1.1 物联网概述

炎热的夏天，你打开屋里的空调，过一会儿室温变得凉爽舒适。那么房间是如何保持在一个恒定舒适的温度下呢？我们每个人都可以感知外界的冷热，从而增加或者减少自己的衣物。大家肯定会想到，空调中也应该会有一个感知冷热的元件，当室温太低的时候，它就停止或减慢压缩机的制冷工作；当室温升高的时候，它就启动或者加快压缩机的制冷工作。空调中能够感知冷热的元件就是热敏电阻，是一种传感器，它如同我们的皮肤一样，对外界的冷热相当敏感。

一身臭汗让你的衣服味道不好闻，你把衣服脱了，扔在洗衣机里。洗衣机自动进水，水位达到一定的高度，洗衣机开始洗涤。洗衣机里水面有多高，需要水位传感器来检测。当水位传感器检测到水位达到设定高度时，推动一个气囊连杆闭合电路，洗衣机电脑板检测这个通断信号，然后决定开始还是停止旋转。当然，洗衣机中还会有负重传感器，负责检测衣物重量，如果放入太重的东西，它会给洗衣机控制板发出一个自己无法承担如此重量的警告。此外，水温传感器能够检测洗衣机内水温，提示水温过高或者过低；布质传感器可以帮助检测衣料的种类，以便通知洗衣机的控制板采用合适的洗涤方式；脏污程度传感器可以检测衣物脏的程度，从而决定洗涤方式和洗涤时长；脱水传感器可以检测衣物的湿度，从而决定甩干的转速和时长等。

在外活动了很长时间的你肚子饿了，打开冰箱看看有什么吃的。冰箱里也有温度传感器，冷冻室的传感器，用于显示冷冻室的温度；冷藏室的环境传感器，用于显示冷藏室的温度。为了将冷冻室和冷藏室的温度保持在恒温，需要有个温度闭环控制系统，当温度过高或过低的时候，能够指导冰箱降低或升高温度。化霜传感器所在的电路一般在常温下为断开状态，-7℃以下为闭合状态，此时化霜加热器开始通电发热，将冰箱里的霜化掉。

为了保障家里的安全，你安装了烟雾报警器和监控摄像头。烟雾报警器利用烟敏电阻对烟雾比较敏感这个特点来测量烟雾浓度，当室内烟雾达到一定浓度时，就会引起报警系统工作。监控摄像头记录了家里家外发生的一切，你可以在计算机上查看指定时间段的监控视频来排查异常。

以上说了这么多，其实还没有物联网的影子呢，最多只算物联网来临的前奏。对于现在的家庭来说，这些东西都是司空见惯，不足为奇的。

炎热的夏天，如果我们在还没有回家的时候，就想用手机发送指令，查看室温并远程打开空调，然后设置目标室温；在还没有回家的时候，就想用手机查看衣服洗好没有，是否洗干净，是否甩干，是否需要再次洗涤；在还没有回家的时候，就想知道冰箱里的食物有哪些，缺哪些东西。智能家居的生活场景如图1-2所示。

一旦家里厨房发生煤气泄漏，或者有人乱扔烟头，导致家里起了烟雾，抑或有人入侵了你的私人住宅，这些危险情况能够第一时间通知到你设定的电话、手机上，同时能够自动报警，城市报警联网中心可通过电子地图准确掌握发生警情的地址，避免了报警者描述不清发生警情的详细地址的尴尬。还可以实时监听现场情况，及时调动警力做出快速响应。

能够远程查看和控制家电的工作状态，能够自动报警和远程监控警情的应用就需要借助物联网了。

所谓物联网，并不是指有传感器工作的 “物”，而是指有传感器工作的“物” 所监测的信息能够通过LTE、5G通信网实现物与物的联系、物与人的联系，也能通过互联网与集中的网络处理中心联系。

1.1.1 什么是物联网

2009年8月，“感知中国” 的概念被提出，物联网正式被列为我国五大新兴战略性产业之一。2016年12月，国务院发布了 《“十三五” 国家信息化规划》，其中提到 “物联网” 的地方有20多处，明确了推进物联网感知设施在各行各业中的规划布局。2017年3月，李克强总理在 《政府工作报告》 中指出要加快大数据、云计算、物联网的应用，以新技术、新业态、新模式推动传统产业生产、管理和营销模式的变革。

那么，究竟什么是物联网呢？大家虽然急切地想知道，但遗憾的是，目前尚无统一的定义。

有的人说，物联网就是传感器；有的人说，物联网就是5G、NB-IoT；有的人说，物联网就是大数据；有的人说，物联网就是智慧地球、智慧城市、智能交通、智能家居；也有的人说，平安城市、天网工程、雪亮工程就是物联网；甚至还有的人说，物联网和人工智能差不多。

当把传感元件如射频识别、红外感应器、位置传感器等安装到生活或生产的各种物体上，所有的信息都可以形成数据发送到平台层进行处理，这样物体就有了 “智能”，物与物、人与物之间就可以实现 “沟通” 和 “对话”，物联网也就随之形成。

物联网的概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，英文名为Internet of Things，即 “物物相连的网络”。以下是物联网几个比较常见的定义。

百度百科上如此定义：物联网是通过信息传感设备 （如射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等），按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

维基百科这样定义：物联网把所有物品通过射频识别等信息传感设备和互联网连接起来，实现智能化的识别和管理；物联网就是把感应器装备嵌入各种物体中，然后将 “物联网” 与现有的互联网连接起来，实现人类社会与物理系统的整合。

国际电信联盟 （ITU） 这样定义：物联网在物品上额外嵌入短距离移动收发器，使人与人、人与物之间和物与物之间能够进行沟通。任何时间、任何地点、任何人、任何物都能够通过物联网实现相关连接。

从以上各种定义抽取物联网的本质可以得出：物联网是把任何物体的任何测量量，变成一串数字，然后利用网络传送出去，进行分析处理，然后支撑相关应用的数据转换过程。物联网的信息处理过程如图1-3所示。

传统互联网是基于人的网络，在某种意义上，信息是靠人来采集和分析的，数据的产生和分析主要依赖于人，互联网只是延伸了人类信息分享的范围。相比而言，物联网是基于物的网络，信息可以由任何时间、任何地点的任何人或物产生。也就是说，在物联网上，数据的产生是靠传感器感知和采集的；与互联网相比，物联网增加了信息的自动提取能力。因此物联网大大延伸了人类感知的触角。

如果说互联网构造的是虚拟空间，那么物联网连接的则是实体空间。互联网可以解决人与人之间信息不对称的问题，物联网则可以解决物与物、物与人的相互沟通问题。总之，如果说互联网技术让这个世界变成了一个 “地球村”，那么，物联网技术就让这个 “地球村” 变成了一个 “地球人”，它有了自己的感知系统、神经传导系统、大脑智慧系统。

1.1.2 物联网的分层结构

从物联网的定义，可以总结出物联网的共同特征，如图1-4所示。

1） 物联网的信息获取依赖于各种传感技术。

2） 物联网的信息传送基础是通信网和互联网，是通信网和互联网的延伸和拓展。互联是其重要特征。物联网中的物品都是可寻址、可控制、可通信的。

3） 物联网能够让物体集中分析和处理物体测量产生的大量数据，使物体对外界刺激有自动自发的响应。即智能智慧也是一个重要特征。

4） 物联网将应用于各个行业和各个区域。从普通用户的角度看，物联网不仅是网络，更多的是各种行业应用和大众业务。

为了支撑各种物体产生的信息在物联网的体系中畅通无阻，需要在物联网体系中实现一连串的数据采集、数据转换、数据传送、数据分析、数据处理，这样物联网的支撑技术就需要包括多个层面：感知层技术 （传感器技术、RFID （Radio Frequency Identification，无线射频识别） 技术、感知/识别技术、WSN （Wireless Sensor Network，无线传感网络） 技术）、网络层技术 （低功耗高带宽无线通信技术、移动通信技术），平台层技术 （人工智能、大数据、云计算）、应用层技术，如图1-5 所示。物联网发展的基础是物联网各个组成要件的协同发展。

首先，物联网的本质是全面感知，因此感知层是物联网最基础的层面。物联网将促进各种感知技术的广泛应用。物联网系统应用敏感元件，可以将人类感觉器官收集不到的有用信息提取出来，延长和扩展人类的感知能力。比如，红外、紫外等光波敏感元件，可以扩展人们的视力；超声和次声传感器，可以扩展人们的听力。此外，各种嗅敏、味敏、光敏、热敏、磁敏、湿敏等敏感元件也助力人类感觉能力的提升。一旦给某个物体加上传感器，这个物体就成为一个信息源，它就会像互联网上的一切数字设备那样，发出自己感知到的一切信息。一个有完整行业应用的物联网，往往部署了海量的各种类型的传感器，不同类型的传感器会测量到不同的信息，而这个信息具有实时性，物联网的数据处理中心可以按一定的频率，周期性地采集传感器产生的信息，从而得到最新的数据。

其次，物联网要实现可靠传输，就必须依赖通信网和互联网。从物联网上的传感器定时采集到的信息需要通过有线、无线网络或互联网进行传输。海量的传感器会产生海量的测量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，数据传输过程必须适应各种异构网络和协议。这些都要求物联网的网络层具有容量大、可靠、低延时、异构网兼容的特点。

再次，物联网上连接着的各个物体，应该可以被追踪、控制，也可以实现个性化呈现、远程升级、统计分析等功能。这就要求物联网要支撑智能处理和智能控制。当与大数据和人工智能 （AI） 结合，利用云计算、模式识别等各种计算机技术，物联网可以具备预测性，支撑协同工作。物联网的平台层具有海量数据的存储、计算、分析能力，它的职责就是使物联网变得智能、智慧。

最后，物联网要和一定的应用场景结合，才能解决人们在生产、生活中碰到的一类问题。比如城市安防、智慧校园、智能医疗、智能交通、车联网、智慧农业、智能家居、智能电网、石油化工的监控、各种机器人的集中管理和控制，都是物联网应用层常见的场景。随着物联网的发展，还会延伸到更多的应用场景，发现更新的应用领域和应用模式，还会从更多场景中的传感器采集海量信息进行分析、加工和处理，以适应不同行业、不同用户的不同需求。

总之，物联网有四个层级，分别是：感知层、网络层、平台层和应用层。这四个层级又完成了数据采集、数据传送、数据分析的功能，如图1-6所示。如果把物联网比作人体，感知层的作用相当于人的眼睛、耳朵、鼻子、舌头、皮肤、手脚等感觉器官，网络层就相当于用来传递信息的神经系统，平台层则是人的大脑，对接收到的大量信息进行处理分析。传感器技术是感知层的基础，无线通信技术是网络层的关键，计算机技术又是平台层的核心，它们在物联网系统中分别起到 “感官” “神经” 和 “大脑” 的作用。而应用层就相当于人要完成的任务，有明确的目标和方向，需要感觉器官、神经系统和大脑共同完成。

横看物联网，有四个层次，但应用层不仅是一个横向层面的含义，还有一个纵向拉通的含义，每一个垂直行业依赖不同的感知层、网络层、平台层的资源，一个行业应用需要在垂直方向上整合以下三个层次的资源。

把物联网的平台层和应用层合二为一，统称为应用层或应用平台层，那么物联网的结构就分为三层了。有的人把物联网的三层架构称之为 “端-管-云” 架构，如图1-7所示。各种各样的终端设备、传感节点、无线识别都属于 “端”（Device），5G无线通信网络、WLAN网络及互联网等属于 “管” （Pipe），数据存储、数据分析计算及各种应用则运行在 “云”（Cloud） 侧。

1.1.3 物联天下，传感先行

“物联网和互联网的区别到底在哪里呀？” 吴小白问武廉旺。

“互联网加上感知能力，我认为就接近物联网了。” 武先生回答道。

“你这么一说，物联天下，感知能力是先决条件了？” 吴小白问道。

“是啊！没有物体的感知能力，那不等于人与人之间通过电脑终端的互联么？那不还是等于互联网么？” 武先生这样说道。

“看来现实感，或者是对周围环境的感知能力，是物联网的独特的地方。”吴小白总结道。

在物联网时代，我们的家用电器在可能损坏之前，安装在电器里面的传感器就已经检测到了异常，于是主动报修。在报修和检测的过程中，人可以不参与其中，由设备自身完成整个监测和维护的过程。电器需要返修的话，家用机器人和快递公司的无人机可以提供帮助。

如此便利的生活都要归功于传感器和智能电器。因为传感器的存在，智能电器才能监测到自身的工作状态。广泛存在的传感元件，可以让未来每一件物品的状态和信息都会被感知。电灯等照明系统一定会有光传感器，门窗有红外传感器，随身携带的手机和手环等穿戴设备会集成更多传感器。举例来说，在如图1-8所示的无人便利店里，一盒鸡蛋、一篮水果进入冰箱后，人们就可以通过手机查看到鸡蛋、水果的数量、价格，以及物流运输信息，甚至还可以追踪到鸡蛋是哪个农场的哪一只母鸡产的，追踪到水果是哪个果园的哪棵树上产的。

那么，如果传感器监测的数据不准确，那么平台侧可能给出错误的指令，用户可能付出不必要的成本，商家可能因此蒙受损失。也就是说，传感层采集的数据不准确，就会影响物联网传送数据的可信度。

物联网的本质就是将IT基础设施融入物理基础设施中，也就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道、家用电器、日用百货等各种物体中，并且实现普遍连接，形成所谓的 “物联网”。从智慧城市到智能家居、智能泊车、智慧工业、智慧农业等，都是建立在各类传感器之上。物联网可以实现万物沟通，是广泛连接物理世界的网络，实现了任何时间、任何地点及任何物体的连接。可以说，人们为了实现人与物的有机结合，以更加精细和动态的方式管理生产和生活，提高整个社会的信息化能力，将需要大量工艺水平超高、测量精确、体积微小、成本超低的传感器元件。

感知层的使用是物联网与互联网的最大区别，物联网最基础、最底层的部分就是广泛分布的传感器或传感层器件。感知层在物联网中起着决定性的作用。传感器好比人的眼、耳、口、鼻、舌、手，可以认为延伸了人类的感觉，它能够采集到更多更广的有用信息。正是因为有了传感器，物联网系统才能将自己感知到的信息传递给 “大脑”。

传感器的性能决定了物联网性能。在物联网时代，传感器将代替人工成为获得信息的重要手段和途径，如图1-9所示。传感器采集信息的准确性、可靠性、实时性，将直接影响到控制节点对信息的处理与传输，对物联网应用系统的性能影响相当大。

目前，我国的互联网、通信网、云存储、云计算等基础设施发展速度较快，但传感器工艺的发展速度却较为缓慢。我国在物联网感知层核心技术的掌握上，同发达国家相比，尚有不小的差距。相对于计算机技术、通信技术，我国的传感器技术在国际上处于弱势地位，存在的问题较多。可以这么说，在各种应用场景中，我国物联网发展的瓶颈就在于感知层，感知层的发展瓶颈就在于传感元件。传感器是决定物联网产业发展速度的重要因素之一。

俗话说，“兵马未动，粮草先行”。在物联网快速发展的今天，这句话可以理解为：物联天下、传感先行。没有感知层元件的广泛部署，物联网的发展就是无源之水、无本之末了。

本书的重点就是介绍物联网感知层涉及的关键技术，及其在生产和生活中的应用。