1.1 物聯網概述

炎熱的夏天，你打開屋里的空調，過一會兒室溫變得涼爽舒適。那么房間是如何保持在一個恒定舒適的溫度下呢？我們每個人都可以感知外界的冷熱，從而增加或者減少自己的衣物。大家肯定會想到，空調中也應該會有一個感知冷熱的元件，當室溫太低的時候，它就停止或減慢壓縮機的制冷工作；當室溫升高的時候，它就啟動或者加快壓縮機的制冷工作。空調中能夠感知冷熱的元件就是熱敏電阻，是一種傳感器，它如同我們的皮膚一樣，對外界的冷熱相當敏感。

一身臭汗讓你的衣服味道不好聞，你把衣服脫了，扔在洗衣機里。洗衣機自動進水，水位達到一定的高度，洗衣機開始洗滌。洗衣機里水面有多高，需要水位傳感器來檢測。當水位傳感器檢測到水位達到設定高度時，推動一個氣囊連桿閉合電路，洗衣機電腦板檢測這個通斷信號，然后決定開始還是停止旋轉。當然，洗衣機中還會有負重傳感器，負責檢測衣物重量，如果放入太重的東西，它會給洗衣機控制板發出一個自己無法承擔如此重量的警告。此外，水溫傳感器能夠檢測洗衣機內水溫，提示水溫過高或者過低；布質傳感器可以幫助檢測衣料的種類，以便通知洗衣機的控制板采用合適的洗滌方式；臟污程度傳感器可以檢測衣物臟的程度，從而決定洗滌方式和洗滌時長；脫水傳感器可以檢測衣物的濕度，從而決定甩干的轉速和時長等。

在外活動了很長時間的你肚子餓了，打開冰箱看看有什么吃的。冰箱里也有溫度傳感器，冷凍室的傳感器，用于顯示冷凍室的溫度；冷藏室的環境傳感器，用于顯示冷藏室的溫度。為了將冷凍室和冷藏室的溫度保持在恒溫，需要有個溫度閉環控制系統，當溫度過高或過低的時候，能夠指導冰箱降低或升高溫度。化霜傳感器所在的電路一般在常溫下為斷開狀態，-7℃以下為閉合狀態，此時化霜加熱器開始通電發熱，將冰箱里的霜化掉。

為了保障家里的安全，你安裝了煙霧報警器和監控攝像頭。煙霧報警器利用煙敏電阻對煙霧比較敏感這個特點來測量煙霧濃度，當室內煙霧達到一定濃度時，就會引起報警系統工作。監控攝像頭記錄了家里家外發生的一切，你可以在計算機上查看指定時間段的監控視頻來排查異常。

以上說了這么多，其實還沒有物聯網的影子呢，最多只算物聯網來臨的前奏。對于現在的家庭來說，這些東西都是司空見慣，不足為奇的。

炎熱的夏天，如果我們在還沒有回家的時候，就想用手機發送指令，查看室溫并遠程打開空調，然后設置目標室溫；在還沒有回家的時候，就想用手機查看衣服洗好沒有，是否洗干凈，是否甩干，是否需要再次洗滌；在還沒有回家的時候，就想知道冰箱里的食物有哪些，缺哪些東西。智能家居的生活場景如圖1-2所示。

一旦家里廚房發生煤氣泄漏，或者有人亂扔煙頭，導致家里起了煙霧，抑或有人入侵了你的私人住宅，這些危險情況能夠第一時間通知到你設定的電話、手機上，同時能夠自動報警，城市報警聯網中心可通過電子地圖準確掌握發生警情的地址，避免了報警者描述不清發生警情的詳細地址的尷尬。還可以實時監聽現場情況，及時調動警力做出快速響應。

能夠遠程查看和控制家電的工作狀態，能夠自動報警和遠程監控警情的應用就需要借助物聯網了。

所謂物聯網，并不是指有傳感器工作的 “物”，而是指有傳感器工作的“物” 所監測的信息能夠通過LTE、5G通信網實現物與物的聯系、物與人的聯系，也能通過互聯網與集中的網絡處理中心聯系。

1.1.1 什么是物聯網

2009年8月，“感知中國” 的概念被提出，物聯網正式被列為我國五大新興戰略性產業之一。2016年12月，國務院發布了 《“十三五” 國家信息化規劃》，其中提到 “物聯網” 的地方有20多處，明確了推進物聯網感知設施在各行各業中的規劃布局。2017年3月，李克強總理在 《政府工作報告》 中指出要加快大數據、云計算、物聯網的應用，以新技術、新業態、新模式推動傳統產業生產、管理和營銷模式的變革。

那么，究竟什么是物聯網呢？大家雖然急切地想知道，但遺憾的是，目前尚無統一的定義。

有的人說，物聯網就是傳感器；有的人說，物聯網就是5G、NB-IoT；有的人說，物聯網就是大數據；有的人說，物聯網就是智慧地球、智慧城市、智能交通、智能家居；也有的人說，平安城市、天網工程、雪亮工程就是物聯網；甚至還有的人說，物聯網和人工智能差不多。

當把傳感元件如射頻識別、紅外感應器、位置傳感器等安裝到生活或生產的各種物體上，所有的信息都可以形成數據發送到平臺層進行處理，這樣物體就有了 “智能”，物與物、人與物之間就可以實現 “溝通” 和 “對話”，物聯網也就隨之形成。

物聯網的概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出，英文名為Internet of Things，即 “物物相連的網絡”。以下是物聯網幾個比較常見的定義。

百度百科上如此定義：物聯網是通過信息傳感設備 （如射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等），按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

維基百科這樣定義：物聯網把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備和互聯網連接起來，實現智能化的識別和管理；物聯網就是把感應器裝備嵌入各種物體中，然后將 “物聯網” 與現有的互聯網連接起來，實現人類社會與物理系統的整合。

國際電信聯盟 （ITU） 這樣定義：物聯網在物品上額外嵌入短距離移動收發器，使人與人、人與物之間和物與物之間能夠進行溝通。任何時間、任何地點、任何人、任何物都能夠通過物聯網實現相關連接。

從以上各種定義抽取物聯網的本質可以得出：物聯網是把任何物體的任何測量量，變成一串數字，然后利用網絡傳送出去，進行分析處理，然后支撐相關應用的數據轉換過程。物聯網的信息處理過程如圖1-3所示。

傳統互聯網是基于人的網絡，在某種意義上，信息是靠人來采集和分析的，數據的產生和分析主要依賴于人，互聯網只是延伸了人類信息分享的范圍。相比而言，物聯網是基于物的網絡，信息可以由任何時間、任何地點的任何人或物產生。也就是說，在物聯網上，數據的產生是靠傳感器感知和采集的；與互聯網相比，物聯網增加了信息的自動提取能力。因此物聯網大大延伸了人類感知的觸角。

如果說互聯網構造的是虛擬空間，那么物聯網連接的則是實體空間。互聯網可以解決人與人之間信息不對稱的問題，物聯網則可以解決物與物、物與人的相互溝通問題。總之，如果說互聯網技術讓這個世界變成了一個 “地球村”，那么，物聯網技術就讓這個 “地球村” 變成了一個 “地球人”，它有了自己的感知系統、神經傳導系統、大腦智慧系統。

1.1.2 物聯網的分層結構

從物聯網的定義，可以總結出物聯網的共同特征，如圖1-4所示。

1） 物聯網的信息獲取依賴于各種傳感技術。

2） 物聯網的信息傳送基礎是通信網和互聯網，是通信網和互聯網的延伸和拓展。互聯是其重要特征。物聯網中的物品都是可尋址、可控制、可通信的。

3） 物聯網能夠讓物體集中分析和處理物體測量產生的大量數據，使物體對外界刺激有自動自發的響應。即智能智慧也是一個重要特征。

4） 物聯網將應用于各個行業和各個區域。從普通用戶的角度看，物聯網不僅是網絡，更多的是各種行業應用和大眾業務。

為了支撐各種物體產生的信息在物聯網的體系中暢通無阻，需要在物聯網體系中實現一連串的數據采集、數據轉換、數據傳送、數據分析、數據處理，這樣物聯網的支撐技術就需要包括多個層面：感知層技術 （傳感器技術、RFID （Radio Frequency Identification，無線射頻識別） 技術、感知/識別技術、WSN （Wireless Sensor Network，無線傳感網絡） 技術）、網絡層技術 （低功耗高帶寬無線通信技術、移動通信技術），平臺層技術 （人工智能、大數據、云計算）、應用層技術，如圖1-5 所示。物聯網發展的基礎是物聯網各個組成要件的協同發展。

首先，物聯網的本質是全面感知，因此感知層是物聯網最基礎的層面。物聯網將促進各種感知技術的廣泛應用。物聯網系統應用敏感元件，可以將人類感覺器官收集不到的有用信息提取出來，延長和擴展人類的感知能力。比如，紅外、紫外等光波敏感元件，可以擴展人們的視力；超聲和次聲傳感器，可以擴展人們的聽力。此外，各種嗅敏、味敏、光敏、熱敏、磁敏、濕敏等敏感元件也助力人類感覺能力的提升。一旦給某個物體加上傳感器，這個物體就成為一個信息源，它就會像互聯網上的一切數字設備那樣，發出自己感知到的一切信息。一個有完整行業應用的物聯網，往往部署了海量的各種類型的傳感器，不同類型的傳感器會測量到不同的信息，而這個信息具有實時性，物聯網的數據處理中心可以按一定的頻率，周期性地采集傳感器產生的信息，從而得到最新的數據。

其次，物聯網要實現可靠傳輸，就必須依賴通信網和互聯網。從物聯網上的傳感器定時采集到的信息需要通過有線、無線網絡或互聯網進行傳輸。海量的傳感器會產生海量的測量信息，在傳輸過程中，為了保障數據的正確性和及時性，數據傳輸過程必須適應各種異構網絡和協議。這些都要求物聯網的網絡層具有容量大、可靠、低延時、異構網兼容的特點。

再次，物聯網上連接著的各個物體，應該可以被追蹤、控制，也可以實現個性化呈現、遠程升級、統計分析等功能。這就要求物聯網要支撐智能處理和智能控制。當與大數據和人工智能 （AI） 結合，利用云計算、模式識別等各種計算機技術，物聯網可以具備預測性，支撐協同工作。物聯網的平臺層具有海量數據的存儲、計算、分析能力，它的職責就是使物聯網變得智能、智慧。

最后，物聯網要和一定的應用場景結合，才能解決人們在生產、生活中碰到的一類問題。比如城市安防、智慧校園、智能醫療、智能交通、車聯網、智慧農業、智能家居、智能電網、石油化工的監控、各種機器人的集中管理和控制，都是物聯網應用層常見的場景。隨著物聯網的發展，還會延伸到更多的應用場景，發現更新的應用領域和應用模式，還會從更多場景中的傳感器采集海量信息進行分析、加工和處理，以適應不同行業、不同用戶的不同需求。

總之，物聯網有四個層級，分別是：感知層、網絡層、平臺層和應用層。這四個層級又完成了數據采集、數據傳送、數據分析的功能，如圖1-6所示。如果把物聯網比作人體，感知層的作用相當于人的眼睛、耳朵、鼻子、舌頭、皮膚、手腳等感覺器官，網絡層就相當于用來傳遞信息的神經系統，平臺層則是人的大腦，對接收到的大量信息進行處理分析。傳感器技術是感知層的基礎，無線通信技術是網絡層的關鍵，計算機技術又是平臺層的核心，它們在物聯網系統中分別起到 “感官” “神經” 和 “大腦” 的作用。而應用層就相當于人要完成的任務，有明確的目標和方向，需要感覺器官、神經系統和大腦共同完成。

橫看物聯網，有四個層次，但應用層不僅是一個橫向層面的含義，還有一個縱向拉通的含義，每一個垂直行業依賴不同的感知層、網絡層、平臺層的資源，一個行業應用需要在垂直方向上整合以下三個層次的資源。

把物聯網的平臺層和應用層合二為一，統稱為應用層或應用平臺層，那么物聯網的結構就分為三層了。有的人把物聯網的三層架構稱之為 “端-管-云” 架構，如圖1-7所示。各種各樣的終端設備、傳感節點、無線識別都屬于 “端”（Device），5G無線通信網絡、WLAN網絡及互聯網等屬于 “管” （Pipe），數據存儲、數據分析計算及各種應用則運行在 “云”（Cloud） 側。

1.1.3 物聯天下，傳感先行

“物聯網和互聯網的區別到底在哪里呀？” 吳小白問武廉旺。

“互聯網加上感知能力，我認為就接近物聯網了。” 武先生回答道。

“你這么一說，物聯天下，感知能力是先決條件了？” 吳小白問道。

“是啊！沒有物體的感知能力，那不等于人與人之間通過電腦終端的互聯么？那不還是等于互聯網么？” 武先生這樣說道。

“看來現實感，或者是對周圍環境的感知能力，是物聯網的獨特的地方。”吳小白總結道。

在物聯網時代，我們的家用電器在可能損壞之前，安裝在電器里面的傳感器就已經檢測到了異常，于是主動報修。在報修和檢測的過程中，人可以不參與其中，由設備自身完成整個監測和維護的過程。電器需要返修的話，家用機器人和快遞公司的無人機可以提供幫助。

如此便利的生活都要歸功于傳感器和智能電器。因為傳感器的存在，智能電器才能監測到自身的工作狀態。廣泛存在的傳感元件，可以讓未來每一件物品的狀態和信息都會被感知。電燈等照明系統一定會有光傳感器，門窗有紅外傳感器，隨身攜帶的手機和手環等穿戴設備會集成更多傳感器。舉例來說，在如圖1-8所示的無人便利店里，一盒雞蛋、一籃水果進入冰箱后，人們就可以通過手機查看到雞蛋、水果的數量、價格，以及物流運輸信息，甚至還可以追蹤到雞蛋是哪個農場的哪一只母雞產的，追蹤到水果是哪個果園的哪棵樹上產的。

那么，如果傳感器監測的數據不準確，那么平臺側可能給出錯誤的指令，用戶可能付出不必要的成本，商家可能因此蒙受損失。也就是說，傳感層采集的數據不準確，就會影響物聯網傳送數據的可信度。

物聯網的本質就是將IT基礎設施融入物理基礎設施中，也就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道、家用電器、日用百貨等各種物體中，并且實現普遍連接，形成所謂的 “物聯網”。從智慧城市到智能家居、智能泊車、智慧工業、智慧農業等，都是建立在各類傳感器之上。物聯網可以實現萬物溝通，是廣泛連接物理世界的網絡，實現了任何時間、任何地點及任何物體的連接。可以說，人們為了實現人與物的有機結合，以更加精細和動態的方式管理生產和生活，提高整個社會的信息化能力，將需要大量工藝水平超高、測量精確、體積微小、成本超低的傳感器元件。

感知層的使用是物聯網與互聯網的最大區別，物聯網最基礎、最底層的部分就是廣泛分布的傳感器或傳感層器件。感知層在物聯網中起著決定性的作用。傳感器好比人的眼、耳、口、鼻、舌、手，可以認為延伸了人類的感覺，它能夠采集到更多更廣的有用信息。正是因為有了傳感器，物聯網系統才能將自己感知到的信息傳遞給 “大腦”。

傳感器的性能決定了物聯網性能。在物聯網時代，傳感器將代替人工成為獲得信息的重要手段和途徑，如圖1-9所示。傳感器采集信息的準確性、可靠性、實時性，將直接影響到控制節點對信息的處理與傳輸，對物聯網應用系統的性能影響相當大。

目前，我國的互聯網、通信網、云存儲、云計算等基礎設施發展速度較快，但傳感器工藝的發展速度卻較為緩慢。我國在物聯網感知層核心技術的掌握上，同發達國家相比，尚有不小的差距。相對于計算機技術、通信技術，我國的傳感器技術在國際上處于弱勢地位，存在的問題較多。可以這么說，在各種應用場景中，我國物聯網發展的瓶頸就在于感知層，感知層的發展瓶頸就在于傳感元件。傳感器是決定物聯網產業發展速度的重要因素之一。

俗話說，“兵馬未動，糧草先行”。在物聯網快速發展的今天，這句話可以理解為：物聯天下、傳感先行。沒有感知層元件的廣泛部署，物聯網的發展就是無源之水、無本之末了。

本書的重點就是介紹物聯網感知層涉及的關鍵技術，及其在生產和生活中的應用。