物联网里有什么

摘要:这是一片《物联网工程导论》的读书笔记,《物联网工程导论》这本书放在高校应该算作一门工科学生开卷考试课的参考教材,适合大三年级的学生阅读,不过更适合有过一定从业经验的人员阅读,书中所写内容侧重知识范围的广度和各学科之间的逻辑关系,而没有过多对技术原理深入的探讨,对于建立物联网知识结构帮助很大。

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物联网,这个词早已不陌生,自从《物联网“十二五”发展规划》颁布以来,社会上下对这三个字就疯了,尤其在各大高校率先启动落实,我曾就读大学的学院直接将院系名称更名为“物联网学院”,而许多工科院校也都开设了物联网专业或课程,这也难怪,因为高等院校负担着为国家培养输送物联网人才的重任。直到今天,互联网+、大数据、云计算、机器学习、区块链…各路新名词不断走上风口浪尖,而物联网的热度依然不减。虽说不减可仿佛又无法找到具体描述的产品形态,既没有AlphaGO一般惊动计算机围棋两届、也不像比特币一样引领数字货币新风尚,物联网这项庞大的系统工程伴融合着各种新名词润物细无声般深入到我们生活的每个角落。说物联网是一项系统工程,如同当年爱迪生虽然发明了电灯,更难的是他需要为社会建一张电网。这也正应了《物联网工程导论》扉页第一句话:“作为典型的交叉学科,物联网涉及的概念、原理、技术众多,在一本书中系统、清晰地展现其体系并非易事”。

物联网的体系结构模型共分为三大层次结构:感知层、网络层、应用层。(1)感知层是物联网的基础,是联系物理世界与虚拟信息世界的纽带,各类传感器、RFID标签与读写设备、智能手机、机器人都属于感知层的典型设备,就好比人的眼睛、鼻子、耳朵,通过这些器官去感受、获取外界的信息;(2)网络层主要负责为各类设备之间提供通信服务,也是物联网之所以称之为“网”的原因,网络层又分为接入层、汇聚层、核心交换层,涉及的组网方式与组网技术更加庞大,就好比人与人之间需要通过电话、邮件、聊天工具相互通信一样,物与物之间也需要通信;(3)应用层又进一步分为:管理服务层与行业应用层,管理服务层实现软硬件的无缝连接、通过对海量数据的存储分析与处理,为行业应用层提供网络管理和智能服务,行业应用层也是人们最容易体会的,就是通过物联网真正为人们解决了哪些问题,比如:交煤水电费不用跑营业厅、坐公交地铁只带一张公交卡而不用准备一堆零钱、开车进停车场甚至不用取卡直接自动识别车牌…无论你觉得这些算不算做物联网,物联网应用已经走进了我们的生活。全书也正是遵循这个结构模型,自下而上详细描述了各个技术的内容:

  1. RFID(Radio Frequency Identification,射频识别),利用低成本、低损耗的RFID标签让物品开口说话。说起让物品开口说话,我们同样用得多的技术还有条形码和二维码。RFID的应用范围非常广泛,公交卡、高速ETC、门禁卡、汽车钥匙、手机支付等都属于RFID的实现方式。
  2. 传感器主要是将外界感受到的各种“感觉”转换为计算机能懂的数字信号,最常见的电子秤、电子体温计、电子温湿度计、烟感报警器等都属于传感器的日常应用。与这些日常应用比起来,无线传感器就显得高端许多,首先它是无线的,其次它往往不单独使用而是通过众多无线传感器组成一张无线传感网来协同工作,最后它更多应用在阶段性的、环境较差的、不那么日常的场景,比如在战场上通过抛洒无线传感器自动组建无线传感网根据采集声波信息分析敌军的行进路线,再比如地震后通过无线传感网的部署辅助分析生命体征的定位。
  3. 嵌入式技术实现了将传统的分立器件与元件组成的电路板集成到具有同样功能的芯片,极大地降低了成本、提高了运算速度与效率,同时还为集成芯片提供嵌入式系统,实现了设备的智能化,相当于为设备安装了一个大脑,Linux、Android都是嵌入式系统的典型代表。平时接触的车载导航、VR眼镜、智能手机、智能手表以及各类机器人无不依赖于嵌入式技术的发展。
  4. 互联网技术奠定了当今信息化发展的基础,无论是在家休息还是在单位工作或是与朋友娱乐,都离不开互联网。而物联网可以看做是互联网的进一步延伸,需要满足更多类型的设备接入、提供更多类型的接入协议与接口规范。从采集数据的角度来看互联网与物联网的区别更加容易,互联网应用数据包括E-mail、FTP、Web、IPTV、电子商务、网络视频、网络游戏等,物联网应用数据包括物品名、物品编码、制造商、传感器温度、压力、声波、位置等,可以说互联网是为人提供服务的,而物联网是为物提供服务的。
  5. 移动通信技术改变了人们通信的方式,从模拟通信大哥大到GSM、3G、4G、5G…,无线信道资源开发的脚步从来没有停止过,为了迎合物联网设备产生数据低流量、高频率的特点,LoRa、NBIoT组网技术又将成为新的网络建设重点。
  6. LBS(位置服务),早已从车载GPS定位还要定期更新地图的时代,发展到如今无论是外卖订餐、出门打车、聊天交友、网上购物无不充斥着人们的生活。定位技术主要包括:GPS技术利用卫星空间距离定位,移动通信定位技术利用通信基站计算距离差定位,A-GPS结合GPS与基站特点高速定位,基于无线局域网技术的室内定位,基于RFID标签的签到定位、无线传感网信标节点定位。
  7. 数据处理技术是实现物联网智能控制的核心,只有从海量数据中通过汇聚、挖掘与智能处理,获取有价值的知识,为不同行业的应用提供智能服务才是真正要达到的结果。物联网数据的特点:海量、多态、动态、关联。海量是要理解物联网中接入的设备更多,产生数据的频率更快,数据总量也就更大;多态是指物联网中产生的数据类型不仅包括压力、震动、声音等传感器数据,还包括物品名、出产地、价格等属性数据;动态是要理解物联网中所采集的数据每时每刻都在发生变化,比如烟感报警、天气预警、交通状况…,都需要得到快速响应;关联是指物联网中的数据不可能是相互独立的,需要根据数据的各种组合分析内在关系、挖掘数据意义。由此可见云计算、数据挖掘、机器学习等研究都是为了物联网这四个特点寻找解决方案。
  8. 信息安全是个不可回避的话题,黑客们也早已从秀技术刷存在感的少年成长为有组织有纪律的犯罪集团。虽然数学家运用密码学来不断提高网络安全等级,但“安全性的弱点与数学‘毫无关系’,它们存在于硬件、软件、网络和人的身上”,就好比当今手机、银行卡交易验证已严格加密的情况下,每年还会有无数电信诈骗案。可见技术只是提供物联网信息安全的工具,围绕物联网不断完善社会体制、法律制度才是每一次技术改革对人类历史发展的最大贡献。

 

参考资料:

[1] 吴功宜, 吴英. 物联网工程导论[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012.

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