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一文講透物聯網技術

2023-03-28
來源:數據工匠俱樂部

人類自誕生以來，從未停止過對自然界的探索，我們一直在觀察自然現象，記錄自然規律，利用自然界傳達的各種信息為人類的生活服務。

隨著互聯網的發展和傳感器技術的進步，如果將自然界的萬物都接入互聯網，讓傳感器幫助人類采集信息，讓計算機代替人類處理信息，生活將會是多么的便捷呢?這就是物聯網(IoT)概念的來源。什么是物聯網?簡而言之，物聯網就是將現實世界中的實體連到互聯網上，實現物與物、人與物之間可以很方便地相互溝通。

物聯網，作為新技術，定義千差萬別。一個普遍被大家接受的定義為：物聯網是通過使用射頻識別(RFID)、傳感器、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息采集設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網被認為是繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。

那么，物聯網和互聯網有什么關系呢?眾所周知，互聯網+商場=天貓，互聯網+義烏小商品=淘寶，互聯網+中關村=中關村，互聯網+旅行社=攜程，互聯網+餐廳=美團，互聯網+出租車=滴滴出行，互聯網+聊天軟件=騰訊，互聯網+搜索=百度，互聯網+直播=斗魚，互聯網+金融=虛擬貨幣，互聯網+股權眾籌=萬眾創新......那么，問題來了，互聯網+以上所有=?沒錯!物聯網!在這個崇尚連接的時代，越來越多的連接正在改變人們的生活，相應會塑造出無數的商業機會。

物聯網的發展歷程

全球公認的物聯網起源，要追溯到1991年英國劍橋大學的著名的“特洛伊”咖啡壺事件。劍橋大學特洛伊計算機實驗室的科學家們在工作時，需要步行兩層樓梯到地面看咖啡煮好了沒有，但常常空手而歸，這讓他們覺得很苦惱。

為了解決這一麻煩，他們編寫了一套程序，并在咖啡壺旁邊安裝了一個便攜式攝像機，鏡頭對準咖啡壺，利用計算機的圖像捕捉技術，以180f/s的速率傳遞到實驗室的計算機上，以方便科學家們隨時查看咖啡是否煮好。后來這套簡單的本地“咖啡觀察”系統又經過其他同事的更新，以1f/s的速率通過實驗室網站連接到互聯網上。

沒有想到的是，僅僅為了窺探咖啡煮好了沒有，全世界互聯網用戶蜂擁而至，近240萬人點擊過這個名噪一時的“咖啡壺”網站。2001年8月，特洛伊咖啡壺在eBay拍賣網以7300美元價格售出。這項不經意的發明居然在全世界引起了巨大的轟動。“特洛伊咖啡壺”是全世界物聯網最早獲得應用的一個雛形。

1995年，比爾蓋茨在《未來之路》一書中首次提到了“物物相連”的構想，但迫于當時無線網絡、傳感設備的局限，這一構想無法真正落地。但隨著技術的進步，當初蓋茨那些腦洞大開的想法，對未來的各種預測，許多都已經照進現實。

《未來之路》中有寫道：“你能把所有信息和更多軟件存人一種信息裝置中，我們姑且稱之為袖珍個人計算機。它與錢包一樣大小，你可把它放進口袋或手提袋中。它不僅可以顯示信息和時刻表，而且能讓你閱讀/發送電子郵件、記錄天氣和股票評論，還可以玩簡單的或者復雜的游戲。”

這不正是我們須臾不可離身的智能手機嗎?機不離手，手不離機，一機在手，天長地久，機不在手，魂都沒有。雖然比爾蓋茨描述的袖珍個人計算機與智能手機并不完全一樣，但基本上就是智能手機的雛形。

《未來之路》中還寫道：“如果你想欣賞博物館或美術館的藝術作品，那么你可以‘走’進一種視覺顯示畫面，在作品之中自由切換，就像你親自在現場般。你可以用超級鏈路來了解一幅畫或一尊雕像的詳細信息……”

如今，虛擬現實(VR，Virtual Reality)的發展已使得這一預言在逐步實現。隨著VR/AR、人工智能、5G/云/邊緣計算、區塊鏈等技術的發展，人類在三維空間的探索愈發成熟，各種前沿技術的完美結合甚至可以達到“真假難辨”的程度。

事實上，“物聯網”一詞第一次正式出現在人們的視野中是在1999年，提出者便是江湖人稱“物聯網之父”的凱文·艾什頓，當時艾什頓在寶潔公司做了一次內部講座，題目就是“物聯網”。艾什頓當時對物聯網的定義很簡單：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。

1995年，當時艾什頓還在擔任寶潔公司的品牌經理。他在一次巡店時，發現一款熱賣的棕色口紅總是處于售罄的狀態，原本以為是銷售一空，沒想到在與寶潔供應鏈員工進行溝通時得知，其實倉庫里存貨依舊不少，只是因為倉庫和銷售點的信息滯后，導致補貨不及時。在別人看來，這也許就是個巧合，艾什頓只是碰巧走進了那家賣斷貨的商店。但艾什頓并不買賬：他倒要看看那支口紅去哪兒了?究竟那支口紅發生了什么?

那個年代，零售商們還普遍采用條形碼掃描系統進行庫存管理，但條形碼不能傳遞產品的位置信息，無法得知貨架上實時的銷售狀況，以致無法及時補充售罄的商品。“顯然，條形碼并不完美。”艾什頓表示。他認為，一定能夠找出一種可以跟蹤商品動態變化的方法。

有一天，艾什頓開車回家的時候靈光一閃：如果將會員卡中的無線通信芯片內置到口紅里，結果會怎樣? 他把一枚小小的無線電芯片放入一支口紅，把一副天線安裝在貨架上，這使得口紅包裝的數據可以提醒商店的管理人員哪些商品已經不在架子上了。這種科技讓艾什頓多了雙安在貨架上的“眼睛”。

艾什頓將其籠統地命名為“存儲系統”。20世紀90年代，互聯網剛剛面向大眾。通過連接到互聯網并在網上存儲數據，該芯片能夠節省開支和內存。為了幫助公司主管掌握這種將諸如口紅之類的物品連接到互聯網的系統，艾什頓給這種無須經由人類就能讓物品相互交流信息的系統起了一個短而不合語法的名字—“物聯網”。

物聯網概念正式被提出，是在2005年11月17日。那一天，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會(WSIS)上，國際電信聯盟(ITU)發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，正式提出了物聯網概念。報告指出，泛在“物聯網”通信時代即將來臨，世界上所有物體都可以通過互聯網自主進行數據交換。

進入21世紀以來，隨著傳感設備、嵌入式系統與互聯網的普及，物聯網被認為是繼計算機、互聯網之后的第三次信息革命浪潮。物聯網已經在全世界得到極大的重視，主要工業化國家紛紛提出了各種的物聯網發展戰略。

中國物聯網市場規模目前處于穩步上升階段，十三五期間，年均復合增長率達到23.4%。2020年，疫情促進了數字化轉型步伐，同比增長率明顯上揚。2022年，在國際形式不穩定，國內疫情連綿的背景下，全國物聯網市場規模同比增長率有所下滑。

物聯網的技術特征

那么物聯網有哪些技術特征呢?眾所周知，物聯網可以分為四個層級，包括感知層、傳輸層、平臺層、應用層。

感知層是物聯網的最底層，其主要功能是收集數據，通過芯片、傳感器、執行器、模組等終端從物理世界中采集信息。

傳輸層是物聯網的管道，主要負責傳輸數據，將感知層采集和識別的信息進一步傳輸到平臺層。傳輸層主要應用無線傳輸方式，無線傳輸可以分為遠距傳輸和近距傳輸。

平臺層負責處理數據，在物聯網體系中起到承上啟下的作用，主要將來自感知層的數據進行匯總、處理和分析，主要包括PaaS平臺、AI平臺和其他能力平臺。

應用層是物聯網的最頂層，主要基于平臺層的數據解決具體垂直領域的行業問題，包括安防、物流、交通、家居等領域。

總的來說，物聯網的技術特征主要有以下三個方面：

① 全面感知：利用RFID，傳感器，二維碼等隨時隨地獲取物體的信息。“感知”是物聯網的核心，是指對客觀事物的信息直接獲取并進行認知和理解的過程。人們對于信息獲取的需求促使其不斷研發新的技術來獲取感知信息，如傳感器、RFID、定位技術等。

② 可靠傳遞：通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去。數據傳遞的穩定性和可靠性是保證物—物相連的關鍵。為了實現物與物之間信息交互，就必須約定統一的通信協議。同時，由于物聯網是一個異構網絡，不同的實體間協議規范可能存在差異，需要通過相應的軟、硬件進行轉換，保證物品之間信息的實時、準確、傳遞。

③ 智能處理：利用云計算，模糊識別等各種智能計算技術，對海量的數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。物聯網的目的是實現對各種物品(包括人)進行智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能。需要通過云計算、人工智能等智能計算技術，對海量數據進行存儲、分析和處理，針對不同的應用需求，對物品實施智能化的控制。

物聯網的應用場景

目前，物聯網的連接場景主要分為六大應用場景：①家庭場景，像智能音箱、智能門鎖、智能攝像頭、網關等智能硬件。②工業場景，像智能水表、智能電表、工業設備監控裝置等智能硬件。③個人場景，像智能手環、智能手表、電子學生卡等智能穿戴設備。④車聯網場景，像行車衛士等產品。⑤聚類市場場景，主要指智慧園區、智慧社區的建設，包含煙感、門禁、攝像頭等智能硬件。⑥中低速場景，像生活中的智能單車、智能充電樁。

下面圍繞物流、農業、消防等領域，介紹一下物聯網在其應用。

①智慧物流

物流業作為國家經濟支柱性產業，目前限制其行業發展的主要因素有兩點，一是末端物流配送成本高，二是基礎設施建設不完備。要降低我國物流成本,就必須減少中間的無效搬運,這就需要依靠互聯網和信息化技術來解決。智慧物流則是指將物聯網與傳統物流業整合，通過以精細、動態、科學的管理，實現物流的自動化、可視化、可控化、智能化、網絡化。

智慧物流系統架構的提出基于物聯網技術在物流業的應用。因此智慧物流系統架構將從物聯網技術屬性、物流業固有屬性這兩個層面介紹。

從智慧物流系統的物聯網屬性來看,智慧物流系統技術架構主要分為三層技術:感知層、網絡層、應用層。感知層是智慧物流系統實現對貨物感知的基礎,是智慧物流的起點。網絡層是智慧物流的神經網絡與虛擬空間。應用層是智慧物流的應用系統,借助物聯網感知技術,感知到網絡層的決策指令,在應用層實時執行操作。

從智慧物流系統的物流業固有屬性來看,智慧物流系統主要由倉內技術、干線技術、最后一公里技術和末端技術組成。倉內技術主要應用于物流系統的應用層,實現物流自動分類分揀和機器搬運;干線技術主要是指無人駕駛卡車技術;最后一公里技術是末端配送中重要的一項技術;末端技術主要是指智能快遞柜。智慧物流系統的數據底盤主要包括物聯網、大數據和人工智能三大領域。智慧物流的技術架構下圖所示。

智慧物流市場快速發展，預計2025年規模超萬億元，行業正向自動化、無人化、數據化、智能化發展。未來物流機器人會大量出現，目前，不管阿里還是京東，以及順豐等各大快遞企業都會投入智能物流的硬件研發和應用。隨著人力成本的不斷提高,機器人成本與人工成本會越來越接近。簡單重復性勞動被機器人取代只是時間問題。

②智慧農業

智慧農業是指利用物聯網、人工智能等現代信息技術，將現代信息技術與傳統農業相結合，實現信息化、精確化的農業生產全過程。智慧農業是農業信息化發展從數字化到網絡化再到智能化的高級階段,是中國農業4.0的核心內容。目前，我國智慧農業主要集中在農業種植和畜牧養殖兩個方面，發展潛力巨大。

智慧農業技術架構根據物聯網層次可分為四層：感知層、網絡層、平臺層、應用層。

感知層是指智慧農業中的感知環節,利用信息感知技術感知農業生產環境、動植物生命及質量安全與追溯。在種植業中，主要采集光照、溫度、水分、肥力、氣體等種植信息參數;在畜禽養殖業中,主要采集二氧化碳、氨氣和二氧化硫等有害氣體含量,空氣塵埃、飛沫以及溫濕度等環境參數;水產養殖業主要收集溶解氧、酸堿度、氨氮、電導率以及濁度等數據。

網絡層使用信息傳輸技術，將傳感器的數據通過ZigBee、WiFi、LoRa、NB-IoT等無線通信技術傳輸到云平臺。

平臺層利用大數據、云計算、人工智能等技術對網絡層傳輸過來的數據進行分析處理,并產生決策指令,從而在應用層控制設備進行自動化操作。

應用層包括智慧種植、智慧家畜養殖、智慧水產養殖、農產品溯源、智慧糧食存儲等典型應用，如下圖所示。

③智慧消防

智慧消防解決方案，結合物聯網、智能預警、智能處理、大數據等先進技術，通過在硬件層加入數據采集設備，構建傳感網絡，將數據上傳至智慧消防管理平臺，打通從災情感知到智能預警再到智能處理整個智慧消防全流程，實現可視化“一張圖”的智慧監管及掌控，再通過“消防管理平臺”即可做到指揮、調度、分析、決策全過程，為分秒必爭的救援贏得更多時間，最大程度降低災害損失。

智慧消防核心由應用、平臺、傳輸、匯聚及感知五層架構組成，其中應用及平臺兩層構成智慧消防的頭部應用，傳輸層由智慧消防的無線傳輸設備構成，匯聚層及感知層由原傳統消防的底層能力構成。

物聯網+新技術應用

物聯網的興起是信息技術高速發展的必然，是互聯網發展到一定階段的產物。物聯網的核心點是把物聯到網絡上，形成一個龐大、智能的網絡，所有的物品都能夠遠程感知以及遠程控制。物聯網發展的下一步是繼續加強與區塊鏈、人工智能、可穿戴設備、AR/VR、機器人、無人機、3D打印等的結合，實現物聯網+，下面介紹幾種熱門的物聯網+。

①物聯網+區塊鏈

隨著物聯網的發展，我們進入了大數據的時代。可以說，數據之于物聯網相當于流量之于互聯網，數據間進行交易和共享，是市場發展的必然趨勢，只有通過數據多維度的融合，才能發揮數據的最大價值。但目前數據都是孤島,大多數企業不愿意將自己的數據通過交易中心進行交易，這主要在于利益以及將來可能發生的關于利益分配的糾紛，這樣就急需一套安全的、可信度高的又可以開放共享的數據管理方法。

這時候，區塊鏈提供了新的思路。區塊鏈是一種分布式加密數字分類技術,非常適合記錄物聯網機器之間發生的海量交易的詳細信息。得益于區塊鏈的交易共享性和不可篡改性，去中心化的價值傳遞將給物聯網服務帶來變革式的提升。面對未來IoT設備規模的爆發增長、應用區塊鏈技術有望改善物聯網平臺的如下痛點：

● 降低交易前的驗證成本：利用區塊鏈系統下記錄的不可篡改的優勢，平臺下的用戶和設備不需要驗證雙方信息，只需要在交易時判斷對方給予的條件與先前是否不同。

● 降低運營管理成本：利用區塊鏈點對點網絡技術，每個節點作為對等節點，因而整個物聯網解決方案不需要引入大型數據中心進行數據同步和管理控制，從而降低數據通信和處理的成本。

● 保護數據安全與隱私：區塊鏈記錄提供安全性,記錄的副本在大量分布的物理位置和邏輯位置,沒有一方擁有對其進行操作的集中控制能力。

● 方便可靠的費用結算和支付：通過使用區塊鏈技術，不同所有者的物聯網設備可以直接通過加密協議傳輸數據，且可以把數據傳輸按照交易進行計費結算，這就需要在物聯網區塊鏈中設計一種加密“數字貨幣”作為交易結算的基礎單位，所有的物聯網設備提供商只要在出廠之前給設備加入區塊鏈的支持，就可以在全網范圍內在各個不同的運營商之間進行直接的貨幣結算。

② 物聯網+人工智能

隨著人工智能底層技術的迅速發展，現在智能機器已經實現“從認識物理世界”到“個性化場景落地”的跨越。人工智能與物聯網結合將逐漸深入各行各業并引起革命性變革，AI在科技和煩瑣的工程中能夠代替人類進行各種技術工作和部分腦力勞動，由此就造成了現在已形成的社會結構的劇烈變化。

人工智能負責識別、感知和處理，物聯網則負責物物相連。目前，物聯網行業已初步形成云—管—端三個層次，其中，端指各類智能硬件，如智能手機、智能音箱、智能汽車等;管指連接管理平臺，云則包括基礎設施服務、平臺服務、軟件服務、第三方服務等。隨著和人工智能的深度融合，未來物聯網將呈現如下功能：

● 邊緣智能：終端在斷網離線的情況下，也可以進行智能決策;當需要對數據進行實時處理情況下，可以迅速產生行動應對突發狀況。

● 互聯驅動：當智能產品處于“組網”的狀態時，產品與產品之間能夠實現不需要人為干預的智能協同。

● 云端升級：當智能產品處于“聯網”狀態時，云端的人工智能可以更好地挖掘和發揮邊緣硬件的價值，讓智能產品發揮更大的功效。有了邊緣智能的輔助，云端智能完成進一步的數據整合，創造系統與系統之間互相協同的最大價值。

設想在沒有人工智能的情況下，物聯網將是數以億計的智能終端，不斷地采集海量的數據，通過網絡輸送至后臺，借助強大的服務器對數據和信息進行分析，那么如果后臺數據的處理速度和準確度無法跟上終端數據的采集速度，后果將會是災難性的，波及范圍將從小到家用電器之間不能互相通信，大到危及生命——心臟起搏器失靈或上百輛車連環相撞。

③ 物聯網+AR

將AR技術融入到物聯網中,可以使信息的呈現及交互方式更加的便利、直觀，交互界面更加友好。我們就能隨時隨地直觀方便快捷地查看物體對象的運行狀態、性能和各項重要參數。感知的數據可通過物聯網反饋到后臺,通過數據挖掘，可以讓產品不斷地優化和完善，為客戶帶來更好的體驗。目前，已經有了如下應用：

●飛機的制造和維修：眾所周知，飛機中有巨量復雜的電子線路及元件，如果不用AR技術，工程師需要對照功能手冊進行一個個處理,這耗費了工程師大量精力和時間，效率低且嚴重耽誤工期，據報道，波音公司自從使用Google眼鏡后,效率提升了25%，出錯率降低了50%。

●非現場遠程操作功能：針對一些危險、人不在現場或不適合人類現場操作的環境，實現安全的遠程操作，如核電站海底、外星球等。通過物聯網采集現場數據參數，并傳到中央控制中心，中央控制中心結合現場影像和數據并進行AR 3D呈現，機器人、工程師可以完成遠程交互、監測、操作控制。

●機械設備的監測和診斷：AR設備可以幫助工程師在機械車間內看到設備的各項參數。如中海油公司的AR設備巡檢方案,在巡檢過程中,操作人員可根據AR眼鏡的指示,規范化完成巡檢工作。同時，AR眼鏡將數據可視化后,通過與其他聯網設備互聯,操作人員將第一時間了解設備運行情況，提高巡檢效率。

●智慧城市基礎設施維護：城市里面大多數的基礎設施位于室外并且難以進入該區域，AR可以為公安機關對城市的L監督提供便利，為政府部門對水電暖等市政設施的監控提供便利，從實時數據可視化中定位故障點，輕松地記錄基礎設施的狀態。

當今時代已經處于網絡通信技術不斷增強的階段，全球物聯網應用增長態勢明顯。5G為物聯網注入了新的活力,連接場景也由比特連接向數據連接轉變。物聯網新型基礎設施正在成為數字城市、數字產業的基礎底座。人們迎來了“物聯感知時代”，物聯網設備為我們的生活帶來了極大便利，它賦予萬物“靈性”，教會機器懂得人文關懷，把一個冰冷的物質世界變得更像一個充滿溫情和腔調的生命體。過去只有在科幻電影中才能看到的智能家居、智能醫療、虛擬現實、無人駕駛汽車都以體驗互動的方式，會陸陸續續地走進我們的生活。未來已經到來，我們拭目以待。

最后，引用一句《智能主義》一書的作者周鴻祎的描述，“到了智能時代，我們所有能看到的、能想象到的各種各樣的硬件，無論是汽車、家居，還是可穿戴設....都將實現智能化以及與網絡的實時連接。”