物联网概述第3篇：物联网、物联网系统与物联网事件

2011-04-04何立民

单片机与嵌入式系统应用 2011年12期

何立民

（北京航空航天大学，北京100191）

引言

物联网是跨学科、无限时空领域的一个大科技概念，物联网、物联网系统与物联网事件分别是这个大科技的三个概念层次，即学术层、应用层、行为层。不同概念层次有不同的内涵、发展规律与任务。物联网应用体现在物联网应用层的物联网系统中，物联网系统也有三个层次，即应用层、网络层、物理层。

1 一般事物的三个概念层次

一般事物都有三个概念层次，即学术层、应用层与行为层。学术层是事物的一般概念，由众多相关事物个体归纳出的抽象概念；应用层是一般事物的应用概念、具体概念；行为层是具体事物应用中的各种应用行为。每个概念层次都有明确的界面。学术层是客观事物共性的最大集合，有无限的外延；应用层是应用状态下的客观事物，有无限的应用领域与有限的应用状态；行为层是应用状态下的具体行为。

以植物中的水果为例，“水果”是众多多汁、可食、对身体有益的相关植物果实中抽象出的一个学术层概念；“吃水果”、“水果种植”、“水果加工”是“水果”的应用层概念；“水果种植”中的育苗、栽种、施肥、除虫、修枝、浇水、季节管理、收获等行为，则是水果应用中的行为层概念。

“水果”的学术层是无限多种具体水果的最大概念集合。“水果”学术层研究的是水果的一般性问题，植物学家研究水果的地理分布，营养学家研究水果的营养成分，水果产业部门从事水果种植、加工、营销等，都局限在水果共性基础上的研究与探讨。当人们在学术层中进一步深化时，便进入到应用层，进入到一个个具体的应用对象。某个植物学家研究的是某个特定水果的地理分布，某个营养学家研究的是某个特定水果的营养成分，每一个水果产业部门都从事特定的水果种植、加工、营销。应用层中的每个具体的应用都由特定的行为组成，例如，水果应用层中的水果种植，包括育苗、栽种、施肥、除虫、修枝、浇水、季节管理、收获等行为。

由此，可以看出，人们在研究客观事物时，首先要弄清该事物的概念层次，不同概念层次有不同的规律与不同的研究任务。

2 物联网的三个概念层次

“物联网”有三个概念层次，即物联网的学术层、物联网系统的应用层、物联网事件的行为层。这样一来，我们可以了解不同概念层次中的规律、知识内涵与研究任务。

从事嵌入式系统应用的专家最容易理解物联网的三个概念层次，因为它们研究对象都是一个个具体的物联系统，即一个个可以接入互联网的局域物联系统，如智能家居、无线数据传输网络、校园局域网、现场总线局域网、汽车电子系统等。物联网就是从一个个具体的物联网系统抽象出的一般化的学术层概念。这也可以解释为什么一夜之间便出现了众多的物联网专业、物联网实验室，一夜之间智能家居便成为物联网家居，这都是物联网时代里嵌入式系统专业、嵌入式系统实验室、嵌入式系统局域网的华丽转身。

“物联网”是一个巨大的科技概念，涵盖了众多的学科与ⅠT产业领域，如微电子学科的半导体产业、计算机学科的软件产业、电子技术学科的硬件产业、通信学科的信息产业等。因此，在物联网学术层研究中应突出这些学科的地位与作用，在构建物联网应用层的物联网系统时，则需要大量综合学科的复合型人才。

3 物联网学术层的目标任务

物联网是涵盖多个学科的复合学科技术。从单学科到复合学科是知识经济时代众多科技发展的重要特征。这一变化起源于集成电路时代微电子学科与计算机学科的融合。继而在网络计算机、嵌入式系统时代汇入了电子技术学科、对象学科、信息学科，从而在物联网时代形成了微电子学科、计算机学科、电子技术学科、信息学科与对象学科交叉融合的大学科局面。物联网学术层面的目标任务是物联网的深层研究、学科建设与全面的人才培养规划。

3.1 物联网的深层研究

物联网中的每个相关学科都是强势学科，都有悠久的历史与独立的技术内涵，很难有专家能同时通晓各个学科的奥秘。每个学科最终融入物联网的大科技中，都有其必然性与发展规律，每个学科专家都要从本学科出发，研究物联网的科技发展史，以及它在物联网中的地位与作用。

每个专家对物联网的理解都带有本学科的深深烙印，都会产生片面性，犹如瞎子摸象。抛却瞎子摸象的贬义童话内容，把大象看成是物联网，众多“瞎子”是各个学科的专家，每个“瞎子”摸到的部分都是真实可靠的事物，综合起来便是一个完整的大象形象。目前，物联网不乏学科视角，缺乏的是多学科的综合视角，只有在这些综合视角的基础上才能建立起新的物联网学科，全面地培养物联网专业人才。

3.2 物联网学科建设

物联网大科技中，每个相关学科都是强势学科，都会以自己的视角来诠释它，如果每个学科只强调本学科的视角，便会产生认识上的偏见，不利于物联网全面、健康的发展。统一认识的最好办法，是创造新的综合学科，物联网学科建设势在必行。在科技史上，最早出现的都是单学科，如数学、物理学、化学、生物学，后来出现了新的分支学科，如物理学中的核物理学、固体物理学、微电子学，数学中的理论数学、应用数学、工程数学、统计数学等。嵌入式系统则是综合了多个学科（如微电子学科、计算机学科、电子技术学科与对象学科）的新科技，于是在高校中出现了嵌入式系统的相关专业，担负起嵌入式系统的学科建设。如今，物联网时代，也面临相似的学科建设问题。

为了实现零重力补偿，首先需要计算出所需提供的平衡力。在压缩状态时，伸杆的长度为0.459 m；在完全展开状态时，伸杆呈锥形，长度为4.15 m，小端直径为φ18.9 mm，大端直径为φ26.5 mm。伸杆的总质量为0.75kg，在完全展开时其质量均匀分布且在伸出过程中其锥度保持不变；伸出端的配重为0.5kg。当不考虑伸出端的配重时，伸杆伸出一段以及若干段的受力情况分别如图4与图5所示。

物联网既不是炒作，也不是一个流星式的科技现象，物联网会深远地影响人类的社会生活，也是云计算软件服务的平台。相对于单学科、分支学科，嵌入式系统、物联网这种综合性学科建设会有空前的难度，因为其中的每个学科都是不易介入的強势学科，嵌入式系统学科、物联网学科建设不可能一蹴而就。

3.3 物联网人才建设

物联网带有浓重的综合学科色彩。物联网学科研究的是相关学科的共性问题，不会削弱相关学科，是众学科在同一目标下的科技合作。因此，物联网人才会成为具有各个学科特点的专业人才。目前，计算机专业、电子技术专业都有相应的物联网专业，所有的工程专业也要求有通晓物联网应用的人才。物联网领域有全面的人才需求，这些人才有相应的学科基础，从不同的角度推动物联网应用技术的发展。

随着集成电路系统集成技术、电子系统模块化技术的发展，现代电子技术也许会进入到一个后硬件时代，届时，物联网硬件技术人才需求会急剧萎缩，软件人才需求会大幅度增长。

4 物联网应用层的物联网系统

所有物联网的应用都体现在应用层的物联网应用系统（简称物联网系统）中。

物联网有无限大的应用领域，然而，物联网的具体应用都体现在一个个物联网系统中。物联网系统有三个层次，即应用层、网络层与物理层；物联网系统的基本特点是“三化两性”，即无人化、自动化、智慧化、实时性与无限性。

4.1 物联网系统

在物联网应用中，经常会提到智能家居、智慧楼宇、城市智能交管系统、物联超市、交通票务系统等。将居室中的一个个家用电器、视频监视系统、安全防护系统、报警系统等连接起来，形成一个局域物联系统，然后与互联网连通，便形成了物联网智能家居。居室主人可以通过智能手机了解与控制家居中家用电器的状态，出现安全事故可以迅速报警并告知主人，从而实现安全控制。城市智能交管系统中的交通违章子系统，是通过局域物联系统及互联网方式，将道路监控系统、汽车电子系统、驾驶员、交通违章管理中心等连在一起构成的物联网系统。物联网超市是由商品、智能购物小车、顾客、门禁系统、安保系统、管理中心等组成的一个智能化超市购物环境。

可以看出，物联网系统是在有限环境中的一个应用系统。通常，物联网系统中与真实世界物理对象相连的是局域物联网，要实现无限时空、无限通达的信息交互则依靠互联网。

4.2 物联网系统的三个层次

在谈及物联网时，不少专家都给出了应用层、网络层、感知层这三个层次概念。由于物联网应用的千差万别，这种分层概念很难具体化成应用中的概念。在物联网的具体应用中，可以在众多的物联网系统中，抽象出应用层、网络层与物理层的三个层次结构。

应用层确定物联网系统的功能、服务要求，是物联网系统构建时确定的任务与目标；网络层是实现物联网系统的网络基础，包括局域网、互联网的分工、布局、协调与链接设计；物理层则是与物理对象连接、交互的底层环境，实现系统中所有物理对象（包括服务对象在内）的感知、控制与信息交互。

物联网中，有无限多个物联网系统。物联网系统中还有子系统，如城市交管系统中的车辆违章管理、道路交通管理、车辆交易管理子系统，它们各不相同，但都有相应的三个层次结构。

4.3 物联网系统的基本特点

根据物联网系统的结构、应用特点，可抽象出物联网系统的基本特点。这些特点是无人化、自动化、智慧化、实时性与无限性，也是物联网系统的品质指标。

无人化是物联网系统最基本的特点。物联网系统中只有服务对象，没有服务人员。服务对象在物联网系统中实现自助服务或自动服务。仅有的服务人员是系统外的安全监视与安全控制人员。因此，无人化的物联网系统还应有可外部介入的感知与控制的安保界面。

自动化体现为物联网系统中的自动服务特征。早期自动化多为工业自动化、自动生产线的自动化机构，而物联网系统的自动化是服务行为的自动化。当服务对象启动了服务内容后，便会出现一个个完整的自动服务行为进程。

智慧化是指物联网系统中的所有节点、终端都内含有微处理器。这一特性导致物联网系统功能的可无限扩展性与以软件为中心的无限智慧服务。

实时性是物联状态下物理对象的实时交互要求。物联网家居中出现火警必须立即报警；智能交管中高速公路收费必须在车辆移动瞬间完成；物联网超市中顾客确认选购货品结束时，应立即结算货款并告知顾客。

无限性是由互联网无限交互特性所决定的。无限时空、无限通达的互联网，使人们可以在任何时间、地点进入任何一个物联网系统。物联网系统的进入只受“权力身份”认证的限制。物联网系统的无限性打破了服务业的时空障碍，以及服务岗位的地理障碍。第三世界的百姓，可以在本国从事第一世界国家中的服务岗位工作。

5 物联网行为层的事件行为元素

物联网行为层的事件行为，是指物联网系统在应用中出现的服务行为。例如物联网超市中顾客的认证进入，商品的查询、挑选、结算、交易，以及确认放行等；货品部门的物流、仓储、标识、动态查询等；安保部门的安全监控、记录、提示、报警等。物联网系统的应用服务都体现在诸多的、可不断扩展的事件行为中。

不同的物联网系统有不同的事件行为，我们可以从形形色色的事件行为中抽象出典型事件行为元素，这些事件行为元素有物储、物信、物感、物控、物互、物管等。

物储、物信是物联网系统中物理对象与物理信息的数据库建设，以及物联网系统应用中事件行为的动态信息管理。例如，物联网超市中物流子系统的商品与商品信息数据库，以及超市营销中商品数据动态变化的监管；智能城市交管车辆违章管理子系统中，车辆、驾驶员、监视器等对象与对象信息的数据库，以及违章事件的数据库动态更新等。

物感、物控、物互、物管则是物联网系统服务过程中的实时行为。

物感是对物理对象物理信息的感知，包括行为感知、信息感知。门禁的身份认证、商品的RFⅠD读取是信息感知；对于车辆违章事件，除了违章信息感知外，更重要的是对物理对象行为过程的行为感知。

物控是对物联网系统中物理对象的控制。例如，物联网家居失火时启动报警设备；智能交管系统中，对被盗车辆实施警告，对驾驶系统、动力系统实施控制；高速公路缴费后放行控制等。通常，物控有很强的实时性要求。

物互是物联网系统中物理对象间的交互行为。物联网系统中有许多事件行为都是相关物理对象间的自交互行为。如物联网超市中，顾客从商品标签与智能手机的交互中了解商品信息：商品放入购物小车后，在商品与小车的交互中完成商品识别、计价以及最终的货款结算；在小车与智能手机的交互后，向顾客显示交易清单；在门禁系统与购物小车、智能手机的交互中确定购物结束并放行等。

物管是物联网系统运行的管理系统，是物联网系统的神经中枢，对物联网系统的运行实现全面的监管、调度与控制。物联网系统所有监管行为都是自动进行的。为了保证物联网系统安全与可靠运行，必须有可开放的界面，以便从外部监视系统运行是否正常、安全可靠。