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物联网的涵义、架构、技术和产业概述
物联网的涵义、架构、技术和产业概述
吴国发
初稿：2020年9月19日
修改：2022年4月29日
内容提要：本文简明扼要地介绍物联网的定义、内涵、特征、架构、技术和物联网产业。
关键词：物联网互联网因特网传感器IoTRFID
物联网是物与物联成的互联网，其英文是InternetofThings(IoT)。物联网是万物（人、动物、植物和无生命的物体）互联的网络。
（一）物联网的定义、内涵和特征
（A）“物联网”概念的提出
1999年，美国麻省理工学院(MIT)自动识别（Auto-ID）中心的阿希顿(Ashton)教授首先提出“物联网”（InternetofThings）的概念。
中国科技界以前把物联网称之为传感网。中国科学院早在1999年就启动了传感网的研究，并已取得了一些科研成果，建立了一些传感网。
2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。
（B）物联网的定义和内涵
物联网是物与物联成的互联网，其英文是InternetofThings(IoT)。这里，“物”是广义的，不仅包括没有生命的物体（手表、电视机、电冰箱、汽车、火车、飞机、军舰、导弹、机器、设备、大楼、水坝、桥梁，等等），而且包括有生命的人、动物和植物。
因此，物联网的定义是：物联网是万物互联的网络，它通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与互联网相联结；物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、管理、控制等功能。
按照国际电信联盟(ITU)的定义，物联网主要解决物品与物品(ThingtoThing，T2T)，人与物品(HumantoThing，H2T)，人与人(HumantoHuman，H2H)之间的互相联结。但是，物联网与传统互联网不同的是，H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接，从而使得物品连接更加的简化；而H2H是指人之间不依赖于计算机而进行的互联。互联网并没有考虑到对于任何物品联结的问题，故我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。
M2M（MachinetoMachine）是机器与机器的信息交流，通过移动通讯对设备进行有效控制。M2M是物联网的组成部分。不能把M2M解释成“人到人”（MentoMen）、“人到机器”（MentoMachine）。
（C）物联网的特征
物联网的基本特征可概括为智能感知、可靠传输和智能处理。
根据物联网的特征，围绕信息的流动过程，可以归纳出物联网处理信息的功能如下：
(1)获取信息的功能，主要是信息的感知、识别；
(2)传送信息的功能，主要是信息的发送、传输和接收；
(3)处理信息的功能，是指信息的加工过程，处理已经获取的信息，产生新的方案、计划、决策等；
(4)施效信息的功能，指信息最终发挥作用、产生效益的过程。
（二）物联网体系的层次和架构
物联网体系的层次和架构如下：
物联网分为四层，自下而上分别是感知识别层、网络传输层、应用支撑层和应用接口层。
（1）感知识别层实现对物理世界的感知与识别。感知层由各种传感器（温度传感器、湿度传感器、光传感器、二维码标签、RFID标签、摄像头等）以及传感器网关构成。
（2）网络传输层利用无线网络技术和移动通信网络，完成数据的传输。网络层由各种计算机网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成。
（3）应用支撑层对传输过来的数据进行处理；把经过处理的数据形成数据库，再传输到上一层。
（4）应用接口层将处理过的数据送到各类应用系统，形成相应的解决方案。应用接口层是物联网和用户（包括个人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。
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。
（三）物联网应用的各种技术
物联网技术是信息时代技术发展继电子计算机、互联网技术之后的第三个里程碑。
物联网技术的范围很广。在物联网的各个层次使用不同的技术。
（1）感知识别层的技术：
传感器技术，射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术，条形码技术，实时定位技术，自动识别技术（生物识别技术、磁卡和IC卡识别技术、光学字符技术等），微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）技术，等等。
（2）网络传输层的技术：
ZigBee技术（极短距离无线传输技术），Wi-Fi（WirelessFidelity）技术（短距离无线传输技术），WiMAX（WorldwideElectroperabilityforMicrowaveAccess）技术（全球微波接入技术），蓝牙（Bluetooth）技术，移动通信5G技术，卫星信息传输技术，等等。
（3）应用支撑层的技术：
嵌入式技术（包括嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、用户应用程序），数据库管理系统，软件的中间件，海量数据存储技术，搜索引擎技术，大数据挖掘与处理技术，云计算技术，等等。
（4）应用接口层的技术：
运营平台建设技术，各种应用软件，人工智能技术，等等。
（5）物联网安全技术：
传感器网络安全技术，RFID安全技术，数据库安全技术，移动通信5G安全技术，等等。
（四）物联网技术和产业的发展
（A）外国的物联网技术和产业
美国、日本、欧盟等对物联网技术和产业非常重视。
2009年，美国奥巴马政府把新能源和物联网并列为振兴经济的两大重点产业。
日本第一个提出了“泛在网络”的概念。“泛在网络”源于拉丁语的ubiquitous，故简称“u网络”。2004年，日本在提前完成e-Japan战略目标的基础上，提出了u-Japan战略，目标是实现无论何时、何地、何物、何人都可以受益于ICT（信息与通信技术）的社会。日本的泛在网包含物联网。
2009年9月，欧盟发布《欧盟物联网战略研究路线图》，提出到2020年，突破物联网关键技术，在航空、航天、汽车、能源等18个领域，应用物联网技术取得很大经济效益。
物联网技术和产业发展迅速。外国有关机构的调查显示，2015年，全球物联网联结的物件大约60亿个左右；预计到2020年底，物联网联结的物件将达到270亿个。
（B）中国的物联网技术和产业
2009年8月，国务院把物联网产业列入五大新兴战略性产业之一。
2011年，工业和信息化部发布《物联网“十二五”发展规划》。这个规划的大部分目标达到了，少数目标没有达到。
2019年9月7日至10日，“2019世界物联网博览会”在无锡举行。世界30多个国家，参展企业542家，世界五百强企业37家，参会人数18万。无锡成为“东方物联网之都”。
2019年11月8日，2019世界物联网大会在北京开幕，围绕“推动5G物联世界创造全球智慧经济”主题展开高端对话、专题论坛和专场会议。
网络通信相关技术和产业支持能力，中国与美国差距较小。在传感器、RFID（无线射频技术）等感知端制造产业，物联网核心芯片，以及高端软件（操作系统、数据库管理系统）集成服务等方面，与美国的差距较大。例如，我国共有450余家从事敏感元件及传感器生产厂家，但外资企业占67%。RFID标签产业几乎全部使用美国的技术。物联网通用的操作系统、数据库管理系统、大数据处理技术都是美国研究开发的。
至于中国物联网产业的发展情况，工信部发布的数据显示：2017年，物联网产业的规模突破了1万亿元；2020年，物联网产业规模将达到1.8万亿元。
世界物联网大会主席何绪明指出，中国占到全球物联网产值1/4左右，2025年全球物联网产值有望达到30万亿美元的市场体量。
在中国，上海、无锡、杭州、南京、西安等城市已经建立了物联网科技园。
物联网是什么
本文共4492字，所需阅读时间为11~15分钟。
文章来源于公众号：mosetech
序
物联网技术的兴起，改变了信息世界新的走向，被认为是继计算机和互联网之后的第三次信息发展浪潮。
目前，我国已将物联网技术上升为国家层面的战略性新兴产业，国家相关部门以及地方政府出台了一系列物联网行业的相关政策，众多企业纷纷发力物联网领域，抢占先机，一时呈现百花齐放之势。
那么，什么是物联网呢？
一、物联网的概念
物联网，简单理解就是万物相连的互联网。
物联网的英文名称是InternetofThings，简称为IOT，其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。物联网是通过传感设备，按约定的协议把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
互联网→物联网在物联网中，传感设备可以实时采集任何需要监控、连接、互动的物体的信息，然后通过有线或无线网络接入，最终实现物与物、物与人的连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。
物联网的概念，最早出现于比尔盖茨1995年《未来之路》一书。在《未来之路》中，比尔盖茨已经提及物联网概念，只是当时受限于传感设备、无线网络及硬件的发展，并未引起世人的重视。直到1998年，美国麻省理工学院创造性地提出了当时被称作EPC系统的“物联网”构想。到了1999年，美国Auto-ID首先提出“物联网”的概念，主要是建立在物品编码、射频识别技术和互联网的基础上。
过去，物联网在中国被称为传感网。中科院早在1999年就启动了传感网的研究，并已取得了一些科研成果，建立了一些适用的传感网。
2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，ITU（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。
这里，需要提到ITU，它是联合国的下属机构，专门负责信息通信技术相关事务，其中就包括制定全球电信标准。
在ITU的报告里指出，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因特网主动进行交换，射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。
从实现流程上讲，物联网分成了三个部分。第一个部分是传感设备部分，也就是利用射频识别、二维码、传感器等传感设备，感知和获取物体的各类信息；第二部分是通信技术部分，是通过对互联网、无线网络的融合，将物体的信息实时、准确地传送，以便信息交流、分享；最后一部分是智能处理部分，即使用各种智能技术，对感知和传送到的数据、信息进行分析处理，实现监测与控制的智能化。因此，物联网在整个信息流的过程中就必须具备有三种能力，一个是获取信息的能力，一个则是传送信息的能力，最后一个则是处理信息的能力。
二、传感设备
在物联网里，首先要解决的就是怎样准确地获取物体的信息，而传感器便是获取信息的主要途径了。
传感器，就是把自然界中的各种物理量、化学量、生物量转化为可测量的电信号的装置与元件。传感器在物联网里面的作用，类似于人类身体的神经末梢，是构成物联网不可或缺的基本条件。
传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；辅助电源则负责为转换元件和变换电路进行供电。
部分传感器传感器的定义，决定了它本身的复杂性和众多品种，根据用途，传感器可以分为压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、加速度传感器等，而按照其原理，又可以分为振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器等。除了按照用途和原理分类，还可以按照输出信号、制造工艺、测量目的等进行分类。
在传感器里，MEMS技术（微机电系统技术）是制造微型、低成本、低功耗传感器节点的关键技术。这种技术是建立在制造微米级机械加工技术基础上，微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，通过采用高度集成工序，制造出各种机电部件和复杂的MEMS传感器。MEMS传感器的优点，包括了体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等。
三、通信技术
过去，我们所说的物联网，都是基于WLAN技术（无线局域网技术）的物联网。在物联网的终端，设备接入的是无线路由器或专门的网关设备，例如摄像头、门窗传感器、智能灯，都是只能连接Wi-Fi，通过Wi-Fi进行控制。因此，传感器收集到的信息也是通过WLAN来进行传输。
物联网通过WLAN传递信息虽然方便，但是对于设备来说太耗电了，慢慢便有了Bluetooth（蓝牙）、Zigbee（紫蜂）等新兴的短距离无线通信技术。然而，由于Bluetooth、Zigbee等通信技术的信息可传送距离过短，即使是家庭物联网都无法应用，更不用说应用到工业物联网上了。所以，通过WLAN来传输信息的物联网一直没办法大批量推广使用。
随着NB-IoT、eMTC和Lora为代表的LPWAN（低功耗广域网）的无线通信解决技术的崛起，也逐步地解决了物联网所遇到的网络应用问题。
通信技术的应用LPWAN，全称为Low-PowerWide-AreaNetwork，比起WLAN，它有着低功耗，覆盖面积大，建设成本低的优势。
LPWAN技术使物联网设备之间的通信距离可以达到3至20公里，让数据可以进行长距离传输。另外，LPWAN低功耗的特点，让物联网设备的电池成本、维护成本得到了大幅度降低，从而进一步降低了基础设施成本。
不过，LPWAN的速率较低，只能应用于低速率的物联网领域，例如农业环境、物流仓储、制造行业等，对于自动驾驶、医疗等对于有高速率要求的场景来说，LPWAN就显得不适用了。
于是，第五代移动通信技术5G就登场了。
ITU定义了5G的三大应用场景，把它们作为5G指标的参考目标，也就是说，5G必须具备这些场景的应对能力。
这三大场景，分别是eMBB、uRLLC和mMTC。
eMBB，全称为enhanceMobileBroadband，增强型移动宽带，就是在4GMBB的基础上，对带宽和速率的进一步升级，满足我们日常生活的需求，带来更好的体验。
mMTC，全称为massiveMachineTypeCommunication，海量机器类型通信，要求5G可以满足低功耗、多连接、低时延、低成本的物联网场景。然而，随着LPWAN中NB-IoT、eMTC和Lora技术标准的广泛覆盖主要场景，完全符合了ITU提出的5G物联网的需求。因此，现在也没必要搞多一个全新的mMTC5G技术，花费更多的成本。
uRLLC，全称为ultraReliable&LowLatencyCommunication，低时延和高可靠型通信，要求5G必须具备高速率、低时延和高可用性的特点，必须通过5GNR，配合切片技术来实现。uRLLC可以覆盖LPWAN无法覆盖的对高速率、低时延有要求的场景了，包括无人驾驶、远程制造、远程培训、远程手术等。
从WLAN、LPWAN发展到现如今的5G，随着物联网场景需求的不断发展，通信技术也在不断改变，以求适应新的需求。
四、云计算
既然有了传感器收集信息，那么肯定要有接收信息的另一端，将这些信息进行处理并展示。
对于一些场景来讲，如果一台服务器的运算能力无法满足数据运算需求，那么就需要多个服务器来协助运算。在物联网场景下，一台服务器的运算能力显然还是不够的，需要一个具有多台服务器的数据处理中心，这就是我们熟知的云计算平台了。
云计算云计算是旨在通过网络，将多个成本相对较低的服务器整合成一个具有强大计算能力的完美系统，借助先进的商业模式让终端的用户可以得到这些强大计算能力的服务。
如果将计算能力比作发电能力，单个服务器单机运算如同古老的发电模式一样，用户可以自己发电自己用电，但会经常出现电不够用的情况。云计算能力则好比现代电厂集中供电的模式，将计算能力变成和电一样的商品，可以在市面上进行流通，当用户出现电力不够的情况，便可以向电厂购买电力。不过，与电力是通过电网传输不同，云计算能力是通过各种有线和无线网络进行传输的。
因此，云计算的一个核心理念就是通过不断提高“云”的处理能力，不断减少终端的处理负担，最终使其简化成一个单纯的输入输出设备，并能按需享受“云”强大的计算处理能力。物联网通过传感器获取到了大量数据信息，在经过网络传输以后，利用高性能的云计算对其进行处理，赋予这些数据智能，才能最终转换成对终端用户有用的信息。所以，对于物联网的云计算平台来说，便需要具备运行监控、数据处理和存储、数据呈现推送等能力了。
五、物联网的应用
物联网在基础设施领域，物联网技术的应用比较成熟。
随着社会车辆越来越普及，交通拥堵甚至瘫痪已成为城市的一大问题。交通物联网可以对道路交通状况实时监控，并将信息及时传递给驾驶人，让驾驶人及时作出出行调整，有效缓解了交通压力。在高速路口设置道路ETC（自动收费系统），免去进出口取卡、还卡的时间，提升车辆的通行效率；公交车上安装定位系统，能及时了解公交车行驶路线及到站时间，乘客可以根据搭乘路线确定出行。另外，不少城市推出了智慧路边停车管理系统，基于云计算平台，结合物联网技术与移动支付技术，共享车位资源，提高车位利用率和用户的方便程度。
另外，近年来的全球气候异常情况频发，灾害的突发性和危害性进一步加大，物联网也可以实时监测环境的不安全性情况，提前预防、实时预警、及时采取应对措施，降低灾害对人类生命财产的威胁。例如，通过特殊处理的感应装置置于深海处，分析水下相关情况，海洋污染的防治、海底资源的探测、甚至对海啸也可以提供更加可靠的预警；利用物联网技术可以智能感知大气、土壤、森林、水资源等方面各指标数据，对于改善人类生活环境发挥巨大作用。
除了推动基础设施和公共安全领域的建设，物联网也可以走进千家万户。
在智能家居领域，随着宽带业务的普及，即使家中无人，也可利用手机等产品客户端远程操作智能空调，调节室温，甚者还可以学习用户的使用习惯，从而实现全自动的温控操作；通过客户端实现智能灯泡的开关、调控灯泡的亮度和颜色等等;插座内置Wifi，可实现遥控插座定时通断电流，甚者可以监测设备用电情况，生成用电图表，安排资源使用及开支预算等。另外，还有智能摄像头、窗户传感器、智能门铃、烟雾探测器、智能报警器等都是家庭可安装的物联网监控设备。
物联网在商用和军用领域，也有着极大的作用。
在畜牧养牛过程中，可以将奶牛活动信息，生理检测信息发送云平台，实现牛舍，牛只管理，设备管理，告警信息管理，系统管理，统计报表等；在环保领域，可以应用物联网技术进行环境质量监测，以及可视化呈现；在工业制造领域，通过物联网技术可以通过在产线上加上多个传感器，获取生产线上的实时合格率，结合对应产出的销售数据，从而得到该产线的实时效能、实时毛利率等运营数据，让工厂效能最大化。
在涉及国防军事领域方面，虽然还处在研究探索阶段，但物联网应用带来的影响也不可小觑。大到卫星、导弹、飞机、潜艇等装备系统，小到单兵作战装备，物联网技术的嵌入有效提升了军事智能化、信息化、精准化，极大提升了军事战斗力，是未来军事变革的关键。
其实，物联网的应用领域涉及到方方面面，有效地推动了这些行业的智能化发展，使得有限的资源更加合理的使用分配，从而提高了行业效率和效益，大大地提高了人们的生活质量。
部分物联网应用场景部分物联网应用场景
参考文章：
《为了支持物联网，全国各地出台了哪些政策？》
《图解物联网》
《物联网到底是什么？》
《eMBB、mMTC、URLLC分别应用于哪些领域》
《什么是LPWAN？LPWAN技术有哪些？》
《中国5G候选方案正式提交！NB-IoT备胎转正的背后，究竟意味着什么？》
图片来源：
《图解物联网》、知乎：蓝队云、网络
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