1.2　智能硬件与物联网

1.2.1　什么是物联网

物联网（Internet of Things，IoT）是新一代信息技术的重要组成部分，从字面意思理解就是万物相连的互联网。物联网有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上进行延伸和拓展的网络；第二，物联网将互联网的终端设备（个人电脑和手机）延伸和扩展到了物品与物品之间的信息交换和通信。如图1-2所示，物联网是对互联网的延伸和拓展，物联网中的设备数量将远远超越传统的互联网中的设备数量。据IDC预测，到2025年，物联网中的智能硬件设备将超过400亿台。

物联网通过传感器、射频识别技术、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等传感设备与技术，采集物品周围或内部的声、光、热、电、力、位置、生物、化学等信息，并按约定的协议将物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品（及其周围环境）的智能化识别、监控、操控、定位、跟踪和管理。物联网的工作示意图如图1-3所示。不难发现，物联网中的各种终端设备其实都是智能硬件，即物联网终端设备是具备接入互联网能力且具备与其他设备共享和处理数据能力的智能硬件。而且，智能硬件是物联网的关键组成要素，与物联网相辅相成，互为支撑。如果没有智能硬件的承载，就没有物与物之间的信息传输，这样物联网就无法延伸和拓展。反之，如果没有物联网，智能硬件就只能收集与处理本地数据，无法实现更智能化的功能。

得益于嵌入式芯片的制造成本越来越低以及互联网的不断普及，世界上的万事万物—小到一块手表、一把钥匙甚至一片药，大到一部汽车、飞机、建筑甚至一座城市，通过添加传感器，都可以被互联网连接起来并赋予一定的智能化能力，从而使这些物品在没有人为干涉的情况下进行实时的数据通信并对外界环境做出反应。通过这样的方式，物联网使数字世界和物理世界融合在一起，构建出所有物品具有类人化知识学习、分析处理、自动决策和行为控制能力的环境，使我们周围世界的结构更加智能，响应能力更强。因此，物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

1.2.2　物联网的近代发展

最早的物联网设备实践可以追溯到1982年，卡内基·梅隆大学的计算机科学研究生将可口可乐自动售货机连接到互联网。这台售货机被认为是第一个联机的非计算机对象。

1995年，比尔·盖茨在其著作《未来之路》中提到了物联网。不过，受限于当时无线网络、硬件及传感设备的发展，这个概念并未引起世人的重视。

1999年，美国麻省理工学院的Kevin Ashton教授首次提出物联网的概念。同年，在美国召开的移动计算和网络国际会议上提出“传感网是下个世纪人类面临的又一个发展机遇”。

2003年，美国《技术评论》杂志提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。

2004年，日本总务省提出u-Japan计划。该计划力求实现人与人、物与物、人与物之间的连接，将日本建设成一个随时随地、任何物体、任何人均可连接的泛在网络社会。

2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了物联网的概念。这份报告指出，无所不在的物联网通信时代即将来临，世界上所有的物体，从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾，都可以通过互联网主动进行信息交换。射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将有更加广泛的应用空间。

2006年，韩国确立了u-Korea计划。该计划提出要在民众的生活环境里建设智能型网络（如IPv6、BcN、USN）以及各种新型应用（如DMB、Telematics、RFID），让民众可以随时随地享受智慧服务。

2008年之后，为了促进科技发展，寻找新的经济增长点，各国政府将下一代的技术规划重点放在了物联网上。至此，物联网这一概念开始受到追捧。

2009年，IBM公司提出“智慧地球”这一理念。“智慧地球”旨在将新一代信息技术充分运用于各行各业之中，将智能硬件（或传感器）安装到系统（交通系统、电力系统、水力系统、医疗系统等）之中，然后通过人工智能与云计算等技术处理它们采集到的数据并进行反馈，以使人类的生活更加智能。

2009年，美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。欧盟执委会发表了欧洲物联网行动计划，描绘了物联网技术的应用前景，提出欧盟政府要加强对物联网的管理，促进物联网的发展。

2015年，国务院印发《中国制造2025》，旨在整合移动互联网、云计算、大数据和物联网等技术，促进信息技术和智能技术在制造业的应用。

2020年，中国“十四五”规划启航，物联网将成为带动经济发展的引擎式新增长点。

1.2.3　物联网的基础框架

物联网的基础框架可以分为三层，即感知层、网络层、应用层，如图1-4所示。

1. 感知层

感知层位于物联网三层结构中的底层，其功能为“感知”，是实现物联网全面感知能力的核心，能通过传感网络获取环境信息。对于人类而言，感知层是使用五官和皮肤，通过视觉、味觉、嗅觉、听觉和触觉感知外部世界。对于物联网而言，感知层是运用射频识别器、全球定位系统、红外感应器、摄像头等传感设备识别外界事物并采集数据。这些传感设备让物体也具备了“感受和知觉”，从而实现对物体的智能化控制。数据采集完成后，感知层通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传送数据。

感知层由基本的感应器件（例如RFID标签和读写器、各类传感器、摄像头、GPS、二维码标签和识读器等）以及感应器组成的网络（例如RFID网络、传感器网络等）两大部分组成。该层的核心技术包括射频技术、新兴传感技术、无线网络组网技术、现场总线控制技术等，涉及的核心产品包括传感器、电子标签、传感器节点、无线路由器、无线网关等。

2. 网络层

网络层位于物联网三层结构中的第二层，其功能为“传送”，是连接感知层与应用层的纽带，能够通过网络进行信息传输。网络层由各种私有网络、互联网、有线通信网、无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，在物联网中起信息传输的作用。网络层相当于人的神经中枢系统，负责将感知层获取的信息安全可靠地传输到应用层，然后根据不同的应用需求进行信息处理。

感知层获取到的数据可以通过移动通信网、互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等网络进行传输。各种类型的网络有着不同的特点和应用场景，互相组合才能发挥出最大的作用。因此在实际应用中，信息传输通常经由多种网络。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术等。长距离无线传输方式主要包括NB-IoT、LoRa、eMTC、4G/5G等，短距离无线传输方式主要包括ZigBee、Wi-Fi、蓝牙等。不同的应用场景对应不同的传输方式。选择合适的方式是网络层最终实现客户需求的关键因素。

3. 应用层

应用层位于物联网三层结构中的顶层，其功能为“处理”，是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，能够通过云计算平台进行信息处理并提供丰富的基于物联网的应用。应用层将物联网与各行业相结合，实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。例如智能安防中的智能摄像头能够采集用户家中的图像和声音等信息，并将这些信息上传到特定的服务器，然后由服务器对这些信息进行存储和分析。当检测出用户家中有吵闹声或有其他人出现时，自动采取相关措施，比如通过手机App通知用户或报警等。其中，服务器对数据的处理和自动采取相关措施都属于应用层的工作。

从结构上划分，物联网应用层包括三部分：物联网中间件，是指一种独立的系统软件或服务程序，可以将各种公用的功能进行统一封装，提供给物联网应用层使用；物联网应用，是指用户直接使用的各种应用，如智能操控、远程医疗、智能安防、智能出行等；云计算，用于助力物联网海量数据的存储和分析，感知层收集到大量的、多样化的数据，需要进行相应的处理才能作为科学决策的依据。