1.3 初識感知層

“傳感技術和感知層技術是否是等同的概念呢？” 吳小白問。

“傳感技術是感知層技術的重要方面，但二者不完全等同啊。” 武先生道。

“愿聞其詳。” 吳小白急切地說道。

“感知層，顧名思義，除了 ‘感’ 的能力，還得有 ‘知’ 的能力！” 武先生說道，“但僅有 ‘感’ 和 ‘知’ 的能力，只能實現檢測和監視，還不能實現 ‘控制’ 功能。”

“具體解釋一下。” 吳小白好奇地說。

“就是你只能知道物理的狀態，卻不能控制它的行為。也就是說，只有‘監’，沒有 ‘控’。”

“如果我想有 ‘控’ 制能力，怎么辦呢？” 吳小白說道。

“那你就需要讓感知層具有 ‘智’ 和 ‘行’ 的能力。也就是說，它能夠根據感知到的信息，進行決策，然后行動。” 武先生道。

“也就是說感知層，其實可以包含感、知、智、行等能力。那感知層的關鍵技術，可不只是傳感器了。” 吳小白說道。

“是的，感知層關鍵技術有很多，除傳感器技術外，視頻、音頻、圖像、二維碼等識別技術也屬于 ‘知’ 的技術，有些芯片或者是模組，有智能分析的功能，中間件的技術可以支撐平臺層做智能決策。如果需要控制的話，還需要有控制執行的技術。”

1.3.1 感知智行

如圖1-18所示，我們在開車的過程中，眼睛緊盯著前方，同時用余光掃視著右視鏡、左視鏡和觀后鏡。眼睛看到的這些周邊的狀況被傳送到大腦，大腦形成一個對交通狀況的基本判斷，如果發現方向不對，用手控制方向盤調整方向；如果發現速度過快或過慢，用腳控制剎車或油門，如圖1-19所示。

整個開車的過程中，眼睛所觀察到的情況不斷地反饋給大腦，形成一個基于反饋的檢測控制系統。大腦根據之前收到的路況信息和調整后收到的路況信息之間的偏差，形成新的調節控制策略，進一步指示手和腳完成下一步動作。這就是一個基于偏差的控制調節系統。在這個控制系統中，大腦相當于控制單元，手和腳是執行單元，眼睛相當于測量單元，開車這個行為就是一個應用。司機開車的控制過程就相當于一個感知層的自動調節控制系統，如圖1-20所示。

再舉一個室溫自動調節系統 （空調） 的例子。假如我們想把室溫控制在25℃，這個溫度控制目標就是輸入，溫度傳感器不斷地測量實際的室溫 （感）。目標室溫和實際室溫有一個偏差 （知），控制單元識別到這個偏差，結合經驗庫，進行智能控制 （智），指示空氣壓縮機制冷或者升溫的動作 （行）。控制溫度就是一個應用，感知層圍繞著這個應用目標，完成感、知、智、行的功能，如圖1-21所示。

感知層的感、知、智、行分別代表了傳感器的測量元件、比較元件、智能控制單元和執行單元的能力。這樣就組成了一個自動檢測調節系統，可以在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備的某個工作狀態或參數自動地按照預定的程序運行。

單槍匹馬是很難成事的，一個人再厲害，也是勢單力薄。荀子說過：“君子性非異也，善假于物也。” 一個傳感節點的感、知、智、行的能力再強，它感知的范圍也是有限的，智能控制的知識和策略也是局部的，執行動作的復雜度也是有限的。這就需要很多的傳感節點組成一個局部的傳感網，眾多的傳感網或傳感單元通過網絡層、平臺層的能力匯聚成物聯網。這樣就形成了全局的感知能力、全局的智能控制能力和行動能力。

回到前面司機開車的例子里。司機個體開車的能力絕對是有限的，經驗再豐富的司機，對突發交通狀況的反應都是滯后的。如果每個車的行動軌跡都能監測起來，形成車聯網，中央控制平臺就可以超前發現可能出現相撞事件，提前給多個司機提示，就可以大幅降低交通事故發生的概率。當然，車聯網的優點不止于此，它還有利于實現整個城市的智能交通。

在室溫自動調節的例子里，如果每個場景的空調系統都能連起網來，形成智能調溫網絡，廠家就可以實現所有運行的空調設備自動維護、自動故障處理，空調用戶也可以實現遠程室溫控制。

1.3.2 感知層關鍵技術

子曰：“工欲善其事，必先利其器。” 感知層的感、知、智、行功能的實現，依賴于一系列感知層的關鍵技術，如圖1-22所示。

首先，傳感技術是物聯網測量技術的基礎，是物聯網信息產生的源頭。傳感器是物聯網產業的關鍵器件，新材料技術、智能化技術、集成化技術、小型化技術是現代傳感器發展過程中離不開的課題。為了便于一次部署、永久使用，低功耗是目前傳感器產品研發的重要指標之一；為了促進物聯網的規模化應用，低成本也是傳感器研發的重要方向。

視頻技術可以看作非接觸式的傳感技術，是物聯網視覺能力的重要基礎。視頻采集技術，不僅可在常規條件下使用，在夜間、高溫、能見度低的場景下也可使用。當然，在這些特殊的使用場景，需要有相應的視頻采集存儲和分析識別技術。視頻分析識別技術依賴于大量高清晰度的視頻資料，從中找到關于實際空間環境中的趨勢性、經驗性、不確定性、隨機性和模糊性的信息，提取關鍵信息和有價值數據，從而在各種行業中應用，如智能交通、商業智能、防災減災、安全生產、智能安防、安全監護等，成為解決實際問題的利器。

標識技術是通過RFID標簽、條形碼、二維碼、語音、生物特征等手段來標識、識別物體的技術。給產品貼上可識別的標簽，增加了產品的外在特征，然后通過紅外/激光掃描、RFID等技術來識別這些外在特征，以此證實和判斷物體本質的特征。RFID是一種自動識別技術，也可以看作是物聯網的信息采集技術，本質上也是一種傳感器技術，融合了無線射頻技術和嵌入式技術。RFID在自動識別、物品物流管理等領域有著廣闊的應用前景。

在物聯網龐大的生態體系中，芯片的科技含量較高，是產業鏈的基礎和核心。傳感層硬件的基礎就是各種芯片，如傳感器、微控制器、存儲器、超低功耗通信部件、定位模塊、信號轉換元件、電源管理元件都需要相應的芯片。掌握了芯片技術，就掌握了物聯網的核心話語權。

物聯網中，傳感器數量多、讀寫設備多、識讀點多、硬件設備品種多，數據格式不一。傳感器中間件是屏蔽底層設備復雜性的關鍵部件，是銜接傳感器硬件設備和上層業務應用的橋梁。感知層的中間件有兩大類型，一類是屏蔽傳感器采集數據的復雜性，完成傳感器測量數據的采集、過濾和合并；另一類是提供上層業務和應用的數據過渡，完成傳感數據的存儲、維護、訪問和聚合。傳感器中間件還可以為上層應用提供標準接口，使客戶很輕松地利用其接口進行二次開發，提高感知層的定制開發能力和場景適配能力。

眾多的無線傳感器節點可以通過ZigBee協議組成傳感網來協調工作，形成更有價值的信息網絡。物聯網的近距離通信技術、ZigBee組網應用原理、嵌入式網關技術都是傳感網的關鍵技術。此外，各傳感器產生的數據還需要通過遠距離無線通信的方式和平臺層的各種應用軟件相連。也就是說，傳感器節點本身就相當于具有無線通信功能的終端。在物聯網時代，作為傳感器節點的終端設備眾多，像手機需要操作系統一樣，各細分場景的物聯網智能終端設備也需要相應的嵌入式操作系統，來感知硬件的復雜性、支撐無線傳感網近距離通信的功能。物聯網中傳感器終端設備的操作系統技術也是核心競爭力之一。

在共享單車、共享汽車、安全出行、公共交通等應用中，定位技術可以用來測量目標的位置參數、時間參數、運動參數等時空信息，從而得知某一用戶或者物體的具體位置和運行軌跡，以此實現對人或物的位置跟蹤。定位技術也是物聯網感知層應用的關鍵技術之一。

綜上所述，物聯網感知技術涉及的關鍵技術全景圖如圖1-23所示。

1.3.3 感知層產業鏈概述

物聯網應用是個長尾市場，涉及各行各業。具體到感知層來說，產品也是各式各樣，涵蓋的產業鏈非常長，參與的廠家眾多，還沒有形成兩三個廠家獨大的市場格局。但從最核心的技術實現層面來看，主要包括傳感器廠家、視頻采集和識別廠家、標簽和標識廠家、芯片廠家、無線模組 （包括通信、定位、組網）廠家、中間件廠家、智能終端 （包括可穿戴設備） 廠家等。

目前我國整個物聯網感知層的產業鏈組成和市場中有代表性的廠家如圖1-24所示。