“物聯網”似乎已經聽說過，您的工程頭腦中一定有一些問題揮之不去。

– 什么是物聯網 (IOT) ？

– 為什么流行？

– 物聯網將如何影響未來？

– 哪些組織正在開發物聯網技術，他們的興趣是什么？

– 物聯網對開發人員意味著什么？

– 哪些硬件、軟件和服務屬于物聯網？

– 物聯網道路上的主要挑戰是什么？

為了進一步增加您的胃口，值得一提的是，物聯網、云服務、大數據等是相互關聯的東西。

本教程是對其中一些問題的適度嘗試。通過本教程，將從用戶、企業、開發人員和服務提供商的角度等不同的角度來看待物聯網。將檢查物聯網中涉及的硬件和軟件。將通過現實生活中的例子說明物聯網的重要性和影響，并研究物聯網發展中的挑戰。所以，準備好兜風吧。我們走吧。

什么是物聯網？

互聯網現在無所不在，無時無刻不在。到 2016 年，全球 47% 的人口已連接到互聯網。智能手機和智能小工具對此做出了更大的貢獻。以智能手機的形式，現在每個人的口袋里都有一臺便攜式和互聯網連接的電腦。隨著成千上萬的應用程序的使用，互聯網已成為一種日常現象，也是現代生活中的必備品。隨著“物聯網”的興起，現在不僅僅是電腦和智能手機，我們使用的每一種可能的東西都將啟用 IT。

“物聯網”一詞已由不同的組織以許多不同的方式定義。有許多組織正在努力為物聯網開發標準和技術。讓我們看一下這些標準組織中的一些規定的物聯網定義，以簡要了解它。

根據ITU-T（國際電信聯盟）的定義，物聯網被定義為：信息社會的全球基礎設施，通過基于現有和不斷發展的可互操作信息和通信技術互連（物理和虛擬）事物來實現高級服務。

根據IEEE（電氣和電子工程師協會）的定義，IOT 被定義為：一個項目網絡——每個項目都嵌入了傳感器——連接到互聯網。

根據ETSI（歐洲電信標準協會）：機器對機器通信是兩個或多個實體之間的通信，不一定需要任何直接的人工干預。M2M 服務旨在自動化決策和通信過程。

根據OASIS（結構化信息標準促進組織），IOT 被定義為：定義互聯網通過無處不在的傳感器連接到物理世界的系統。

這些定義是全球公認的標準定義。對于普通人來說，上述定義可能有點難以理解。所以為了一個共同的理解，IOT的一個簡單定義可以如下：

“物聯網是指 IT 基礎設施與物理世界的集成，其中幾乎所有設備和電器，即我們使用的東西，都連接到（互聯網）網絡。”

因此，隨著信息技術的這種集成，日常使用的一切都變得相互連接并連接到互聯網。就像家用電器可以通過智能手機控制和操作，安全攝像頭和鎖可以從世界任何地方訪問，雨傘可以感知天氣狀況并提醒出門前必須帶上，****帽開始閃爍表示該服用劑量等。因此，基本上每一種常用物品（如家用電器、汽車、車輛、能源網絡、健康小工具和日常使用中的每一種可能的商品）都嵌入了軟件智能，相互連接并連接到互聯網平臺，使這些常見的對象以自己的方式變得更智能、更好和智能。

圖 1：物聯網的概念

通過 IT 支持，這些常見對象變得智能和智能。這些需要與 IT 基礎設施相集成，他們可以使用互聯網發送、接收和交流信息。物聯網保護傘下的所有這些東西都不是通用計算機、智能手機或平板電腦。這些是帶有嵌入式電子設備的日常使用對象，通過從物理世界、其他設備或 IT 平臺（云）感應或收集信息，它們可以智能地發揮作用。這些東西服務于特定目的，它們嵌入了電子設備、傳感器以及與其他設備或云平臺的連接。

物聯網的目的不僅僅是通過互聯網連接來解決的。事物必須能夠與物理世界交互。為了與物理世界的交互，這些東西被提供了傳感器和執行器。傳感器和執行器是有助于與物理環境交互的設備。傳感器從周圍環境收集數據，就像溫度傳感器感應周圍環境的溫度一樣。同樣，智能手機中的 GPS 位置接收器和加速度計也是傳感器。洗衣機有水位傳感器，冰箱有恒溫器來感應冰箱的溫度。傳感器的例子不勝枚舉。

物聯網對象通過傳感器感知和收集數據后，將其發送到網絡或云端的邊緣。這些對象可以通過各種接口連接到云/網絡，如Wi-Fi、藍牙、Zigbee、GPRS 或以太網。在云服務器上，數據被存儲然后處理。該處理可以像檢查讀取溫度是否在用戶定義的可接受范圍內一樣簡單。

數據在云服務器上進行處理以供決策。就像如果傳感器讀取的溫度高于正常溫度，空調必須打開。決策必須在執行器的幫助下在物理世界中實現。這可以通過直接通過云服務器控制 AC 或向用戶發送她需要打開 AC 的警報來自動完成。

傳感器、網絡接口、云服務器和執行器共同構成了物聯網框架的核心基礎設施。這些是物聯網的構建塊，可以使最常見的人類使用對象啟用 IT。

圖 2：物聯網的通信模型

為什么物聯網是趨勢？

物聯網被視為第四次工業革命。第三次工業革命伴隨著信息技術及其對生產自動化的使用。而且，現在第四次工業革命將伴隨著互聯網技術及其在無數方法和應用中的應用而來。有了“萬物互聯”的理念，人類的生活將變得更加智能和輕松。

物聯網將成為人們 IT

比如舉個簡單的例子。假設你出站了，所以你鎖了你的家。在你不在的時候，你的父母來看你，但他們發現你的家被鎖了。現在假設如果您的家通過物聯網實現自動化，并且您可以通過互聯網訪問您家的門鎖，那么您可以從很遠的地方打開門鎖，這樣即使您不在，您的父母也可以呆在那里。這將是物聯網的力量，以及它如何影響人們的生活方式。

IOT 被認為是人 IT，普通人可以通過智能小工具訪問信息世界，并在一秒鐘內滿足他們的各種個人和專業要求。這可以通過無處不在的連接、日常物品的智能數字化和響應迅速的實時信息基礎設施來實現。

大數據在玩

物聯網提出了一個技術概念，其中每個常見的事物都與互聯網集成，并具有智能嵌入式電子設備以實現更好和增強的功能。其次，它設想日常使用的對象與云服務連接，它們可以實時交換數據。

任何云平臺都將連接數十億臺設備，數以萬億計的傳感器將從世界各地收集信息。這將是來自被動、主動和霧設備的海量數據。這開辟了大數據分析的另一個領域。

物聯網設備收集的數據將有助于企業獲取業務信息并調整業務運營模式以實現更好的服務質量（QoS）和體驗質量（QoE）。物聯網時代的產品將與不同的服務平臺連接，這些服務平臺將具有自適應應用程序，以改善和定制用戶體驗。有許多服務架構，如面向服務架構 (SOA)、面向資源架構 (ROA)、模型驅動架構 (MDA)、事件驅動架構 (EDA) 和微服務架構 (MSA)，以涵蓋范圍廣泛、數據種類繁多物聯網系統的可變性和可擴展性。

同時，增強的消費者體驗將被很好地抽象化，因此物聯網設備所使用的服務的實現對最終用戶來說仍然是隱藏的。

企業級物聯網

任何物聯網平臺都將與所有企業級應用程序集成，從而使生產和服務變得復雜并適應最高要求。例如，制造工廠的生產線將與企業資源規劃 (ERP)、供應鏈管理 (SCM)、知識管理 (KM) 和客戶關系管理 (CRM) 應用程序集成。通過這樣的整合，工廠的生產可以得到最好的優化，以最大限度地利用資源，根據客戶的需求和供應可行性增加或減少產量，并且可以根據客戶的實時反饋改進或定制產品。

物聯網作為下一代網絡

最初的網絡（Web 1.0）是為了閱讀信息而開發的。這演變成 web 2.0，它是一個社交網絡，不僅意味著讀取信息，還意味著寫入信息。物聯網將把網絡發展到網絡 3.0，其中信息不僅可以被讀取、寫入，而且還可以鏈接到多個來源、服務和應用程序。這將是一個語義網，它將通過自動搜索提供相關和正確的信息。它不會止步于此，并將把網絡帶到下一個版本——Web 4.0，在該版本中，可以實時提取和交付信息，同時具有相關性和可操作的洞察力。

行業預期

全球行業對物聯網寄予厚望。根據最近的一份報告，可穿戴技術將成為消費物聯網的重要組成部分。2015 年全球出貨量約為 8000 萬臺可穿戴設備。據IDC稱，預計到 2019 年這一數字將超過 2.14 億臺。市場上已經有很多初創公司，如IOTEX Systems、Leaf Wearable、Salted Venture等，都在致力于物聯網可穿戴技術。Like Leaf Wearable 正致力于為女性安全開發智能首飾。另一家初創公司 Cicret 正致力于開發基于觸摸和投影的手環，這將是傳統智能手機的絕佳替代品。

未來幾天，連接物聯網設備的價格將非常便宜——在某些情況下每月低至 50 美分。低成本將來自物聯網設備所需的最少傳輸數據。

根據麥肯錫的數據，到 2025 年，物聯網行業的價值將高達 11 萬億美元，而根據思科的數據，屆時將達到 19 萬億美元左右。不管哪個是對的，企業都會有很多機會從這個巨大的市場中賺錢。未來五年將有近 6 萬億美元用于物聯網解決方案。

世界各國政府都致力于提高生產力、降低成本和改善本國的生活質量。公共部門將成為物聯網生態系統的第二大采用者。

物聯網將造福于所有人——創造者、行業、企業和消費者。每個人都會以一種或另一種方式受益。

將物聯網理解為開發人員

物聯網系統的開發是一項復雜的任務。它可能涉及以下兩個或多個方面——

智能設備——物聯網設備是智能設備，其中可能嵌入了一個或多個傳感器和執行器。傳感器和執行器可以通過控制器或處理器連接。該設備必須具有有線或無線通信接口才能與其他設備或互聯網連接。

機器對機器通信——機器對機器通信是物聯網設備的主要特征。任何物聯網設備都需要與其他設備、電子標簽、貼紙、智能手機、小工具或計算機進行交互。通信技術也正在經歷巨大的轉變，通過提高數據傳輸率和同時實現多個通道的數據通信來滿足物聯網設備的通信需求。對于無處不在的設備到設備 (D2D) 集成，標準機構、政府部門、電信和 IT 公司、服務提供商、系統集成商和企業齊心協力，以實現物聯網生態系統。在這樣的生態系統中，無數的嵌入式設備將聯網在一起，并通過多個渠道以高速數據進行交互。

設備到云集成——物聯網設備只能通過連接一個或多個服務接口來啟用服務。這需要設備到云 (D2C) 的集成。通過連接到不同的服務接口，物聯網設備可以公開和請求它們的功能。通過網絡和云支持，設備可以充當服務提供實體，其中服務的實際實現隱藏在服務接口后面。許多設備可以組合和協調在一起，以高效、同步地完成任務。此外，通過設備到云的集成，可以通過一個通用平臺維護、監控、更新和操作大量設備。為實現高效的設備到云集成，開放服務網關倡議 ( OSGi) 模型正在開發中，并將被證明是實現物聯網生態系統的轉型里程碑。

全球已經有許多設備特定的云平臺和專用網絡為數百萬的物聯網設備提供服務。不同的云架構正在開發用于設備特定應用程序、大數據分析、關鍵操作和智能手機服務。毫無疑問，設備到云的集成是任何物聯網系統最重要的方面，沒有它甚至不能歸類為物聯網范式。

平臺即服務——物聯網的真正力量只能通過基于云的集成平臺來體現。典型的平臺即服務 (PaaS) 解決方案需要針對物聯網進行優化和增強，以便它們能夠管理數百萬臺設備、實時收集和交換數據、管理大量設備之間的特定目的交互，并能夠成功地與企業應用程序集成比如企業資源規劃（ERP）、供應鏈管理（SCM）、知識管理（KM）和客戶關系管理（CRM）。

云到云集成——云服務提供商 (CSP) 的云中心位于不同的地理位置。通過實施以云為中心的平臺和實踐，典型的數據中心正在向云中心演進。新興的云中心可能一起提供云基礎設施、平臺和應用程序，也可能只是提供云基礎設施。一些流行的云管理平臺包括VMware 解決方案、OpenStack Distributions、Apache Cloudstack、BMC 軟件、Citrix Cloud、Rackware、IBM Bluemix Cloud、Microsoft Cloud、Cisco Systems、Oracle Enterprise Manager 等。這些平臺集成了內部和外部系統來管理多云服務。這些平臺負責將本地云與私有托管云、公共云服務（如 Microsoft Azure、IBM Bluemix、谷歌云平臺、亞馬遜網絡服務等）、企業管理系統和服務自動化應用程序集成。在新興趨勢中，相同的云服務由具有不同服務級別協議和運營級別協議的多個 CSP 提供。因此，這需要云編排，其中可以利用和聚合多個云和服務以生成復合數據、流程、服務或應用程序。為了實現云編排，現在正在開發稱為云服務代理 (CSB) 的專用軟件解決方案。

物聯網技術

有許多突出的技術將在未來物聯網系統的發展中發揮更大的作用。其中一些技術是——

電子小型化——微米級和納米級電子元件和電路的發展將使電子元件嵌入到越來越多的物體中。因此，未來的集成電路將在物聯網系統的發展中發揮主要作用。

數字化——借助標簽、貼紙、信標、芯片、控制器、可穿戴設備、植入物和傳感器對盡可能多的物體進行數字化，這將有助于實現真正的物聯網生態系統。

通信技術——未來的通信技術，如 5G、低功耗藍牙、近場通信 (NFC)、RFID、LoRa WAN 等，將使設備到設備和設備到云的通信更加快捷高效。

云和大數據——物聯網生態系統將處理海量數據，并將實時進行知識工程。因此，大數據分析和數據挖掘實踐將在物聯網系統的運行中發揮至關重要的作用。

物聯網生態系統

由于其可擴展性和多功能性，物聯網將以全球生態系統的形式出現。物聯網將為現有的計算機和通信設備互聯世界添加大量傳感器和執行器。物聯網系統是有目的的發展，顯然只能通過應用程序域來簡化。通過應用，可能有以下物聯網生態系統——

– 工業物聯網

– 消費者物聯網

– 社交物聯網

– 語義物聯網

– 認知物聯網

工業物聯網——制造公司正在迅速采用物聯網。物聯網使制造設備能夠實時通信，以檢測制造故障、提高效率和增加產量。從設備收集的數據可用于改進和增強產品、更好的自動化和改進資源規劃。物聯網能夠將尖端技術嵌入自然語言處理、機器學習和人工智能等產品中，這將極大地提升未來的客戶體驗。一些新興的工業物聯網系統包括AWS IOT和AutoDesk SeeControl。

消費者物聯網——在這個物聯網生態系統中，公司生產的產品被設想為數字資產。提供給消費者的產品將具有先進的人機界面電子設備和應用程序，以便與客戶互動并接收反饋。下一代產品將能夠監控客戶行為并相應地調整服務和應用程序。這些設備將配備生物識別系統，因此只能由經過身份驗證的用戶使用。從消費設備收集的數據不僅可以調整服務和應用程序，還可以改善收入模式、供應鏈和產品質量。

社交物聯網——在物聯網的幫助下，下一代小工具和智能手機將更具情境感知、適應性和可靠性，通過不同的應用程序實現更好的社交網絡。

語義物聯網——設備到設備的集成是物聯網的基本特征。設備數量越多，它們可以相互通信的方式越多，就可以開發出更好的物聯網系統。就像車、人、車位可以進行某種交流一樣，人的交通資源和時間可以得到更有效的管理。此外，運輸資源將變得易于獲取和追溯。對于人和設備之間的這種上下文感知通信，需要語義技術。這種語義技術將包括語義注釋、本體、資源描述框架等。在語義物聯網生態系統中，異構設備能夠以高度的互操作性相互通信，從而實現各種設備的集成體驗。

認知物聯網——通過整合自然語言處理、圖像分析、視頻分析、文本分析和機器學習，可以開發具有強大感知能力和人工智能的物聯網生態系統。

現實生活中的物聯網應用——

物聯網將變得非常重要，因為它將幫助人們顯著改善他們的生活、工作和學習方式。物聯網帶來了一個令人信服的承諾，即通過自動化任務為個人提供更多時間，并通過更好地利用數據來提高業務生產力。簡而言之，物聯網讓我們變得更加主動，反應更少。

物聯網已在智能家居、智能建筑、旅游和運輸、醫療保健、零售、家禽和養殖等各個行業和領域得到應用。工業物聯網也在改變自動化和物流。

圖 3：物聯網的生態系統

一些流行的物聯網應用如下 -

1) 智能家居——家庭局域網（HAN）和智能家居正在成為新趨勢。幾乎每個人都希望他/她的家能夠完全自動化，大多數家庭操作都可以在沒有任何人為干預的情況下完成。有許多公司和初創公司正在研究智能家居物聯網產品。這些公司的目標是提供能夠智能地管理時間和能源資源的低成本產品。智能家居產品正在開發的另一個維度屬于家庭安全和門禁系統。飛利浦、海爾、Nest、Ecobee、Ring、August 等公司被視為提供智能家居物聯網產品和解決方案的家喻戶曉的品牌。

[視頻****：
https://youtu.be/NjYTzvAVozo]

2) 可穿戴設備——繼智能手機之后，新的風潮是智能可穿戴設備。智能首飾、手鐲、智能手表、手環甚至衣服都將成為新時尚。這些可穿戴設備安裝有傳感器和軟件，可收集有關用戶的數據和信息。這些數據稍后會進行預處理，以提取有關用戶的基本見解。這些可穿戴設備類別廣泛涵蓋健身、健康、電信和娛樂需求。可穿戴應用的物聯網技術的先決條件是超低功耗和小尺寸。在過去幾年中，可穿戴設備的需求呈爆炸式增長。蘋果、Fitbit、三星、華為、Blend Style & function、IOTEX、Leaf wearable、Salted Venture等公司正在開發基于物聯網的可穿戴產品。

【視頻****：
https://youtu.be/h8-TAqzYrno】

3) 智慧城市——智慧城市是通過物聯網演化而來的現代城市新概念。智能監控、自動化交通、智能能源管理系統、配水、城市安全和通過電子監控實現的環境保護都是智慧城市物聯網應用的例子。智慧城市的概念已被政府迅速采用，各種公共部門組織現在正在與物聯網供應商和 IT 公司合作，使城市變得更加智慧。

智慧城市旨在解決生活在城市中的人們面臨的主要問題，例如污染、交通管制、水和電力短缺等。傳感器和網絡應用程序將在智慧城市解決方案中發揮重要作用。Evreka、Bigbelly等是一些提供智慧城市解決方案和服務的公司。

[視頻****：
https://youtu.be/Br5aJa6MkBc]

4) 智能電網——智能電網的概念在全世界變得非常流行。未來的電網不僅足夠智能，而且高度可靠。假設，如果一個人能夠通過節省房子的電費來節省她20％的錢，那么一年將節省很多。消費者還可以通過預付費能源充值來調整能源消耗。智能電網的物聯網概念包括智能計量、使用高效智能電器、可再生能源和節能資源。智能電網背后的基本概念是以自動化方式遠程收集數據并分析電力消費者和供應商的行為，以提高電力使用的效率、可靠性和經濟性。

【視頻****：
https://youtu.be/JwRTpWZReJk】

5）工業互聯網——工業物聯網（IIoT）或工業互聯網將徹底改變制造過程。它將包括跟蹤貨物的應用程序、供應商和零售商之間關于貨物目錄的實時信息交換以及自動交付以提高行業供應鏈效率。據通用電氣稱，物聯網對工業生產力的提高將在未來 15 年內為全球創造 10 萬億至 15 萬億美元的 GDP。

【視頻****：
https://youtu.be/8NGzrtK7eV0】

6) 聯網汽車——借助聯網汽車技術，車輛將能夠使用傳感器技術以自動化方式優化其運行。這些汽車將能夠相互通信以避免發生事故。這些汽車還可以與停車傳感器進行通信，以找到正確停車的可用性和幫助。大多數大型汽車制造商以及一些初創公司都在研究聯網汽車解決方案。特斯拉、寶馬、蘋果、谷歌等主要品牌目前都在這個領域工作。

【視頻****：
https://youtu.be/0HxZuQ0woLY】

7) 農業物聯網——隨著世界人口的日益增加，對食品供應的需求也在增加。政府正在幫助農民使用先進的技術和研究來增加糧食產量。智能農業是物聯網發展最快的領域之一。物聯網傳感器將向農民提供有關作物產量、降雨、蟲害和土壤營養的信息，以改進耕作技術并獲得生產產出。

【視頻****：
https://youtu.be/q0FnMD2_0Fw】

8) 智能零售——在今天的場景中，智能零售在物聯網市場的零售領域發揮著關鍵作用。智能零售系統將為零售商提供一個健康的機會，與消費者聯系，根據客戶需求提供商品。零售商可以通過智能手機與客戶互動。信標技術將在智能零售物聯網中發揮重要作用。使用 Beacon 技術，零售商可以更好地了解他們的客戶，并可以根據他們的特定需求為他們的客戶服務。他們還可以跟蹤客戶通過商店的路徑并改進商店架構。

[視頻****：
https://www.youtube.com/watch?v=vTGw_hAjTZc]

為什么物聯網如此具有挑戰性？

由于面臨多重挑戰，開發成功的物聯網應用并非易事。這些挑戰包括：移動性、可靠性、可擴展性、管理、可用性、互操作性、安全性和隱私性。其中一些挑戰如下所述——

1) 設備管理——Gartner估計，到 2020 年，除了智能手機、平板電腦和 PC 之外，將有超過 250 億“物”連接到互聯網。傳感器、設備和網關的數量將非常龐大，它們將分布在地理上分散的大型地點。確保設備完全自動化且可遠程管理是一項挑戰。

管理所有設備并密切關注故障、配置并監控如此大量設備的性能和安全性絕對是物聯網的挑戰。服務提供商將需要管理其互連設備的故障、配置、性能和安全性，并且每個方面的責任將是他們的主要責任。

2) 硬件挑戰——今天，硬件方面的主要挑戰是所需硬件的價格和可用性。這是阻止大多數公司和最終用戶擁有更多“連接對象”的主要原因之一。硬件的一些主要問題是：

–電池壽命：大多數物聯網設備將由電池供電。此外，這些設備將需要始終保持與互聯網的連接。因此，他們將不斷消耗電力。開發更好的電池和管理電池電量是物聯網產品開發中的主要硬件挑戰。

–硬件尺寸：對于物聯網設備來說，緊湊和小型是很重要的。因此，它們的尺寸需要使用當前可用的集成電子設備進行優化，以適應它們的目的、用途和應用。

3) 互操作性——互操作性意味著異構設備和協議需要能夠相互協作。由于物聯網系統中使用了大量不同的平臺，這具有挑戰性。互操作性應由應用程序開發人員和設備制造商共同處理，以便在不考慮 IOT 設備的平臺或硬件規格的情況下提供服務。

4) 數據安全和隱私——從傳感器發送到網絡的數據可能是用戶的個人數據，需要防止未經授權的訪問。用戶必須擁有個人訪問其數據的所有授權權利和政策，這些數據不得與任何第三方共享。盡管用戶自己應該有權將數據共享到她想要的任何地方。隨著市場日益適應物聯網，安全和隱私正成為用戶關注的主要問題。用戶顯然希望私下共享數據，因為還有許多黑客和竊聽者希望不道德地訪問他們的私人數據。個人訪問數據應該有身份驗證、授權和傳輸層安全性，否則數據將直接暴露給各種攻擊者。

5）尋址和識別——由于數以百萬計的智能設備將連接到互聯網，它們必須通過唯一的地址進行識別，并在此基礎上相互通信。為此，每個智能對象都需要一個大的尋址空間和唯一的地址。

在下一個教程中，我們將了解 IOT 基礎設施。