第1章 走近物联网

1.1 物联网是什么

1.1.1 初识物联网

近几年，物联网（Internet of Things,IoT）在学术界和产业界都受到了极大的关注。这种突然爆发的原因是物联网将我们带入了一个全新的万物互联的世界。在这个世界里，我们生活中的所有电子产品，甚至是非电子产品都能连接到物联网上，并能实现无缝信息交互和通信，使其以智能的方式整体协调运作。

物联网赋予了万物互联的可能，同时也催生了丰富的应用。其中，在公众社会服务方面，如医疗健康、家居建筑、金融保险等；在经济发展建设方面，如智能工农业、物流零售、能源电力等；在公共事物管理方面，如交通管理、安防反恐、市政管理、节能环保等。因此，许多人相信，物联网将创造出迄今为止我们所见过的最大的技术浪潮，其将成为继计算机、互联网之后的第三次信息技术革命。

那么，什么是物联网呢？“物联网”这个词最初是由麻省理工学院（MIT）的教授凯文·阿什顿（KeVin Ash-ton）于1999年在宝洁公司做的一次演讲中提出的。他当时提出“物联网有可能改变世界，就像互联网一样。”在此之后，麻省理工学院自动识别中心在2001年展示了他们的物联网视觉解决方案。2005年，国际电信联盟（ITU）在其发布的《ITV互联网报告2005：物联网》中正式引入了物联网的概念，并对物联网做了如下定义：通过二维码识读设备、射频识别装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备、按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

尽管上文中把物联网描述得很“高深莫测”，但当物联网悄悄走进我们的生活时，我们并不会觉得它有什么费解之处。它就是简单意义上的信息技术、通信技术（如传感器技术、RFID标签技术以及嵌入式系统技术等）等发展到一定阶段的产物。通俗地理解，物联网是一个嵌入了各种各样的软件、传感器、联网设备的物理硬件（如家用电器、汽车以及其他工业设备）的网络。在这个网络上，数据可以在设备与设备之间、设备与服务器之间自由传输，控制中心也能执行各种指令。

1.1.2 物联网大家庭的主要技术成员

在物联网这个大家庭中有3个主要技术成员：传感器技术、无线射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）技术和嵌入式系统技术。

传感器技术作为支撑现代信息技术发展的最底层、最小化的支柱技术之一，在汽车、智能手机上有着广泛的应用。传感器在物联网中的布局处于整个运行网络的最边缘，也就是最接近生活使用的一端。它们的功能主要是数据的采集，将各种模拟信号转化成能被机器识别和处理的数字信号。甚至可以说，传感器是物联网系统的数据来源。随着物联网产业的发展，为了能更好地实现功能，传感器正朝着智能化、微型化、无线化和网络化的方向发展。

RFID技术是一种非接触式自动识别技术。举个简单的例子，现在的无人便利店就是采用了RFID技术，在顾客结账的时候，机器能够自动地获取顾客购物车里的商品信息并进行结算，即时生成账单并发送到顾客的手机上，而不需要像以前那样，在超市柜台一件件地将商品拿出来扫描条码。从本质上来说，RFID在物联网中的位置和功能与传感器相当，但是，相对于其他感知技术，RFID技术在成本、功耗和应用领域都有比较大的优势。虽然RFID能够做到更快、更准确、更低能耗的目标识别，但是有一定的应用场景限制。目前，RFID已经广泛应用于制造、销售、物流、交通等领域，在物资流动过程中，可以实现全球范围内的动态、快速、准确地识别与管理。

嵌入式计算机系统（Embedded Computer System）又称为嵌入式系统（Embedded System），它与通用计算机系统一起构成计算机系统的两大分支（见图1-1）。与通用计算机系统比较，嵌入式计算机系统具有可封装性好、专用性强、实时性好、可靠性高、微型化等优点。通俗地说，嵌入式系统就是物联网设备的“灵魂”，只有有了“灵魂”，这些设备才能够正常运作，才能够与数据中心配合工作。而嵌入式系统这个“灵魂”的高度专用性同时也会赋予不同设备不同的个性与功能，去实现不同的任务。例如，同样的两台温控设备，装上不同的嵌入式系统，一个可能用于自动控制室内的恒温，另一个可能成为各大实验室模拟极端天气的关键设备。嵌入式技术的本质就是赋予设备功能，让它们有能力相互连接，所以嵌入式系统技术是物联网最基础的技术之一，因为只有嵌入到物体中，计算机系统才具备“思考”的能力，这也是实现物物互连、人机互连的前提。

物联网产业的发展不仅得益于传感器技术等较为成熟技术的融合，而且在于大数据、人工智能（AI）、第五代移动通信技术（5G）、IPv6及区块链等新技术的突破与创新（见图1-2）。

因为数据种类繁多、数据体量巨大以及数据价值高，所以大数据给传统的计算机技术带来了前所未有的挑战。物联网应用每时每刻都在产生海量的数据，但这些数据并不能被直接使用，而是需要在采集后通过存储、处理、分析并可视化，才能为人们所利用。可以说，没有大数据技术便没有物联网的快速发展。

人工智能和物联网都涉及众多技术领域，从产业发展的角度看，它们也是相互交叉的。人工智能在物联网中的应用主要有两种方式：一种是利用编写程序的方式，使物联网系统变得更加智能化；另一种是利用模拟不同生物的机理的方式，实现智能化。物联网中应用比较多的人工智能技术主要有专家系统、智能控制、智能化模块、数据挖掘、机器学习等。

第五代移动通信技术是目前全球学术界和产业界关注的热点。现有的移动通信网络远远不能满足物联网应用场景的需求，高速度、高普及、低功耗、低时延的5G网络是物联网产业发展的必要条件。5G网络是构筑万物互联的基础设施。

IPv6是英文“Internet Protocol version 6”的简称，是IPv4的替代版本。目前，IPv4网址匮乏的问题日渐突出。不仅如此，IPv4还存在着性能不足、不够安全等技术缺陷。而IPv6具有巨大的地址空间、地址自动配置（即插即用）、提高服务质量（QoS）、提高安全性、对移动通信的支持、扩展灵活、对感知层的支持等优势，可以助力物联网的发展。

区块链技术是一种全新的分布式基础架构与计算范式，其利用块链式数据结构来验证与存储数据，利用密码学以及分布式节点共识算法来生成和更新数据，利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据，具有分布式对等、链式数据块、防伪造和防篡改、透明可信和高可靠性等典型特征。区块链技术对于解决物联网的发展成本、安全以及数据隐私保护等问题具有重要意义。

综上所述，物联网是一系列硬件的联系网，具有准确的物体识别能力（见图1-3）。物联网可以利用互联网的电信基础设施与制造商、运营商和其他联网设备交换信息。它使物理对象能够被感知（提供特定的信息，如用户所处的室内温度变化），并在互联网上进行远程控制，从而为物理世界和计算机系统之间更直接的互动沟通创造机会，提高企业运行效率、经营准确性和经济效益。

从本质上来说，物联网的主要思想是将任何能够连接的事物（如传感器、设备、机器、人、动物，甚至树木）和其操作过程连接起来，通过互联网实现监视或控制功能。这种大规模的连接不仅限于信息站点，它们本质上也是现实生活和物理硬件的连接，通过一系列的无线技术可以使它们部分免受基站限制而进行自由部署，允许用户访问终端，并在必要时对物理硬件进行控制。连接对象本身并不是一个目标，整个物联网的最终目标是从这些对象中收集数据和其他信息，以丰富产品和服务。

物联网正在发展壮大，尤其是在现代无线通信领域。这种快速发展促使智能硬件（如智能手机、智能手表和智能家居自动化系统）的品类不断增加，它们之间可以相互通信，并与其他系统协作，以实现一定的功能。不可否认，物联网已经对商业和个人生活产生巨大影响。很多企业开始使用物联网创建新的业务模型，以达到改进业务流程、降低成本和风险的目的。