物、未来生活的典范。当然，这样的房子还需要一大笔开销，比尔•盖茨先

生每年上缴税金 100 万美元—这可是美国国民年均收入的 25 倍。

图 8-6 盖茨的豪宅外景

第 8 章 电子围界防入侵系统与比尔•盖茨的豪宅

277

不过，最令人瞠目的还是其智能化，被誉为未来生活典范。这个耗费巨资、花费

数年建造起来的大型豪华住宅，堪称当今智能家居的经典之作。在这座房子里，共铺

设 84km 电缆，相当于天安门到首都机场的距离，将房内的所有电器设备连接成一个绝

对标准的家庭网络。但有趣的是，墙壁上看不到任何一个插座，因为盖茨不喜欢“乱

糟糟”的感觉。

犹如蜘蛛网的电缆，使得数字神经绵密完整，种种信息家电，就此通过连接而“活”

起来；再加上宛如人体大脑的中央计算机随时上传下达，频繁地接收手机、收讯器与感

应器的信号，那些卫浴、空调、音响、灯光格外听话。

豪宅的安全系数相当高。它安装了 2 套全球顶级的安全系统。当一套安全系统出现

故障时，另外一套备用的安全系统则自动启动。当主人需要时，只要按下“休息”开关，

安装在房子四周的防盗报警系统便开始工作，如图 8-7 所示。如果发生了火灾，这套住

宅里的消防系统可以马上通过通信系统自动对外报警，关闭有危险的电力系统，并根据

火势分配供水。还没有等你反应过来，一场火灾就被消灭了。如果火势很大，系统应付

不了，那它还能为主人提供最佳逃生方案。

图 8-7 豪宅的防盗报警系统

住在这样的一座“大观园”中，安全问题自然不能等闲视之。由于当地属地震带，

因此耐震性要特别加强，其钢骨结构强度是建筑法规要求的 4 倍。

盖茨通常会安排访客以乘船渡湖的方式进入“未来之屋”。来访者通过出口，就会产

生其个人信息，包括他的指纹等，这些信息会被作为来访资料储存到计算机。在比尔· 盖

茨家附近的一座教堂，客人需要在那儿接受安全检查。相机、手机、摄像机等一概不准

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278

带入。通过安检后，保卫人员发给来访者一个钮扣大小的东西，称为电子胸针，如图 8-8

所示。这是所有访客体验这座人工智能科技豪宅的必要配备。这

个小玩意儿不但能辨认客人，还把每位来宾的详细资料藏在其

中，这样一来，机器之间信息往来，比尔•盖茨的住宅便成了神机

妙算的诸葛亮，它什么都了解，谁也休想跟房子耍滑头。如果没

有这枚胸针就麻烦了，防卫系统会把陌生的访客当做“入侵者”，

警报便会响起。

该胸针内部安装有一个电子芯片，可以预先设定你偏好的温

度、湿度、灯光、音乐、画作等条件。胸针的功能当然并非单纯

为识别身份之用，它主要是用于把访客个人的相关资料传到胸针内的微型发信器，以便

让人与豪宅展开一连串的惊奇互动活动。来访者在别墅里的活动都由此传至中心处理

机，地面上的感应器和隐藏的摄像机记录着来访者的一举一动。这样既为安全考虑，还

能够为来访者提供非常个性化的服务。

大门外装有天气感知器，可以根据各项气象指标通知空调系统，控制室内温度和通

风情况。住宅门口安装了微型摄像机，除主人外，其他人欲进入门内，必须由摄像机通

知主人，如图 8-9 所示。

图 8-9 装有天气感知器和微型摄像机的大门

进入大厅，电子胸针将信号传给豪宅里的感应器，感应器再告诉中央计算机；接着

中央计算机开始从资料档案中分析访客个人的种种喜好，再分别对大厅的空调、音响及

灯光系统下达指令，使得室温倍感舒适、灯光明暗适度，并投其所好地播放音乐和影片，

如图 8-10 所示。一旦房间内的电视和音乐被选定，它们会跟随客人从一个房间进入到另

图 8-8 电子胸针

第 8 章 电子围界防入侵系统与比尔•盖茨的豪宅

279

外一个房间。无论证你走进哪个房间，这个电子标签都会通过传感系统与周围设备交流，

房间内的温度会调整到让你感觉舒适的程度，藏在壁纸后方的扬声器就会响起你喜爱的

旋律，投影仪则会在墙壁上投射出你熟悉的画作。甚至当你在游泳池戏水时，水下都会

冒出如影随形的悦耳个性音乐。

图 8-10 电子胸针的功能

地板中的传感器能在 15cm 内跟踪到人的足迹，在感应到有人到来时会自动打开照

明系统，在人离去时自动关闭。走进大厅，空调已将室温调整到最舒适；高级音响同样

掌握客人的不同欣赏口味，播放舒伯特小夜曲或者爵士乐；灯光也会迎合人的情绪增减

光亮、调换色调，墙上的大屏幕液晶电视会自动显示你喜欢的名画或影片„„这些察言

观色的讨好动作都是自动完成的，根本不需要谁拿着遥控器摁来摁去。大厅、餐厅、客

房、健身室、图书馆„„似乎每个角落都站着忠心耿耿的仆从，这些量身打造的“变色

龙”令人感到随心所欲—爽极了！另外，你也可以使用一个随身携带的触控板，随时

调整感觉。

忙碌了一天，终于下班了！当你打电话给太太，让她帮你放洗澡水时，比尔•盖茨已

经在回家途中用车内的远程遥控系统“告诉”家中的浴缸：嘿，哥们儿，准备放水！主

人到家后，浴缸已经自动放水调温，做好一切准备迎候，如图 8-11 所示。洗完澡后，如

果有一顿丰盛的晚餐摆在你面前，那该有多爽啊！比尔•盖茨家的厨房里安装了一套全自

动烹调设备，想吃什么机器都会做。

在比尔•盖茨的卫生间里安装着一套用计算机进行控制的系统，如果你有意无意地自

言自语：“好累啊!真想洗个热水澡！”，盖茨就会热情地拿起手机拨号，接通豪宅内的中

央控制系统，用数字按键与计算机沟通，让计算机对卫浴系统下达指令：在大浴缸里放

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280

满一池热水。当然，不只放水洗澡可用手机控制，开启空调、简单烹煮都可由手机进行

控制。

图 8-11 比尔•盖茨家的浴缸

这座豪宅的马桶也是由计算机控制的，可以随时检测主人身体状况。如果发现主人

身体有异常，计算机会立即发出警报。

“未来之屋”没有透明的玻璃墙壁，没有强烈的金属质感，屋子里看起来就像一个朴

素的美国小家庭。但是，“未来之屋”里的一面“魔镜”却让人着迷。你对着镜子招招手，

它就会告诉你今天天气怎么样，穿什么样的衣服比较合适。如果你拿着一件衣服，镜子

会告诉你这件衣服哪一天你已经穿过，还会给出一些时下最流行的搭配方案。如果联网，

镜子会告诉你今天穿这件衣服会不会跟朋友撞衫。“魔镜”最巧妙的地方就是将先进的技

术与日常的生活非常人性化地结合起来。

“未来之屋”智能化程度最高的部分首推会议室，这个房间可随时高速接入因特网，

24 小时为盖茨提供一切他需要的信息。盖茨可以随时召开网络视频会议，与幕僚商议微

软大事。同时，这个房间内的计算机还可以通过遍布整个建筑物内的传感器，自动记录

整座住宅的动静。会客大厅部分埋于地下，其墙壁一面嵌入 1.8m 宽的石灰石火炉，另

一面则排列着由 24 块 40 英寸背投电视组成的 6.6m 宽的电视墙。这里大到可以举行 150

人的晚宴，或者办一场 200 人的鸡尾酒会。盖茨的商业级厨房可为 100 多人提供饮食服

务。当然，身份更高一层的贵客，可以在另一座可容纳 24 人的宴会厅接受款待，可以从

三楼俯瞰美不胜收的湖光山色。

声光享受自然也是娱宾重点，豪宅中有一间“装饰艺术”风格的电影院，如图 8-12

所示，设备不亚于好莱坞片厂的试映室，拥有 20 个座位，豪华躺椅和爆米花机可以让来

宾在充分的享受中极尽视听之乐。

第 8 章 电子围界防入侵系统与比尔•盖茨的豪宅

281

图 8-12 家庭影院

不过让盖茨最自豪的还是他的私人图书馆。这是一座圆顶建筑，屋顶中间有一个接

收自然光的天窗，室内光线随着外界阴晴调整。馆中珍藏着达芬奇的《莱切斯特手稿》、

拿破仑写给约瑟芬的情书、希区考克电影《惊魂记》的剧本手稿等，其中仅达芬奇手稿

的价值就超过 3 000 万美元。

更好玩的是，就连比尔•盖茨家车道边上的一棵 140 岁的老枫树也沾了光。由于比

尔•盖茨先生非常喜欢这棵树，因而专门为它安置了监视系统，进行 24 小时的全方位

监控，一旦系统发现它有干枯的迹象，就放水来为它“解渴”。

盖茨身为全球资讯业的领航人，这幢豪宅的高科技设备自然不同凡响。豪宅采用的

设备与技术，大部分也与微软公司有关。于是有网友突发奇想，编写了一则与盖茨有关

的笑话。

盖茨改装他的豪宅，全面实现了电子化，而且全部使用了微软公司的设备与技术。

于是，过了不久，他就发现一些问题。

（1）每次回家，前门打开的时间要花费 2～3 分钟。

（2）马桶要冲水之前会询问：“马桶冲水会造成大便无法回收，您确定要冲马桶吗?”

当得到确定的回答后，马桶才会执行他的工作。

（3）微波炉和烤箱在要快完成以前会突然跳开，面板显示：“系统发生无法恢复的错

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282

误，您要再试一遍吗?”

（4）一些小东西突然不能使用的时候，如果试图修复，会造成房子全倒，需要整座

房子重建。

（5）如果你把窗户全部打开，房子会突然停电，并且发出“系统资源不足，请您关

闭一些窗户”的警告。

（6）淋浴的时候热水器会自动进入省电模式，需要甩两下莲蓬头才会恢复供应

热水。

（7）小偷闯入时，电视会自动打开，并且显示整间房子的地图。小偷可以按 HELP

键取得贵重物品放在哪的资讯。

（8）要使用电梯以前，必须先输入用户名称及密码，然后用 10 分钟听计算机语音介

绍如何使用电梯与逃生设备。

（9）所有购买的新家具必须是微软公司兼容产品，否则会导致冰箱内的物品遗失或

烤面包机烤焦面包等问题，严重时会造成房子倒塌。

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