系統架構設計筆記（106）—— 物聯網

顧名思義，物聯網（ The Internetof Things ， IoT ）是實現物物相連的網際網路絡。其內涵包含兩個方面：
第一，物聯網的核心和基礎仍然是網際網路，是在網際網路基礎上延伸和擴充套件的網路；
第二，其使用者端延伸和擴充套件到了任何物體與物體之間，使其進行資訊交換和通訊。

物聯網是將無處不在的末端裝置和設施，包括具備 “ 內在智慧 ” 的感測器 、 移動終端 、 工業系統 、 樓控系統 、 家庭智慧設施 、 視訊監控系統等和 “ 外在使能 ” 的，如貼上 RFID 的各種資產 、 攜帶無線終端的個人與車輛等 “ 智慧化物件或動物 ” 或 “ 智慧塵埃 ” ，通過各種無線 、 有線的長距離 / 短距離通訊網路實現互聯互通 、 應用大整合，以及基於雲端計算的 SaaS 營運等模式。提供安全可控乃至個性化的實時線上監測 、 定位追溯 、 報警聯動 、 排程指揮 、 預案管理 、 遠端控制 、 安全防範 、 遠端維保 、 線上升級 、 統計報表 、 決策支援等管理和服務功能。實現對 “ 萬物 ” 的 “ 高效 、 節能 、 安全 、 環保 ” 的 “ 管 、 控 、 營 ” 一體化。

1 物聯網的層次結構

物聯網可以分為三個層次，底層是用來感知資料的感知層，即利用感測器 、 二維碼 、 RFID等裝置隨時隨地獲取物體的資訊。第二層是資料傳輸處理的網路層，即通過各種感測網路與網際網路的融合，將物體當前的資訊實時準確地傳遞出去。第三層則是與行業需求結合的應用層，即通過智慧計算 、 雲端計算等對物體進行智慧化控制。

1.1 感知層

感知層用於識別物體 、 採集資訊。感知層包括二維碼標籤和識讀器 、 RFID 標籤和讀寫器 、 攝像頭 、 GPS 、 感測器 、 M2M終端 、 感測器閘道器等，主要功能是識別物體 、 採集資訊，與人體結構中皮膚和五官的作用類似。

感知層解決的是人類世界和物理世界的資料獲取問題。它首先通過感測器 、 數位相機等裝置，採集外部物理世界的資料，然後通過 RFID 、 條碼 、 工業現場匯流排 、 藍芽 、 紅外等短距離傳輸技術傳遞資料。感知層所需要的關鍵技術包括檢測技術 、 短距離無線通訊技術等。對於目前關注和應用較多的 RFID 網路來說，附著在裝置上的 RFID 標籤和用來識別 RFID 資訊的掃描器 、 感應器都屬於物聯網的感知層。

在這一類物聯網中被檢測的資訊就是 RFID 標籤的內容，現在的電子不停車收費系統（ Electronic Toll Collection ， ETC ） 、 超市倉儲管理系統 、 飛機場的行李自動分類系統等都用到了這個層次的裝置。

electronic /ɪˌlekˈtrɑːnɪk/
Of or relating to electrons.

toll /toʊl/
A fixed charge or tax for a privilege, especially for passage across a bridge or along a road.

1.2 網路層

網路層用於傳遞資訊和處理資訊。網路層包括通訊網與網際網路的融合網路 、 網路管理中心 、 資訊中心和智慧處理中心等。網路層將感知層獲取的資訊進行傳遞和處理，類似於人體結構中的神經中樞和大腦。

網路層解決的是傳輸和預處理感知層所獲得資料的問題。這些資料可以通過行動通訊網 、 網際網路 、 企業內部網 、 各類專網 、 小型區域網等進行傳輸。特別是在三網融合後，有線電視網也能承擔物聯網網路層的功能，有利於物聯網的加快推進。網路層所需要的關鍵技術包括長距離有線和無線通訊技術 、 網路技術等。

物聯網的網路層將建立在現有的行動通訊網和網際網路基礎上。物聯網通過各種接入裝置與行動通訊網和網際網路相連，例如，手機付費系統中由刷卡裝置將內建手機的 RFID 資訊採集上傳到網際網路，網路層完成後臺鑒權認證，並從銀行網路劃賬。

網路層中的感知資料管理與處理技術是實現以資料為中心的物聯網的核心技術，包括感測網資料的儲存 、 查詢 、 分析 、 挖掘和理解，以及基於感知資料決策的理論與技術。雲端計算平臺作為海量感知資料的儲存 、 分析平臺，將是物聯網網路層的重要組成部分，也是應用層眾多應用的基礎。在產業鏈中，通訊網路運營商和雲端計算平臺提供商將在物聯網網路層佔據重要的地位。

1.3 應用層

應用層實現廣泛智慧化。應用層是物聯網與行業專業技術的深度融合，結合行業需求實現行業智慧化，這類似於人們的社會分工。物聯網應用層利用經過分析處理的感知資料，為使用者提供豐富的特定服務。物聯網的應用可分為監控型（物流監控 、 汙染監控） 、 查詢型（智慧檢索 、 遠端抄表） 、 控制型（智慧交通 、 智慧家居 、 路燈控制）和掃描型（手機錢包 、 高速公路不停車收費）等。

應用層解決的是資訊處理和人機互動的問題。網路層傳輸而來的資料在這一層進入各類資訊系統進行處理，並通過各種裝置與人進行互動。這一層也可按形態直觀地劃分為兩個子層。一個是應用程式層，進行資料處理，它涵蓋了國民經濟和社會的每一領域，包括電力 、 醫療 、 銀行 、 交通 、 環保 、 物流 、 工業 、 農業 、 城市管理 、 家居生活等，其功能可包括支付 、 監控 、 安保 、 定位 、 盤點 、 預測等，可用於政府 、 企業 、 社會組織 、 家庭 、 個人等。這正是物聯網作為深度資訊化的重要體現。另一個是終端裝置層，提供人機介面。

物聯網雖然是 “ 物物相連的網 ” ，但最終要以人為本，還是需要人的操作與控制，不過這裡的人機介面已遠遠超出現實中人與計算機互動的概念，而是泛指與應用程式相連的各種裝置與人的互動。應用層是物聯網發展的體現，軟體開發 、 智慧控制技術將會為使用者提供豐富多彩的物聯網應用。各種行業和家庭應用的開發將會推動物聯網的普及，也給整個物聯網產業鏈帶來豐厚的利潤。

2 物聯網的相關領域與技術

2.1 射頻識別技術

射頻識別技術（ Radio Frequency Identification ， RFID ），又稱電子標籤，是一種通訊技術，可通過無線電訊號識別特定目標並讀寫相關資料，而無須識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。該技術是物聯網的一項核心技術，很多物聯網應用都離不開它。

frequency /ˈfriːkwənsi/
Mathmatics Physics The number of times a specified phenomenon occurs within a specified interval, as.

最初在技術領域，應答器是指能夠傳輸資訊 、 回覆資訊的電子模組，近些年，由於射頻技術發展迅猛，應答器有了新的說法和含義，又稱為智慧標籤或標籤。 RFID 電子閱讀器（讀寫器）通過天線與 RFID 電子標籤進行無線通訊，可以實現對標籤識別碼和記憶體資料的讀出或寫入操作。

典型的閱讀器包含有高頻模組（傳送器和接收器） 、 控制單元及閱讀器天線。 RFID 採用的是非接觸的自動識別技術，它通過射頻訊號自動識別目標物件並獲取相關資料，識別工作無須人工干預，可工作於各種惡劣環境。

RFID 技術可識別高速運動物並可同時識別多個標籤，操作快捷方便。這種系統一般由一個詢問器（或閱讀器）和很多應答器（或標籤）組成。 RFID 的基本組成部分通常包括標籤 、 閱讀器和天線。

（1）標籤（ Tag ）：由耦合元件及晶片組成，每個標籤具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標物件。

（2）閱讀器（ Reader ）：讀取（有時還可以寫入）標籤資訊的裝置，可設計為手持式或固定式。

（3）天線（ Antenna ）：在標籤和讀取器間傳遞射頻訊號 。

antenna /ænˈtenə/
A metallic apparatus for sending or receiving electromagnetic waves.

RFID 技術的基本工作原理並不複雜：標籤進入磁場後，接收解讀器發出的射頻訊號，憑藉感應電流所獲得的能量傳送出儲存在晶片中的產品資訊（ Passive Tag ，無源標籤或被動標籤），或者由標籤主動傳送某一頻率的訊號（ Active Tag ，有源標籤或主動標籤），解讀器讀取資訊並解碼後，送至中央資訊系統進行有關資料處理。

一套完整的 RFID 系統，是由閱讀器與電子標籤（即應答器）及應用軟體系統三個部分組成的，其工作原理是 Reader 發射一特定頻率的無線電波能量給 Transponder ，用以驅動 Transponder 電路將內部的資料送出，此時 Reader 便依序接收解讀資料，送給應用程式作相應的處理。

以 RFID 卡片閱讀器及電子標籤之間的通訊及能量感應方式來看大致上可以分成：感應耦合（ Inductive Coupling ）及後向散射耦合（ Backscatter Coupling ）兩種。一般低頻的 RFID 大都採用第一種方式，而較高頻大多采用第二種方式。閱讀器根據使用的結構和技術不同可以是讀或讀 / 寫裝置，也是 RFID 系統資訊控制和處理中心。

閱讀器通常由耦合模組 、 收發模組 、 控制模組和介面單元組成。閱讀器和應答器之間一般採用半雙工通訊方式進行資訊交換，同時閱讀器通過耦合給無源應答器提供能量和時序。在實際應用中，可進一步通過 Ethernet 或 WLAN 等實現對物體識別資訊的採集 、 處理及遠端傳送等管理功能。應答器是 RFID 系統的資訊載體，目前應答器大多由耦合原件（線圈 、 微帶天線等）和微晶片組成無源單元。

2.2 二維碼技術

二維碼（ 2-dimensional bar code ）。它是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面（二維方向上）分佈的記錄資料符號資訊的黑白相間的圖形。在程式碼編制上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的 “0”、“1” 位元流的概念，使用若干個與二進位制相對應的幾何形體來表示文字數值資訊，通過影像輸入裝置或光電掃描裝置自動識讀以實現資訊自動處理。

dimensional /daɪmenʃənl

二維碼具有條碼技術的一些共性：每種碼制有其特定的字符集、每個字元佔有一定的寬 度、具有一定的校驗功能等。同時還具有對不同行的資訊自動識別功能及處理圖形旋轉變化等特點。在許多種類的二維條碼中，常用的碼制有 Data Matrix、Maxi Code、Aztec、 QR Code、Vericode、PDF417、Ultracode、Code 49、Code 16K 等，QR 碼是 1994 年由日本 Denso-Wave 公司發明的。QR 來自英文 Quick Response 的縮寫，即快速反應的意思，源自發明者希望 QR碼可讓其內容快速被解碼。QR 碼最常見於日本、韓國，是目前日本最流行的二維空間條碼。

二維條碼 / 二維碼能夠在橫向和縱向兩個方位同時表達資訊，因此能在很小的面積內表達大量的資訊。其資訊量遠遠超過原來的條碼技術，原來的條碼技術僅能儲存十多個字元，而二維碼儲存容量可達數千字元。以 PDF417 編碼格式為例：若採用擴充套件的字母數字壓縮格式，可容納 1850 個字元；若採用二進位制 / ASCII格式，可容納 1108 位元組；若採用數字壓縮格式，可容納 2710 個數字。

2.3 感測網

感測網是由隨機分佈的，整合有感測器（感測器有很多種型別，包括溫度 、 溼度 、 速度 、 氣敏等） 、 資料處理單元和通訊單元的微小節點，通過自組織的方式構成的無線網路。感測網藉助於節點中內建的感測器測量周邊環境中的熱 、 紅外 、 聲吶 、 雷達和地震波訊號，從而探測包括溫度 、 溼度 、 噪聲 、 光強度 、 壓力 、 土壤成分 、 移動物體的大小 、 速度和方向等物質現象。它給我們的生活帶來了深刻的變化。

然而在目前，網路功能再強大，網路世界再豐富，也終究是虛擬的，它與我們所生活的現實世界還是相隔的，在網路世界中，很難感知現實世界，很多事情還是不可能的，時代呼喚著新的網路技術。感測網路正是在這樣的背景下應運而生的全新網路技術，它綜合了感測器 、 低功耗 、 通訊及微機電等技術，將現實的世界與虛擬的網路世界聯絡起來，達到很多意想不到的效果。目前感測網技術已廣泛應用於石油 、 化工 、 電力 、 醫藥 、 生物 、 航空 、 航天 、 國防 、 能源 、 冶金 、 電子等眾多行業。可以預見，在不久的將來，感測網路將給我們的生活方式帶來革命性的變化。

2.4 M2M

簡單地說， M2M 是將資料從一臺終端傳送到另一臺終端，也就是機器與機器（ Machine to Machine ）的對話。但從廣義上講 M2M 可代表機器對機器（ Machine to Machine ） 、 人對機器（ Man to Machine ） 、 機器對人（ Machine to Man ） 、 行動網路對機器（ Mobile to Machine ）之間的連線與通訊，它涵蓋了所有實現在人 、 機器 、 系統之間建立通訊連線的技術和手段。 M2M 強調的是在商業活動中通過行動通訊技術和裝置的應用變革既有商務模式或創造出新商務模式，是機器裝置間的自動通訊。現在， M2M 應用遍及電力 、 交通 、 工業控制 、 零售 、 公共事業管理 、 醫療 、 水利 、 石油等多個行業，對於車輛防盜 、 安全監測 、 自動售貨 、 機械維修 、 公共交通管理等， M2M 可以說是無所不能。

M2M 不是簡單的資料在機器和機器之間的傳輸，更重要的是，它是機器和機器之間的一種智慧化 、 互動式的通訊。也就是說，即使人們沒有實時發出訊號，機器也會根據既定程式主動進行通訊，並根據所得到的資料智慧化地作出選擇，對相關裝置發出正確的指令。可以說，智慧化 、 互動式成為了 M2M 有別於其他應用的典型特徵，這一特徵下的機器也被賦予了更多的 “ 思想 ” 和 “ 智慧 ” 。

M2M 的發展前景非常好，因為在當今世界上，機器的數量至少是人的數量的4倍以上，機器將替代人做更多的事情，這意味著巨大的市場潛力。在國內，也有一些企業很早就開始應用 M2M 技術。三一重工對 M2M 的應用比較成功，三一重工在其銷往全球各地的工程機械（關鍵部位或關鍵部件）上加裝資料採集終端。機械的執行資料通過電信運營商網路彙總到三一集團企業控制中心（ Enterprise Control Center ， ECC ），實現對工程裝置作業狀況的實時監控。這樣，企業控制中心可以隨時發現裝置執行中存在的問題（如工程機械裝置上智慧裝置控制器檢測到的油溫 、 轉速 、 工作壓力等執行資料資訊異常），並就問題立即指導客戶排除故障或派出維修人員上門服務。

3 物聯網的應用

物聯網可以看作人類與應用系統現有互動方式的延伸，而這種延伸是通過物體通訊與整合的新層面實現的。物聯網將對傳統的資料採集系統和區域性自動辨識系統的效能有所要求，進而提升各類應用系統的價值。具體地說，就是把感應器嵌入和裝備到電網 、 鐵路 、 橋樑 、 隧道 、 公路 、 建築 、 供水系統 、 大壩 、 油氣管道等各種物體中，然後將物聯網與現有的網際網路整合起來，實現人類社會與物理系統的整合，在這個整合的網路當中，存在能力超級強大的中心計算機群，能夠對整合網路內的人員 、 機器 、 裝置和基礎設施實施實時的管理和控制，在此基礎上，人類可以以更加精細和動態的方式管理生產和生活，達到 “ 智慧 ” 狀態，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關係。物聯網用途廣泛，遍及智慧交通 、 環境保護 、 政府工作 、 公共安全 、 平安家居 、 智慧消防 、 工業監測 、 老人護理 、 個人健康等多個領域。

在生產生活中的應用舉不勝舉，下面簡述幾個比較典型的應用。目前食品安全是一個被大眾所關注的主題，即便是超市的食品，人們也很難弄清楚這些食品的來源，以及相關情況。當物聯網體系建立好以後，超市裡銷售的禽 、 肉 、 蛋 、 奶，在包裝上可以嵌入微型感應器，顧客只需用手機掃描，就能瞭解食品的產地和轉運 、 加工的時間地點，甚至還能顯示加工環境的照片，是否綠色安全，一目瞭然。

在醫療方面，也可以應用物聯網。將感測器嵌入到家人的手錶裡，即使使用者在千里之外，也可以隨時掌握家人的體徵。用這種方法，醫生也可以隨時隨地瞭解病人的體徵，為病人診斷看病。

如果在汽車和汽車鑰匙上都植入微型感應器，酒後駕車現象就可能被杜絕。當喝了酒的司機掏出汽車鑰匙時，鑰匙能通過氣味感應器察覺到酒氣，並通過無線訊號通知汽車 “ 不要發動 ” ，汽車會自動罷工，並能夠 “ 命令 ” 司機的手機給其親友發簡訊，通知他們司機所在的位置，請親友們來處理。

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