一、 概述

1. 定义/概念

物联网，就是物物相连的互联网，简称IoT(Internet of Things)。物联网利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网是互联网的延伸，它包括互联网及互联网上所有的资源，兼容互联网所有的应用，但物联网中所有的元素（所有的设备、资源及通信等）都是个性化和私有化。物联网一直被认为是“下一个工业革命”，它即将改变人们的生活、工作、娱乐和旅行方式，甚至改变全球政府及企业之间的交互。物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

2. 发展趋势

1) 更小尺寸、更快运行、灵活敏捷的端到端解决方案

物联网时代是一个计算无处不在的新时代，每个设备、每个物体都将具备计算能力，这意味着集成的计算解决方案必将向尺寸更小、运行速度更快、功能更敏捷、产量更大的方向演化。关于这一点英特尔在物联网领域的核心策略值得学习。它主要通过开发智能硬件设备、网关，促进传统系统与云的连接以及实现端到端的分析，从大数据中挖掘商业价值，从而加速包括零售、车载系统、数字安全监控等在内的端到端解决方案的开发和部署。

2) 新型低能耗需求的可穿戴设备

数据表明可穿戴技术的应用已经遍布全球。任何通过加入连接能力、穿戴在身上并为用户提供有价值信息的产品都可以定义成为一款可穿戴产品。以衣服为例，只要我们为衣服加入传感，使它可以连接到互联网，它就可以变成一款可穿戴产品。而这种基于人的可穿戴产品将成为物联网世界中实现人与物交互的核心终端。

可穿戴产品的普及也将对物联网发展起到关键的作用，而目前需要解决的是如降低功耗、高精传感、精准数据、大数据分析等这样的技术。通过这些技术的突破，将更大程度地实现产品与智能设备的连接互动，因为可穿戴设备不仅提供了收集数据的窗口，还同时起着将这些数据发送到云端的中心枢纽的作用。

3) 低功耗蓝牙与WiFi应用

作为推动物联网发展和应用的中坚力量，WiFi、智能蓝牙、NFC和GPS这些成熟、高效的无线连接设计可以提高设备应用的效率，使得制造商能够设计、制造并推出消费者买得起的产品，从而鼓励大众消费。令人惊叹的低功耗智能蓝牙技术已经引起世界范围内的OS供应商的重视。基于对智能蓝牙在无线领域影响力的快速认知，苹果已在其几乎所有设备上加入了对智能蓝牙的支持。

4) 高精传感器应用

传感器技术的日臻成熟是物联网飞速发展的一大重要驱动因素，它通过将现实世界的物理信息转化为虚拟数据，进而推动小尺寸、低成本与低功耗的应用趋势持续发展。此外，高精传感器技术的发展将促使智能硬件不断朝着小型化方向发展，这一方面将使得智能硬件更精美，另外一方面将使得监测的灵敏度与准确性更高。

同时，这也将推动智能硬件以及物联网的元器件行业不断长大。事实上，第一代可穿戴式设备大部分以及物联网大部分硬件都是基于“现成的”连接器设计，即尽可能地将各种功能组件集成至最小尺寸的封装中;然而新一代微型高精产品的发展将在缩小尺寸、降低成本和简化组装等方面更加精益求精，从个人电脑到笔记本电脑再到智能手机，无不体现这一趋势。

二、 技术内涵

1. 体系构成

物联网的体系结构被公认的大致划分为三个层次:

底层是感知层,用来感知数据,实现数据采集; 第二层是网络层,用于传输数据,实现信息的传递和处理;最上面是应用层,是与行业需求相结合生成的,实现行业智能化。

1) 感知层

感知层包括M2M 终端、二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、GPS传感器、摄像头、传感器网络、传感器网关等,相当于人的皮肤和五官,其主要功能是感知物体、获取数据、信息采集,包括各种物理量、标识、音频、视频等数据。感知层处于物联网体系结构中的最底层,是物联网发展和应用的基础。感知层一般包括数据采集和短距离数据传输两部分,解决人类世界和物理世界的数据获取问题。它首先通过各类信息采集、执行、识别设备(如传感器、摄像头、数码相机等),采集物理世界的数据,然后通过多种网络通信技术、信息处理技术、短距离传输技术等(如蓝牙、条码、ZigBee、工业现场总线、红外等)实现数据传递。感知层所需要的关键技术主要包括检测技术、短距离无线通信技术等。

2) 网络层

网络层能够通过互联网、企业内部网、移动通信网等,实现更加广泛的互联功能,实现数据无障碍、可靠、安全的传输,解决了远距离传输的问题,其中的数据来自感知层的感应。在Internet和移动通信网等现有网络基础上,物联网网络层综合使用IPv6、2G/3G/4G、Wi-Fi等通信技术,实现有线与无线的结合、感知网与通信网的结合。网络层的作用相当于认得神经中枢和大脑。

3) 应用层

物联网的应用层是物联网与用户的接口,它将感知和传输来的信息进行分析和处理,实现物联网的智能应用,解决信息处理和人机界面的问题。

应用层具体来讲可以分为两个子层:一是应用程序层,一是终端设备层。应用程序层进行数据处理,实现不同行业、不同系统之间的信息共享、信息协同、智能化的管理、应用和服务,包括:电力、银行、交通、城市管理等,可用于政府、企业、社会组织、家庭、个人等。终端设备层主要是提供人机界面,提供与应用程序相连的各种设备的反馈信息。

物联网的典型应用可分为监控型、查询型、控制性、扫描型等,如污染监控、智能电网、智能交通、手机钱包等。随着,物联网技术的发展,其应用领域将会更加广阔。

2. 核心技术

1) RFID技术

Radio Frequency Identification射频识别缩写为RFID,是一种自动识别技术,是一种传感器技术,兴起于20世90年。它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递,通过所传递的信息实现目标识别与追踪,是物联网感知层的一个关键技术。RFID系统通常由三部分组成:电子标签(Tag)、读写器(Reader)和天线(Antenna)。其中,电子标签芯片由耦合元件和芯片组成,用于存储待识别物品的标识信息,具有唯一性;读写器是读取(写入)标签信息的设备;天线用于在标签和读写器之间发射和接收射频信号,内置在电子标签和读写器中。

2) 传感网技术

物联网通过各种传感器及传感网来接收传输数据的。传感网是由部署在监测区域内的传感器节点构成的多个无线网络系统,它能实时检测、感知和采集对象的各种信息,并将这些信息处理后通过无线网络发送出去。传感器是传感网获取数去的主要途径,用它来感知信息采集点的数据,如声、光、电等信息。

无线传感网络内的各个要素通过一个统一的协议进行信息的传输,这个协议就是ZigBee。ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。由于传感网临节点容易被操控,所以其面临着各种安全威胁。为了能实现对传感网有效安全的控制,在通讯前应进行节点的身份认证。

3) 嵌入式技术

嵌入式技术是一个综合复杂的技术,它集合了计算机软硬件、集成电路技术、传感器技术、电子应用技术等。随着嵌入式技术的不断发展,它涉及的领域越来越广泛,如手机、车载导航、工业控制、军工、多媒体终端、网关等。如果将物联网比喻成一个人,传感器比作人的眼睛、鼻子、皮肤等感官,网络就是神经系统(传递信息),那么嵌入式系统就相当于人大脑。它在接收到数据之后,对数据进行处理。

三、 实践应用

1. 典型应用

1) 设备监控

　　像监控或者调节建筑物恒温器这样的事情可以远程完成，甚至可以做到节约能源和简化设施维修程序。这种物联网应用的美妙之处在于，它很容易实施，容易梳理性能基准，并得到所需的改进。

2) 机器和基础设施维护

　　传感器可以放置在设备和基础设施材料上，例如铁路轨道，来监控这些部件的状况，并且在部件出现问题的时候发出警报。一些城市交通管理部门已经采用了这种物联网技术，能够在故障发生之前进行主动维护。

3) 物流和追踪

　　运输业现在把传感器安装在移动的卡车和正在运输的各个独立部件上。从一开始中央系统就追踪这些货物直到结束。这么做可以防止货物在边远地区被盗窃，让企业供应链可以保持追踪，因为管理层可以在任何时间点清楚地看到车辆的位置（以及车辆应该在的位置）。

4) 集装箱环境

　　物流和运输行业，运送装着易腐货物的集装箱是对周围环境条件进行监控的，如果超出温度或者湿度范围传感器会发出警报。此外，当集装箱被弄乱或者密封被破坏的时候，传感器也会发出警报。这个信息是实时通过中央系统直接发送给决策者的，这样情况可以得到补救——即使这些货物是在全球各地的运输途中。

5) 机器管理库存

　　向消费者提供了各种商品的自助服务售卖机和便携式商店，现在可以在特定商品低于再订购水平的时候发送自动补充库存警报。这种做法可以为零售商节约成本，因为他们只需要在机器告诉他们需要补充库存的时候让现场工作人员进行补货。

6) 网络数据用于营销

　　企业可以选择利用自己的分析，追踪客户在网络中的行为，或者他们可以将这个任务外包给在这个领域内有声誉的营销公司。在网站的导航模式中，访客来到或者来自你的网站，访客所使用的设备类型，以及其他关于访客的相关数据，可以聚合起来以更全面地了解。交易数据和物联网数据的结合，将会丰富你的营销分析及预测，可以快速实施。

7) 识别危险网站

　　商业公司提供的安全服务，可以让网络管理员追踪机器对机器的交流，追踪来自公司计算机的互联网网站访问，揭示公司计算机定期访问的“危险”网站和IT地址。实践会降低网络遭受恶意软件和病du入侵的风险。因为这种“观察”服务是从云厂商那里提供的，所以实施简单，企业可以马上开始。

8) 无人驾驶卡车

　　在气候条件恶劣和没有道路基础设施的边远地区，石油和天然气开采行业的企业正在使用无人驾驶卡车，这种卡车可以远程控制和远程通信。这降低了运营费用，因为你不用派人进入该领域，还可以避免在已知极其危险的区域发生事故。

9) WAN监控

　　企业可以很好地监控和修改他们的网络流量，但是当这个流量通过广域网或者互联网路由的时候，有时候似乎是在他们控制范围之外的。现在位于全球不同地点的办公室的边缘路由器，会显示出显著不同的服务质量，这取决于这个办公室是在新加坡或者里约热内卢。如果IT希望更好地监控互联网流量，那么可以购买商业服务，实时显示哪些地方放缓了，甚至可以重新路由流量以保持通信畅通。

10) GPS数据聚合

GPS数据聚合是应用最广泛的物联网数据收集方法之一。企业喜欢它是因为可以让他们统计人口数据、天气数据、基础结构数据、图形数据和任何可以并定位到特定地理位置的数据类型。很多厂商可以帮助你，以对业务有意义的方式聚合GPS数据。

2. 难点问题

尽管全球政府及企业都在加大对物联网产业的开发及投入，但要实现其普遍应用仍需解决以下几个问题：

1) 采用通用标准

虽然业界已经在物联网的标准化方面取得了不菲的成绩，但其安全性、隐私性，尤其是架构等方面仍需进行大量改进。当各行业领先企业试图进一步细化其在物联网市场的定位时，业内却出现了几项竞争性标准，包括谷歌“物理网络”、工业互联网联盟（IIC）、开放互联联盟（OIC）及Thread，这是一种由谷歌、三星、ARM及飞思卡尔联合推出的新型IP无线网络协议。虽然这些机构都致力于推动物联网的普及，但物联网标准化进程的不足依旧让人担忧。在制定通用标准之前，物联网有可能变成另一个依靠大型IT企业特别监管的异步技术领域。

2) 采用IPv6

随着每天不断有新设备接入互联网，IPv4现已严重超载。因此，只有借助网络地址转换技术（NAT）才能使更多设备连接至互联网，这种技术可将一个IP地址复用转换成另一个从而提供更多可用的IP地址空间。尽管事实证明NAT确实可以有效地避免IP地址耗尽，但它却无法满足物联网发展的需求。取而代之的是，网络运营商开始积极推广IPv6的普及，长度为128位的新协议，可提供多达3.4×1038个设备地址。该新协议不仅可为物联网的发展（包括‘智能微尘’应用）提供充足的IP地址，还可提供增强的安全性及网络管理功能。

尽管IPv6具备诸多优势，但据谷歌2014年12月发布的一份报告显示，全球94%以上的互联网流量依旧由IPv4发送。物联网技术要取得成功，IPv6的普及率势必要进一步提升。

3) 无线协议选择

除了缺失标准化架构，设计工程师还面临选择难题，他们需要从大量的连接技术当中挑选出最适合的方案应用到物联网设备当中。其中几项代表性连接技术包括WiFi、蓝牙、蓝牙低功耗、ANT、Zigbee及RF4CE。若要挑选到最优无线技术，设计师必须综合考虑诸多因素，例如：是否需要专用解决方案、什么样的频段符合所采用的行业标准、设备所需功率是多少等。无线技术的选择将影响设备之间的通信方式并可能从根本上限制设备在物联网中的应用。

4) 提供电源

放弃使用Wi-Fi为物联网的应用带来了另一个问题：如何才能为大量便携式互联网连接设备提供充足电源？为了充分发挥物联网的潜能，接入网络的各种设备需要逐渐实现自我维持功能。随着物联网的迅速扩展，它所连接的嵌入式传感器即使不到数十亿，也有数百万件，这样一来，定期更换每台设备的电池几乎不太现实，因此我们要使每件传感器都能够利用其周边环境中的各种当地元素，如震动、光、气流等进行自主发电。

大多数情况下，此类发电都是通过采用纳米发电机技术实现的。这些灵活的自供电能源采集器可用于将动能（来自震动能与机械能）转化为电能，且无需安装电子设备所需的外部电路及电池。虽然纳米发电机初期发展比较缓慢，但其近期发展却是有目共睹，其能源效率增长近40倍。通过EnOcean与 Perpetuum等业界企业的努力，纳米发电技术现已可以将微弱的震动甚至人体走路的踩踏等各种能量转化为电能。

尽管如此，我们仍需克服许多难题才能最终真正解决能源消耗的问题。由于全球预期将迎来500亿台连接设备，我们迫切需要开发灵活的可再生能源。

5) 隐私性

物联网对个人权利和个人隐私的影响是一直备受关注的话题之一。由于物联网可能会造成入侵式营销及企业监控，曾经激起广泛大众对物联网的极度不认可与不信任。因此，若业界想广泛推动消费级应用，物联网设计师就必须确保维护用户的个人隐私，从根本上说也就是确保不辜负用户的信任。

从设计的角度来看，实现这一目标的最佳方式是确保物联网产品能够真正为大众的生活带来有形价值。只要设计出切实有用的应用产品而非只是制造新奇噱头，物联网行业便可为终端用户提供真正实用的产品。

所有新技术在被引入之初，媒体总是先对其隐私问题提出质疑，这个问题最终必然受到公众的关注。无论是智能手机还是卫星导航系统，当初都存在这个现象。然而最终，这些技术都获得了迅猛发展，这是因为它们不仅可以提供切实的好处，还竭力最大限度地保护终端用户的安全和隐私。