從智能手環(huán)、智能手表、VR、AR、MR、共享單車再到無人駕駛，物聯(lián)網(wǎng)將會徹底顛覆我們的生活，正好讀到一本《圖解物聯(lián)網(wǎng)》的書，里面用圖文的方式把物聯(lián)網(wǎng)以及相關技術做了個很透徹的解讀，特此分享于你。

一、理解物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)的英語是Internet of Things，縮寫為IoT，這里的“物”指的是我們身邊一切能與網(wǎng)絡相連的物品，并非萬事萬物，而是特指能夠連接互聯(lián)網(wǎng)的東西，如果衣服，手表，鞋子能夠連上網(wǎng)，那就是IoT中所指的物，如果只是蚯蚓，泥土，空氣，衛(wèi)生紙，甚至我正在敲打的鍵盤（普通鍵盤），就不能算是物聯(lián)網(wǎng)中的物。

隨著寬帶的普及，能搭載在機器上的超低功耗傳感器投入市場，無線通信的進步等，都促使著除了PC，服務器和智能手機等傳統(tǒng)連接互聯(lián)網(wǎng)的設備以外，越來越多各種各樣的“物”也開始連接物聯(lián)網(wǎng)，以汽車、家用電器以及房屋為開端，近年，手表，眼睛等飾品也都連上了互聯(lián)網(wǎng)。

我們一定想知道，為什么會有那么多設備要有聯(lián)網(wǎng)的訴求，它們連上網(wǎng)了又會給用戶帶來哪些價值呢？

以前，人們通過讓少數(shù)昂貴的工業(yè)機械通信，來實現(xiàn)對“物”的遠程控制（也就是現(xiàn)在離散/流程工業(yè)中常用的控制系統(tǒng)），今后，人們將更多地以低廉的價格大量生產(chǎn)面向用戶的機器，并讓這些機器通信，也正因為應用了從這些“物”中獲取的數(shù)據(jù)，各種各樣的服務才如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，此外，先進的感測技術的普及實現(xiàn)了人類對現(xiàn)實世界的掌握和預測，通過實時海量地搜集人、物、社會和環(huán)境數(shù)據(jù)，也有望進行新型社會基礎設施的構建。

以下是一個智能家居的案例，可以根據(jù)人體狀況自動控制環(huán)境。

以下是一個樓層環(huán)境監(jiān)控的系統(tǒng)，提升以辦公室為主的職場環(huán)境的舒適度。

二、物聯(lián)網(wǎng)的技術架構

實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)時，物聯(lián)網(wǎng)服務大體上發(fā)揮者兩個作用。

第一是把設備收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，并對采集的數(shù)據(jù)進行分析。

第二是向設備發(fā)送指令和信息。

物聯(lián)網(wǎng)大體上由設備、網(wǎng)絡和網(wǎng)關、服務器等構成，如下圖所示，下面將分別介紹。

三、設備-通向現(xiàn)實世界的接口

物聯(lián)網(wǎng)設備五花八門，當其結構一般都如下圖所示。物聯(lián)網(wǎng)設備跟普通的機械產(chǎn)品一樣，都包含用于檢測用戶操作和設備周邊環(huán)境變化的輸入設備，提示某些信息或者直接作用于環(huán)境的輸出設備，以及作為設備的大腦來負責控制機器的微控制器等。

1、微控制器

MCU是一塊控制機器的IC芯片。它能夠編寫程序，并根據(jù)描述的處理讀取IO狀態(tài)，或者向連接上的電路輸出特定信號。與PC中的芯片不同之處是，它通常集成度更高，會同時包括CPU，內(nèi)存和外圍電路，如下圖所示：

現(xiàn)在大部分電子產(chǎn)品都搭載有微控制器，近些年，32位的微控制器成本逐漸降低，已經(jīng)開始取代傳統(tǒng)的8位單片機了，特別是如今需要將設備接入到網(wǎng)絡，對微控制器主板以及編程環(huán)境要求也逐漸降低，很多從來沒有摸過硬件的開發(fā)者，通過連接一些標準的外圍I/O設備，很容易做出很多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。

比如Arduino主板是一款可以讓沒有從事過電子儀器設計和制作的人也能馬上著手開發(fā)的微控制器主板，有著超高的人氣，利用其IDE開發(fā)環(huán)境，和可擴展的大量Shield，只需要花費幾十塊就能搭建出一個用于連接網(wǎng)絡物聯(lián)網(wǎng)小玩意。

談到開源硬件，還有一個不得不提。那就是大名鼎鼎的樹莓派，它搭載有高性能的ARM處理器，可以直接運行Linux操作系統(tǒng)，同時配有豐富的外設，USB，HDMI，活脫就是一臺迷你PC的節(jié)奏，售價上要比Ardunio貴一些，但最近國內(nèi)有很多山寨開發(fā)板，什么香蕉派，桔子派，功能詳相近，成本更低，非常適合物聯(lián)網(wǎng)新手學習。

為了狙擊ARM在物聯(lián)網(wǎng)領域的拓展，Intel也不甘示弱，推出了專門針對物聯(lián)網(wǎng)的Edision開發(fā)板，集成了WiFi，藍牙4.0等多種協(xié)議，還兼容Ardunio擴展，安裝Python和Node.js和專用的XDK IoT Edison開發(fā)套件。

2、輸入設備

為了讓設備獲取周邊情況和用戶操作等信息，必須在機器上實現(xiàn)傳感器和按鈕等元件（電子器件）。

舉個例子，假設有臺智能手機，那么這臺手機都搭載了什么樣的傳感器呢？實際上它搭載了觸摸屏、按鈕、相機、加速度感知器、照相傳感器等相當多的感測設備，這些傳感設備能幫助我們更詳細且精細地掌握周邊情況，這在一定程度上決定著機器的性能，所以設備的開發(fā)過程中，傳感器的選擇是非常重要的一步，下表顯示了具有代表性的傳感器：

下表示意了可穿戴設備的典型傳感器和特色傳感器：

每種傳感器根據(jù)其用途而內(nèi)置有不同的檢測元件，檢測元件這種物質(zhì)的電子特性會根據(jù)周圍環(huán)境的變化而變化，如下圖所示：

隨著零件的小型化和高性能小型處理器的出現(xiàn)，市場上出現(xiàn)了具備先進能力的傳感器，這類傳感器能輕松地獲取那些原來難以當成數(shù)據(jù)來處理的信息，這些傳感器與其說是零件，不如說是狹義上的設備，或者說是多個因素復雜協(xié)作的系統(tǒng)。

比如RGB-D傳感器，其實際上是相機的強化版，不僅能照相，還能測出傳感器到物體的距離，其實現(xiàn)原理就是利用了兩個鏡頭拍攝圖像的差距來測算出所拍攝圖像中的距離，模仿的也是人雙眼測距的原理（否則我們看事物只能是二維了），這個技術已經(jīng)比較成熟，近年來汽車上配備的輔助功能（如快追尾時自動減速等）也應用了類似的原理。

又比如定位，對于物聯(lián)網(wǎng)也是至關重要的，無論是通過導航方便生活，還是監(jiān)管水壩的儲水量，或是守護瀕危物種，又或者是優(yōu)化運輸路線，以及海洋上監(jiān)測海嘯，現(xiàn)在定位技術不僅有GPS、還有WIFI定位，指紋定位等等。

3、輸出設備

物聯(lián)網(wǎng)想要實現(xiàn)的不只是感測狀態(tài)，將狀態(tài)“可視化”，對人類和環(huán)境進行干涉，控制世界令其向目標狀態(tài)發(fā)展才是其真實目的。

在需要向用戶反饋某些信息時，顯示器、喇叭、LED這些用于輸出信息的設備就會發(fā)揮作用，物聯(lián)網(wǎng)設備重在小型和簡便，如何配置這些輸出設備能讓其高效地把信息傳達給用戶，無疑是設計階段非常重要的課題。

還有一個方法是在設備上安裝驅(qū)動器，讓驅(qū)動器物理的作用于環(huán)境，驅(qū)動器是通過輸入信號來實現(xiàn)控制的驅(qū)動裝置的統(tǒng)稱，例如具有代表性的伺候電機，它能夠根據(jù)輸入的電子信號把電機轉動到任意的角度，這個方法和機器人技術有著密切的聯(lián)系，與網(wǎng)絡聯(lián)動運行的設備是當今最受矚目的領域之一。

四、網(wǎng)絡和網(wǎng)關

有兩種設備連接到網(wǎng)絡的方式，一種是由設備本身直接連接全球網(wǎng)絡，另一種是本地區(qū)域內(nèi)使用網(wǎng)關來連接全球網(wǎng)絡，如下圖所示，近來“生活記錄”型的設備越來越多，其結構更接近前面說的第二種方式，例如通過藍牙把可穿戴設備和智能手機配對，通過智能手機向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。

1、網(wǎng)絡

物聯(lián)網(wǎng)設備和網(wǎng)關設備進行通信的方式有很多種，既有有線的也有無線的，每種方式各有利弊，有線的包括以太網(wǎng)、串行通信（一般指RS-232C）、USB等，無線的包括WIFI、藍牙，2G/3G/4G，當然還有NB-IoT，諸如共享單車使用的其實是從運營商購買的SIM卡，三大運營商的網(wǎng)絡制式如下：

那么NB-IoT是怎么回事？

從2G到3G再到4G，移動網(wǎng)速越來越快，但到了4G時代后，由于物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，移動通信網(wǎng)絡的發(fā)展出現(xiàn)了分支：

可以看到，一邊是大流量，一邊是小數(shù)據(jù)，一邊是移動寬帶，一邊是物聯(lián)網(wǎng)時代，從2G到4G，移動通信網(wǎng)絡都只是為了連接“人”而生，但隨著萬物互聯(lián)時代的到來，移動通信網(wǎng)絡需面向連接“物”而演進。

為此，3GPP在Release 13制定了NB-IoT標準來應對現(xiàn)階段的物聯(lián)網(wǎng)需求，在終端支持上也多了一個與NB-IoT對應的終端等級——cat-NB1，比較傳統(tǒng)2/3/4G網(wǎng)絡，物聯(lián)網(wǎng)主要有三大特點：

第一：懶，終端都很懶，大部分時間在睡覺，每天傳送的數(shù)據(jù)量極低，且允許一定的傳輸延遲（比如，智能水表）。

第二：靜止，并不是所有的終端都需要移動性，大量的物聯(lián)網(wǎng)終端長期處于靜止狀態(tài)。

第三：上行為主，與“人”的連接不同，物聯(lián)網(wǎng)的流量模型不再是以下行為主，可能是以上行為主。

這三大特點支撐了低速率和傳輸延遲上的技術“妥協(xié)”，從而實現(xiàn)覆蓋增強、低功耗、低成本的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，NB-IoT已經(jīng)成為運營商最為倚重的物聯(lián)網(wǎng)通信技術，是運營商實施物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的核心技術。

2、網(wǎng)關

網(wǎng)關指的是能連接多臺設備，并具備直接連接到互聯(lián)網(wǎng)的功能的機器和軟件，其把從設備接收到的數(shù)據(jù)轉化成特定格式并發(fā)送給服務器，如下圖所示，物聯(lián)網(wǎng)使用的設備中，有3臺設備不能直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關就負責把這些設備轉發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)。

五、服務器

物聯(lián)網(wǎng)服務大體可分為3個部分，分別稱為前端部分、處理部分以及數(shù)據(jù)庫部分。

1、接收數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)接收服務器負責接收從設備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，它在設備和系統(tǒng)之間起著橋梁作用，一般采用的協(xié)議包括http、WebSocket等，還有一種就是MQTT新型協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)領域?qū)⑵渥鳛闃藴蕝f(xié)議，其是一種能實現(xiàn)一對多通信（人們稱之為發(fā)布或訂閱）的協(xié)議，它由3種功能構成，分別是中介、發(fā)布者和訂閱者，如下圖所示：

像這樣借助于中介的發(fā)布/訂閱型通信，MQTT就能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務與多臺設備之間的通信，另外，MQTT還實現(xiàn)了輕量型協(xié)議，因此它還能在網(wǎng)路帶寬低、可靠性低的環(huán)境下運行，又因為消息小，協(xié)議機制簡單，所以在硬件資源受限條件下也能運行，可以說是為物聯(lián)網(wǎng)量身定做的協(xié)議。

2、數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)要經(jīng)過協(xié)議進行交換，而數(shù)據(jù)的格式也很重要，通過Web協(xié)議來使用的數(shù)據(jù)格式中，具有代表性的包括XML和JSON，如下圖所示：

相對來講，XML容易理解，而JSON字符少，數(shù)據(jù)量小，更適合使用移動線路等低速線路通信的情況，基于物聯(lián)網(wǎng)服務處理這些格式時，要把文本數(shù)據(jù)轉化成數(shù)值數(shù)據(jù)和二進制數(shù)據(jù)，為了更迅速的處理數(shù)據(jù)，就產(chǎn)生了一種新數(shù)據(jù)格式，它就是MessagePack，雖然其不方便人們直接閱讀，但計算機卻很容易處理。

3、處理和存儲數(shù)據(jù)

處理服務器就是處理接收的數(shù)據(jù)的地方，這里可以歸納成以下四種：數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)保存及向設備發(fā)出指令，如下圖所示：

數(shù)據(jù)處理包括批處理和流處理，數(shù)據(jù)存儲包括關系型數(shù)據(jù)庫和NoSQL數(shù)據(jù)庫，具體可參考當前大數(shù)據(jù)平臺的主流技術，比如批處理有Hadoop MR，Spark等，流處理有Spark Stream，Storm等，NoSQL數(shù)據(jù)庫包括KV數(shù)據(jù)庫（如Redis），文檔數(shù)據(jù)庫（如MongoDB）等。

4、發(fā)送數(shù)據(jù)

發(fā)送服務器的目的在于向設備發(fā)送數(shù)據(jù)并控制設備，發(fā)送服務器可以采用前面介紹過的HTTP、WebSocket、MQTT協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，下面是使用MQTT協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)的示例：

首先設備作為訂閱者，向MQTT中介進行訂閱，然后，發(fā)送服務器則是發(fā)布者，同樣向中介進行發(fā)布，這樣一來，發(fā)送服務器只需要把確定的數(shù)據(jù)加在主題上發(fā)送就行了，發(fā)送服務器和設備都不需要知道彼此的地址，只要知道中介的地址，就能夠?qū)崿F(xiàn)通信，一旦訂閱者斷開，中介就會負責在斷開時發(fā)送通知，并在重新連接時再次發(fā)送數(shù)據(jù)。

這里介紹一個示例，近年來盛行在農(nóng)業(yè)領域?qū)隝CT技術，以往，環(huán)境控制都是由農(nóng)戶手工測量大棚內(nèi)的問題以及控制植物的生長狀況，現(xiàn)在則把重點放在實現(xiàn)完全自動化，以提高生產(chǎn)率，采用各種傳感器來測量和記錄（相當于接收數(shù)據(jù)）溫度、濕度、二氧化碳及光照等數(shù)據(jù)，然后把從環(huán)境中感測到的數(shù)據(jù)和設定的閾值比較（相當于數(shù)據(jù)處理），從而實現(xiàn)自動控制空調(diào)，自動注入二氧化碳（相當于發(fā)送數(shù)據(jù)）。

六、數(shù)據(jù)分析

光是采集傳感器和設備發(fā)來的數(shù)據(jù)，那就只不過是將一堆龐大的數(shù)據(jù)聚在一起而已，很難直接應用這些數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)更好的服務，需要從采集到的數(shù)據(jù)中分析出有價值的信息，只有通過對數(shù)據(jù)的分析，才有可能掌握機器的運轉情況，找出其中蘊含的趨勢，提前檢測出今后可能會發(fā)生的異常情況，這樣才能把整個物聯(lián)網(wǎng)服務從一個單純的采集數(shù)據(jù)的行為升華到一項創(chuàng)造附加價值的服務。

根據(jù)分析目的來區(qū)分，大體可以分為3種：基于采集的“可視化”分析，基于統(tǒng)計分析和機器學習等高級分析技術的“發(fā)現(xiàn)”分析和“預測”分析，如下圖所示：

讀了物聯(lián)網(wǎng)，你會發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析師的前景光明，以前我們僅僅分析人，未來將分析無窮無盡的物，這是時代賦予數(shù)據(jù)人的機遇，物聯(lián)網(wǎng)越發(fā)展，數(shù)據(jù)分析的價值就越大，現(xiàn)在還僅僅是個開始。

七、物聯(lián)網(wǎng)市場

物聯(lián)網(wǎng)市場是有若干個市場形成，包括作為物的設備市場，掌管物與物之間聯(lián)系的網(wǎng)絡市場，還有運營管理類的平臺市場，分析采集到的數(shù)據(jù)的分析處理市場，如下圖所示：

從前面的講述可以看到，物聯(lián)網(wǎng)是個復雜系統(tǒng)，涉及很多參與方，無論是華為、百度、運營商、阿里巴巴等等，都在說自己在布局物聯(lián)網(wǎng)，那么他們到底說的是不是同一回事呢？

華為：偏重設備操作和網(wǎng)絡，提出“1+2+1”物聯(lián)網(wǎng)解決方案，包括物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)（設備太多，類似于要打造Android操作系統(tǒng)統(tǒng)一標準）、網(wǎng)關、有線無線（比如NB-IoT）等

百度：偏重Pass，涉及平臺、分析處理和服務應用，提出百度天宮，包括AI、Big Data、Cloud等

中國移動：偏重網(wǎng)絡，NB-IoT、OneNet平臺，物聯(lián)網(wǎng)卡，5G等

阿里巴巴：除了網(wǎng)絡啥都有，提出“1234”物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，包括物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，設備芯片，網(wǎng)關及PaaS賦能

騰訊：偏重Pass，涉及平臺、分析處理和服務應用，提出QQ物聯(lián)等

其他比如中興通訊、大唐電信、聯(lián)通、電信、京東、小米、科大訊飛等都在相關市場發(fā)力，任何一家參與方都希望基于自己擅長的領域向兩端延伸，打造賦能平臺，從而擴大在產(chǎn)業(yè)的影響力。