物聯網的三層架構

這是在IC咖啡學堂001｜物聯網 微信群 的第二次物聯網課程的分享。

我們春節前介紹了物聯網的基本概念——三個關鍵詞，原計劃今天講物聯網的發展趨勢，在準備課程的時候，發現如果沒有講物聯網的三層架構介紹清楚，是講不清楚物聯網發展趨勢的，所以今天首先介紹一下物聯網的三層架構。

關於IBM對物聯網技術架構的解釋，最早用了八層架構，後來這八層架構解釋不清楚，衍變成為了物聯網生態，技術上分了七層，如圖。

這個IBM的物聯網生態圖非常經典，我用這張圖預測了很多物聯網的趨勢。

但後來IBM的技術架構是分三層的：感知、連接、智能。

而電信研究院對物聯網的架構如圖。

感知層對應與IBM的感知，網路層對應與IBM的連接，應用層對應於IBM的智能。以下我們分別討論：感知層、網路層和應用層。

感知層：

看一下感知層，實現對物理世界的智能感知識別、信息採集處理和自動控制；包括了感測器、執行器，RFID，二維碼和智能裝置。

感測器、執行器

學過自動化的朋友都了解最原始的控制系統包括：感測器、控制器、和執行器；而物聯網的架構在底層包括感測器、執行器，而控制器的功能是在更大的範圍內實現的，比如在應用層的應用＋智能是在更大的範圍內實現控制閉環。

感測器是一種檢測裝置，能夠感受到被測量的信息，並能將感受到的信息，按一定規律變換成電信號或者其他所需的信息形式輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

感測器主要是感知環境的狀態。按照感測器的原理，有半導體感測器、激光感測器、機械感測器、視覺感測器、液位感測器、磁感測器等等不同類型的感測器。

但是隨著物聯網行業的發展，需要更多的設備使用感測器。而隨著使用量的增加，對感測器的尺寸、功耗有更高的要求，所以微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）的使用越來越多，逐漸成為物聯網時代感測器的主流產品。

MEMS是在微電子技術（半導體製造技術）基礎上發展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術製作的高科技電子機械器件。

MEMS集微感測器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、介面、通信等於一體的微型器件或系統。

MEMS側重於超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。

MEMS是一個獨立的智能系統，可大批量生產，其系統尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級。常見的產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學感測器、MEMS壓力感測器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度感測器、MEMS氣體感測器等等以及它們的集成產品。

另外很多非接觸式的感測方式也逐漸流行，比如通過圖像分析，視頻分析的方法，也可以實現感測。

以前監測汽車是否闖紅燈，是否壓線，通過磁釘作為感測器。而現在可以通過圖像，利用圖像處理方法，作為感測器。

還有對語音的識別，算不算感測器呢？

執行器是根據指令改變物體的狀態，電機、開關、閥門等都屬於執行器。

RFID

物聯網，不言而喻就是要物物相連。既然萬物互聯了，那麼如何識別一個物體？對於有計算處理能力的設備，一般用ip識別。比如聯網的設備都有IP，可以通過IP地址找到並識別設備。

宇宙萬物中，沒有處理能力的物體佔了絕大多數，那麼如何識別這些物品呢？對這些物品的識別通常用的是賦予ID，通過ID識別。超市中，每一個物品都有一個條形碼（Bar code），超市就是通過條形碼來識別商品的。

但是條形碼的問題是識別效率低，所以我們去超市的時候發現在收銀台經常排很長的隊，收銀員大部分時間浪費在掃條形碼上，首先需要找到條形碼、如果條形碼有污漬，識別不出來還要再通過手工輸入條形碼的ID。十分影響效率。

而RFID實際上是另外一種區別於條形碼的ID系統，英文名叫Radio Frequency Identification，中文翻譯為射頻識別。

我們假想一個場景，如果我們在超市採購了很多商品之後，推著購物車，通過出口時，一個設備可以識別所有商品的信息，並直接記入結賬系統，那麼超市的收銀台將不需要再排隊。

而能夠完成以上場景的技術，就是RFID技術。在2005年的時候，沃爾瑪曾經要求所有供應商提供給沃爾瑪的商品含有RFID標籤，其目的就是為了解決這個問題。

所以RFID最流行、最熱是在2005年，2006年之後，而物聯網的起源之一也是因為RFID技術，但因為十年前，RFID的技術不成熟，一方面成本高，另外一方面識別率低，導致RFID的普及程度不高。

隨著RFID技術的發展，工藝上改變之後，一方面成本降低，RFID的識別率提升之後，應用開始越來越廣泛。現在基本上服裝行業已經普遍使用RFID。我門熟悉的公交卡，ETC都是RFID。

二維碼

剛才講到了沃爾瑪曾經對RFID寄寓了很高的期望，實際生活中，需要對ID的識別，而條形碼識別率低，早期RFID識別率低，成本高。這個時候二維碼作為中間過渡技術，有了很多的應用，所以二維碼也是感測技術之一。

而隨著移動互聯網的發展，手機輸入鏈接非常麻煩，二維碼作為鏈接的一個輸入工具，有非常廣泛的應用。

另外RFID有液體或者金屬的環境，識別率也會降低，在一些金屬產品、或者液體容器上，也會應用二維碼

簡單介紹了感知層。在物聯網的感知層，主要是解決了一個識別物體、感知物體狀態、並控制物體狀態等幾方面的作用。

連接（或者網路層）

物聯網是萬物互聯，如果物體要連接，一定需要網路層。而物聯網需要各種通訊技術融合。

物聯網時代，需要聯網的設備種類差異非常大，有需要快速連接，數據傳輸量大的連接設備，比如電腦、視頻設備的連接，就需要高速高可靠性的通訊方式。

也有很多數據量不大，及時響應性要求不高的設備，而這些設備通暢需要連接便捷，無線。這些設備未來可能連接的量非常大，那麼需要自動連接，無線，非常低的功耗。

所以通訊的要求非常不一致。

在物聯網發展的早期，針對物的連接，有針對高端設備的自動化匯流排。而更多的通訊協議是為了傳輸電腦，手機等大數據量設備的。所以物聯網發展早期，物聯網通訊協議更多的是借用了針對這些設備的通訊，比如wifi是最不適合做智能家居的通訊協議，功耗高，連接數量多了之後，穩定性差。但因為wifi網路的普及度高，Ipad讓很多家裡都有了WIFI信號，所以智能家居最開始是使用wifi協議的通訊早期佔據了主流。

我經常講，從技術角度講zigbee可能比wifi更適合智能家居，但zigbee協議本身並不兼容這個是瓶頸之外，wifi不需要組網，就可以直接使用，是最根本的原因。

所以未來連接，高端設備，需要高速、穩定的連接。通訊的速率、穩定性、可靠性是關鍵。而低端設備，連接的便捷性、低成本、低功耗是關鍵。

不同的目的，需要不同的連接方式。

根據我的觀察，雖然物聯網三層架構感知、連接、智能三層，從架構上感知是最底層。但按照發展順序看，是連接、感知、智能三個趨勢發展。

物聯網發展的早期瓶頸是連接，隨著nb-iot協議的推出，隨著通訊技術的完善，連接的瓶頸將有望在18年突破。

應用層（智能）

IBM的第三層是智能，更多的是強調智能。而電信研究院的三層架構的第三層是應用層。應用層中，包涵應用基礎設施／中間件，和物聯網應用。而在物聯網的應用中，包涵傳統的一些應用、和新興的應用，在這些應用中，更多的是利用數據創造智慧。

早期的物聯網架構中，應用、智能都是集中在雲平台上，智能體現在物聯網的PaaS平台上。但是最近幾年，隨著應用的普及，應用、智能全部在雲計算平台上也發生了一些問題。

比如，智能家居所有的智能如果都是通過雲平台實現的話，家裡所有的設備的控制都是通過雲計算實現，如果網路斷了，家裡的設備如何控制？這樣的話智能全部在雲平台上實現是有缺陷的。

所以最近一段時間以來，物聯網行業討論熱點，逐步從雲平台，專向了邊緣計算，需要局部數據就可以智能控制的部分，在邊緣計算層；而需要多方數據融合形成的智能才在雲計算中心。

有幾方面因素可以創造智能：

1、傳統已經形成理論的智能。（比如自動化理論應用於生產製造，就是一種智能）。

2、人本身的經驗，通過系統表達出來。

3、利用大數據的關聯性，通過大數據識別出的智慧。

在未來的物聯網系統中，各種智能都需要在物聯網的應用中能夠體現。

按照我推斷的物聯網發展的三個瓶頸，先是連接，其次是感知、最後才是智能。而人工智慧現在這麼熱，我認為還是偏早了。人工智慧真正發揮應用，還需要有了大量的感測設備，這些設備為智能提供大量的自動搜集的數據，才是智能真正發展的高峰。

但是現在在感知層，很多技術也需要人工智慧技術。

李徳毅院士就提出來了，人工智慧最早是在交互上，而無論是通過圖像實現的人工智慧交互、還是動作的人工智慧交互、或者語音的人工智慧交互都可以算作是感知層的智能。 而更大規模的智能，會實在感知層的瓶頸突破之後。

今天為大家分享了物聯網的三層架構：感知、連接和智能。

下次為大家分享物聯網的發展趨勢（共分三講），分別用三種趨勢判斷的方法，講解物聯網發展趨勢。

物聯網發展趨勢第一講，將在 IC咖啡學堂001｜物聯網 微信群為大家分享！

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