1.2　智能硬件與物聯網

1.2.1　什么是物聯網

物聯網（Internet of Things，IoT）是新一代信息技術的重要組成部分，從字面意思理解就是萬物相連的互聯網。物聯網有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上進行延伸和拓展的網絡；第二，物聯網將互聯網的終端設備（個人電腦和手機）延伸和擴展到了物品與物品之間的信息交換和通信。如圖1-2所示，物聯網是對互聯網的延伸和拓展，物聯網中的設備數量將遠遠超越傳統的互聯網中的設備數量。據IDC預測，到2025年，物聯網中的智能硬件設備將超過400億臺。

物聯網通過傳感器、射頻識別技術、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等傳感設備與技術，采集物品周圍或內部的聲、光、熱、電、力、位置、生物、化學等信息，并按約定的協議將物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品（及其周圍環境）的智能化識別、監控、操控、定位、跟蹤和管理。物聯網的工作示意圖如圖1-3所示。不難發現，物聯網中的各種終端設備其實都是智能硬件，即物聯網終端設備是具備接入互聯網能力且具備與其他設備共享和處理數據能力的智能硬件。而且，智能硬件是物聯網的關鍵組成要素，與物聯網相輔相成，互為支撐。如果沒有智能硬件的承載，就沒有物與物之間的信息傳輸，這樣物聯網就無法延伸和拓展。反之，如果沒有物聯網，智能硬件就只能收集與處理本地數據，無法實現更智能化的功能。

得益于嵌入式芯片的制造成本越來越低以及互聯網的不斷普及，世界上的萬事萬物—小到一塊手表、一把鑰匙甚至一片藥，大到一部汽車、飛機、建筑甚至一座城市，通過添加傳感器，都可以被互聯網連接起來并賦予一定的智能化能力，從而使這些物品在沒有人為干涉的情況下進行實時的數據通信并對外界環境做出反應。通過這樣的方式，物聯網使數字世界和物理世界融合在一起，構建出所有物品具有類人化知識學習、分析處理、自動決策和行為控制能力的環境，使我們周圍世界的結構更加智能，響應能力更強。因此，物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。

1.2.2　物聯網的近代發展

最早的物聯網設備實踐可以追溯到1982年，卡內基·梅隆大學的計算機科學研究生將可口可樂自動售貨機連接到互聯網。這臺售貨機被認為是第一個聯機的非計算機對象。

1995年，比爾·蓋茨在其著作《未來之路》中提到了物聯網。不過，受限于當時無線網絡、硬件及傳感設備的發展，這個概念并未引起世人的重視。

1999年，美國麻省理工學院的Kevin Ashton教授首次提出物聯網的概念。同年，在美國召開的移動計算和網絡國際會議上提出“傳感網是下個世紀人類面臨的又一個發展機遇”。

2003年，美國《技術評論》雜志提出傳感網絡技術將是未來改變人們生活的十大技術之首。

2004年，日本總務省提出u-Japan計劃。該計劃力求實現人與人、物與物、人與物之間的連接，將日本建設成一個隨時隨地、任何物體、任何人均可連接的泛在網絡社會。

2005年，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會上，國際電信聯盟發布了《ITU互聯網報告2005：物聯網》，正式提出了物聯網的概念。這份報告指出，無所不在的物聯網通信時代即將來臨，世界上所有的物體，從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾，都可以通過互聯網主動進行信息交換。射頻識別技術、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將有更加廣泛的應用空間。

2006年，韓國確立了u-Korea計劃。該計劃提出要在民眾的生活環境里建設智能型網絡（如IPv6、BcN、USN）以及各種新型應用（如DMB、Telematics、RFID），讓民眾可以隨時隨地享受智慧服務。

2008年之后，為了促進科技發展，尋找新的經濟增長點，各國政府將下一代的技術規劃重點放在了物聯網上。至此，物聯網這一概念開始受到追捧。

2009年，IBM公司提出“智慧地球”這一理念。“智慧地球”旨在將新一代信息技術充分運用于各行各業之中，將智能硬件（或傳感器）安裝到系統（交通系統、電力系統、水力系統、醫療系統等）之中，然后通過人工智能與云計算等技術處理它們采集到的數據并進行反饋，以使人類的生活更加智能。

2009年，美國將新能源和物聯網列為振興經濟的兩大重點。歐盟執委會發表了歐洲物聯網行動計劃，描繪了物聯網技術的應用前景，提出歐盟政府要加強對物聯網的管理，促進物聯網的發展。

2015年，國務院印發《中國制造2025》，旨在整合移動互聯網、云計算、大數據和物聯網等技術，促進信息技術和智能技術在制造業的應用。

2020年，中國“十四五”規劃啟航，物聯網將成為帶動經濟發展的引擎式新增長點。

1.2.3　物聯網的基礎框架

物聯網的基礎框架可以分為三層，即感知層、網絡層、應用層，如圖1-4所示。

1. 感知層

感知層位于物聯網三層結構中的底層，其功能為“感知”，是實現物聯網全面感知能力的核心，能通過傳感網絡獲取環境信息。對于人類而言，感知層是使用五官和皮膚，通過視覺、味覺、嗅覺、聽覺和觸覺感知外部世界。對于物聯網而言，感知層是運用射頻識別器、全球定位系統、紅外感應器、攝像頭等傳感設備識別外界事物并采集數據。這些傳感設備讓物體也具備了“感受和知覺”，從而實現對物體的智能化控制。數據采集完成后，感知層通過RFID、條碼、工業現場總線、藍牙、紅外等短距離傳輸技術傳送數據。

感知層由基本的感應器件（例如RFID標簽和讀寫器、各類傳感器、攝像頭、GPS、二維碼標簽和識讀器等）以及感應器組成的網絡（例如RFID網絡、傳感器網絡等）兩大部分組成。該層的核心技術包括射頻技術、新興傳感技術、無線網絡組網技術、現場總線控制技術等，涉及的核心產品包括傳感器、電子標簽、傳感器節點、無線路由器、無線網關等。

2. 網絡層

網絡層位于物聯網三層結構中的第二層，其功能為“傳送”，是連接感知層與應用層的紐帶，能夠通過網絡進行信息傳輸。網絡層由各種私有網絡、互聯網、有線通信網、無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，在物聯網中起信息傳輸的作用。網絡層相當于人的神經中樞系統，負責將感知層獲取的信息安全可靠地傳輸到應用層，然后根據不同的應用需求進行信息處理。

感知層獲取到的數據可以通過移動通信網、互聯網、企業內部網、各類專網、小型局域網等網絡進行傳輸。各種類型的網絡有著不同的特點和應用場景，互相組合才能發揮出最大的作用。因此在實際應用中，信息傳輸通常經由多種網絡。網絡層所需要的關鍵技術包括長距離有線和無線通信技術等。長距離無線傳輸方式主要包括NB-IoT、LoRa、eMTC、4G/5G等，短距離無線傳輸方式主要包括ZigBee、Wi-Fi、藍牙等。不同的應用場景對應不同的傳輸方式。選擇合適的方式是網絡層最終實現客戶需求的關鍵因素。

3. 應用層

應用層位于物聯網三層結構中的頂層，其功能為“處理”，是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，能夠通過云計算平臺進行信息處理并提供豐富的基于物聯網的應用。應用層將物聯網與各行業相結合，實現對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。例如智能安防中的智能攝像頭能夠采集用戶家中的圖像和聲音等信息，并將這些信息上傳到特定的服務器，然后由服務器對這些信息進行存儲和分析。當檢測出用戶家中有吵鬧聲或有其他人出現時，自動采取相關措施，比如通過手機App通知用戶或報警等。其中，服務器對數據的處理和自動采取相關措施都屬于應用層的工作。

從結構上劃分，物聯網應用層包括三部分：物聯網中間件，是指一種獨立的系統軟件或服務程序，可以將各種公用的功能進行統一封裝，提供給物聯網應用層使用；物聯網應用，是指用戶直接使用的各種應用，如智能操控、遠程醫療、智能安防、智能出行等；云計算，用于助力物聯網海量數據的存儲和分析，感知層收集到大量的、多樣化的數據，需要進行相應的處理才能作為科學決策的依據。