物联网IOT系列之1：物联网简介

二十一世纪始于互联网使用的兴起。2000 年，互联网占电信信息传输的 51%，到 2007 年，这一比例很快飙升至 97%。尽管互联网开始了它的卑微旅程，将世界各地的计算机相互连接起来，并逐渐主宰了电信行业，但互联网的概念是现在必然会超越计算机，跨越电信。从计算机互联网来看，本世纪将是一个物联网（IoT）时代。
“物联网”似乎已经听说过，您的工程头脑中一定有一些问题挥之不去。
– 什么是物联网 (IOT) ？
– 为什么流行？
– 物联网将如何影响未来？
– 哪些组织正在开发物联网技术，他们的兴趣是什么？
– 物联网对开发人员意味着什么？
– 哪些硬件、软件和服务属于物联网？
– 物联网道路上的主要挑战是什么？
为了进一步增加您的胃口，值得一提的是，物联网、云服务、大数据等是相互关联的东西。
本教程是对其中一些问题的适度尝试。通过本教程，将从用户、企业、开发人员和服务提供商的角度等不同的角度来看待物联网。将检查物联网中涉及的硬件和软件。将通过现实生活中的例子说明物联网的重要性和影响，并研究物联网发展中的挑战。所以，准备好兜风吧。我们走吧。
什么是物联网？
互联网现在无所不在，无时无刻不在。到 2016 年，全球 47% 的人口已连接到互联网。智能手机和智能小工具对此做出了更大的贡献。以智能手机的形式，现在每个人的口袋里都有一台便携式和互联网连接的电脑。随着成千上万的应用程序的使用，互联网已成为一种日常现象，也是现代生活中的必备品。随着“物联网”的兴起，现在不仅仅是电脑和智能手机，我们使用的每一种可能的东西都将启用 IT。
“物联网”一词已由不同的组织以许多不同的方式定义。有许多组织正在努力为物联网开发标准和技术。让我们看一下这些标准组织中的一些规定的物联网定义，以简要了解它。
根据ITU-T（国际电信联盟）的定义，物联网被定义为：信息社会的全球基础设施，通过基于现有和不断发展的可互操作信息和通信技术互连（物理和虚拟）事物来实现高级服务。
根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，IOT 被定义为：一个项目网络——每个项目都嵌入了传感器——连接到互联网。
根据ETSI（欧洲电信标准协会）：机器对机器通信是两个或多个实体之间的通信，不一定需要任何直接的人工干预。M2M 服务旨在自动化决策和通信过程。
根据OASIS（结构化信息标准促进组织），IOT 被定义为：定义互联网通过无处不在的传感器连接到物理世界的系统。
这些定义是全球公认的标准定义。对于普通人来说，上述定义可能有点难以理解。所以为了一个共同的理解，IOT的一个简单定义可以如下：
“物联网是指 IT 基础设施与物理世界的集成，其中几乎所有设备和电器，即我们使用的东西，都连接到（互联网）网络。”
因此，随着信息技术的这种集成，日常使用的一切都变得相互连接并连接到互联网。就像家用电器可以通过智能手机控制和操作，安全摄像头和锁可以从世界任何地方访问，雨伞可以感知天气状况并提醒出门前必须带上，药帽开始闪烁表示该服用剂量等。因此，基本上每一种常用物品（如家用电器、汽车、车辆、能源网络、健康小工具和日常使用中的每一种可能的商品）都嵌入了软件智能，相互连接并连接到互联网平台，使这些常见的对象以自己的方式变得更智能、更好和智能。

图 1：物联网的概念
通过 IT 支持，这些常见对象变得智能和智能。这些需要与 IT 基础设施相集成，他们可以使用互联网发送、接收和交流信息。物联网保护伞下的所有这些东西都不是通用计算机、智能手机或平板电脑。这些是带有嵌入式电子设备的日常使用对象，通过从物理世界、其他设备或 IT 平台（云）感应或收集信息，它们可以智能地发挥作用。这些东西服务于特定目的，它们嵌入了电子设备、传感器以及与其他设备或云平台的连接。
物联网的目的不仅仅是通过互联网连接来解决的。事物必须能够与物理世界交互。为了与物理世界的交互，这些东西被提供了传感器和执行器。传感器和执行器是有助于与物理环境交互的设备。传感器从周围环境收集数据，就像温度传感器感应周围环境的温度一样。同样，智能手机中的 GPS 位置接收器和加速度计也是传感器。洗衣机有水位传感器，冰箱有恒温器来感应冰箱的温度。传感器的例子不胜枚举。
物联网对象通过传感器感知和收集数据后，将其发送到网络或云端的边缘。这些对象可以通过各种接口连接到云/网络，如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、GPRS 或以太网。在云服务器上，数据被存储然后处理。该处理可以像检查读取温度是否在用户定义的可接受范围内一样简单。
数据在云服务器上进行处理以供决策。就像如果传感器读取的温度高于正常温度，空调必须打开。决策必须在执行器的帮助下在物理世界中实现。这可以通过直接通过云服务器控制 AC 或向用户发送她需要打开 AC 的警报来自动完成。
传感器、网络接口、云服务器和执行器共同构成了物联网框架的核心基础设施。这些是物联网的构建块，可以使最常见的人类使用对象启用 IT。

图 2：物联网的通信模型
为什么物联网是趋势？
物联网被视为第四次工业革命。第三次工业革命伴随着信息技术及其对生产自动化的使用。而且，现在第四次工业革命将伴随着互联网技术及其在无数方法和应用中的应用而来。有了“万物互联”的理念，人类的生活将变得更加智能和轻松。
物联网将成为人们 IT
比如举个简单的例子。假设你出站了，所以你锁了你的家。在你不在的时候，你的父母来看你，但他们发现你的家被锁了。现在假设如果您的家通过物联网实现自动化，并且您可以通过互联网访问您家的门锁，那么您可以从很远的地方打开门锁，这样即使您不在，您的父母也可以呆在那里。这将是物联网的力量，以及它如何影响人们的生活方式。
IOT 被认为是人 IT，普通人可以通过智能小工具访问信息世界，并在一秒钟内满足他们的各种个人和专业要求。这可以通过无处不在的连接、日常物品的智能数字化和响应迅速的实时信息基础设施来实现。
大数据在玩
物联网提出了一个技术概念，其中每个常见的事物都与互联网集成，并具有智能嵌入式电子设备以实现更好和增强的功能。其次，它设想日常使用的对象与云服务连接，它们可以实时交换数据。
任何云平台都将连接数十亿台设备，数以万亿计的传感器将从世界各地收集信息。这将是来自被动、主动和雾设备的海量数据。这开辟了大数据分析的另一个领域。
物联网设备收集的数据将有助于企业获取业务信息并调整业务运营模式以实现更好的服务质量（QoS）和体验质量（QoE）。物联网时代的产品将与不同的服务平台连接，这些服务平台将具有自适应应用程序，以改善和定制用户体验。有许多服务架构，如面向服务架构 (SOA)、面向资源架构 (ROA)、模型驱动架构 (MDA)、事件驱动架构 (EDA) 和微服务架构 (MSA)，以涵盖范围广泛、数据种类繁多物联网系统的可变性和可扩展性。
同时，增强的消费者体验将被很好地抽象化，因此物联网设备所使用的服务的实现对最终用户来说仍然是隐藏的。
企业级物联网
任何物联网平台都将与所有企业级应用程序集成，从而使生产和服务变得复杂并适应最高要求。例如，制造工厂的生产线将与企业资源规划 (ERP)、供应链管理 (SCM)、知识管理 (KM) 和客户关系管理 (CRM) 应用程序集成。通过这样的整合，工厂的生产可以得到最好的优化，以最大限度地利用资源，根据客户的需求和供应可行性增加或减少产量，并且可以根据客户的实时反馈改进或定制产品。
物联网作为下一代网络
最初的网络（Web 1.0）是为了阅读信息而开发的。这演变成 web 2.0，它是一个社交网络，不仅意味着读取信息，还意味着写入信息。物联网将把网络发展到网络 3.0，其中信息不仅可以被读取、写入，而且还可以链接到多个来源、服务和应用程序。这将是一个语义网，它将通过自动搜索提供相关和正确的信息。它不会止步于此，并将把网络带到下一个版本——Web 4.0，在该版本中，可以实时提取和交付信息，同时具有相关性和可操作的洞察力。
行业预期
全球行业对物联网寄予厚望。根据最近的一份报告，可穿戴技术将成为消费物联网的重要组成部分。2015 年全球出货量约为 8000 万台可穿戴设备。据IDC称，预计到 2019 年这一数字将超过 2.14 亿台。市场上已经有很多初创公司，如IOTEX Systems、Leaf Wearable、Salted Venture等，都在致力于物联网可穿戴技术。Like Leaf Wearable 正致力于为女性安全开发智能首饰。另一家初创公司 Cicret 正致力于开发基于触摸和投影的手环，这将是传统智能手机的绝佳替代品。
未来几天，连接物联网设备的价格将非常便宜——在某些情况下每月低至 50 美分。低成本将来自物联网设备所需的最少传输数据。
根据麦肯锡的数据，到 2025 年，物联网行业的价值将高达 11 万亿美元，而根据思科的数据，届时将达到 19 万亿美元左右。不管哪个是对的，企业都会有很多机会从这个巨大的市场中赚钱。未来五年将有近 6 万亿美元用于物联网解决方案。
世界各国政府都致力于提高生产力、降低成本和改善本国的生活质量。公共部门将成为物联网生态系统的第二大采用者。
物联网将造福于所有人——创造者、行业、企业和消费者。每个人都会以一种或另一种方式受益。
将物联网理解为开发人员
物联网系统的开发是一项复杂的任务。它可能涉及以下两个或多个方面——
智能设备——物联网设备是智能设备，其中可能嵌入了一个或多个传感器和执行器。传感器和执行器可以通过控制器或处理器连接。该设备必须具有有线或无线通信接口才能与其他设备或互联网连接。
机器对机器通信——机器对机器通信是物联网设备的主要特征。任何物联网设备都需要与其他设备、电子标签、贴纸、智能手机、小工具或计算机进行交互。通信技术也正在经历巨大的转变，通过提高数据传输率和同时实现多个通道的数据通信来满足物联网设备的通信需求。对于无处不在的设备到设备 (D2D) 集成，标准机构、政府部门、电信和 IT 公司、服务提供商、系统集成商和企业齐心协力，以实现物联网生态系统。在这样的生态系统中，无数的嵌入式设备将联网在一起，并通过多个渠道以高速数据进行交互。
设备到云集成——物联网设备只能通过连接一个或多个服务接口来启用服务。这需要设备到云 (D2C) 的集成。通过连接到不同的服务接口，物联网设备可以公开和请求它们的功能。通过网络和云支持，设备可以充当服务提供实体，其中服务的实际实现隐藏在服务接口后面。许多设备可以组合和协调在一起，以高效、同步地完成任务。此外，通过设备到云的集成，可以通过一个通用平台维护、监控、更新和操作大量设备。为实现高效的设备到云集成，开放服务网关倡议 ( OSGi) 模型正在开发中，并将被证明是实现物联网生态系统的转型里程碑。
全球已经有许多设备特定的云平台和专用网络为数百万的物联网设备提供服务。不同的云架构正在开发用于设备特定应用程序、大数据分析、关键操作和智能手机服务。毫无疑问，设备到云的集成是任何物联网系统最重要的方面，没有它甚至不能归类为物联网范式。
平台即服务——物联网的真正力量只能通过基于云的集成平台来体现。典型的平台即服务 (PaaS) 解决方案需要针对物联网进行优化和增强，以便它们能够管理数百万台设备、实时收集和交换数据、管理大量设备之间的特定目的交互，并能够成功地与企业应用程序集成比如企业资源规划（ERP）、供应链管理（SCM）、知识管理（KM）和客户关系管理（CRM）。
云到云集成——云服务提供商 (CSP) 的云中心位于不同的地理位置。通过实施以云为中心的平台和实践，典型的数据中心正在向云中心演进。新兴的云中心可能一起提供云基础设施、平台和应用程序，也可能只是提供云基础设施。一些流行的云管理平台包括VMware 解决方案、OpenStack Distributions、Apache Cloudstack、BMC 软件、Citrix Cloud、Rackware、IBM Bluemix Cloud、Microsoft Cloud、Cisco Systems、Oracle Enterprise Manager 等。这些平台集成了内部和外部系统来管理多云服务。这些平台负责将本地云与私有托管云、公共云服务（如 Microsoft Azure、IBM Bluemix、谷歌云平台、亚马逊网络服务等）、企业管理系统和服务自动化应用程序集成。在新兴趋势中，相同的云服务由具有不同服务级别协议和运营级别协议的多个 CSP 提供。因此，这需要云编排，其中可以利用和聚合多个云和服务以生成复合数据、流程、服务或应用程序。为了实现云编排，现在正在开发称为云服务代理 (CSB) 的专用软件解决方案。
物联网技术
有许多突出的技术将在未来物联网系统的发展中发挥更大的作用。其中一些技术是——
电子小型化——微米级和纳米级电子元件和电路的发展将使电子元件嵌入到越来越多的物体中。因此，未来的集成电路将在物联网系统的发展中发挥主要作用。
数字化——借助标签、贴纸、信标、芯片、控制器、可穿戴设备、植入物和传感器对尽可能多的物体进行数字化，这将有助于实现真正的物联网生态系统。
通信技术——未来的通信技术，如 5G、低功耗蓝牙、近场通信 (NFC)、RFID、LoRa WAN 等，将使设备到设备和设备到云的通信更加快捷高效。
云和大数据——物联网生态系统将处理海量数据，并将实时进行知识工程。因此，大数据分析和数据挖掘实践将在物联网系统的运行中发挥至关重要的作用。
物联网生态系统
由于其可扩展性和多功能性，物联网将以全球生态系统的形式出现。物联网将为现有的计算机和通信设备互联世界添加大量传感器和执行器。物联网系统是有目的的发展，显然只能通过应用程序域来简化。通过应用，可能有以下物联网生态系统——
– 工业物联网
– 消费者物联网
– 社交物联网
– 语义物联网
– 认知物联网
工业物联网——制造公司正在迅速采用物联网。物联网使制造设备能够实时通信，以检测制造故障、提高效率和增加产量。从设备收集的数据可用于改进和增强产品、更好的自动化和改进资源规划。物联网能够将尖端技术嵌入自然语言处理、机器学习和人工智能等产品中，这将极大地提升未来的客户体验。一些新兴的工业物联网系统包括AWS IOT和AutoDesk SeeControl。
消费者物联网——在这个物联网生态系统中，公司生产的产品被设想为数字资产。提供给消费者的产品将具有先进的人机界面电子设备和应用程序，以便与客户互动并接收反馈。下一代产品将能够监控客户行为并相应地调整服务和应用程序。这些设备将配备生物识别系统，因此只能由经过身份验证的用户使用。从消费设备收集的数据不仅可以调整服务和应用程序，还可以改善收入模式、供应链和产品质量。
社交物联网——在物联网的帮助下，下一代小工具和智能手机将更具情境感知、适应性和可靠性，通过不同的应用程序实现更好的社交网络。
语义物联网——设备到设备的集成是物联网的基本特征。设备数量越多，它们可以相互通信的方式越多，就可以开发出更好的物联网系统。就像车、人、车位可以进行某种交流一样，人的交通资源和时间可以得到更有效的管理。此外，运输资源将变得易于获取和追溯。对于人和设备之间的这种上下文感知通信，需要语义技术。这种语义技术将包括语义注释、本体、资源描述框架等。在语义物联网生态系统中，异构设备能够以高度的互操作性相互通信，从而实现各种设备的集成体验。
认知物联网——通过整合自然语言处理、图像分析、视频分析、文本分析和机器学习，可以开发具有强大感知能力和人工智能的物联网生态系统。
现实生活中的物联网应用——
物联网将变得非常重要，因为它将帮助人们显着改善他们的生活、工作和学习方式。物联网带来了一个令人信服的承诺，即通过自动化任务为个人提供更多时间，并通过更好地利用数据来提高业务生产力。简而言之，物联网让我们变得更加主动，反应更少。
物联网已在智能家居、智能建筑、旅游和运输、医疗保健、零售、家禽和养殖等各个行业和领域得到应用。工业物联网也在改变自动化和物流。

图 3：物联网的生态系统
一些流行的物联网应用如下 -
1) 智能家居——家庭局域网（HAN）和智能家居正在成为新趋势。几乎每个人都希望他/她的家能够完全自动化，大多数家庭操作都可以在没有任何人为干预的情况下完成。有许多公司和初创公司正在研究智能家居物联网产品。这些公司的目标是提供能够智能地管理时间和能源资源的低成本产品。智能家居产品正在开发的另一个维度属于家庭安全和门禁系统。飞利浦、海尔、Nest、Ecobee、Ring、August 等公司被视为提供智能家居物联网产品和解决方案的家喻户晓的品牌。
[视频网址：https://youtu.be/NjYTzvAVozo]
2) 可穿戴设备——继智能手机之后，新的风潮是智能可穿戴设备。智能首饰、手镯、智能手表、手环甚至衣服都将成为新时尚。这些可穿戴设备安装有传感器和软件，可收集有关用户的数据和信息。这些数据稍后会进行预处理，以提取有关用户的基本见解。这些可穿戴设备类别广泛涵盖健身、健康、电信和娱乐需求。可穿戴应用的物联网技术的先决条件是超低功耗和小尺寸。在过去几年中，可穿戴设备的需求呈爆炸式增长。苹果、Fitbit、三星、华为、Blend Style & function、IOTEX、Leaf wearable、Salted Venture等公司正在开发基于物联网的可穿戴产品。
【视频网址：https://youtu.be/h8-TAqzYrno】
3) 智慧城市——智慧城市是通过物联网演化而来的现代城市新概念。智能监控、自动化交通、智能能源管理系统、配水、城市安全和通过电子监控实现的环境保护都是智慧城市物联网应用的例子。智慧城市的概念已被政府迅速采用，各种公共部门组织现在正在与物联网供应商和 IT 公司合作，使城市变得更加智慧。
智慧城市旨在解决生活在城市中的人们面临的主要问题，例如污染、交通管制、水和电力短缺等。传感器和网络应用程序将在智慧城市解决方案中发挥重要作用。Evreka、Bigbelly等是一些提供智慧城市解决方案和服务的公司。
[视频网址：https://youtu.be/Br5aJa6MkBc]
4) 智能电网——智能电网的概念在全世界变得非常流行。未来的电网不仅足够智能，而且高度可靠。假设，如果一个人能够通过节省房子的电费来节省她20％的钱，那么一年将节省很多。消费者还可以通过预付费能源充值来调整能源消耗。智能电网的物联网概念包括智能计量、使用高效智能电器、可再生能源和节能资源。智能电网背后的基本概念是以自动化方式远程收集数据并分析电力消费者和供应商的行为，以提高电力使用的效率、可靠性和经济性。
【视频网址：https://youtu.be/JwRTpWZReJk】
5）工业互联网——工业物联网（IIoT）或工业互联网将彻底改变制造过程。它将包括跟踪货物的应用程序、供应商和零售商之间关于货物目录的实时信息交换以及自动交付以提高行业供应链效率。据通用电气称，物联网对工业生产力的提高将在未来 15 年内为全球创造 10 万亿至 15 万亿美元的 GDP。
【视频网址：https://youtu.be/8NGzrtK7eV0】
6) 联网汽车——借助联网汽车技术，车辆将能够使用传感器技术以自动化方式优化其运行。这些汽车将能够相互通信以避免发生事故。这些汽车还可以与停车传感器进行通信，以找到正确停车的可用性和帮助。大多数大型汽车制造商以及一些初创公司都在研究联网汽车解决方案。特斯拉、宝马、苹果、谷歌等主要品牌目前都在这个领域工作。
【视频网址：https://youtu.be/0HxZuQ0woLY】
7) 农业物联网——随着世界人口的日益增加，对食品供应的需求也在增加。政府正在帮助农民使用先进的技术和研究来增加粮食产量。智能农业是物联网发展最快的领域之一。物联网传感器将向农民提供有关作物产量、降雨、虫害和土壤营养的信息，以改进耕作技术并获得生产产出。
【视频网址：https://youtu.be/q0FnMD2_0Fw】
8) 智能零售——在今天的场景中，智能零售在物联网市场的零售领域发挥着关键作用。智能零售系统将为零售商提供一个健康的机会，与消费者联系，根据客户需求提供商品。零售商可以通过智能手机与客户互动。信标技术将在智能零售物联网中发挥重要作用。使用 Beacon 技术，零售商可以更好地了解他们的客户，并可以根据他们的特定需求为他们的客户服务。他们还可以跟踪客户通过商店的路径并改进商店架构。
[视频网址：https://www.youtube.com/watch?v=vTGw_hAjTZc]
为什么物联网如此具有挑战性？
由于面临多重挑战，开发成功的物联网应用并非易事。这些挑战包括：移动性、可靠性、可扩展性、管理、可用性、互操作性、安全性和隐私性。其中一些挑战如下所述——
1) 设备管理——Gartner估计，到 2020 年，除了智能手机、平板电脑和 PC 之外，将有超过 250 亿“物”连接到互联网。传感器、设备和网关的数量将非常庞大，它们将分布在地理上分散的大型地点。确保设备完全自动化且可远程管理是一项挑战。
管理所有设备并密切关注故障、配置并监控如此大量设备的性能和安全性绝对是物联网的挑战。服务提供商将需要管理其互连设备的故障、配置、性能和安全性，并且每个方面的责任将是他们的主要责任。
2) 硬件挑战——今天，硬件方面的主要挑战是所需硬件的价格和可用性。这是阻止大多数公司和最终用户拥有更多“连接对象”的主要原因之一。硬件的一些主要问题是：
–电池寿命：大多数物联网设备将由电池供电。此外，这些设备将需要始终保持与互联网的连接。因此，他们将不断消耗电力。开发更好的电池和管理电池电量是物联网产品开发中的主要硬件挑战。
–硬件尺寸：对于物联网设备来说，紧凑和小型是很重要的。因此，它们的尺寸需要使用当前可用的集成电子设备进行优化，以适应它们的目的、用途和应用。
3) 互操作性——互操作性意味着异构设备和协议需要能够相互协作。由于物联网系统中使用了大量不同的平台，这具有挑战性。互操作性应由应用程序开发人员和设备制造商共同处理，以便在不考虑 IOT 设备的平台或硬件规格的情况下提供服务。
4) 数据安全和隐私——从传感器发送到网络的数据可能是用户的个人数据，需要防止未经授权的访问。用户必须拥有个人访问其数据的所有授权权利和政策，这些数据不得与任何第三方共享。尽管用户自己应该有权将数据共享到她想要的任何地方。随着市场日益适应物联网，安全和隐私正成为用户关注的主要问题。用户显然希望私下共享数据，因为还有许多黑客和窃听者希望不道德地访问他们的私人数据。个人访问数据应该有身份验证、授权和传输层安全性，否则数据将直接暴露给各种攻击者。
5）寻址和识别——由于数以百万计的智能设备将连接到互联网，它们必须通过唯一的地址进行识别，并在此基础上相互通信。为此，每个智能对象都需要一个大的寻址空间和唯一的地址。
在下一个教程中，我们将了解 IOT 基础设施。