物联网导论（第4版）

物联网是基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化三个重要特征。
　　《物联网导论（第4版）》从物联网的感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层这四层分别进行阐述，深入浅出地为读者拨开萦绕于物联网这个概念的重重迷雾，代领求知者渐渐步入物联网世界，帮助探索者把握第三次IT科技浪潮的方向。
　　《物联网导论（第4版）》适合高等院校物联网工程专业作为专业教材使用，也适合其他各专业作为选修课教材使用，还适合对物联网感兴趣的各类读者参考阅读。

刘云浩，清华大学教授，清华大学全球创新学院（GIX）院长。ACM Fellow，IEEE Fellow，ACM中国理事会荣誉主席，ACM Transactions on Sensor Networks主编，《中国计算机学会通讯》（CCCF）主编。1995年在清华大学自动化系获得工学学士学位，1997年在北京外国语大学高级翻译学院获得文学硕士学位，2004年在美国密西根州立大学计算机系获得工学硕士和工学博士学位。曾任香港科技大学助理教授、副教授，美国密西根州立大学MSU Foundation讲席教授和计算机系主任，清华大学软件学院长江学者特聘教授、院长。
　　曾获得ACM MobiCom大会论文奖和ACMSIGCOMM大会学生论文奖。2007年获得香港研究与创新大奖，2010年获得教育部自然科学一等奖，2011年获得国家自然科学二等奖及国家杰出青年基金。2013年获得ACM主席奖，是该奖项设立30多年以来首位获得该奖的中国人。

我们是谁？人和动物的本质区别都有什么？亚里士多德在其《政治学》-书中曾指出，人类是唯一被赋予语言能力的动物。赫拉利在《人类简史》中写道，抽象思维和复杂叙事是人类语言最独特的地方。有了语言和文字，人们才能集结协作，灵活互动，构建我们所依赖生存的社会。随着科技的发展，物体和物体之间也需要进行协作和互动，而沟通物体与物体之间的桥梁就是物联网。物联网带来了更加广泛而全面的互联互通。路德维希·维特根斯坦（Ludwig Wittgenstein）说，“语言的界限就是世界的界限”（The limits of my language mean the limits of my world）。其实，我们也可以说，物联网的飞速进步不断突破着数字世界的界限。
　　今年特别流行一句话“青春才几年，疫情占三年”。转念一想，如今距离上一次修订《物联网导论》已经过去了两个三年，距离初次编写出版这本书已经过去了四个三年，也就是十二年了。古代称十二年为一纪，《西游记》中孙悟空跑到地府营救被强盗踢死的寇大善人，找阎罗王为其延长寿命，所添的寿算也只是一纪。一纪在滚滚历史长河中并不显眼，但对于计算机学科来说已经足够漫长了。第一台计算机诞生至今不过70多年，互联网诞生至今不过50多年，中国网民接入互联网不过30多年，十二年的时间，我们见证了物联网从兴起到繁荣，从理念到现实。据IoTAnalytics的报告显示，2021年物联网设备的数量已经达到122亿，万物互联的时代正在来临。
　　环顾四周，物联网设备已经无处不在。智能手机、智能手表、智能家居、共享单车、自动驾驶、VR/AR等设备逐渐成为生活中的必需品，深刻地改变着人们的生活方式。有些人将手机、手表等物联网设备称为人类新的“感觉器官”，这些“感觉器官”通过传感器或互联网获取大量物理世界的信息，并汇聚到人的大脑中不断地塑造着人们的认知。心理学界近年来有一个很火的理论叫作“精神延伸”（extendedmind）。该理论认为人的认知过程不仅仅存在于人的大脑之中，而且可以延展到人的头脑之外和人所处于的环境之中。物联网拉近了人与物理世界的距离，物理世界对人的认知的影响也变得越来越大。也因此，社会上不断出现“全民上瘾”“大数据杀熟”等一系列算法操纵人的意识的现象。
　　古希腊有个传说，为了纪念杀死怪兽的英雄忒修斯，人们保留了他出征的船。久而久之，为了保持船只完好，船上的木板一块块都被替换过了，终于有一天，有人问了，这艘船还是忒修斯之船吗？如果是，它已经没有任何一块最初的木头了；如果不是，那从什么时候开始不是的？如果用从忒修斯之船上取下来的老部件再造一艘新船，两艘船中哪艘才算得上真正的忒修斯之船？同样对于我们的意识来说，如果我们的思考都在不断地被外界信息所引导，那么“我”还是“我”吗？我们在惊喜于物联网取得巨大成就的同时，也不得不面对物联网所带来的社会层面的挑战。这已经超越了物联网本身的范畴，但从技术的角度来说，这也表明物联网的安全问题已经随着物联网的发展愈发重要。
　　物联网目前在作为人的感官能力的延伸方面取得了巨大的成功，当前已经在消费和个人领域产生了重要的突破和影响，但物联网的星辰大海远不止于此。随着大数据、云计算和人工智能等技术的不断发展，物联世界正在从“以人为中心”向“以数据为中心”和“以AI为中心”进行转变，物联网正在跨入新的阶段。在这一阶段，工业领域由于其密集的物联需求成为物联网新的突破方向，工业互联网也因此成为当下研究的热点。
　　工业互联网也被称为“第四次工业革命”或者“工业4.0”，其目标是通过工业生产、经营环境中人、机、物等各类生产要素的全面互联互通互操作实现生产效率的提高和生产成本的降低。工业是人类文明的结晶，汇聚了人类历史上所创造的最璀璨的智慧，因此实现工业领域的互联互通已经不仅仅是信息技术层面的问题，而是涉及光学，热学、数学等多种学科交叉的复杂系统问题，物联网既是这些问题的载体，也必然是解决这些问题的载体，这给物联网技术发展带来了更多、更大的挑战，也带来了更多机遇。
　　为了适应物联网技术的快速发展，我邀请我的学生王继良博士，和继良的学生谢鹏瑾博士协助我展开了这次修订。经过十几年的实践，大家对物联网的认识也在不断加深，与第3版相比，我的主要修改原则是“内容聚焦、紧扣前沿、兼顾深度和广度”。因此，第4版大幅删减过时内容并增加了大量新的内容，对书的结构进行了较大的调整，调换了一些章节的顺序，具体的调整如下：
　　在第1章，更新了一些新的数据和内容。
　　在第2章，新增了对RFID具体技术的介绍，包括数据存储和消息传输等，精简了条形码等识别技术。
　　在第3章定位技术中，新增了对可定位性的理论分析，讨论网络和节点满足可定位性的条件，新增了对我国自主研发的北斗卫星定位系统的介绍。在室内定位需求日益增加、相关技术日新月异的背景下，本书中新增了室内定位技术小节。分别详细介绍了RFID定位、声音定位、可见光定位等物联网中新兴的室内定位方法的原理、典型系统及发展趋势。
　　本书的第4章感知技术合并了第3版中的第3章无线传感网和第14章群智感知。另外，基于非传感器感知在物联网应用中的重要性不断增加，我们吸收了上一版第15章WiFi雷达的内容，详细介绍了非传感器感知技术的原理、方法、发展脉络以及未来趋势，并将第3版中的第13章环境监测精简后作为无线传感网的实际系统案例介绍。
　　在第5章，精简了对互联网以及前四代移动通信技术的介绍，修改了第5代移动通信的内容，新增了对第6代移动通信的展望，将WiFi、蓝牙和ZigBee作为短距离无线接入技术合并到了移动互联网的部分，并新增了物联网云平台的内容。
　　在第6章新兴通信技术中，由于近年来低功耗广域网技术的飞速发展而大幅更新了低功耗广域网的内容，着重介绍了以LoRa技术为代表的低功耗广域网通信技术；更新了毫米波通信技术和可见光通信的内容，介绍了毫米波通信和可见光通信的原理及最新的研究成果；新增了可用于低成本物联网设备的声音通信及其典型方法。另外，考虑物联网场景中多种无线信号共存的问题日益突出，新增了跨协议通信，介绍如何在两个异构无线设备之间直接实现数据传输。
　　第4篇安全与隐私在第3版的第4篇管理服务的基础上删去了大数据以及云计算的章节。将物联网中日趋重要的安全和隐私问题进行了重新分析和论述，并拆分为第7章和第8章分别进行重点介绍。
　　第5篇综合应用中更新了智慧交通和智慧建筑中的技术和应用，新增了智慧供应链和智慧工业应用介绍。
　　在第6篇物联网前沿专题中，大幅更新了无源感知网络的内容，介绍了无源感知网络最新的研究成果和发展趋势；新增了毫米波感知，展示了毫米波感知相比其他非传感器感知技术的优势，介绍了毫米波感知技术的最新研究成果；新增了低功耗广域网的专题，着重介绍了低功耗广域网传输优化、反向散射，以及利用低功耗广域网信号实现定位与感知等方向上的尝试及研究成果；新增了SLAM空间智能计算专题，介绍了机器通过相机来获取自身位姿并理解现实场景的原理与方法，并介绍了最新的研究成果。
　　除了王继良和谢鹏瑾两位博士，很多本团队或曾经的本团队老师也都给出了建议或者提供了素材，包括但不局限于杨铮博士、李振华博士、郭秀珍博士、王需博士、党凡博士、丁旋博士、苗欣博士、段春晖博士、金梦博士、朱弘恣博士、孙翊文博士、徐京傲博士、赵毅博士、董亮博士；多位博士生与硕士生为本书的内容提供了技术支持，有些插图也出自他们之手，包括但不限于郑雅文、童率、郭俊辰、张驿、张佳、李帅、杨景、宋知朋、杜迦罗、陆雨萌、张嘉睿、杨子江等同学，在此一并表示感谢！
　　在此尤其要感谢的，还有文顿·瑟夫（Vinton．Cerf），约翰·斯坦科维奇（JohnA.Stankovic），约翰·霍普科罗夫特（John Hopcroft）。这几位计算机领域的老前辈，百忙之中再次接受了今年的特邀采访，为本书带来独一无二且新颖的观点。
　　万物相联，万物生。1969年，因特网尝试搭建。1999年，IoT概念提出。2022年，因特网53年，物联网23年，仍处在未知大于已知、未来多于过去的时刻。

第1篇 概述
第1章 物联网概述
1．1 起源与发展
1．2 核心技术
1．3 主要特点
1．4 发展趋势
1．5 小结
著名科学家访谈录之一

第2篇 感知识别
第2章 识别技术
2．1 智能卡
2．2 条形码技术
2．3 RFID技术
2．3．1 发展历史
2．3．2 工作原理
2．4 应用
第3章 定位技术
3．1 定位方法
3．1．1 基于距离的定位
3．1．2 基于距离差的定位
3．1．3 基于信号特征的定位
3．1．4 基于到达角的定位
3．2 可定位性
3．2．1 网络可定位性（network localizability）
3．2．2 节点可定位性（node Iocalizability）
3．3 室外定位系统
3．3．1 卫星定位
3．3．2 蜂窝基站定位
3．4 室内定位系统
3．4．1 RFID定位
3．4．2 声音信号定位
3．4．3 可见光信号定位
3．5 物联网定位技术的挑战和前景
第4章 感知技术
4．1 传感网感知
4．1．1 传感器
4．1．2 从传感器到传感网
4．1．3 软硬件平台
4．1．4 自组织网络协议
4．1．5 传感网系统探索
4．1．6 无线传感网发展中的挑战
4．2 非传感器感知
4．2．1 从RSS到CSI
4．2．2 WiFi感知粒度的进步
4．2．3 从朴素算法到人工智能
4．2．4 非传感器感知技术前景
4．3 群智感知计算
4．3．1 概念
4．3．2 感知任务的分发与收集利用
4．3．3 案例分析
4．3．4 发展趋势
著名科学家访谈录之二

第3篇 网络构建
第5章 移动互联网
5．1 移动通信技术
5．2 短距离无线接入技术
5．2．1 WiFi
5．2．2 蓝牙
5．2．3 ZigBee
5．3 物联网云平台
第6章 新兴通信技术
6．1 低功耗广域网
6．1．1 低功耗广域网技术的发展
6．1．2 LORa
6．1．3 NB-IoT
6．2 毫米波通信
6．3 声音通信
6．3．1 编码方式
6．3．2 非线性效应
6．4 可见光通信
6．4．1 显示屏一相机通信
6．4．2 LED可见光通信
6．5 跨协议通信
6．5．1 数据包级别的跨协议通信技术
6．5．2 物理层级别的跨协议通信技术
著名科学家访谈录之三

第4篇 安全与隐私
第7章 物联网与安全
7．1 物联网中的密码学基础
7．1．1 加解密算法
7．1．2 摘要算法
7．1．3 消息认证码
7．1．4 数字签名
7．1．5 随机数生成算法
7．2 物联网安全现状与特点
……
第5篇 综合应用
第6篇 物联网前沿专题
参考文献