简单了解物联网

物联网基础

物联网的英语是Internet of Things，缩写为IoT，这里的“物”指的是我们身边一切能与网络相连的物品。

例如身上穿着的衣服、戴着的手表、家里的家用电器和汽车，或者是房屋本身，甚至正在读的这本书，只要能与网络相连，就都是物联网说的“物”。

就像我们用互联网在彼此之间传递信息一样，物联网就是“物”之间通过连接互联网来共享信息并产生有用的信息，而且无需人为管理就能运行的机制。这样一来，就创造出了一直未能实现的魔法般的世界。

物联网实现的世界

“泛在网络”社会

20世纪90年代初，过去以大型机为中心的集中式处理逐渐向以客户端服务器为中心的分布式处理转移。自20世纪90年代后期起，新型集中式处理围绕着以互联网和Web为代表的网络形成了一股发展趋势。这就是Web计算的概念。以互联网为媒介，人们可以轻松实现PC、服务器、移动设备之间的信息交换。

21世纪初，一个名为“泛在网络”的概念开始受到人们的关注。泛在网络的理念在于使人们能够通过“随时随地”连接互联网等网络来利用多种多样的服务（图1.2）。近年来，通过智能手机和平板电脑，甚至游戏机、电视机等一些过去无法连接到网络的“物”，就可以随时随地访问互联网。如图：

“物”的互联网连接

随着宽带的普及，泛在网络社会日益得到实现。此外，能搭载在机器上的超低功耗传感器投入市场、无线通信技术进步等，都促使除了电脑、服务器和智能手机等传统连接互联网的IT相关设备以外，各种各样的“物”也可以连接互联网。以汽车、家用电器以及房屋为开端，近来，眼镜和手表、饰品这些戴在身上的“物”也连接上了互联网并开始得到应用。如图：

泛在计算的世界是一个所有的“物”都内置计算机中，随时随地可以得到计算机帮助的世界。而机器对机器通信支撑着泛在计算的世界，并通过支撑社会的基础设施——智能社区和智能电网等形式逐步得到实现。

数百亿台设备都连接上物联网，借助采集和积累的海量信息，并灵活运用从信息中分析出的数据来方便我们的生活。

物联网整体结构

物联网大体上有3个构成要素：

1. 设备
2. 网关
3. 服务器
   如图：
   
   物联网的主要步骤：

1.采集数据；

2.接受数据；有很多种方法可以从设备把数据发送给服务器，其中具有代表性的包括以下两种方法。

• 使用了HTTP协议的Web API来访问设备
• 执行语音和视频的实时通信（如WebSocket和WebRTC）除此之外，还出现了一种名为MQTT的、专门针对物联网的新型通信协议。

3.处理数据；有两种典型的处理方式，分别叫作“批处理”和“流处理”。

• 批处理：

  • Apache Hadoop
    Apache Hadoop是一个对大规模数据进行分布式处理的开源框架。Hadoop有一种叫作MapReduce的机制，用来高效处理数据。MapReduce是一种专门用于在分布式环境下高效处理数据的机制，它基本由Map、Shuffle、Reduce这3种处理构成，如图：
    

  • Apache Spark
    Apache Spark也和Hadoop一样，是一个分布式处理大规模数据的开源框架。Spark用一种叫作RDD（Resilient Distributed Dataset，弹性分布数据集）的数据结构来处理数据，如图：
    

• 流处理

  • Spark Streaming
    Spark Streaming是用RDD分割数据行的，它通过对分割的数据执行小批量的批处理来实现流处理。输入的数据会被转换成一种叫作DStream的细且连续的RDD。先对一个RDD执行Spark的批处理，将其转换成别的RDD，然后按顺序对所有RDD反复执行上述处理来实现流处理。如图：

  • Apache Storm
    用Storm处理的数据叫作Tuple，这个Tuple的流程叫作Streams。Storm的处理过程由Spout和Bolts两项处理构成，这种结构叫作Topology。Spout从其他处理接收到数据的时候，Storm处理就开始了。Spout把接收到的数据分割成Tuple，然后将其流入Topology来生成Streams，这就形成了流处理的入口。接下来，Bolts接收Spout以及从其他Bolts输出的Streams，并以Tuple为单位处理收到的Streams，然后将其作为新的Streams输出。可以自由组合Bolts之间的连接，也可以根据想执行的处理自由组合Topology，还可以随意决定Tuple使用的数据类型，以及使用JSON等数据格式。
    

4.存储数据；

物联网设备

物联网会带来的一个重大改变——就是“连通性。连通性一词表示的是机器和系统间的相互连接性和结合性。物联网设备试图经由网络来“连接”外部系统，并通过以下技术革新让以往人们无法想象的一些设备都具备了连通性，如图：
有些设备不具备连通性，这很正常，因为它们本身就是用来独立实现功能的。而且，这种设备一旦出了库就没法再变更商品规格了，所以需要花大把的时间和成本来开发。

一方面，物联网设备本身的结构非常简单，提供的是一种与云服务或智能手机等外部机器组合在一起的一体化服务。这种情况下，用于设备的应用程序能够很轻松地得到更新，在产品发布后还能一边从用户处获取反馈，一边不断改良软件（包括设备自身的固件）。此外，还能够在云端对大量的设备信息进行整合和加工，以一个应用程序为接口向用户提供有益的信息。

另一方面，硬件开发本身的成本竞争正在不断激化，设备开发必然会促进设备自身的高级化。而围绕设备开发，将服务整体作为一个生态系统来进行最适宜的设计规划，其重要性则不言而喻。想必在这股潮流中，存在差异性的部分也将会多元化。例如，构建算法，来为用户提供统一处理从设备处采集到的信息并进行高级分析的服务；或者构建应用程序，来实时反映设备不断变化的情况等。这些物联网设备的与众不同之处也必定会显现出来。

基本结构

物联网设备的种类五花八门，但其结构一般都如下图：
物联网设备跟普通的机械产品一样，都包含用于检测用户操作和设备周边环境变化的输入设备，物联网服务还有一个不可或缺的条件，那就是连接网络。

采集现实世界的信息

传感器是一种装置，它的用途在于检测周边环境的物理变化，将感受到的信息转换成电子信号的形式输出。人类用五种感官来感知环境的变化，设备则用传感器来感知。

传感器最普遍且最基本的测算手法：

• 利用物理特性的传感器
• 利用几何变异的传感器

利用物理特性的传感器

1. 用输出电压的变化来表示环境的变化。如图：
   例如，力觉传感器就是依靠一个叫作应变仪的金属力觉元件来发挥作用的。对传感器施加力，应变仪就会产生微小的变形。金属的阻值（输出电压）会根据形变而变化。如图：
   2. 输出电流的变化来表示环境的变化。例如会对光产生反应的光电二极管，只要一照射到光，这种半导体元件就会像太阳能电池那样在两个端子间产生电动势和电流，如图：
   

利用几何变异的传感器

测距传感器利用与障碍物间的几何学关系来测算距离。以红外线测距传感器为例。

红外线测距传感器包括照射激光的部分和光接收元件。光接收元件负责接收从障碍物反射过来的光，不仅能测算ON/OFF信息，即有没有照到光，还能测算光照到了光接收元件的哪里，然后利用几何学关系，通过测算得到的值来测量距离。如图：
测距传感器上有INPUT、GND、OUT这3个端子。把INPUT和GND分别接上电源，距离的测量结果就会以电压变化的形式反映在OUT的端子上。如图：

反馈给现实世界

联网设备的使命就是把通过传感器采集到的信息跟云端的系统挂钩并处理这些信息，基于处理结果把用户和环境引向最佳的状态。在这一连串的反馈中，负责“把用户和环境引向最佳的状态”的正是“输出设备”。

驱动

一般来说，微控制器的输出电压都是3.3 V或5 V，电压很低，而且电流值也很低。只是让一个小LED灯闪来闪去倒是没什么问题，不过要是数量多了，或是必须驱动电机，这么一点输出肯定就不够了。

驱动正是解决这一问题的关键所在。驱动就好比是水管的水龙头，微控制器自身只负责控制水龙头的开或关，实际流入设备的电流跟微控制器输出的电流是两股电流，各位需要给流入设备的电流另外准备一个电源来供给电流。

最简单的驱动电路包括开关电路，如图为使用晶体管的电子器件：
即使加在基极上的电流只有小幅度的变化，也会导致晶体管切换开关状态。把大型电源连接到集电极，就能在很大程度上放大并输出基极的电流。

电源

所有的IC、传感器、电机和LED都有各自的额定电压和最大电流等参数，一旦连接了大于等于额定电压的电源，就会导致设备异常发热或着火等。

经常利用三端稳压管内部对输入的电压进行转换，输出一定强度的电压。如图：

先进的感测技术

随着零件的小型化和高性能小型处理器的出现，市面上出现了具备先进能力的传感器。这类传感器能轻松地获取那些原来难以当成数据来处理的信息。这样的传感器与其说是零件，不如说是狭义上的设备，或者说是多个因素复杂协作的“系统”，如图：

先进的感测设备

进的感测设备就是把多个传感器和处理器组合在一起，从而获取更复杂信息的新型传感器。

传感器已经不再是一个电子零件，而是一个具备强大信息获取能力的、更方便的物件了。

然而，使用这种先进的感测设备时必须注意一件事，即传感器的进化可能会造成“信息获取过剩”。

• RGB-D传感器
  RGB表示的是3种原色，而RGB-D最后的D是深度（Depth）的首字母。深度，即传感器到传感器所能捕捉到的物体的距离”。如图：
  

• 立体相机
  立体相机有两个镜头。这两个镜头就跟人类的眼睛一样，利用双眼视差（左右眼看到的角度不同）来捕捉距离。
  

先进的感测系统

感测系统最具代表性的就是我们的GPS定位系统，比如我们日常生活离不开的高德地图、百度地图。

先了解一下GPS。
GPS结构如图：
使用GPS，需要专用的“接收器”。接收器中装有一台能够知道现在时刻的“时钟”。

GPS是由不少于24颗的人造卫星组成的，这些卫星无时无刻都围绕着地球旋转。基础轨道是由24颗人造卫星负责的，事实上用于GPS的人造卫星约有30颗左右，第25颗及以后的卫星则用于提升可靠性和精确度。如图：

由GPS人造卫星发射的无线电波与手机和Wi-Fi一样，都包含刻意生成的数据。下面两条信息尤其重要。

• 发射无线电波时的准确时刻
• 卫星在宇宙空间中的位置

GPS定位方法：

用一句话来概括，GPS定位就是“寻找球的交点”。

1. 接收器接收到的准确时刻，也就是说接收器知道“无线电波从卫星飞过来用了多长时间”。用时间乘以速度就可以求出距离，即现在的位置缩小为“以卫星为中心画的圆周上的某一处”了，如图：
   

2. 现在假设接收器正同时接收2颗卫星发来的无线电波，此时的情况如图：
   你实际所在的位置就是两个圆周的交点处。因为从地球上来看，其中一个交点的位置刚好跟人造卫星的位置相反，所以就算有两个交点，也不难判断出哪个才是你的当前位置。

3. 换到三维空间也是同一个思路
   

现在除了GPS，还存在着各种各样的卫星定位系统。这些卫星定位系统的统称是GNSS（Global Navigation Satellite System）。

除了GPS以外，著名的GNSS还有俄罗斯的GLONASS，我们中国的北斗，欧盟的Galileo。支持多种GNSS的情况就叫作“支持GNSS”或“多重GNSS”。

IMES

GPS原本是作为用于室外的定位设备而被人们熟知的，在这种情况下，有人尝试改良GPS的机制，试图让室内也能使用GPS，这门技术就叫作IMES（Indoor Messaging System，室内通信系统）。如图：

如果一台接收器能同时支持GPS和IMES，那么就有望实现两种技术的无缝结合服务：在室外用GPS导航，进到室内自动切换成IMES继续导航。

IMES的终端发送的是IMES终端的位置信息，使用前要先给每个终端设定坐标或楼层编号等信息，把这些终端安装在天花板等处。这样一来，IMES的发送终端就会持续发送其所在场所的位置信息，并向经过其附近的接收器提供位置信息。

其它室内定位技术

• 基于无线网络的室内定位
  基于无线网络的定位方法主要有三种，利用WiFi定位、利用移动基站定位和利用蓝牙定位。

• 基于测量传感器的室内定位

  • 红外线定位技术的工作原理的核心在于接收站的中转，既以固定的频率发出相应的身份信息代码，通过室内接收器，然后再根据红外线来源以及距离进行计算。
  • 超声波定位技术的核心就在于对超声波的应用，其工作原理就是使用超声波来判断事物的顶点距离并向接收器当中传达这些事物的超声波标签，进而将他们进行定位。

• 基于行人航位推算的室内定位

  • 首先进行步态检测，通过研究人行走的规律可知，加速度曲线为正弦波的形状，正弦波的周期与人的行走周期存在对应关系。根据这一规律可以计算行走周期数进而得到步数。
  • 其次进行步长估计，假设人行走的步长为常数，将一段已知的行走距离除以根据上述步态检测方法计算出的步数，得到平均步长。已知步长和步数可计算出行人在检测时间内行走的距离。
  • 最后进行航向估计，通过确定人前进的方向，结构人行走时的步长进行下一时刻位置的预测，航向角通常可以通过陀螺仪与旋转矢量或者加速度计与磁力计获得。如下图：
    

• 基于地磁数据的定位技术。由于不同室内场景有其独特的地磁特征，将该特征添加地理位置信息即可实现室内定位。首先需要采集地磁数据，获取室内定位的地磁特征信息，然后需要建立地磁基准图，即将定位区域的地理位置与地磁特征建立映射关系。在用户定位时,利用磁力计或者其他测量设备采集地磁数据,与建立的地磁基准图匹配,寻找到用户的定位坐标。

总述

物联网是一门应用了众多传感器和设备的技术，涉及到生活的方方面面。现在的智能家居提高了我们的生活品质，但我们在惊讶于技术发展之快时，也能感受到其中不足。希望不久的将来能看到那些科幻小说才能描绘出的画面！