目前使用的4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的成本還是很高的，而且會(huì)消耗太多電量，在5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)后將會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生革命性的影響，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)達(dá)到超低時(shí)延、高效連接、低成本、低功耗、高可靠性、全地域覆蓋，將徹底重塑和改變我們的世界。
據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IDC 預(yù)測(cè)，到2020 年時(shí)，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安裝量將達(dá)到281 億臺(tái)。我們認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)會(huì)真正的掀起新一輪的技術(shù)風(fēng)暴，同時(shí)也在精心布局，因此我們希望用通俗易懂的語(yǔ)言為大家介紹物聯(lián)網(wǎng)所包含的內(nèi)容。
雖然物聯(lián)網(wǎng)的概念在20世紀(jì)90年代才被提出，但實(shí)際上相關(guān)的技術(shù)很早就產(chǎn)生了，例如傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)等，并且至今發(fā)展已趨成熟。
物聯(lián)網(wǎng)形式多樣、技術(shù)復(fù)雜、牽涉廣泛，根據(jù)信息生成、傳輸、處理和應(yīng)用的不同技術(shù)屬性，業(yè)界通常把物聯(lián)網(wǎng)分為四層：感知識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、管理服務(wù)和綜合應(yīng)用。在本篇文章中，我們主要討論前三層的技術(shù)。
第一 感知識(shí)別層
顧名思義，是對(duì)周圍環(huán)境感知和了解的技術(shù)，是聯(lián)系物理世界和信息世界的紐帶。它包括感知識(shí)別設(shè)備(例如RFID標(biāo)簽、NFC芯片、二維碼等)和傳感設(shè)備(例如傳感器、GPS、智能設(shè)備等)。
1)RFID和NFC
RFID，即無線射頻識(shí)別技術(shù)，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，主要應(yīng)用在傳輸業(yè)和訪問控制，它的優(yōu)點(diǎn)在于無需接觸即可完成識(shí)別。RFID的出現(xiàn)對(duì)于計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)來講是一個(gè)革命，因此在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的前十年里，RFID幾乎就是物聯(lián)網(wǎng)的代名詞。我國(guó)也早在20世紀(jì)90年代就開始了RFID技術(shù)的研究和探索，已在ETC(電子收費(fèi)系統(tǒng))、路橋管理、電子證照身份識(shí)別等領(lǐng)域開始了規(guī)模應(yīng)用。
進(jìn)入21世紀(jì)，RFID又在農(nóng)業(yè)的溯源管理、工業(yè)的安全監(jiān)控、物流的郵政包裹和民航行李等領(lǐng)域開始試點(diǎn)，成效顯著。雖然由于標(biāo)準(zhǔn)、成本、安全等方面存在不完善的地方，RFID技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用離實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的終極目標(biāo)還有一段距離，但隨著政策、法律、標(biāo)準(zhǔn)化問題的解決，RFID在各行各業(yè)的商用價(jià)值將進(jìn)一步被挖掘，為物聯(lián)網(wǎng)帶來“革命性”的改變。
NFC，即近場(chǎng)通信，技術(shù)起源于RFID，是RFID高頻(13.56MHz)的延伸應(yīng)用，工作有效距離只有10厘米。NFC采用了雙向的識(shí)別和連接，可以用作非接觸式智能卡、智能卡讀寫器終端以及設(shè)備對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。主要應(yīng)用場(chǎng)景包括門禁、檢票、移動(dòng)支付、兩臺(tái)NFC設(shè)備之間交換圖片等。NFC為大眾廣為所知是Apple Pay在中國(guó)的上線，而NFC最重要的應(yīng)用場(chǎng)景也是移動(dòng)支付。但由于NFC需要雙向都有支持的終端設(shè)備，因此發(fā)展相對(duì)緩慢，也許只有等到各種基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于NFC支持的越多，其價(jià)值才能夠最大程度的體現(xiàn)。
2)傳感器
傳感器作為感知世界的設(shè)備，在物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮了重要的作用。傳感器已經(jīng)滲入到人們生活的方方面面，業(yè)務(wù)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，大大提高了人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力。
傳統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)處理與分析能力有限，網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度不高。但隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MicroElectro Mechanical Systems, MEMS)和超大規(guī)模集成技術(shù)(Very Large Scale Integrated circuits, VLSI)的發(fā)展，使現(xiàn)代傳感器“微型化”、“智能化”和“網(wǎng)絡(luò)化”。
對(duì)于現(xiàn)代傳感器，功耗、喚醒時(shí)間、所用的通信協(xié)議、傳輸距離、電池續(xù)航能力是影響傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵因素。只有做到低成本、微型化、低功耗、擴(kuò)展性強(qiáng)和魯棒性高，傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的作用才會(huì)越來越大，越來越多的應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)的場(chǎng)景中去。
第二 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層
網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建即是我們所說的“連接”，物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備是通過什么連接到網(wǎng)絡(luò)的？其實(shí)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)種類繁多，Wi-Fi、藍(lán)牙是我們經(jīng)常提到并使用的，還有高速的、高頻的、低頻的、低功耗的等等。完美的物聯(lián)網(wǎng)連接應(yīng)該是低功耗、長(zhǎng)距離并高帶寬(傳輸大量數(shù)據(jù))的，但這種完美的連接并不存在。如何平衡功耗、傳輸距離和帶寬則成為開發(fā)人員需要專注的問題。
我們根據(jù)功耗、距離和帶寬的高低劃分，將現(xiàn)有的各種連接方式分為以下三大類：
1)高功耗、長(zhǎng)距離、高帶寬
要遠(yuǎn)程發(fā)送大量數(shù)據(jù)，需要很大的功率，一個(gè)很好的例子就是智能手機(jī)，它可以遠(yuǎn)程接收和傳輸大量數(shù)據(jù)(例如視頻)，但是你需要1-2天就充一次電。符合這個(gè)類別的網(wǎng)絡(luò)連接包括蜂窩連接和衛(wèi)星連接。當(dāng)傳感設(shè)備在基站的覆蓋范圍時(shí)就可以使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)，但對(duì)于諸如海上這種沒有基站覆蓋的地方，衛(wèi)星通信就變的非常重要了。
需要長(zhǎng)距離通信的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以使用GSM、3G或4G蜂窩通信。但目前使用4G發(fā)送大量數(shù)據(jù)的成本還是很高的，而且設(shè)備會(huì)消耗太多的電量。5G網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)后將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生革命性影響，屆時(shí)5G這個(gè)完整統(tǒng)一且龐大的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，可以用最快、最可靠和最有效的方式連接數(shù)十億臺(tái)設(shè)備，海量的“物體”將實(shí)現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)達(dá)到超低時(shí)延、高效連接、低成本、低功耗、高可靠性、全地域覆蓋，將徹底重塑和改變我們的世界。
2)低功耗、短距離、高帶寬
為了降低功耗并仍然能發(fā)送大量數(shù)據(jù)，就必須減少傳輸距離。這一類別包括Wi-Fi、藍(lán)牙和ZigBee，主要應(yīng)用在物與物的連接中。
i. Wi-Fi：Wi-Fi已經(jīng)成為家庭環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議最可靠的選擇。由于Wi-Fi已有的基礎(chǔ)架構(gòu)已經(jīng)非常成熟，因此可以輕松實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的傳輸。目前廣泛應(yīng)用于家庭環(huán)境和辦公環(huán)境。WiFi-ah (HaLow) 是IEEE 802.11的低功耗遠(yuǎn)程版本，可以在低數(shù)據(jù)速率的遠(yuǎn)程傳感器和控制器場(chǎng)景使用。
ii. 藍(lán)牙：藍(lán)牙是全球2.4GHz個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)最長(zhǎng)使用的低功耗傳輸協(xié)議之一。目前是無線耳機(jī)、文件傳輸和無線音箱的首選協(xié)議。新的藍(lán)牙版本——藍(lán)牙低功耗(Bluetooth Low-Energy, BLE)，專門用于傳輸較少數(shù)據(jù)的設(shè)備，因此更適合可穿戴設(shè)備和健康監(jiān)護(hù)儀器的使用。
iii. ZigBee：與藍(lán)牙相似，是2.4GHz網(wǎng)格局域網(wǎng)(mesh LAN)協(xié)議。它非常適合低數(shù)據(jù)速率和短距離的頻繁數(shù)據(jù)交換(例如家庭或建筑物)的場(chǎng)景中使用，例如燈控制系統(tǒng)和無線溫控系統(tǒng)。
3)低功耗、長(zhǎng)距離、低帶寬
為了在低功耗的情況下進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，必須減少發(fā)送的數(shù)據(jù)量。這一類別的連接稱為L(zhǎng)PWAN(Low-PowerWide-Area Networks, 低功耗廣域網(wǎng))，主要包括LoRa、SigFox和NB-IoT三種協(xié)議。主要應(yīng)用在物與主干網(wǎng)絡(luò)(云)連接的場(chǎng)景中。
i. LoRa：LoRa是一個(gè)長(zhǎng)距離無線協(xié)議，自2013年Semtech公司發(fā)布了SX127x系列芯片起，LoRa協(xié)議就登上了歷史舞臺(tái)。LoRa的通信距離比ZigBee更遠(yuǎn)，而通信帶寬更小。通過減小帶寬，LoRa提高了接收數(shù)據(jù)的靈敏度，因而LoRa芯片能接受更加微弱的信號(hào)，從而達(dá)到更遠(yuǎn)的傳輸距離。
ii. SigFox：是SigFox公司提出的LPWAN協(xié)議，以長(zhǎng)距離傳輸聞名。SigFox使用的是超窄帶傳輸技術(shù)(Ultra Narrow Band，UNB)，能夠以低功耗處理低數(shù)據(jù)速率傳輸。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使用ISM免費(fèi)頻段，因此無需獲取許可證，只要設(shè)備保持連接，就可以輕松的在窄帶頻譜上傳輸數(shù)據(jù)。SigFox公司在2016年融資1.5億歐元用于開拓市場(chǎng)，目前有30個(gè)國(guó)家開始使用SigFox協(xié)議，預(yù)計(jì)2018年國(guó)家數(shù)會(huì)增加到60個(gè)。
iii. NB-IoT：窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NarrowBand IoT)是目前最廣泛討論的LPWAN協(xié)議了。它最大的特點(diǎn)是支持蜂窩連接，即可以與現(xiàn)有的移動(dòng)通信基站相結(jié)合，非常易于部署于現(xiàn)有的無線基站上，因此得到了運(yùn)營(yíng)商(例如沃達(dá)豐)的支持。最近沃達(dá)豐在西班牙推出首個(gè)商用的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，但其他的商用NB-IoT芯片幾乎沒有，但由于其出色的網(wǎng)絡(luò)安全性和可靠性，將會(huì)成為市場(chǎng)上主流的協(xié)議。
除了以上說到的主要連接協(xié)議，近幾年還出現(xiàn)了很多連接協(xié)議，例如NestLabs推出的Thread家庭物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議、Link Labs推出的LPWAN協(xié)議Symphony Link、Zensys推出的Z-Wave協(xié)議等。多種類型的無線接入技術(shù)各有特色，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，相互配合可實(shí)現(xiàn)更廣泛的互聯(lián)互通。
第三 管理服務(wù)層
人們通常把物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用冠以“智能”或“智慧”的名稱，例如智能電網(wǎng)、智慧物流等，其中的“智能”或“智慧”就來自這一層。管理服務(wù)層解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)使用、數(shù)據(jù)安全等問題。之所以能做到這些，與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能和數(shù)據(jù)安全技術(shù)的快速發(fā)展有很緊密的關(guān)系。
1)大數(shù)據(jù)
隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，所有能獨(dú)立尋址的物理對(duì)象都將加入物聯(lián)網(wǎng)，涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方方面面，這也將產(chǎn)生比現(xiàn)在多得多的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)的發(fā)展將為物聯(lián)網(wǎng)提供強(qiáng)有力的保障。在海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的情況下，建立與應(yīng)用相關(guān)的科學(xué)模型，整合和分析跨多個(gè)維度的信息，將極大推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化。
2)云計(jì)算
由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理這樣的活動(dòng)無法在傳感設(shè)備本身進(jìn)行，因此把數(shù)據(jù)傳到云端再進(jìn)行處理對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來說就極為重要。對(duì)于現(xiàn)有的絕大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說，都是由傳感器設(shè)備收集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析都發(fā)生在云端，這也大大降低了在傳感器上投入大量計(jì)算能力的必要性，從而降低了成本和能耗。
但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將會(huì)是巨大的，全部上傳到云端進(jìn)行處理也將變得越來越困難。那么數(shù)據(jù)在本地處理一部分，另外一部分再上云將會(huì)非常經(jīng)濟(jì)。這就是我們現(xiàn)在所說的“霧計(jì)算”(fog computing)或“邊緣計(jì)算”(edge computing)，而這個(gè)技術(shù)對(duì)于未來的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來說是非常有意義的。
3)人工智能
人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系很像人腦與身體之間的關(guān)系。我們的身體收集感官輸入，如視力、聲音和觸摸，我們的大腦接收這些數(shù)據(jù)并將其理解，然后大腦做出決定并發(fā)出信號(hào)給身體來指揮運(yùn)動(dòng)。所有物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器就像我們的身體，它們提供了世界上任何活動(dòng)的原始數(shù)據(jù)。人工智能就像大腦，理解這些數(shù)據(jù)，并決定采取什么行動(dòng)。
隨著近幾年機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的巨大飛躍，它在幫助物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，例如預(yù)測(cè)機(jī)器何時(shí)需要維護(hù)或分析制造過程，大大提高了生產(chǎn)效率并降低成本。而物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)又更好的推動(dòng)了人工智能的發(fā)展。這是一個(gè)互相推動(dòng)的良性循環(huán)。
4)數(shù)據(jù)安全
在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，在網(wǎng)上隱藏自己的身份還是很容易的。但隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在不久的將來，不僅你是誰(shuí)，甚至你今天去過哪里、見過誰(shuí)，都有可能被物聯(lián)網(wǎng)的感知設(shè)備記錄下來。從信息安全和隱私保護(hù)的角度來講，物聯(lián)網(wǎng)終端的廣泛引入在提供更豐富信息的同時(shí)，也增加了暴露這些信息的危險(xiǎn)。我們需要安全的管理這些信息。
在現(xiàn)階段，RFID和定位技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，面臨著各種各樣嚴(yán)峻的安全和隱私問題。各個(gè)國(guó)家也在通過與其他技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)手段和完善法律法規(guī)的政策手段在解決這些問題。每一項(xiàng)新技術(shù)的誕生之初都會(huì)遇到各種問題和大眾的質(zhì)疑，但正確的看待問題以及用積極的態(tài)度去解決問題才能真正的推動(dòng)新技術(shù)的發(fā)展。相信隨著技術(shù)和政策的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)會(huì)真正的掀起新一輪的技術(shù)風(fēng)暴。
責(zé)任編輯：朱虹瑾
