1 物聯(lián)網(wǎng)是什么?
有的人說，物聯(lián)網(wǎng)就是傳感器;有的人說，物聯(lián)網(wǎng)就是5G，NB-IOT;還有的人說，物聯(lián)網(wǎng)就是大數(shù)據(jù);也有的人說，物聯(lián)網(wǎng)就是智慧地球，智慧城市，智能交通，智能家居;也有的人說，平安城市，天網(wǎng)工程，雪亮工程就是物聯(lián)網(wǎng);甚至還有的人說，物聯(lián)網(wǎng)和人工智能差不多。
物聯(lián)網(wǎng)的概念最早于1999年由美國麻省理工學院提出，英文名為Internet of Things，即“物物相連的網(wǎng)絡(luò)”。從物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)上看，物聯(lián)網(wǎng)是把任何物體的任何測量量，變成一串數(shù)字，然后利用網(wǎng)絡(luò)傳送出去，進行分析處理，然后支撐相關(guān)應(yīng)用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。
2 物聯(lián)網(wǎng)感知層技術(shù)的發(fā)展趨勢
物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)在哪里?
對，是感知層。感知層的基礎(chǔ)又是傳感器。
其實，傳感器大家天天在使用，手機上，汽車上都有大量的傳感器。
20世紀70年代開始，利用半導體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件的某些特性，利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器等。這就是固體傳感器時代。結(jié)構(gòu)傳感器和固體傳感器均屬于模擬傳感器階段。70年代末，隨著集成技術(shù)、微電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成傳感器。集成傳感器功能多，成本低，性能良好。這個階段傳感器技術(shù)開始從模擬向數(shù)字方向發(fā)展。
20世紀80年代，微型計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了智能傳感器。一開始，把信號轉(zhuǎn)換電路和微計算機、存貯器及接口集成在一個芯片上，和傳感器結(jié)合在一起，就是智能傳感器，具有檢測、數(shù)據(jù)處理以及自適應(yīng)能力。90年代后，智能化測量技術(shù)促使傳感器本身實現(xiàn)智能化，具有了自診斷功能、記憶功能、多參量測量功能以及聯(lián)網(wǎng)通信功能等。
在20世紀90年代，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸成熟。傳感器技術(shù)發(fā)展歷程如下圖所示。
進入21世紀，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，大幅提升了信息處理效率。LTE、5G的NB-IOT等無線通訊技術(shù)快速發(fā)展，提升了信息傳輸?shù)男?。傳感器新材料、新工藝、新?yīng)用的不斷出現(xiàn)，檢測技術(shù)、控制技術(shù)得到了發(fā)展，信息采集能力、測量精度和可靠性得到了根本上的提升;與此同時，傳感器在進一步微型化、網(wǎng)絡(luò)化。幾種趨勢合在一起，促進了物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)的進一步成熟，如下圖所示。
現(xiàn)代傳感器正從傳統(tǒng)的單一功能朝著集成化、無線化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、系統(tǒng)化、微型化、智能化、多功能化、光機電一體化、無維護化的方向發(fā)展，與此同時，傳感器的功耗將越來越低，精度和可靠性將越來越高、測量范圍將越來越寬。
受益于5G基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，受益于物聯(lián)網(wǎng)終端種類的持續(xù)增長，受益于物聯(lián)網(wǎng)各場景應(yīng)用需求的暴增，有權(quán)威機構(gòu)預測，到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)量達1000億個。未來10年，物聯(lián)網(wǎng)將有上萬億元的市場，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模將比互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)倍。前景如此可觀!
進入物聯(lián)網(wǎng)時代，為了匹配各種應(yīng)用場景，傳感技術(shù)呈現(xiàn)出了以下新的發(fā)展趨勢：
(1)開發(fā)和應(yīng)用新的傳感器材料
傳感器技術(shù)升級換代的重要推動力就是新材料的應(yīng)用。新型的光電傳感器的敏感材料，具有檢測距離遠、分辨率高、響應(yīng)快、檢測物體范圍廣等特點;生物敏感材料由于其選擇性好、靈敏度高、成本低，在食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等方面有著廣泛的應(yīng)用前景;新型的納米材料促進了傳感器向微型方向的發(fā)展。隨著未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的不斷拓寬，人們將會開發(fā)出更多優(yōu)質(zhì)的傳感器新材料，新材料的應(yīng)用水平將會不斷提升。
(2)提升傳感器的集成度
傳感器集成度的提高有兩個方向：一個是在同一個芯片上集成很多類型的傳感器;另一個是傳感器與后續(xù)其他功能電路的集成化。這兩個方向，都是傳感器的多功能化方向。一個多傳感器集成的芯片，可以檢測的參數(shù)，由點到面到體，可以實現(xiàn)多維參數(shù)的圖像化呈現(xiàn)。如醫(yī)學臨床上使用的一種傳感器，芯片尺寸僅為2.5mm×0.5mm，可同時快速檢測出一滴血液中Na+、K+和H+等多種離子的濃度。一個將傳感檢測功能與放大、運算、干擾補償?shù)裙δ芗稍谝惑w的傳感器，具有了很好的自適應(yīng)性，在機器人工業(yè)上，得到了大量應(yīng)用。
(3)無線網(wǎng)絡(luò)化
無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳感器技術(shù)的結(jié)合就是無線傳感網(wǎng)技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中，傳感器作為一個收集各種測量量的節(jié)點，如溫度的高低、濕度的變化、壓力的增減、噪聲的升降。多個節(jié)點組成一個網(wǎng)絡(luò)。每一個傳感器節(jié)點可以看作是一個快速運算的微型計算機，將傳感器收集到的信息轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信號。節(jié)點與節(jié)點之間可以彼此通信，也可以和中央處理中心進行聯(lián)系。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多學科高度交叉的新興熱點研究領(lǐng)域。隨著在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療、智能家居、智慧城市等領(lǐng)域應(yīng)用需求的增多，傳感器的無線網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用將會越來越成熟。
(4)小型化、微型化
傳感器新型材料的使用、集成度的提升，可以促進傳感器的小型化、微型化。微型化傳感器占用空間小、重量輕、反應(yīng)快、靈敏度高、成本低、能耗低，便于安裝和維護。醫(yī)學上有一種“神經(jīng)塵埃”傳感器，只有一粒沙子大小(長 3 毫米，高 1 毫米，寬 0.8 毫米)，這種微型傳感器的晶體管負責搜集神經(jīng)和肌肉組織的信息，然后以超聲波的形式，將相應(yīng)信息反饋給體外的接收器，為醫(yī)生確認病情提供參考。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，微型傳感器可測量的物理量、化學量和生物量會越來越多。在航空、遠距離探測、醫(yī)療及工業(yè)自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用也會越來越多。
(5)提高傳感器的智能化水平
智能化傳感器是微處理器與傳感器的結(jié)合，既能夠采集信息，還可以進行信息的處理和存儲，進行邏輯思考和決策。智能傳感器將有數(shù)字通信接口，可以直接與其所屬計算機進行通信聯(lián)絡(luò)和交換信息。隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，智能傳感器將在自適應(yīng)、自維護、運算能力、實時性等方面得到進一步提升。
3 物聯(lián)網(wǎng)感知層關(guān)鍵技術(shù)
描述5G物聯(lián)網(wǎng)，就從感知層的技術(shù)開始。物體沒有感知周邊信息的能力，“聾子、啞巴”式的終端連在網(wǎng)上也沒有什么用。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)信息之源，感知技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)之本。
物聯(lián)網(wǎng)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)。
首先，傳感技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)測量技術(shù)基礎(chǔ)，是物聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)生的源頭。傳感器作為物聯(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)的重要指標之一;為了促進物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)?；瘧?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、隨機性和模糊性的信息，提取關(guān)鍵信息和有價值數(shù)據(jù)，可以在各種行業(yè)應(yīng)用中，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)護等，成為解決實際問題的利器。
標識技術(shù)是通過RFID標簽、條形碼、二維碼、語音、生物特征等手段來標識物體、識別物體的技術(shù)。給產(chǎn)品貼上可識別的標簽，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，來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)的龐大生態(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)的核心，就掌握了物聯(lián)網(wǎng)的核心話語權(quán)，也就掌握了物聯(lián)網(wǎng)一劍封喉的手段。
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。傳感器中間件就是為了屏蔽底層設(shè)備的復雜性的關(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種大的類型，一類是屏蔽傳感器采集數(shù)據(jù)的復雜性，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)過度，完成傳感數(shù)據(jù)的存儲、維護、訪問和聚合。傳感器中間件還可以為上層應(yīng)用提供標準接口，使客戶很輕松地利用其接口上進行二次開發(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，可以使用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)近距離的通信技術(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，像手機需要操作系統(tǒng)一樣，各細分場景的物聯(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)，來感知層硬件的復雜性、支撐無線傳感網(wǎng)近距離通信的功能。這物聯(lián)網(wǎng)中傳感器終端設(shè)備的操作系統(tǒng)技術(shù)也是核心競爭能力之一。
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)可以用來測量目標的位置參數(shù)、時間參數(shù)、運動參數(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行軌跡，從而實現(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)設(shè)計到的關(guān)鍵技術(shù)大家庭如下圖所示。
4 IT、CT、IOT的分層融合架構(gòu)
我們經(jīng)常聽到，5G要實現(xiàn)IT、CT、IOT的三T融合。
把感知到的數(shù)據(jù)通過5G匯集在平臺側(cè)，然后通過云計算中心的處理或大數(shù)據(jù)挖掘處理，人工智能的算法決策，就可以形成各行各業(yè)的應(yīng)用。也就是說，5G物聯(lián)網(wǎng)不是簡單地對互聯(lián)網(wǎng)進行延伸和擴展，而是需要完成垂直行業(yè)技術(shù)和信息技術(shù)的整合。
物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術(shù)要利用5G技術(shù)實現(xiàn)物物相連，而且各垂直行業(yè)應(yīng)用都需要一些共同的平臺技術(shù)：人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算的互聯(lián)網(wǎng)。
這樣物聯(lián)網(wǎng)IOT和其他T的界限并不是很清晰了，很多技術(shù)感覺是共通的。
在5G時代——萬物有感知、萬物走5G、萬物上平臺、萬物有應(yīng)用，這幾句話，就是5G物聯(lián)網(wǎng)的特點。
了解了這些感知層技術(shù)，就掌握了5G物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)，再加上5G通信技術(shù)和云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等平臺技術(shù)，就搭建起了5G時代的端管云知識體系架構(gòu)。
為了支撐各種物體產(chǎn)生的信息在物聯(lián)網(wǎng)的體系中暢通無阻，需要在物聯(lián)網(wǎng)體系中實現(xiàn)一連串的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理，這樣物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)就需要包括多個層面：傳感層技術(shù)(傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)、感知/識別技術(shù)、WSN技術(shù))、網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)(低功耗高帶寬無線通信技術(shù)、移動通信技術(shù))，平臺層技術(shù)(人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算)、應(yīng)用層技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)是物聯(lián)網(wǎng)各個組成要件的協(xié)同發(fā)展。
首先，物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是全面感知，因此感知層是物聯(lián)網(wǎng)最基礎(chǔ)的層面。物聯(lián)網(wǎng)將促進各種感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用敏感元件，可以把那些人類感覺器官收集不到的有用信息提取出來，延長和擴展人類的感知能力。比如，紅外、紫外等光波敏感元件，可以擴展人們的視力;超聲和次聲傳感器，可以擴展人們的聽力。此外，各種嗅敏、味敏、光敏、熱敏、磁敏、濕敏等敏感元件也助力人類的感覺能力的提升。一旦給某個物體加上傳感器，這個物體就成為一個信息源，它就會像互聯(lián)網(wǎng)上的一切數(shù)字設(shè)備那樣，發(fā)出自己感知到的一切信息。一個有完整行業(yè)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)，往往部署了海量的各種類型的傳感器，不同類型的傳感器會測量到不同的信息，而這個信息具有實時性，物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理中心可以按一定的頻率，周期性的采集傳感器產(chǎn)生的信息，從而得到最新的數(shù)據(jù)。
其次，物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)可靠傳輸，就必須依賴通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)。從物聯(lián)網(wǎng)上的傳感器定時采集到的信息需要通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)進行傳輸。海量的傳感器會產(chǎn)生海量的測量信息。為了保障數(shù)據(jù)傳送的正確性和及時性，數(shù)據(jù)傳輸過程必須適應(yīng)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議。這些都要求物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層具有容量大、可靠、低延時、異構(gòu)網(wǎng)兼容的特點。
再次，物聯(lián)網(wǎng)上連接著的各個物體，應(yīng)該可以被追蹤、控制，也可以實現(xiàn)個性化呈現(xiàn)、遠程升級、統(tǒng)計分析等等功能。這就要求物聯(lián)網(wǎng)要支撐智能處理和智能控制。當與大數(shù)據(jù)和人工智能(AI)結(jié)合，利用云計算、模式識別等各種計算機技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)可以變得有預測性，支撐協(xié)同工作。物聯(lián)網(wǎng)的平臺層具有海量數(shù)據(jù)的存儲、計算、分析能力，它的職責就是使物聯(lián)網(wǎng)變得智能、智慧。
最后，物聯(lián)網(wǎng)要和一定的應(yīng)用場景結(jié)合，才能解決人們在生產(chǎn)、生活中碰到的一類問題。比如城市安防、智慧校園、智能醫(yī)療、智能交通、車聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)、智能家居、智能電網(wǎng)、石油化工的監(jiān)控、各種機器人的集中管理和控制，都是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層常見的場景。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，還會延伸到更多的應(yīng)用場景，發(fā)現(xiàn)更新的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式，還會從更多場景中的傳感器采集海量信息進行分析、加工和處理，以適應(yīng)不同行業(yè)、不同用戶的不同需求。
總之，物聯(lián)網(wǎng)有四個層級，分別是：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。這四個層級又完成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)分析的功能，如圖 1- 6所示。如果把物聯(lián)網(wǎng)比作人體，感知層的作用相當于人的眼睛、耳朵、鼻子、舌頭、皮膚、手腳等感覺器官，網(wǎng)絡(luò)層就相當于用來傳遞信息的神經(jīng)系統(tǒng)，平臺層則是人的大腦，對接收到的大量信息進行處理分析。傳感器技術(shù)是感知層的基礎(chǔ)，無線通信技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵，計算機技術(shù)又是平臺層的核心，它們在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中分別起到“感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。而應(yīng)用層就相當于人要完成的任務(wù)，有明確的目標和方向，需要感覺器官、神經(jīng)系統(tǒng)和大腦共同完成。
5 5G+ABC應(yīng)用前景
感知層雖采集了大量數(shù)據(jù)，但是只完成了初步的、小范圍的數(shù)據(jù)傳輸、提取和處理，這些數(shù)據(jù)要想能夠“致千里”，物聯(lián)網(wǎng)就需要成為一個“假輿馬者”(通過5G)，這樣數(shù)據(jù)就可以完成遠距離傳輸、天涯咫尺;海量的感知層數(shù)據(jù)匯聚到中央平臺，要想支撐有價值、有意義、新穎獨特的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)就需要成為數(shù)據(jù)海洋的“假舟楫者”(通過ABC)，利用人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算這些超級“巨輪”完成數(shù)據(jù)的綜合分析處理，支撐應(yīng)用呈現(xiàn)。
5G作為移動通訊技術(shù)的主要發(fā)展方向，為用戶提供光纖般的接入速率，“零”時延的操作感知，千億設(shè)備的連接能力，將拉近萬物的距離，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴。“人工智能+大數(shù)據(jù)+云計算”助用戶突破海量數(shù)據(jù)的時空限制，為用戶提供多場景、多應(yīng)用而且智能、智慧的交互體驗，最終實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的總體愿景。
“5G+ABC”必將開啟物聯(lián)網(wǎng)的新征程，并滲透到未來社會的各個領(lǐng)域，以用戶為中心構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)。
新感知、新應(yīng)用。在“5G+ABC”時代背景下，將會涌現(xiàn)出很多新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、云AR/VR、智慧牧場、聯(lián)網(wǎng)無人機、遠程醫(yī)療、個人AI輔助、可穿戴設(shè)備、全息投影、遠程旅游等等。當然，隨著物聯(lián)網(wǎng)各層技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)還會有涌現(xiàn)出很多新的應(yīng)用。
物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)加平臺層技術(shù)(5G+ABC)雙輪運轉(zhuǎn)的驅(qū)動下，必將實現(xiàn)感知層技術(shù)與多個垂直行業(yè)的應(yīng)用跨界融合。未來的應(yīng)用，只有想不到，沒有做不到。
6 展望
未來十年，物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將突破萬億，物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)產(chǎn)值將突破萬億，那么有志于從事物聯(lián)網(wǎng)方向的大眾來說，如何快速入門?
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