第1章 基礎知識

本章要點

●了解智慧家庭與智能家居相關概念。

●熟悉物聯網的體系結構與關鍵技術。

●熟悉無線傳感器網絡的組成與網絡結構。

●掌握家庭網絡幾種無線通信技術。

●熟悉大數據與云計算。

1.1 智慧家庭與智能家居

1.1.1 智能家居的概念

智能家居是一個以家庭住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家用電器、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。智能家居通過物聯網技術將家中的各種設備（如窗簾、空調、網絡家用電器、音視頻設備、照明系統、安防系統、數字影院系統以及三表抄送等）連接到一起，提供家用電器控制、照明控制、窗簾控制、安防監控、情景模式、遠程控制、遙控控制以及可編程序定時控制等多種功能和手段，智能家居示意圖如圖1?1所示。

圖1?1 智能家居示意圖

智能家居是一個集成性的系統體系環境，而不是單一個或一類智能設備的簡單組合，傳統的智能家居通過利用先進的計算機技術、網絡通信技術和綜合布線技術，將與家居生活有關的各種子系統有機地結合在一起，通過統籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間；還由原來的被動靜止結構轉變為具有能動智慧的工具，提供全方位的信息交換功能，實現了人們與“家居對話”的愿望，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節約資金。

簡單地說，智能家居就是通過智能控制主機將家里的燈光、音響、電視、空調、電風扇、電水壺、電動門窗、安防監控設備甚至燃氣管道等所有聲、光、電設備連在一起，并根據用戶的生活習慣和實際需求設置成相應的情景模式，無論何時何地，都可以通過電話、手機、平板式計算機或者個人計算機來操控或者了解家里的一切。如有外人進入家中，遠在千里之外的手機也會收到家里發出的報警信息。

1.1.2 智慧家庭的概念

智慧家庭可以看作是智慧城市理念在家庭層面的體現，是信息化技術在家庭環境的應用落地。智慧家庭是智慧城市的最小單元，是以家庭為載體，以家庭成員之間的親情為紐帶，利用物聯網、云計算、移動互聯網和大數據等新一代信息技術，實現健康、低碳、智能、舒適、安全和充滿關愛的個性化家居生活方式。智慧家庭是智慧城市的理念和技術在家庭層面的應用和體現。

智慧家庭依托核心是物聯網非互聯網，將數據化的服務推送到家庭中，智慧家庭是一套跨界的依據用戶服務需求創新定義的服務產品整合系統，跨界領域包括智能家用電器、智慧娛樂、智能家居、智慧安防、智慧醫療、智能能源、智慧健康等部分，創新的服務需求包括智慧空氣、智慧水管理、智慧食品加工與配送、情緒燈光與音樂、住家美容、智慧教育與兒童成長等人們直接感知的創新性產品，愛悠智慧家庭示意圖如圖1?2所示。

圖1?2 愛悠智慧家庭示意圖

智慧家庭又稱為智慧家庭服務平臺，如海爾U+智慧生活平臺的智能硬件包括WiFi模組、智能網關、智能終端三大板塊，用戶通過一部智能手機，一個APP就能搞定安全、健康、美食、洗護等7大智慧生態圈。海爾U+智慧生活平臺如圖1?3所示。

圖1?3 海爾U+智慧生活平臺

海爾U+智慧生活平臺不僅僅是個“云平臺”而已，還要連接到“云端”，背后需要大量的智能硬件來支撐。通過這些智能硬件來實現7大生態圈的智能化，打通物與物、物與人之間的接口。具體來說，這些硬件起到了一個人的智能作用。比如，WiFi模組就可讓家用電器自行組網，通過WiFi模組可將家中的空調、電冰箱、洗衣機等家用電器產品智能互聯。

智能網關可讓接入器變成服務器，簡單來說，就是讓數據收發中心（U+路由器）具備服務功能。這樣，作為家庭互聯網絡的入口，U+路由器不僅承擔著將智能手機、平板式計算機、臺式計算機等移動終端連接到U+的云端服務器里的責任。還能通過SmartLink功能，做到自動識別家里的U+終端，自動連接的“聰慧”功能，達到用戶不用再輸入無線賬號、密碼，簡單直接就能操控智能家用電器的效果。

智能終端就是指智能開關、智能監控、智能插座等具體的智能終端產品。

業內專家指出，“智慧家庭”不僅僅意味著智能家居產品形態的創新，它更是一種前所未有的全新商業模式。通過物聯網和大數據，將智能硬件、物聯網云平臺、運營商和地產物業家裝等角色有機組織起來，形成完整的生態架構，去滿足消費者的“服務”需求，產業完成了“從賣產品到賣服務”的轉型升級，新的商業模式由此而生。

智慧家庭發展至今已經歷3個發展階段：1.0時代是單品智慧，即網器+APP；2.0時代是場景智能化，即網器到成套設備的迭代，而由海爾開啟的3.0階段，則是家庭智慧化，旨在面向不同家庭不同需求的生活場景實現從被動服務向主動響應的差異化場景定制。相對于前兩個階段，智慧家庭的3.0時代最大差異，就是人工智能技術的應用，讓網器和生態具備主動意識。

1.1.3 智慧家庭的五層架構

智慧家庭作為物聯網的一個分支，該系統架構大致可分為五層，自上到下依次為應用層、平臺層、傳輸層、設備層、芯片和技術層，智慧家庭系統架構如圖1?4所示。應用層負責服務運營，打通設備和內容，做好用戶體驗；平臺層負責各設備間的數據信息、控制命令、能源的互聯互通；傳輸層是具體的無線或有限的傳遞方式，決定家庭設備物聯網的特質；設備層是傳感和執行層，是家庭所有信息的源頭和落腳點；芯片和技術層是為以上四層做服務，從而推動智慧家庭從概念走向現實。

圖1?4 智慧家庭系統架構

從圖1?4可知，智慧家庭的應用領域劃分為9類，分別為智能家用電器、居家養老、醫療保健、遠程教育、家庭娛樂、社區服務、智能安防、家居控制、能源監控。其中，智能家用電器將改變家庭日常的生活習慣，如同每個家用電器都有一個大腦，幫助用戶制訂吃穿住行計劃，并及時提醒；醫療保健是指以物聯網、移動互聯網及云計算等技術為依托，通過健康保健類可穿戴式設備等多層次感知終端為數據采集來源，以智能顯示終端為服務、資訊、個人健康信息檔案為內容匯集終端，在健康保健信息系統的基礎上，通過整合健康服務機構來為消費者提供健康保健信息服務；居家養老是指充分借助互聯網、物聯網等先進科技手段，形成基于云計算、大數據處理等以家庭為核心、以社區為依托、以專業化服務為依靠的新的養老模式，從而為居住在家的老年人提供以解決日常生活困難和健康問題為主要內容的社會化服務，主要包括一鍵式上門服務、遠程健康咨詢、身體狀況監測、實時健康提醒、老人位置監控等；遠程教育是以云概念為基礎，以物聯網為支撐，構建一個智能教育管理平臺，以優質教育資源共建共享和應用，資源整合為中心，融入教學、學習，管理等各個領域，最終實現全民互動教育，逐步提高國人綜合素質。遠程教育的內容體現在遠程視頻授課、在線課堂討論、個性化教學目標設置，突發事件指導等通過網絡和智能電子設備進行學習的模式；智慧家庭在影音娛樂方面的應用是指用戶通過智能手機、智能電視等智能終端產品，利用網絡資源觀看各種視頻影音節目，獲取最新娛樂資訊，并進行游戲、社交等活動，從而豐富人們的生活。影音娛樂是智慧家庭最廣泛的應用之一，也是智慧家庭最初的和最顯著的體現，它在視頻點播、網絡音樂、在線游戲，社交互動和實時娛樂資訊等方面均有體現；智能安防負責看護家庭安全，實現自動檢測和報警；家居控制將傳動燈、開關、窗簾和門磁等進行聯動，形成不同情景模式的控制；能源監控是指家庭能源消費過程的計劃、控制和監測等一系列設備和方法。通過家庭能源監控、能源統計、能源消費分析、重點能耗設備管理和能源計量設備管理等多種手段，使消費者對能源能源消耗比重、發展趨勢有準確的掌握，并將家庭的能源消費規劃自動分配到各個家庭智能化設備，達到家庭節能的目的，促進社會整體能耗的降低，保持環境健康和可持續發展；社區服務包括了智慧家庭物業基礎設施、提供的相關服務要求、業務流程和方案能力要求，包括相關系統運營維護、服務信息接口和可靠性等管理要求。

智慧家庭中的設備種類繁多，相互間信息交互、共享非常復雜，需要一些平臺進行銜接和統一管理。主要有3種平臺，其中信息平臺掌握所有家庭里的數據內容，須具備大的存儲空間；控制平臺掌握智能設備的控制指令，對穩定性要求極高；能源平臺掌握家庭水、電、氣的流向，保證智慧家庭的正常運轉。

1.1.4 智慧家庭終端的技術特點

智慧家庭是智能終端的主要應用場所，智能終端是智慧家庭的重要組成部分，智能終端與智慧家庭的融合發展，是人民群眾物質和精神文化需求的提升。同時，智能終端又是智慧家庭多種服務能夠實現的基礎，智慧家庭是智能終端發揮效用的主要場所。

面向個人消費市場的終端產品在發展之初，由于硬件和軟件的限制，都是非智能終端，隨著嵌入式軟硬件系統的發展，智能終端逐步發展并取代非智能終端，成為市場的主流。而家庭網絡也從最早的僅為了計算機進行網絡布線轉化為能夠進行數字內容信息協同共享的數字家庭，現在正在逐步向具有多種應用場景及新型服務模式的智慧家庭轉換。

從智能終端的硬件架構來講，智能終端應有高集成度、高性能的嵌入式系統軟硬件。智能終端是SoC的典型應用，其系統配置類似于個人計算機，既包含了中央處理器、存儲器、顯示設備和輸入輸出設備等硬件，還包含操作系統、應用程序和中間件等軟件，要求系統的集成度高于個人計算機。

智能終端的硬件呈現集成度越來越高的現象，使得SoC單顆芯片的功能越來越多，SoC的設計趨向于模塊化，不同的芯片設計廠商設計不同的IP核，SoC系統廠商將中央處理器單元和IP軟核或硬核集成在單顆芯片中，提高了系統的集成度。

目前市場上用于智能終端的中央處理器主要包含ARM系列處理器、Intel ATOM系列處理器等。這些高性能的處理器增強了智能終端的運行速度，為智能終端所承載的多業務、多應用提供了支持。智能終端硬件組成示意圖如圖1?5所示。

圖1?5 智能終端硬件組成示意圖

1.1.5 智慧家庭與智能家居的區別

有關專家指出，“智能家居”和“智慧家庭”這兩者之間的概念區別是：“智能是手段，家居是設備；智慧是思想，家庭是親情”。

智能家居強調的是連接與控制，把一些硬件單品聯動控制起來，只是智慧家庭應用層里面的一個組成部分，參看圖1?2。而智慧家庭則是生活方式，以家庭為平臺、以親情為紐帶，是讓家中設備感知人的需求，更好地為人服務。它是一套跨界的依據用戶服務需求創新定義的服務產品整合系統，跨界領域包括智能家用電器、智慧娛樂、智能家居、智慧安防、智慧醫療、智能能源和智慧健康等部分，創新的服務需求包括智慧空氣、智慧水管理、智慧食品加工與配送、情緒燈光與音樂、住家美容、智慧教育與兒童成長等老百姓直接感知的創新性產品。

在技術模式上，兩者也有所不同。智慧家庭包括是設備數據和生活經驗數據的有機結合。它涉及兩個方面，一個是機械設備的控制數據化模型，另一個是生活經驗的數據化，比如醫療數據、情緒管理數據。最終依據兩種數據的結合，在家庭里面實現差異化、自動化的服務，核心是物聯網推動的數據與智能硬件適配進行的服務自動化以及與社區O2O服務的銜接的服務效率的提升。而這些是智能家居無法做到的。

智慧家庭必須要看兩個關鍵點：一是建立可兼容互通的軟件應用平臺系統，高度開放的一體化家庭物聯網理念；二是必須專注消費者需求。

家聯國際提出了智慧家庭的四大要素：

1）互聯。做到“家電互聯、人家互聯、家家互聯”。

2）智能。做到“遠程控制、智能分析，低碳節能”。

3）感知。做到“家庭環境、家人健康、家居安全”。

4）分享。做到“家人分享、朋友分享、網友分享”。

智慧家庭不是以簡單的智能硬件產品來構建，而是以各種服務以及傳統產業跨界產生的新服務作為這次智慧家產推動的動力，這就需要產業間的橫向跨界。智慧家庭的核心在于提高生活服務的價值。

1.2 物聯網

1.2.1 物聯網的定義

由于物聯網概念剛剛出現不久，隨著對其認識的日益深刻，其內涵也在不斷地發展、完善，所以目前人們對于物聯網的定義有以下幾種：

（1）定義1

1999年美國麻省理工學院Auto-ID研究中心提出的物聯網概念如下：把所有物品通過射頻識別（RFID）和條碼等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理。

（2）定義2

2005年國際電信聯盟（1TU）在《TheInternet of Things》報告中對物聯網概念進行擴展，提出如下定義：任何時刻、任何地點、任意物體之間的互聯，無所不在的網絡和無所不在計算的發展愿景，除RFID技術外，傳感器技術、納米技術、智能終端等技術都將得到更加廣泛的應用。

（3）定義3

2009年9月15日歐盟第7框架下RFID和物聯網研究項目簇（CERP-IOT）在發布的《Internet of Things Strategic Research Roadmap》研究報告中對物聯網的定義如下：物聯網是未來互聯網（Internet）的一個組成部分，可以被定義為基于標準的和可互操作的通信協議且具有自配置能力的動態的全球網絡基礎架構。物聯網中的“物”都具有標識、物理屬性和實質上的個性，使用智能接口，實現與信息網絡的無縫整合。

從上述3種定義不難看出，“物聯網”的內涵是起源于由RFID對客觀物體進行標識并利用網絡進行數據交換這一概念，并不斷擴充、延展、完善而逐步形成的。

通過這些年的發展，物聯網基本可以定義為：通過無線射頻識別（RFID）、無線傳感器等信息傳感設備，按傳輸協議，以有線和無線的方式把任何物品與互聯網相連接，運用“云計算”等技術，進行信息交換和通信等處理，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能的一種網絡。物聯網是在互聯網的基礎上，將用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，在這個網絡中，物品（商品）能夠彼此進行“交流”，而無須人的干預。其實質是利用射頻自動識別等技術，通過計算機互聯網實現物品（商品）的自動識別和信息的互聯與共享。

1.2.2 物聯網的體系結構

物聯網的突出特征是通過各種感知方式來獲取物理世界的各種信息，結合互聯網、有線網、無線移動通信網等進行信息的傳遞與交互，再采用智能計算技術對信息進行分析處理，從而提升人們對物質世界的感知能力，實現智能化的決策和控制。

物聯網的體系結構通常被認為有3個層次，從下到上依次是感知層、網絡層和應用層，如圖1?6所示。

1.感知層

物聯網的感知層主要完成信息的采集、轉換和收集。可利用射頻識別（RFID）、二維碼、GPS、攝像頭、傳感器等感知、捕獲、測量技術手段，隨時隨地地對感知對象進行信息采集和獲取。感知層包含兩個部分，即傳感器（或控制器）、短距離傳輸網絡。傳感器（或控制器）用來進行數據采集及實現控制，短距離傳輸網絡將傳感器收集的數據發送到網關，或將應用平臺的控制指令發送到控制器。感知層的關鍵技術主要為傳感器技術和短距離傳輸網絡技術，例如物聯網智能家居系統中的感知技術，包括無線溫濕度傳感器、無線門磁、窗磁、無線燃氣泄漏傳感器等；短距離無線通信技術（包括由短距離傳輸技術組成的無線傳感網技術）將在后面介紹。

圖1?6 物聯網的體系結構

2.網絡層

物聯網的網絡層主要完成信息傳遞和處理。網絡層包括兩個部分，即接入單元、接入網絡。接入單元是聯接感知層的網橋，它匯聚從感知層獲得的數據，并將數據發送到接入網絡。接入網絡即現有的通信網絡，包括移動通信網、有線電話網、有線寬帶網等。通過接入網絡，人們將數據最終傳入互聯網。

例如物聯網智能家居系統中的網絡層還包括家居物聯網管理中心、信息中心、云計算平臺和專家系統等對海量信息進行智能處理的部分。網絡層不但要具備網絡運營的能力，還要提升信息運營的能力，如對數據庫的應用等。在網絡層中，尤其要處理好可靠傳送和智能處理這兩個問題。

網絡層的關鍵技術既包含了現有的通信技術，如移動通信技術、有線寬帶技術、公共交換電話網（PSTN）技術、無線聯網（WiFi）通信技術等，又包含了終端技術，如實現傳感網與通信網結合的網橋設備、為各種行業終端提供通信能力的通信模塊等。

3.應用層

物聯網的應用層主要完成數據的管理和數據的處理，并將這些數據與各行業應用相結合。應用層也包括兩部分，即物聯網中間件、物聯網應用。物聯網中間件是一種獨立的系統軟件或服務程序。中間件將許多可以公用的能力進行統一封裝，提供給豐富多樣的物聯網應用。統一封裝的能力包括通信的管理能力、設備的控制能力、定位能力等。

物聯網應用是用戶直接使用的各種應用，種類非常多，包括家庭物聯網應用（如家用電器智能控制、家庭安防等），也包括很多企業和行業應用（如石油監控應用、電力抄表、車載應用和遠程醫療等）。

應用層主要基于軟件技術和計算機技術實現，其關鍵技術主要是基于軟件的各種數據處理技術，此外云計算技術作為海量數據的存儲、分析平臺，也將是物聯網應用層的重要組成部分。應用是物聯網發展的目的，各種行業和家庭應用的開發是物聯網普及的源動力，將給整個物聯網產業鏈帶來巨大利潤。

1.2.3 物聯網的關鍵技術

物聯網是一種復雜、多樣的系統技術，它將“感知、傳輸、應用”3項技術結合在一起，是一種全新的信息獲取和處理技術。因此，從物聯網技術體系結構角度解讀物聯網，可以將支持物聯網的技術分為4個層次：感知技術、傳輸技術、支撐技術、應用技術。

1.感知技術

感知技術是指能夠用于物聯網底層感知信息的技術，它包括射頻識別（RFID）技術、傳感器技術、無線傳感器網絡技術、遙感技術、GPS定位技術、多媒體信息采集與處理技術及二維碼技術等。

2.傳輸技術

傳輸技術是指能夠匯聚感知數據，并實現物聯網數據傳輸的技術，它包括互聯網技術、地面無線傳輸技術、衛星通信技術以及短距離無線通信技術等。

3.支撐技術

支撐技術是物聯網應用層的分支，它是指用于物聯網數據處理和利用的技術，包括云計算技術、嵌入式技術、人工智能技術、數據庫與數據挖掘技術、分布式并行計算和多媒體與虛擬現實等。

4.應用技術

應用技術是指用于直接支持物聯網應用系統運行的技術，應用層主要是根據行業特點，借助互聯網技術手段，開發各類行業應用解決方案，將物聯網的優勢與行業的生產經營、信息化管理、組織調度結合起來，形成各類物聯網解決方案，構建智能化的行業應用。它包括物聯網信息共享交互平臺技術、物聯網數據存儲技術以及各種行業物聯網應用系統。

1.2.4 物聯網終端設備的發展趨勢

物聯網是現代信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術提升，將各種感知技術、現代網絡技術和人工智能與自動化技術聚合與集成應用，使人與物智慧對話，創造一個智慧的世界。簡單、便捷、節能是物聯網應用普及的基本要求，物聯網終端設備的發展所趨一般有以下幾個方面：

1）高精傳感器技術的發展將促使智能硬件不斷朝著小型化方向發展，這一方面將使得智能硬件更精美，另外一方面將使得監測的靈敏度與準確性更高。

2）采用低功耗藍牙與WiFi技術的產品將受到消費者的喜愛。隨著短距離無線通信技術的普及，將更大程度地實現產品與智能設備的互動連接，從而提高智能設備使用的效率，這就使得制造商能夠設計、制造并推出消費者買得起的產品，從而鼓勵大眾消費。

3）智能可穿戴產品將成為物聯網世界中實現人與物交互的核心終端。智能可穿戴產品的普及也將對物聯網發展起到關鍵的作用，例如4G移動通信技術的發展將大大降低智能可穿戴設備對數據處理和功耗的需求，反過來，又為制造商及消費者降低了相應的成本和花費，這將為物聯網的普及、應用和發展帶來巨大的正面效應。

4）智能硬件中集成計算芯片必將向尺寸更小、運行速度更快、功能更敏捷、產量更大的方向演化。物聯網時代是一個計算無處不在的新時代，每個設備、每個物體都將具備計算能力。2014年1月，英特爾推出名為Edison的微型計算平臺，這是一款針對智能硬件、可穿戴設備、物聯網市場的新產品。它只有SD卡大小，采用22nm Quark雙核SoC，集成WiFi、BLE、內存、存儲區，預裝YoctoProjectLinux系統，支持Arduino、Python以及Wolf?ram環境，兼容超過30項業內標準I/O接口。在功耗方面，在正常模式下它的最高功率約為1W，而在低功耗模式下只有250mW，甚至更低。在不到一年的時間里，英特爾從客戶中收集反饋意見，不斷完善產品功能，終于在2014年年底推出了第二版Edison，雖然尺寸稍微放大了一些，但也遠小于大家的想象。

1.2.5 窄帶物聯網（NBIoT）

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是萬物互聯網絡的一個重要分支，構建于通信蜂窩網絡，本身只消耗大約180kHz的帶寬，成本低，容量大，不占用正常的通信信道，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、并實現面向5G的平滑升級。與此同時，NBIoT采用全球通用物聯網傳輸協議標準，基于4G FDDLTE網絡，通過軟硬件系統升級實現業務部署，有效解決物聯芯片能耗、待機時長等問題，可廣泛應用于工業、農業等經濟領域，交通、環保等城市運行領域，智能家居、健康醫療等生活領域，市政、氣象等公共服務領域。支持車聯網、基礎設施智能管理、智能停車、水電暖民生應用智能化改造、城市安全監控、執法監管、安全生產等政府信息化項目應用，可整體提升智慧城市的建設水平和產業發展，窄帶物聯網體系結構如圖1?7所示。

圖1?7 窄帶物聯網體系結構

2017年4月1日，海爾與中國電信、華為三方簽署戰略合作協議，共同研發基于新一代NBIoT技術的物聯網智慧生活方案。基于這個協議，即使在沒有網絡覆蓋的地方也能夠讓用戶更好的體驗物聯家用電器帶來的方便，實現對智慧家用電器產品的遠程控制、安防報警、運行狀態監控等，避免了WiFi、藍牙距離太遠無法連接的尷尬情況，以“永在線”的互聯互通體驗助推智慧生活的落地入戶以及更多場景的衍生。

為滿足更多場景的物聯網部署需求，中國移動將同步推進NBIoT（窄帶物聯網）和eMTC（增強機器類通信）兩項新技術，計劃2017年內實現全國范圍內NBIoT的全面商用，全年智能連接數增加1億戶，總規模達到兩億戶。

2017年5月18日，中國電信無錫分公司與小天鵝合作推出了國內首款物聯網智能洗衣機。這款智能洗衣機可實現“人機對話”，使用者只要掃描一下洗衣機上的二維碼，就能通過微信公眾號或手機APP與洗衣機廠商溝通。使用者通過在手機上進行相關操作，洗衣機就能根據使用者提交的“指令”，進行投放洗衣劑等自動操作，并能解決一些用戶的問題，比如有些種類的洗衣劑用戶不知道在哪兒買，“交互平臺”可自動幫助轉接到相應商家；有些衣物不能機洗，“交互平臺”可推薦最近的干洗店等。廠商則能通過傳輸過來的數據，實時了解洗衣機的工作狀態，哪里出了問題，哪些程序需要更新，都能迅速掌握并及時解決。也就是說，洗衣機哪里出了問題，用戶可能不是第一時間知道的，而廠商才是。而這些能夠實現的手段就是窄帶物聯網技術，通過在洗衣機控制板上安裝窄帶物聯網通信模塊，就能實現數據控制和傳輸的雙向管理，從而更好地呵護衣物。

NB-IoT具備四大特點：一是廣覆蓋，將提供改進的室內覆蓋，在同樣的頻段下，NB IoT比現有的網絡增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區域的能力；二是具備支撐海量連接的能力，NBIoT一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構；三是更低功耗，NBIoT終端模塊的待機時間可長達10年；四是更低的模塊成本，企業預期的單個接連模塊不超過5美元。

有關NBIoT技術，必須先從物聯網通信技術說起。從傳輸距離區分，物聯網通信技術主要分為短距離通信技術和廣域網通信技術，前者代表有ZigBee、WiFi、Bluetooth等，后者則是常說的LPWAN（低功耗廣域網）。LPWAN技術同樣分為兩類，一類是工作在非授權頻段的技術，如Lora、Sigfox等；另一類是工作在授權頻段的技術，基于3GPP或3GPP2等國際標準。NB-IoT即是在3GPP標準下新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術，旨在解決大量物與物之間的低功耗、低帶寬、遠距離傳輸的網絡連接。

2017年6月28日，在“中國移動物聯網大會”上，中國移動首次推出4款NBIoT通用模組，涵蓋大中小各種尺寸；芯訊通無線科技有限公司推出NB-IoT/eMTC/GSM三模大尺寸通用模組；中國臺灣聯發科技股份有限公司（MTK）推出NB-IoT單模小尺寸及NB-IoT/GSM雙模大尺寸通用模組，可供用戶設計時參考選用。

窄帶物聯網技術的應用場景有很多，如公共事業、智慧城市、消費電子、設備管理、智能建筑、指揮物流、農業與環境以及文物保護等。智慧城市應用方面，如智能停車、智能路燈、空氣檢測、智能燃氣、共享單車、白色家用電器、智能垃圾桶和智能窨井蓋。還有一個值得期待的應用是在防汛領域，一些地勢低洼處安裝上帶有窄帶物聯網通信技術的傳感器后，可及時獲得低洼處的水情，從而做到提前告知和預警。

1.3 無線傳感器網絡

1.3.1 無線傳感器網絡概述

無線傳感器網絡（WSN）最早由美國軍方提出，起源于1978年美國國防部高級研究所計劃署（DARPA）資助的卡耐基梅隆大學進行分布式傳感器網絡的研究項目。當時沒有考慮互聯網及智能計算等技術的支持，強調無線傳感器網絡是由節點組成的小規模自組織網絡，主要應用在軍事領域。

例如在冷戰時期，布設在一些戰略要地的海底、用于檢測核潛艇行蹤的海底聲響監測系統（Sound Surveillance System，SOSUS）和用于防空的空中預警與控制系統（AirbomeWarn-ing and Control System，AWACS），這種原始的傳感器網絡通常只能捕獲單一信號，在傳感器節點之間進行簡單的點對點通信。

無線傳感器網絡技術的發展大致可分為4個階段，如表1?1所示。

表1?1 無線傳感器網絡技術的發展階段

1980年，美國國防高級研究計劃署（DARPA）又提出了分布式傳感器網絡（Distritrut-ed Sensor Networks，DSN）項目，該項目開始了現代傳感器網絡研究的先河。1998年，DARPA再投入巨資啟動了SensIT項目，目標是實現“超視距”的戰場監測。這兩個項目的根本目的是研究傳感器網絡的基礎理論和實現方法，并在此基礎上研制具有實用目的的傳感器網絡。美國軍方啟動的一些具有代表性的項目，主要包括：1999～2001年間由DARPA資助，UCBerkelcy承擔的SmartDust項目；1999～2004年間海軍研究辦公室Sea Web計劃等。當前，在美國國防部高級規劃署、美國自然科學基金委員會和其他軍事部門的資助下，美國科學家正在對無線傳感器網絡所涉及的各個方面進行深入的研究。

在民用領域，從1993年開始美國許多知名高校、研究機構相繼展開了對WSN的基礎理論和關鍵技術的研究，其中具有代表性有UCBerkeley大學和Intel公司聯合成立的被稱為智能塵埃（Smart Dust）實驗室：加州大學伯克利分校研制的傳感器節點Mica、MicaZ、Mi-ca2Dot已被廣泛地用于無線傳感器網絡的研究和開發；美國加州大學（UCLA）的WINS實驗室對如何為嵌入式系統提供分布式網絡和互聯訪問能力進行了大量研究，提供了在同一個系統中綜合微型傳感器技術、低功耗信號處理、低功耗計算、低功耗低成本無線網絡等技術的解決方案；RICE大學研制的Gnomes傳感器網絡由低成本的定制節點組成，每個節點包含一個德州儀器（T1）的微控制器、傳感器和一個藍牙通信模塊；2004年在美國國家自然科學基金和國家健康協會的資助下，哈佛大學啟動了CodeBule平臺研究計劃，目的是把WSN技術應用于醫療事業領域：包括醫療救急、災害事故的快速反應、病人康復護理等方面。

日本總務省在2004年3月成立了“泛在傳感器網絡”調查研究會，主要的目的是對其研究開發課題、社會的認知性、推進政策等進行探討。NEC、OKI等公司已經推出了相關產品，并進行了一些應用試驗。歐洲國家的一些大學和研究機構也紛紛開展了該領域的研究工作。學術界的研究主要集中在傳感器網絡技術和通信協議的研究上，也開展了一些感知數據查詢處理技術的研究，取得了一些初步結果。

我國對無線傳感器網絡的發展非常重視。從2002年開始，國家自然科學基金、中國下一代互聯網（CNGD）示范工程、國家“863”計劃等已經陸續資助了多項與無線傳感器網絡相關的課題。另外，國內許多科研院所和重點高校近年來也都積極展開了該領域的研究工作。2004年，中國國家自然科學基金委員會將無線傳感器網絡列為重點研究項目。2005年，我國開始傳感網的標準化研究工作。2006年，《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006—2020）》列入了“傳感器網絡及智能信息處理”部分。對WSN的研究工作在我國雖然起步較晚，但在國家的高度重視和扶持下，已經取得了令人矚目的成就。

21世紀，電系統MEMS、片上系統SOC、低功耗微電子和無線通信等技術決定了WSN的自組織、低成本、低功耗等獨特優勢，在智能建筑、自然災害、環境監測、現代農業、石油勘探、醫療護理和智能交通等領域都有著廣闊的應用前景，也推動了家庭自動化的發展。

1.3.2 無線傳感器網絡的組成與網絡結構

無線傳感器網絡是由大量體積小、成本低、具有無線通信和數據處理能力的傳感器節點組成的。傳感器節點一般由傳感器、微處理器、無線收發器和電源組成，有的還包括定位裝置和移動裝置，無線傳感器網絡的組成框圖如圖1?8所示。

圖1?8 無線傳感器網絡的組成框圖

無線傳感器網絡由許多密集分布的傳感器節點組成，每個節點的功能都是相同的，它們通過無線通信的方式自適應地組成一個無線網絡。各個傳感器節點將自己所探測到的有用信息，通過多跳中轉的方式向指揮中心（主機）報告。傳感器節點配備有滿足不同應用需求的傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、光照度傳感器、紅外線感應器、位移傳感器、壓力傳感器等。

傳感器節點由傳感單元、處理單元、無線收發單元和電源單元等幾部分組成，無線傳感器網絡節點結構如圖1?9所示。

圖1?9 無線傳感器網絡節點結構

傳感單元由傳感器和AD轉換模塊組成，用于感知、獲取監測區域內的信息，并將其轉換為數字信號；處理單元由嵌入式系統構成，包括處理器、存儲器等，負責控制和協調節點各部分的工作，存儲和處理自身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線收發單元由無線通信模塊組成，負責與其他傳感器節點進行通信，交換控制信息和收發采集數據；電源單元能夠為傳感器節點提供正常工作所必需的能源，通常采用微型電池。

典型無線傳感器網絡結構如圖1?10所示。

圖1?10 典型無線傳感器網絡結構

1.3.3 無線傳感器網絡的體系結構

無線傳感器網絡（WSN）是由部署在監測區域內大量傳感器節點相互通信形成的多跳自組織網絡系統，是物聯網底層網絡的重要技術形式。隨著無線通信、傳感器技術、嵌入式應用和微電子技術的日趨成熟，WSN可以在任何時間、任何地點、任何環境條件下獲取人們所需信息，為物聯網（IOT）的發展奠定基礎。

無線傳感器網絡的體系結構由分層的網絡通信協議、網絡管理平臺以及應用支撐平臺三個部分組成，無線傳感器網絡的體系結構如圖1?11所示。

1.網絡通信協議

網絡通信協議類似于傳統Internet網絡中的TCP/IP協議體系，由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成。

圖1?11 無線傳感器網絡的體系結構

物理層負責信號的調制和數據的收發，所采用的傳輸介質主要有無線電、紅外線、光波等；數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制。其中，媒體訪問協議保證可靠的點對點和點對多點通信；差錯控制則保證源節點發出的信息可以完整無誤地到達目標節點；網絡層負責路由發現和維護。通常，大多數節點無法直接與網關通信，需要通過中間節點以多跳路由的方式將數據傳送至匯聚節點；傳輸層負責數據流的傳輸控制，主要通過匯聚節點采集傳感器網絡內的數據，并使用衛星、移動通信網絡、Internet或者其他的鏈路與外部網絡通信，是保證通信服務質量的重要部分。

2.網絡管理平臺

網絡管理平臺主要是對傳感器節點自身的管理以及用戶對傳感器網絡的管理，它包括了拓撲控制、服務質量管理、能量管理、安全管理、移動管理以及網絡管理等。

3.應用支撐平臺

應用支撐平臺是建立在分層網絡通信協議和網絡管理技術的基礎之上，它包括一系列基于監測任務的應用層軟件，通過應用服務接口和網絡管理接口來為終端用戶提供各種具體應用的支持。

無線傳感器網絡的通信協議和應用要求各節點間的時鐘必須保持同步，這樣多個傳感器節點才能相互配合工作。此外，節點的休眠和喚醒也要求時鐘同步。

節點定位是確定每個傳感器節點的相對位置或絕對位置，節點定位在軍事偵察、環境監測、緊急救援等應用中尤為重要。

1.3.4 無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡是集信息采集、數據傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統。與傳統無線網絡相比在通信方式、動態組網以及多跳通信等方面有許多相似之處，但同時也存在很大的差別。無線傳感器網絡具有許多鮮明的特點：

1.節點的能量、計算能力和存儲容量有限

傳感器節點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池。電池的容量一般不是很大。由于傳感器節點數目龐大，成本要求低廉，分布區域廣，而且部署區域環境復雜，有些區域甚至人員不能到達，所以傳感器節點通過更換電池的方式來補充能源是不現實的，如果不能給電池充電或更換電池，一旦電池能量用完，這個節點也就失去了作用（死亡）；另外傳感器節點由于受價格、體積和功耗的限制，其計算能力、程序空間和內存空間比普通的計算機功能要弱很多。

2.節點數量大，密度高

傳感器網絡中的節點分布密集，數量巨大，可能達到幾百、幾千萬，甚至更多。此外為了對一個區域執行監測任務，往往有成千上萬傳感器節點空投到該區域。傳感器節點分布非常密集，利用節點之間高度連接性來保證系統的容錯性和抗毀性。傳感器網絡的這一特點使得網絡的維護十分困難甚至不可維護，因此傳感器網絡的軟、硬件必須具有高強壯性和容錯性，以滿足傳感器網絡的功能要求。

3.拓撲結構易變化，具有自組織能力

在傳感器網絡應用中，節點通常被放置在沒有基礎結構的地方。傳感器節點的位置不能預先精確設定，節點之間的相互鄰居關系預先也不知道，而是通過隨機布撒的方式。這就要求傳感器節點具有自組織能力，能夠自動進行配置和管理，通過拓撲控制機制和網絡協議自動形成轉發監控數據的多跳無線網絡系統。同時，由于部分傳感器節點能量耗盡或環境因素造成失效，以及經常有新的節點加入，或是網絡中的傳感器、感知對象和觀察者這三要素都可能具有移動性，這就要求傳感器網絡必須具有很強的動態性，以適應網絡拓撲結構的動態變化。

4.數據為中心

無線傳感器網是以數據為中心的網絡。傳感器網絡的核心是感知數據，而不是網絡硬件。觀察者感興趣的是傳感器產生的數據，而不是傳感器本身。觀察者不會提出這樣的查詢：“從A節點到B節點的連接是如何實現的？”他們經常會提出如下的查詢：“網絡覆蓋區域中哪些地區出現毒氣？”在傳感器網絡中，傳感器節點不需要地址之類的標識。因此，傳感器網絡是一種以數據為中心的網絡，

5.多跳路由，采用空間位置尋址方式

網絡中節點通信距離有限，一般在幾百米范圍內，節點只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節點進行通信，則需要通過中間節點進行路由。固定網絡的多跳路由使用網關和路由器來實現，而無線傳感器網絡中的多跳路由是由普通網絡節點完成的，沒有專門的路由設備。這樣每個節點既可以是信息的發起者，又是信息的轉發者，并采用空間位置尋址方式。

6.節點出現故障的可能性較大

由于WSN中的節點數目龐大，分布密度超過如Ad hoc網絡那樣的普通網絡，而且所處環境可能會十分惡劣，所以出現故障的可能性會很大。有些節點可能是一次性使用，可能會無法修復，所以要求其有一定的容錯率。

1.4 家庭網絡幾種無線通信技術

1.4.1 無線通信技術概述

無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，近些年信息通信領域中，發展最快、應用最廣的就是無線通信技術。在移動中實現的無線通信又通稱為移動通信，人們把二者合稱為無線移動通信。

無線通信離不開無線網絡，凡是采用無線傳輸媒體的網絡都可稱為無線網絡，無線媒體可以是無線電波、紅外線或激光等。無線網絡是由許多獨立的無線節點之間，通過空氣中的無線電波/光波，構成的無線通信網絡。無線通信網絡根據覆蓋距離的不同，分為無線個域網（WPAN）、無線局域網（WLAN）、無線城域網（WMAN）和無線廣域網（WWAN）等。

隨著無線通信技術的發展，國際電氣和電子工程師協會（IEEE）于1997年制定出第一個無線局域網標準IEEE802.11。此后IEEE802.11迅速發展了一個系列標準，并在家庭、中小企業、商業領域等方面取得了成功的應用。1999年，IEEE成立了802.16工作組開始研究建立一個全球統一的寬帶無線接入城域網（WMAN）技術規范。雖然寬帶無線接入技術的標準化歷史不長，但發展卻非常迅速。已經制定的標準有IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16、IEEE 802.20、IEEE 802.22等。圖1?12和表1?2給出了IEEE 802無線標準體系及其特征對比。

圖1?12 IEEE 802無線標準體系

表1?2 IEEE 802 無線體系及其特征比較

短距離無線通信涵蓋了無線個域網（WPAN）和無線局域網（WLAN）的通信范圍。其中WPAN的通信距離可達10m左右，而WLAN的通信距離可達100m左右。除此之外，通信距離在毫米至厘米量級的近距離無線通信（NFC）技術和可覆蓋幾百米范圍的無線傳感器網絡（WSN）技術的出現，進一步擴展了短距離無線通信的涵蓋領域和應用范圍。

短距離無線通信有如下特點。

（1）低功耗

由于短距離無線應用的便攜性和移動特性，低功耗是基本要求；另一方面，多種短距離無線應用可能處于同一環境之下，如WLAN和微波RFID，在滿足服務質量的要求下，要求有更低的輸出功率，避免造成相互干擾。

（2）低成本

短距離無線應用與消費電子產品聯系密切，低成本是短距離無線應用能否推廣和普及的重要決定因素。此外，如RFID和WSN應用，需要大量使用或大規模敷設，成本成為技術實施的關鍵。

（3）多為室內環境下應用

與其他無線通信不同，由于作用距離限制，大部分短距離應用的主要工作環境是在室內，特別是WPAN應用。

（4）使用ISM頻段

考慮到產品和協議的通用性及民用特性，短距離無線技術基本上使用免許可證ISM頻段。

（5）電池供電的收發裝置

短距離無線應用設備一般都有小型化、移動性要求。在采用電池供電后，需要進一步加強低功耗設計和電源管理技術的研究。

物聯網的無線通信技術很多，主要分為兩類：一類是ZigBee、WiFi、藍牙、Z-wave等短距離通信技術；另一類是LPWAN（低功耗廣域網），即廣域網通信技作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。

1.4.2 ZigBee技術

1.概述

ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低速率以及低成本的雙向無線通信技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。因此非常適用于智能硬件的無線控制指令傳輸。

ZigBee是一種高可靠的無線數據傳輸網絡，類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數據傳輸模塊類似于移動網絡基站，最多可達6.5萬個。在整個網絡范圍內，每一個ZigBee網絡數據傳輸模塊之間可以相互通信，每個網絡模塊間的通信距離可以從標準的75m無限擴展。

ZigBee技術采用DSSS（直接序列擴頻）擴頻技術，使用的頻段分為2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），而且均為免付費、免申請的無線電頻段。3個頻段傳輸速率分別為20kbit/s、40kbit/s與250kbit/s。

ZigBee采用自組網的方式進行通信，也是無線傳感器網領域最為著名的無線通信協議。在無線傳感器網絡中，當某個傳感器的信息從某條通信路徑無法順暢的傳遞出去時，動態路由器會迅速的找出另外一條近距離的信道傳輸數據，從而保證了信息的可靠傳遞。

到目前為止ZigBee技術主要是基于兩個標準，一個是ZigBee聯盟所制定的V1.0規范，另一個是IEEE802.15.4工作組所制定的低速、近距離的無線個域網標準。V1.0規范是基于IEEE802.15.4標準基礎之上的，兩個規范都滿足OSI參考模型。

ZigBee的底層技術基于IEEE 802.15.4，即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE802.15.4的定義。IEEE 802.15.4規范是一種經濟、高效、低數據速率（<250kbit/s）、工作在2.4GHz和868/915MHz的無線技術，用于個人區域網和對等網絡。它是ZigBee應用層和網絡層協議的基礎。ZigBeeHA協議是智能家居行業的統一標準。

ZigBee技術是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準，無線個人局域網工作組IEEE 802.15.4技術標準是ZigBee技術的基礎，ZigBee技術建立在IEEE 802.15.4標準之上，IEEE 802.15.4只處理低級MAC層和物理層協議，ZigBee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。

ZigBee聯盟于2015年11月發布的ZigBee3.0版標準，強化低延遲與低功耗優勢，并加入網際網路通信協定（IP）支援能力，能大幅簡化家中各種裝置互連設計的復雜度，同時實現讓用戶以IP網路進行遠端操控，因而成為打造智慧家庭的理想技術。

ZigBee技術體系基本架構如圖1?13所示。

圖1?13 ZigBee技術體系基本架構

2.特點

作為一種無線通信技術，ZigBee具有如下特點：

（1）功耗低

ZigBee網絡模塊設備工作周期較短、傳輸數據量很小，且使用了休眠模式（當不需接收數據時處于休眠狀態，當需要接收數據時由“協調器”喚醒它們）。因此，ZigBee模塊非常省電，2節5號干電池可支持1個模塊工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優勢，特別適用于無線傳感器網絡。

（2）成本低

由于ZigBee協議棧設計非常簡單（不到藍牙的1/10），所以降低了對通信控制器的要求。普通網絡模塊硬件只需8位微處理器，4～32KB的ROM，且軟件實現也很簡單。ZigBee協議是免專利費的，每塊芯片的價格低于1美元。

（3）可靠性高

ZigBee采用了CSMA/CA碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。所以從根本上保證了數據傳輸的可靠性。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

（4）時延短

ZigBee技術與藍牙技術的時延相比，其各項指標值都非常小。通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms，而藍牙為3～10s。休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業控制場合等）應用。

（5）數據傳輸速率低

ZigBee工作在20～250kbit/s的較低速率，它分別提供20kbit/s（868MHz）、40kbit/s（915MHz）與250kbit/s（2.4GHz）的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。

（6）網絡容量大

相比于藍牙網絡只支持7個從設備的連接，一個星形結構的ZigBee網絡最多可以容納一個主設備和254個從設備，一個區域內最多可以同時存在100個ZigBee網絡，這樣，最多可組成65000個模塊的大網，網絡容量大，組網靈活。

（7）安全性好

ZigBee提供了三級安全模式。第一級實際上是無安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉移數據；對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數據，在這一級不采取加密措施；第三級安全級別在數據轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼，AES可以用來保護數據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，以靈活地確定其安全性。

（8）有效范圍小

ZigBee有效覆蓋范圍10～75m，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。

（9）兼容性好

ZigBee技術與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器自動建立網絡，采用載波偵聽/沖突檢測（CSMACA）方式進行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協議。

3.應用領域

ZigBee技術的應用領域主要包括家庭和樓宇網絡、工業控制、公共場所、農業控制、商業和醫療等。ZigBee技術的應用領域如圖1?14所示。

圖1?14 ZigBee技術的應用領域

1.4.3 藍牙技術

1.概述

“藍牙”（Bluetooth）是一種短距離無線通信技術規范，它將計算機技術與通信技術更緊密地結合在一起，使得現代一些輕易攜帶的移動通信設備和計算機設備，不必借助電纜就能聯網，隨時隨地進行信息的交換與傳輸。除此之外，藍牙技術還可為數字網絡和外設提供通用接口，以組建遠離固定網絡的個人特別聯接設備群。藍牙技術主要面向網絡中各類數據及語音設備（如PC、撥號網絡、筆記本式計算機、打印機、數碼相機、移動電話和高品質耳機等，通過無線方式將它們聯成一個微微網，多個微微網之間也可以互聯形成分布式網絡，從而方便、快速地實現各類設備之間的通信。它是實現語音和數據無線傳輸的開放性規范，是一種低成本、短距離的無線聯接技術。其中無線收發器是很小的一塊芯片，大約有9mm×9mm，可方便地嵌入到便攜式設備中，從而增加設備的通信選擇性。

藍牙技術最早始于1994，由瑞典愛立信研發。1998年5月，愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾公司等5家著名廠商，在聯合開展短程無線通信技術的標準化活動時提出了藍牙技術，其宗旨是提供一種短距離、低成本的無線傳輸應用技術。

藍牙協議的標準版本為IEEE 802.15.1，新版IEEE 802.15.1a基本等同于藍牙技術規范V1.2標準，具備一定的QoS特性，并完整保持后向兼容性。截止目前藍牙技術規范已經更新了10個版本，分別為藍牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0。藍牙4.2標準數據傳輸速率可達1Mbit/s、隱私功能更強大，IPv6網絡支持。全新藍牙5.0標準在性能上將遠超藍牙4.2LE版本，包括在有效傳輸距離上將是4.2LE版本的4倍，也就是說，理論上，藍牙發射和接收設備之間的有效工作距離可達300m。而傳輸速度將是4.2LE版本的兩倍，速度上限為24Mbit/s。另外，藍牙5.0還支持室內定位導航功能，可以作為室內導航信標或類似定位設備使用，結合WiFi可以實現精度小于1m的室內定位。這樣，用戶就可以在那些非常大的商場中通過支持藍牙5.0的設備找到路線。另外，藍牙5.0針對物聯網進行了很多底層優化，力求以更低的功耗和更高的性能為智能家居服務。自2016年年底藍牙5.0標準發布后，藍牙技術聯盟一直在推動藍牙5.0投入市場。藍牙5.0將運用于無線可穿戴、工業、智能家庭和企業市場領域。

藍牙技術規范的目的是使符合該規范的各種應用之間能夠互通，為此，本地設備與遠端設備需要使用相同的協議棧。不同的應用可以在不同的協議棧上運行。但是，所有的協議棧都要使用藍牙技術規范中的數據鏈路層和物理層。完整的藍牙協議棧如圖1?15所示，在其頂部支持藍牙使用模式的相互作用的應用被構造出來。不是任何應用都必須使用全部協議，相反，應用只會采用藍牙協議棧中垂直方向的協議。圖1?15顯示了數據經過無線傳輸時，各個協議如何使用其他協議所提供的服務，但在某些應用中這種關系是有變化的，如需控制連接管理器時，一些協議如邏輯鏈路控制應用協議（L2CAP），二元電話控制規范（TCSBinary）可使用鏈路管理協議（LMP）。完整的協議包括藍牙專用協議（LMP和L2CAP）和藍牙非專用協議（如對象交換協議OBEX和用戶數據報協議UDP）。設計協議和協議棧的主要原則是盡可能利用現有的各種高層協議，保證現有協議與藍牙技術的融合及各種應用之間的互通性，充分利用兼容藍牙技術規范的軟/硬件系統。藍牙技術規范的開放性保證了設備制造商可自由地選用藍牙專用協議或常用的公共協議，在藍牙技術規范基礎上開發新的應用。

圖1?15 藍牙協議棧

藍牙協議體系中的協議由SIG分為4層。

1）藍牙核心協議：基帶協議（Base Band）、鏈路管理協議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協議（L2CAP）、服務檢測協議（SDP）。

2）電纜替換協議：RFCOMM。

3）電話傳送控制協議：TCSBinary、ATCommands。

4）選用協議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、vCard、vCal、IrMC、WAE。

除上述協議層外，藍牙規范還定義了主機控制器接口（HCl），它為基帶控制器、連接管理器提供命令接口，并且可通過它訪問硬件狀態和控制寄存器。HCI位于L2CAP的下層，但HCI也可位于L2CAP上層。藍牙核心協議由SIG制定的藍牙專利協議組成，絕大部分藍牙設備都需要藍牙核心協議（包括無線部分），而其他協議根據應用的需要而定。總之，電纜替換協議、電話控制協議和被采用的協議構成了面向應用的協議，允許各種應用運行在核心協議之上。

2.特點

藍牙技術具有以下特點：

（1）低成本，全球范圍適用

藍牙技術使用的是2.4GHz的ISM頻段。現有的藍牙標準定義的工作頻段為2.402～2.480MHz，這是一個無須向專門管理部門申請頻率使用權的頻段。

（2）便于使用

藍牙技術的程序寫在一個不超過1cm²的微芯片中，并采用微微網與散射網絡結構及調頻和短包技術。與其他工作在相同頻段的系統相比，藍牙跳頻更快，數據包更短，這使藍牙技術比其他系統都更穩定。

（3）安全性高和抗干擾能力強

藍牙無線收發器采用擴展頻譜跳頻技術。把2.402～2.480MHz以1MHz劃分為79個頻點，根據主單元調頻序列，采用每秒1600次快速調頻。跳頻是擴展頻譜常用的方法之一，在一次傳輸過程中，信號從一個頻率跳到另一個頻率發送，而頻率點的排列順序是偽隨機的，這樣藍牙傳輸不會長時間保持在一個頻率上，也就不會受到該頻率信號的干擾。

（4）低功耗

藍牙設備在通信連接狀態下，有4種工作模式：激活模式、呼吸模式、保持模式和休眠模式。激活模式是正常的工作狀態，另外3種模式是為了節能所規定的低功耗模式。呼吸模式下的從設備周期性地被激活：保持模式下的從設備停止監聽來自主設備的數據分組，但保持其激活成員地址：休眠模式下的主從設備仍保持同步，但從設備不需要保留其激活成員地址。這3種節能模式中，呼吸模式的功耗最高，但對于主設備的響應最快，休眠模式的功耗最低，對于主設備的響應最慢。

（5）開放的接口標準

藍牙特別興趣小組（SIG）為了推廣藍牙技術的使用，將藍牙的技術標準全部公開，全世界范圍內的任何單位和個人都可以進行藍牙產品的開發，只要最終通過SIG的藍牙產品兼容性測試，就可以推向市場。這樣一來，SIG就可以通過提供技術服務和出售芯片等業務獲利，同時大量的藍牙應用程序也可以得到大規模推廣。

（6）全雙工通信和可靠性高

藍牙技術是采用時分雙工通信，實現了全雙工通信。采用FSK調制，CRC、FEC和ARQ，保證了通信的可靠性。

（7）網絡特性好

由于藍牙支持一點對一點及一點對多點通信，利用藍牙設備也可方便地組成簡單的網絡（微微網）。藍牙無線網絡結構示意圖如圖1?16所示。

圖1?16 藍牙無線網絡結構示意圖

圖中BAP為藍牙接入點；LAN為局域網

3.應用領域

藍牙技術的應用一般分為3大類，即語音/數據接入、外圍設備互聯和無線個人局域網。語音/數據的接入是將一臺計算機通過安全的無線鏈路聯接通話設備上，以完成與廣域通信網絡的互聯；外圍設備互聯是指將各種設備通過藍牙鏈路聯接主機上；無線個人局域網的主要應用是個人網絡和信息的共享和交換。從市場的角度看，藍牙技術可制造出點對點連接、點對多點連接及無線個人局域網等網絡產品。

1.4.4 WiFi技術

1.概述

WiFi是英文無線保真（Wireless Fidelity）的縮寫，俗稱為無線寬帶。是無線局域網（WLAN）中的一個標準（IEEE 802.11b）。隨著技術的發展以及IEEE 802.11a和IEEE 802.11g等標準的出現，現在IEEE 802.11這個標準已被統稱為WiFi。

WiFi技術與藍牙技術一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線通信技術。使用的使2.4GHz附近的頻段，該頻段是無須申請的ISM無線頻段。同藍牙技術相比，它具備更高的傳輸速率，更遠的傳播距離，已經廣泛應用于筆記本式計算機、智能手機、汽車等廣大領域中。

WiFi是以太網的一種無線擴展，理論上只要用戶位于一個接入點四周的一定區域內，就能以最高約11Mbit/s的速度接入全球廣域網（Web）。但實際上，如果有多個用戶同時通過一個點接入，帶寬被多個用戶分享，WiFi的連接速度一般將只有幾百kbit/s的信號不受墻壁阻隔，在建筑物內的有效傳輸距離小于戶外。

WiFi技術未來最具潛力的應用將主要在家居辦公（SoHo）、家庭無線網絡，以及不便安裝電纜的建筑物或場所。目前通過有線網絡外接一個無線路由器，就可以把有線信號轉換成WiFi信號。

IEEE 802.11是針對WIFI技術制定的一系列標準，第一個版本發表于1997年，其中定義了介質訪問接入控制層和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種無線調頻方式和一種紅外傳輸的方式，總數據傳輸速率設計為2Mbit/s。1999年加上了兩個補充版本：802.11a定義了一個在5GHzISM頻段上的數據傳輸速率可達54Mbit/s的物理層，802.11b定義了一個在2.4GHz的ISM頻段上但數據傳輸速率高達11Mbit/s的物理層。802.11g在2003年7月被通過，其載波的頻率為2.4GHz（跟802.11b相同），傳輸速率達54Mbit/s。802.11g的設備向下與802.11b兼容。其后有些無線路由器廠商應市場需要而在IEEE 802.11g的標準上另行開發新標準，并將理論傳輸速度提升至108Mbit/s或125Mbit/s。IEEE 802.11n是2004年1月時IEEE宣布組成一個新的單位來發展的新的802.11標準，于2009年9月正式批準，最大傳輸速度理論值為600Mbit/s，并且能夠傳輸更遠的距離。IEEE802.11ac是一個正在發展中的802.11無線計算機網絡通信標準，它通過5GHz頻帶進行無線局域網（WLAN）通信，在理論上，它能夠提供高達1Gbit/s的傳輸速率，進行多站式無線局域網（WLAN）通信。

IEEE 802.11協議主要工作在ISO協議的物理層和數據鏈路層。IEEE 802.11基本結構模型如圖1?17所示，其中數據鏈路層又劃分為LLC和MAC兩個子層。

圖1?17 IEEE 802.11基本結構模型

2016年，WiFi聯盟公布的802.11ah WiFi標準——WiFi HaLow，使得WiFi可以被運用到更多地方如：小尺寸、電池供電的可穿戴設備同時也適用于工業設施內的部署，以及介于兩者之間的應用。HaLow采用900MHz頻段，低于當前WiFi的2.4GHz和5GHz頻段，如圖1?18所示。HaLow功耗更低，覆蓋范圍可以達到1km，信號更強，且不容易被干擾。這些特點使得WiFi更加順應了物聯網時代的發展。

圖1?18 802.11ah WiFi標準

2017年2月，WiFi聯盟最新公布的802.11ax是802.11ac的加強版，與802.11ac一樣都工作在5GHz頻段。不同的是802.11ax使用了MU-MIMO技術，將信號在時域、頻域、空域等多個維度上分成4個不同的“信號通道”，每個“信號通道”都能單獨與一臺設備進行通信。就好比將一條高速公路分成4個不同的車道，效率成倍提高。除MU-MIMO技術外，802.11ax的還引入了OFDMA（正交頻分多址）技術，能在多個副載波上對數據進行編碼，也就是在相同空間區域內裝入更多的數據，這是下一代高速無線通信網絡的核心技術。此外，802.11ax在顯著提高吞吐量的同時，還有效改善了行動裝置的電源利用率。不僅僅是理論值，使用者在例如人口稠密的場所、室內與戶外等存在干擾源的實際環境中，也可以達到提升吞吐量的作用。從技術層面上來說，802.11ax支持12路數據流（8個5GHz和4個2.4GHz）、8×8MU-MIMO、80MHz信道，以及增加網絡容量與覆蓋的其他特性，支持正交頻分多址（OFDMA）與流量調度，效率更高，吞吐量更大，并且在新的資源管理方式和喚醒時間優化下，WiFi功耗降低達2/3，因此有助于延長設備的續航時間。

IEEE 802.11工作組研究和標準化了完整的WiFi技術體系，涵蓋從物理層核心標準到頻譜資源、管理、視頻車載應用多方面等一系列標準，IEEE 802.11標準化進程如表1?3所示。

表1?3 1EEE802.11標準化進程

2.特點

WiFi技術具有以下特點。

（1）無線電波的覆蓋范圍廣

WiFi的半徑可達100m，甚至可以覆蓋整棟大樓。

（2）WiFi的傳輸速度很快

最高可達54Mbit/s，符合個人和社會信息化的需求。在網絡覆蓋范圍內，允許用戶在任何時間、任何地點訪問網絡，隨時隨地享受諸如網上證券、視頻點播（VOD）、遠程教育、遠程醫療、視頻會議和網絡游戲等一系列寬帶信息增值服務，并實現移動辦公。

（3）無須布線

可以不受現實地理條件的限制，因此非常適合移動辦公用戶的需要。只要在需要的地方安裝無線路由器，并通過高速線路將因特網接入。這樣，在無線路由器所發射出的電波的覆蓋范圍內，用戶只要將支持無線LAN的筆記本計算機或PDA拿到該區域內，即可高速接入互聯網。

（4）健康安全

IEEE802.11規定的發射功率不可超過100mW，實際發射功率為60～70mW，而手機的發射功率為200mW～1W，手持式對講機高達5W。與后者相比，WiFi產品的輻射更小。

3.應用領域

隨著Internet的快速發展，WiFi在個人、家庭和企業的應用已經非常普及，并且和有線網絡（固網）及移動網絡（蜂窩網）相結合，提供更加豐富的應用。目前在公交車、火車、機場、商場等公共場所均提供免費的WiFi服務；而且支持WiFi的電子產品越來越多，像智能手機、MP4、計算機等，基本上已經成為主流標準配置，WiFi的應用示意圖如圖1?19所示。

圖1?19 WiFi的應用示意圖

1.4.5 超寬帶UWB技術

1.概述

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術是一種無載波通信技術，即它不采用正弦載波，而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB可在非常寬的帶寬上傳輸信號，美國FCC對UWB的規定為：在3.1～10.6GHz頻段中占用500MHz以上的帶寬。由于UWB可以利用低功耗、低復雜度發射/接收機實現高速數據傳輸，在近年來得到了迅速發展。它在非常寬的頻譜范圍內采用低功率脈沖傳送數據而不會對常規窄帶無線通信系統造成大的干擾，并可充分利用頻譜資源。

UWB技術具有系統復雜度低、發射信號功率譜密度低、對信道衰落不敏感、低截獲能力、定位精度高等優點，尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入，非常適于建立一個高效的無線局域網或無線個域網（WPAN）。UWB主要應用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達和圖像系統中。除此之外，這種新技術適用于對速率要求非常高（大于100Mbit/s）的LAN或PAN。

UWB有可能在10m左右的范圍內，支持高達110Mbit/s的數據傳輸率，不需要壓縮數據，可以快速、簡單、經濟地完成視頻數據處理。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發送功率小等諸多優勢，主要應用于室內通信、高速無線LAN、家庭網絡、無繩電話、安全檢測、位置測定、雷達等領域。

UWB的標準化過程主要在國際標準化組織IEEE 802.15工作組內完成，IEEE 802.15致力于無線個人網（WPAN）的標準化。WPAN系統主要用于個人設備之間的互聯，它的覆蓋范圍一般在10m以內，而且應該具有廉價、低能耗的特點。其中的802.15.3a采用UWB技術實現55Mbit/s以上的高速率傳輸。802.15.4a旨在提供高精度測距和定位服務（精度為lm以內），以及實現更長的作用距離和超低耗電量，在這個協議中，脈沖無線電UWB技術也是備選方案之一。

目前的UWB技術根據底層UWB信號的實現形式不同，可分為兩大類。一類是基于窄脈沖式的沖激類UWB，即不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調制或直接排序將脈沖擴展到一個頻率范圍內。這樣提出的UWB設計方案稱為直接序列CDMA UWB（DS-CDMA UWB）方案。這個方案頻譜利用率高，可進行高精度定位和跟蹤，抵抗多徑衰落能力強，但頻譜共享的靈活性較差，不利于與其他窄帶系統共存。另外一類是基于調制載波擴頻式的載波類UWB，提出的設計方案叫多載波OFDM UWB（MB-OFDM UWB）方案，它采用OFDM技術傳輸子帶信息，提高了頻譜的靈活性，但易造成較高的功率峰值與均值比（PAR），容易產生對其他系統的干擾，因此解決干擾問題是該方案目前最大的難題。兩種技術形成了鮮明對立的兩大陣營，使得制訂面向UWB高速數據傳輸標準的802.15.3a工作組已經解散。目前，由ITU-RTG1/8工作組來負責UWB高速數據傳輸的全球統一標準的制訂工作。

我國在2001年9月初發布的“十五”國家863計劃通信技術主題研究項目中，首次將“超寬帶無線通信關鍵技術及其共存與兼容技術”作為無線通信共性技術與創新技術的研究內容，鼓勵國內學者加強這方面的研究工作。至于產品方面，由于UWB標準遲遲未定，同時，我國政府還未對UWB的頻譜做出規劃，因此，國內廠商還都處于觀望階段，技術上保持跟蹤，生產尚未啟動，僅有海爾等少數廠商與國外公司合作，開發一些樣品。

目前，我國的UWB標準化工作尚未有定論，可根據自身的特點，積極參與UWB標準的研究與制定。目前UWB國際標準懸而未決的現狀也為技術創新與新標準的提出提供了空間和時間。我國應該積極參與兩種主流UWB標準的制定、修改和評估，為我國選擇一種適宜的、更有利于中國UWB產業發展的技術，和廣大的國內生產廠商一起，推進我國UWB技術的標準化工作。

同時，在低速UWB技術的研究中，我國802.15.4a征集提案過程已過，我國仍可根據具有自主知識產權的技術制定國家標準，這也使我國制定不同于國際標準的國家標準成為可能。

2.特點

由于UWB技術不同于傳統的通信技術，因此具有以下技術特點：

（1）系統結構的實現比較簡單

當前的無線通信技術所使用的通信載波是連續的電波，載波的頻率和功率在一定范圍內變化，從而利用載波的狀態變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波，它通過發送納秒級脈沖來傳輸數據信號。UWB發射器直接采用脈沖小型激勵天線，不需要傳統收發器所需要的上變頻，從而不需要功率放大器與混頻器，因此，UWB允許采用非常低廉的寬帶發射器。在接收端，UWB接收機也有別于傳統的接收機，UWB接收機不需要中頻處理。因此，UWB系統結構的實現比較簡單。

（2）體積小、功耗低

UWB收發信機不需要復雜的載頻調制/解調電路和濾波器。因此，可以大大降低系統復雜度，減小收發信機體積和功耗。同時UWB系統使用間歇的脈沖來發送數據，脈沖持續時間很短，一般在0.20～1.5ns，有很低的占空因數，系統的耗電可以達到很低，在高速通信時系統的耗電量僅為幾百微瓦到幾十毫瓦。民用的UWB設備功率一般是傳統移動電話所需功率的1/100左右，是藍牙設備所需功率的1/20左右，軍用的UWB電臺耗電也很低。因此，UWB設備在電池壽命和電磁輻射上相對于傳統無線設備有著很大的優越性。

（3）高速的數據傳輸

民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內，再根據經過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達500Mbit/s，是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術。UWB以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸，并且不單獨占用現在已經擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術使用的頻帶。在軍事應用中，可以利用巨大的擴頻增益來實現遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳輸。

（4）安全性高

在短距離應用中，UWB發射機的發射功率通常可低于1mW，這是通過犧牲帶寬來換取的。從理論上講，相對于其他通信系統，UWB所產生的干擾僅僅相當于一個寬帶白噪聲。UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，這就使得UWB信號具有良好的隱蔽性，不易被截獲，采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難，這對提高通信保密性是非常有利的。

（5）多徑分辨能力強

由于常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大于多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由于超寬帶無線電發射的是持續時間極短的單周期脈沖且占空比極低，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發生交疊。其多徑傳輸路徑長度應小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發射信號的能量。大量實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10～30dB的多徑環境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5dB。

（6）定位精度高

沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規無線電難以做到這一點。超寬帶無線電具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，而GPS定位系統只能工作在GPS定位衛星的可視范圍之內；與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級。此外，超寬帶無線電定位器更便宜。

（7）工程簡單，造價便宜

在工程實現上，UWB比其他無線技術要簡單得多，可全數字化實現。它只需要以一種數學方式產生脈沖，并對脈沖產生調制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設備的成本將很低。

3.應用領域

UWB技術的應用領域主要分為軍用和民用兩個方面。近年來，超寬帶技術在民用領域的應用主要包括兩個方面：一方面是以高速率數據傳輸為主的近距離無線通信技術；另一方面是以精確測距、定位、成像等為主的無線探測技術，UWB技術的民用領域示意圖如圖1?20所示。

圖1?20 UWB技術的民用領域示意圖

在軍用方面，主要應用于UWB雷達、UWB低干擾、低檢測（PLI/D）無線內部通信系統（預警機、艦船等）、戰術手持和網絡的PLI/D電臺、警戒雷達、探測地雷、檢測地下埋藏的軍事目標或以葉簇偽裝的物體。

1.4.6 幾種短距離無線通信技術比較

前面介紹了ZigBee、藍牙、WiFi和超寬帶4種主要短距離無線通信技術，總的看來，這些流行的短距離無線通信技術各有千秋，這些技術之間存在著相互競爭，但在某些實際應用領域內它們又相互補充，沒有一種技術可以完美到足以滿足所有的要求。表1?4給出了這4種主要短距離無線通信技術的比較。4種短距離無線通信技術的應用場合如圖1?21所示。

表1?4 4種主要短距離無線通信技術的比較

圖1?21 4種短距離無線通信技術的應用場合

1.5 大數據與云計算

1.5.1 大數據的定義與特征

大數據（big data）是指無法在一定時間范圍內用常規軟件工具進行捕捉、管理和處理的數據集合，是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發現力和流程優化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產。

業界通常用5個V來概括大數據的特征，即容量（Volume），數據的大小決定所考慮的數據的價值的和潛在的信息；種類（Variety），數據類型的多樣性；速度（Velocity），指獲得數據的速度；可變性（Variability），妨礙了處理和有效地管理數據的過程；真實性（Veracity）：數據的質量。

從技術上看，大數據與云計算的關系就像一枚硬幣的正反面一樣密不可分。大數據必然無法用單臺的計算機進行處理，必須采用分布式架構。它的特色在于對海量數據進行分布式數據挖掘。但它必須依托云計算的分布式處理、分布式數據庫和云存儲、虛擬化技術。

大數據分析處理架構圖如圖1?22所示。

現在是一個充滿“數據”的時代，無論是打電話、用微博、聊QQ、刷微信，還是在閱讀、購物、看病、旅游，都在不斷產生新數據，“堆砌”著數據大廈。大數據已經與人們的工作、生活息息相關。中國工程院院士高文說：“不管你是否認同，大數據時代已經來臨，并將深刻地改變著我們的工作和生活。”2013年7月，有關人士視察中國科學院時指出：“大數據是工業社會的‘自由’資源，誰掌握了數據，誰就掌握了主動權。”2015年5月，有關人士在給國際教育信息化大會的賀信中說：“當今世界，科技進步日新月異，互聯網、云計算、大數據等現代信息技術深刻改變著人類的思維、生產、生活、學習方式，深刻展示了世界發展的前景。”2015年9月，國務院通過《關于促進大數據發展的行動綱要》，標志支持大數據發展第一部正式國家層面文件出臺，對大數據的規范化發展起到了至關重要作用。2015年11月3日，《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十三個五年規劃的建議》提出，拓展網絡經濟空間，推進數據資源開放共享，實施國家大數據戰略，超前布局下一代互聯網。專家認為，這是我國首次提出推行國家大數據戰略。

圖1?22 大數據分析處理架構圖

1.5.2 云計算的概念

云計算（Cloud Computing）是由分布式計算（Distributed Computing）、并行處理（Paral?lel Computing）、網格計算（Grid Computing）發展來的，是一種新興的商業計算模型。目前，對于云計算的認識在不斷的發展變化，云計算仍沒有普遍一致的定義。

中國網格計算、云計算專家劉鵬給出如下定義：“云計算將計算任務分布在大量計算機構成的資源池上，使各種應用系統能夠根據需要獲取計算力、存儲空間和各種軟件服務”。

云計算可理解為一種分布式計算技術，是通過計算機網絡將龐大的計算處理程序自動分拆成無數個較小的子程序，再交由多部服務器所組成的龐大系統經搜尋、計算分析之后將計算處理結果回傳給用戶。通過該技術，網絡計算服務提供者可以在數秒之內，完成處理數以千萬計甚至億計的信息，達到與“超級計算機”同樣強大效能的網絡計算服務。

典型的云計算提供商往往提供通用的網絡業務應用，可以通過瀏覽器等軟件或者其他Web服務來訪問，而軟件和數據都存儲在服務器上。云計算服務通常提供通用的通過瀏覽器訪問的在線商業應用，軟件和數據可存儲在數據中心。云計算環境下數據中心如圖1?23所示。

圖1?23 云計算環境下數據中心

2016年7月，在百度云計算戰略發布會上，百度發布了天算大數據平臺，天算平臺整合了百度大數據服務和人工智能技術，提供從數據收集、存儲、處理分析到應用場景的一站式服務。2016年11月10日，騰訊云大數據聯合團隊在全球排序競賽中，用時98.8s就完成100TB的1萬億條無序100B的數據排序。騰訊云數智分布式計算平臺，能提供單集群上千臺規模實時流式計算，支持多重數據備份，具有萬億數據的存儲能力。

在2016百度云智峰會智慧對話上，中國工程院院士李德毅表示，云計算已經進入了常態化。云計算的基本思想就是把產品變成服務，在服務的過程中，最重要的，服務得好，那就是要有大數據和人工智能。確切地說是云計算和大數據成就了人工智能。反過來，人工智能又助推了云計算和大數據。

1.5.3 云計算主要服務形式

云服務是基于互聯網的相關服務的增加、使用和交付模式，通常涉及通過互聯網來提供動態易擴展且經常是虛擬化的資源。云服務指通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需服務。這種服務可以是IT和軟件、互聯網相關，也可是其他服務。它意味著計算能力也可作為一種商品通過互聯網進行流通。

云服務足夠智能，能夠根據用戶的位置、時間、偏好等信息，實時地對用戶的需求做出預期。在這一全新的模式下，信息的搜索將會是為用戶而做，而不再是由用戶來做。無論用戶采用什么設備，無論用戶需要哪種按需服務，用戶都將得到一個一致且連貫的終極體驗。

云服務包含3個層次：基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）和軟件即服務（SaaS）。百度私有云服務架構如圖1?24所示。

圖1?24 百度私有云服務架構

1.基礎設施即服務（IaaS）

IaaS即把廠商的由多臺服務器組成的“云端”基礎設施，客作為計量服務提供給客戶。它將內存、I/O設備、存儲和計算能力整合成一個虛擬的資源池為整個業界提供所需要的存儲資源和虛擬化服務器等服務。這是一種托管型硬件方式，用戶付費使用廠商的硬件設施。例如Amazon Web服務（AWS），IBM的BlueCloud等均是將基礎設施作為服務出租。

IaaS的優點是用戶只需低成本硬件，按需租用相應計算能力和存儲能力，大大降低了用戶在硬件上的開銷。

2.平臺即服務（PaaS）

把開發環境作為一種服務來提供。這是一種分布式平臺服務，廠商提供開發環境、服務器平臺、硬件資源等服務給客戶，用戶在其平臺基礎上定制開發自己的應用程序并通過其服務器和互聯網傳遞給其他客戶。云平臺直接的使用者是開發人員而不是普通用戶，它為開發者提供了穩定的開發環境。

3.軟件即服務（SaaS）

SaaS服務提供商將應用軟件統一部署在自己的服務器上，用戶根據需求通過互聯網向廠商訂購應用軟件服務，服務提供商根據客戶所定軟件的數量、時間的長短等因素收費，并且通過瀏覽器向客戶提供軟件的模式。這種服務模式的優勢是，由服務提供商維護和管理軟件、提供軟件運行的硬件設施，用戶只需擁有能夠接入互聯網的終端，即可隨時隨地使用軟件。這種模式下，客戶不再像傳統模式那樣花費大量資金在硬件、軟件、維護人員，只需要支出一定的租賃服務費用，通過互聯網就可以享受到相應的硬件、軟件和維護服務，這是網絡應用最具效益的營運模式。對于小型企業來說，SaaS是采用先進技術的最好途徑。

對于普通用戶而言，他們主要面對的是SaaS這種服務模式。但是對于普通開發者而言，卻有兩種服務模式可供選擇，那就是PaaS和IaaS，這兩種模式有很多不同，而且它們之間還存在一定程度的競爭。

PaaS的主要作用是將一個開發和運行維護平臺作為服務提供給用戶，而IaaS的主要作用是將虛擬機或者其他資源作為服務提供給用戶。PaaS與IaaS的比較見表1?5。

表1?5 PaaS與IaaS的比較

1.5.4 云計算平臺

云計算平臺簡稱為云平臺，是由搭載了云平臺服務器端軟件的云服務器、搭載了云平臺客戶端軟件的云計算機以及網絡組件所構成的，用于提高低配置或老舊計算機的綜合性能，使其達到現有流行速度的效果。這種平臺允許開發者們或是將寫好的程序放在“云”里運行，或是使用“云”里提供的服務，或二者皆是。百度開放云平臺架構如圖1?25所示。

圖1?25 百度開放云平臺架構

例如，智能家庭服務云平臺的主要作用是存儲和分析用戶家庭的重要數據，同時也是連接用戶和家庭的橋梁。其很大的一個亮點就是為用戶遠程操作提供計算處理中轉的平臺，只有經過該平臺處理之后，信息才會達到用戶家庭內的智能家庭綜合管理系統，實現對應的操作指令，如果需要反饋操作結果的信息，由智能信息計算平臺接收智能家庭綜合管理系統發送的查詢結果，并進行計算處理后中轉，再次返回給用戶。在此系統中，云計算將被重點采用它是實現智能家庭綜合管理系統與物聯網有機結合的關鍵之一。因此，整個智能信息計算平臺作為一個決策支持系統，其體系結構總體劃分為以下幾個部分。

（1）云計算基礎設施

云計算平臺的基礎設施包含三個方面：計算、存儲、網絡。其關鍵技術是虛擬機，需要在后臺搭建基于虛擬機技術的、實現按需分配、動態配置的云主機系統。存儲空間和網絡帶寬也可以根據需要進行按需配置。

（2）大數據系統

數據庫系統是實現信息存儲和計算的基礎，本平臺的數據庫系統用于存放和管理用戶以及家庭的相關信息，以及一些資訊類的輔助信息，數據庫的設計在數據格式規范時可以采用結構化存儲，一旦用戶量大、數據不規范時，要采用分布式大數據系統。

（3）數據智能分析系統

采用數據分析工具來挖掘智能家庭系統中的數據信息，對家庭用電趨勢等進行分析，生成相應的數據報表，對用電超標等情況進行告警提醒。

上述三大部分相輔相成，構成了智能家庭網絡系統的總體平臺架構，智能家庭網絡云服務應用平臺如圖1?26所示。

圖1?26 智能家庭網絡云服務應用平臺

1.6 實訓1 參觀智慧家庭體驗店

1.實訓目的

1）了解智慧家庭體驗店的主要功能。

2）熟悉智能家居的主要控制方式。

3）掌握智慧家庭的系統架構。

2.實訓場地

參觀學校附近的智慧家庭體驗店或體驗廳。

3.實訓步驟與內容

1）提前與智慧家庭體驗店或體驗廳聯系，做好參觀準備。

2）分小組輪流進行參觀。

3）由教師或體驗店人員為學生講解。

4.實訓報告

寫出實訓報告，包括參觀收獲、遇到的問題及心得體會。

1.7 思考題

1.什么是智能家居？什么是智慧家庭？兩者有何區別？

2.什么是物聯網？其體系結構分為哪幾層？

3.無線傳感器網絡的組成與網絡結構如何？

4.家庭網絡主要有幾種無線通信技術？各有哪些特點？

5.什么是云計算？云服務的主要形式有哪些？