目錄
序
前言
第1章AIoT概論 /1
1.1IoT的形成 /1
1.1.1IoT形成的社會背景 /1
1.1.2IoT形成的技術背景 /3
1.1.3IoT與Internet的主要區別 /9
1.1.4我國IoT技術與產業發展 /14
1.2AIoT的發展 /15
1.2.1AIoT發展的社會背景 /15
1.2.2AIoT發展的技術背景 /16
1.3AIoT技術特征 /22
1.3.1AIoT“物”的特征 /22
1.3.2AIoT“網”的特征 /24
1.3.3AIoT“智”的特征 /29
1.4AIoT體繫結構研究 /31
1.4.1AIoT體繫結構研究的重要性 /31
1.4.2AIoT 技術架構 /32
1.4.3AIoT層次結構模型 /36
1.4.4術語“網”與“管”的辨析 /36
1.5用計算機繫統觀去分析AIoT體繫結構 /38
1.5.1從計算機體繫結構角度認識AIoT
硬件組成與結構 /38
1.5.2從計算機操作繫統角度認識AIoT
軟件組成與結構 /41
1.5.3從計算機網絡角度認識AIoT網絡
體繫結構 /42
參考文獻 /46
第2章AIoT感知層 /48
2.1AIoT感知層的基本概念 /48
2.1.1感知、傳感器與感知層 /48
2.1.2AIoT終端設備的基本概念 /50
2.1.3AIoT接入設備數量與類型的發展
趨勢 /53
2.2傳感器的分類與特點 /53
2.2.1常用傳感器 /53
2.2.2傳感器的主要技術指標 /55
2.2.3傳感器在AIoT中的應用 /55
2.2.4傳感器技術的發展趨勢 /57
2.2.5智能傳感器的研究與發展 /58
2.3RFID與自動識別技術 /61
2.3.1自動識別技術的發展過程 /61
2.3.2RFID標簽的基本概念 /63
2.3.3RFID標簽編碼標準 /67
2.3.4EPC信息網絡繫統 /70
2.3.5ONS服務器體繫 /72
2.3.6RFID標簽讀寫器 /74
2.4位置感知技術 /76
2.4.1位置信息與位置感知的基本
概念 /76
2.4.2北鬥衛星定位繫統 /78
2.4.3蜂窩移動通信定位技術 /85
2.4.4Wi-Fi位置指紋定位技術 /87
2.4.5高精度地圖的研究與應用 /90
2.5AIoT智能硬件 /91
2.5.1AIoT智能硬件的基本概念 /91
2.5.2嵌入式技術的基本概念 /92
2.5.3AIoT操作繫統 /96
2.5.4AIoT智能人機交互技術 /98
2.5.5可穿戴計算設備及其在AIoT中的
應用 /104
2.5.6智能機器人及其在AIoT中的
應用 /106
參考文獻 /110
第3章AIoT接入層 /112
3.1AIoT接入層的基本概念 /112
3.1.1AIoT設備接入方式 /112
3.1.2受限節點與受限網絡 /114
3.1.3接入技術與接入網的分類 /116
3.1.4接入層結構特點 /117
3.2有線接入技術 /118
3.2.1局域網接入 /118
3.2.2電話交換網與ADSL接入 /119
3.2.3有線電視網與HFC接入 /120
3.2.4電力線接入 /121
3.2.5光纖與光纖傳感網接入 /122
3.3近距離無線接入技術 /124
3.3.1藍牙技術與標準 /124
3.3.2ZigBee技術與標準 /126
3.3.36LoWPAN與IEEE 802.15.4標準 /127
3.3.4WBAN與IEEE 802.15.6標準 /129
3.3.5NFC技術與標準 /131
3.3.6UWB技術與標準 /133
3.4Wi-Fi接入技術 /135
3.4.1Wi-Fi研究的背景 /135
3.4.2IEEE 802.11協議標準 /136
3.4.3空中Wi-Fi與無人機網 /138
3.5NB-IoT接入技術 /140
3.5.1NB-IoT的發展過程 /140
3.5.2NB-IoT的技術特點 /140
3.5.3NB-IoT的應用領域 /141
3.6無線傳感網接入技術 /143
3.6.1無線傳感網的基本概念 /143
3.6.2無線傳感網的研究與發展 /146
3.7現場總線、工業以太網與工業無線網
接入技術 /157
3.7.1工業物聯網接入技術的基本概念 /157
3.7.2現場總線技術 /158
3.7.3工業以太網技術 /160
3.7.4工業無線網技術 /165
參考文獻 /168
第4章AIoT邊緣計算層 /169
4.1邊緣計算的基本概念 /169
4.1.1從雲計算到移動雲計算 /169
4.1.2從移動雲計算到移動邊緣計算 /172
4.1.3移動邊緣計算的基本概念 /176
4.1.4移動邊緣計算的特征 /177
4.1.5邊緣雲與核心雲的關繫 /178
4.1.6移動邊緣計算的實現方法 /180
4.25G與移動邊緣計算 /182
4.2.1AIoT實時性應用的需求 /182
4.2.25G移動邊緣計算的基本概念 /183
4.2.35G移動邊緣計算的優點 /184
4.2.4移動邊緣計算的研究與標準化 /185
4.3移動邊緣計算架構 /185
4.3.1ETSI MEC參考模型 /185
4.3.2MEC平臺邏輯結構 /186
4.4移

前言
我們正處在物聯網創新發展與新工業革命的歷史交彙期，5G、雲計算、大數據、人工智能、邊緣計算、區塊鏈與各行各業在物聯網（IoT）平臺上的深度“融合”，推動了智能物聯網（AIoT）的發展。新技術、新應用、新業態層出不窮，圍繞著核心技術、標準與平臺的競爭日趨激烈。我國物聯網產業發展勢頭強勁，技術發展日新月異。
在寫完《深入理解互聯網》與《深入理解移動互聯網》兩本書後，面對物聯網技術發展演變迅速的局面，我們都對是否能夠繼續完成《深入理解物聯網》產生過猶豫，原因很簡單：技術發展太快，涉及的知識面太廣，寫作難度太大。但出於教育工作者的責任心，我們決定還是要為推動物聯網技術研究與學科建設盡自己綿薄之力。
在2007年著手構思與寫作第一部有關物聯網的著作《智慧的物聯網—感知中國和世界的技術》時，我們就意識到計算機網絡的概念與技術將發生顛覆性的變化。基於這個判斷，萌生了寫一本深入理解計算機網絡的書的念頭，從那時開始思考知識體繫，準備資料。大綱的第一稿列出了30多章，在征求相關老師的意見時，大家認為不可行。之後受“ITU Internet Report”的啟示，決定將這本深入理解計算機網絡的書拆分成由《深入理解互聯網》《深入理解移動互聯網》與《深入理解物聯網》組成的“深入理解網絡三部曲”。這三本著作中力求用“繼承”的觀點描述網絡發展三個階段中“不變”的研究方法與沉澱下來的技術，用“發展”的觀點闡述網絡“變”的概念與技術。因此，對這三本著作的規劃、準備、討論和寫作前後歷經近15年之久。
依據AIoT的技術架構與層次結構模型的思路，本書按照從低層到高層的順序，由淺入深、循序漸進地剖析物聯網概念、技術、應用的發展與演變，力求構建脈絡清晰的AIoT知識體繫。
本書共分為9章。
第1章介紹從IoT向AIoT發展的過程，從“物”“網”“智”的不同角度分析AIoT的特點；討論AIoT技術架構與體繫結構的研究方法，提出AIoT“端-邊-網-雲-用”的層次結構模型；從計算機硬件、軟件與網絡技術的角度，以“繫統觀”的方法分析和闡述AIoT規劃、設計與實現技術。
第2章在介紹感知層、傳感器、RFID與EPC、位置感知與北鬥衛星定位繫統概念的基礎上，繫統地討論了AIoT智能硬件、芯片、操作繫統與嵌入式繫統開發平臺，AIoT智能人機交互的特點，以及可穿戴計算設備、智能機器人在AIoT中的應用。
第3章在介紹接入層概念的基礎上，繫統地討論了AIoT的各種接入技術與接入網，以及工業物聯網的現場總線、工業以太網與工業無線網接入技術。
第4章在介紹邊緣計算基本概念的基礎上，繫統地討論了移動邊緣計算（MEC）的概念、部署方案，微雲、霧計算等實現技術，以及邊緣計算在AIoT中的應用實例。
第5章在分析AIoT對5G需求的基礎上，討論5G技術特點、性能指標與應用場景，5G的十大典型物聯網應用範例，5G接入網與5G移動邊緣計算，以及6G技術發展願景及其在未來AIoT中的應用前景。
第6章在分析基於TCP/IP的核心交換網特點的基礎上，介紹了AIoT網絡結構特點與核心交換網的結構，以及傳統IP網絡在AIoT應用中的局限性，最後討論了SDN/ NFV的基本概念與實現方法。
第7章在介紹AIoT應用服務層基本概念與支撐不同行業應用的共性技術的基礎上，介紹了雲計算、大數據、機器學習、智能控制與數字孿生，以及區塊鏈的概念、技術與應用。
第8章在介紹AIoT應用層概念的基礎上，選擇幾種典型的AIoT應用，如智能工業、智能電網、智能交通、智能醫療與智慧城市，繫統地討論了AIoT應用繫統架構設計與開發方法，以及人工智能、大數據、邊緣計算、數字孿生、區塊鏈在不同領域應用的範例。
第9章在介紹AIoT安全的概念、特點與AIoT生態繫統安全研究的基礎上，繫統地討論了AIoT隱私保護以及區塊鏈在AIoT安全中的應用。
本書的知識點設計遵循“層層遞進、環環相扣”的思路，力求將多學科的知識點梳理成相對完整、有機的知識體繫；書中采用大量插圖與表格，文字通俗易懂，力求形成“圖文並茂、易讀易懂”的風格。
書中第1、2、6、8章由吳功宜執筆完成，第3、4、5、7、9章由吳英執筆完成，全書由吳功宜統稿。
需要說明的是，推動深入理解物聯網的初衷非常美好，但是物聯網應用涉及的知識面太廣，很多新技術與研究工作正處於起步或快速發展階段，受知識與閱歷的限制，作者在寫作過程中有時感到力不從心。以正在發展的5G與數字孿生技術為例，電信業界與以華為公司為代表的產業界專家已經對5G技術做過大量的研究，出版了一繫列的著作，作者是站在物聯網應用的角度學習這些新技術，從完善物聯網技術架構的角度引用了專家們的研究成果。同時學習和引用了以陳根為代表的數字孿生領域專家的著作、論文中有關的應用實例。在準備和寫作過程中，作者閱讀了大量文獻，請教過多位不同領域的一線技術專家。書中的很多內容吸取了學者們的創新性思維，作者試圖將自己能夠理解的部分整理出來，供讀者學習和研究，同時也希望幫助讀者了解當前研究工作的方向、進展以及下一步亟待解決的問題，以便從中找出自己感興趣的研究方向和課題。作者盡可能地在相關章節注明某些研究工作總結與論文的出處，以及相關的參考文獻、文檔與標準，但難免會出現遺漏的情況。書中插圖都來自互聯網，作者希望能以圖文並茂和更直觀的方式幫助讀者理解知識。在選擇圖片時，作者考慮了圖片的新聞性、正面引用與不涉及個人肖像權等問題。
感謝計算機教指委的傅育熙教授、王志英教授、李曉明教授、蔣宗禮教授，感謝物聯網工程專業教學研究專家組的王東教授、李士寧教授、秦磊華教授、胡成全教授、方糧教授、桂小林教授、黃傳河教授、朱敏教授，在與諸位教授的交流、討論過程中，作者學到很多知識，受到很多啟發。
感謝南開大學計算機學院、網絡空間安全學院的徐敬東教授、張建忠教授、張健教授、張玉副教授，武漢大學計算機學院的牛曉光教授，天津理工大學的王勁松教授，東南大學網絡空間安全學院的許昱瑋副教授，他們在AIoT網絡與安全技術研究方面給了作者很多啟發與
幫助。
感謝機械工業出版社編輯多年的支持與幫助，她們在本書的寫作過程中提出了很多寶貴意見與建議。
感謝華為公司陳亞新與李晶晶，在與他們的交流中作者得到了很多的啟發與幫助。
面對日新月異的AIoT技術，作者無法預料，更無法“把控”這樣一個復雜的局面。作者多年的教學與研究專注於計算機網絡、互聯網、移動互聯網、物聯網與網絡安全等專業領域，對其他學科與領域的很多知識僅了解一些“皮毛”。書中對某些技術的理解可能存在不準確之處，懇請讀者批評指正。
本書可供物聯網技術研究與產品研發人員、技術管理人員閱讀，也可作為物聯網工程專業、計算機與信息技術相關專業的教材或參考書。

吳功宜
wgy@nankai.edu.cn
吳英
wuying@nankai.edu.cn
於南開大學
2023年6月