1.1 物联网的起源和发展

早在1995年，比尔·盖茨在其著作《未来之路》中已有这样的描述：“凭借你佩戴的电子饰品，房子可以识别你的身份，判断你所处的位置，并为你提供合适的服务；在同一房间里的不同人会听到不同的音乐；当有人打来电话时，整个房子里只有距离人最近的话机才会响起……”

上面这些在科幻小说里面出现的场景和功能，被视为人们对物联网所具备的神奇功能的期待和预言。至于物联网具体的起源，当前普遍认同的观点是：物联网起源于传感器网络、传感器、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）以及标识编址技术的融合发展。当前各项技术发展并不均衡，互联网、射频识别技术等已经较为成熟，而传感器网络相关技术尚有很大的发展空间。

1.1.1 传感器网络

传感器网络（Sensor Network）诞生于军事应用中，最早可以追溯到20世纪60年代的越南战争。由于密林和多雨的天然屏障，大大削弱了卫星与航空侦察的效果。美军从1968年开始，在胡志明小道上投放了数十万个具有音频和振动感知功能的无线传感器，以期建立电子屏障来切断越军的补给线。这个项目的名称为Operation Igloo White。这一阶段的无线传感器除了与侦察机点对点通信外，还不具备现代传感器网络所具备的节点计算功能和节点间的通信功能。

1980年，美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）启动了分布式传感器网络（Distributed Sensor Networks，DSN）项目。但由于技术条件的限制，传感器网络的研究热潮在20世纪90年代才开始真正出现。

早期传感器网络的研究主要来自美国军方和自然科学基金的资助项目。1993年开始的无线集成网络系统（Wireless Integrated Networks Systems，WINS）项目，由美国加州大学洛杉矶分校和罗克韦尔自动化中心共同开发。1996年开始的由美国麻省理工学院承担的μAMPS（Micro-Adaptive Multidomain Power Aware Sensors）项目致力于开发一个完全面向低功耗需求的无线传感器网络系统。1998年开始的SensIT（Sensor Information Technology）项目致力于研究大规模分布式军事传感器系统。Smart Dust和PicoRadio项目在1999年启动，由美国加州大学伯克利分校负责。

上述传感器网络科研项目主要致力于研究和开发小型化、低功耗的无线传感器网络节点。其中，WINS项目涵盖了MEMS传感器、通信芯片、信号处理体系、网络通信协议等多个研究领域；μAMPS项目有一个重要研究成果，即著名的低功耗无线传感器网络组网（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）协议；SensIT项目的首要任务是为网络化微传感器开发所需要的软硬件；Smart Dust和PicoRadio项目负责研究低成本、低功耗的传感器网络节点芯片。

早期传感器网络科研项目的主要成果是一系列无线传感器网络平台和初级应用示范系统，其中以Motes硬件平台及其配套操作系统TinyOS的影响最为广泛，目前已被全球400多家研究机构所采用。

进入21世纪以来，传感器网络不再只局限于军事应用，在非军事方面也获得了日益广泛的应用。例如，部署于美国缅因州大鸭岛的传感器网络主要用于监测环境；部署于旧金山金门大桥的传感器网络主要用于监测桥梁状态；部署于地下矿井的传感器网络主要用于保证煤矿安全生产。这些实际的应用场景为传感器网络提供了真实的测试验证环境，同时也发掘了传感器网络研究的新方向。

2016年前后的传感器网络科研工作主要致力于开展大量针对传感器网络通信协议及其支撑技术的细化研究，如网络拓扑控制、MAC协议、路由协议、网络安全、时间同步、节点定位等，同时也对传感器网络中的信息处理、数据查询、数据融合、部署覆盖等相关问题进行了深入研究。近期传感器网络的科研工作则主要在低功耗广域网方面。

综合以上介绍不难看出，与传感器网络相关的研究工作起步于传感器节点平台的研制，随后以应用为驱动扩展到网络通信协议、数据信息处理等研究领域，目前已经在数据信息的采集、处理、传输、应用等方面取得了丰硕的成果并积累了宝贵经验。从技术和应用两方面的经验总结来看，传感器网络最显著的技术特征和最重要的应用目标是感知物理世界。随着传感器网络技术的进步和应用领域的延伸，物联网的目标逐渐清晰、发展时机日趋成熟。传感器网络被视为物联网的一个主要起源。

1.1.2 传感器技术

如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。传感器技术是从外界获取信息，并对之进行处理和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，是物联网获取外部世界信息不可或缺的一环。

在工农业生产领域，工厂的自动流水生产线、全自动加工设备、许多智能化的检测仪器设备都采用了大量各种各样的传感器。在家用电器领域，全自动洗衣机、电饭煲和微波炉都离不开传感器。在医疗卫生领域，电子脉搏仪、体温计、医用呼吸机、超声波诊断仪、断层扫描（CT）及核磁共振诊断设备，都大量地使用了各种各样的传感器技术。在军事国防领域，各种侦测设备、红外夜视探测、雷达跟踪、武器的精确制导没有传感器是难以实现的。在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理和自动驾驶、着陆盲降系统都需要传感器。此外，在矿产资源、海洋开发、生命科学、生物工程等领域，传感器都有着广泛的用途。目前，传感器技术已受到各国的高度重视，并已发展成为一种专门的技术学科。

虽然传感器技术的发展历史很长，然而在相当长的一段时间内，传感器技术并没有得到相应的重视。直到集成电路、计算技术、通信技术乃至传感器网络技术飞速发展以后，人们才逐步认识到作为获取外界信息的关键一环——传感器技术，并没有跟上信息技术的发展步伐。至此，传感器技术开始在世界范围内受到了普遍重视。

从20世纪80年代起，世界范围内逐步掀起了一股“传感器热”。美国国防部将传感器技术视为关键技术之一，美国早在20世纪80年代初就成立了国家技术小组（BTG），帮助政府组织和领导各大公司与国家有关部门进行传感器技术开发工作，并声称世界已进入传感器时代。在对美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中，有6项与传感器信息处理技术直接相关。在与保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术中，有8项与传感器相关。2000年美国空军列举了15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术，传感器技术就名列其中。日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导、人工智能并列为6大核心技术，日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。日本科学技术厅制定的20世纪90年代重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项与传感器技术密切相关。德国视军用传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，俄罗斯军事航天计划中同样列有传感器技术。传感器技术在我国的快速发展始于1986年，即第7个五年计划开始，我国正式将传感器技术列入国家重点攻关项目，以机械敏、力敏、气敏、湿敏、生物敏传感器作为5大研究重点，并成立了多个传感器技术国家重点实验室及工程中心，但我国的传感器技术水平目前仍然落后于国外先进水平。

由于世界各国的普遍重视和投入开发，传感器的发展十分迅速。近十几年来，其产量及市场需求年增长率均在10%以上。目前，世界上从事传感器研制生产的单位已增到5000余家。

传感器技术属于多学科交叉、技术密集的高技术产品。一方面，随着传感器技术应用范围的不断扩展，需要在新的应用场景下测量多种新信息，对于新型传感器有着大量的需求。另一方面，随着新型敏感材料及精密制造技术的不断进步，新材料、新元件和新工艺不断出现，也为新型传感器的出现提供了新的基础。当前除了传统的电阻式传感器、电感式传感器以外，多种新颖、先进的传感器不断出现如超导传感器、生物传感器、智能传感器、基因传感器以及模糊传感器等。

传感器是物联网必不可少的信息来源。随着传感器技术的进步和应用领域的延伸，使得物联网能够获取的信息与日俱增。因此，传感器技术也被视为物联网的一个主要起源。

1.1.3 射频识别（RFID）技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到目标识别的目的并交换数据。RFID技术能实现多目标识别、运动目标识别，便于通过互联网实现物品的识别、跟踪和管理，因而受到了广泛的关注。

产品电子编码（Electronic Product Code，EPC）是与EAN/UCC码兼容的编码标准，其特点是给每一个单独的产品编号，并且为RFID标签的编码和解码提供一致的标准。EPC标准的出现使得RFID标签在整条物流供应链中的任何时候都可以提供产品的流向信息，使每个产品信息有了共同的沟通语言。通过互联网实现物品的自动识别和信息交换与共享，进而实现对物品的透明化管理。

在1999年成立的Auto-ID中心最早开展RFID技术的研究工作。在2003年，Auto-ID中心将研究成果和相关技术形成了无线射频身份标签的标准草案。同年10月，Auto-ID中心的管理职能正式终止，其研究功能并入新成立的Auto-ID实验室，而商业功能则由新成立的EPCglobal负责。

Auto-ID实验室已建立了一个具有商业驱动力、全球可持续、经济高效、面向未来的RFID基础设施网络。这种基础设施网络具有很强的鲁棒性和灵活性，能够很好地支持未来的技术、应用和产业。目前，Auto-ID实验室的总部设在美国的麻省理工学院，并有6所全球顶尖的研究型大学的实验室参与，它们是英国剑桥大学、澳大利亚阿德莱德大学、日本庆应义塾大学、瑞士圣加仑大学、中国复旦大学和韩国信息与通信大学。

EPCglobal是国际（欧洲）物品编码协会（European Article Number Association，EANA）和美国统一代码委员会（Uniform Code Council，UCC）的一个合资公司，它是一个受业界委托而成立的非盈利组织。EPCglobal与许多著名的跨国公司和世界范围内的顶级大学建立了密切的合作关系。EPCglobal的主要职责是在全球范围内对各个行业建立和维护EPC网络，保证供应链上各环节信息的自动、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。

从以上介绍不难看出，Auto-ID实验室和EPCglobal分别从研究和应用的角度推动了RFID技术的不断发展。

近年来，RFID技术的重要进展包括：超高频RFID读写器功能增强，并向低功耗、低成本、一体化、模块化发展；采用新开发的喷墨打印制造工艺生产RFID电子标签，可以使单个电子标签价格降至4美分；RFID新型中间件的推出使标签数据、读写器的管理更加快捷和简单。RFID技术的这些进步，为准确、高效地实现物品识别提供了可靠保障。

目前，RFID技术的应用领域包括电子门票、手机支付、车牌识别、不停车收费、港口集装箱管理、食品安全管理等。由于具备实现物品自动识别和信息交换的能力，RFID技术被形象地比喻为“物物通信技术”。加之RFID技术广泛应用于物流领域的现状，RFID被视为物联网的起源之一。

1.1.4 标识及编址技术

在物联网中，为了实现人与物、物与物的通信以及各类应用，需要利用标识来对人和物等对象、终端和设备等网络节点以及各类业务应用进行识别，并通过标识解析与寻址等技术进行翻译、映射和转换，以获取相应的地址或关联信息。据权威机构统计分析，物物通信的数量将会是现在互联网通信节点数量总和的30倍以上。因此，标识及编址技术对于物联网来说是保证其能够正确运行的技术基础，也被认为是能够形成物联网概念的起源之一。

通常来说，一般可以将物联网标识分成对象标识、通信标识和应用标识三类。对象标识主要用于识别物联网中被感知的物理或逻辑对象，例如某个特定的人或物体等。该类标识通常用于相关对象信息的获取及控制与管理，不直接用于网络层通信或寻址，如二维码、RFID都可认为属于对象标识的范畴。通信标识主要用于识别物联网中具备网络通信能力的网络节点，例如传感器节点等网络设备节点。这类标识的形式可以是E.164号码、IP地址、国际移动用户识别码（Internation Mobile Subscriber Identification Number，IMSI）等。通信标识可以作为相对或绝对地址用于通信或寻址，用于建立到通信节点的连接。应用标识主要用于对物联网中的相关业务应用进行识别，例如智慧城市、智慧农业应用等。同时，物联网中标识管理技术与机制也必不可少，用于实现标识或地址的申请与分配、注册与鉴权、生命周期管理，并确保标识或地址的唯一性、有效性和一致性。

在物联网对象标识方面，相关的应用、技术标准和市场都在不断增强和拓展。以RFID技术为例，采用RFID技术的中国二代身份证发行量已经超过10亿张，城市交通一卡通应用也已经覆盖国内100多个大中型城市。同时，随着智能手机和移动互联网的发展，基于智能手机的二维码标识类公共服务应用，如电子票据、电子优惠券、商品信息查询等已经在大中型城市初步普及，随着三大电信运营企业、腾讯微信和阿里巴巴等互联网企业的推进，二维码应用的前景被普遍看好。

在标准化方面，一维码、二维码的相关国际标准已经比较成熟，目前国际上的标准化工作主要集中在RFID方面。国际上RFID技术标准的制定主要是以国际标准化组织（ISO）/国际电工委员会（IEC）为主导，涉及空中接口标准、数据标准、测试标准、实时定位标准、安全标准等，另外EPCglobal、日本UID等也制定了相关的RFID通用技术标准。总体上，当前国际上RFID技术标准已经形成了以ISO/IEC为主导的比较完善的体系。

与此对应，相应的对象标识解析技术标准在国际上主要有三大体系，即由EPCglobal定义的ONS（Object Name Service，对象名称服务）、ITU和ISO联合制定的面向OID（Object Identifiers，对象标识符）的ORS（Object identifier Resolution System，对象标识符解析系统）、日本泛在识别中心定义的uCode解析服务体系。EPCglobal全球解析服务委托由VeriSign营运，现在在国际范围内已建立了7个解析服务中心。ITU和ISO已经联合发布ORS标准（ITU-TX.672；ISO/IEC 29168-1），其解析系统还在发展建设中。日本uCode解析服务体系与上述网络化的解析体系相比，在读卡器中预置标识关联信息，还支持不通过网络来检索商品详细信息的功能。另一方面，对象标识的编码和分配管理与对象标识解析体系紧密相关。不同组织所采用的编码方案和管理规则通常不同，EPCglobal使用EPC编码，包括96位、64位两种，可以扩展到256位。我国的EPC编码分配由中国物品编码中心负责。OID采用树状结构，树顶层分成ITU、ISO和ITU/ISO联合三个分支。日本使用的uCode编码，长度为128位，可以扩展到512位，能够兼容日本已有的编码体系，同时也能够兼容EPC-global等编码体系。

在物联网通信标识方面，由于物联网是通信网和互联网的拓展应用与网络延伸，当前物联网中的通信标识，很大一部分仍然沿用了现有电信网及互联网标识方式，如IP地址、E.164号码和IMSI等通信标识。

大部分物联网终端节点通过固定或移动互联网的IP数据通道与网络和应用进行信息交互，需要为物联网终端节点分配IP地址。物联网终端数量将是人与人通信终端的10倍到几十倍，按照每年30%的增长率，到2022年我国M2M终端节点将达到146亿左右，物联网将对IP地址产生强劲需求。目前IPv6是突破IP地址空间不足的最佳选择，国内外正在积极研究基于IPv6的物联网标识及编码机制。基于IEEE 802.15.4实现IPv6通信的IETF 6LoWPAN草案标准的发布是在此方向上的一个有效探索。IETF 6LoWPAN工作组的任务是在定义如何利用IEEE 802.15.4链路支持基于IP的通信的同时，遵守开放标准以及保证与其他IP设备的互操作性。6LoWPAN所具有的低功率运行的潜力使它很适合应用在从手持机到仪器的设备中，而其对AES-128加密的内置支持为强健的认证和安全性打下了基础。6LoWPAN为IPv6在物联网中的应用提供了一个有效的思路。

除了IP地址以外，E.164及IMSI地址也是物联网通信标识的有效组成部分。我国已经规划了1064xxxxxxxxx共计10亿个专用号码资源用作M2M（Machine to Machine），中国移动获得10648号段、中国电信获得10649号段、中国联通获得10646号段，每个运营商分别有1亿个E.164号码资源可用。同时还规划了14xxxxxxxxx共计10亿个号码资源用于有语音通信需求的物联网应用。我国IMSI由460+2位移动网络识别码+10位用户识别码组成，共计有1万亿IMSI资源，按当前IMSI的实际利用率约为3%～4%计算，至少满足300亿～400亿终端的需求，可满足相当长一段时间的发展。

综上所述，物联网当前所用的标识技术由于适用范围、成本等的不同，将长期共存。为了支持跨异构网络跨行业的物联网标识技术，可以首先推进不同标识体系的互联互通，未来还需要考虑物联网的新型标识及编址技术来满足物联网特殊的物与物通信的需求。