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1.1.1 初识物联网技术

物联网（Internet of Things, IoT）是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它是让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

物联网指的是将无处不在的末端设备和设施，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、数控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”的“智能化物件或动物”（如贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等）或“智能尘埃”，通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通信网络实现互联互通（M2M）、应用大集成（Grand Integration）以及基于云计算的SaaS营运等模式，在内网（Intranet）、外网（Extranet）和互联网（Internet）环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面（集中展示的Cockpit Dashboard）等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。

“物联网”的概念是在1999年提出的，它的定义很简单：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。也就是说，物联网是指各类传感器和现有的互联网相互连接的一个新技术。

1.物联网的关键技术

把网络技术运用于万物组成“物联网”，如把感应器嵌入装备到油网、电网、路网、水网、建筑、大坝等物体中，然后将“物联网”与“互联网”整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。超级计算机群对“整合网”的人员、机器设备、基础设施实施实时管理控制。以精细动态方式管理生产生活，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然关系。

简单地讲，物联网是物与物、人与物之间的信息传递与控制。在物联网应用中有以下关键技术。

（1）传感器技术 它是计算机应用中的关键技术。绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号才能处理。

（2）RFID技术 它是一种传感器技术，是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术。RFID在自动识别、物品物流管理等领域有着广阔的应用前景。

（3）单片机嵌入式系统技术 它是集计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变，以单片机嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见，小到人们身边的智能音箱，大到航天航空的卫星系统。

（4）智能技术 它是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可以使物体具备一定的智能性，能够主动或被动地实现与用户的沟通，也是物联网的关键技术之一。

（5）纳米技术 它是研究结构尺寸在0.1～100nm范围内材料的性质和应用，主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。

2.物联网体系架构

物联网典型体系架构分为3层，自下而上分别是感知层、网络层和应用层。物联网体系架构如图1-1所示。

（1）感知层 感知层是实现物联网全面感知的核心能力，是物联网中关键技术，感知层是在标准化、产业化方面亟须突破的部分，关键在于具备更精确、更全面的感知能力，并解决低功耗、小型化和低成本问题。

（2）网络层 网络层主要以广泛覆盖的移动通信网络作为基础设施，是物联网中标准化程度最高、产业化能力最强、最成熟的部分，关键在于为物联网应用特征进行优化改造，形成系统感知的网络。

（3）应用层 应用层提供丰富的应用，将物联网技术与行业信息化需求相结合，实现广泛智能化的应用解决方案，关键在于行业融合、信息资源的开发利用、低成本高质量的解决方案、信息安全的保障及有效商业模式的开发。

物联网体系主要由运营支撑系统、传感网络系统、业务应用系统、无线通信网系统等组成。

1）运营支撑系统主要是指M2M平台，该平台具有一定的鉴权功能，因此可以为顾客提供必要的终端管理服务，同时，对于不同的接入方式，其都可顺利接入M2M平台，因此可以更顺利、更方便地进行数据传输。此外，M2M平台还具备一定的管理功能，其介意对用户鉴权、数据路由等进行有效的管理。而对于BOSS系统，其由于具备较强的计费管理功能，因此在物联网业务中得到广泛的应用。

2）通过传感网络，可以采集所需的信息，顾客在实践中可运用RFID读写器与相关的传感器等采集其所需的数据信息，当网关终端进行汇聚后，可通过无线网络远程将其顺利地传输至指定的应用系统中。此外，传感器还可以运用ZigBee与蓝牙等技术实现与传感器网关有效通信的目的。市场上常见的传感器大部分都可以检测到相关的参数，包括压力、湿度或温度等。一些专业化、质量较高的传感器通常还可检测到重要的水质参数，包括浊度、水位、溶解氧量、电导率、藻蓝素含量、pH值、叶绿素含量等。运用传感器网关可以实现信息的汇聚，同时可运用通信网络技术使信息可以远距离传输，并顺利到达指定的应用系统中。

3）业务应用系统主要提供必要的应用服务，包括智慧家居服务、一卡通服务、水质监控服务等。所服务的对象，不仅仅为个人用户，也可以为行业用户或家庭用户。

3.物联网应用场景

（1）智慧家居 智慧家居指的是使用各种技术和设备，来提高人们的生活质量，使家庭变得更舒适、安全和高效。物联网应用于智慧家居领域，能够对家居类产品的位置、状态、变化进行监测，分析其变化特征，同时根据人的需要，在一定的程度上进行反馈。典型智慧家居如图1-2所示。

智慧家居的发展分为三个阶段，分别是单品连接、物物联动以及平台集成。当前处于单品连接向物物联动过渡阶段。

1）单品连接：这个阶段是将各个产品通过传输网络，如WiFi、蓝牙、ZigBee等进行连接，对每个单品单独控制。

2）物物联动：目前，各个智慧家居企业将自家的所有产品进行联网、系统集成，使得各产品间能联动控制，但不同的企业单品还不能联动。

3）平台集成：这是智慧家居发展的最终阶段，根据统一的标准，使各企业单品能相互兼容，目前还没有发展到这个阶段。

（2）智慧安防 智慧安防系统是物联网的一大应用市场，传统安防对人员的依赖性比较大，非常耗费人力，而智慧安防能够通过设备实现智能判断。目前，智慧安防最核心的部分在于智慧安防系统，该系统是对拍摄的图像进行传输与存储，并对其分析与处理。一个完整的智慧安防系统主要包括三大部分，门禁、报警和监控，行业中主要以视频监控为主。视频安防系统如图1-3所示。

由于采集的数据量足够大，且时延较低，因此目前城市中大部分的视频监控采用的是有线的连接方式，而对于偏远地区以及移动性的物体监控采用的则是4G/5G等无线技术。

1）门禁系统：主要以感应卡式、指纹、虹膜以及面部识别等为主，有安全、便捷和高效的特点，能联动视频抓拍、远程开门、手机位置探测及轨迹分析等。

2）监控系统：主要以视频为主，分为警用和民用市场。它通过视频实时监控，使用摄像头进行抓拍记录，将视频和图片进行数据存储和分析，实时监测、确保安全。

3）报警系统：主要通过报警主机进行报警，同时，部分研发厂商会将语音模块以及网络控制模块置于报警主机中，缩短报警反应时间。

（3）智慧交通 智慧交通被认为是物联网所有应用场景中最有前景的应用之一。而智慧交通是物联网的体现形式，利用先进的信息技术、数据传输技术以及计算机处理技术等，集成到交通运输管理体系中，使人、车和路能够紧密地配合，改善交通运输环境、保障交通安全以及提高资源利用率。行业内应用较多的有五大场景，包括智慧公交车、共享单车、汽车联网、智慧停车以及智能红绿灯等。智慧交通包含多种控制内容，如图1-4所示。

1）智慧公交车：结合公交车辆的运行特点，建设公交智能调度系统，对线路、车辆进行规划调度，实现智能排班。

2）共享单车：运用带有GPS或NB-IoT模块的智能锁，通过App相连，实现精准定位、实时掌控车辆状态等。

3）汽车联网：利用先进的传感器及控制技术等实现自动驾驶或智能驾驶，实时监控车辆运行状态，降低交通事故发生率。

4）智慧停车：通过安装地磁传感器，连接进入停车场的智能手机，实现停车自动导航、在线查询车位等功能。

5）智能红绿灯：依据车流量、行人及天气等情况，动态调控灯信号，来控制车流，提高道路承载力。

6）汽车电子标识：采用RFID技术，实现对车辆身份的精准识别、车辆信息的动态采集等功能。

7）充电桩：通过物联网设备，实现充电桩定位、充放电控制、状态监测及统一管理等功能。

8）高速无感收费：通过摄像头识别车牌信息，根据路径信息进行收费，提高通行效率、缩短车辆等候时间等。

（4）智慧农业 智慧农业指的是利用物联网、人工智能、大数据等现代信息技术与农业进行深度融合，实现农业生产全过程的信息感知、精准管理和智能控制的一种全新的农业生产方式，可实现农业可视化诊断、远程控制以及灾害预警等功能。

农业分为农业种植和畜牧养殖两个方面。农业种植分为设施种植（温室大棚）和大田种植，主要包括播种、施肥、灌溉、除草以及病虫害防治等五个部分，通过传感器、摄像头和卫星等收集数据，实现数字化和智能机械化发展。当前，数字化的实现多以数据平台服务来呈现，而智能机械化以农机自动驾驶为代表。畜牧养殖主要是将新技术、新理念应用在生产中，包括繁育、饲养以及疾病防疫等，可以用“精细化养殖”定义整体畜牧养殖环节。智慧农业物联网平台已经广泛应用于现代农业生产中，如图1-5所示。

（5）智慧医疗 智慧医疗的两大主要应用场景：医疗可穿戴设备和数字化医院。全方位智慧医疗如图1-6所示。

在智慧医疗领域，新技术的应用必须以人为中心。而物联网技术是数据获取的主要途径，能有效帮助医院实现对人和物的智能化管理。对人的智能化管理指的是通过传感器对人的生理状态（如心跳频率、体力消耗、血压高低等）进行捕捉，将它们记录到电子健康文件中，方便个人或医生查阅。对物的智能化管理，指的是通过RFID技术对医疗物品进行监控与管理，实现医疗设备、用品可视化。当前智慧医疗主要有如下两个应用场景。

1）医疗可穿戴设备：通过传感器采集人体及周边环境的参数，经传输网络，传到云端，数据处理后，反馈给用户。

2）数字化医院：将传统的医疗设备进行数字化改造，实现了数字化设备远程管理、远程监控以及电子病历查阅等功能。

（6）智慧物流 智慧物流及供应链如图1-7所示。智慧物流是新技术应用于物流行业的统称，指的是以物联网、大数据、人工智能等信息技术为支撑，在物流的运输、仓储、包装、装卸、配送等环节实现系统感知、全面分析及处理等功能。智慧物流的实现能大大地降低各行业运输的成本，提高运输效率，提升整个物流行业的智能化和自动化水平。物联网应用于物流行业中，主要体现在三方面，即仓储管理、运输监测和智能快递柜。

1）仓储管理：通常采用基于LoRa、NB-IoT等传输网络的物联网仓库管理信息系统，完成收货入库、盘点调拨、拣货出库以及整个系统的数据查询、备份、统计、报表生产及报表管理等任务。

2）运输监测：实时监测货物运输中的车辆行驶情况以及货物运输情况，包括货物位置、状态环境以及车辆的油耗、油量、车速及刹车次数等驾驶行为。

3）智能快递柜：将云计算和物联网等技术结合，实现快件存取和后台中心数据处理，通过RFID或摄像头实时采集、监测货物收发等数据。

（7）智慧能源 当前，将物联网技术应用在能源领域，主要用于水、电、燃气等计量以及根据外界天气对路灯的远程控制等，基于环境和设备进行物体感知，通过监测，提升利用效率，减少能源损耗。根据实际情况，智慧能源分为四大应用场景。

1）智能水表：可利用先进的NB-loT技术，远程采集用水量，以及提供用水提醒等服务。

2）智能电表：自动化信息化的新型电表，具有远程监测用电情况，并及时反馈等功能。

3）智能燃气表：通过网络技术，将用气量传输到燃气集团，无须入户抄表，且能显示燃气用量及用气时间等数据。

4）智慧路灯：通过搭载传感器等设备，实现远程照明控制以及故障自动报警等功能。家用远程抄表系统如图1-8所示。

（8）智慧建筑 物联网应用于建筑领域，主要体现在用电照明、消防监测以及楼宇控制等。建筑是城市的基石，技术的进步促进了建筑的智能化发展，物联网技术的应用，让建筑向智慧建筑方向演进。物联网应用于现代建筑如图1-9所示。

智慧建筑越来越受到人们的关注，是集感知、传输、记忆、判断和决策于一体的综合智能化解决方案。当前的智慧建筑主要体现在用电照明、消防监测以及楼宇控制等，将设备进行感知、传输并远程监控，不仅能够节约能源，同时也能减少运维的楼宇工作人员。而对于古建筑，也可以进行白蚁（以木材为食的一种昆虫）监测，进而达到保护古建筑的目的。

（9）智慧制造 物联网技术赋能制造业，实现工厂的数字化和智能化改造。制造领域的市场体量巨大，是物联网的一个重要应用领域，主要体现在数字化以及智能化的工厂改造上，包括工厂机械设备监控和工厂的环境监控。通过在设备上加装物联网装备，设备厂商可以远程随时随地对设备进行监控、升级和维护等操作，更好地了解产品的使用状况，完成产品全生命周期的信息收集，指导产品设计和售后服务；而厂房的环境监控主要包括空气温湿度、烟感等情况，如图1-10所示。

数字化工厂的核心特点是：产品的智能化、生产的自动化、信息流和物资流合一。企业的数字化和智能化改造大体分成四个阶段：自动化生产线与生产装备、设备联网与数据采集、数据的打通与直接应用、数据智能分析与应用。这四个阶段并不按照严格的顺序进行，各阶段也不是孤立的，边界较模糊。

（10）智慧零售 智慧零售依托于物联网技术，主要体现了两大应用场景，即自动售货机和无人便利店。行业内将零售按照距离，分为三种不同的形式：远场零售、中场零售、近场零售。三者分别以电商、商场/超市和便利店/自动售货机为代表。物联网技术可以用于近场和中场零售，且主要应用于近场零售，即无人便利店和自动（无人）售货机。智慧零售如图1-11所示。

智慧零售通过对传统的售货机和便利店进行数字化升级、改造，打造无人零售模式。通过数据分析，并充分运用门店内的客流和活动，为用户提供更好的服务，为商家提供更高的经营效率。

1）自动售货机：也叫无人售货机，分为单品售货机和多品售货机，通过物联网平台可以进行数据传输，客户验证，购物车提交，到扣款回执等。

2）无人便利店：采用RFID技术，用户仅须扫码即可开门，便可进行商品选购，关门之后系统会自动识别所选商品，并自动完成扣款结算。