相關知識

1.1.1 初識物聯網技術

物聯網（Internet of Things, IoT）是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等的信息承載體，它是讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯互通的網絡。

物聯網指的是將無處不在的末端設備和設施，包括具備“內在智能”的傳感器、移動終端、工業系統、數控系統、家庭智能設施、視頻監控系統等和“外在使能”的“智能化物件或動物”（如貼上RFID的各種資產、攜帶無線終端的個人與車輛等）或“智能塵埃”，通過各種無線和/或有線的長距離和/或短距離通信網絡實現互聯互通（M2M）、應用大集成（Grand Integration）以及基于云計算的SaaS營運等模式，在內網（Intranet）、外網（Extranet）和互聯網（Internet）環境下，采用適當的信息安全保障機制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、定位追溯、報警聯動、調度指揮、預案管理、遠程控制、安全防范、遠程維保、在線升級、統計報表、決策支持、領導桌面（集中展示的Cockpit Dashboard）等管理和服務功能，實現對“萬物”的“高效、節能、安全、環保”的“管、控、營”一體化。

“物聯網”的概念是在1999年提出的，它的定義很簡單：把所有物品通過射頻識別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。也就是說，物聯網是指各類傳感器和現有的互聯網相互連接的一個新技術。

1.物聯網的關鍵技術

把網絡技術運用于萬物組成“物聯網”，如把感應器嵌入裝備到油網、電網、路網、水網、建筑、大壩等物體中，然后將“物聯網”與“互聯網”整合起來，實現人類社會與物理系統的整合。超級計算機群對“整合網”的人員、機器設備、基礎設施實施實時管理控制。以精細動態方式管理生產生活，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然關系。

簡單地講，物聯網是物與物、人與物之間的信息傳遞與控制。在物聯網應用中有以下關鍵技術。

（1）傳感器技術 它是計算機應用中的關鍵技術。絕大部分計算機處理的都是數字信號。自從有計算機以來就需要傳感器把模擬信號轉換成數字信號才能處理。

（2）RFID技術 它是一種傳感器技術，是融合了無線射頻技術和嵌入式技術為一體的綜合技術。RFID在自動識別、物品物流管理等領域有著廣闊的應用前景。

（3）單片機嵌入式系統技術 它是集計算機軟硬件、傳感器技術、集成電路技術、電子應用技術為一體的復雜技術。經過幾十年的演變，以單片機嵌入式系統為特征的智能終端產品隨處可見，小到人們身邊的智能音箱，大到航天航空的衛星系統。

（4）智能技術 它是為了有效地達到某種預期的目的，利用知識所采用的各種方法和手段。通過在物體中植入智能系統，可以使物體具備一定的智能性，能夠主動或被動地實現與用戶的溝通，也是物聯網的關鍵技術之一。

（5）納米技術 它是研究結構尺寸在0.1～100nm范圍內材料的性質和應用，主要包括：納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等。

2.物聯網體系架構

物聯網典型體系架構分為3層，自下而上分別是感知層、網絡層和應用層。物聯網體系架構如圖1-1所示。

（1）感知層 感知層是實現物聯網全面感知的核心能力，是物聯網中關鍵技術，感知層是在標準化、產業化方面亟須突破的部分，關鍵在于具備更精確、更全面的感知能力，并解決低功耗、小型化和低成本問題。

（2）網絡層 網絡層主要以廣泛覆蓋的移動通信網絡作為基礎設施，是物聯網中標準化程度最高、產業化能力最強、最成熟的部分，關鍵在于為物聯網應用特征進行優化改造，形成系統感知的網絡。

（3）應用層 應用層提供豐富的應用，將物聯網技術與行業信息化需求相結合，實現廣泛智能化的應用解決方案，關鍵在于行業融合、信息資源的開發利用、低成本高質量的解決方案、信息安全的保障及有效商業模式的開發。

物聯網體系主要由運營支撐系統、傳感網絡系統、業務應用系統、無線通信網系統等組成。

1）運營支撐系統主要是指M2M平臺，該平臺具有一定的鑒權功能，因此可以為顧客提供必要的終端管理服務，同時，對于不同的接入方式，其都可順利接入M2M平臺，因此可以更順利、更方便地進行數據傳輸。此外，M2M平臺還具備一定的管理功能，其介意對用戶鑒權、數據路由等進行有效的管理。而對于BOSS系統，其由于具備較強的計費管理功能，因此在物聯網業務中得到廣泛的應用。

2）通過傳感網絡，可以采集所需的信息，顧客在實踐中可運用RFID讀寫器與相關的傳感器等采集其所需的數據信息，當網關終端進行匯聚后，可通過無線網絡遠程將其順利地傳輸至指定的應用系統中。此外，傳感器還可以運用ZigBee與藍牙等技術實現與傳感器網關有效通信的目的。市場上常見的傳感器大部分都可以檢測到相關的參數，包括壓力、濕度或溫度等。一些專業化、質量較高的傳感器通常還可檢測到重要的水質參數，包括濁度、水位、溶解氧量、電導率、藻藍素含量、pH值、葉綠素含量等。運用傳感器網關可以實現信息的匯聚，同時可運用通信網絡技術使信息可以遠距離傳輸，并順利到達指定的應用系統中。

3）業務應用系統主要提供必要的應用服務，包括智慧家居服務、一卡通服務、水質監控服務等。所服務的對象，不僅僅為個人用戶，也可以為行業用戶或家庭用戶。

3.物聯網應用場景

（1）智慧家居 智慧家居指的是使用各種技術和設備，來提高人們的生活質量，使家庭變得更舒適、安全和高效。物聯網應用于智慧家居領域，能夠對家居類產品的位置、狀態、變化進行監測，分析其變化特征，同時根據人的需要，在一定的程度上進行反饋。典型智慧家居如圖1-2所示。

智慧家居的發展分為三個階段，分別是單品連接、物物聯動以及平臺集成。當前處于單品連接向物物聯動過渡階段。

1）單品連接：這個階段是將各個產品通過傳輸網絡，如WiFi、藍牙、ZigBee等進行連接，對每個單品單獨控制。

2）物物聯動：目前，各個智慧家居企業將自家的所有產品進行聯網、系統集成，使得各產品間能聯動控制，但不同的企業單品還不能聯動。

3）平臺集成：這是智慧家居發展的最終階段，根據統一的標準，使各企業單品能相互兼容，目前還沒有發展到這個階段。

（2）智慧安防 智慧安防系統是物聯網的一大應用市場，傳統安防對人員的依賴性比較大，非常耗費人力，而智慧安防能夠通過設備實現智能判斷。目前，智慧安防最核心的部分在于智慧安防系統，該系統是對拍攝的圖像進行傳輸與存儲，并對其分析與處理。一個完整的智慧安防系統主要包括三大部分，門禁、報警和監控，行業中主要以視頻監控為主。視頻安防系統如圖1-3所示。

由于采集的數據量足夠大，且時延較低，因此目前城市中大部分的視頻監控采用的是有線的連接方式，而對于偏遠地區以及移動性的物體監控采用的則是4G/5G等無線技術。

1）門禁系統：主要以感應卡式、指紋、虹膜以及面部識別等為主，有安全、便捷和高效的特點，能聯動視頻抓拍、遠程開門、手機位置探測及軌跡分析等。

2）監控系統：主要以視頻為主，分為警用和民用市場。它通過視頻實時監控，使用攝像頭進行抓拍記錄，將視頻和圖片進行數據存儲和分析，實時監測、確保安全。

3）報警系統：主要通過報警主機進行報警，同時，部分研發廠商會將語音模塊以及網絡控制模塊置于報警主機中，縮短報警反應時間。

（3）智慧交通 智慧交通被認為是物聯網所有應用場景中最有前景的應用之一。而智慧交通是物聯網的體現形式，利用先進的信息技術、數據傳輸技術以及計算機處理技術等，集成到交通運輸管理體系中，使人、車和路能夠緊密地配合，改善交通運輸環境、保障交通安全以及提高資源利用率。行業內應用較多的有五大場景，包括智慧公交車、共享單車、汽車聯網、智慧停車以及智能紅綠燈等。智慧交通包含多種控制內容，如圖1-4所示。

1）智慧公交車：結合公交車輛的運行特點，建設公交智能調度系統，對線路、車輛進行規劃調度，實現智能排班。

2）共享單車：運用帶有GPS或NB-IoT模塊的智能鎖，通過App相連，實現精準定位、實時掌控車輛狀態等。

3）汽車聯網：利用先進的傳感器及控制技術等實現自動駕駛或智能駕駛，實時監控車輛運行狀態，降低交通事故發生率。

4）智慧停車：通過安裝地磁傳感器，連接進入停車場的智能手機，實現停車自動導航、在線查詢車位等功能。

5）智能紅綠燈：依據車流量、行人及天氣等情況，動態調控燈信號，來控制車流，提高道路承載力。

6）汽車電子標識：采用RFID技術，實現對車輛身份的精準識別、車輛信息的動態采集等功能。

7）充電樁：通過物聯網設備，實現充電樁定位、充放電控制、狀態監測及統一管理等功能。

8）高速無感收費：通過攝像頭識別車牌信息，根據路徑信息進行收費，提高通行效率、縮短車輛等候時間等。

（4）智慧農業 智慧農業指的是利用物聯網、人工智能、大數據等現代信息技術與農業進行深度融合，實現農業生產全過程的信息感知、精準管理和智能控制的一種全新的農業生產方式，可實現農業可視化診斷、遠程控制以及災害預警等功能。

農業分為農業種植和畜牧養殖兩個方面。農業種植分為設施種植（溫室大棚）和大田種植，主要包括播種、施肥、灌溉、除草以及病蟲害防治等五個部分，通過傳感器、攝像頭和衛星等收集數據，實現數字化和智能機械化發展。當前，數字化的實現多以數據平臺服務來呈現，而智能機械化以農機自動駕駛為代表。畜牧養殖主要是將新技術、新理念應用在生產中，包括繁育、飼養以及疾病防疫等，可以用“精細化養殖”定義整體畜牧養殖環節。智慧農業物聯網平臺已經廣泛應用于現代農業生產中，如圖1-5所示。

（5）智慧醫療 智慧醫療的兩大主要應用場景：醫療可穿戴設備和數字化醫院。全方位智慧醫療如圖1-6所示。

在智慧醫療領域，新技術的應用必須以人為中心。而物聯網技術是數據獲取的主要途徑，能有效幫助醫院實現對人和物的智能化管理。對人的智能化管理指的是通過傳感器對人的生理狀態（如心跳頻率、體力消耗、血壓高低等）進行捕捉，將它們記錄到電子健康文件中，方便個人或醫生查閱。對物的智能化管理，指的是通過RFID技術對醫療物品進行監控與管理，實現醫療設備、用品可視化。當前智慧醫療主要有如下兩個應用場景。

1）醫療可穿戴設備：通過傳感器采集人體及周邊環境的參數，經傳輸網絡，傳到云端，數據處理后，反饋給用戶。

2）數字化醫院：將傳統的醫療設備進行數字化改造，實現了數字化設備遠程管理、遠程監控以及電子病歷查閱等功能。

（6）智慧物流 智慧物流及供應鏈如圖1-7所示。智慧物流是新技術應用于物流行業的統稱，指的是以物聯網、大數據、人工智能等信息技術為支撐，在物流的運輸、倉儲、包裝、裝卸、配送等環節實現系統感知、全面分析及處理等功能。智慧物流的實現能大大地降低各行業運輸的成本，提高運輸效率，提升整個物流行業的智能化和自動化水平。物聯網應用于物流行業中，主要體現在三方面，即倉儲管理、運輸監測和智能快遞柜。

1）倉儲管理：通常采用基于LoRa、NB-IoT等傳輸網絡的物聯網倉庫管理信息系統，完成收貨入庫、盤點調撥、揀貨出庫以及整個系統的數據查詢、備份、統計、報表生產及報表管理等任務。

2）運輸監測：實時監測貨物運輸中的車輛行駛情況以及貨物運輸情況，包括貨物位置、狀態環境以及車輛的油耗、油量、車速及剎車次數等駕駛行為。

3）智能快遞柜：將云計算和物聯網等技術結合，實現快件存取和后臺中心數據處理，通過RFID或攝像頭實時采集、監測貨物收發等數據。

（7）智慧能源 當前，將物聯網技術應用在能源領域，主要用于水、電、燃氣等計量以及根據外界天氣對路燈的遠程控制等，基于環境和設備進行物體感知，通過監測，提升利用效率，減少能源損耗。根據實際情況，智慧能源分為四大應用場景。

1）智能水表：可利用先進的NB-loT技術，遠程采集用水量，以及提供用水提醒等服務。

2）智能電表：自動化信息化的新型電表，具有遠程監測用電情況，并及時反饋等功能。

3）智能燃氣表：通過網絡技術，將用氣量傳輸到燃氣集團，無須入戶抄表，且能顯示燃氣用量及用氣時間等數據。

4）智慧路燈：通過搭載傳感器等設備，實現遠程照明控制以及故障自動報警等功能。家用遠程抄表系統如圖1-8所示。

（8）智慧建筑 物聯網應用于建筑領域，主要體現在用電照明、消防監測以及樓宇控制等。建筑是城市的基石，技術的進步促進了建筑的智能化發展，物聯網技術的應用，讓建筑向智慧建筑方向演進。物聯網應用于現代建筑如圖1-9所示。

智慧建筑越來越受到人們的關注，是集感知、傳輸、記憶、判斷和決策于一體的綜合智能化解決方案。當前的智慧建筑主要體現在用電照明、消防監測以及樓宇控制等，將設備進行感知、傳輸并遠程監控，不僅能夠節約能源，同時也能減少運維的樓宇工作人員。而對于古建筑，也可以進行白蟻（以木材為食的一種昆蟲）監測，進而達到保護古建筑的目的。

（9）智慧制造 物聯網技術賦能制造業，實現工廠的數字化和智能化改造。制造領域的市場體量巨大，是物聯網的一個重要應用領域，主要體現在數字化以及智能化的工廠改造上，包括工廠機械設備監控和工廠的環境監控。通過在設備上加裝物聯網裝備，設備廠商可以遠程隨時隨地對設備進行監控、升級和維護等操作，更好地了解產品的使用狀況，完成產品全生命周期的信息收集，指導產品設計和售后服務；而廠房的環境監控主要包括空氣溫濕度、煙感等情況，如圖1-10所示。

數字化工廠的核心特點是：產品的智能化、生產的自動化、信息流和物資流合一。企業的數字化和智能化改造大體分成四個階段：自動化生產線與生產裝備、設備聯網與數據采集、數據的打通與直接應用、數據智能分析與應用。這四個階段并不按照嚴格的順序進行，各階段也不是孤立的，邊界較模糊。

（10）智慧零售 智慧零售依托于物聯網技術，主要體現了兩大應用場景，即自動售貨機和無人便利店。行業內將零售按照距離，分為三種不同的形式：遠場零售、中場零售、近場零售。三者分別以電商、商場/超市和便利店/自動售貨機為代表。物聯網技術可以用于近場和中場零售，且主要應用于近場零售，即無人便利店和自動（無人）售貨機。智慧零售如圖1-11所示。

智慧零售通過對傳統的售貨機和便利店進行數字化升級、改造，打造無人零售模式。通過數據分析，并充分運用門店內的客流和活動，為用戶提供更好的服務，為商家提供更高的經營效率。

1）自動售貨機：也叫無人售貨機，分為單品售貨機和多品售貨機，通過物聯網平臺可以進行數據傳輸，客戶驗證，購物車提交，到扣款回執等。

2）無人便利店：采用RFID技術，用戶僅須掃碼即可開門，便可進行商品選購，關門之后系統會自動識別所選商品，并自動完成扣款結算。