掌控Python:物联网实践

第1章 认识物联网 物联网（The Internet of Things，简称IoT）是在互联网技术的基础上结合传感器技术和通信技术发展起来的。简单来说，物联网是由各种信息传感设备与互联网结合起来形成的一个巨大网络，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。 物联网是新一代信息技术的重要组成部分，又被称为泛互联，可以理解为“物联网就是物物相连的互联网”。这里有两层意思：**，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。 物联网的理念是信息化时代的重要发展阶段，它彻底改变了人与物理世界的交互方式，实现了人与机器或电子设备之间的信息交流，甚至实现了机器与机器之间的信息交流（M2M）。 1.1 物联网的框架 物联网与其他网络一样，也有其基本的框架，大体来说，物联网由终端层、网络层和应用层三大部分组成，如图1.1所示。 图1.1 物联网的基本框架 1.1.1 终端层 终端层又称为感知层，主要是指用于采集数据信息和执行实际控制的各种终端。对于人类而言，我们是使用五官和皮肤，通过视觉、味觉、嗅觉、听觉和触觉来感知外部世界。而终端层则是通过各种传感器来获取环境及自身的数据信息。 另外，终端层通常还包含一个小的数据处理模块，这个模块会对传感器的数据进行简单处理，同时还有可能承担近距离通信的功能。 1.1.2 网络层 在成功获取了传感器的信息之后，就需要将这些数据发送出去并对数据进行存储，这个工作就是在网络层进行的。 网络层又称为网络传输层，主要是指对终端层各种数据的传输以及不同网络通信协议之间的加密解密、中转及适配。几乎任何一个物联网应用都会处理大量的数据，网络层的硬件载体就是各种服务器和数据存储器，这些硬件需要能够同时承载数以十万计的同步网络数据传输以及超大量的数据存储问题。同时服务器还需要考虑安全性、可维护性、不间断服务能力等问题。 1.1.3 应用层 应用层主要是指对数据的处理。在应用层会编写大量的数据处理程序对数据进行分析、组合、汇总及挖掘，让有用的数据以便于接受的形式表现出来，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。 正是因为有了应用层对数据的不同处理方式，我们才能看到物联网在不同领域发挥着不同作用。比如智能电网中的远程抄表、高速公路的不停车自动缴费系统、智能家居中的远程家电控制等。 由于不同的行业对数据的应用需求是不一样的，所以，在开发应用层时通常会先聘请专业人士对项目进行梳理，通过对工程目标的分析，确定需要的数据种类、数据类型以及数据精度。 当然光有应用层还不行，这里面离不开终端层与网络层的参与。在确定了需要的数据种类、数据类型以及数据精度之后，就需要落实到终端层与网络层的硬件配置以及系统工程实现上。例如，在智能电网的远程抄表应用中：装在用户家中的电表就是终端层的设备，这个设备中有检测电流的传感器，电表在获取了用户的用电信息之后，通过电力载波的网络将数据发送到发电厂的服务器上。*后在应用层完成对用户用电信息的分析，并根据应用层设定的规则自动采取相关措施。 1.2 物联网概念的形成 物联网概念*早出现在比尔 盖茨1995年创作的《未来之路》（The Road Ahead）一书，在书中，比尔 盖茨已经提及物联网概念，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起世人的重视。 1999年，美国麻省理工学院Auto-ID实验室首先提出物联网的概念，主要是建立在物品编码、RFID技术和互联网的基础上。 在中国，物联网*初被称为传感网。中国科学院早在1999年就启动了传感网的研究，并建立了一些适用的传感网。 2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS：World Summit on the Information Society）上，国际电信联盟（ITU：International Telecommunication Union）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了物联网的概念。报告指出，无所不在的物联网通信时代即将来临，世界上所有的物体，从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。 1.3 物联网的应用领域 物联网的应用领域涉及方方面面，其在工业、农业、环境、交通、物流、安保等基础设施领域的应用，有效地推动了这些领域的智能化发展，使得有限的资源得到了更加合理的分配，从而提高了行业效率；其在家居、医疗、健康、教育、金融与服务业、旅游业等与生活息息相关的领域的应用，使得这些领域从服务范围、服务方式到服务质量等方面都有了极大的改进，大大提高了人们的生活质量;在国防军事领域，大到卫星、导弹、飞机、潜艇等装备系统，小到单兵作战装备，物联网技术的嵌入都有效提升了军事智能化、信息化、精准化，极大提升了军事战斗力，是未来军事变革的关键。 1.4 物联网的典型应用 1.4.1 智能交通 物联网技术在交通方面的应用算是比较多的。随着社会车辆越来越普及，交通拥堵甚至瘫痪已成为城市的一个大问题。应用物联网，可以对道路交通状况进行实时监控并将信息及时传递给驾驶人，让驾驶人及时调整出行方案；在高速路口设置道路自动收费系统（ETC：Electronic Toll Collection），免去进出车辆的取卡、还卡时间，提升了车辆的通行效率；在公交车上安装定位系统，乘客可以及时了解公交车行驶路线及到站时间，实时了解搭乘路线的公交状况。 另外，随着社会车辆增多，除了交通压力大幅增加以外，停车难的问题也日渐凸显，因此，不少城市推出了智慧路边停车管理系统，这个系统基于云计算平台，结合物联网技术与移动支付技术，共享车位资源，提高车位利用率，方便用户。 1.4.2 智能家居 智能家居是另一个物联网的主要应用领域。随着宽带业务的普及，智能家居产品涉及家庭生活的方方面面。家中无人时，可利用手机等产品客户端远程操控智能空调调节室温，甚至可以学习用户的使用习惯，从而实现全自动的温控操作；通过产品客户端还可以实现智能灯泡的开关、调控灯泡的亮度和颜色等；内置Wi-Fi的插座，可以实现遥控插座定时开关，有的插座甚至还可以监测设备用电情况，生成用电图表，让用户对用电情况一目了然；智能体重秤可以监测运动效果，甚至可以根据身体状况提出健康建议；智能牙刷与产品客户端相连，可以提供刷牙时间、刷牙位置提醒；智能摄像头、环境传感器、智能门铃、烟雾探测器、智能报警器等都是家庭不可缺少的安全监控设备，各种智能家居设备让我们的生活因为物联网变得更加轻松、美好。 1.4.3 公共安全 近年来全球气候异常情况频发，灾害的突发性和危害性进一步加大，互联网可以实时监测环境的不安全性情况，提前预防、实时预警、及时采取应对措施，降低灾害对人类生命财产的威胁。美国一所大学早在2013年就提出了研究深海的物联网项目，该项目将经过特殊处理的感应装置置于深海处，分析水下相关情况，为海洋污染的防治、海底资源的探测，甚至海啸预警提供了更加可靠的数据。另外，利用物联网技术还可以感知大气、土壤、森林、水资源等方面的各项指标数据，对于改善人类生活环境发挥巨大作用。 1.4.4 智慧农业 智慧农业是农业生产的高级阶段，是依托部署在农业生产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等）和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。 1.4.5 智慧城市 智慧城市是物联网技术更大范围的一个应用，主要是指运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应。其实质是利用先进的信息技术，实现城市智慧式管理和运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续成长。智慧城市的范畴再扩大就是智慧国家或智慧地球的概念。 1.5 AIoT的概念 1.5.1 什么是AIoT？ 本章的*后，我们来介绍一个新的概念——AIoT（智能物联网），AIoT是在物联网的基础上提出的概念。广义来说，AIoT就是人工智能（AI：Artificial Intelligence）技术与物联网（IoT：Internet of Things）技术在实际应用中的融合。这并不是一种新的技术，而是一种新的IoT应用形态。如果物联网是将所有可以行使独立功能的普通设备或电子器件实现互联互通，用网络连接万物，那AIoT则是在此基础上赋予其更智能化的特性，做到真正意义上的万物互联。 1.5.2 AIoT概念的形成 AIoT概念兴起于2018年，指系统通过各种信息传感器实时采集各类信息（一般是在监控、互动、连接情境下的），在终端设备、边缘域或云中心通过机器学习对数据进行智能化分析，包括定位、比对、预测、调度等。在技术层面，人工智能使物联网获取感知与识别能力，物联网为人工智能提供训练算法的数据；在商业层面，二者共同作用于实体经济，促使产业升级、体验优化。从具体类型来看，主要有具备感知/交互能力的智能联网设备、通过机器学习手段进行设备资产管理、拥有联网设备和AI能力的系统性解决方案等三大类。从协同环节来看，主要解决感知智能化、分析智能化与控制/执行智能化的问题。