物联网技术及其实验介绍了物联网的核心技术，并给出对应的实验。物联网技术及其实验分为12 章，包括：物联网基础理论、RFID 基础、RFID 读写功能、RFID 标签防冲突识别、2.4GHz RFID 系统读取标签信息实验、物联网节点外设控制、基于物联网的数据无线收发及远程控制、传感器基本功能、RFID 系统接入蜂窝网络实验、物联网嵌入式软件开发、物联网在智能家居和智慧农业的开发案例等。深入浅出地介绍了工作原理、实验设备与环境、实验内容、实验步骤以及预习和实验报告要求。读者通过阅读和参与实验得以体验与学习物联网关键技术，同时每个实验也可以延伸为研究开发平台。物联网技术及其实验还有配套的实验和开发设备。
物联网技术及其实验既可作为高等院校物联网、通信、信息、电子、自动控制、计算机科学与工程等专业的本科生教材及实验指导书，也可供研究生和有关科学研究和产品开发人员使用。
第 1 章 物联网基础理论
1.1 引 言
物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的新一轮信息技术革命。物联网的 英文名称为 Internet of Things，简称 IoT。顾名思义，物联网就是“物物相连的互联 网”。因此，物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统(GPS)、 激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信 息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 它具有唯一标识、全面感知、可靠传输、智能处理等特征。
“物联网”的概念最早出现于 1999 年，由美国麻省理工学院 Auto-ID 研究中心 首先提出。当时的物联网主要是建立在物品编码、RFID 技术和互联网的基础上。
它是以美国麻省理工学院 Auto-ID 中心研究的产品电子代码 EPC(Electronic Product
Code)为核心，利用射频识别、无线数据通信等技术，基于计算机互联网构造的实 物互联网。
本章从物联网的定义、发展、框架、主要技术和应用以及未来展望等方面阐述 物联网，使读者对物联网基本结构体系有较深入的了解。
1.2 物联网的定义
1.2.1 政府等机构对物联网的定义
目前，不同领域的研究者对物联网的描述侧重于不同的方面，短期内还没有达 成共识。另外物联网的概念与内涵也在不断地发展。
下面给出几个具有代表性的物联网定义：
物联网就是把所有物品通过射频识别(RFID)和条码等信息传感设备与互联网 连接起来，实现智能化识别和管理。其实质就是将 RFID 技术与互联网相结合并加
以应用。
——1999 年由麻省理工学院 Auto-ID 研究中心首先提出 物联网主要解决物品到物品( Thing to Thing, T2T)、人到物品(HumAn to Thing,
H2T)、人到人(HumAn to HumAn, H2H)之间的互联。
——国际电信联盟(ITU)发布的《ITU 互联网报告 2005：物联网》
物联网是由具有标识、虚拟个性的物体/对象所组成的网络，这些标识和个性等 信息在智能空间使用智慧的接口与用户、社会和环境进行通信。
——欧洲智能系统集成技术平台(EPoSS)发布的《Internet of Things in 2020》报告 物联网是未来互联网的一个组成部分，可以被定义为基于标准的和可互操作的
通信协议，且具有自配置能力的、动态的全球网络基础架构。物联网中的“物”具 有标识、物理属性和实质上的个性，使用智能接口实现与信息网络的无缝整合。
——欧盟第七框架下 RFID 和物联网研究项目组发布的研究报告 物联网是通过传感设备按照约定的协议，把各种网络连接起来，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。
——我国 2010 年的政府工作报告 从产业链角度看，物联网的产业链与当前的通信网络产业链是类似的，但最大
的不同点在于上游新增了 RFID 和传感器，下游新增了物联网运营商。其中 RFID
和传感器是给物品贴上身份标识和赋予智能感知能力，物联网运营商通常提供海量 数据处理和信息管理服务。
1.2.2 物联网与其他网络之间的关系
物联网与传感器网络、互联网以及泛在网等网络有着密切的关系。 传感器网络以对物理世界的数据采集和信息处理为主要任务，以网络为信息传
递载体，实现物与物、物与人之间的信息交互，提供信息服务的智能网络信息系统。 有的专家认为，物联网就是传感网，只是给人们生活的环境中的物体安装传感器。
但是这样设定的后果，会使得物联网的外延缩小。物联网如果仅仅作为传感网，物 在联网之后，只需服从控制中心的指令，而各系统的控制中心则是互相分离的；如
果作为互联网的延伸，则可以将所有联网的系统与节点有机地连成一个整体，起到 互相协同的作用。能够明显看出，传感网只是一个较小的概念，完全可以将其包容
在作为互联网的扩展形式的物联网的概念之内，传感网技术可以认为是物联网实现 感知功能的关键技术。
同时，物联网并不是互联网的翻版，也不是互联网的一个接口，而是互联网的 一种延伸，是虚拟世界向现实世界的进一步延伸。物联网作为互联网的扩展，具备
了互联网的特性，但是又进一步增强了互联网的能力。虚拟世界的信息量在物联网 时代会急速增加，人人间通信会扩展到人人、物物、人物间通信，信息化的触角在
现实中扎得更深，这是最明显的不同。
泛在网络(Ubiquitous Computing)也被称作无所不在的网络，最早见于施乐首席 科学家 MArk Weiser 在 1991 年发表的题为《21 世纪的计算》的文章。泛在网络是
为了打破地域限制，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。人们可以在意识不到网络存在的情况下，随时随 地通过适合的终端设备上网并享受服务。泛在网络要求尽量不改变或少改变现有设
备及技术，通过异构网络之间的融合协同作用来实现。 从二者的定义上来看，物联网和泛在网有很多重合的地方，都强调物物之间、
人物之间的通信，物联网的应用也有泛在化的需求和特征。但是从广度上来说，泛 在网络的概念反映了信息社会发展的远景和蓝图，具有比物联网更广泛的内涵。泛
在网络可以认为是一个大而全的蓝图，而物联网是该蓝图目前实施中的物联阶段。 综上所述，可以认为传感网是物联网的组成部分，物联网是互联网的延伸，泛
在网是物联网发展的前景。
1.3 物联网的发展
1.3.1 历史
1995 年，比尔?盖茨在《未来之路》中首次描述物联网的场景。
1999 年，麻省理工学院正式提出“物联网”的概念。
2005 年，ITU 发布了关于“物联网”的专题报告。此后产生了“机器通信、泛 在计算、感知网络”等新的名词，但进展总是低于预期。
2009 年，随着美国新能源战略的出台，以及 IBM 的“智慧地球”等营销词汇 的出现，“物联网”再次“火”起来。
自从 2009 年 8 月 7 日，国务院总理温家宝来到中国科学院无锡高新微纳传感网 工程技术研发中心考察并发表重要讲话后，“物联网”这一概念在中国迅速走红，各
地相继成立了各种与物联网有关的组织。沪深股市一夜间打造出了新的板块——“物 联网板块”，与物联网相关公司的股票也一涨再涨，掀起了一阵物联网狂潮。
1.3.2 发展现状
1)欧盟
2008 年 10 月，欧洲物联网大会在法国召开。会议就 EPCglobAl 网络架构在经 济、安全、隐私和管理等方面问题进行广泛交流，为建立一套公平的、分布式管理
的唯一标识符达成了共识，提出了 10 项建议。针对这 10 项建议，欧盟提出了 12
项具体的行动。自 2007 年到 2010 年，欧洲已经投入 27 亿欧元。目前欧盟已将物 联网及其核心技术纳入到预算高达 500 亿欧元并开始实施的欧盟“第七个科技框架
计划(2007—2013 年)”中。这也是 1994 年以电信业为代表的“欧洲之路”战略、
1999 年 e-Europe 战略的最新延伸。
2)美国
2008 年 11 月，美国 IBM 公司总裁彭明盛在纽约对外关系理事会上发表了题 为《智慧的地球：下一代领导人议程》的讲话，正式提出“智慧的地球”(SmArter PlAnet)
设想。奥巴马就任总统后，把“宽带网络等新兴技术”定位为振兴经济、确立美国 全球竞争优势的关键战略，并在随后出台的总额 7870 亿美元《经济复苏和再投资法》 (Recovery And Reinvestment Act)中对上述战略建议具体加以落实。
3)日本
日本的 U-JApAn 计划通过发展“无所不在的网络”(U 网络)技术催生新一代信 息科技革命。日本 U-JApAn 战略的理念是以人为本，实现所有人与人、物与物、人
与物之间的连接，即所谓 4U(Ubiquitous：无所不在，UniversAl：普及，User-oriented： 用户导向，Unique：独特)。2009 年 8 月，日本又将 U-JApAn 升级为 I-JApAn 战略，
提出“智慧泛在”构想，将传感网列为其国家重点战略之一，致力于构建一个个性 化的物联网智能服务体系，充分调动日本电子信息企业积极性，确保日本在信息时
代国家竞争力始终位于全球第一阵营。
4)韩国
韩国是全球首个提出 U 战略的国家之一，也实现了类似日本的发展。韩国成立 了以总统为首的国家信息化指挥、决策和监督机构—“信息化战略会议”及由总理
负责的“信息化促进委员会”，为 U-KoreA 信息化建设保驾护航。2009 年 10 月 13
日韩国通信委员会出台了《物联网基础设施构建基本规划》，将物联网市场确定为新 增长动力。
5)中国
2009 年 8 月，我国总理温家宝在考察无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时 指出，要积极创造条件，在无锡建立中国的传感网中心(“感知中国”中心)，发展
物联网。2009 年 11 月，我国国家领导人在人民大会堂向科技界发表了题为《让科 技引领中国可持续发展》的讲话，其中提到要着力突破传感网、物联网的关键技术，
及早部署后 IP 时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社 会的“发动机”。2010 年 3 月，“加快物联网的研发应用”第一次写入中国政府工
作报告。
《国家中长期科学与技术发展规划(2006－2020 年)》和“新一代宽带移动无线 通信网”重大专项中，均将传感网列入重点研究领域。工业和信息化部开展物联
网的调研，计划从技术研发、标准制定、推进市场应用、加强产业协作 4 个方面
支持物联网发展。同时，各部门、各地区积极响应，纷纷出台各项举措，推动物 联网发展。
目前物联网在我国的发展形态主要以 RFID、M2M、传感网网络 3 种为主，主 要依托于科研项目、科研成果的示范，在物联网的国际标准制定方面已经具有了一
定的发言权，形成了具有自主知识产权的核心技术和标准，提高我国在物联网领域 内的竞争力。物联网的应用已经扩展到交通运输、食品安全、电网管理、公共服务
等多个方面。
1.4 物联网的架构
物联网系统有 3 个层次，一是感知层，即利用 RFID、传感器、二维码等随时随 地获取物体的信息；二是网络层，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信 息实时、准确地传递出去；三是应用层，把感知层得到的信息进行处理，实现智能 化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用。物联网技术体系架构如图 1-1 所示。
图 1-1 物联网技术体系架构
1.4.1 感知层
感知层，顾名思义就是感知系统的一个层面。这里的感知主要就是指系统信息 的采集。感知层就是通过一维/二维条码、射频识别(RFID)、传感器、红外感应器、 全球定位系统等信息传感装置，自动采集与所有物品相关的信息，并传送到上位端， 完成传输到互联网前的准备工作。
1.4.2 网络层
物联网的网络层可以理解为搭建物联网的网络平台，建立在现有的移动通信网、 互联网和其他专网的基础上，通过各种接入设备与上述网络相连，如手机付费系统 中由刷卡设备将内置手机的 RFID 信息采集、上传到互联网，在网络层完成后台鉴 权认证并从银行网络划账。
在物联网架构图中，我们可以清楚地看到位于第二层的网络层起到了连接上下 两层的作用。网络层的作用就是当感知层中的感应设备将物品信息传输到网络节点 后，再通过网络层中的移动通信网络、互联网和其他专用网络连接各个服务器，以 使客户可以根据自己的需要获取物品信息。
1.4.3 应用层
“物联网”概念的问世，打破了之前的传统思维。过去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，而另一方面是数据中心， 个人计算机、宽带等。而在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整 合为统一的基础设施。在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运 转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活。
应用层主要包含应用支撑子层和应用子层。其中应用支撑子层用于支撑跨行业、 跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能，主要包括公共中间件、信息
开放平台、云计算平台和服务支撑平台。应用子层主要包括智能交通、供应链管理、
智能家居、工业控制等行业应用。
1.5 物联网的主要技术
在物联网技术架构图(图 1-1)中我们还可以看到物联网涉及到的公共技术，例 如：传感器技术、编码技术、标识技术、解析技术、短距离无线传输技术、安全技 术，以及中间件技术等。
1.5.1 传感器技术
传感器是一种检测装置，能感受到被测的信息，并能将检测感受到的信息， 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处 理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 在物联网系统中，对各种参量进行信息采集和简单加工处理的设备，被称为物联 网传感器。
传感器的分类方法多种多样。根据输入物理量可分为：位移传感器、压力传感 器、速度传感器、温度传感器及气敏传感器等。根据工作原理可分为：电阻式、电 感式、电容式等。根据输出信号的性质可分为：模拟式传感器和数字式传感器。根 据能量转换原理可分为：有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电量转换为电 能量，如压电式、磁电式传感器等；无源传感器不起能量转换作用，只是将被测非 电量转换为电参数的量，如电阻式、电感式及电容式传感器等。
传感器是摄取信息的关键器件，它是物联网中不可缺少的信息采集手段，也是 采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生产技术
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