第1章 走近物聯網

1.1 物聯網是什么

1.1.1 初識物聯網

近幾年，物聯網（Internet of Things,IoT）在學術界和產業界都受到了極大的關注。這種突然爆發的原因是物聯網將我們帶入了一個全新的萬物互聯的世界。在這個世界里，我們生活中的所有電子產品，甚至是非電子產品都能連接到物聯網上，并能實現無縫信息交互和通信，使其以智能的方式整體協調運作。

物聯網賦予了萬物互聯的可能，同時也催生了豐富的應用。其中，在公眾社會服務方面，如醫療健康、家居建筑、金融保險等；在經濟發展建設方面，如智能工農業、物流零售、能源電力等；在公共事物管理方面，如交通管理、安防反恐、市政管理、節能環保等。因此，許多人相信，物聯網將創造出迄今為止我們所見過的最大的技術浪潮，其將成為繼計算機、互聯網之后的第三次信息技術革命。

那么，什么是物聯網呢？“物聯網”這個詞最初是由麻省理工學院（MIT）的教授凱文·阿什頓（KeVin Ash-ton）于1999年在寶潔公司做的一次演講中提出的。他當時提出“物聯網有可能改變世界，就像互聯網一樣。”在此之后，麻省理工學院自動識別中心在2001年展示了他們的物聯網視覺解決方案。2005年，國際電信聯盟（ITU）在其發布的《ITV互聯網報告2005：物聯網》中正式引入了物聯網的概念，并對物聯網做了如下定義：通過二維碼識讀設備、射頻識別裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備、按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

盡管上文中把物聯網描述得很“高深莫測”，但當物聯網悄悄走進我們的生活時，我們并不會覺得它有什么費解之處。它就是簡單意義上的信息技術、通信技術（如傳感器技術、RFID標簽技術以及嵌入式系統技術等）等發展到一定階段的產物。通俗地理解，物聯網是一個嵌入了各種各樣的軟件、傳感器、聯網設備的物理硬件（如家用電器、汽車以及其他工業設備）的網絡。在這個網絡上，數據可以在設備與設備之間、設備與服務器之間自由傳輸，控制中心也能執行各種指令。

1.1.2 物聯網大家庭的主要技術成員

在物聯網這個大家庭中有3個主要技術成員：傳感器技術、無線射頻識別（Radio Frequency Identification,RFID）技術和嵌入式系統技術。

傳感器技術作為支撐現代信息技術發展的最底層、最小化的支柱技術之一，在汽車、智能手機上有著廣泛的應用。傳感器在物聯網中的布局處于整個運行網絡的最邊緣，也就是最接近生活使用的一端。它們的功能主要是數據的采集，將各種模擬信號轉化成能被機器識別和處理的數字信號。甚至可以說，傳感器是物聯網系統的數據來源。隨著物聯網產業的發展，為了能更好地實現功能，傳感器正朝著智能化、微型化、無線化和網絡化的方向發展。

RFID技術是一種非接觸式自動識別技術。舉個簡單的例子，現在的無人便利店就是采用了RFID技術，在顧客結賬的時候，機器能夠自動地獲取顧客購物車里的商品信息并進行結算，即時生成賬單并發送到顧客的手機上，而不需要像以前那樣，在超市柜臺一件件地將商品拿出來掃描條碼。從本質上來說，RFID在物聯網中的位置和功能與傳感器相當，但是，相對于其他感知技術，RFID技術在成本、功耗和應用領域都有比較大的優勢。雖然RFID能夠做到更快、更準確、更低能耗的目標識別，但是有一定的應用場景限制。目前，RFID已經廣泛應用于制造、銷售、物流、交通等領域，在物資流動過程中，可以實現全球范圍內的動態、快速、準確地識別與管理。

嵌入式計算機系統（Embedded Computer System）又稱為嵌入式系統（Embedded System），它與通用計算機系統一起構成計算機系統的兩大分支（見圖1-1）。與通用計算機系統比較，嵌入式計算機系統具有可封裝性好、專用性強、實時性好、可靠性高、微型化等優點。通俗地說，嵌入式系統就是物聯網設備的“靈魂”，只有有了“靈魂”，這些設備才能夠正常運作，才能夠與數據中心配合工作。而嵌入式系統這個“靈魂”的高度專用性同時也會賦予不同設備不同的個性與功能，去實現不同的任務。例如，同樣的兩臺溫控設備，裝上不同的嵌入式系統，一個可能用于自動控制室內的恒溫，另一個可能成為各大實驗室模擬極端天氣的關鍵設備。嵌入式技術的本質就是賦予設備功能，讓它們有能力相互連接，所以嵌入式系統技術是物聯網最基礎的技術之一，因為只有嵌入到物體中，計算機系統才具備“思考”的能力，這也是實現物物互連、人機互連的前提。

物聯網產業的發展不僅得益于傳感器技術等較為成熟技術的融合，而且在于大數據、人工智能（AI）、第五代移動通信技術（5G）、IPv6及區塊鏈等新技術的突破與創新（見圖1-2）。

因為數據種類繁多、數據體量巨大以及數據價值高，所以大數據給傳統的計算機技術帶來了前所未有的挑戰。物聯網應用每時每刻都在產生海量的數據，但這些數據并不能被直接使用，而是需要在采集后通過存儲、處理、分析并可視化，才能為人們所利用。可以說，沒有大數據技術便沒有物聯網的快速發展。

人工智能和物聯網都涉及眾多技術領域，從產業發展的角度看，它們也是相互交叉的。人工智能在物聯網中的應用主要有兩種方式：一種是利用編寫程序的方式，使物聯網系統變得更加智能化；另一種是利用模擬不同生物的機理的方式，實現智能化。物聯網中應用比較多的人工智能技術主要有專家系統、智能控制、智能化模塊、數據挖掘、機器學習等。

第五代移動通信技術是目前全球學術界和產業界關注的熱點。現有的移動通信網絡遠遠不能滿足物聯網應用場景的需求，高速度、高普及、低功耗、低時延的5G網絡是物聯網產業發展的必要條件。5G網絡是構筑萬物互聯的基礎設施。

IPv6是英文“Internet Protocol version 6”的簡稱，是IPv4的替代版本。目前，IPv4網址匱乏的問題日漸突出。不僅如此，IPv4還存在著性能不足、不夠安全等技術缺陷。而IPv6具有巨大的地址空間、地址自動配置（即插即用）、提高服務質量（QoS）、提高安全性、對移動通信的支持、擴展靈活、對感知層的支持等優勢，可以助力物聯網的發展。

區塊鏈技術是一種全新的分布式基礎架構與計算范式，其利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據，利用密碼學以及分布式節點共識算法來生成和更新數據，利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據，具有分布式對等、鏈式數據塊、防偽造和防篡改、透明可信和高可靠性等典型特征。區塊鏈技術對于解決物聯網的發展成本、安全以及數據隱私保護等問題具有重要意義。

綜上所述，物聯網是一系列硬件的聯系網，具有準確的物體識別能力（見圖1-3）。物聯網可以利用互聯網的電信基礎設施與制造商、運營商和其他聯網設備交換信息。它使物理對象能夠被感知（提供特定的信息，如用戶所處的室內溫度變化），并在互聯網上進行遠程控制，從而為物理世界和計算機系統之間更直接的互動溝通創造機會，提高企業運行效率、經營準確性和經濟效益。

從本質上來說，物聯網的主要思想是將任何能夠連接的事物（如傳感器、設備、機器、人、動物，甚至樹木）和其操作過程連接起來，通過互聯網實現監視或控制功能。這種大規模的連接不僅限于信息站點，它們本質上也是現實生活和物理硬件的連接，通過一系列的無線技術可以使它們部分免受基站限制而進行自由部署，允許用戶訪問終端，并在必要時對物理硬件進行控制。連接對象本身并不是一個目標，整個物聯網的最終目標是從這些對象中收集數據和其他信息，以豐富產品和服務。

物聯網正在發展壯大，尤其是在現代無線通信領域。這種快速發展促使智能硬件（如智能手機、智能手表和智能家居自動化系統）的品類不斷增加，它們之間可以相互通信，并與其他系統協作，以實現一定的功能。不可否認，物聯網已經對商業和個人生活產生巨大影響。很多企業開始使用物聯網創建新的業務模型，以達到改進業務流程、降低成本和風險的目的。