2.1　物聯(lián)網(wǎng)概述

2.1.1　物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)是一類信息系統(tǒng)。信息系統(tǒng)按支持對象可以分為四類：支持人到人的信息系統(tǒng)稱為通信系統(tǒng)；支持人到物的信息系統(tǒng)稱為遙控系統(tǒng)；支持物到人的信息系統(tǒng)稱為遙測系統(tǒng)；支持物到物的信息系統(tǒng)稱為狹義物聯(lián)網(wǎng)。除通信系統(tǒng)之外的信息系統(tǒng)被稱為廣義物聯(lián)網(wǎng)。社會信息化總是從低級到高級循序漸進的。首先是推廣應用通信系統(tǒng)，然后是推廣應用物聯(lián)網(wǎng)。所以，推廣應用物聯(lián)網(wǎng)是社會信息化從初級走向高級的主要標志。

我國先有信息化，后來才出現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”這個專有名稱。因此，并不能簡單地把當今所有的信息化系統(tǒng)都稱為物聯(lián)網(wǎng)，更不能把所有信息化的成就都說成是物聯(lián)網(wǎng)的成就。

2.1.2　物聯(lián)網(wǎng)起源

1995年，比爾·蓋茨在《未來之路》一書中曾提及物聯(lián)網(wǎng)，但未引起廣泛重視。1999年美國麻省理工學院（MIT）的Kevin Ashton教授首次提出物聯(lián)網(wǎng)的概念，同年美國麻省理工學院建立了“自動識別中心（Auto-ID）”，提出“萬物皆可通過網(wǎng)絡互聯(lián)”，闡明了物聯(lián)網(wǎng)的基本含義。早期的物聯(lián)網(wǎng)是依托射頻識別（RFID）技術(shù)的物流網(wǎng)絡，隨著技術(shù)和應用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了較大變化。2003年美國《技術(shù)評論》提出傳感網(wǎng)絡技術(shù)將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首。

國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告》對物聯(lián)網(wǎng)做了如下定義：通過二維碼識讀設備、射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。

物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)僅僅差了一個字，似乎差別不大，但從技術(shù)角度來看，物聯(lián)網(wǎng)比互聯(lián)網(wǎng)整整多了一層。如圖2-1所示，物聯(lián)網(wǎng)有三個層次：感知層、網(wǎng)絡層、應用與平臺層。

• 感知層：主要是感知信息。如這個房間的溫濕度，窗簾是否打開，空調(diào)是否開啟等。溫濕度傳感器、紅外檢測、攝像頭、麥克風等都可以算在這一層次。

• 網(wǎng)絡層：傳感器讀取到信息后，通過網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺，構(gòu)建網(wǎng)絡的技術(shù)就屬于網(wǎng)絡層。如2G/3G/4G、Wi-Fi、以太網(wǎng)、藍牙等。

• 應用與平臺層：處理信息的一個層次，可以理解為云端或后臺服務器。網(wǎng)絡層把數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_服務器，服務器首先根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進行存儲、計算、分析等。然后通過具體網(wǎng)頁、App等方式將服務器處理好的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶。有些文獻把物聯(lián)網(wǎng)分為四個層次，其實是把應用與平臺層分開了。

從圖2-1可以看出，物聯(lián)網(wǎng)比互聯(lián)網(wǎng)多了“感知層”，這也就體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)是人與機器、機器與機器連接的特征。

既然物聯(lián)網(wǎng)的基礎是互聯(lián)網(wǎng)，那藍牙、RFID、ZigBee這些網(wǎng)絡都連不上互聯(lián)網(wǎng)，怎么也算物聯(lián)網(wǎng)呢？基于藍牙的門禁鎖，基于RFID的公交卡、校園卡，基于ZigBee的農(nóng)業(yè)大棚管理系統(tǒng)的確都沒有連上互聯(lián)網(wǎng)，但實際都可以劃為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。嚴格來說，其實沒有專門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)是電子、通信、計算機三大領域技術(shù)的融合。與之類似，其實也沒有專門的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，我們常說的Web開發(fā)技術(shù)、搜索引擎技術(shù)、網(wǎng)絡游戲技術(shù)、移動開發(fā)技術(shù)、視頻直播技術(shù)等都屬于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

將藍牙、RFID、ZigBee等連入互聯(lián)網(wǎng)需要一個中間的銜接設備——網(wǎng)關(guān)。現(xiàn)在最常見是ZigBee網(wǎng)關(guān)，ZigBee經(jīng)過網(wǎng)關(guān)，可以轉(zhuǎn)換為Wi-Fi以太網(wǎng)連接到服務器；藍牙可以直接連到用戶手機，再通過手機連接服務器，手機可以稱為藍牙網(wǎng)關(guān)。當然要做一個專用的藍牙網(wǎng)關(guān)也沒有技術(shù)難度。手機的NFC本質(zhì)上就是RFID，現(xiàn)在很多手機都已經(jīng)自帶交通卡了。

如圖2-2所示，物聯(lián)網(wǎng)就是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上實現(xiàn)物物相連（萬物互聯(lián)）。

與其說物聯(lián)網(wǎng)是一種技術(shù)，不如說是一個時代（互聯(lián)網(wǎng)也是一個時代）。它通過對相關(guān)技術(shù)進行整合，形成了一個時代的概念，是一個建立在技術(shù)基礎之上的時代。

2.1.3　物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)術(shù)語

2.1.3.1　無線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)

這三個名詞在定義的范圍上是有重合的，所以容易混淆，下面對它們之間的區(qū)別進行分析。

1. 無線傳感網(wǎng)

無線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network，WSN）起源于美國，根源可追溯到1978年由國防部高級研究計劃署（DARPA）在卡內(nèi)基·梅隆大學發(fā)起的分布式傳感器研討會。其具體描述是：“由在檢測區(qū)域內(nèi)大量的低成本、低功耗的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知的對象信息，并發(fā)送給觀察者。”無線傳感網(wǎng)示意圖如圖2-3所示，構(gòu)成WSN的三要素是傳感器、感知對象、觀察者。

2. 物聯(lián)網(wǎng)

前面已經(jīng)給出了物聯(lián)網(wǎng)的ITU定義，維基百科給出了更通俗的解釋：通過互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，讓所有能行使獨立功能的普通物體實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡。

（1）物聯(lián)網(wǎng)一般為無線網(wǎng)，而由于每個人周圍的設備可以達到1000～5000個，所以物聯(lián)網(wǎng)可能要包含500兆～1000兆個物體。

（2）在物聯(lián)網(wǎng)上，每個人都可以應用電子標簽將真實的物體“入網(wǎng)”，在物聯(lián)網(wǎng)上都可以查出它們的具體位置。

（3）類似自動化操控系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)可以用中心計算機對機器、設備、人員進行集中管理、控制，也可以對家庭設備、汽車進行遙控并搜索位置、防止物品被盜等。同時，通過收集這些小事件的數(shù)據(jù)，最后可以聚集成大數(shù)據(jù)，包含重新設計道路以減少車禍、都市更新、災害預測與犯罪防治、流行病控制等社會的重大改變。

3. 泛在網(wǎng)

泛在網(wǎng)的定義出現(xiàn)要追溯到2008年11月6日的美國紐約。IBM總裁兼首席執(zhí)行官彭明盛（Samuel J. Palmisano）在美國外國關(guān)系理事會上發(fā)表了題為Smarter Planet：The Next Leadership Agenda（智慧的地球：下一代領導人議程）的演講。他在演講中提到：“這個世界已經(jīng)緊密相連，無論是在經(jīng)濟、技術(shù)還是社會層面。但我們也知道僅僅連接是遠遠不夠的。是的，世界會變得越來越‘平’，地球變得越來越小，人類的聯(lián)系也將更加緊密。但有一點變化潛力無窮，那就是我們的地球變得越來越智能化。這不是簡單的一個詞。我是指將智能技術(shù)應用到生活的各方面，如應用到各系統(tǒng)和程序之中，以便貨物能被順利地研發(fā)、制造和購買，人們能享受各種服務，萬物（包括人、貨幣、石油、水電等）可以順暢流通，人們可以安居樂業(yè)。”

泛在網(wǎng)的ITU示意圖如圖2-4所示。

以上是對無線傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)三個名詞的解釋，物聯(lián)網(wǎng)三大概念的關(guān)系圖如圖2-5所示。

2.1.3.2　LPWAN

LPWAN也稱為LPN，全稱為LowPower Wide Area Network或LowPower Network，指一種低功耗廣域網(wǎng)絡。概括來講，LPWAN具有如下特點：

（1）雙向通信，有應答；

（2）星形拓撲（一般不使用中繼器，也不使用Mesh組網(wǎng)，以求簡潔）；

（3）低數(shù)據(jù)速率；

（4）低成本；

（5）非常長的電池使用時間；

（6）通信距離較遠。

目前LPWAN包括的技術(shù)和標準很多，本章僅介紹主要概念，詳細內(nèi)容在后面的章節(jié)有敘述。

• LoRa：包含LoRaWAN協(xié)議和LoRa協(xié)議。事實上，LoRaWAN協(xié)議指的是MAC層的組網(wǎng)協(xié)議，而LoRa協(xié)議則是一個物理層的協(xié)議。具體來說，LoRa協(xié)議是物理層的傳輸技術(shù)，對應的產(chǎn)品就是收發(fā)器芯片，使用這種技術(shù)需要把自己業(yè)務的bit輸入或讀出，再往上層的協(xié)議和業(yè)務都需要自己定義。而LoRaWAN協(xié)議是在LoRa物理層傳輸技術(shù)基礎之上的，以MAC層為主的一套協(xié)議標準。對應產(chǎn)品包括LoRaWAN節(jié)點、LoRaWAN網(wǎng)關(guān)和LoRaWAN協(xié)議的數(shù)據(jù)云平臺。

• Sigfox：2009年，Sigfox公司于法國成立，試圖以獨立營運商的角色在全球進行網(wǎng)絡基地部署。Sigfox技術(shù)工作在1GHz以下的免許可ISM射頻頻段。頻率根據(jù)各國家法規(guī)有所不同，在歐洲廣泛使用868MHz，在美國則使用915MHz，每個載波占用100Hz。Sigfox有雙向通信功能，通信往往是從終端到基站向上傳送比較容易，但從基站回到終端其性能是受限制的，這是因為終端的接收靈敏度不如基站。其采用的UNB技術(shù)，每秒只能處理10～1000 bit的數(shù)據(jù)，但能支持成千上萬的連接。據(jù)估算，每個基站可以連接100萬個終端，僅需建設1萬個基站其網(wǎng)絡就可以覆蓋整個美國。

• NB-IoT：NB-IoT英文全稱是Narrow Band Internet of Things，中文名直譯為“窄帶物聯(lián)網(wǎng)”。NB-IoT是在LTE基礎上發(fā)展起來的，其主要借鑒了LTE的相關(guān)技術(shù)，并針對自身特點進行了相應的修改。為適應物聯(lián)網(wǎng)“大連接、低功耗”的場景，其做了以下幾個方面的重點改進：一是設計了“低功耗模式”，即允許通信模塊在進入空閑態(tài)一段時間后，關(guān)閉信號的收發(fā)和AS（接入層）相關(guān)功能，相當于部分關(guān)機，從而降低天線、射頻、信令處理等的功耗；二是基于“低功耗模式”，針對業(yè)務時延不敏感的特點，設計更多的用戶接入，保存更多的用戶上下文，上下文信息由基站和核心網(wǎng)維持，一旦有數(shù)據(jù)發(fā)送，可以迅速進入激活態(tài)。

• eMTC：eMTC是LTE-M（LTE-Machine-to-Machine）在3GPP R13中的叫法，是基于LTE演進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設備需求。 eMTC與NB-IoT同屬3GPP標準內(nèi)的LWPA技術(shù)，二者有很多相似之處，可謂是3GPP組織下的一對雙胞胎。eMTC與NB-IoT技術(shù)比較見表2-1。