1.5　技术发展对物联网的影响

通过对物联网与其他网络形式的辨析，我们可以发现物联网是一个超系统。超系统的形成与子系统密不可分，子系统技术的发展对物联网产生了重大的影响。

1.5.1 半导体技术的发展

微电子技术、嵌入式技术、传感器技术和智能标签技术等的发展与成熟使得感知节点能够智能地感知物体与环境，并对其进行通信、处理和控制。

针对智能硬件中集成电路芯片感知与处理的信号的大数据量、微弱性等特性，为了满足智能硬件的智能化、低功耗、云互联、高能效比、高性能的目标需求，基于新结构、新算法的智能信息处理与交互芯片成为硬件和算法间的桥梁。人工智能处理芯片、面向物联网终端和工业控制的低功耗智能微控制器芯片、高性能图像处理和语音交互芯片、AR/VR芯片、高速高性能硬件加速芯片等纷纷涌现。与这些芯片相配合的处理微弱信号的接口电路、调制解调电路及模数转换电路等关键硬件电路也日新月异。

以谷歌推出的TPU芯片为例，这是专门为加速深层神经网络运算能力而研发的一款ASIC芯片。它将机器学习拓展到芯片级，可实现低功耗的智能计算。在语音识别、人脸识别等面向下一代用户界面与用户体验的智能硬件方面，新型的基于卷积神经网络和深度学习的处理器也被开发出来了。

智能硬件内部模块之间、各种智能硬件之间的高速无线传输，是制约数据处理与交换的瓶颈。高速无线数据传输集成电路，如硅基毫米波/太赫兹频段的高速无线数据传输芯片，包括毫米波/太赫兹核心芯片电路、片上集成化天线、无线大数据量传输芯片等，突破了基于硅基集成电路工艺的毫米波/太赫兹集成电路芯片设计技术。该技术实现了高工作频率、低噪声和高输出功率的毫米波/太赫兹集成电路核心，通过高频率、宽频带的毫米波/太赫兹通信传输芯片能够实现智能硬件的感知与处理间的交互，从而形成系统化集成。

物联网中所采用的微电子芯片越来越小型化，计算能力越来越强，同时消耗功率也越来越低。这种通过减小器件尺寸来提高芯片性能的方法，是物理和经济上发展的一个转折点。一方面，FinFET（鳍式场效应晶体管）等先进垂直器件工艺的发展，在晶体管尺寸不再减小的条件下，增强了芯片的性能；另一方面，对先进器件电路进行建模、设计和实现的开发工具的出现，实现了系统、模型、工艺与EDA（电子设计自动化）工具的协同设计，极大地促进了物联网的工程设计与实现。

1.5.2 传感器技术的发展

传感器的种类正在不断丰富。早在Android API Level 19（Android 4.4.2 SDK）中就列出了大量的传感器类型，共有21种只读传感器和可读写传感器。它们当中有些是逻辑传感器，而非物理传感器。例如，重力传感器是在加速度传感器的基础上，结合其他硬件（如陀螺仪）的数据，获取更为精确的信息。此外，有些传感器（例如加速度传感器和陀螺仪）通常集成在同一个物理传感器中。

丰富多样的传感器种类满足了不同物联网硬件的功能需求。环境传感器（如气体、气压、湿度、温度传感器等）常用于空气、家装毒气、工业废气等的检测。惯性传感器用于智能手环、智能手表等可穿戴设备，可监测佩戴者的运动情况。磁性传感器用于智能家用电器仪表盘的转角检测。模拟类传感器用于心电图信号感知等智慧医疗设备。图像传感器用于可见光、红外图像探测，可实现扫地机器人自动避障等。化学生物传感器（如场效应栅控纳米孔器等）用于环境、生物医疗检测。

近年来，传感器技术的突破主要集中在两个方面。第一，向微型化、低功耗、高精度、高可靠性方向发展，以达到更高效、持久、敏感的信息感知，同时降低成本，或通过发现新的敏感机理提高性能。例如，目前全球最小的三轴加速度计是博世公司在2014年发布的BMA355，它采用晶圆级封装，尺寸仅为1.2mm×1.5mm×0.8mm，功耗极低，工作电流仅为130μA。第二，随着CMOS集成技术与微处理技术的发展，同时具备信息感知、处理、判断、通信功能及标准数字化输出的智能传感器成为发展趋势，逐步替代了传统的仅提供表征待测物理量的模拟信号的传感器。同时，单片集成多种感知能力的传感器、多感知数据的融合都为物联网传感器技术的发展指明了新的方向。例如，欧洲微电子研究中心（IMEC）与三星电子共同研发了一种内置了并发心电、生物阻抗（BioZ）、流电皮肤反应（GSR）以及光电容积描记（PPG）的脉搏波传感器，实现了多参数生理信号的同步采集，可以为可穿戴电子产品提供更精确、可靠和广泛的健康评估。

总体来说，传感器将物理参数的变化转换为可在其他地方传输和解释的电信号。强大的传感器在物联网世界中将是关键所在。

1.5.3 近距离通信技术

在近距离通信技术领域，蓝牙技术风头正劲，尤其是蓝牙4.0 BLE的推出，使得大量低功耗物联网终端开始采用蓝牙技术解决近距离通信问题。蓝牙4.1又改善了组网能力，简化了连接配置，通过蓝牙4.1连接到支持Ipv6的可上网设备后，设备就可以直接利用IPv6连接到网络。2014年12月推出的蓝牙4.2进一步优化了隐私保护，数据传输速度较蓝牙4.1提升了2.5倍。此外，蓝牙4.2提供了互联网协议支持配置文件（IPSP），可让蓝牙智能传感器通过IPv6/6LoWPAN直接接入互联网。蓝牙已经成为手机标配，这极大地促进了蓝牙成为众多物联网终端的选择。蓝牙在室内向Zigbee发起了挑战，目前只是在组网规模上处于劣势，预计高通在收购CSR公司以后将会快速推动蓝牙技术在规模组网能力上的提升。

Wi-Fi的发展则主要是得益于其在联网方面的长处以及良好的产业支持优势。在无须考虑低功耗的场景下，Wi-Fi尤其适合使用。此外，低功耗Wi-Fi技术也在不断发展中。另外IEEE 802.11.ah已经于2016年年初发布。这一技术被称为HaLow，运行在900MHz频段，低于当前Wi-Fi的2.4GHz和5GHz频段，适合低功耗和中等距离的物联网设备。

在未来的近距离通信领域，存在着不同的底层通信技术承载规模级应用特定需求的趋势。除了通用的蓝牙、Zigbee、Wi-Fi技术外，还有一些专门针对特定应用而设计的技术，例如针对智能电网的IEEE 802.15.4g，针对体域网的IEEE 802.15.6，针对智能交通系统短程通信技术的IEEE 802.11p等。

近距离通信技术或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求，或着眼于功能的扩充性，或符合某些单一应用的特别要求，或建立竞争技术的差异化等，为物联网建立广泛的连接性提供了可能。

1.5.4 互联网的发展

互联网的成功是有目共睹的。网络技术已经改变了人们的生产和生活方式。互联网发展的各个阶段及特点如表1-2所示。

表1-2　互联网发展的各阶段及特点

以IPv6为标志的下一代互联网成为物联网的骨干网络，主要基于以下几点。首先，IPv6 将地址空间扩充到了128位，为节点预留了足够的地址空间，可为节点分配全局可路由的IP 地址，以保证节点间端到端通信。其次，IPv6具有的邻居发现、安全等机制，可加强物联网的服务质量和物联网的网络安全。再次，引入IPv6 可更好地支持多种无线通信方式。最后，引入IPv6可使物联网具有与互联网类似的结构，这对两者向互相兼容的方向发展具有重要意义。

以IPv6为基础设计的融合物联网体系结构具有诸多优点。首先，融合的体系结构可以忽略底层接入设备的差异。接入设备千变万化，设备上运行的系统也多种多样，不可能为每个新增加的设备设计一种对应的体系结构。其次，这种体系结构可以清除不同设备间相互通信的障碍。对于不同设备上运行的不同系统，由于其体系结构存在差异，互相通信的信息格式不尽相同，造成了不同设备间通信的障碍。然而，采用融合的体系结构，规定统一的信息格式，制定统一的通信标准，这些障碍将不复存在。最后，该体系结构可以提高通信效率。当不同设备都具有统一的结构时，设备间的通信就不再需要复杂的转换机制，通信效率得以提高。

1.5.5 云计算的发展

云计算是建立物联网综合服务平台的关键技术。云是一种提供资源的平台，也是一种商业计算模型。它将计算任务分布在由大量计算机构成的资源池上，使各种应用能够根据需要获取算力、存储空间和信息服务。云计算的应用包含这样的一种思想，即将力量联合起来，给其中的每一个成员使用。

云计算的定义有多种版本，按照维基百科的定义，云计算是一种基于互联网的计算方式，通过互联网上异构、自治的服务为个人和企业用户提供按需即取的计算。其中，虚拟化、分布式存储、分布式计算、弹性规模扩展和多租户是云计算的关键技术。

（1）虚拟化技术

虚拟化技术将物理资源进行了隐藏，呈现给用户的是一个与物理资源具有相同功能和接口的虚拟资源。这些虚拟资源可能建立在一个实际的物理资源上，也可能跨多个物理资源，用户不需要了解底层的物理细节。根据对象不同，虚拟化技术可分为存储虚拟化、操作系统虚拟化和应用虚拟化等。

（2）分布式存储技术

分布式存储的目标是利用云环境中多台服务器的存储资源来满足单台服务器所不能满足的存储需求，其特征是存储资源被抽象表示和统一管理，并且能够保证数据读写操作的安全性、可靠性等各方面的要求。云计算催生了优秀的分布式文件系统和云存储服务，最典型的云平台分布式文件系统是谷歌的GFS 和开源的HDFS等。

（3）分布式计算技术

基于云平台的最典型的分布式计算模式是MapReduce编程模型。MapReduce 将大型任务分成很多细粒度的子任务，这些子任务分布式地在多个计算节点上进行调度和计算，从而在云平台上获得对海量数据的处理能力。随着信息技术的发展，分布式计算的流式处理技术为物联网的实时性需求提供了可行性。

（4）弹性规模扩展技术

云计算提供了一个巨大的资源池，而应用又有着不同的负载变化。根据负载对应用的资源进行动态伸缩，即高负载时动态扩展资源，低负载时释放多余的资源，可以显著提高资源的利用率。该技术为不同的应用架构设定不同的集群类型，每一种集群类型都有特定的扩展方式，然后通过监控负载的动态变化，自动为应用集群增加或者减少资源。

（5）多租户技术

多租户技术目的在于使大量用户能够共享同一堆栈的软硬件资源。每个用户按需使用资源，能够对软件服务进行自定义配置，而不影响其他用户的使用。多租户技术的核心包括数据隔离、自定义配置、架构扩展和性能定制。

物联网使物理世界本身成为一种信息系统，产生了大量流向计算机的可供分析的数据。当物体既能感知环境又能进行交流时，它们就成为理解复杂性并对其快速反应的工具。所有这一切具有的革命性意义就是这些物理信息系统现在开始得到有效利用，而且其中一些甚至在大部分情况下无须人类干预就能运行。通俗地说，物联网将数十亿台传感器、摄像机、工业机器、显示器、智能手机和其他智能通信设备集成到云数据中心，并及时处理其弹性和虚拟化云资源中的数据，从而实现端到端应用和服务生命周期的自动化。