物联网产业全景解析

物联网产业全景解析庄子将天地万物与人平等对待，打破了“以人类为中心”的桎梏。如果说互联网 是以“人的需求”为中心构建的，那么物联网，则真正实现将人与万物并列，实 现人与物，物与物的网络沟通。网联天下，智慧万物就是物联网的终极目标。1物联网是什么？有的人说，物联网就是传感器；有的人说，物联网就是5G，NB-IOT ;还有的 人说，物联网就是大数据；也有的人说，物联网就是智慧地球，智慧城市，智能 交通，智能家居；也有的人说，平安城市，天网工程，雪亮工程就是物联网；甚 至还有的人说，物联网和人工智能差不多。物联网的概念最早于1999年由美国麻省理工学院提出，英文名为Internet of Things，即“物物相连的网络”。从物联网的本质上看，物联网是把任何物体 的任何测量量，变成一串数字，然后利用网络传送出去，进行分析处理，然后支 撑相关应用的数据转换过程。2物联网感知层技术的发展趋势物联网区别于互联网的本质在哪里？对，是感知层。感知层的基础又是传感器。其实，传感器大家天天在使用，手机上，汽车上都有大量的传感器。上世纪50年代，在欧美等国的军事技术、航空航天领域的试验研究过程中，传 感器技术开始发展。20世纪70年代开始，利用半导体、电介质、磁性材料等固体元件的某些特性， 利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光 敏传感器等。这就是固体传感器时代。结构传感器和固体传感器均属于模拟传感 器阶段。70年代末，随着集成技术、微电子技术及计算机技术的发展，出现了 集成传感器。集成传感器功能多，成本低，性能良好。这个阶段传感器技术开始 从模拟向数字方向发展。20世纪80年代彳微型计算机技术与检测技术相结合产生了智能传感器。一开始，把信号转换电路和微计算机、存贮器及接口集成在一个芯片上，和传感器结合在 起，就是智能传感器，具有检测、数据处理以及自适应能力。90年代后，智 能化测量技术促使传感器本身实现智能化，具有了自诊断功能、记忆功能、多参 量测量功能以及联网通信功能等。进入21世纪，计算机技术的飞速发展，大幅提升了信息处理效率。LTE、5G的 NB-IOT等无线通讯技术快速发展，提升了信息传输的效率。传感器新材料、新 工艺、新应用的不断出现，检测技术、控制技术得到了发展，信息采集能力、测 量精度和可靠性得到了根本上的提升；与此同时，传感器在进一步微型化、网络 化。几种趋势合在一起，促进了物联网感知技术的进一步成熟，如下图所示。现代传感器正从传统的单一功能朝着集成化、无线化、网络化、数字化、系统化、 微型化、智能化、多功能化、光机电一体化、无维护化的方向发展，与此同时， 传感器的功耗将越来越低，精度和可靠性将越来越高、测量范围将越来越宽。受益于5G基础通讯网络的建设，受益于物联网终端种类的持续增长，受益于物 联网各场景应用需求的暴增，有权威机构预测，到2025年，全球物联网连接数量达1000亿个。未来10年，物联网将有上万亿元的市场，其产业规模将比互 联网大数倍。前景如此可观！进入物联网时代为了匹配各种应用场景，传感技术呈现出了以下新的发展趋势：（1）开发和应用新的传感器材料传感器技术升级换代的重要推动力就是新材料的应用。新型的光电传感器的敏感 材料，具有检测距离远、分辨率高、响应快、检测物体范围广等特点；生物敏感 材料由于其选择性好、灵敏度高、成本低，在食品、制药、化工、临床检验、生 物医学、环境监测等方面有着广泛的应用前景；新型的纳米材料促进了传感器向 微型方向的发展。随着未来物联网应用场景的不断拓宽，人们将会开发出更多优 质的传感器新材料，新材料的应用水平将会不断提升。（2）提升传感器的集成度传感器集成度的提高有两个方向：一个是在同一个芯片上集成很多类型的传感 器；另一个是传感器与后续其他功能电路的集成化。这两个方向，都是传感器的 多功能化方向。一个多传感器集成的芯片，可以检测的参数，由点到面到体，可 以实现多维参数的图像化呈现。如医学临床上使用的一种传感器，芯片尺寸仅为2.5mmxO.5mm，可同时快速检测出一滴血液中Na+、K+和H+等多种离子的浓度。一个将传感检测功能与放大、运算、干扰补偿等功能集成在一体的传感器， 具有了很好的自适应性，在机器人工业上，得到了大量应用。(3) 无线网络化无线网络技术与传感器技术的结合就是无线传感网技术。在网络中，传感器作为 个收集各种测量量的节点，如温度的高低、湿度的变化、压力的增减、噪声的 升降。多个节点组成一个网络。每一个传感器节点可以看作是一个快速运算的微 型计算机，将传感器收集到的信息转化成为数字信号。节点与节点之间可以彼此 通信，也可以和中央处理中心进行联系。无线传感器网络是由多学科高度交叉的 新兴热点研究领域。随着在工业、农业、军事、环境、医疗、智能家居、智慧城 市等领域应用需求的增多，传感器的无线网络化应用将会越来越成熟。(4) 小型化、微型化传感器新型材料的使用、集成度的提升，可以促进传感器的小型化、微型化。微 型化传感器占用空间小、重量轻、反应快、灵敏度高、成本低、能耗低，便于安 装和维护。医学上有一种“神经尘埃”传感器，只有一粒沙子大小(长3毫米， 高1毫米，宽0.8毫米)，这种微型传感器的晶体管负责搜集神经和肌肉组织的信息，然后以超声波的形式，将相应信息反馈给体外的接收器，为医生确认病 情提供参考。随着传感技术的发展，微型传感器可测量的物理量、化学量和生物 量会越来越多。在航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的应用也会越来 越多。(5) 提高传感器的智能化水平智能化传感器是微处理器与传感器的结合，既能够采集信息，还可以进行信息的 处理和存储，进行逻辑思考和决策。智能传感器将有数字通信接口，可以直接与 其所属计算机进行通信联络和交换信息。随着微处理器技术的不断发展，智能传 感器将在自适应、自维护、运算能力、实时性等方面得到进一步提升。3物联网感知层关键技术描述5G物联网，就从感知层的技术开始。物体没有感知周边信息的能力，“聋 子、哑巴”式的终端连在网上也没有什么用。传感器是物联网信息之源，感知技 术是物联网互联之本。物联网感知层的“感知智行”功能的实现，依赖于一系列感知层的关键技术。首先，传感技术是物联网测量技术基础，是物联网信息产生的源头。传感器作为 物联网产业的关键器件，新材料技术、智能化技术、集成化技术、小型化技术是 现代传感器发展过程中离不开的课题。为了便于一次部署、永久使用，低功耗是 目前传感器产品研发的重要指标之一；为了促进物联网的规模化应用，低成本也 是传感器研发的重要方向。视频技术可以看作非接触式的传感技术，是物联网视觉能力的重要基础。视频采 集技术，不仅可在常规条件下使用，在夜间、高温、能见度低的场景下也可使用。 当然，在这些特殊的使用场景，需要有相应的视频采集存储和分析识别技术。视 频分析识别技术依赖于大量高清晰度的视频资料，从中找到关于实际空间环境中 的趋势性、经验性、不确定性、随机性和模糊性的信息，提取关键信息和有价值 数据，可以在各种行业应用中，如智能交通、商业智能、防灾减灾、安全生产、 智能安防、安全监护等，成为解决实际问题的利器。标识技术是通过RFID标签、条形码、二维码、语音、生物特征等手段来标识物 体、识别物体的技术。给产品贴上可识别的标签，增加了产品的外在特征，然后 通过红外、激光扫描，RFID等技术来识别这些外在特征，来证实和判断物体本 质的特征。RFID是一种自动识别技术、也可以看作是物联网的信息采集技术， 本质上也是一种传感器技术，融合了无线射频技术和嵌入式技术。RFID在自动 识别、物品物流管理等领域有着广阔的应用前景。在物联网的庞大生态体系中，芯片的科技含量较高，是产业链的基础和核心。传 感层硬件的基础就是各种芯片，如传感器、微控制器、存储器、超低功耗通信部 件、定位模块、信号转换元件、电源管理元件都需要相应的芯片。掌握了芯片技 术的核心，就掌握了物联网的核心话语权，也就掌握了物联网一剑封喉的手段。物联网中，传感器数量多、读写设备多、识读点多、硬件设备品种多，数据格式 不一。传感器中间件就是为了屏蔽底层设备的复杂性的关键部件，是衔接传感器 硬件设备和上层业务应用的桥梁。感知层的中间件有两种大的类型，一类是屏蔽 传感器采集数据的复杂性，完成传感器测量数据的采集、过滤和合并；另一类是 提供上层业务和应用的数据过度，完成传感数据的存储、维护、访问和聚合。传 感器中间件还可以为上层应用提供标准接口使客户很轻松地利用其接口上进行 二次开发，提高感知层的定制开发能力和场景适配能力。众多的无线传感器节点，可以使用ZigBee协议组成传感网来协调工作，形成更 有价值的信息网络。物联网近距离的通信技术、ZigBee组网应用原理、嵌入式 网关技术都是传感网的关键技术。此外，各传感器产生的数据，还需要通过远距 离无线通信的方式和平台层的各种应用软件相连。也就是说，传感器节点本身就 相当于具有无线通信功能的终端。在物联网时代，作为传感器节点的终端设备众 多，像手机需要操作系统一样，各细分场景的物联网智能终端设备也需要相应的 嵌入式操作系统，来感知层硬件的复杂性、支撑无线传感网近距离通信的功能。这物联网中传感器终端设备的操作系统技术也是核心竞争能力之一。在共享单车、共享汽车、安全出行、公共交通等应用中，定位技术可以用来测量 目标的位置参数、时间参数、运动参数等时空信息，从而得知某一用户或者物体 的具体位置和运行轨迹，从而实现对人或物的位置跟踪。定位技术也是物联网感 知层应用的关键技术之一。4 IT、CT、IOT的分层融合架构我们经常听到，5G要实现IT、CT、IOT的三T融合。把感知到的数据通过5G汇集在平台侧，然后通过云计算中心的处理或大数据挖 掘处理，人工智能的算法决策，就可以形成各行各业的应用。也就是说，5G物 联网不是简单地对互联网进行延伸和扩展，而是需要完成垂直行业技术和信息技 术的整合。物联网（IOT ）技术要利用5G技术实现物物相连，而且各垂直行业应用都需要 些共同的平台技术：人工智能、大数据、云计算的互联网。这样物联网IOT和其他T的界限并不是很清晰了，很多技术感觉是共通的。在5G时代万物有感知、万物走5G、万物上平台、万物有应用，这几句话，就是5G物联网的特点。了解了这些感知层技术，就掌握了 5G物联网的技术基 础，再加上5G通信技术和云计算、大数据和人工智能等平台技术，就搭建起了 5G时代的端管云知识体系架构。为了支撑各种物体产生的信息在物联网的体系中畅通无阻,需要在物联网体系中 实现一连串的数据采集、数据转换、数据传送、数据分析、数据处理，这样物联 网的支撑技术就需要包括多个层面：传感层技术（传感器技术、RFID技术、感知 /识别技术、WSN技术）、网络层技术（低功耗高带宽无线通信技术、移动通信技 术），平台层技术（人工智能、大数据、云计算）、应用层技术。物联网发展的基础 是物联网各个组成要件的协同发展。首先，物联网的本质是全面感知，因此感知层是物联网最基础的层面。物联网将 促进各种感知技术的广泛应用。物联网系统应用敏感元件，可以把那些人类感觉 器官收集不到的有用信息提取出来，延长和扩展人类的感知能力。比如，红外、 紫外等光波敏感元件，可以扩展人们的视力；超声和次声传感器，可以扩展人们 的听力。此外，各种嗅敏、味敏、光敏、热敏、磁敏、湿敏等敏感元件也助力人 类的感觉能力的提升。一旦给某个物体加上传感器这个物体就成为一个信息源， 它就会像互联网上的一切数字设备那样，发出自己感知到的一切信息。一个有完 整行业应用的物联网，往往部署了海量的各种类型的传感器，不同类型的传感器 会测量到不同的信息，而这个信息具有实时性，物联网的数据处理中心可以按一 定的频率，周期性的采集传感器产生的信息，从而得到最新的数据。其次，物联网要实现可靠传输，就必须依赖通信网和互联网。从物联网上的传感 器定时采集到的信息需要通过有线、无线网络或互联网进行传输。海量的传感器 会产生海量的测量信息。为了保障数据传送的正确性和及时性，数据传输过程必 须适应各种异构网络和协议。这些都要求物联网的网络层具有容量大、可靠、低 延时、异构网兼容的特点。再次，物联网上连接着的各个物体，应该可以被追踪、控制，也可以实现个性化 呈现、远程升级、统计分析等等功能。这就要求物联网要支撑智能处理和智能控 制。当与大数据和人工智能（AI）结合，利用云计算、模式识别等各种计算机技术，物联网可以变得有预测性，支撑协同工作。物联网的平台层具有海量数据的 存储、计算、分析能力，它的职责就是使物联网变得智能、智慧。最后，物联网要和一定的应用场景结合，才能解决人们在生产、生活中碰到的一 类问题。比如城市安防、智慧校园、智能医疗、智能交通、车联网、智慧农业、 智能家居、智能电网、石油化工的监控、各种机器人的集中管理和控制，都是物 联网应用层常见的场景。随着物联网的发展，还会延伸到更多的应用场景，发现 更新的应用领域和应用模式，还会从更多场景中的传感器采集海量信息进行分 析、加工和处理，以适应不同行业、不同用户的不同需求。总之，物联网有四个层级，分别是：感知层、网络层、平台层和应用层。这四个 层级又完成了数据采集、数据传送、数据分析的功能，如图1- 6所示。如果把 物联网比作人体，感知层的作用相当于人的眼睛、耳朵、鼻子、舌头、皮肤、手 脚等感觉器官网络层就相当于用来传递信息的神经系统平台层则是人的大脑， 对接收到的大量信息进行处理分析。传感器技术是感知层的基础，无线通信技术 是网络层的关键，计算机技术又是平台层的核心，它们在物联网系统中分别起到“感官、“神经”和“大脑”的作用。而应用层就相当于人要完成的任务，有 明确的目标和方向，需要感觉器官、神经系统和大脑共同完成。5 5G+ABC应用前景感知层虽采集了大量数据，但是只完成了初步的、小范围的数据传输、提取和处 理，这些数据要想能够“致千里”，物联网就需要成为一个“假舆马者”（通过 5G），这样数据就可以完成远距离传输、天涯咫尺；海量的感知层数据汇聚到 中央平台，要想支撑有价值、有意义、新颖独特的应用，物联网就需要成为数据 海洋的“假舟楫者”（通过ABC），利用人工智能、大数据、云计算这些超级“巨轮”完成数据的综合分析处理，支撑应用呈现。5G作为移动通讯技术的主要发展方向，为用户提供光纤般的接入速率，“零” 时延的操作感知，千亿设备的连接能力，将拉近万物的距离，为用户带来身临其 境的信息盛宴。“人工智能+大数据+云计算助用户突破海量数据的时空限制， 为用户提供多场景、多应用而且智能、智慧的交互体验，最终实现信息随心至， 万物触手及”的总体愿景。“5G+ABC”必将开启物联网的新征程，并渗透到未来社会的各个领域，以用户 为中心构建全方位的信息生态系统。新感知、新应用。在“5G+ABC时代背景下，将会涌现出很多新的物联网应用， 如车联网、自动驾驶、云AR/VR、智慧牧场、联网无人机、远程医疗、个人AI 辅助、可穿戴设备、全息投影、远程旅游等等。当然，随着物联网各层技术的发 展，各行各业还会有涌现出很多新的应用。物联网在网络层技术加平台层技术（5G+ABC）双轮运转的驱动下，必将实现感 知层技术与多个垂直行业的应用跨界融合。未来的应用，只有想不到，没有做不 到。6展望未来十年，物联网连接数将突破万亿，物联网工业产值将突破万亿，那么有志于 从事物联网方向的大众来说，如何快速入门？