目錄

第1篇  概    述
第1章  物聯網概述    3
1.1  起源與發展    4
1.2  核心技術    6
1.3  主要特點    8
1.4  發展趨勢    9
1.5  小結    12
著名科學家訪談錄之一    13
第2篇  感 知 識 別
第2章  識別技術    19
2.1  智能卡    19
2.2  條形碼技術    21
2.3  RFID技術    23
2.3.1  發展歷史    23
2.3.2  工作原理    25
2.4  應用    29
第3章  定位技術    31
3.1  定位方法    32
3.1.1  基於距離的定位    32
3.1.2  基於距離差的定位    34
3.1.3  基於信號特征的定位    35
3.1.4  基於到達角的定位    38
3.2  可定位性    38
3.2.1  網絡可定位性
（network localizability）    39
3.2.2  節點可定位性
（node localizability）    40
3.3  室外定位繫統    42
3.3.1  衛星定位    42
3.3.2  蜂窩基站定位    44
3.4  室內定位繫統    46
3.4.1  RFID定位    46
3.4.2  聲音信號定位    51
3.4.3  可見光信號定位    54
3.5  物聯網定位技術的挑戰和
前景    59
第4章  感知技術    60
4.1  傳感網感知    60
4.1.1  傳感器    60
4.1.2  從傳感器到傳感網    61
4.1.3  軟硬件平臺    63
4.1.4  自組織網絡協議    65
4.1.5  傳感網繫統探索    67
4.1.6  無線傳感網發展中的
挑戰    68
4.2  非傳感器感知    69
4.2.1  從RSS到CSI    70
4.2.2  WiFi感知粒度的進步    72
4.2.3  從樸素算法到人工智能    76
4.2.4  非傳感器感知技術前景    76
4.3  群智感知計算    77
4.3.1  概念    78
4.3.2  感知任務的分發與收集
利用    78
4.3.3  案例分析    81
4.3.4  發展趨勢    86
著名科學家訪談錄之二    88
 
第3篇  網 絡 構 建
第5章  移動互聯網    93
5.1  移動通信技術    95
5.2  短距離無線接入技術    97
5.2.1  WiFi    97
5.2.2  藍牙    99
5.2.3  ZigBee    101
5.3  物聯網雲平臺    103
第6章  新興通信技術    106
6.1  低功耗廣域網    106
6.1.1  低功耗廣域網技術的
發展    106
6.1.2  LoRa    108
6.1.3  NBIoT    110
6.2  毫米波通信    113
6.3  聲音通信    116
6.3.1  編碼方式    117
6.3.2  非線性效應    119
6.4  可見光通信    120
6.4.1  顯示屏相機通信    121
6.4.2  LED可見光通信    122
6.5  跨協議通信    124
6.5.1  數據包級別的跨協議
通信技術    125
6.5.2  物理層級別的跨協議
通信技術    126
著名科學家訪談錄之三    128
第4篇  安全與隱私
第7章  物聯網與安全    133
7.1  物聯網中的密碼學基礎    133
7.1.1  加解密算法    134
7.1.2  摘要算法    138
7.1.3  消息認證碼    139
7.1.4  數字簽名    140
7.1.5  隨機數生成算法    140
7.2  物聯網安全現狀與特點    141
7.3  物聯網安全案例    142
7.3.1  低功耗藍牙安全    142
7.3.2  近場通信安全    143
7.3.3  LoRaWAN安全    146
7.3.4  物聯網攻擊檢測    147
7.4  小結    149
第8章  物聯網與隱私    151
8.1  基於傳感器的隱私洩露    151
8.1.1  隱私敏感的傳感器    152
8.1.2  隱私不敏感的傳感器    152
8.2  基於流量的隱私洩露    153
8.3  物聯網隱私安全防護    154
8.4  小結    155
著名科學家訪談錄之四    156
第5篇  綜 合 應 用
第9章  智能交通    161
9.1  概述    161
9.2  基於車聯網的智能交通
應用    163
9.3  發展與展望    167
第10章  智慧建築    169
10.1  概述    169
10.2  應用    172
10.3  發展與展望    176
第11章  智慧供應鏈    178
11.1  概述    179
11.2  智慧供應鏈中的物聯網
技術    179
11.3  智慧供應鏈應用    181
11.4  發展與展望    185
第12章  智慧工業    186
12.1  概述    186
12.2  智慧工業的特點    190
12.3  智慧工業的應用案例    192
12.4  發展與展望    196
著名科學家訪談錄之五    197
第6篇  物聯網前沿專題
第13章  無源感知網絡    201
13.1  能量獲取    203
13.2  感知方面的挑戰    204
13.3  通信和組網    206
13.4  小結    208
第14章  毫米波感知    209
第15章  低功耗廣域網    215
15.1  低功耗廣域網傳輸    215
15.2  無源低功耗廣域網    221
15.3  定位與感知    222
15.4  小結    223
第16章  SLAM空間智能計算    224
16.1  SLAM核心算法與框架    224
16.2  經典SLAM繫統    230
16.3  SLAM遇上AIoT：算法、
算力與平臺    232
16.4  小結    236

參考文獻    237

  我們是誰？人和動物的本質區別都有什麼？亞裡士多德在其《政治學》一書中曾指出，人類是被賦予語言能力的動物。赫拉利在《人類簡史》中寫道，抽像思維和復雜敘事是人類語言獨特的地方。有了語言和文字，人們纔能集結協作，靈活互動，構建我們所依賴生存的社會。隨著科技的發展，物體和物體之間也需要進行協作和互動，而溝通物體與物體之間的橋梁就是物聯網。物聯網帶來了更加廣泛而全面的互聯互通。路德維希·維特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）說，“語言的界限就是世界的界限”（The limits of my language mean the limits of my world）。其實，我們也可以說，物聯網的飛速進步不斷突破著數字世界的界限。
  今年特別流行一句話“青春纔幾年，疫情占三年”。轉念一想，如今距離上一次修訂《物聯網導論》已經過去了兩個三年，距離初次編寫出版這本書已經過去了四個三年，也就是十二年了。古代稱十二年為一紀，《西遊記》中孫悟空跑到地府營救被強盜踢死的寇大善人，找閻羅王為其延長壽命，所添的壽算也隻是一紀。一紀在滾滾歷史長河中並不顯眼，但對於計算機學科來說已經足夠漫長了。臺計算機誕生至今不過70多年，互聯網誕生至今不過50多年，中國網民接入互聯網不過30多年，十二年的時間，我們見證了物聯網從興起到繁榮，從理念到現實。據IoT Analytics的報告顯示，2021年物聯網設備的數量已經達到122億，萬物互聯的時代正在來臨。
  環顧四周，物聯網設備已經無處不在。智能手機、智能手表、智能家居、共享單車、自動駕駛、VR/AR等設備逐漸成為生活中的必需品，深刻地改變著人們的生活方式。有些人將手機、手表等物聯網設備稱為人類新的“感覺器官”，這些“感覺器官”通過傳感器或互聯網獲取大量物理世界的信息，並彙聚到人的大腦中不斷地塑造著人們的認知。心理學界近年來有一個很火的理論叫作“精神延伸”（extended mind）。該理論認為人的認知過程不僅僅存在於人的大腦之中，而且可以延展到人的頭腦之外和人所處於的環境之中。物聯網拉近了人與物理世界的距離，物理世界對人的認知的影響也變得越來越大。也因此，社會上不斷出現“全民上癮”“大數據殺熟”等一繫列算法操縱人的意識的現像。
  古希臘有個傳說，為了紀念殺死怪獸的英雄忒修斯，人們保留了他出征的船。久而久之，為了保持船隻完好，船上的木板一塊塊都被替換過了，終於有一天，有人問了，這艘船還是忒修斯之船嗎？如果是，它已經沒有任何一塊初的木頭了；如果不是，那從什麼時候開始不是的？如果用從忒修斯之船上取下來的老部件再造一艘新船，兩艘船中哪艘纔算得上真正的忒修斯之船？同樣對於我們的意識來說，如果我們的思考都在不斷地被外界信息所引導，那麼“我”還是“我”嗎？我們在驚喜於物聯網取得巨大成就的同時，也不得不面對物聯網所帶來的社會層面的挑戰。這已經超越了物聯網本身的範疇，但從技術的角度來說，這也表明物聯網的安全問題已經隨著物聯網的發展愈發重要。
  物聯網目前在作為人的感官能力的延伸方面取得了巨大的成功，當前已經在消費和個人領域產生了重要的突破和影響，但物聯網的星辰大海遠不止於此。隨著大數據、雲計算和人工智能等技術的不斷發展，物聯世界正在從“以人為中心”向“以數據為中心”和“以AI為中心”進行轉變，物聯網正在跨入新的階段。在這一階段，工業領域由於其密集的物聯需求成為物聯網新的突破方向，工業互聯網也因此成為當下研究的熱點。
  工業互聯網也被稱為“第四次工業革命”或者“工業4.0”，其目標是通過工業生產、經營環境中人、機、物等各類生產要素的全面互聯互通互操作實現生產效率的提高和生產成本的降低。工業是人類文明的結晶，彙聚了人類歷史上所創造的璀璨的智慧，因此實現工業領域的互聯互通已經不僅僅是信息技術層面的問題，而是涉及光學、熱學、數學等多種學科交叉的復雜繫統問題，物聯網既是這些問題的載體，也必然是解決這些問題的載體，這給物聯網技術發展帶來了更多、更大的挑戰，也帶來了更多機遇。
  為了適應物聯網技術的快速發展，我邀請我的學生王繼良博士，和繼良的學生謝鵬瑾博士協助我展開了這次修訂。經過十幾年的實踐，大家對物聯網的認識也在不斷加深，與第3版相比，我的主要修改原則是“內容聚焦、緊扣前沿、兼顧深度和廣度”。因此，第4版大幅刪減過時內容並增加了大量新的內容，對書的結構進行了較大的調整，調換了一些章節的順序，具體的調整如下：
在第1章，更新了一些新的數據和內容。
  在第 2 章，新增了對RFID具體技術的介紹，包括數據存儲和消息傳輸等，精簡了條形碼等識別技術。
  在第 3 章定位技術中，新增了對可定位性的理論分析，討論網絡和節點滿足可定位性的條件，新增了對我國自主研發的北鬥衛星定位繫統的介紹。在室內定位需求日益增加、相關技術日新月異的背景下，本書中新增了室內定位技術小節。分別詳細介紹了 RFID 定位、聲音定位、可見光定位等物聯網中新興的室內定位方法的原理、典型繫統及發展趨勢。
  本書的第4章感知技術合並了第3版中的第3章無線傳感網和第14章群智感知。另外，基於非傳感器感知在物聯網應用中的重要性不斷增加，我們吸收了上一版第15章WiFi雷達的內容，詳細介紹了非傳感器感知技術的原理、方法、發展脈絡以及未來趨勢，並將第3版中的第13章環境監測精簡後作為無線傳感網的實際繫統案例介紹。
  在第 5 章，精簡了對互聯網以及前四代移動通信技術的介紹，修改了第 5 代移動通信的內容，新增了對第6代移動通信的展望，將 WiFi、藍牙和 ZigBee 作為短距離無線接入技術合並到了移動互聯網的部分，並新增了物聯網雲平臺的內容。
  在第6章新興通信技術中，由於近年來低功耗廣域網技術的飛速發展而大幅更新了低功耗廣域網的內容，著重介紹了以LoRa技術為代表的低功耗廣域網通信技術；更新了毫米波通信技術和可見光通信的內容，介紹了毫米波通信和可見光通信的原理及的研究成果；新增了可用於低成本物聯網設備的聲音通信及其典型方法。另外，考慮物聯網場景中多種無線信號共存的問題日益突出，新增了跨協議通信，介紹如何在兩個異構無線設備之間直接實現數據傳輸。
  第 4 篇安全與隱私在第3版的第4篇管理服務的基礎上刪去了大數據以及雲計算的章節。將物聯網中日趨重要的安全和隱私問題進行了重新分析和論述，並拆分為第7章和第8章分別進行重點介紹。
  第 5 篇綜合應用中更新了智慧交通和智慧建築中的技術和應用，新增了智慧供應鏈和智慧工業應用介紹。
  在第 6 篇物聯網前沿專題中，大幅更新了無源感知網絡的內容，介紹了無源感知網絡的研究成果和發展趨勢；新增了毫米波感知，展示了毫米波感知相比其他非傳感器感知技術的優勢，介紹了毫米波感知技術的研究成果；新增了低功耗廣域網的專題，著重介紹了低功耗廣域網傳輸優化、反向散射，以及利用低功耗廣域網信號實現定位與感知等方向上的嘗試及研究成果；新增了SLAM空間智能計算專題，介紹了機器通過相機來獲取自身位姿並理解現實場景的原理與方法，並介紹了的研究成果。
  除了王繼良和謝鵬瑾兩位博士，很多本團隊或曾經的本團隊老師也都給出了建議或者提供了素材，包括但不局限於楊錚博士、李振華博士、郭秀珍博士、王需博士、黨凡博士、丁旋博士、苗欣博士、段春暉博士、金夢博士、朱弘恣博士、孫翊文博士、徐京傲博士、趙毅博士、董亮博士；多位博士生與碩士生為本書的內容提供了技術支持，有些插圖也出自他們之手，包括但不限於鄭雅文、童率、郭俊辰、張驛、張佳、李帥、楊景、宋知朋、杜迦羅、陸雨萌、張嘉睿、楊子江等同學，在此一並表示感謝！
  在此尤其要感謝的，還有文頓·瑟夫（Vinton·Cerf），約翰·斯坦科維奇（John A.Stankovic），約翰·霍普科羅夫特（John Hopcroft）。這幾位計算機領域的老前輩，百忙之中再次接受了今年的特邀采訪，為本書帶來獨一無二且新穎的觀點。
  萬物相聯，萬物生。1969年，因特網嘗試搭建。1999年，IoT概念提出。2022年，因特網53年，物聯網23年，仍處在未知大於已知、未來多於過去的時刻。

                                                劉雲浩
                                               2022年6月