1.3 物联网的组成

随着物联网在中国的迅速发展，众多国内专家、学者加入了物联网的建设。同时，大量高学历、高层次的海归科学家和企业家也加入了这个朝阳产业中，分别从事感知材料、传感器、通信网络、平台、云计算和人工智能等相关行业的研发、标准化和产业化等工作。

物联网在宏观上包含3个层次，分别是底层、中间层及上层。其中，底层是用来感知世界的感知层，中间层是用来传输数据的网络层，上层是用来处理数据的应用层，如图1-6所示。

图1-6 物联网宏观上包含的3个层次

1.3.1 感知层

感知和采集信息是感知层的主要任务。从仿生学来看，感知层为“感觉器官”，它可以感知自然界的各种信息。感知层一般包含传感器、全球定位系统、气体感应器、激光扫描器、红外感应器和射频识别技术等各种设备和技术。其中，传感器及其相关装置是物联网的底层，在物联网产业链中传感器是最基础和需求最多的组件。在中国，大量的企业和高校研究机构在从事相关芯片、通信协议、材料、智能节点供电等领域的研究和开发工作。截至2020年，工业界使用的高精度和微量元素感知传感器主要依赖进口。微功耗传感器的运放模拟和数字电路设计，已经被大量的中国工程师掌握。

感知层的主要技术包括RFID、传感器和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）芯片。在国内，RFID已经在如身份证、门票、电子收费、物流管理等领域有大量的应用。目前，RFID 标签已经可以印刷且成本低廉，但是由于其物理特征，RFID标签不能在金属及液体环境下使用。传感器在2009年以前以仪器仪表为主，在2009年“感知中国”提出后，国家对传感器的研发投入加大，江苏省无锡市已经建立了中国首个传感网信息中心。通过国家高层次海外人才的引进，纳米传感器已经应用到临床医疗。传感器技术是一门多学科交叉的工程技术，它涉及信息处理、开发、制造和评价等许多方面。制造小型、低廉、高识别度、稳定的传感器是公司和科研院校研发人员的目标。全球定位系统除了在导航方面的应用，更广泛地应用于基于位置的服务（Location Based Service，LBS）。在物联网中，GPS同样扮演着重要的角色，GPS模块已经被集成到了廉价的GPRS模块中，如SimCom公司的SIM808模块、QUECTEL移远MC20模块，以及本书作者团队研发的基于MTK2503的物联网通信模块。

1.3.2 网络层

网络层的任务是传输感知层的数据。网络层是根据现在已经建设好的通信网和互联网建立的。网络层的任务是将感知层获得的数据通过移动通信网、企业内部网、各类专网、小型局域网、无线网络等在内的各类网络进行传输，尤其是在互联网、有线电视网和电信网三网融合之后，有线电视网也能提供廉价的宽带数据传输功能，这对物联网的发展起到了很大的推进作用。

网络层涉及现有的一些通信技术，如移动通信技术、下一代网络技术、有线宽带技术等。网络层的研发主要由高校和大型企业完成。在学术界，随着IPv6的诞生，为了使中国突破IP地址稀缺的局限性，北京交通大学的张宏科教授领导的下一代互联网研究中心已经完成了部分“973”和“863”重大项目。为了解决多网融合问题，北京邮电大学的张平教授所在的泛在网络研究中心已经对网络的异构问题进行了大量的研究，并完成了相关“973”和“863”重大项目。中国移动、中国联通、中国电信三大运营商和华为加入了3GPP长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目。LTE是以频分多路复用/频分多址连接（FDM/FDMA）及多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）为核心的准4G（Fourth Generation of Mobile Phone Mobile Communications Standards）技术，在速率、功耗、小区边缘用户的性能、延迟、激活、高速移动等性能指标方面取得了质的突破，并且已经得到了广泛的应用。但是，LTE依然和下一代网络的“以用户为中心”的理念存在巨大的差距，终端无法在多重异构无线网络里自由切换（Handover）。

截至2020年，被物联网广泛应用的通信方式依然是蓝牙、ZigBee 或廉价的GPRS技术，这些模块价格为10～16元人民币。只有部分的高端高速应用，如野外视频实时监测业务，使用了昂贵的4G通信。在移动通信领域，2019年10月，华为开始对外销售基带芯片巴龙711（2014年发布的成熟产品，全球累计出货量约1亿套），这是华为海思第一次对外出售基带芯片。2019年12月，苹果公司面对美国高通严密的专利壁垒，投入了10亿美元收购了 Intel的基带芯片小组。

1.3.3 应用层

应用层的任务是处理从网络层传输过来的数据，并且通过终端设备与人进行交互。应用层可划分为两个子层：一个是云应用层，主要功能是进行数据挖掘、存储、计算和处理；另一个是终端人机界面，主要负责信息的显示。物联网的应用层涵盖了生产生活的多个方面，如工业、农业、物流、环保、交通、银行、医疗等领域。从浅层来看，物联网虽然是物物相连的网，但最终是要以人为本，需要人的操作与控制，目的也是服务于人。物联网终端与系统的交互已不是以前的人与计算机的交互，而是应用程序中的所有设备与人的交互。应用层的实现涉及数据处理技术、云计算技术、智能控制技术等。

物联网的应用层属于软件范畴。目前，中国已经发展为全世界最具实力的软件大国之一。在学术方面，由于没有传感器壁垒，企业级应用、分布式、云计算、机器学习等课题得到了大量的研究。中国的许多大学都有自己的物联网研究团队，研究成果琳琅满目。例如，南京理工大学率先提出了物联网的顶层架构；清华大学提出的物联网中间件，通过基于负反馈和指数平滑预测的负载均衡技术，可以有效地提高吞吐量。在产业方面，各省分别创建了软件园，如江苏省为位于雨花软件大道的“中国软件谷”提供了大量的优惠政策，旨在建立中国排名第一的软件园。该软件园有超过50%的企业都直接或间接地为物联网的应用层服务。在北京，清华同方公司已经开发完成了“物联网业务基础平台”，目前正在从事“车联网”的物联网中间件研发工作。

2018年3月28日，阿里巴巴宣布正式进入物联网行业，这是阿里巴巴继电商、金融、物流、云计算之后的第五大领域。在该主赛道上，阿里巴巴将提供基于“云计算、大数据、人工智能、云端一体化、安全的”物联网基础平台和内容服务能力平台。阿里巴巴的目标是5年内在城市、汽车、生活和制造领域控制100亿套设备。