從智能手環(huán)、智能手表、VR、AR、MR、共享單車再到無(wú)人駕駛，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)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(guān)技術(shù)做了個(gè)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(yǔ)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(luò)相連的物品，并非萬(wàn)事萬(wàn)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(jī)器上的超低功耗傳感器投入市場(chǎng)，無(wú)線通信的進(jìn)步等，都促使著除了PC，服務(wù)器和智能手機(jī)等傳統(tǒng)連接互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備以外，越來(lái)越多各種各樣的“物”也開(kāi)始連接物聯(lián)網(wǎng)，以汽車、家用電器以及房屋為開(kāi)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(huì)有那么多設(shè)備要有聯(lián)網(wǎng)的訴求，它們連上網(wǎng)了又會(huì)給用戶帶來(lái)哪些價(jià)值呢？

以前，人們通過(guò)讓少數(shù)昂貴的工業(yè)機(jī)械通信，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)“物”的遠(yuǎn)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(jià)格大量生產(chǎn)面向用戶的機(jī)器，并讓這些機(jī)器通信，也正因?yàn)閼?yīng)用了從這些“物”中獲取的數(shù)據(jù)，各種各樣的服務(wù)才如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)，此外，先進(jìn)的感測(cè)技術(shù)的普及實(shí)現(xiàn)了人類對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的掌握和預(yù)測(cè)，通過(guò)實(shí)時(shí)海量地搜集人、物、社會(huì)和環(huán)境數(shù)據(jù)，也有望進(jìn)行新型社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建。

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

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

二、物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)大體上發(fā)揮者兩個(gè)作用。

• ***是把設(shè)備收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
• 第二是向設(shè)備發(fā)送指令和信息。

物聯(lián)網(wǎng)大體上由設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等構(gòu)成，如下圖所示，下面將分別介紹。 

三、設(shè)備-通向現(xiàn)實(shí)世界的接口

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備五花八門，當(dāng)其結(jié)構(gòu)一般都如下圖所示。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備跟普通的機(jī)械產(chǎn)品一樣，都包含用于檢測(cè)用戶操作和設(shè)備周邊環(huán)境變化的輸入設(shè)備，提示某些信息或者直接作用于環(huán)境的輸出設(shè)備，以及作為設(shè)備的大腦來(lái)負(fù)責(zé)控制機(jī)器的微控制器等。 

1、微控制器

MCU是一塊控制機(jī)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(hào)。與PC中的芯片不同之處是，它通常集成度更高，會(huì)同時(shí)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(kāi)始取代傳統(tǒng)的8位單片機(jī)了，特別是如今需要將設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)，對(duì)微控制器主板以及編程環(huán)境要求也逐漸降低，很多從來(lái)沒(méi)有摸過(guò)硬件的開(kāi)發(fā)者，通過(guò)連接一些標(biāo)準(zhǔn)的外圍I/O設(shè)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(méi)有從事過(guò)電子儀器設(shè)計(jì)和制作的人也能馬上著手開(kāi)發(fā)的微控制器主板，有著超高的人氣，利用其IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境，和可擴(kuò)展的大量Shield，只需要花費(fèi)幾十塊就能搭建出一個(gè)用于連接網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)小玩意。

談到開(kāi)源硬件，還有一個(gè)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(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，同時(shí)配有豐富的外設(shè)，USB，HDMI，活脫就是一臺(tái)迷你PC的節(jié)奏，售價(jià)上要比Ardunio貴一些，但最近國(guó)內(nèi)有很多山寨開(kāi)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(xué)習(xí)。

為了狙擊ARM在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的拓展，Intel也不甘示弱，推出了專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的Edision開(kāi)發(fā)板，集成了WiFi，藍(lán)牙4.0等多種協(xié)議，還兼容Ardunio擴(kuò)展，安裝Python和Node.js和專用的XDK IoT Edison開(kāi)發(fā)套件。

2、輸入設(shè)備

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

舉個(gè)例子，假設(shè)有臺(tái)智能手機(jī)，那么這臺(tái)手機(jī)都搭載了什么樣的傳感器呢？實(shí)際上它搭載了觸摸屏、按鈕、相機(jī)、加速度感知器、照相傳感器等相當(dāng)多的感測(cè)設(shè)備，這些傳感設(shè)備能幫助我們更詳細(xì)且精細(xì)地掌握周邊情況，這在一定程度上決定著機(jī)器的性能，所以設(shè)備的開(kāi)發(fā)過(guò)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(shè)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(cè)元件，檢測(cè)元件這種物質(zhì)的電子特性會(huì)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(chǎng)上出現(xiàn)了具備先進(jìn)能力的傳感器，這類傳感器能輕松地獲取那些原來(lái)難以當(dāng)成數(shù)據(jù)來(lái)處理的信息，這些傳感器與其說(shuō)是零件，不如說(shuō)是狹義上的設(shè)備，或者說(shuō)是多個(gè)因素復(fù)雜協(xié)作的系統(tǒng)。

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

又比如定位，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)也是至關(guān)重要的，無(wú)論是通過(guò)導(dǎo)航方便生活，還是監(jiān)管水壩的儲(chǔ)水量，或是守護(hù)瀕危物種，又或者是優(yōu)化運(yùn)輸路線，以及海洋上監(jiān)測(cè)海嘯，現(xiàn)在定位技術(shù)不僅有GPS、還有WIFI定位，指紋定位等等。

3、輸出設(shè)備

物聯(lián)網(wǎng)想要實(shí)現(xiàn)的不只是感測(cè)狀態(tài)，將狀態(tài)“可視化”，對(duì)人類和環(huán)境進(jìn)行干涉，控制世界令其向目標(biāo)狀態(tài)發(fā)展才是其真實(shí)目的。

在需要向用戶反饋某些信息時(shí)，顯示器、喇叭、LED這些用于輸出信息的設(shè)備就會(huì)發(fā)揮作用，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備重在小型和簡(jiǎn)便，如何配置這些輸出設(shè)備能讓其高效地把信息傳達(dá)給用戶，無(wú)疑是設(shè)計(jì)階段非常重要的課題。

還有一個(gè)方法是在設(shè)備上安裝驅(qū)動(dòng)器，讓驅(qū)動(dòng)器物理的作用于環(huán)境，驅(qū)動(dòng)器是通過(guò)輸入信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的驅(qū)動(dòng)裝置的統(tǒng)稱，例如具有代表性的伺候電機(jī)，它能夠根據(jù)輸入的電子信號(hào)把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到任意的角度，這個(gè)方法和機(jī)器人技術(shù)有著密切的聯(lián)系，與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的設(shè)備是當(dāng)今最受矚目的領(lǐng)域之一。

四、網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)

有兩種設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)的方式，一種是由設(shè)備本身直接連接全球網(wǎng)絡(luò)，另一種是本地區(qū)域內(nèi)使用網(wǎng)關(guān)來(lái)連接全球網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示，近來(lái)“生活記錄”型的設(shè)備越來(lái)越多，其結(jié)構(gòu)更接近前面說(shuō)的第二種方式，例如通過(guò)藍(lán)牙把可穿戴設(shè)備和智能手機(jī)配對(duì)，通過(guò)智能手機(jī)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。 

1、網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行通信的方式有很多種，既有有線的也有無(wú)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(wú)線的包括WIFI、藍(lán)牙，2G/3G/4G，當(dāng)然還有NB-IoT，諸如共享單車使用的其實(shí)是從運(yùn)營(yíng)商購(gòu)買的SIM卡，三大運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)制式如下：

那么NB-IoT是怎么回事？

從2G到3G再到4G，移動(dòng)網(wǎng)速越來(lái)越快，但到了4G時(shí)代后，由于物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)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(dòng)寬帶，一邊是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，從2G到4G，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都只是為了連接“人”而生，但隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需面向連接“物”而演進(jìn)。

為此，3GPP在Release 13制定了NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)來(lái)應(yīng)對(duì)現(xiàn)階段的物聯(lián)網(wǎng)需求，在終端支持上也多了一個(gè)與NB-IoT對(duì)應(yīng)的終端等級(jí)——cat-NB1，比較傳統(tǒng)2/3/4G網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)主要有三大特點(diǎn)：

***：懶，終端都很懶，大部分時(shí)間在睡覺(jué)，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(dòng)性，大量的物聯(lián)網(wǎng)終端長(zhǎng)期處于靜止?fàn)顟B(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(diǎn)支撐了低速率和傳輸延遲上的技術(shù)“妥協(xié)”，從而實(shí)現(xiàn)覆蓋增強(qiáng)、低功耗、低成本的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，NB-IoT已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商最為倚重的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，是運(yùn)營(yíng)商實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的核心技術(shù)。

2、網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)指的是能連接多臺(tái)設(shè)備，并具備直接連接到互聯(lián)網(wǎng)的功能的機(jī)器和軟件，其把從設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成特定格式并發(fā)送給服務(wù)器，如下圖所示，物聯(lián)網(wǎng)使用的設(shè)備中，有3臺(tái)設(shè)備不能直接連接到互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)就負(fù)責(zé)把這些設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)。 

五、服務(wù)器

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)大體可分為3個(gè)部分，分別稱為前端部分、處理部分以及數(shù)據(jù)庫(kù)部分。 

1、接收數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)接收服務(wù)器負(fù)責(zé)接收從設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，它在設(shè)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(lǐng)域?qū)⑵渥鳛闃?biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其是一種能實(shí)現(xiàn)一對(duì)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(gòu)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(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)與多臺(tái)設(shè)備之間的通信，另外，MQTT還實(shí)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(yùn)行，又因?yàn)橄⑿。瑓f(xié)議機(jī)制簡(jiǎn)單，所以在硬件資源受限條件下也能運(yùn)行，可以說(shuō)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(guò)協(xié)議進(jìn)行交換，而數(shù)據(jù)的格式也很重要，通過(guò)Web協(xié)議來(lái)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(duì)來(lái)講，XML容易理解，而JSON字符少，數(shù)據(jù)量小，更適合使用移動(dòng)線路等低速線路通信的情況，基于物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)處理這些格式時(shí)，要把文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)值數(shù)據(jù)和二進(jìn)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(jì)算機(jī)卻很容易處理。

3、處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

處理服務(wù)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(shè)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(chǔ)包括關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，具體可參考當(dāng)前大數(shù)據(jù)平臺(tái)的主流技術(shù)，比如批處理有Hadoop MR，Spark等，流處理有Spark Stream，Storm等，NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)包括KV數(shù)據(jù)庫(kù)（如Redis），文檔數(shù)據(jù)庫(kù)（如MongoDB）等。

4、發(fā)送數(shù)據(jù)

發(fā)送服務(wù)器的目的在于向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)并控制設(shè)備，發(fā)送服務(wù)器可以采用前面介紹過(guò)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(shè)備作為訂閱者，向MQTT中介進(jìn)行訂閱，然后，發(fā)送服務(wù)器則是發(fā)布者，同樣向中介進(jìn)行發(fā)布，這樣一來(lái)，發(fā)送服務(wù)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(wù)器和設(shè)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(kāi)，中介就會(huì)負(fù)責(zé)在斷開(kāi)時(shí)發(fā)送通知，并在重新連接時(shí)再次發(fā)送數(shù)據(jù)。

這里介紹一個(gè)示例，近年來(lái)盛行在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)隝CT技術(shù)，以往，環(huán)境控制都是由農(nóng)戶手工測(cè)量大棚內(nèi)的問(wèn)題以及控制植物的生長(zhǎng)狀況，現(xiàn)在則把重點(diǎn)放在實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，以提高生產(chǎn)率，采用各種傳感器來(lái)測(cè)量和記錄（相當(dāng)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(cè)到的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閾值比較（相當(dāng)于數(shù)據(jù)處理），從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制空調(diào)，自動(dòng)注入二氧化碳（相當(dāng)于發(fā)送數(shù)據(jù)）。

六、數(shù)據(jù)分析

光是采集傳感器和設(shè)備發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，那就只不過(guò)是將一堆龐大的數(shù)據(jù)聚在一起而已，很難直接應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，為了實(shí)現(xiàn)更好的服務(wù)，需要從采集到的數(shù)據(jù)中分析出有價(jià)值的信息，只有通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，才有可能掌握機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，找出其中蘊(yùn)含的趨勢(shì)，提前檢測(cè)出今后可能會(huì)發(fā)生的異常情況，這樣才能把整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)從一個(gè)單純的采集數(shù)據(jù)的行為升華到一項(xiàng)創(chuàng)造附加價(jià)值的服務(wù)。

根據(jù)分析目的來(lái)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(jì)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等高級(jí)分析技術(shù)的“發(fā)現(xiàn)”分析和“預(yù)測(cè)”分析，如下圖所示：

讀了物聯(lián)網(wǎng)，你會(huì)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(lái)將分析無(wú)窮無(wú)盡的物，這是時(shí)代賦予數(shù)據(jù)人的機(jī)遇，物聯(lián)網(wǎng)越發(fā)展，數(shù)據(jù)分析的價(jià)值就越大，現(xiàn)在還僅僅是個(gè)開(kāi)始。

七、物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)

物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)是有若干個(gè)市場(chǎng)形成，包括作為物的設(shè)備市場(chǎng)，掌管物與物之間聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)，還有運(yùn)營(yíng)管理類的平臺(tái)市場(chǎng)，分析采集到的數(shù)據(jù)的分析處理市場(chǎng)，如下圖所示：

從前面的講述可以看到，物聯(lián)網(wǎng)是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，涉及很多參與方，無(wú)論是華為、百度、運(yùn)營(yíng)商、阿里巴巴等等，都在說(shuō)自己在布局物聯(lián)網(wǎng)，那么他們到底說(shuō)的是不是同一回事呢？

華為：偏重設(shè)備操作和網(wǎng)絡(luò)，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(shè)備太多，類似于要打造Android操作系統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)）、網(wǎng)關(guān)、有線無(wú)線（比如NB-IoT）等

百度：偏重Pass，涉及平臺(tái)、分析處理和服務(wù)應(yīng)用，提出百度天宮，包括AI、Big Data、Cloud等

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

阿里巴巴：除了網(wǎng)絡(luò)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(shè)備芯片，網(wǎng)關(guān)及PaaS賦能

騰訊：偏重Pass，涉及平臺(tái)、分析處理和服務(wù)應(yīng)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(guān)市場(chǎng)發(fā)力，任何一家參與方都希望基于自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域向兩端延伸，打造賦能平臺(tái)，從而擴(kuò)大在產(chǎn)業(yè)的影響力。

希望對(duì)你理解物聯(lián)網(wǎng)有所幫助。