1.3　物联网

物联网是以互联网、传统通信网等为信息载体，使得可联网的物体或设备实现互联互通的网络。物联网用中心计算机可以对机器、设备、人员进行集中管理、控制，也可以对家庭设备、汽车进行遥控。同时通过收集这些小事件的数据，最后可以聚集成大数据，对大数据进行分析，作为决策的参考，以实现价值，包含重新设计道路以减少车祸、都市智能化、灾害预测与犯罪防治、流行病控制等社会的重大改变。

物联网将现实世界数字化，应用范围十分广泛。物联网拉近分散的信息，整合物与物的数据信息，物联网的应用领域主要包括运输和物流、工业制造、健康医疗、智能环境（家庭、办公、工厂）、个人和公共设施等，具有十分广阔的市场和应用前景。

2005年11月17日，在信息社会世界峰会上，国际电信联盟发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，指出“物联网”时代的来临。

1.3.1　M2M

机器到机器（Machine to Machine，M2M），是在商业活动中通过移动通信技术和设备的应用，变革既有商务模式或创造新商务模式，是机器设备之间的自动通信。从狭义上说，M2M只代表机器和机器之间的通信。目前，当提到M2M时，更多的是指非IT设备通过移动通信网络与其他设备或IT系统的通信。放眼未来，M2M的范围不应拘泥于此，而是应该扩展到人对机器、机器对人、移动网络对机器之间的连接与通信。

M2M应用遍及电力、交通、工业控制、零售、公共事业管理、医疗、水利、石油等多个行业，用于车辆安全、安全监测、自动售货、机械维修、公共交通管理等领域。M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，而是机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信。也就是说，即使人们没有实时发出信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。智能化、交互式成了M2M有别于其他应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”。M2M作为物联网在现阶段最常见的应用形式，在智能电网、安全监测、城市信息化、环境监测等领域实现了商业化应用。

1.3.2　物联网通信技术

物联网的无线通信技术有很多，主要分为以下两类。

一类是近场短距无线网。它被用于诸如电话、计算机、附属设备及小范围（个人局域网的工作范围一般在10m以内）的数字助理设备之间的通信。支持近场短距无线网的技术包括蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、超宽带（UWB）、红外线无线传输（IrDA）、HomeRF（Home Radio Frequency）等。其中，蓝牙技术在无线个人局域网中使用得最广泛。每项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥最佳的作用。此外，虽然在某些方面，有些技术被认为在近场短距无线网空间中是相互竞争的，但是它们相互之间常常又是互补的。各种类型的无线网络技术支持设备在没有电缆的情况下实现设备和设备之间，或者设备和Web（TCP/IP网络）之间的通信。目前有多种无线技术在物联网（IoT）和机器到机器（M2M）通信领域的硬件产品中得到运用。电气和电子工程师协会（IEEE）有多个802.15工作组。这些组织为个人局域网的常用类型的无线技术设定了标准，包括WPAN/蓝牙、共存（Coexistence）、高速率WPAN、低速率WPAN、Mesh网络、体域网（Body Area Network）和可见光通信（Visible Light Communication）等。每个IEEE协议都有其独特的优点和局限性。持续的开发投入使得这些协议的应用价值越来越高、潜力越来越大。

另一类是低功耗广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN），即低功耗广域网通信技术，是可以用低比特率进行长距离通信的无线网络。

1. LoRa

LoRa是Long Range的缩写，速率相对较低，可视为网络通信中的物理层实现。LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折中考虑方式，为用户提供一种简单的远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433MHz、868MHz、915 MHz等。LoRa技术具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性。

2. NB-IoT

基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也称为低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。

3. IEEE 802.15.4：ZigBee

ZigBee是一项开放性的全球化标准，专为M2M网络而设计。该技术具有低成本、低功耗的特点，是许多工业应用的理想解决方案。同时具有低延迟和低占空比的特性，允许产品最大限度地延长电池寿命。ZigBee协议提供128位AES加密。此外，该技术还支持Mesh网络，允许网络节点通过多个路径连接在一起。ZigBee无线技术最常用的应用场景是智能家居设备领域。该技术将多个设备同时连接在一起的能力使其成为家庭网络环境的理想选择，用户可以实现智能锁、灯光、机器人和恒温器等设备之间的相互通信。ZigBee联盟已经对这项技术进行了标准化，希望连接的兼容性和通用性更强。

4. IEEE 802.11：Wi-Fi

Wi-Fi使用无线电波来实现两个设备之间的通信。该技术常用于将计算机、平板电脑和手机等设备连接到路由器从而实现上网。实际上，它可以用于任何两个硬件设备的连接。Wi-Fi是由IEEE制定的运行在802.11标准的本地无线网络。Wi-Fi既可以使用全球2.4GHz UHF频段也可以使用5GHz SHF ISM无线电频段。Wi-Fi联盟对一些产品进行认证，允许通过认证的产品标记为“Wi-Fi认证”。为了获得该认证，产品必须通过联盟的互操作性认证测试。802.11b、802.11g和802.11n在2.4GHz、5GHz频段上运行。该频段容易受到一些蓝牙设备及微波炉和移动电话的干扰。

5. IEEE 802.15.1：蓝牙和低功耗蓝牙

蓝牙（Bluetooth）和低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）是用于短距离数据传输的无线技术。该技术经常用于可连接用户手机和平板电脑的小型设备。例如，该技术多用于各种语音系统。低功耗蓝牙比标准蓝牙功率更小，用于健身跟踪器、智能手表或其他连接设备的小型硬件，以实现无线数据传输，且不会严重影响用户手机或平板电脑中的电池电量。BLE技术最初由智能手机制造商诺基亚于2006年推出，但直到2010年才成为蓝牙标准的一部分。如今，BLE被称为智能蓝牙，已经得到了大多数智能手机和计算机制造商的支持，以及大多数主流操作系统的支持。

蓝牙使用UHF无线电波进行数据传输。该技术最初标准为IEEE 802.15.1，但如今IEEE不再维护该特定标准。使用蓝牙的厂商通常隶属于蓝牙特别兴趣小组，必须先进行产品认证，才能将其作为蓝牙设备推向消费者或商业市场。该认证有助于确保所有蓝牙设备以标准化的方式工作，并为消费者提供相似的产品功能。

1.3.3　边缘计算

基于物联网相关的终端数量庞大、计算量巨大、决策反应速度要求高，边缘计算的解决方案成为一种选择。全球智能手机的快速发展，也推动了移动终端和“边缘计算”的发展。

边缘计算（Edge Computing）是指在靠近物联网末端或数据采集源头的一端，部署的具有计算、决策、存储能力、互联的平台，提供接近物端的应用服务。其应用程序在边缘侧发起，提供更快的网络服务响应，满足实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。

对物联网而言，边缘计算技术意味着许多控制将通过本地设备实现，无须交由云端，处理过程将在本地边缘计算层完成。这无疑将大大提升处理效率，减轻云端的负荷。由于更加靠近用户，因此还可为用户提供更快的响应，将需求在边缘端解决。云端计算仍然可以与边缘计算设备交互数据，如边缘数据信息采集、下发应用的控制决策策略等。

边缘计算的特点包括低延迟、实时性高、响应速度快。边缘计算可以在本地进行实时处理数据，自主决策，具有更低的运维成本和网络流量，可以更好地保护隐私等优点。

1. 边缘计算架构

边缘计算的通用架构为云边协同的联合式网络结构，一般可以分为终端层、边缘计算层和云计算层，各层可以进行层间及跨层通信，各层的组成决定了层级的计算和存储能力，从而决定了各个层级的功能。

终端层由各种物联网设备（如传感器、RFID标签、摄像头、智能手机等）组成，主要实现收集原始数据并上报的功能。

边缘计算层是由网络边缘节点构成的，广泛分布在终端设备与计算中心之间，它可以是智能终端设备本身，如智能手环、智能摄像头等。也可以被部署在网络连接中，如网关、路由器等。

在云边计算的联合式服务中，边缘计算层的上报数据将在云计算中心存储，边缘计算层无法处理的分析任务和综合全局信息的处理任务也需要在云计算中心完成。除此之外，云计算中心还可以根据网络资源分布动态调整边缘计算层的部署策略和算法。边缘计算示意如图1-4所示。

2017年4月，Linux基金会创立了EdgeX Foundry社区，旨在创造一个互操作性强、即插即用和模块化的物联网边缘计算生态系统，提出了专注于物联网边缘的标准化的微服务框架——EdgeX Foundry。该架构的设计遵循了以下原则：架构应是与平台无关的，能够与多类别操作系统进行对接；架构需具有高灵活性，其中的任意部分应该都可以进行升级、替换或扩展；架构需具有存储和转发的功能，支持离线运行，并保证计算能力能够靠近边缘。EdgeX Foundry是微服务的集合，这些微服务分为4个层次：设备服务层、核心服务层、支持服务层、应用及导出服务层。

除了Linux基金会，边缘计算产业联盟也于2018年12月发布了《边缘计算白皮书3.0》，并提出了边缘计算参考构架3.0（以下简称“边缘框架3.0”）。边缘框架3.0提供了4种开发框架：实时计算系统、轻量计算系统、智能网关系统和智能分布式系统，覆盖了从终端节点到云计算中心链路的服务开发。

2. 产业融合

边缘计算是在高带宽、时间敏感型、物联网集成背景下发展起来的技术，“Edge”这个概念较早为自动化/机器人厂商所提及，其本意是涵盖那些“贴近用户与数据源的IT资源”。这是属于从传统自动化厂商向IT厂商延伸的一种设计。

IT与OT事实上也是相互渗透的，自动化厂商已经开始延伸其产品中的IT能力，事实上IT技术也开始在其产品中集成总线接口、HMI（人机界面）功能的产品，以及工业现场传输设备网关、交换机等产品。

边缘计算因给物联网领域中的海量数据传输、实时服务响应等复杂挑战提供了新的解决方案，它们推进了边缘计算在工业、无人驾驶、安防监控等各个领域的应用。边缘计算将大力深化各行业中的物联网应用，成为推动智能制造、智慧城市等产业升级的关键技术。

根据Gartner的技术成熟曲线理论，在2015年IoT从概念上而言，已经到达顶峰位置。因此，物联网的大规模应用也开始加速。IoT会进入一个应用爆发期，边缘计算也随之将得到更多的应用。