物聯網——1 物聯網概述

物聯網概述

本文非原創，旨在於學習物聯網相關知識。文中內容來自物聯網與短距離無線通信技術教材，詳情可以參考下面書籍。
董健 編著. 物聯網與短距離無線通信技術(第2版).電子工業出版社.2016.9

物聯網概念
20世紀40年代計算機的發明，人們對信息的處理和計算能力大大加強。20世紀90年代，互聯網的興起，加強了信息的傳播能力。進入21世紀，物聯網被認爲是第三次信息革命浪潮，在全世界得到重視，各國相繼將物聯網作爲國家發展戰略。
最初的物聯網（Internet of Things，IoT）也成爲傳感網， 目的在於讓所有物品都與網絡連接在一起。早期典型的物聯網是將所有的物品通過短距離RFID等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現局域範圍內的物品“智能化識別和管理”。目前業界定義：物聯網是通過各種信息傳感設備按約定協議，把任何物體通過各種接入網技術連接起來的一個巨大智能網絡。通過這一網絡可以進行信息交換，實現智能化應用。
互聯網實現了人與人的連接，IoT實現了人與物、物與物的連接。

與物聯網相近的幾個概念：傳感網、互聯網、泛在網。
 傳感網是物聯網的組成部分
 物聯網是互聯網的延伸
 泛在網是物聯網發展的願景

物聯網發展
物聯網最早的概念可追溯到1990年的施樂公司的可樂販售機，工程師們每次煮咖啡的時候需要去看一下咖啡是否已經煮好了，爲了不去人工檢查，就在咖啡機旁裝了攝像頭，然後監控是否已經煮好了咖啡。1999年麻省理工學院Kevin教授首次提出物聯網概念。然後物聯網的概率逐漸流傳開。
各國都在大力佈局物聯網的發展，以將其上升爲國家戰略。例如日本的“U-Japan”計劃、韓國的“U-Korea”戰略、 新加坡“下一代I-Hub”計劃美國的“智慧的地球”、歐盟的物聯網行動計劃、中國的“感知中國”等。

物聯網體系結構
根據物聯網信息的生成、傳輸、處理和應用，物聯網分爲四層：感知層、傳輸層、支持層、應用層。


1．感知層
感知層爲了實現全面感知，採集物理世界中發生的物理事件和數據，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數據。物聯網的數據採集涉及傳感器、RFID、多媒體信息採集、二維碼和實時定位等技術。
感知技術主要包括：（1）射頻識別技術；（2）傳感器技術；（3）GPS與物聯網定位技術；（4）多媒體信息採集與處理技術；（5）二維碼技術

2．傳輸層
傳輸層爲了實現可靠的傳輸，直接利用現有網絡技術，如互聯網（IPv4/IPv6 網絡）、移動通信網（如GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、無線接入網、無線局域網等）、衛星通信網等基礎網絡設施，對來自感知層的信息進行接入和傳輸。
傳輸技術主要包括：（1）移動通信網；（2）互聯網；（3）無線網絡；（4）衛星通信；（5）短距離無線通信

3．支撐層
支撐層主要是在高性能網絡計算環境下，將網絡內大量或海量信息資源通過計算整合成一個可互連互通的大型智能網絡，爲上層的服務管理和大規模行業應用建立一個高效、可靠和可信的網絡計算超級平臺，可對海量信息進行處理、挖掘、分析等。支撐層利用了各種智能處理技術、高性能分佈式技術、存儲技術、挖掘技術等現代計算機技術。
支撐技術主要包括：（1）雲計算（Cloud Computing）技術；（2）嵌入式系統（Embedded System）；（3）人工智能技術（Artificial Intelligence Technology，AIT）；（4）數據庫與數據挖掘技術；（5）分佈式並行計算；（6）多媒體與虛擬現實

4．應用層
應用層是物聯網系統結構的最高層。應用層根據用戶的需求，面向各行業提供差異化服務應用。爲了做更好的應用系統，應用層必須結合不同行業的專業特點和業務模型及用戶需求才能做出精細準確的智能化管理系統。如交通系統、安防系統、運輸系統、農業系統、醫療系統、教育系統等。
用技術主要包括：（1）專家系統（Expert System）；（2）系統集成（System Integrate）技術；（3）編/解碼（Coder and Decoder）技術

隨筆

1. 端管雲思想
   上面寫了物聯網的體系結構，與此相呼應的是業界常說的端管雲架構。
   端就是感知層，以傳感器、射頻技術、終端設備爲代表。傳統設備如傳感器，常用的如工業儀器儀表將溫度、壓力、溼度、加速度等物理信息轉換爲便於人們可識別的量化信息。現代化的射頻掃描設備，將條碼、二維碼、數字標籤等信息進行讀取。現代社會中人們常用的消費品終端設備，如手機、音箱、平板、電腦等設備。
   管即管道，用於將傳感器、終端設備信息進行傳輸，類似於一個管道，完成信息傳輸。以無線通信、移動通信、短距離通信、衛星通信、因特網爲代表。常見的類型有家庭場景中路由器作爲家居設備連接的入口，通過無線網絡傳輸家庭設備數據，這類連接特徵是設備比較集中，數據量可能較大，比如手機連接WiFi看電影、聽歌等大流量場景，也包含冰箱、檯燈等低流量連接場景。或者基站作爲連接入口，通過移動網絡連接單車、井蓋、綠燈等低數據量交換設備。或者光纖終端作爲連接入口，通過有線接入傳輸數據，如酒店的安防、監控系統，傳輸攝像頭拍攝的視頻流數據，等等。目前由於無線技術發展迅速，如5G技術使很多場景通過無線傳輸成爲可能。有線和無線在傳輸領域將相互補充，共同完成管道左右。
   雲即支持平臺，和雲計算緊密聯繫。雲計算是分佈式計算計算的一種，通過網絡將龐大的計算工作切成一個個小任務，分發成不同的小集羣上，由衆多小集羣計算分析後將結果返回彙總。這樣提高了工作效率，縮短了計算時間。有人用發電廠的例子舉例雲計算。家裏的電器設備需要供電才能使用，通過一個發電廠可以給一個城市供電，就不用每家都自己安裝一個發電機了。大家按需取電，不用每個人去維護自己家中的發電機。使用了雲計算技術後，個人所需的計算能力、存儲能力等可以放在類似發電廠的一個雲端完成。個人用戶通過租賃形式使用計算、存儲服務，同時應用雲計算後，計算能力由雲端服務器集羣提供，算力比個人搭建的服務器能力強很多。用戶只用集中精力關注上層應用即可。

2. 數據標籤
   條碼
   生活中購買的每一個物品，都有自己的標識，就是商品包裝上那個黑白相間的條紋，下面數字和條紋表達的信息是相同的，被稱爲物聯網的第一代身份證。每個條碼字符的黑線和空白由若干個模塊組合而成，一個模塊表示1，空白表示0.標準條碼由廠商識別碼、商品項目碼、校驗碼組成。廠商識別碼由國家分配，商品項目碼是廠商自己編碼的。根據商品條碼，可以查詢商品信息，如價格、庫存等關鍵信息。店內條碼作爲商品條碼的補充，也具有很重要的作用，解決散裝食品、蔬菜等的標籤問題。店內條碼只能在自己的超市系統中使用。
   二維碼
   條碼攜帶的數據量畢竟較少，它所想表達的信息都依賴後端的數據庫。爲了表達更豐富的信息，二維碼的應用場景應運而生。當二維碼配合手機時，二維碼發展迅速。手機二維碼可以打印、顯示在廣告、書籍、車票、支付界面，用戶通過手機掃描二維碼，進行信息提取，或快速索引到交互內容的地址。

3. 射頻識別技術（RFID）
   射頻識別技術的工作原理如下圖所示。（內容來自百度，後期短距離通信會詳細寫一下）
   
   標籤進入閱讀器後，接收閱讀器發出的射頻信號，憑藉感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息（Passive Tag，無源標籤或被動標籤），或者由標籤主動發送某一頻率的信號（Active Tag，有源標籤或主動標籤），閱讀器讀取信息並解碼後，送至中央信息系統進行有關數據處理。
   閱讀器（Reader）發射一特定頻率的無線電波能量，用以驅動電路將內部的數據送出，此時Reader便依序接收解讀數據， 送給應用程序做相應的處理。 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：感應耦合及後向散射耦合兩種。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，是RFID系統信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和標籤之間一般採用半雙工通信方式進行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源標籤提供能量和時序。在實際應用中，可進一步通過Ethernet或WLAN等實現對物體識別信息的採集、處理及遠程傳送等管理功能