2.2　基于通信解码物联网架构

2.2.1　网络架构

从通信视角看待物联网，就是通过网络将不同终端、用户和平台连接，并收集数据、分享数据、提供服务等。根据信息生成、传输、处理应用的过程，可以将物联网的层次架构自下而上划分为三层，即终端接入层、网络传输层和应用服务层，如图2-2所示。

2.2.1.1　终端接入层

终端接入层主要由物联网终端设备和物联网网关组成，是物联网体系架构的基础层，是感知物理世界、获取信息和实现物体控制的首要环节。其中物联网终端设备相当于人的眼睛、耳朵、鼻子等感知器官，用来感知、接收外界环境的信息，并进行一定程度的数字信号处理，可以提供感知数据读取和控制数据写入等基本功能。为了使物品具有感知能力，需要在物品上绑定不同类型的识别装置，如电子标签、条形码、二维码等，或者通过传感器、红外传感器等设备感知物品的位置、温度、移动、震动、湿度等信息，利用RFID技术识别物体的身份信息，从而随时随地获取物品状态信息，实现物体的全面感知。物联网网关使分散在不同地方的终端通过网关连接在一起，并统一接入通信网络，实现异构网络间的信息交换和通信。

2.2.1.2　网络传输层

网络传输层位于物联网体系架构的中间层，主要将异构终端通过网络连接起来，能够把终端接入层所收集的终端数据信息快速、安全、可靠地传输到应用服务层，然后根据不同的应用需求对终端数据信息进行处理，实现对客观世界的有效感知和有效控制。网络传输层对物联网中的数据信息和控制信息进行双向传递路由，从而使物体能够进行大范围、远距离的通信。从该层的功能来看，网络传输层将终端接入层的感知信息汇聚在一起，实现物与物之间的交流，构建起物体交流的桥梁，使物能够像人一样交流、产生联系，用以支撑各种各样的应用服务。

随着技术的不断发展，网络传输层呈现出不同网络融合并存的趋势，物联网终端接入网络传输层的方式也变得多种多样。从依托方式来看，网络传输层既可以依托以授权频段技术为代表的蜂窝移动通信网络，也可以依托以非授权频段技术为代表的行业专网和自组织网络等非蜂窝移动通信网络；从接入方式来看，可以分为有线网络和无线网络；从通信距离来看，可以分为以窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技术、增强机器类通信（enhanced Machine Type Communication，eMTC）技术、远距离无线电（Long Range Radio，LoRa）技术等为代表的长距离通信，以及以Wi-Fi、蓝牙、ZigBee为代表的短距离通信。由于网络通信技术演进更新较快，可以预见，随着应用需求的不断丰富，未来网络传输层也会随着技术的发展发生变化和延伸。

2.2.1.3　应用服务层

应用服务层位于物联网体系架构的顶层，主要通过运用大数据、数据挖掘等技术对收集的感知数据进行汇总、存储、整合、分析，结合人工智能和高性能计算技术进行相应的预测、处理，将分析数据结果通过可视化形式展现给用户，为垂直行业用户提供特定的服务，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。该层不仅能够解决终端数据信息处理、人机交互等相关问题，也可以针对不同行业的应用需求提供相应的服务。

应用平台基于感知终端的数据信息和传输接入的数据，同时结合特定的行业场景实现具体应用，为行业用户提供各种信息服务可视化展示，并辅助进行科学决策分析。应用平台通常由各垂直行业根据各自的应用需求进行建设，可覆盖工业互联网、智能交通、智慧农业、智慧医疗、智慧城市等垂直行业和领域，典型代表如家电龙头企业海尔推出的海尔U+智慧生活平台，该平台基于深度学习神经网络算法，建立智慧家庭知识图谱、用户画像，打造主动服务的智慧家庭4.0。

对蜂窝物联网来说，应用服务层除应用平台外，还包含连接管理平台，主要由设备商、运营商主导建设，实现对接入蜂窝移动通信网络的终端进行统一管理，为物联网应用业务提供统一管理和基础服务支撑，包括物联网卡生命周期管理、账单管理、账户管理、连接配置、故障诊断和网络资源管理等功能，帮助垂直行业用户进行物联网终端状态、物联网卡状态、运营资费等方面的管理。目前主流的连接管理平台有思科的Jasper平台、爱立信的DCP平台、中国移动的OneLink平台和中国电信的物联网开放平台等。

2.2.2　终端接入技术

2.2.2.1　物联网终端设备

1.总体架构及功能

物联网终端设备的主要功能包括：负责对物理世界真实物体信息的采集、识别和控制；通过终端的通信接入模块，将采集的数据信息传输至决策服务端，并接收决策指令［2］。为实现上述功能，物联网终端设备通常需具备五个功能模块，分别是硬件模块、固件系统模块、应用模块、数据模块、通信接入模块，具体架构如图2-3所示。

（1）硬件模块。硬件模块是物联网终端设备的基本硬件构成，涵盖了物联网终端设备的所有硬件组件和电子元器件。硬件模块为固件系统模块、应用模块和数据模块提供了存储的物理介质，也为通信接入模块提供了硬件基础。一般情况下，硬件模块包含物联网终端的主板，以及由主板承载的处理器、通信的模组和调试接口等各个电子元器件。

（2）固件系统模块。固体系统模块主要包括系统内核、组件驱动、管理模块等组件，主要包含硬件控制、软件远程控制和计算三方面的能力。首先，物联网终端设备的一个重要能力是感知和控制物体，这种感知和控制都是由不同的硬件设备完成的，所以物联网终端设备的固件系统模块具备丰富的硬件驱动来实现硬件控制能力；其次，由于大部分物联网终端设备都无人值守，所以固件和应用远程升级及设备远程控制等对物联网终端设备的固件系统模块来说是必不可少的能力；最后，由于数据和计算结果是物联网数据价值的保障，所以数据计算能力也是物联网终端设备固件系统模块的基本能力。

（3）应用模块。应用模块主要是指预置在物联网终端固件系统中，用于实现其业务功能的软件程序或指令集，它是业务实现的具体模块。通常来说，嵌入式的业务软件程序一般都会将硬件模块收集的数据做预处理后或直接通过通信接入模块与平台、网关、手机客户端或其他设备进行交互。

（4）数据模块。数据模块贯穿所有的物联网终端设备模块，它依靠硬件模块进行数据收集，依靠固件系统模块进行数据存储，依靠应用模块进行数据处理和分析，依靠通信接入模块向服务端传输和上报数据。数据模块包含硬件部分的硬件参数数据、固件系统的系统数据和配置数据、应用模块的应用服务数据等。

（5）通信接入模块。通信接入模块主要通过蜂窝移动通信网、非蜂窝移动通信网两大类无线通信手段，向应用服务平台直接传输数据，或者连接网关进行数据传输。通信接入模块主要负责设备与应用服务平台之间、设备与设备之间的数据传输。

物联网终端设备的架构虽普适，但灵活可调整。在某些应用场景下，物联网终端架构可随应用需求进行调整。例如，基于单片机的物联网终端并不具备固件系统模块，而只有简单的应用模块。

下面将分别介绍物联网终端设备中应用的四大关键技术：传感器技术、RFID技术、控制与执行技术、通信模组。

2.传感器技术

传感器技术在物联网信息技术中起到一个感知的作用，感应信息中的各种信号，有利于信息的传递，寻找信息源头［3］。传感器技术是一种检测装置，主要功能是将自然信源获取的信息进行处理、变换、识别，检测到对应的物理信息，并将该信息转化为电信号或其他信号进行输出，如将温度、湿度等物理信息转化为便于传输和处理的数字信号。正是传感器技术的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让默默无闻的物体慢慢“活了起来”，更好地促进人们与物理世界的信息交流。

根据传感器的工作原理，可以将传感器分为物理、化学、生物三大类。物理传感器是检测物理量的传感器，利用某些物理效应，把被测量的物理量转化成便于处理的能量形式的信号。常见的物理传感器有光电式传感器、压电传感器、压阻式传感器、热电式传感器等。化学传感器是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，主要用于化学测量，常用于生产流程分析和环境污染监测。常用的化学传感器包括气体传感器、湿度传感器等。生物传感器主要以生物活性材料作为感受器，然后在生化效应的作用下对被测量传感器进行检测。该类传感器主要应用于环境监测、医疗卫生和食品检验等领域。

传感器技术作为物联网中从外界接收信息的载体、重要的感知前端，可使物体信息传播得更迅速、更准确。未来，随着物联网的飞速发展，传感器技术也会迎来高速发展期，今后有两个发展方向：一个方向是多种传感功能与数据处理、存储、双向通信等的集成，可全部或部分实现信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通信，以及内部自检、自校、自补偿、自诊断等功能，具有低成本、高精度的信息采集、可存储数据和通信、编程自动化和功能多样化等特点；另一个方向是软传感技术，即智能传感器与人工智能相结合，基于模糊推理、人工神经网络、专家系统等人工智能技术的高度智能传感器，将在智能家居等物联网场景中得到广泛应用。

3.RFID技术

RFID技术可以通过无线电信号识别特定的目标并读写相关数据，而无须在识别系统与特定目标之间建立接触。RFID系统一般由阅读器、标签、后台系统三部分组成，其基本工作原理是标签进入阅读器发射射频信号后，若标签接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量，通过自身天线将标签的编码等信息发送出去，阅读器通过解码标签传输信号并识别标签信息，将解码后的标签数据送至后台系统，后台系统根据标签数据识别到唯一的RFID识别标识，并对获取的数据进行处理、分析。标签是RFID系统中的信息载体，每个标签都具有唯一的识别标识，常常被粘贴或绑定在物体上，用于标识和存储所绑定物体的具体信息。

RFID设备的种类有很多，主要包括主动式RFID设备和被动式RFID设备。主动式RFID设备使用有源标签，即标签通过内部集成电池或通过供电设施为标签供电，一般用于远距离（读取范围可达100m）、高精度的识别，受供电电源的限制，一般体积较大、成本较高且需要定期更换电源以保证标签的稳定性。例如，主动式RFID设备应用于飞机识别中，可识别飞机的来源国家［4］。被动式RFID设备使用无源标签，即标签内部不存在电源，无线标签通过射频技术从阅读器的无线电波中获取能量，为芯片供电，一般无源标签体积较小，使用寿命长，价格便宜，适用于近距离（读取范围为0.1～0.7m）、小型物体的识别，目前实际应用中多采用无源标签。例如，被动式RFID设备广泛应用于饭卡、银行卡、公交卡等设施中。主动标签和被动标签对比如表2-1所示。

RFID主要具备以下优点。

（1）抗干扰性强。RFID最重要的优点是非接触性识别物体，可以在冰雪、尘垢、涂料、烟雾、潮湿等恶劣环境识别标签，并且穿透力极强，除金属、水可能会导致射频信号衰弱外，其他如玻璃、塑料等物品均不会影响射频信号的读取。

（2）数据存储量大。无论主动式RFID设备还是被动式RFID设备都可以存储大量数据，普通被动式RFID设备可存储128B数据，主动式RFID设备可存储超过2KB的数据，也可根据用户的数据存储需求进行扩充。

（3）识别速度快。在大多数情况下，只要RFID标签进入阅读器的有效识别范围内，阅读器就立马开始读取数据，读取识别标签的时间一般不超过100ms。

（4）安全性较高。RFID标签承载的数据内容可以进行加密保护，而且通过具有唯一标识的射频标签识别，不易被仿造，提高了安全性。

4.控制与执行技术

控制与执行技术是指物联网终端中对数据进行处理和利用的技术，主要包括嵌入式系统、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）、软件和算法等。

1）嵌入式系统

嵌入式系统是一种用于控制、监视或辅助操作机器和设备装置的系统，以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于物联网终端设备对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统技术［5］，是实现物体智能的重要基础。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备和嵌入式操作系统构成。近年来，嵌入式技术得到了飞速发展，在工业、农业、医疗、交通等领域得到了广泛应用并发挥了巨大的作用，如手表、摄像头、汽车、手机等都使用了嵌入式系统。

嵌入式系统一般包括硬件和软件两部分。硬件部分包括处理器/微处理器、具有存储程序数据功能的存储器、连接微控制器、开关等通用设备的输入/输出端口、图形控制端口等。软件部分包括实时、多任务操作系统和应用软件部分。其中，物联网操作系统是管理终端硬件和软件资源的程序，控制着应用程序与硬件的交互，解决物联网终端设备的硬件、软件的碎片化问题，提供统一的编程接口。主流操作系统包括华为的LiteOS和鸿蒙OS、阿里巴巴的AliOSThings和LinkEdge、谷歌的AndroidThings和Fuchsia等。应用软件是针对特定应用领域，基于实时系统开发的应用程序，用来实现垂直行业用户的应用需求，负责控制系统的运行和行为，用于实现其业务功能的软件程序或指令集。

嵌入式系统的特点是可剪裁性、强实时性、统一接口、操作简单方便、图形界面友好、稳定性强、交互性弱、固化代码、硬件适应性强。随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术与人们的生活越来越密切。物联网的产生也是嵌入式系统高速发展的助推器，未来更多嵌入式的智能终端有联网的需求，也进一步印证了物联网的概念。

2）MEMS［6］

MEMS是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统，是支撑传感器节点微型化、智能化的重要技术，是一个独立的智能系统，其系统尺寸为几毫米甚至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。例如，常见的MEMS产品尺寸一般都是3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。

MEMS 将电子系统与外部世界有机地联系起来，它不仅能感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号，并将其转换成电子系统可以识别的电信号，而且能通过电子系统控制这些信号，进而发出指令，控制执行部件完成所需的操作。MEMS侧重于超精密机械加工，涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微电机、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等及它们的集成产品。

MEMS器件和系统由于具有体积小、质量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可批量生产等传统传感器无法比拟的特点，因此广泛应用于电子、医疗、工业、汽车、军事和航天等领域。

3）软件和算法

对物联网来讲，最重要的就是基于感知层采集数据的信息处理和应用集成，从而获取价值性信息来指导物理世界更加高效地运转。软件和算法在物联网数据信息处理和应用中发挥了重要作用，是实现物联网功能、决定物联网行为的主要技术，这里面的关键技术包括面向服务的体系架构（Service-Oriented Architecture，SOA）和中间件技术。

SOA是一种松耦合的软件组件技术，它将终端里应用程序的不同功能模块化，并通过标准化的接口和调用方式联系起来，实现快速可重用的系统开发和部署。在SOA体系架构中，感知层由物联网终端组件集成，感知和获取设备信息；网络层是支持设备无线和有线连接的基础设施；服务层用来提供并管理用户或应用程序所需服务；应用接口层由与用户或应用程序之间交互的方法组成。SOA体系架构如图2-4所示。SOA可提高物联网架构的扩展性，提升应用开发效率，充分整合和复用信息资源。目前，SOA在国际上还没有统一的概念和实施模式，SOA相关标准规范正在万维网联盟（World Wide Web Consortium，W3C）、结构化信息标准促进组织（Organization for the Advancement of Structured Information Standards，OASIS）、网络服务协同组织（Web Services Interoperability Organization，WS-I）等多个国际组织中研究制定［7］。

中间件技术是一类连接软件组件和应用软件的技术，以便于运行在一台或多台设备上的多个软件通过网络进行交互。通俗点说，中间件是一个独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件可以在不同设备或技术之间共享资源，用于管理设备资源和网络通信。中间件的架构如图2-5所示。

中间件的核心作用是为处于自己上层的应用软件提供运行和开放环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。在物联网应用中，中间件最主要的代表就是RFID中间件、嵌入式中间件、通信中间件等。例如，RFID中间件作为RFID标签和应用程序的中介，它从应用程序端提供一组通用的API，即能连到RFID读写器来读取RFID标签数据，这样一来即使存储RFID标签数据的数据库软件或后台应用程序被其他软件取代，或者RFID读写器种类发生变化等，应用端也不需要进行修改处理，通过RFID中间件就能保证资源共享，解决了多对多连接维护的复杂问题。

5.通信模组

通信模组是将芯片、存储器等集成在一块线路板上，并提供标准接口的功能模块，主要包括通信功能、采集功能和远程管理功能，其中通信功能可支持各种不同的网络传输技术，如GPRS、NB-IoT、eMTC等蜂窝移动通信技术；采集功能用于采集串口设备数据，如串口仪表、采集器、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）等；远程管理功能支持远程参数设置和程序升级。因此，通信模组的作用是承载端到端、端到应用服务器的数据交互，是用户数据传输的通道，是物联网通信的基础。

相比其他数据传输方式，利用通信模组建立专用无线数据传输方式具有成本廉价、建设工程期短、适应性好和扩展性好等优点。通信模组目前广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、数字音频、数字图像传输等领域。

2.2.2.2　物联网网关

物联网网关是连接传感网络和传统通信网络的桥梁，网关可以通过各种协议与物联网终端设备进行通信，然后将数据转换为标准协议发送到平台。与传统互联网相比，物联网的通信协议更加复杂多样，物的碎片化非常严重，网关的重要性也由此凸显。

物联网网关可以实现传感网络与通信网络之间、不同类型传感网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。物联网网关一般最少支持一种协议，更多的是支持多种协议的融合体，在多种形态的终端之间实现协议转换、融合和通信，使万物互联变得方便和快捷。此外，物联网网关还具备强大的管理能力。物联网网关作为与通信网络相连的设备，能够按照企业运维管理平台的协议，实现对网关本身的管理，包括注册登录管理、权限管理、数据管理、故障管理、状态监测、参数配置等。企业还可以通过物联网网关管理子网节点内的物联网终端设备，获取各终端节点的标识、状态、属性等信息，并实现远程控制、诊断、升级、维护等。

在实际应用中，传感网通过物联网终端设备采集、获取数据，然后通过传感网络协议将数据发送至网关，再由网关将数据汇聚后发送至应用平台。应用平台对数据进行处理后，将控制指令发送至网关，再由网关将指令发送至各个物联网终端设备，从而实现对设备的控制。

2.2.3　网络技术

网络技术是指物联网终端设备能够使用网络、合理地接入网络的技术，主要包括蜂窝移动通信网络、低功耗广域网络、短距离无线通信网络、固定网络、异构网络和行业专网六类。

2.2.3.1　蜂窝移动通信网络

蜂窝移动通信是采用蜂窝无线组网方式，在终端和网络设备之间通过无线通道连接起来，进而实现用户在移动中相互通信，使用语音、数据通信业务。由于蜂窝移动通信网络具备覆盖范围广、传输速率高、低时延、网络安全可靠等优势，能够很好地满足物联网终端的连接需求，因此被广泛应用于智能家居、远程医疗、智慧农业、远程教育等应用场景。下面将具体介绍2G/3G/4G/5G蜂窝移动通信网络。

1.2G

第二代移动通信技术（2nd Generation Wireless Telephone Technology，通常简称2G）完成了从模拟到数字的转变，从而为用户提供数字语音业务。2G技术可以分成两种，一种是码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），另一种是基于时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的全球数字移动通信（Global System for Mobile Communications，GSM），2G网络除支撑语音业务外，另一项最大的业务就是物联网。由于2G的GSM模组价格低，使用频段低，便于连接，在短期内其他蜂窝网络都很难达到2G网络的覆盖深度和广度，因此在很多需要部署物联网终端的偏远区域，通常都采用2G网络连接。

2.3G

第三代移动通信技术（3rd Generation Wireless Telephone Technology，通常简称3G）是由2G系统发展而来的。3G的最高数据传输速率可以达到2Mbps，因此可以提供高速的数据传输业务，如多媒体、视频和数据业务等。目前存在三个主流的3G技术标准：欧洲电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）提出的宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA），北美提出的CDMA 2000和具有中国知识产权的时分同步的码分多址（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA）技术。

3.4G

第四代移动通信技术（4th Generation Mobile Communication Technology，通常简称4G）除提供更高的带宽外，还可保证任何人在任何时间、任何地点以任何方式与任何人都可以进行通信，用户无须考虑网络传输的实现细节。随着4G网络的全面部署及NB-IoT技术的出现，4G能够满足一般设备通过无线技术接入物联网，解决了物联网发展中的终端移动性问题，为物联网提供了很好的网络通信基础，对物联网的飞速发展具有举足轻重的作用。

4.5G

第五代移动通信（5th Generation Mobile Networks，通常简称5G）相比4G，具有更高传输速率、更低时延和更大规模连接等技术特性，在大幅提升移动互联网业务能力的基础上，进一步拓展到物联网领域，服务对象从人与人通信拓展到人与物、物与物通信。5G重点支持增强移动宽带、超高可靠低时延通信和海量机器类通信三大类应用场景，将满足20Gbps的接入速率、毫秒级时延的业务体验、千亿设备的连接能力、超高流量密度和连接数密度、百倍网络能效提升等性能指标要求，可以满足复杂多样的物联网需求，从而为万物互联时代的开启提供了可能，也可以说5G网络就是为物联网时代服务的。

2.2.3.2　低功耗广域网络

低功耗广域网络（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）是一种可以用低比特率进行长距离通信的无线通信网络，适用于低功耗、广覆盖及大连接的物联网应用场景，目前主流的LPWAN技术有NB-IoT、eMTC和LoRa三种，而NB-IoT和eMTC既属于蜂窝移动通信技术，又属于LPWAN技术。三种技术的对比如表2-2所示。

1.NB-IoT技术

NB-IoT是一种低功耗广域网络技术标准，可直接部署于4G等蜂窝通信网，可降低部署成本，实现网络的平滑升级。NB-IoT支持待机时间短、对网络连接要求较高的设备的高效连接，同时能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖，已成为万物互联网络的一个重要分支，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。

NB-IoT具有广覆盖、大连接、低功耗、低成本的特性，广泛应用于智能抄表、智能路灯、智能井盖等垂直行业，具体如下。

（1）广覆盖。在同样的频段下，NB-IoT技术相比现有技术的覆盖面积扩大了100倍，网络增益20dB，相当于多穿透2面墙。

（2）大连接。NB-IoT网络允许多台设备同时接入，达到现有技术的50～100倍，据测试，现有NB-IoT网络单小区基站可接入5万个终端设备，这样的超大连接使物联网真正做到了“万物互联”。

（3）低功耗。NB-IoT有三种工作模式：省电模式（Power Saving Mode，PSM）、不连续接收模式（Discontinuous Reception，DRX）和扩展不连续接收模式（Extended Discontinuous Reception，eDRX），设备可以根据自己的需求选择工作模式，达到功耗最小的目的，从而延长电池的使用寿命，NB-IoT终端模块最多可以达到10年的待机时间。

（4）低成本。NB-IoT支持在现有的长期演进（Long Term Evolution，LTE）网络上改造，大大降低了网络建设成本，同时大规模的连接将带来终端模组成本的快速下降，NB-IoT模组目标成本在5美元以下。

截至2020年1月底，我国NB-IoT连接数已达到约1亿个，占据物联网卡总发卡数量的十分之一。未来一年内，国内将建成超过150万个NB-IoT基站，规模位居世界领先地位，可基本实现全国覆盖，以及室内、交通路网、地下管网等的深度覆盖；预计到2025年，NB-IoT基站规模将达到300万个。

2.eMTC技术

eMTC是基于LTE演进的物联网接入技术，为了更加适合物与物之间的通信，也为了降低成本，eMTC技术对LTE协议进行了裁剪和优化，可直接部署于现有的LTE网络，基于现有的LTE载波满足物联网设备需求。eMTC支持上下行最大1Mbps的峰值速率，其用户设备支持1.4MHz的射频和基带带宽，可以在LTE小区内和其他LTE终端频率复用，而且支持各种双工方式（FDD半双工、FDD全双工、TDD双工），支持语音和丰富的物联网应用场景。

eMTC与NB-IoT相比，同样具备广覆盖、低功耗、低成本、大连接的特性。除此之外，eMTC还具备五大优势，具体如下。

（1）速率高。eMTC在保证覆盖和功耗的基础上，峰值速率最高可达1Mbps，能够满足更多物联网应用对速率的需求，如车联网等。

（2）移动性强。eMTC技术是在LTE基础上进行优化设计的，可支持连接态的移动性，用户可以无缝切换，从而保障用户体验。

（3）可定位。eMTC技术可利用基站侧的位置测量，在不需要新增GPS芯片的情况下就可以进行终端位置定位，有利于eMTC在物流跟踪、货物跟踪等场景中的普及。

（4）支持语音。eMTC支持VoLTE语音。

（5）网络复用。eMTC可以基于现有LTE网络直接升级部署，和现有的LTE基站共站共天馈，节省网络建设成本［8］。

eMTC适用于终端移动性强、传输速率要求高、定位时效性高的场景，如车联网、可穿戴设备、智能物流等应用。

3.LoRa技术［9］

LoRa属于低功耗广域网通信技术，在非授权频段运行，包括433MHz、868MHz和915MHz。其网络架构由终端节点、网关、网络服务器和应用服务器四部分组成，可实现应用数据双向传输。LoRa技术不需要建设基站，一个网关便可控制较多终端，并且组网方式较为灵活，可大幅度降低网络建设成本。此外，LoRa技术也有缺点，即频谱干扰严重，随着LoRa设备和网络部署的增加，其相互之间会出现一定的频谱干扰。

LoRa技术因其功耗低、传输距离远、组网灵活等特性，与物联网碎片化、低成本、大连接的需求十分契合，被广泛部署在智慧社区、智能家居和楼宇、智能表计、智慧农业、智能物流等垂直行业。

在全球范围内，LoRa发展迅速。LoRa联盟推出了LoRa广域网（Long Range Wide Area Network，LoRaWAN）通信协议，该通信协议能够很好地处理节点漫游、节点鉴权等技术要求。目前，基于LoRaWAN规范的物联网网络已在100多个国家落地，并得到超过100家网络运营商的采用和部署。近年来，LoRa也在中国形成了非常良好的生态，2016年，中兴通讯推动成立了中国LoRa应用联盟（China Lora Application Alliance，CLAA），该联盟已发展了中国联通、腾讯等1 300多个会员，涵盖了网络、芯片、模组、终端、应用等产业链各环节，并保持着迅猛的发展势头。截至2019年年底，我国LoRa连接数已达到约7 000万个，腾讯、阿里巴巴等部分企业已在北京、上海、深圳、杭州等多个城市部署了城域级LoRa网络。

2.2.3.3　短距离无线通信网络

短距离无线通信技术是指有效距离在百米之内的无线通信技术，其最高传输速率能够高于100Mbps，由于这种技术成本低、传输距离短、传输方式灵活，被广泛应用于室内智能家居、可穿戴设备、消费电子等物联网应用场景，目前使用广泛的短距离无线通信技术有Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。这三种技术的对比如表2-3所示。

1.Wi-Fi技术

Wi-Fi是Wi-Fi联盟制造商的品牌认证，以更快、更大容量的通信而闻名，通过电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE） 802.11标准系列提供短距离无线连接和跨厂商互操作性，可以使用2.4GHz和5GHz频段在50m范围内进行传输，是一种允许电子设备连接到无线局域网的技术。Wi-Fi受到主流设备的广泛支持，是当今使用最广的一种无线网络传输技术，如今90%以上的智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持Wi-Fi上网。Wi-Fi技术发展至今已经有20多年的历史，从第一代802.11b到802.11g、802.11a、802.11n，一直到现在的802.11ax，随着技术和产品的发展，用户对速率的需求越来越高，产品的变化也越来越快，最新一代Wi-Fi6（802.11ax）的最高速率可达9.6Gbps。

Wi-Fi主要由无线访问接入点（Access Point，AP）和无线网卡组成，其上网原理就是把有线网络信号转化成无线网络信号，电脑、手机等设备通过无线路由接收无线信号从而上网。Wi-Fi具有组网灵活、传输速度快、成本低廉、可靠性高等特性。由于Wi-Fi为短距离通信技术，因此使用Wi-Fi连接的物联网终端设备通常为智能家居类终端，如智能音箱、智能窗帘、智能家电等。随着Wi-Fi技术的不断发展，未来其还将广泛应用于电力监控、油田监测、环境监测、气象监测、水利监测、电表监测、机房监控等领域。

2.蓝牙技术

蓝牙是短距离射频（Radio Frequency，RF）通信的开发标准，其基础为IEEE802.15协议，是一种大容量、短距离（一般10m内）的无线数字通信技术，被广泛应用于手机、电脑、GPS设备及无线外围设备（如蓝牙耳机、蓝牙键盘等），其最大的特点是能在不借助电缆的情况下联网并传送数据。蓝牙5.0的出现，满足了更多物联网应用的需求。

蓝牙技术具有以下优势。

（1）低功耗。为了更好地在物联网终端上使用蓝牙功能，蓝牙5.0相比旧版，功耗再次降低15%～50%，相比耗电量巨大的Wi-Fi技术，蓝牙技术有明显的优势。

（2）覆盖范围扩大。随着技术的发展，在蓝牙5.0版本中，蓝牙发射和接收设备之间的有效传输距离可达到300m，很大程度上满足了物联网终端在连接距离方面的需求。

（3）安全性强。蓝牙技术使用AES-128CCM加密算法，对数据包提供高度加密性和认证度，确保数据的安全。

目前蓝牙技术已集成到许多物联网终端设备上，被普遍应用在可穿戴设备、智能家居、车用装置等领域，如运动手环、智能音响、智能手表、家用电器等，允许用户在各种终端设备之间形成自组织网络以传送数据和控制命令。

3.ZigBee技术

ZigBee技术是一种短距离、低功耗、低速率的无线物联网技术，主要用于近距离无线连接，是一种介于蓝牙和Wi-Fi之间的技术，经过多年的发展，ZigBee技术体系相对成熟，并具备了一定规模的产业链。ZigBee在网络方面具有自组网的特点，设备可以通过中间设备在一定距离上传输数据。ZigBee设备能够自动感知其他设备的存在，组成结构化网络，同时当某个设备增加或删除时，网络能够自我修复，并对网络拓扑进行自动调整。ZigBee设备间的通信距离较短，一般为10～100m，在加大无线发射功率后，也可增加1～3m。

基于IEEE802.15.4标准的ZigBee已成为嵌入式应用中使用最广泛的通信协议之一，具有低功耗、协议栈简单、时延短、成本低、自组网等优点，适用于自动控制和远程控制领域，如家庭自动化、无线传感器网络、工业控制系统、嵌入式传感器、医疗数据收集、烟雾及闯入者警告、楼宇自动化、远程无线麦克风配置等场景，但ZigBee不适合高速率和高速移动的场合。此外，ZigBee也有缺点，即传输速率低、抗干扰性差、通信距离短，而且ZigBee协议没有开源。

2.2.3.4　固定网络

固定网络是以太网、光缆等使用实体线路的通信方式，实体线路包括双绞线、光纤等通信介质，利用这些介质将数据传输至网关或应用平台，在没有中继的情况下，传输距离可覆盖200m的范围。由于以太网是通过有线连线的，因此它本质上也是一种非常安全的连接方法，同时可以通过以太网电缆为终端设备供电，从而无须使用单独的电源模块，如安全摄像头、考勤系统等终端都可通过以太网来供电。此外，以太网接入方式能够更好地提高通信速度和质量，并且抗干扰能力强，能够在复杂的环境条件之下，保障通信速度和质量。但是，使用固定网络时，通过有线接入方式连接的节点必须靠近路由器，即使在家庭和楼宇之类的短距离应用中，部署以太网电缆也是一项非常庞大的工程，以至于如何管理和隐藏电线仍然是一个重大挑战。

随着通信信息技术的不断发展，无线通信技术的发展和应用对固定网络接入技术形成了冲击，但基于种种考虑，有些厂商还是会选择有线接入方式，而且无线通信的最终端也会连接到有线接入的互联网上。有线接入方式一般应用在数据量传输较大、以太网条件较好、现场布线方便且具有连接互联网条件的场景，主要应用场景包括工厂固定设备检测、智能楼宇、智能家居等。

2.2.3.5　异构网络

所谓异构是指两个或两个以上的无线通信系统采用不同的接入技术，利用现有的多种无线通信系统，通过系统间融合的方式，使多系统之间取长补短，是满足未来移动通信业务需求的一种有效手段，能够综合发挥系统各自的优势。由于现有的各种无线接入系统在很多区域内都是重叠覆盖的，所以可以将这些相互重叠的不同类型的无线接入系统智能地融合在一起，利用多模终端智能化的接入手段，使多种不同类型的网络共同为用户提供随时随地的无线接入，从而构成了异构无线网络。

关于异构网络的研究最早可追溯到1995年美国加州大学伯克利分校发起的旧金山湾区无线接入网研究（Bay Area Research Wireless Auess Network，BARWAN）项目，该项目负责人首次将相互重叠的不同类型的网络融合起来构成异构网络，从而满足未来终端的业务多样性需求。异构网络的主要目的是实现各种信息快速、可靠、安全的交换和传输。

异构网络融合是未来网络发展的必然趋势。基于异构网络融合，可以根据用户特点（如车载用户）、业务特点（如实时性要求高）和网络特点，自动为用户选择合适的网络，提供更好的服务。一般来说，广域网覆盖范围大，但是数据传输速率低，而局域网正好相反。因此在实际应用中，物联网终端可以根据自身的业务特点和移动性来选择合适的网络接入。与以往的同构网络不同，在异构网络环境下，用户可以选择服务代价小，同时又能满足自身需求的网络进行接入。正是由于这些异构网络之间具有互补的特点，才使异构网络的融合显得非常重要。

随着通信技术的迅猛发展，层出不穷的无线通信系统为用户提供了异构的网络环境，包括无线个域网（如蓝牙）、无线局域网（如Wi-Fi）、蜂窝移动通信网（如2G、3G、4G、5G）、卫星网络、自组织网络（如AdHoc）、无线传感器网络等。尽管这些无线网络为物联网终端接入提供了多种多样的通信方式、接入手段和无处不在的接入服务，但要实现真正意义的自组织、自适应，并且实现具有端到端服务质量保证的服务，还需要充分利用不同网络间的互补特性，实现异构无线网络技术的有机融合。

物联网终端设备利用不同类型的网络，通过物联网网关连接到核心网，最后连接到互联网上，融合成为一个整体。在异构网络环境下，不同接入方式的无线网络通过相应的技术融合成为一个整体。下面对较为常见的LTE网络与全球微波互联接入（World Interoperability for Microwave Access，WIMAX）网络的松耦合和紧耦合两种融合模式进行介绍。

1.松耦合融合模式

LTE网络与WIMAX网络的松耦合融合模式如图2-6所示。在该模式下，WIMAX与LTE的接入控制模块是完全独立的，二者分别采用自有的管控模块实现对自身网络资源的管控，无须修改上层协议。WIMAX网络仅作为LTE核心网的补充，与LTE网络间无任何直连，WIMAX网络通过直接连接公共数据网（Public Data Network，PDN）实现与LTE核心网对用户数据库的共享使用，从而使WIMAX网络的高速数据业务无须经过LTE核心网。

2.紧耦合融合模式

LTE网络与WIMAX网络的紧耦合融合模式如图2-7所示。在这种模式下，WIMAX网络与LTE网络完全融为一个整体，WIMAX作为LTE无线网络的一个组成部分，通过对自身协议栈的改造，共享LTE网络的资源管控模块和上层协议。也就是说，在这种模式下，LTE和WIMAX网络在无线接入部分是相互独立的，而在其他方面WIMAX则充分利用LTE网络的现有资源，如加密、计费、认证和核心网资源等。二者之间可以直接进行互操作，而不需要第三方的参与，WIMAX网络的高速数据业务需要经过LTE核心网才能到达公共数据网。

松耦合和紧耦合作为异构无线网络耦合程度不同的两种互联模式，有着各自的优点和缺点。松耦合模式具有实现简单、保持不同网络间的独立性和对等性、对终端设备要求较低且应用广泛的优点，但同时也存在融合程度低、系统管控难度大、网络间无法互相分担负荷且用户在不同网络间进行切换难以保证业务的连续性等问题。紧耦合模式具有融合程度高、不同网络资源的统一管控易于实现、新业务易于在不同网络间推广、网络间可以相互分担负荷且用户在不同网络间可实现无缝切换以保证连续的高质量的网络服务的优点，但也存在实现难度大、应用范围小、不支持普通终端和采用不同频段的终端、当移动终端在不同网络的基站间进行漫游时硬切换可能引起业务的中断等缺点。

近年来，随着通信网络技术的发展，物联网用户数量显著增加，物联网终端接入数量高速增长，物联网所用的通信技术和协议日益复杂。可以预见，为满足用户的需求，改善其通信体验，具有兼容性、扩展性、自适应性、全面性的物联网异构网络融合架构，能够解决多协议冲突和不同物联网应用场景下的网络融合问题。

2.2.3.6　行业专网

行业专网是指在一些行业、部门或单位内部，为满足其进行组织管理、安全生产、调度指挥等需要所建设的专用通信网络。随着近几年国内电信业部署专用通信网络规模的壮大，行业专网技术水平与公网基本保持了同步发展，逐步成为电信市场的一股重要力量。

目前行业专网应用的领域主要包括工业、园区、公安、医疗、机场、港口、林业、电力、油田、矿山等几十个行业。现在越来越多的行业开始使用无线通信结合或替代有线通信，每个行业都有自己的特点和个性，甚至同一行业内部不同地点的需求也不同。随着5G技术的发展和普及，未来各行各业都可能拥有5G专网，利用5G大带宽、低时延、高可靠、多连接的网络能力和边缘计算，实现数字化转型，提升生产效率。

2.2.4　应用服务技术

物联网系统的应用服务层承载着用户业务和功能，大部分的系统都在这一层实现数据存储和主要的计算。应用服务层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求相结合，实现物联网的智能应用。

物联网的特点在于海量的计算节点和终端。不同于普通软件业务，物联网在处理海量数据时对计算能力的要求是很高的，而云计算刚好可以满足这一要求，也可以直接把云计算当成计算网络的大脑，在物联网中起到中枢的作用。而在云计算这个平台上，决定最终性能的关键因素就是应用的各种算法，这就是人工智能承担的角色。人工智能同样离不开大数据，同时也要靠云计算平台来完成深度学习的进化。

因此，我们可以理解物联网应用服务层是通过收集海量的终端数据，并将其存储在具备云计算能力的应用平台上，再通过大数据分析甚至更高形式的人工智能，为人类的生产生活所需提供更好的服务。下面将分别介绍云计算技术、大数据技术和人工智能技术。

2.2.4.1　云计算技术

云计算是分布式计算的一种，是通过网络统一组织和灵活调用各类信息资源，实现大规模计算的信息处理方式，可以利用分布式计算、虚拟资源管理等技术，通过网络将分散的 ICT 资源（包括计算与存储、应用服务平台、软件等）集中起来形成共享的资源池，并以动态按需和可度量的方式向用户提供服务。因此，可以将云计算简单地理解为把计算任务分开、计算结果合并的信息处理方式。按照云计算服务提供的资源所在的层次，可以将其分为基础设施即服务（Infrastructure as a Server，IaaS）、平台即服务（Platform as a Server，PaaS）和软件即服务（Software as a Server，SaaS），其中IaaS是指把处理CPU、内存、存储、网络等IT基础设施作为一种服务对外提供，用户根据实际使用情况付费；PaaS是指PaaS平台供应商把服务平台作为一种服务提供给用户；SaaS是指SaaS平台供应商将应用软件部署在自己的服务器上，垂直行业用户可根据实际需求，向供应商订购所需的应用软件服务。IaaS、PaaS、SaaS的内容如图2-8所示。

云计算技术具有以下特点。

（1）虚拟化。虚拟化技术可以将一台物理计算资源虚拟出多台计算机，即在一台计算机上可以同时运行多个逻辑计算机，云计算利用虚拟化技术实现对资源池的集中管理。

（2）动态可伸缩。云计算的规模可以根据用户应用的需要进行动态调整，实时满足物联网应用和用户规模增长的需要。

（3）按需服务。云计算具有庞大的资源池，用户可以按需购买资源，云计算平台为用户快速配备计算能力及资源并按需计费。

（4）价格低廉。云计算将资源都放在资源池中进行集中管理，使用户无须负担日益高昂的数据中心管理成本，即可享受超额的云计算资源和服务。

云计算出现的初衷是解决特定大规模数据处理问题，因此它被业界认为是支撑物联网“后端应用”的最佳选择，云计算的高效率运算模式正好可以为物联网应用服务提供良好的基础。近年来，随着物联网的快速发展，云计算加速资源整合和优化，根据不同用户的应用需求，为众多垂直行业用户提供了一种新的高效率计算模式，将资源集中于互联网上的数据中心，由这种云中心提供应用服务层的集中服务，以解决传统IT系统零散性带来的低效率问题，提高资源的利用率。

云计算与物联网的结合方式可以分为以下几种。

● 单中心，多终端。在这种模式中，分布范围较小的各物联网终端把云中心做为数据处理中心，终端所获得信息、数据统一由云中心处理及存储，云中心提供统一界面给使用者操作或查看。这类应用非常多，如小区及家庭的监控、高速路段的监测、幼儿园小朋友的监管及某些公共设施的保护等。这类应用的云中心可提供海量存储、统一界面、分级管理等功能，为日常生活提供较好的帮助。

● 多中心，大量终端。对很多区域跨度较大的工厂、单位而言，多中心、大量终端的模式较适合。例如，一个跨多地区或多国家的工厂，因其分公司或分厂较多，要对其各公司或工厂的生产流程进行全面监控，对相关的产品进行质量跟踪等，所以可以部署多个云计算中心，对位于多个地区的大量工厂数据进行实时处理。

● 信息、应用分层处理，海量终端。这种模式可以针对用户范围广、信息和数据种类多、安全性要求高等特征来打造。当前，客户对各种海量数据的处理需求越来越多，针对此情况，可以根据客户需求和云中心的分布进行合理的分配。对于需要传送大量数据，但是安全性要求不高的，如视频数据等，可以采取本地云中心处理存储；对于计算要求高，数据量不大的，可以放在专门负责高速运算的云中心处理数据；而对于数据安全要求非常高的信息和数据，可以放在具有灾备中心的云中心进行处理。

2.2.4.2　大数据技术

大数据（Big Data）技术是指针对无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，需要使用新处理模式才能从海量、高增长率和多样的数据中心快速获得有价值信息的技术。大数据技术升级了数据集的规格，由TB升级至PB级，数据容量更大，同时扩充了数据类别和数据来源，丰富了数据的种类和格式，如日志、图片、音频、视频都是大数据常见的数据格式。“大数据”的概念于19世纪末由美国提出，近些年大数据技术发展迅猛，尤其是其大量数据处理、分析的强大能力，得到了社会各领域的关注和认可。如今，大数据技术已经在多个领域发挥着巨大作用，为社会注入了新的动力，推动了多个行业的快速发展。大数据经过不断发展和完善，其特征可以概括为“4V”：大量（Volume）、高速（Velocity）、多样（Variety）、价值（Value）。“大量”主要指能够承接海量的数据；“高速”主要指数据处理速度极快；“多样”是指信息资源包罗万象；“价值”是指应用大数据技术进行工作，能够为社会各领域的生产经营带来不可估量的经济价值和社会价值。

物联网的发展大大丰富了数据采集渠道，数以百亿计的物联网终端设备连接到物联网，产生了大量数据，但是数据质量参差不齐，数据价值密度较低，因此急需新型的数据存储和处理技术。而大数据技术能够很好地支持物联网海量数据的深层应用，实现复杂数据处理、数据存储、数据计算等功能。

大数据存储和计算技术是整个大数据系统的基础。在存储方面，谷歌等公司于2000年左右提出的文件系统（Google File System，GFS）及随后的Hadoop的分布式文件系统（Hadoop Distributed File System，HDFS）都为大数据存储技术奠定了基础。传统单机文件系统和网络文件系统要求一个文件系统的数据必须存储在一台物理机上，且可扩展性、容错能力、并发读写能力难以满足大数据要求，与此相比，GFS和HDFS将计算和存储节点在物理上结合，从而避免数据密集计算中形成的I/O吞吐量制约，同时这类分布式存储系统的文件系统采用了分布式架构，具备较高的并发访问能力。在计算方面，以Hadoop为代表的分布式系统架构，通过使用简单的编程模型，在跨计算机集群的分布式环境中存储和处理大数据，将大数据处理引擎尽可能地靠近存储，用户可以轻松地在Hadoop上开发和运行处理海量数据的应用程序，具备可靠、高效、易扩展等特点，同时降低了数据存储和计算的成本。

2.2.4.3　人工智能技术

人工智能主要研究如何使用计算机技术模拟人的某些思维过程和智能行为，如学习、推理、思考、规划等，将理论知识与实际工作相融合，组织、分析和处理大量的数据信息。总的说来，人工智能研究的主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。当前，人工智能技术以机器学习特别是深度学习为核心，在视觉、自然语言处理等领域迅速发展，并赋能垂直行业。

物联网应用平台中积累的大量数据，成为人工智能技术应用的天然平台，极大地推动了人工智能技术的发展。帮助企业从海量数据中提取有价值的数据这一功能也使人工智能成为引领未来物联网应用的战略性技术，成为驱动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升的重要引擎。人工智能的核心在于算法，充分利用海量的历史数据和实时数据进行“训练”和“推断”，从而模拟人脑进行分析学习。对物联网应用来说，人工智能的实时分析更能帮助企业提升营运业绩，让机器来学习专家的知识，达到顶级产业专家的水平，提升运营效率和加强风险管理。例如，可以从设备制造的声音、设备产生的温度、振动或气味等方面收集数据，通过人工智能技术发现从正常到异常的变化趋势，从而自动检测设备的异常情况，并使用该数据预测可能发生故障的时间，从而使企业能够以有序的方式安排维修或维护。