1999 年,麻省理工学院(MIT)的 Kevin Ashton 在他关于 RFID 标签的演讲中提出了“物联网”一词。他这样描述自己的愿景:现在的计算机和互联网几乎完全依赖人类来获取信息......然而问题是,人们的时间、注意力和准确性都很有限,这意味着我们并不擅长捕捉现实世界中与‘物’相关的复杂数据。假如计算机能在不依赖我们任何帮助的情况下收集数据,了解一切事物的话,那么我们就可以用它们来跟踪并计算每一个‘物’,从而大大减少浪费和损失,降低成本。我们就能知道什么时候需要对‘物’进行更换、修理或是召回;就能知道这些‘物’是否处于最佳状态。”
在当时,物联网(IoT)上的“物”被设想为可以计数的东西。它们存在于一系列相对简单的应用中,比如运输箱上的 RFID 标签;用于掌握车位是否停满的停车场出入口系统;以及酒店的迷你吧,可以记录您晚上消费的零食并自动将费用计入您的账单。最初,单独的计数系统只是作为自主的独立应用而运行。
而现在的 IoT 则具有更广泛的视角,更强调对累积数据的后期处理。因此,这就需要把单独的应用与云存储保持连接,并通过互联网实现远程控制。IoT 所需的网络规模可能难以想象,而要让这种情况成为现实需要绝对可靠的连接,从一开始就设计在产品中,并在整个产品生命周期都要经过充分测试。
定义“物”的性质和规模
自 1999 年以来,IoT 已经扩展到机器对机器(M2M)通信和应用领域,例如制造行业和公用事业(天然气和电力)。虽然自动化在制造业中已有一席之地,但 IoT 和所谓的工业互联网都支持更高程度的自动化,同时也提高了制造流程的灵活性和效率。支持远程和前瞻性维护的新工具就是其中的例子,它们可以降低成本,提高竞争力。
这些趋势影响了对 IoT 实施规模的预测,预计到 2020 年,各行各业中互联的“物”将达到 150 亿至 500 亿之巨。针对颠覆性的新型 IoT 相关业务的进一步预测表明,其潜在收入将比 IoT 硬件和网络供应的收入高出许多倍。
2018 年 2 月,IoT Analytics 根据已组装和分类的 IoT 项目对 IoT 前十大细分市场进行了排名。排名前三的细分市场均属于工业物联网(IIoT)应用领域。
- 其中,智慧城市由 2016 年的排名第二跃升至第一位。智慧城市中最受欢迎的应用有智能交通、公用设施、照明、环境监控和公共安全。
- 排名第二的细分市场是互联行业。最受欢迎的应用是设备监控和互联机械的远程控制,如起重机、叉车,乃至整个矿山和油田。
- 互联建筑是 2016 年以来增长最大的细分市场。大多数应用涉及设施自动化,有助于降低能源成本。
从工作的角度来定义,物联网中的“物”可以是任何固定或移动的自然物体或人造物体,能够通过网络传输数据。以货物运输、车队管理和船运为例,在这些行业中,智能 BLE 标签使得物流公司能够对位置、速度、运输和存储情况进行跟踪。另一个例子是火炬气监控。无线声学传感器可以监控阀门,控制流向炼油厂火炬烟囱的气流阀门,从而提高合规性,降低由于未能及时检测并修复故障阀门而导致的碳氢化合物损失。
图 1. 2018 年 IoT 十大细分市场。
支持技术
按照近期趋势,可能只有一部分器件会使用有线连接(如 USB、以太网、光纤),大多数的 IoT 器件将会采用无线技术。这包括用于移动支付的近场通信(NFC),用于无人值守远程气象站的地球同步卫星,以及蓝牙®、无线 LAN(WLAN)、ZigBee、点对点无线电、蜂窝等等。
网络将需要应对具有不同通信要求的各种独特器件。一方面是简单的无线器件,如电池供电的传感器和执行器,它们可在无人值守的情况下连续运行数年,传输非常少的数据。而在另一方面,对于频谱的使用,那些高带宽、任务关键型业务和器件(如电力系统或医疗器件)无论如何都需要有持续、可靠和超级安全的连接。
要给每个器件提供唯一标识,需要巨大的 IP 地址空间。由于 IPv4 寻址空间非常有限,目前需要使用集中器(如路由器和网关),因此端到端地使用 IPv6 寻址将会是 IoT 器件的关键推动因素。IPv6 具有几乎无限的地址空间,支持为数十亿器件提供唯一地址。
访问云网关
对于大多数 IoT 业务模型而言,基于服务器/云的大数据分析和机器学习非常关键。IoT 使用 M2M 通信来收集数据,并在分布广泛的“物”(如传感器或执行器)和云智能之间路由控制消息。许多拓扑结构将网关节点作为“物”和“云”之间的聚合点(图 2)。
图 2. 无数路径和网关能够并将会用于提供对云的访问
网关的复杂程度各不相同。例如,Wi-Fi 接入点包括 IP 路由器,并且还可能包括从以太网和 Wi-Fi 到 ADSL 或其他固定线路协议的转换。更复杂的网关则可能包括使用“边缘”或 “雾”应用来进行编程的重要计算资源,这些应用能够进行本地决策。
在通信成本比较低,时延可以容忍的情况下,IoT 实施倾向于使用简单的网关,然后将大部分数据路由至“云”,以便进行分析和制定决策。在通信成本比较高或者具有严格时延要求的情况下,通常会指定复杂的网关节点。这些网关可以远程进行维护和配置,并且它们会监控本地的一系列“物”。路由到云的流量可能包括偶发的状态更新,或是超过本地监控阈值时触发的警报(例如,温度超过最高值或有入侵者时触发的警报)。
许多可穿戴应用和一部分家居自动化应用利用智能手机来提供用户界面或充当网关节点。由于 Wi-Fi 几乎无所不在,因此它成为了许多 IoT 应用的首选。如果无法使用固定线路或 Wi-Fi 链接,那么通常会使用蜂窝协议。可穿戴应用和围绕智能手机的家居自动化应用中经常用到蓝牙。如果需要通过缩短距离来提升安全性,那么可以选择 NFC。ZigBee、Z-Wave 和 Thread 为家居自动化和智能能源器件可以提供强大的低功耗网状网络。
ISA100.11a 和 WirelessHART 中包括跳频技术,可意提高安全关键型 IIoT 应用的弹性。新兴的低功耗广域(LPWA)技术(如 LoRa 和 SIGFOX)不仅具有 ZigBee 等技术的成本、低复杂性和低功耗优势,而且能通过窄带、低数据速率协议支持更长距离的传输。
映射技术与工作范围
图 3 所示为按工作范围划分的 IoT 技术。无线标准社区使用邻近(proximity)、WPAN、 WHAN、WFAN、WLAN、WNAN、LPWA 和 WWAN 等术语来指示范围。
图 3. 预期的工作范围与可用的连接技术直接相关
许多制式可用于器件与网关之间的短距离连接。为了促进未来的发展,在连接新器件的同时,新的标准也在迅速形成和演进。目前,有超过 60 种传统制式和新射频格式用于 M2M 和 IoT 相关应用。其中一些制式,如蓝牙、WLAN 和蜂窝,已经被广泛使用。而另一部分制式,如 ZigBee 和 Thread 也在特定的市场领域崭露头角。
为了加速将产品推向市场,一些公司开发了相对容易创建的专有解决方案,因为这些解决方案具有低数据速率、低功耗传输和低互操作性要求。这种方法可能逐渐会被淘汰,因为市场的全球化正在推动器件通信从采用专有设计转为采用标准化解决方案。
有潜力的物联网技术一览
图 3 列出了几种技术:邻近(proximity)、WPAN、WHAN、WFAN、WLAN、WNAN 和 WWAN。每种技术均包括一个或多个值得关注的连接标准。概览中包含指向更深层信息的链接(如有提供)。
邻近(proximity):近场通信(NFC)是一种基于 ISO 14443 频率为 13.56 MHz 的超短距离系统,用于票务、门禁、护照以及与日俱增的移动支付系统。支付应用受 EMVCo 监管,而许多其他应用则受 NFC 论坛监管。NFC 器件可被视作终端,称为邻近耦合器件(PCD)或读卡器。它们也可以视为卡,称为邻近感应耦合卡(PICC)或标签;卡通常由终端产生的射频场供电。NFC 论坛添加了逻辑链路控制协议(LLCP)、简单数据交换格式(NDEF)和简单数据交换协议(SNEP),以实现对等通信(如两个移动电话之间的通信)。如需了解更多信息,请访问 Home - EMVCo 和 www.nfcforum.org。
WPAN:在 IoT 领域,蓝牙低能耗(BLE)技术备受瞩目。它专为较低的数据吞吐量而设计,可显著降低蓝牙器件的功耗,允许使用纽扣电池运行多年。用于器件发现、服务发现和数据交换的简化设计将无线传输所需的时间压缩到非常短,从而大大降低了功耗。因此,BLE 可以用于手表、健康监视器和电池供电器具等小型器件。有关 BLE 的更多信息,请访问蓝牙特别兴趣小组(SIG)网站 Bluetooth Technology Website | The official website of Bluetooth technology.。
WHAN:为简化开发流程,许多短程无线技术将 IEEE 802.15.4 用作物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)。针对图 4 所示类型,较高层的开发人员指定了适用于目标应用的更高级别协议。这种低速率 WPAN(LR-WPAN)支持 20 到 250 kbps 速率。它专为家庭网络、工业控制和楼宇自动化而设计,这些应用需要低数据速率和低复杂性,并且在许多情况下要求较长的电池使用寿命。如需了解更多信息,请参阅 standards.ieee.org/about/get/802/802.15.html。
- ZigBee:ZigBee 起始于 2002 年,已经广泛用于各种商业应用。这些器件能够迅速建立连接并交换信息,然后断开连接进入睡眠模式。它的其中一个关键属性是使用包含数千个节点的网状网络拓扑结构。射频以非常低的占空比工作,因此能够通过廉价的电池支持传感和监测应用常年运行。它的目标应用包括智能能源、家居自动化、医疗保健、零售和照明控制,每种应用都有特定的 ZigBee 配置文件和认证。发射机和接收机规范见IEEE 802.15.4 规范的第 10.3 节。如需了解更多信息,请访问 Zigbee Alliance。
- Thread:该技术由 Thread Group 于 2014 年 7 月推出,发展非常迅速。与 ZigBee 类似,这项技术也是以 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 为基础,但是,它使用基于 IPv6 的低功耗 WPAN(6LoWPAN)协议。它是一个强大的加密网状网络,旨在以安全可靠的方式连接数百个家居自动化产品和器件。网络具有自愈能力,采用不会出现单点故障的配置。它的短消息功能可节省带宽和功耗,而简化的路由协议则可以降低网络开销和时延。如需了解详细信息,请访问 www.threadgroup.org。
图 4. 至少有四种额外的短程技术建立在 802.15.4 的基础上
WLAN:Wi-Fi 是使用最广泛的无线互联网连接技术,目前以 802.11a/b/g/n 最为常见。图 5 所示为各版本中针对物理层的主要增补。最近的两次增补可满足对高吞吐量数据速率的需求,其中包括工作频率低于 6 GHz 的 802.11ac 和工作频段为 60 GHz 的 802.11ad,前者正在逐渐成为移动电话、平板电脑和 PC 标准。
图 5. 针对 IEEE 802.11 的几次增补突出了它的普遍性和实用性
- 802.11ah:即将推出的 802.11ah(HaLow)旨在为 IoT 应用提供低能耗支持。它采用低功耗和低数据速率设计,由于其工作频段为千兆赫以下,因此其工作距离可达 1 千米。
- 802.11p:也称为车载环境下无线接入(WAVE),802.11p 专门用于车辆的无线接入。在互联汽车中,它为远程信息处理、道路救援、车队管理和年轻驾驶员保险验证等应用打开了大门。未来,802.11p 还将支持 V2V 和 V2I 连接,从而提升车辆安全性,方便交通流量管理和收费。
有关各种 802.11 技术的更多信息,请访问 IEEE 802.11, The Working Group Setting the Standards for Wireless LANs 和 Wi-Fi Alliance。
WNAN:两项主要技术为 Wi-SUN(IEEE 802.15.4g)和 ZigBee-NAN。IEEE 802.15 智能公用事业网络(SUN)任务组 4g 针对局域网和城域网创建了物理层增补,旨在提供一个有助于大规模过程控制应用的全球标准。Wi-SUN 提供低速无线网络,能够以最小的网络基础设施为分散的大型智能公用事业网络提供支持,可能有数百万个固定终端(Wi-SUN Alliance | Wi-SUN Alliance)。
ZigBee-NAN 是近期的扩展,将运营范围扩大到了 1,000 米并且支持端到端 IPv6,因此对大型智能电网网络非常有吸引力。目前,ZigBee 联盟正在与 Thread Group 就家居和商业传感器网络的互操作性展开合作。
WWAN:在部分轻度许可频段(如 868 和 915 MHz)中,部署的是 LoRa(www.lora-alliance.org) 和 SIGFOX(www.sigfox.com/en)等 LPWA 系统。对于具有低数据速率和低占空比的应用而言,相比当前的蜂窝制式,LPWA 可延长电池寿命,降低成本,提供更高的链路预算。在使用固定线路或蜂窝 M2M 进行回程的网关节点周围,网络通常采用星形拓扑结构。LPWAN 系统非常适合广泛的工业物联网应用,这些应用需要互联大量器件,才能收集并交换数据。
考虑到低功率 M2M 应用将有强劲增长,3GPP 无线接入网络(RAN)工作组已经在开发蜂窝协议,以便在许可频谱中支持 LPWA。
3GPP 第 12 版为 LTE 机器类通信(MTC)引入了新的低复杂度器件类别(Cat-0)。Cat-0 提高了低数据速率应用的效率,为取得更大进步奠定了基础。
3GPP 第 13 版包括:
- 增强型 MTC(eMTC)Cat-M;LTE 的 1.4 MHz 带宽优化
- 扩展覆盖 GPRS(EC-GPRS);利用重传和其他协议更新来提升链路预算
- 窄带物联网(NB-IoT);针对 LPWA 应用进行了优化的新无线制式
NB-IoT 使用 180 kHz 信道带宽,可以与 LTE 一同在带内进行部署,也可以在 LTE 保护频段或重用的 GSM 频谱中部署。标准组织已选定了一些技术,允许通过软件更新在现有的 LTE 或 GSM 基础设施中部署 NB-IoT。NB-IoT 也提出了一些要求,包括 10 年的电池寿命,非常低的器件成本和复杂性,并且每个小区的器件数量要超过 60,000 个。虽然 NB-IoT 可以看作是“从零开始”进行的开发,但如有可能,3GPP 会利用 LTE 的协议层。
工作频段(非蜂窝)
除蜂窝系统外,当今大多数 IoT 系统都在免许可和轻度许可频段内运行。应用最广的工业、科学和医疗(ISM)频段包括 13.56 MHz、433 MHz 和 2.4 GHz。WLAN 技术通常使用 5.8 GHz 左右的 U-NII 频段。部分轻度许可频段也被广泛使用,如 868 MHz、915 MHz 和 920 MHz 频率。图 6 所示为 IoT 通信制式的常用频率。图 7 中的地图显示了全球不同地区和国家的常用频段分配情况。
图 6. 红色菱形表示频段与 IoT 技术的交叉领域
图 7. 各个国家/地区的非许可频段或轻度许可频段各不一样
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物联网主要应用领域包括:物联网智能家居,物联网智慧城市,物联网可穿戴设备,工业物联网以及医疗保健物联网。具体内容如下:
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