1.3 初识感知层

“传感技术和感知层技术是否是等同的概念呢？” 吴小白问。

“传感技术是感知层技术的重要方面，但二者不完全等同啊。” 武先生道。

“愿闻其详。” 吴小白急切地说道。

“感知层，顾名思义，除了 ‘感’ 的能力，还得有 ‘知’ 的能力！” 武先生说道，“但仅有 ‘感’ 和 ‘知’ 的能力，只能实现检测和监视，还不能实现 ‘控制’ 功能。”

“具体解释一下。” 吴小白好奇地说。

“就是你只能知道物理的状态，却不能控制它的行为。也就是说，只有‘监’，没有 ‘控’。”

“如果我想有 ‘控’ 制能力，怎么办呢？” 吴小白说道。

“那你就需要让感知层具有 ‘智’ 和 ‘行’ 的能力。也就是说，它能够根据感知到的信息，进行决策，然后行动。” 武先生道。

“也就是说感知层，其实可以包含感、知、智、行等能力。那感知层的关键技术，可不只是传感器了。” 吴小白说道。

“是的，感知层关键技术有很多，除传感器技术外，视频、音频、图像、二维码等识别技术也属于 ‘知’ 的技术，有些芯片或者是模组，有智能分析的功能，中间件的技术可以支撑平台层做智能决策。如果需要控制的话，还需要有控制执行的技术。”

1.3.1 感知智行

如图1-18所示，我们在开车的过程中，眼睛紧盯着前方，同时用余光扫视着右视镜、左视镜和观后镜。眼睛看到的这些周边的状况被传送到大脑，大脑形成一个对交通状况的基本判断，如果发现方向不对，用手控制方向盘调整方向；如果发现速度过快或过慢，用脚控制刹车或油门，如图1-19所示。

整个开车的过程中，眼睛所观察到的情况不断地反馈给大脑，形成一个基于反馈的检测控制系统。大脑根据之前收到的路况信息和调整后收到的路况信息之间的偏差，形成新的调节控制策略，进一步指示手和脚完成下一步动作。这就是一个基于偏差的控制调节系统。在这个控制系统中，大脑相当于控制单元，手和脚是执行单元，眼睛相当于测量单元，开车这个行为就是一个应用。司机开车的控制过程就相当于一个感知层的自动调节控制系统，如图1-20所示。

再举一个室温自动调节系统 （空调） 的例子。假如我们想把室温控制在25℃，这个温度控制目标就是输入，温度传感器不断地测量实际的室温 （感）。目标室温和实际室温有一个偏差 （知），控制单元识别到这个偏差，结合经验库，进行智能控制 （智），指示空气压缩机制冷或者升温的动作 （行）。控制温度就是一个应用，感知层围绕着这个应用目标，完成感、知、智、行的功能，如图1-21所示。

感知层的感、知、智、行分别代表了传感器的测量元件、比较元件、智能控制单元和执行单元的能力。这样就组成了一个自动检测调节系统，可以在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备的某个工作状态或参数自动地按照预定的程序运行。

单枪匹马是很难成事的，一个人再厉害，也是势单力薄。荀子说过：“君子性非异也，善假于物也。” 一个传感节点的感、知、智、行的能力再强，它感知的范围也是有限的，智能控制的知识和策略也是局部的，执行动作的复杂度也是有限的。这就需要很多的传感节点组成一个局部的传感网，众多的传感网或传感单元通过网络层、平台层的能力汇聚成物联网。这样就形成了全局的感知能力、全局的智能控制能力和行动能力。

回到前面司机开车的例子里。司机个体开车的能力绝对是有限的，经验再丰富的司机，对突发交通状况的反应都是滞后的。如果每个车的行动轨迹都能监测起来，形成车联网，中央控制平台就可以超前发现可能出现相撞事件，提前给多个司机提示，就可以大幅降低交通事故发生的概率。当然，车联网的优点不止于此，它还有利于实现整个城市的智能交通。

在室温自动调节的例子里，如果每个场景的空调系统都能连起网来，形成智能调温网络，厂家就可以实现所有运行的空调设备自动维护、自动故障处理，空调用户也可以实现远程室温控制。

1.3.2 感知层关键技术

子曰：“工欲善其事，必先利其器。” 感知层的感、知、智、行功能的实现，依赖于一系列感知层的关键技术，如图1-22所示。

首先，传感技术是物联网测量技术的基础，是物联网信息产生的源头。传感器是物联网产业的关键器件，新材料技术、智能化技术、集成化技术、小型化技术是现代传感器发展过程中离不开的课题。为了便于一次部署、永久使用，低功耗是目前传感器产品研发的重要指标之一；为了促进物联网的规模化应用，低成本也是传感器研发的重要方向。

视频技术可以看作非接触式的传感技术，是物联网视觉能力的重要基础。视频采集技术，不仅可在常规条件下使用，在夜间、高温、能见度低的场景下也可使用。当然，在这些特殊的使用场景，需要有相应的视频采集存储和分析识别技术。视频分析识别技术依赖于大量高清晰度的视频资料，从中找到关于实际空间环境中的趋势性、经验性、不确定性、随机性和模糊性的信息，提取关键信息和有价值数据，从而在各种行业中应用，如智能交通、商业智能、防灾减灾、安全生产、智能安防、安全监护等，成为解决实际问题的利器。

标识技术是通过RFID标签、条形码、二维码、语音、生物特征等手段来标识、识别物体的技术。给产品贴上可识别的标签，增加了产品的外在特征，然后通过红外/激光扫描、RFID等技术来识别这些外在特征，以此证实和判断物体本质的特征。RFID是一种自动识别技术，也可以看作是物联网的信息采集技术，本质上也是一种传感器技术，融合了无线射频技术和嵌入式技术。RFID在自动识别、物品物流管理等领域有着广阔的应用前景。

在物联网庞大的生态体系中，芯片的科技含量较高，是产业链的基础和核心。传感层硬件的基础就是各种芯片，如传感器、微控制器、存储器、超低功耗通信部件、定位模块、信号转换元件、电源管理元件都需要相应的芯片。掌握了芯片技术，就掌握了物联网的核心话语权。

物联网中，传感器数量多、读写设备多、识读点多、硬件设备品种多，数据格式不一。传感器中间件是屏蔽底层设备复杂性的关键部件，是衔接传感器硬件设备和上层业务应用的桥梁。感知层的中间件有两大类型，一类是屏蔽传感器采集数据的复杂性，完成传感器测量数据的采集、过滤和合并；另一类是提供上层业务和应用的数据过渡，完成传感数据的存储、维护、访问和聚合。传感器中间件还可以为上层应用提供标准接口，使客户很轻松地利用其接口进行二次开发，提高感知层的定制开发能力和场景适配能力。

众多的无线传感器节点可以通过ZigBee协议组成传感网来协调工作，形成更有价值的信息网络。物联网的近距离通信技术、ZigBee组网应用原理、嵌入式网关技术都是传感网的关键技术。此外，各传感器产生的数据还需要通过远距离无线通信的方式和平台层的各种应用软件相连。也就是说，传感器节点本身就相当于具有无线通信功能的终端。在物联网时代，作为传感器节点的终端设备众多，像手机需要操作系统一样，各细分场景的物联网智能终端设备也需要相应的嵌入式操作系统，来感知硬件的复杂性、支撑无线传感网近距离通信的功能。物联网中传感器终端设备的操作系统技术也是核心竞争力之一。

在共享单车、共享汽车、安全出行、公共交通等应用中，定位技术可以用来测量目标的位置参数、时间参数、运动参数等时空信息，从而得知某一用户或者物体的具体位置和运行轨迹，以此实现对人或物的位置跟踪。定位技术也是物联网感知层应用的关键技术之一。

综上所述，物联网感知技术涉及的关键技术全景图如图1-23所示。

1.3.3 感知层产业链概述

物联网应用是个长尾市场，涉及各行各业。具体到感知层来说，产品也是各式各样，涵盖的产业链非常长，参与的厂家众多，还没有形成两三个厂家独大的市场格局。但从最核心的技术实现层面来看，主要包括传感器厂家、视频采集和识别厂家、标签和标识厂家、芯片厂家、无线模组 （包括通信、定位、组网）厂家、中间件厂家、智能终端 （包括可穿戴设备） 厂家等。

目前我国整个物联网感知层的产业链组成和市场中有代表性的厂家如图1-24所示。