第一节 介绍

　　物联网描述网络的成长状态，能够让物体(例如：对象、环境、交通工具或衣服……等)相互传达之间的相关信息。例如设备(M2M：机器对机器)就是整合网络的一部分。

　　图 2.1 物联网技术和通信

　　第二节 迈向更聪明的网络

　　想象一下在一个世界里，数十亿个对象可以感觉、沟通和分享讯息，它们都可以在公共或私有网络协议(IP)网络相互连接。 这些相互关联的对象经常地将数据收集、分析和使用，以采取移动并提供丰富智能的规划、管理和决策。 这是物联网(IoT)的世界。 物联网的概念是在 1999 年被射频识别(RFID)开发团体中的一员所创造的，它最近因为移动设备的成长、嵌入式和无远弗届的沟通、云端运算及数据分析而变得更切合现实世界。

　　此后，许多有远见的人抓住了物联网这个词，认为它是一个很普遍的概念，尤其是日常生活中的物体，它们不论沟通方法(不论是否通过 RFID、无线网络、广域网或其他方式)通过网络而变得可读的、可识别的、可定位的、可寻址的和/或控制。日常的物体不仅包括电子设备、高技术开发的产品，如车辆和设备，但是我们并不只局限在电子设备，如食品和衣物。 举例说明物联网里面的对象包括：人、 位置(对象的)、 时间讯息(对象的)、 条件(对象的)。现实世界中的这些对象应无缝地整合到虚拟世界中，实现随时随地的连接。 在2010，连接到网络的对象和设备的数量约为 125 亿。 思科预测，因为每一个人拥有更多的智能设备，在 2015 年物联网的对象数量将倍增至 250 亿，更进一步地，在 2020 年预计数量将会到达 500 亿(见图 2.2)。

　　图 2.2，在 2020 年连接设备的数量 (来源：Cisco IBSG, April 2011)

　　第三节 技术的发展趋势

　　一些技术的发展趋势将有助于让物联网成形。 这里有七个确定的宏观趋势：RFID设备的小型化技术的进步、第六版的网络协议(IPv6)、改善沟通的吞吐量和延迟、实时分析、采用云端技术和安全性。

　　第四节 可穿戴技术及设备

　　可穿戴设备特别指的是被戴在身上、附着于或嵌入在衣服或配件上的移动电子设备。 这些微电脑和传感器可以显示、处理或收集讯息，并具有无线通信能力。 这是过去计算周期的逻辑延伸，从桌面计算机到笔记本电脑再到最近平板计算机和智能手机，每个设备变得个性化及携带方便。 可穿戴设备是物联网一个很好的例子。

　　分析传感器是物联网(IoT)计算周期的延伸：想象你的手腕上有一个物联网库，来做以下的逻辑延伸：

　　一、 个人资料收集：穿戴式设备收集个人生理数据-活动、健康和地点-关于一个能影响行为而且被产业使用来带出商务价值的个体。

　　二、 基于行为的零售促销：零售商可以更好地了解顾客如何花费时间在他们的商店，并提供有针对性的优惠券或有关产品的信息。

　　三、 订制化汽车保险：汽车保险公司可以根据影响顾客安全的消费行为来订定保费。

　　四、 药物监测：制药公司能改善处方填充率并且医生可以更好地监视药丸的摄取。

　　五、 工厂程序和效率监视：制造业可以监控员工的工作效率，并改善流程。

　　六、 信用卡安全性和效率：信用卡发卡机构可以减少欺诈行为，同时也增加使用量、客户满意度。

　　穿戴式设备让付款变得更有趣，它可以明显地减少交易时间，不必再从口袋拿出皮夹来付款而是用智能手机，而且不需要用签名来完成交易手续。 我们认为这是一个在手机上更方便的体验与技术。 重要的是，易用性提高了使用比例，这意味着商家、卡的网络、发卡机构和像 Apple Pay 的支付平台可能全部获利。

　　下图是 2012 - 2017 年穿戴式设备的销售市场。

　　图2.4 穿戴式设备市场 

　　全球电子穿戴式设备市场可以划分为五个类别。头戴式：包括头盔产品和视觉辅助。颈部设备：具有环和项链的产品，用珠宝等装饰掩盖电子设备。手臂穿戴类：最蓬勃发展的类别，拥有多样化的产品，腕带、智能手表、戒指、臂章……等。身体佩戴设备：包括智能服饰及监控背部或脊椎的设备。 而最后一类是关于脚部穿戴设备。

　　第五节 MEMS 技术

　　微机电系统，简称 MEMS，其最一般的形式可以定义为利用微细加工技术制造小型化的机械和机电组件(即设备和结构)的一种技术。 MEMS 设备的临界实物尺寸可以从远低于一微米光谱的下端一路变化到几个毫米。 同样地，MEMS 设备的类型可以在集成微电子控制之下从相对简单具有非移动式组件的结构，到复杂具有多种移动式组件的机电系统的结构变化。MEMS 其中一个标准是，不论这些组件是否能够移动，它们至少一些组件具有机械工能。 用于定义 MEMS 的术语因所处地区而有所不同。 在美国它们称为“微机电系统”，而在其他地区被称为“微系统技术”或“微机械加工设备”。

　　而 MEMS 的功能组件是微型化结构、传感器、致动器，以及微电子，最显著的(也许是最有趣的)组件是微传感器和微致动器。 微传感器和微致动器被适当地分类为“换能器”，它被定义为转换能量的设备。在微传感器的情况下，该设备典型地将一个测量的机械信号转换成电子信号。

　　图 2.6MEMS 组件

　　在过去的几十年中，MEMS 研究人员和开发者已经证实非常多微传感器的几乎每一个可能感测模式，包括温度、压力、惯性力、化学物种、磁场、辐射……等，值得注意的是，许多这些微机械加工的传感器的性能已证明超过那些他们的宏观同行，也就是微机械版本，例如，一个压力传感器，通常优于采用最精确的宏观级加工技术制成的压力传感器。 不仅是 MEMS 设备性能优秀，而且它们的生产的方法是利用在集成电路工业中使用的同一批制造技术 –它可以降低单位设备的生产成本，以及许多其他的益处。 因此，就有可能在相对较低的成本水平下，达到恒星设备的性能。 不意外地，以硅为基底的离散微传感器很快地被商业开发并且这些设备将在市场上持续快速增长。

　　最近，微机电系统的研究和开发团体已经发表了一些微致动器，包括：微型阀的气体和液体流量控制;光学开关和镜像复位向或调节光束;用于显示器独立控制微型镜数组。微共振器的许多不同的应用，微型泵浦开发正流体压力、微翼在翼型件上调节气流，以及许多其他的应用。 出人意料的是，尽管这些微驱动器非常小，它们经常会导致在大层面的影响;也就是说，这些微小的致动器可以执行的机械能力远大于它们的大小。 举例来说，研究人员在飞机的机翼前缘放置小的微致动器，他们已经能够仅使用这些微型化的设备来操纵飞机。

　　图 2.7MEMS 组件

　　以下是应用于智能手机的 MEMS 组件。

　　图 2.8MEMS 组件

　　第六节 基于 MEMS 传感器的小型化技术

　　微机电系统(MEMS)上的无线感测网络感测节点微型化技术在近几年有卓越的进步。MEMS 的核心技术是实现微电子技术、微型加工技术和包装技术的结合。 基于微电子和微型加工技术，可以生产不同二维或三维层级的敏感性结构，例如微型感应组件。这些和电源供给和讯号调节电路的微型传感器可以整合并封装成为一个微型 MEMS 传感器。

　　图 2.9 硬件无线感测网络感测结点的结构

　　目前，在市场已经有许多微型 MEMS 传感器的类型，可以用于测量各种物理、化学和生物量讯号，包括位移、速度、加速度、压力、张力、拉力、声音、光、电、磁、热、pH 值……等。在 2003 年，美国加州大学伯克利分校(UCB)的研究人员开发了一个配有微传感器的 WSN 传感器节点(mote)。该MEMS 感应模块的实际长宽只有 2.8 毫米、2.1 毫米。

　　图 2.10 设备下的 MEMS 半导体市场成长 2 倍，2006 年至 2017 年

　　第七节 设备小型化

　　物联网利用科技将实体物品连接到网络。电子组件的大小(和费用)需要支持其功能性，例如感应、追踪和控制机制，在广泛采用 物联网的各种行业应用中扮演了重要的角色。在半导体行业的进展一直很激烈，业界一直保持每两年加倍摩尔定律的晶体管密度。

　　于 2000 年，技术发展状态是 1000 纳米(nm)，但 2010 至 2011 年，该工业转移到商用系统级芯片(SoC)芯片解决方案，利用 28 至 45 纳米光刻技术实现了 2-3 芯片组件，可以整合能处理数字讯号的无线电收发器、基频微芯片或图形加速器。这里有许多应用，例如远程医疗和环境监测需要这些合成芯片组，不仅是因为体积小，并且可隐藏和充当”小型”计算机来感应实体物品。 幸运的是，多年来设备小型化已快速实现，且每个芯片的晶体管数量也呈倍数增加。

　　现今，晶元芯片制造技术是由平面金属氧化物半导体场效应晶体(MOSFET)技术主要在推动。 在芯片设计和结构等领域的进展，已经允许半导体工业降低生产晶体管的尺寸、密度和成本。像光刻、度量衡学和纳米技术被使用(和探索)来大幅提高单芯片上晶体管的数量。 例如，半导体制造过程也从 2010 年的 32纳米节点提升到 2011 年的 22 纳米节点，2013 的 16 纳米到 2015 年迈向 11 纳米(见图 2.3)。 Intel9 在 2012 年 4 月正式推出，是全球第一款商用微处理器-以 22 纳米与 3D 三栅极晶体管制程制造的版本。这种 22 纳米芯片比之前的晶体管还能够适应超过 29 亿个晶体管，能提升 37%性能、降低超过 50%的功耗。

　　图 2.12 半导体设备制造的发展趋势

　　正如芯片的尺寸越来越小，感应组件的成本也下降到变得更实惠。 Gartner公司预测，大多数科技组件，如收音机、无线网络、传感器和全球定位系统(GPS)，将在 2010 年至 2015 年，成本下降 15%至 45%(见图 2.5)。为了说明这一点，我们用较便宜的温度传感器举例，由于易腐产品横跨了供应链，冷链零售商会考虑部署多个温度传感器来监测他们的易腐产品。

　　随着尺寸的缩小和技术组件成本的下降，企业未来一到三年将在推行物联网中，看到更小的成本以及更大的机会。

　　一、无线射频识别(RFID)

　　无线射频识别(RFID)技术对 物联网特别的重要，因为物联网 在产业中第一个实现的应用是使用 RFID 技术来追踪与监控在物流和供应链行业中的商品。 RFID频段范围从 125 千赫(低频/ LF)到高达 5.8 GHz 的/超高频(SHF)，此标签至少有三个基本组件：

　　(一) 芯片包含有关对象的信息并经由无线空中媒介将数据传送到读取器。

　　(二) 天线允许讯息从读取器传输。

　　(三) 包装包住芯片和天线，并允许卷标附着到物体进行识别。

　　现今，一维(ID)条形码在供应链和其他行业有明显的贡献，如资产管理。 二维(2D)条形码提供了更丰富的数据来源，但是打印技术却没有跟上时代。 RFID能在其环境中永久地搜集和处理数据，证明为产品鉴定的下一个技术。 许多垂直行业，特别是在物流和供应链，持续使用 RFID 作为标签解决方案，以提高他们的追踪和监测过程。

　　放眼未来，RFID 在提供数据流具有潜力，能实时提供特定项目的数据给信息系统，并且具有灵活性来放置在极小的空间和位置上，例如线圈芯片(coil-on-chip)的技术。 随着技术的发展，像是芯片设计、能源使用和保存、射频技术和制造、RFID 新的使用方式应用将会出现，如自动抄表，远程家庭自动化和实时车辆追踪。

　　二、互联网通讯协议第 6 版(IPv6)

　　IPv4 地址有效地按照业界公认的指标释出，在现有框架下的最后地址分配已经完成，引发网络地址指派机构(IANA)分配最后五个 IPv4/8 区段。 随着 IANA的 IPv4 地址用尽，没有其余的 IPv4 地址能被分配到提供地址给组织的区域注册机构。

　　IPv6 是用来取代 IPv4 的下一个互联网地址协议。在 IPv6 中，大约有 3.4×1038(340 trillion trilliontrillion)个独立的 IPv6 地址，让网络继续发展及创新。 由于连接的设备(500 亿)的数量庞大，IPv6 可能会被用来代表所有这些设备(和系统)，消除网络地址转换(NAT)的需要和促进终端到终端的连接与控制。 这些功能提供实体对象无缝整合到网络世界。

　　三、增加讯息吞吐量和降低延迟

　　物联网仰赖一个普遍的通讯网络让“任何东西，任何地点”连接发生。 多年来，网络经营者为了现有的基地台、收发器和互连设施，提高了他们的基础设备来支持数据的容量和加强网络的吞吐量。 借助加入通用封包无线服务技术(GPRS)，全球移动通讯通话系统(GSM) 经营者已经为了 GSM 增强数据率演进(EDGE)大幅度地提高数据服务。现今，全球大多数的营运商正在部属高速封包存取(HSPA)技术的通用移动通讯系统(UMTS)来提高吞吐量和降低延迟。HSPA 一班被称作”3G”，显示出我们的力量和永远在线的潜力，任何地点的网络连接已经引发一波大规模跨越设备和应用的产业创新。

　　随着科技趋势转移导向提供更快的数据传输率和更低的延迟连接，第三代合作伙伴计划(3GPP)标准机构制订了一系列的改进来强化 HSPA 演进，也被称作“HSPA+”。 HSPA 演进代表宽带分码多重存取(WCDMA)的一个合理的发展，并且跃升到称为 3GPP 长期演进技术(LTE)的全新 3GPP 无线电平台。 LTE 提供了许多明显的优点，例如增加的性能属性、高峰值数据率，低延迟和利用无线频谱的效率。

　　四、云端运算

　　物联网连接数十亿个设备和传感器来创造新的创新应用。为了支持这些应用，一个可靠的、有弹性的且灵敏的平台是必要的。云端运算是支持物联网中的一个有利的平台。云端运算是一种能协调多种技术能力，例如多租户、自动化配置和使用运算，同时依赖网络和其他连接技术，像是更丰富的网页浏览器实现运算效用愿景的架构。 云端运算可以看到逐渐被采用，而云端运算有三种常见云端服务模式，即软件即服务(SaaS)、平台即服务(PaaS)和提供基础架构的云端服务(IaaS)。 举例来说，在 IaaS 硬件的使用，像是传感器和致动器，可以提供给客户云端资源，客户可以经由云端资源来设置任意的服务和管理硬件。 PaaS可以提供一个存取物联网 数据和制定物联网应用程序(或主机获取的物联网的应用程序)的平台。 SaaS 可以在 PaaS 方案上供应提供者拥有自己的 SaaS 平台给特定的物联网领域。 像 Axeda18、ThingWorx19、DeviceWise20 这些公司已经提供了软件开发平台建造创新的 M2M 和物联网的应用。

　　第八节 技术展望

　　物联网 是层级架构，这些技术已被分为三组。第一组的技术影响设备、微处理器芯片：

　　一、 低功耗传感器电源和能源持续性;

　　二、 在领域上传感器的智能化;

　　三、 芯片组的小型化;

　　四、 无线传感器网络的传感器连接。

　　第二组包含支持网络共享、处理能力和延迟问题的技术：

　　一、 网络共享技术，像是软件定义的无线电和认知网络;

　　二、 解决能力和延迟问题的网络技术，像是 LTE 和 LTE-A。

　　第三组技术影响支持物联网应用的管理服务：

　　一、 智能市场决策技术，如上下文感知运算服务、预测分析、复杂事件处理和行为分析;

　　二、 高速数据处理技术，如内存内运算和使用分析。

　　第九节 传感器连接和网络

　　一、三年内：

　　(一)线圈芯片技术

　　线圈芯片让天线线圈制造在硅芯片的表面，可以借助无线射频读取器感应与互动。这样的芯片通常测量近似为 2.5x2.5 毫米，可用在微小物体或在具有非常小的空间区域使用。芯片的制造是光刻技术，它因为有高度的精准度和可重复性能够制造出非常小的结构。

　　现今，线圈芯片已经在某些 RFID 卷标和专门的应用程序中实现，如磁振造影。当与传统的和天线线圈的比较，线圈芯片的RFID 卷标实现了更小的空间且很少发生故障，因为缺乏天线线圈和 IC 芯片之间的外部焊接连接点的劣化。 RFID 线圈芯片有基本的存储量，从 128 bytes 到 4 kilobytes 且无位移的部分，因此它可以承受恶劣的环境包括在湿和干的条件下。

　　在物联网上，线圈芯片的技术是特别有用的，因为它能够用小线圈芯片上传感器对小型的实物进行标记并使用应用程序进行监控。其中一些实物可能是活的东西，如鸟类或昆虫，可以透过气候来监测牠们的迁徙模式。 Maxell–在全球拥有记忆和存储技术的领导地位，已经发展线圈芯片具有 1kbit 存储容量的读写功能(的 RFID 标签。这种微小的 2.5x2.5 毫米 RFID 芯片允许数据被记录、删除并重新纪录以及添加新的数据直到存储容量填满。这使得线圈芯片在项目生命周期进行长期数据管理的时候为一个不错的选择。芯片上的数据可以被删除和重新使用，或处理后保存归档。

　　(二)低功耗设备和电池

　　功耗为传感器的最大挑战。现今传感器需要能够维持较长的电池寿命，以减少硬件维护和防止通讯失败，特别像在室外。在许多部署的情况下，为了延长在户外的传感器的可用性，大型电池必须连接到传感器，而这样使得该传感器设备变得庞大且笨重。

　　物联网支持传感器普遍地连接和需要它们彼此互动，即同时充当标签和读取器。为了支持这样的连接和通讯，低功耗芯片组的设计和使用将会为未来传感器的功耗产生显著的影响和思考。超低功耗设计的芯片组电路是现正持续研究的领域，具有从单闸板移动到多栅极晶体管和碳纳米管设计的技术。

　　(三)ZigBee(无线传感器网络的情况下使用)

　　无线传感器网络(WSN)或无处不在的传感器网络(USN)由传感器直接互相通讯，以形成网状网络的能力(通常称为节点)定义。在网络中的传感器可以充当读取器且经常移动。如果它们无意中移动时，它们可以电子化弥补，无需人工干预，即它们是“自动校准”。一个节点可以由大量的电子硬件所组成，一个传感器、一个致动器、一个微处理器、一个无线电和电源，有些可能来自不同的给定系统中，形成了“异构网络”。

　　IEEE 802.15.4 无线技术是为了提供无线感应网络吞吐量和延迟需求的应用的短程通讯息统。802.15.4 无线技术的主要特点是透过设备的支持，短距离传输、低功耗和低成本。基于 IEEE 802.15.4，大多数无线传感器网络使用无线网状技术，有时被称为 ZigBee。ZigBee 是一种规范，是一套对个人局域网络(PAN)基于 IEEE 802 标准的小型、低功率数字无线电的高阶通讯协议。使用 ZigBee协议，传感器能够以低功率、2.4GHz 频段 250kbps 可靠的比特率传输相互沟通和安全的数据传输，即 128AES+安全。 ZigBee 无线电设计对低成本生产和小于 100 微米的传输范围进行了优化。

　　无线传感器网络在支持多种物联网应用上扮演了关键的角色。许多智能的物体，具有不同的通讯、讯息和处理能力，一个可靠的网络在当中提供无缝的互动为当务之急。由于需要无缝连接物体和人沟通的大范围，可扩展性是 IoT 的另一项议题。最后，当对电池供电的智能物体进行处理，低功率通讯成为一个重要的面向，以确保这些对象持续连接。无线传感器网络的特性，支持这些网络的要求。无线传感器网络部署的一些例子，是在医疗卫生、环境监测和智能建筑。

　　二、三至五年：

　　(一)适性化学习分析

　　适性化学习分析是一系列的分析算法，它是由传感器和移动设备执行使实时数据智能化分析。 该算法根据出现的情况和可用的计算资源调整数据流处理参数，例如电池的电量和可用的内存，来做出最佳决策或建议。例如，在智慧型房间的情况下，信息可以被用来解释状况，而不是从光、噪音和动作单独的感应监测环境，诸如“开会中”、”展示“或”研究”，能够更好的了解环境。它还提供了环境的一个更抽象的视野，而不是把重心集中在个别环境区块。 根据感测设备的计算资源的优化，这样的讯息输出被定制，且减少了需要被发送到后端系统用于分析处理的数据量。

　　(二)IPv6 和 6LoWPAN

　　IPv6 是用于取代其正式在 2011 年 2 月释出(亚太网络讯息中心，APNIC)IPv4 地址 128-bit 的互联网地址方案。 在 IPv6 中，大约有 3.4×1038 独立的 IPv6地址，在可预见的未来有足够的地址空间来容纳云端化的设备。IPv6 允许网络自动配置，让设备容易进行管理且一旦他们在网络上将自动的配置。 IPv6 的可以借助一个分级的方式分配地址空间，带来地址有效的分配和管理。 例如，分配一个 IPv6 地址给组织，可以根据网络架构拓扑进一步分配。另外，IPv6 地址可以根据一个国家的地理位置指派，即东、西、南、北，以及更进一步基于街道和建筑层级来分配。借助 IPv6 地址有效的分配，它能够有更好的可管理性、对设备是别的可用性和易用性。

　　6LoWPAN 是“IPv6 低功率无线个人局域网络”的英文缩写。这是一个通讯标准，它允许低功耗设备借助 IPv6 进行沟通和交换数据。使用基于 IP 连接形成感应存取网络有许多好处：

　　1. IP 容易连接到其它 IP 网络而不需要转译网关或代理服务器。

　　2. IP 网络允许现有网络基础设施的使用。

　　3. IP 被证明可用且有范围，SocketAPI 是广为人知且被广泛使用的。

　　4. IP 是公开且自由的，借助标准，处理流程和提供给任何人的文件。 它鼓励创新且很好理解。

　　5. 6LoWPAN 在 IPv6 协议的工作原理是基于 IEEE 802.15.4 标准。 因此，它具有低成本、低速率和低功率的部署特性。底层采 IEEE802.15.4 的物理(PHY)和媒体访问控制(MAC)层标准，并使用 IPv6 作为联网技术。该协议的参考模型迭层如下。

　　物联网应用需要双向、低功率的通讯网络，从使用 6LoWPAN 受益。例如，在智能电网系统，发电厂可以传输电力和讯息到客户端， 另一方面，通过双向通讯，用户还可以将讯息发送到电厂。透过双向通讯，功率利用可以以更有效的方式来调整。 凭借其经济性和实用性，6LoWPAN 展现了市场的显著机会。

　　三、五年以上：

　　(一)纳米技术

　　纳米技术是能够从一发展到几百纳米设备的开发。在这个规模，纳米机器被定义为最基本的功能单元，并整合成纳米组件来执行简单的任务，例如感应或致动。在数个纳米机器的协调和讯息共享，都将在复杂性和经营范围方面扩大个别设备的潜在应用。

　　美国国家纳米技术计划用第一代纳米结构来描述纳米技术的四代发展，第一代是设计用来执行一项任务的材料。第二阶段看到多任务活性纳米结构的介绍，例如，致动器和传感器。第三代，在 2010 年左右出现的，有成千上万相互作用组件的功能纳米系统。从现在到 2015 年会出现综合纳米系统，与系统内的分层系统功能来执行复杂的任务。

　　随着纳米技术，未来传感器的设计可以更小、耗电更少，并且比电流传感器更灵敏。因此感应应用将享受的好处远远超出现有技术提供，例如 MEMS。在发电和存储的区域，纳米技术使用的纳米材料，可以明显降低能量存储设备的大小，并增加了相同的设备能量密度。