1.3 初識感知層

“傳感技術(shù)和感知層技術(shù)是否是等同的概念呢？” 吳小白問。

“傳感技術(shù)是感知層技術(shù)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(xiàn)檢測和監(jiān)視，還不能實現(xiàn) ‘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(tài)，卻不能控制它的行為。也就是說，只有‘監(jiān)’，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(jù)感知到的信息，進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)，可不只是傳感器了。” 吳小白說道。

“是的，感知層關(guān)鍵技術(shù)有很多，除傳感器技術(shù)外，視頻、音頻、圖像、二維碼等識別技術(shù)也屬于 ‘知’ 的技術(shù)，有些芯片或者是模組，有智能分析的功能，中間件的技術(shù)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(zhí)行的技術(shù)。”

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(fā)現(xiàn)方向不對，用手控制方向盤調(diào)整方向；如果發(fā)現(xiàn)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(tǒng)。大腦根據(jù)之前收到的路況信息和調(diào)整后收到的路況信息之間的偏差，形成新的調(diào)節(jié)控制策略，進(jìn)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(diào)節(jié)系統(tǒng)。在這個控制系統(tǒng)中，大腦相當(dāng)于控制單元，手和腳是執(zhí)行單元，眼睛相當(dāng)于測量單元，開車這個行為就是一個應(yīng)用。司機(jī)開車的控制過程就相當(dāng)于一個感知層的自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，如圖1-20所示。

再舉一個室溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng) （空調(diào)） 的例子。假如我們想把室溫控制在25℃，這個溫度控制目標(biāo)就是輸入，溫度傳感器不斷地測量實際的室溫 （感）。目標(biāo)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(jié)合經(jīng)驗庫，進(jìn)行智能控制 （智），指示空氣壓縮機(jī)制冷或者升溫的動作 （行）。控制溫度就是一個應(yīng)用，感知層圍繞著這個應(yīng)用目標(biāo)，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(zhí)行單元的能力。這樣就組成了一個自動檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的程序運(yùn)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(jié)點的感、知、智、行的能力再強(qiáng)，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(zhí)行動作的復(fù)雜度也是有限的。這就需要很多的傳感節(jié)點組成一個局部的傳感網(wǎng)，眾多的傳感網(wǎng)或傳感單元通過網(wǎng)絡(luò)層、平臺層的能力匯聚成物聯(lián)網(wǎng)。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(jī)開車的例子里。司機(jī)個體開車的能力絕對是有限的，經(jīng)驗再豐富的司機(jī)，對突發(fā)交通狀況的反應(yīng)都是滯后的。如果每個車的行動軌跡都能監(jiān)測起來，形成車聯(lián)網(wǎng)，中央控制平臺就可以超前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)相撞事件，提前給多個司機(jī)提示，就可以大幅降低交通事故發(fā)生的概率。當(dāng)然，車聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點不止于此，它還有利于實現(xiàn)整個城市的智能交通。

在室溫自動調(diào)節(jié)的例子里，如果每個場景的空調(diào)系統(tǒng)都能連起網(wǎng)來，形成智能調(diào)溫網(wǎng)絡(luò)，廠家就可以實現(xiàn)所有運(yùn)行的空調(diào)設(shè)備自動維護(hù)、自動故障處理，空調(diào)用戶也可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程室溫控制。

1.3.2 感知層關(guān)鍵技術(shù)

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(xiàn)，依賴于一系列感知層的關(guān)鍵技術(shù)，如圖1-22所示。

首先，傳感技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)測量技術(shù)的基礎(chǔ)，是物聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)生的源頭。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵器件，新材料技術(shù)、智能化技術(shù)、集成化技術(shù)、小型化技術(shù)是現(xiàn)代傳感器發(fā)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(chǎn)品研發(fā)的重要指標(biāo)之一；為了促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模化應(yīng)用，低成本也是傳感器研發(fā)的重要方向。

視頻技術(shù)可以看作非接觸式的傳感技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)視覺能力的重要基礎(chǔ)。視頻采集技術(shù)，不僅可在常規(guī)條件下使用，在夜間、高溫、能見度低的場景下也可使用。當(dāng)然，在這些特殊的使用場景，需要有相應(yīng)的視頻采集存儲和分析識別技術(shù)。視頻分析識別技術(shù)依賴于大量高清晰度的視頻資料，從中找到關(guān)于實際空間環(huán)境中的趨勢性、經(jīng)驗性、不確定性、隨機(jī)性和模糊性的信息，提取關(guān)鍵信息和有價值數(shù)據(jù)，從而在各種行業(yè)中應(yīng)用，如智能交通、商業(yè)智能、防災(zāi)減災(zāi)、安全生產(chǎn)、智能安防、安全監(jiān)護(hù)等，成為解決實際問題的利器。

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

在物聯(lián)網(wǎng)龐大的生態(tài)體系中，芯片的科技含量較高，是產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)和核心。傳感層硬件的基礎(chǔ)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(zhuǎn)換元件、電源管理元件都需要相應(yīng)的芯片。掌握了芯片技術(shù)，就掌握了物聯(lián)網(wǎng)的核心話語權(quán)。

物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器數(shù)量多、讀寫設(shè)備多、識讀點多、硬件設(shè)備品種多，數(shù)據(jù)格式不一。傳感器中間件是屏蔽底層設(shè)備復(fù)雜性的關(guān)鍵部件，是銜接傳感器硬件設(shè)備和上層業(yè)務(wù)應(yīng)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(shù)據(jù)的復(fù)雜性，完成傳感器測量數(shù)據(jù)的采集、過濾和合并；另一類是提供上層業(yè)務(wù)和應(yīng)用的數(shù)據(jù)過渡，完成傳感數(shù)據(jù)的存儲、維護(hù)、訪問和聚合。傳感器中間件還可以為上層應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)接口，使客戶很輕松地利用其接口進(jìn)行二次開發(fā)，提高感知層的定制開發(fā)能力和場景適配能力。

眾多的無線傳感器節(jié)點可以通過ZigBee協(xié)議組成傳感網(wǎng)來協(xié)調(diào)工作，形成更有價值的信息網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的近距離通信技術(shù)、ZigBee組網(wǎng)應(yīng)用原理、嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)都是傳感網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。此外，各傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)還需要通過遠(yuǎn)距離無線通信的方式和平臺層的各種應(yīng)用軟件相連。也就是說，傳感器節(jié)點本身就相當(dāng)于具有無線通信功能的終端。在物聯(lián)網(wǎng)時代，作為傳感器節(jié)點的終端設(shè)備眾多，像手機(jī)需要操作系統(tǒng)一樣，各細(xì)分場景的物聯(lián)網(wǎng)智能終端設(shè)備也需要相應(yīng)的嵌入式操作系統(tǒng)，來感知硬件的復(fù)雜性、支撐無線傳感網(wǎng)近距離通信的功能。物聯(lián)網(wǎng)中傳感器終端設(shè)備的操作系統(tǒng)技術(shù)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(yīng)用中，定位技術(shù)可以用來測量目標(biāo)的位置參數(shù)、時間參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)等時空信息，從而得知某一用戶或者物體的具體位置和運(yùn)行軌跡，以此實現(xiàn)對人或物的位置跟蹤。定位技術(shù)也是物聯(lián)網(wǎng)感知層應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)涉及的關(guān)鍵技術(shù)全景圖如圖1-23所示。

1.3.3 感知層產(chǎn)業(yè)鏈概述

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是個長尾市場，涉及各行各業(yè)。具體到感知層來說，產(chǎn)品也是各式各樣，涵蓋的產(chǎn)業(yè)鏈非常長，參與的廠家眾多，還沒有形成兩三個廠家獨(dú)大的市場格局。但從最核心的技術(shù)實現(xiàn)層面來看，主要包括傳感器廠家、視頻采集和識別廠家、標(biāo)簽和標(biāo)識廠家、芯片廠家、無線模組 （包括通信、定位、組網(wǎng)）廠家、中間件廠家、智能終端 （包括可穿戴設(shè)備） 廠家等。

目前我國整個物聯(lián)網(wǎng)感知層的產(chǎn)業(yè)鏈組成和市場中有代表性的廠家如圖1-24所示。