本书前言
再版前言

转眼之间,初次编写这本书已经是三年多以前的事情了,正式发行也有两年多的时间了。感谢各位读者,使得本书销售令人惊喜地突破了3 万册。从向我要材料或者抱怨本书质量的邮件里就可以知道,至少有200 多个学校选用本书做了教材。本书得到如此厚爱,实在超乎我的预料。

这么快出第2版并非我太闲。一方面,技术发展太快,许多内容有了更新,鉴于这么大的发行量,我害怕误导了读者;另一方面,编写第1版的时候有些仓促,内容编排不太科学。网上对于本书的评价很多,大多是鼓励,批评的话也都非常客气。但是很多读者,尤其是使用本书做教材的老师私下里给了我不少非常有价值的意见和建议。本来打算把这些老师和朋友都在此致谢一番,但是看了一下列表,恐怕要花费太多篇幅了,只好这样一句话谢之。

根据大家的意见和我对物联网进一步的研究和实践,本书第2 版做了如下调整。

在第1章中,我们从计算技术发展的角度,回顾了物联网的起源,阐述了物联网是将物理世界数字化并形成数字世界的一个途径。第1章新增加1.4节,详细讨论了物联网“三更”的发展趋势:更广泛的互联互通、更透彻的感知和更深入的智能。

在第2 章中,细化了RFID 技术底层通信的工作原理,增加了自动识别领域的最新研究成果,对RFID 技术在物联网中的典型应用进行了介绍。

在第3章中,增加了无线传感器网络历史进展介绍,从技术发展角度介绍了无线传感器网络的经典实用系统。在3.3节中,增加了对Contiki操作系统的介绍,总结当前主要节点操作系统的特征、典型应用场景和发展趋势,力求为系统设计提供决策支撑。

在第4章中,增加了对新兴WiFi基站定位系统的介绍。同时,基于信号特征的定位,增加了对新兴的利用群智感知实现无需人工勘测的室内定位技术的介绍。

在第5章中,根据当前技术发展形式,适当删减了与PDA相关的部分内容,增加了对智能手机的介绍,对智能手机在物联网中发挥的作用及其地位进行了探讨。

在第6章中,增加了无线网络技术的最新进展,包括基于MIMO的干扰对齐与消去、全双工无线通信的内容等。

在第7章中,增加了目前学术界和产业界的研究热点,如蓝牙4.0、体域网、延迟网络的相关内容。在撰写思路上,更重视以需求为牵引,强调不同无线协议的异同点,跟踪技术发展动态,特别是产业界的最新应用。同时,根据目前技术发展趋势,适当删减IEEE802.15.4和6LOWPAN的相关内容。

在第8章中,更新了各种移动通信技术的相关统计数据和最新发展动态,对3G和4G通信技术和标准进行了更加系统和精细的说明,增加了对最新的移动互联网应用(如移动社交网络)的介绍。

在第9章中,按照数据中心建设中的相关问题以及数据中心中采用的具体技术进行内容划分,并适当删减调整内容,便于读者更清晰地了解数据中心这一物联网海量存储的关键技术。同时,为适应存储技术的发展趋势,增加了对云存储这一新兴技术的介绍与讨论。

在第11章中,接RFID信息安全和位置隐私保护两部分内容划分,对章节内容进行了整理,便于读者更好地了解物联网中的两大安全隐私问题。

在第12章中,结合车联网,回顾了智能交通的发展史以及世界各国具有代表性的智能交通系统,更加系统和详细地介绍了智能交通的架构和各种物联网技术在智能交通中的作用,补充了大量物联网时代的新型智能交通应用,并基于国内外现状展望了智能交通的未来发展。

在第14章中,增加了对世界智能建筑发展史的回顾,分析了现代建筑对智能化的强烈需求,细化了对各种物联网技术在智能建筑中的作用的介绍,扩充了物联网时代赋予智能建筑的新型应用系统,并结合国内外现状对智能建筑的未来进行了展望。

在第15章中,增加了传感网在碳汇和碳排放监测应用中的案例,讨论了环境监测的特点以及传感网应用于环境监测所面临的“传感失谐”、“诊判失据”和“模型失用”三个挑战。

除上述增改的内容以外,根据读者的阅读兴趣和物联网的最新发展趋势,删去了部分章节,以使本书内容更加贴合“物联网”的主题。删去的内容主要包括本书第1版的互联网(第6章)、搜索引擎(第12章)、物联网中的智能决策(第13章)和智能电网(第15章)等章节。

除了对现有章节进行了修订以外,第2版还做了一个新尝试,即在最后部分,增加了一篇“物联网前沿专题”,将原来正文中选学的内容和时下流行的话题归集到一起。这些专题文章的撰写者全部来自我们科研组,内容基于他们多年的研究工作。其中“无线自组织网络路由”由王继良撰写,“无线传感网操作系统”由董玮撰写,“物联网管理:调试与诊断”由刘克彬撰写,“认知无线电”由杨盘隆撰写,“移动计算中的群智感知”由杨铮和吴陈沭撰写。每个短文自成一个专题,难度介于科普介绍与专业论文之间。希望这样的安排对于想在某一具体方向做深入了解的读者有所帮助。

本书第2版得到了我们科研组杨铮、刘峻良、吴陈沭、张兰、杨盘隆、杨磊、王胤的大力协助与支持,也感谢家人对于我一直繁忙的谅解。

前言

人类的生命周期从未如今天一样长过,而人们从来也没有像今天一般轻易就能触摸到自己与时代的隔膜:不是因为身体的老化,而是面对排山倒海而来的新科技。十几年前非常时髦的知识爆炸这个词如今已很少人提起,因为爆炸这个力度,远远赶不上真实的场景。

24年前家里有人逾期未返,我和朋友历尽千辛万苦,在中关村邮局排队花4元1角打了一个18秒钟的国内长途电话,终于确认平安;11年前一个久未联络的朋友偶然拿到我的手机号码,一拨的结果竟然花掉我远在南非的国际漫游费,令他惊叹通信业的发展已到如此地步;但这些都比不上计算机与互联网技术带来的巨大冲击:坐在地球两端的人,聊上一天,并未感到花了特别的金钱或额外的努力。

1965年,戈顿摩尔提出他那个著名定律的时候,人们不免大吃一惊,认为芯片发展18个月翻一番的速度接近于神话,以至于摩尔后来也一再修改自己说过的话,将自己说的两年翻一番后来又改为一年。现在他终于可以安心了,如今在计算机网络领域这个定律不仅兑现,而且实际上互联网的用户数量已接近指数增长趋势,根本不用18个月就会翻一番。保守的预测也认为2012年互联网用户数将超过18亿,占到全球总人口的30%左右。

近日整理资料翻到石勒听汉书的时候,联想到了关于2012年这个有趣的预计。如果保持这样一个互联网上网用户的涨幅,IPv4很快就不够用了,幸亏我们已经提前想到了IPv6,大家大可以也说一句赖有此耳。但转念一想其实有点杞人忧天啊,互联网用户无非是人口,地球上就这么多人,管你什么摩尔定律呢?到了60亿互联网用户之后还能把动物都搞上网?难道又是千年虫一样的笑话?

笑过了之后猛地意识到突破这个用户数其实并非笑谈。在计算科技与网络技术发展的今天,智能化以无与伦比的迅猛,延展和覆盖下来。每一个有功能的对象都可能成为互联网的连接对象。黑格尔的话,也许我们终将会改成:存在的,就是上网的。

在进入人类世界短短的20年里,互联网已渐渐成为人们日常生活的信息载体和平台,广泛参与到社会的运行和人们的各种活动中。在学术圈与工业圈孜孜不倦地探求互联网走向的时候,其实还有一条不太显眼的探索主线从没有放弃过,这就是马克维赛尔(Mark Weiser)在互联网刚刚兴起的时候提出的普适计算(Pervasive Computing)。一般认为互联网代表着主流的网络计算模式,把人们的使用吸引在信息空间(Cyber Space)中,主要依赖桌面型计算获取服务与支持;而普适计算则倡导发展可以广泛部署的微小计算设备,并在此基础上实现透明和智能的计算服务,又称为不可见计算(Invisible Computing)。如果说互联网计算此前一直崇尚人围绕着网络进行,那么普适计算则主张让微小系统形成的网络围绕着人运转。

普适计算的提出也是考虑到小型化或微型化成为计算机的发展趋势,各种小型计算设备如掌上电脑、智能手机、传感器、射频标签等崭露头角。同时,无线技术的运用也使移动计算变得日益成熟和普及。在这种趋势下,人们开始尝试突破桌面计算的模式,将计算和互联技术普及到日常生活中。普适计算的目的是在日常生活的各种环境和场景中广泛部署微型化且具备一定计算能力的普适设备,并与已有的互联网技术结合,实现移动、无缝、透明和泛在的计算支持和服务。普适计算是人们摆脱计算设备对人类活动的束缚,将互联网推广到物理世界的初步尝试。

但是执着于普适计算的人们很快就吃到了苦头,由于普适计算设备大多是互联网上已有的各种计算系统的延伸和拓展,扮演探测和感知的角色,智能化程度相对低;而服务对象似乎主要是个体,比如移动互联、家居、医疗、导游等,找不到真正穿透国民经济发展的突破点,很快沦落到一个尴尬的地位:每个人看了演示都觉得不错,但哪一个应用也没能大规模推广,普通民众更多时候的感觉就是一个词——麻烦。

无线传感器网络作为普适计算的一个实际延伸,数年前被美国加州大学伯克利分校的戴维卡勒(David Culler)掀起一阵热潮之后,大鸭岛,斑马网,金门大桥监控,火山与泥石流,青岛海洋,精准农业,煤矿救援以及林业生态监控,一系列概念系统纷纷走进人们视野。作为人们对物理世界进行有效感知和探测的手段,传感器早已开发、研究和使用了超过100年;但是把传感器组成网络,形成智能化的自我协同、自我定位则是一个巨大的进步。在一个传感网中,大量的传感器等微型化计算设备自组织的联接在一起,将计算和服务从满足个人需要进一步延伸到制造、运输、能源、环境和建筑等国民经济生产领域,适应人们对探索、利用和管理物理世界的需求。

另一方面,现实中,国民经济的发展对信息系统早已提出了更高的要求。在过往国民经济的各主要领域,物理基础设施和信息基础设施的建设往往是分开进行的。一方面人们不断地建设和完善周围的物理世界,如机场、公路、建筑物、交通工具等;另一方面,人们也在不遗余力地发展包含数据中心、个人电脑、宽带网络等的信息世界。两者是如此地割裂为两个次元。但现代经济的发展显然开始要求将计算技术拓展到整个人类生存和活动的空间,将人类的物理世界网络化、信息化,实现物理世界与信息系统整合统一。

最先意识到这一点的还是要算美国国家科学基金会(National Science Foundation),在近几年推出了Cyber-Physical Systems (CPS) 研究计划。CPS追求有效地联接诸如自动驾驶汽车、机器人、嵌入式医疗器械等物理设备,在物理设备和网络基础上,通过开发智能计算,通信,控制,新型传感技术,提供智能化的,快速响应的,因应用户需求的高质量服务,诸如结合传感器网络与移动通信技术的紧急救险与自动导航、建立车辆间网络辅助安全与自动化驾驶。CPS企图超越已有传感网系统自成一体,计算设备单一,缺乏开放性等缺点,更注重多个系统间的互联互通,并开发标准的互联协议和解决方案,同时强调与互联网进行联通,真正实现开放的,动态的,可控的,闭环的计算和服务支持。

2009年1月28日,美国总统奥巴马在美国工商业领袖举行的“圆桌会议”上,打破了这个僵局,他对IBM提出的“智慧地球”概念给予了非常积极的回应:“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”。智慧地球主张更透彻的感知,更全面的互联互通,和更深入的智能化。奥巴马的经济振兴计划的核心就包括兴建高速公路等基础设施,对互联网宽带进行升级,对公共建筑物进行节能改造等内容。这个举措也使得物联网概念一举登上了网络大舞台。

什么是物联网,至今并没有一个精准而公认的定义。关于这一点,在本书的正文中我们还要更加正规和详细的讨论到。我们很多学者为了找英文的对应,使用了Internet of Things (IoT) 作为物联网的英文对应,关于这一点是值得商榷的。我们现在讨论的物联网概念,实际上是中国人的一个发明,整合了美国的CPS,欧盟的IoT,和日本的i-Japan等概念,但又不完全和哪一个相同。前天我偶然和我的老师倪明选教授说起这一点,他笑呵呵的告诉我:“30年前我们也争论过到底什么才是互联网”。

物联网理念的出现应该说首先归功于物流系统的现代化需要。现代物流系统希望利用信息生成设备,如无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)、传感器,以及全球定位系统等种种装置与互联网结合起来而形成一个巨大网络。类似于条形码这种自动识别技术(Auto-ID),就是物联网的最初应用。除了物流领域,物联网还可以广泛应用在道路、交通、医疗、能源、家用电器监控等各个领域。物联网的发展要求将新一代信息化技术充分运用在各行各业之中,具体地说,就是把诸如感应器、RFID标签等信息化设备嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道、商品、货物等各种物理物体和基础设施中,甚至人体里,将它们普遍互联,并与互联网连接起来,形成 “物联”。值得注意的是,物联网这个概念虽然来自于物流行业的需要,但是把它局限在物流领域里就显得视野狭窄了。当我们仔细审视这个概念的时候,忽然惊讶于它的深远内涵:物联网无疑做到了十几年来人们一直想做的无线与有线在互联网上的有机融合;而潜在用户群一旦拓展到地球上所有的物体,摩尔定律竟然巧妙的继续有效了!

在这种意义上来说,下一代互联网的发展远景立刻明晰起来。我们可以大胆假设下一代互联网将是物联化的互联网,我们或者称之为‘大物联网’。大物联网不仅局限于目前互联网中信息系统和设备的连接与组合,还将继承和极大地拓展大型计算、桌面计算、普适计算、CPS、物联网、云等计算模式的应用范畴,彻底地整合物理世界与信息系统,为未来人类建设统一的赖以生存的智能化环境。

说到这里,似乎有超越这个前言范围的嫌疑了。我们言归正传,说说出版这本书的缘由和目的。

1998年,我作为原邮电部临时翻译被派到纽约,坐在卖烟草晋身的IBM总裁郭士纳一尺远的地方听他说理想中的E-service概念。那时我还不知道后来异常有名的“智慧尘埃”(Smart Dust)概念已经公之于众了,郭士纳先生也未必知道自己后来将因为所谓的15年周期定律被我们频频说起;大家抽空用中文悄悄交换着刚听到的传奇般的雅虎和免费的Email空间。真正在听郭士纳滔滔不绝的,其实只有我这个翻译。没有人意识到此后一年多Internet要经历一次泡沫迸裂,而桌上半数的精英即将加入失业大军。人们热烈地规划着今后几年的暴发路;津津乐道的,是贫困的大妈因为住在网络中心楼上就发财3千万的故事,还有王菲的相约九八。

1999年我参加信产部一个代表团到日内瓦参观电信展,正值邮政综合计算机网规划建设期间,因为其中有邮运指挥这一部分,大家都很关注相关的内容。展览会上有人极力宣传IoT/IoM等一系列概念,有点闹笑话的是那时候我还以为IoM就是Internet of Money,这么想也有一定合理性,因为那时候都把金融流和物流挂在嘴边,几年之后看一个文章才意识到是Internet of Media的简写。

2001年到2004年跟随倪明选老师做科研,第一个题目就是利用RFID做位置的感知,基于系统实验发表了"LANDMARC: Indoor Location Sensing Using Active RFID"这个论文。LANDMARC作为最早使用主动式RFID的定位系统之一,迄今为止被国际国内研究者引用超过六百次。2004-2007年,我们以煤矿安全生产和紧急救援为应用目标,提出无线传感器网络煤矿监控系统。通过自动监控煤矿工作空间的氧气含量、瓦斯浓度,实时检测渗水和矿道地质结构变形等事件,为煤矿意外事故的发生提供预警,并为发生事故后的紧急救援提供关键导航功能。2007-2008年,我们和中国海洋大学一起把传感网络应用到海洋生态环境监控中,研制了OceanSense系统,在黄海海域最多的时候部署了上百多个节点收集温度、光照、海深等环境数据。2008年至今,为了探求传感网大规模布署的技术壁垒,我们展开了绿野千传传感网林业监测系统。当时提出了3个1的决心,即在一个野外的真实环境,部署超过一千个节点的无线传感网系统,连续运转一年以上。在2009年5月我们成功部署了一个120个节点的原型系统,到10月份原型系统扩充至330个点,至今已经运转超过13个月(http://greenorbs.org/)。2009年8月我们在浙江省天目山自然保护区实现了一个超过200个节点的实用系统,该系统至今已经连续运转超过10个月。

在2009年8月,由于温家宝总理的无锡讲话,大家对传感网和物联网的关注度达到了一个新高。冷静下来之后,近来批评的声音此起彼伏了。这和我们10年前经历的Internet泡沫多么相像啊。批评与倡导都是应该尊重的,但前提必须是基于前瞻性的研究本身而并非盲目的。

我在各个高校和公司学习和访问的时候,大家的讨论经常会涉及这样几个问题,第一,什么是物联网,到底有什么新的内涵在里面;第二,我们常见的物流网和传感网,与物联网的关系是什么;第三,真正意义的物联网到底还要发展多少年。

这三个问题都太难了,但是关心这三个问题的老师和同学太多了,甚至社会上很多各行各业的人,通俗地说就是圈外的人,对物联网的发展也颇有兴趣。作为在普适计算、传感网、对等网里挣扎了10年左右的人,我逐渐觉得有必要做一点薪水以外的工作,就是根据以前的探究,写这样一本书来抛砖引玉。

物联网形式多样、技术复杂、牵涉面广。根据信息生成、传输、处理和应用的原则,我们把物联网分为四层:感知识别、网络构建、管理服务和综合应用。物联网各层之间既相对独立又联系紧密。在综合应用层以下,同一层次上的不同技术互为补充,适用于不同环境,构成该层次技术的全套应对策略。而不同层次提供各种技术的配置和组合,根据应用需求,构成完整解决方案。本书按照上述四层模型由浅入深展开讨论,力争为读者系统全面地展示物联网及其相关技术。在每一层中,我把内容上相对独立的技术和系统编排成独立的章节,从RFID、传感网,到互联网和移动通信网络,再到云计算和数据安全,基本囊括了物联网的主要内容。最后,通过讨论物联网的具体应用,例如智能物流和环境监测等,综合阐述并总结全书内容。

希望这本书首先能作为一本入门的教材供大学和相关研究机构使用;其次也尽量使其成为一个通俗的读物能引起普通读者的一些共鸣。本书的特点在于讨论物联网言之有“物”,从基本概念入手,强调应用,将内容落实到具体技术和解决方案,避免了炒作概念如建“空中楼阁”或者只谈技术却“见木不见林”。本书语言通俗,适合不同层次读者,加“*”号的内容为选学,供教师根据课程实际情况取舍。

这本书从下定了决心要写,到今天成稿,只有短短6个月的时间。我们整个科研小组的同学都参与本书的编写,他们包括(按姓氏拼音排序):曹志超,陈涛,董玮,韩劲松,何源,惠维,李默,李镇江,连硕,刘峻良,刘克彬,马强,苗欣,王成,王继良,郗旻,熊曙光,杨磊,杨铮,姚青松。第一稿出来之后,我和杨铮,陈涛,戴婧瑶、曹志超,张兰又进行了若干轮的反复修订和统稿。

自从我表达了打算编写这样一本书的意愿之后,许多国内外同行和业内人士都表达了热烈的鼓励和支持态度,在本书的写作过程中也给予了很大的帮助。我首先要感谢香港科技大学的倪明选教授,他多年来在科研工作上的教诲和指导让我受益良多。同时,过去6个月当中,对于本书写作以及物联网科研过程中遇到的困惑,我曾一次或者多次次当面请教过清华大学孙家广院士,中科院计算所李国杰院士,北京航空航天大学怀进鹏院士,北京邮电大学陈俊亮院士,IEEE并行与分布式系统学报(TPDS)主编Ivan Stojmenovic教授,浙江农林大学周国模和江洪教授,美国伊利诺伊理工大学李向阳教授,西安交通大学赵季中和齐勇教授,清华大学郑玮民、林闯和顾明教授,北京邮电大学马华东教授,南京大学吕健教授,东北大学于戈教授,哈尔滨工业大学李建中教授,东南大学罗君舟教授,上海交通大学陈贵海和王新兵教授,人民大学王珊教授,北京大学梅宏教授,西北工业大学周兴社教授,西安电子科技大学马建峰教授,中国科技大学黄刘生教授,中科院计算所谢高岗和崔莉教授,南京邮电大学杨震教授,上海同济大学蒋昌骏教授,国防科技大学肖侬教授,山东大学孟祥旭教授,成都电子科技大学秦志光教授,中国海洋大学郭忠文教授等等,书中的很多观点来自和他们的交流讨论。除此之外,许多高校教师审阅了本书的草稿,提出了许多宝贵意见。另外,科学出版社的文戈在本书的写作过程中提供了很多出版方面的建议。物联网所涉及的内容跨越多个学科,而我的研究工作只限于其中几个方面,因此,本书实际上凝聚了很多物联网领域科研人员的智慧和见解。在此对这些专家表示衷心的感谢。

物联网正在以超越“爆炸”的速度发展,目前能够参考的材料几乎是千篇一律甚至可以说少的可怜,因此本书从某种程度上也成了雾里看花。当我们十年二十年之后来看今天这个文字,也许充满了错误与笑料。但是,如果我可以用一个豪迈的句子来结束这个小小探讨的时候,我想说,既然每个尘埃都将有一个独立的地址,现在我们可以认真的考虑把他们都连起来了。