浅谈物联网的前世今生,物联网产生背景
作者 | 魔钥智能共享2022-01-01

物联网通过崭新的、不可思议的、有时甚至是令人恐惧的方式将人类与机器智能连接起来,这种联合可以帮助人们理解事物(包括人类、动物、车辆、气流、病毒等)之间运动的意义、识别各种关联并预测人类心智无法掌握的复杂模式,例如一座桥梁或道路的状态或者不同街区的大气物理状况。

物联网还可以支持无须人类监督就可以自动运行,并且可以通过改编基础算法提升智能水平的系统。

一、物联网的起源与发展

最广为人知的物联网起源,要追溯到1991年,剑桥大学特洛伊计算机实验室的科学家们常常要下楼去看咖啡煮好了没有,但又怕影响工作,为了解决麻烦,他们编写了一套程序,咖啡壶旁边安装了一个便携式摄像头,利用终端计算机的图像捕捉技术,以3帧/秒的速率传递到实验室的计算机上,以方便工作人员随时查看咖啡是否煮好,这就是物联网最早的雏形。
1993年,作为首个X-Windows系统案例,“特洛伊咖啡壶服务器”事件还被上传到了网上,获得了近240万点击量。

但真正意义上的物联网术语出现在1994年。

1994年麻省理工学院的Auto-ID中心的创始人之一凯文·阿什顿是第一个使用“Internet of Things”的人。

阿什顿对于物联网的想法集中在使用射频识别(Radio Frequence Identifier,RFID)技术将设备连接在一起的事实,这类似于今天的物联网,但与主要依赖于IP网络让设备交换的广泛信息显著不同,RFID标签提供的功能比较有限。

2005年,此时的物联网已经不再局限于RFID,已经扩展到任何物与物之间的信息互联,物联网的覆盖范围有了更大的拓展。

浅谈物联网的前世今生,未来会是什么样子?

如今,连接到物联网的各种类型的设备都很常见,从电视机到温控器,以及连接到互联网的汽车。

其中,云计算的发展发挥了至关重要的作用,使现代物联网成为可能。因为云计算用于存储信息,为处理分析数据提供了一个低成本、永远在线的方式。

价格便宜和高度可用的云计算基础设施可以很容易地运行物联网设备的存储和云计算任务。反过来,物联网设备可以更便宜、更精简、更灵活。

总体来说,物联网是一次技术的革命,它的发展依赖于一些重要领域的动态技术革新,包括射频识别(RFID)技术、无线传感器技术、智能嵌入技术、网络通信技术、云计算技术和纳米技术等。

同时,物联网设备为消费者带来了一个在线隐私的问题

这些设备不仅可以收集用户的姓名和电话号码的个人信息,而且也可以监控你在家中的一切或你午餐吃什么。

在发现有媒体对重大数据泄露事件进行披露之后,消费者对在公共或私有云上放置过多的个人数据是谨慎的,需要有更充分的安全隐私保护措施。物联网供应商在解决这些安全问题之后,才能使物联网设备充分发挥它们的全部潜力。

另外一个问题是,物联网技术的发展缺乏一个统一开放的标准,出现了很多私有、孤立的物联网技术,比如 SigFox、LoRaWAN等,这会阻碍物联网进一步发展与应用。标准化是任何一项技术广泛应用和拓展的必要条件,几乎所有在商业上成功的技术都要经历标准化阶段,才能实现更大的市场占有率。

浅谈物联网的前世今生,未来会是什么样子?

我们在理解物联网基本概念时需要注意以下几个问题。

(1)物联网是互联网的延伸与扩展

物联网是在互联网的基础上,利用射频标签与无线传感器网络技术,构建一个覆盖世界上所有人与物的网络信息系统。

人与人之间的信息交互和共享是互联网最基本的功能,而在物联网中,我们更强调的是人与物、物与物之间信息的自动交互和共享。

因此,我们可以认为:物联网是互联网接入方式与端系统的延伸,也是互联网服务功能的扩展。

(2)物联网实现物理世界与信息世界的无缝连接

图1给出了物理世界与信息世界无缝连接的示意图。从物联网概念出发,我们可以看到三个世界:真实的物理世界数字世界连接两者的虚拟控制的世界

真实的物理世界与数字世界之间存在着物的集成关系;物理世界与虚拟控制的世界之间存在着描述物与活动之间的语义集成关系;数字世界与虚拟控制的世界之间存在着数据集成的关系。

三者之间的集成关系共同形成了物联网社会的知识集成关系。

物理世界与信息世界的无缝连接

图1 物理世界与信息世界的无缝连接

我们可以将物联网理解:“物-物相连的互联网”、一个动态的全球信息基础设施,也有的学者将它称作无处不在的“泛在网”和“传感网”。

无论是叫它是“物联网”,还是“泛在网”或“传感网”,这项技术的实质是使世界上的物、人、网与社会融合为一个有机的整体。物联网概念的本质就是将地球上人类的经济活动、社会生活、生产运行与个人生活都放在一个智慧的物联网基础设施之上运行。

(3)连接到物联网上的“物”应该具有四个基本的特征

连接到物联网上的每个“物”应该具有四个基本的特征:地址标识、感知能力、通信能力和可以控制。

我们可以将这四个基本的特征理解为:

地址标识——你是谁?你在哪里?

感知能力——你有感知周围情况的能力吗?

通信能力——你能够将你了解的情况告诉我吗?

可以控制——你能听从我的指示吗?

在组建物联网应用系统时,我们首先需要给具有感知能力的传感器或射频标签(RFID)芯片编号,将编号后的传感器安装在指定的位置;将编号和物品的基本信息写入到RFID芯片中,再将RFID芯片贴到指定的物品上。

在物联网系统运行过程中,当传感器或RFID芯片移动时,我们能够通过无线网络与互联网随时掌握不同编号的传感器或RFID芯片目前所处的位置,能够指示传感器或RFID芯片,将它们感知的周边情况通过网络传送给我们,我们再利用计算机的智能,决定应该做什么。

因此,具有移动感知功能的物联网需要有三大关键技术来支撑,这三个关键技术是:感知、传输与计算。

终端感知和地址标识是物联网三大关键技术的基础,它们主要是通过RFID与传感器技术来实现的。

因此,支撑物联网中人与物、物与物之间自动信息交互的关键技术是RFID与WSN技术,它们将物理世界与信息世界整合为一个整体,对物联网中的人、设备、网络与信息进行处理、管理与控制时需要有功能强大的高性能计算机与安全的数据存储设备。

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(4)物联网可以用于公共管理和服务、企业应用、个人和家庭应用等三大领域

我们知道,互联网有很多种网络服务功能,如E-mail、FTP、Web以及IPTV等,很多的互联网网站购置了大量的服务器、存储设备和路由器、通信线路,提供各种网络服务功能,同时学校的校园信息服务系统、企业的电子商务系统、政府部门的电子政务系统都在互联网中运行,提供各种信息服务和信息共享功能。

同样,随着物联网的广泛应用,必然也会出现大量的物联网应用系统,如服务于制造业、物流业以及军队后勤补给的物联网应用系统,能够在提高产业核心竞争力方面产生重要的作用。

从感知层到网络层,再到应用层,物联网业务将在工业生产、精准农业、公共安全监控、城市管理、智能交通、安全生产、环境监测、远程医疗、智能家居等领域得到广泛应用。

因此,物联网可以用于三大领域,即公共管理和服务、企业应用、个人和家庭应用;物联网是由大量不同用途、符合不同协议标准的物联网应用系统所组成;物联网的功能体现在各种物联网应用系统所提供的服务上。

(5)物联网提供服务的特点

在物联网环境中,一个合法的用户可以在任何时间、任何地点对任何资源和服务进行低成本的访问。有的学者将物联网能够提供服务的特点总结为7A服务,即"Anytime Anywhere Af-fordable Access to Anything by Anyone Authorized"。

我们也可以将物联网提供服务的特点总结为:任何人(Anyone,Anybody)可以在任何时候(Anytime,Any context)、任何地方(Any place,Anywhere),通过任何网络或途径(Any path,Any Network)访问任何事(Anything,Any device)和任何服务(Any service,Any business)。

图2给出了物联网能够提供服务的特点示意图。

物联网提供服务的特点

图2 物联网提供服务的特点

(6)物联网孕育着巨大的产业发展空间

物联网是继计算机、互联网与移动通信之后的下一个产值可以达到万亿元级别的新经济增长点。

物联网的发展必然要形成一个完整的产业链,并能够提供更多的就业机会。

物联网的产业链应该包括三个部分:以集成电路设计制造、嵌入式系统为代表的核心产业体系,以网络、软件、通信、信息安全产业和信息服务业为代表的支撑产业体系,以及以数字地球、现代物流、智能交通、智能环保、绿色制造等为代表的直接面向应用的关联产业体系。

从长远技术发展的观点看,互联网实现了人与人、人与信息、人与系统的融合,物联网进一步实现了人与物、物与物的融合,使人类对客观世界具有更透彻的感知能力、更全面的认识能力、更智慧的处理能力。

二、物联网发展的社会背景

(一) 互联网与无线通信网络为物联网的发展奠定了基础

随着我国经济的高速发展,社会对互联网应用的需求日趋增长,互联网的广泛应用对我国信息产业发展产生了重大的影响。

截至2020年3月,我国网民规模达到9.04亿,互联网普及率达64.5%。

(二) 解决物理世界与信息世界分离所造成的问题,成为物联网发展的推动力

如果将我们生活的社会称为物理世界,将互联网称为信息世界的话,那么我们会发现:物理世界发展的历史远远早于信息世界,物理世界中早已形成了自己的生活规则与思维方式,尽管我们这些从事信息世界建设的人们希望将两者尽可能地融合在一起,但是物理世界与信息世界分开发展、互相割裂的现象明显存在,造成了物质资源的浪费与信息资源不能被很好地利用。

例如,由于我国电网管理与调度的智能化程度仍然不高,电能在传输过程中损失达到6%~8%;由于我国医疗信息化程度不够,患者的医疗信息不能够共享,每个患者辗转在不同医疗机构之间多花费的各种检查与手续费用平均多出1000元;由于物流自动化程度不高,每年的物流成本占我国GDP的比重高达20%,高出美国一倍;由于缺乏相应的监管手段,我国仍有大量工业废水与社会污水未经处理就排入到河流或湖泊中,加剧了全国城市的水环境恶化与可利用水资源的不足。

我国地震、水灾、冰冻灾害的发生,使得我们不能不集中精力,组织力量研究数字地质、数字煤炭技术,通过接入物联网,达到预防和减少地质灾害、天气灾害与生产事故所造成的人员伤害与经济的损失,提高抗灾救灾的能力。

以上数据和分析告诉我们一个现实,过去人类的思维方式一直是将物理世界的社会基础设施(高速公路、机场、电站、建筑物、煤炭生产建设)与信息基础设施(互联网、计算机、数据中心)分开规划、设计与建设,而物联网的概念是将人、钢筋混凝土、网络、芯片、信息整合在一个统一的基础设施之上,通过将现实的物理世界与信息世界融合,通过信息技术去提高物理世界的资源利用率、节能减排,达到改善物理世界环境与人类社会质量的目的。

(三) 社会经济发展与产业转型成为物联网发展的推动力

社会需求是新技术与新概念产生的真正推动力。

在经济全球化的形势下,商品货物在世界范围内的快速流通已经成为一种普遍现象。传统的技术手段对货物的跟踪识别效率低、成本高,容易出现差错,已经无法满足现代物流业的发展要求。

同时,经济全球化使得所有的企业都面临激烈竞争的局面,企业需要及时获取世界各地对商品的销售情况与需求信息,为全球采购与生产制定合理的计划,以提高企业的竞争力,这就需要采用先进的信息技术手段和现代管理理念。

另外,在节能减排方面物联网也有十分成功的案例。

以日本建筑物空调节能的设计为例,在日本的一幢大楼里安装了两万个联网的温度传感器,大楼里面不同的房间在不同的时间要求的温度不一样,传感器测量房间的温度,控制系统按照需要的温度对空调进行智能控制。

通过实验,这项技术节约的电能可达29.4%。有的IT公司办公室所有的灯光都是智能控制的,员工进入办公室之后,头顶上的灯自动打开;离开这个位置后,头顶上的光源则自动关闭。如果外面的阳光太过强烈,窗帘则自动拉下。各个光源都是通过自动感应设备连接到网络中的控制计算机,由计算机进行智能控制,这样可以做到最大限度地节约电能。

智能电网、电力安全监控也是物联网的一个重要的应用。

电力行业是关系到国计民生的基础性行业。电力线传输系统包括变电站(高、低压变压器,控制箱)、高压传输线、中继器、塔架等,其中高压传输线及塔架位于野外,承担电能的输运,电压至少为35kV以上,是电力网的骨干部分。

电力系统是一个复杂的网络系统,其安全可靠运行不仅可以保障电力系统的正常运营与供应,避免安全隐患所造成的重大损失,更是全社会稳定健康发展的基础。

在推进信息化与工业化融合的过程中,人们认识到:物联网可以将传统的工业化产品从设计、供应链、生产、销售、物流与售后服务融为一体,可以最大限度地提高企业的产品设计、生产、销售能力,提高产品质量与经济效益,极大地提高企业的核心竞争力。

浅谈物联网的前世今生,未来会是什么样子?

三、物联网发展的技术背景

计算机技术、通信与微电子技术的高速发展,促进了互联网技术、射频标签(RFID)技术、全球定位系统(GPS)与数字地球技术的广泛应用,以及无线网络与无线传感器网络(WSN)研究的快速发展,互联网应用所产生的巨大经济与社会效益,加深了人们对信息化作用的认识,而互联网技术、RFID技术、GPS技术与WSN技术为实现全球商品货物快速流通的跟踪识别与信息利用,进而实现现代管理打下了坚实的技术基础。

互联网已经覆盖了世界的各个角落,已经深入到世界各国的经济、政治与社会生活,已经改变了几十亿网民的生活方式和工作方式。

但是现在互联网上关于人类社会、文化、科技与经济信息的采集还必须由人来输入和管理。

为了适应经济全球化的需求,人们设想如果从物流角度将RFID技术、GPS技术与WSN技术与“物品”信息的采集、处理结合起来,如果从信息流通的角度将RFID技术、WSN技术、GPS技术、数字地球技术与互联网结合起来,就能够将互联网的覆盖范围从“人”扩大到“物”,就能够通过RFID技术、WSN技术与GPS技术采集和获取有关物流的信息,通过互联网实现对世界范围内的物流信息的快速、准确识别与全程跟踪,这种技术就是物联网技术。

四、物联网在中国

2009年8月7日,温家宝总理到中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察,在得知国内传感网核心技术还未达到全球最领先水平后,温总理表示:“当计算机和互联网产业大规模发展时,我们因为没有掌握核心技术而走过一些弯路。在传感网发展中,要早一点谋划未来,早一点攻破核心技术。”

温总理指出,至少三件事情可以尽快去做:

一是把传感系统和3G中的TD技术结合起来;

二是在国家重大科技专项中,加快推进传感网发展;

三是尽快建立中国的传感信息中心,或者叫作“感知中国”中心。

2009年11月3日,温总理发表了题为“让科技引领中国可持续发展”的重要讲话,在这次讲话中,物联网被列为国家五大新兴战略性产业(新能源、新材料、生物科学、信息网络和空间海洋开发)之一。要求“着力突破传感网、物联网关键技术,早部署后IP时代相关技术研发,使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机。”

2010年3月5日,温总理在十一届人大三次会议上做政府工作报告时指出:“要大力发展新能源、新材料、节能环保、生物医药、信息网络和高端制造产业。积极推进新能源汽车、‘三网’融合取得实质性进展,加快物联网的研发应用。加大对战略性新兴产业的投入和政策支持。”

这是“物联网”首次被写进政府工作报告,也意味着物联网的发展进入了国家层面的视野,已经被提升到国家战略。人们通常将2010年定位为物联网元年。

2016年,物联网再次受到国务院重视。

2016年3月5日,国务院总理李克强在做政府工作报告时强调“促进大数据、云计算、物联网广泛应用”。

2017年4月,工业和信息化部召开NB-IoT工作推进会,共同培育NB-IoT产业链,并要求年底建设基于标准NB-IoT的规模外场。

展望2021年,NB-IoT技术将孵化成熟为无处不在的蜂窝物联网覆盖,NB-IoT的良好前景无限拓展了信息通信的商用领域。

五、物联网特性与应用

(一)物联网特性

通常现代物联网分为三层,如图3所示。

感知层:感知层通过传感器和终端物联网芯片负责采集大量信息。

网络层:网络层提供安全可靠的连接、交互与共享,负责将感知层采集到的大量信息数据传输到应用层或第三方云端进行分析处理,并向终端回传指令等相关信息。

管理与应用层:应用层对大数据进行分析,提供开放的云服务平台,供第三方进行商业决策与服务。

物联网技术架构

图3 物联网技术架构

通常,物联网具备以下几大特点与要求,如图4所示。

  • 超强覆盖:覆盖增强20dB,达到MCL=164dB。

  • 超大容量:支持大规模连接,100k终端/200kHz小区。

  • 超低功耗:10年电池寿命。

  • 超低成本:5~10美元/终端。

  • 较低速率:10~100kbps。

  • 时延容忍:1~10s。

物联网特性要求

图4 物联网特性要求

低功耗广域网(Low-Power Wide-Area Network,LPWAN)物联网有两个关键点:

  • 低功耗;

  • 广域覆盖。

简单来说,LPWAN物联网技术就是在省电的情况下,实现长距离和深度覆盖的无线通信网络技术。

(二)物联网应用

物联网应用可根据速率、时延及可靠性等要求,主要可分为三大类。

场景一:低时延、高可靠性业务。该类业务对吞吐率、时延或可靠性要求较高,其典型应用包含车联网、远程医疗等。

场景二:中等需求类业务。该类业务对吞吐率要求中等或偏低,部分应用有移动性及语音方面的要求,对覆盖与成本也有一定的限制,其典型业务主要有智能家防、可穿戴设备等。

场景三:低功耗广域覆盖业务(Low Power Wide Area,LPWA)。LPWA业务的主要特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、要求广(深)覆盖及大容量,其典型应用包含抄表、环境监控、物流、资产追踪等。

下表列出了详细的物联网应用场景。

物联网应用场景

物联网应用场景

物联网应用场景

物联网应用场景

六、工业互联网

物联网的核心是工业互联网,它提供了支撑联网机器和数据的基础设施。这个词语通常被认为是由制造业巨头美国通用电气公司提出的,指机器与实现物联网的传感器、软件和通信系统的整合。

工业互联网统筹了诸如大数据、机器学习和机器对机器等领域中的技术和工序。

一些人将这种联网的商业世界称为工业4.0,将其视作第四波颠覆性的工业创新(之前的三波包括机械化、大规模生产及计算机和电子学发明),或者直接称之为智能工业或智能制造。

毫不奇怪,不同的企业为这种新现象起了不同的名称。例如,IBM将其描述成智慧的地球,而思科系统简单地称之为物联网。

不管具体的名称是什么,科技和商业的下一阶段所具有的结构框架基本相同。工业互联网和物联网拥有相同的科技根基和相同的虚拟空间,尽管前者被视为一种独特的实体或物联网组成部分。

但是这两者有一个共同目标——混合与模糊物理世界、虚拟世界以及人类与机器的分野,从而创造出比任何单独的机器或设备都要强大很多的智能。

如今工业互联网的重点还是智能效用度量工具、车辆及资产追踪以及优化工厂、设施和机器的性能。不过,未来几年,现有的数字化设备将以更深更广的方式与机器互联。

正如麦肯锡公司发表的《物联网》(The Internet of Thing )报告所述:

随着创造价值的新方式的出现,基于目前基本上为静态信息架构的商业模式将面临挑战。如果顾客的购物偏好在特定地点能被实时感知到,动态定价就有可能提高顾客做出购买决定的可能性。

理解一种产品使用的频率或强度可以提供更多种选择——例如有些产品可能更适合按使用次数收费而不是进行直接售卖。在制造工序中设置一批传感器就能实现更精确的控制,提高效率。

而且,当运行环境时刻处于监控之下以防范风险或以便人们能够采取纠正措施避免损害时,风险和成本都能降低,能够利用这些功能的企业就比那些没有利用这些功能的竞争对手更能获益。

七、AIOT是未来的方向

人工智能经过60多年的技术演进,呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征,成为新一轮产业变革核心驱动力,其溢出效应明显,促使着全球企业不断深入挖掘人工智能技术的落地场景应用。

全球人工智能市场将在未来几年经历现象级的增长,2017-2025年CAGA达30%。从万物互联到万物智联,AI+IoT助力催生新蓝海。

从产业生态的角度看,AI已在物联网多个层面融合,具备终端侧AI、边缘侧AI、云端AI能力架构。

AIoT的发展路径依次为单机智能、互联智能和主动智能,包括智能家居在内的大部分物联网应用场景目前尚处于第一阶段,未来成长空间巨大。

预计2024年全球AIoT市场规模将增长至162亿美元,CAGR约为26.0%。

物联网是波澜壮阔的数字化革命的第二波浪潮,此次革命发端于20世纪七八十年代人们对于电脑的广泛应用。

而且,跟所有的革命一样,此次革命也会产生大量的胜者和败者。物联网将带来新的产品和服务,将完全废弃掉许多现存的供应品。这项技术将使一些岗位消失,但也会带来新的行业。

物联网可以深入到远远超越人类视觉、听觉、嗅觉和意识能力的,难以被察觉且常常是无形世界中所存在的缝隙角落之中。

同时,物联网会带来关于安全、隐私以及我们如何适应数字化生活等新的挑战和问题。

它将必然会在社会成员间引发新的争辩和争论观点,同时也提出关于数字化富人与数字化穷人的更深层次问题。

技术历史中不乏粗劣的用户界面、难懂的操控装置和性能失灵的例子,任何技术的成熟都需要时间来调整、校正和修理。


参考资料:

[1] 《5G物联网及NB-IoT技术详解》江林华 著

[2] 《智慧的物联网:感知中国和世界的技术》吴功宜 著

[3] 《物联网》塞缪尔·格林加德 著;刘林德 译

[4] 《2020-2026年中国物联网行业市场现状调研及市场发展前景报告》智研咨询


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2022-01-01