物聯網概述第1篇：什么是物聯網？

何立民

（北京航空航天大學，北京 100191）

引 言

物聯網是連接到物理對象的互聯網。互聯網沒有物聯基因，必須依靠嵌入式系統將客觀世界形形色色的物理對象連接到互聯網上。首先通過嵌入式系統將物理對象變成一個智能化體系，然后將單個智能化體系或智能化系統的局域網與互聯網相連，便成為物聯網系統。

物聯網中唯一的物聯基因在嵌入式系統中，嵌入式系統有全面的物聯接口通道。由于嵌入式系統應用的隱蔽性特點，造成物聯網概念描述中嵌入式系統的缺失現象。這種缺失不利于物聯網的健康發展與物聯網人才的全面培養。

1 現有物聯網概念的缺失

“物聯網”是近幾年才出現的一個大科技概念，沒有明確的定義，只有十分模糊的描述。

百度百科：物聯網這個概念，在中國早在1999年就提出來了，當時叫作傳感網。其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡概念。“物聯網概念”是在“互聯網概念”的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網絡概念。

維基百科：物聯網就是把傳感器裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道以及家用電器等各種真實物體上，通過互聯網聯接起來，進而運行特定的程序，達到遠程控制或者實現物與物的直接通信。物聯網，即通過裝置在各類物體上的射頻識別（RFID）、傳感器、二維碼等，經過接口與無線網絡相連，從而給物體賦予“智能”，實現人與物體的溝通和對話，也可以實現物體與物體相互間的溝通和對話，這種將物體連接起來的網絡被稱為“物聯網”。

在上面的描述中，不可避免地帶有初級階段的模糊與不完全：

① 認為中國在1999年就提出了物聯網概念，顯然是國人情結，因為傳感網不是一個完整的物聯網系統。

② 沒有講清通過什么方法、什么手段使物體與互聯網相連。

③只強調感知。在流行的物聯網三個層次概念中，將底層確定為感知層是不全面的。因為物聯網底層的全面含義是感知，控制與交互（人－物交互、物－交互）。

④ 沒有強調物聯網無所不在的智慧特征。維基百科的描述中，“傳感器、二維碼等，經過接口與無線網絡相連，從而給物體賦予‘智能’”，讓人摸不著頭腦，反倒是IBM的“智慧地球”有畫龍點睛之妙。

2 不該忽視的嵌入式系統

“嵌入式系統”一詞來源于30年前的計算機界。當時，通用計算機以PC機形式走出機房，成為百姓大眾的工具，從事計算或嵌入到物理對象體系中，實現對象體系的智能化控制。為了區別這兩種不同的計算機形態與應用模式，將前者稱為“通用計算機系統”，將后者稱為“嵌入式計算機系統”，簡稱“嵌入式系統”。PC機難以承擔起最廣泛的嵌入式應用，嵌入式系統便走上了單片化道路，進入到單片機（MCU）時代。這時，計算機界人士沒有跟進到單片機的電子技術應用領域。當進入到后PC時代，通用計算機技術被大企業壟斷，大量計算機界人士進入單片機領域后，便很自然地恢復了“嵌入式系統”概念。嵌入式系統是一個內含嵌入式處理器，嵌入到物理對象中實現對象系統智能化的一個智力內核。

嵌入式系統應用的后臺隱含性特點，使得在許多物聯網的描述中都找不到嵌入式系統的身影。然而，當人們進一步追尋傳感器、RFID以及所有物理對象是如何連接到互聯網時，嵌入式系統便紛紛浮出水面。

傳感器連接成網，或與互聯網相連，首先是通過嵌入式系統將傳感器轉變成智能傳感器，然后通過智能傳感器連接成智能傳感器的局域網，或利用嵌入式系統的通信接口實現傳感器與互聯網的連接，而RFID與互聯網相連則是依靠嵌入式系統的RFID讀寫器來實現。這種將嵌入式系統隱去的物聯網描述是不完整的，不利于物聯網產業的全面發展與物聯網人才的全面培養。

嵌入式系統在物聯網中具有舉足輕重的地位，不僅因為它是物聯網中唯一的物聯基因，更重要的是它構建了物聯網中所有的智能化終端，使它們有可能任意地組成各種智能型的局域物聯系統，并連接到互聯網中。例如物聯網家居中，所有家用電器都是內嵌有嵌入式系統的智能家電；物聯網氣象站中，所有的氣象監測儀器、傳感器都是內嵌有嵌入式系統的智能儀器與智能傳感器；所有RFID都應配備內含嵌入式系統的讀寫器。通過嵌入式系統各種外部總線技術，如RS422／485總線、現場總線、CAN總線、ZigBee技術等，可以將這些智能化終端構建成一個智能化的局域物聯系統（如智能家居、智能氣象站、RFID讀寫器的智能餐飲系統等）。給這些局域物聯系統配置相應的互聯網接口，連接到互聯網上，便成為物聯網家居、物聯網氣象站、RFID的校園物聯網。

從智慧地球角度更能理解嵌入式系統的重要作用。智慧地球的智慧細胞是微處理器，如今散布在地球上的微處理器數以萬億計，其中只有1%是通用處理器，其余99%均為嵌入式處理器。嵌入式處理器以嵌入式系統方式實現了所有物聯終端、電子系統的智能化改造，使它們有可能構建起一個具有全面智慧能力的局域網和物聯網系統。

3 物聯網中嵌入式系統的物聯與互聯

下面深入探討嵌入式系統如何使物理對象與互聯網全面連接，從而實現互聯網向物聯網的變革。

筆者在1990年出版的《單片機應用系統設計》一書中提出過單片機應用系統的4個通道接口的概念，即前向通道的傳感器接口、后向通道的控制接口、人－機通道的人－機交互接口、相互通道的通信接口，如圖1所示。嵌入式系統是嵌入到物理對象中，實現物理對象的感知、控制、交互的一個智能化系統。嵌入式系統有全局性的物聯應用界面，它們為物聯網提供了全面物聯與互聯的技術支持。

圖1 嵌入式系統的全局物聯界面

前向通道與后向通道實現與物理對象的連接。通過傳感器接口與各種傳感器相連，實現對物理對象的感知；通過控制接口連接到各種控制單元上，實現對物理對象的控制。

人－機通道的人機交互接口與各種鍵盤、顯示設備相連，實現了人與物理對象的交互，保證了物聯網系統中服務對象與物理對象的實時交互。

相互通道的通信接口是一個泛性接口。它以各種串行總線形式將眾多的嵌入式應用系統連接起來，形成各種類型的嵌入式系統的局域物聯系統，也可以內嵌或外接各種類型的互聯網接口，實現與互聯網的單機物聯、局域物聯。此外，通過通信接口，還可以衛星通信方式為物聯網系統獲取GPS的時空定位信息。

由此，我們便清晰地看到嵌入式系統如何通過上、下連接，實現互聯網與物理對象相連。嵌入式系統向下連接到物理對象，向上連接到互聯網。不僅如此，嵌入式系統還有縱向連接，將單個嵌入式應用系統連接成局域物聯系統，實現互聯網與局域物聯系統相連，從而在局域物聯網基礎上實現一個物聯網系統，并給物聯網系統以標準的時空定位信息。

4 物聯網的多種定義

物聯網是一個多學科的大概念，不同學科都有對物聯網的合理解釋，但都有其學科的局限性，在這種情況下，往往以一大段描述來代替其定義。過去，我們見到過對嵌入式系統的描述定義，如今，對物聯網的定義也是一大段描述。這是初級階段不可避免的現象。

當前不妨以最簡單的感性語言，把物聯網定義成：連接到物理對象的互聯網。這種最簡單的定義不妨礙我們對物聯網的深入闡述：

①物聯網與物理對象的連接是通過嵌入式系統實現的。

② 嵌入式系統與物理對象呈緊耦合狀態，形成了一個智能化的對象系統；物聯網的所有節點與終端都內含有微處理器，使物聯網呈現出智慧地球的基本特征。

③ 與互聯網連接的可以是單個嵌入式應用系統，也可以是多個嵌入式應用系統的局域網。

④ 互聯網是廣域網，有眾多的網絡接入技術，如三網融合、智能電網等。無論是廣域的互聯網，還是嵌入式系統的局域網，都有各種形式的網絡接入技術。

5 物聯網的基本特點

物聯網是微處理器、嵌入式系統與互聯網在高級階段交叉融合的產物，帶有鮮明的微處理器、嵌入式系統、互聯網特點，這些特點是智慧性、實時性、廣域性與虛實交互性。

（1）智慧性

微處理器是一個歸一化的智力內核。它以通用計算機與嵌入式系統方式賦予物聯網所有節點、終端、服務器以無限的智慧能力。微處理器的無限數量與無限智慧，突出了物聯網智慧地球的智慧特征。

（2）實時性

實時性是嵌入式系統物聯應用的基本要求。嵌入式系統與物理對象相連，在許多情況下，物理參數的感知、物理對象的控制、人－物交互、物－物交互，都是有實時性要求的任務進程。

（3）廣域性

互聯網的無限時空與多種接入形式，使物聯網具有廣域性的應用特點。物聯網可以在無限時空狀態下使用，也可以與不同介質狀態的網絡互聯，如電信網、計算機網、電視網、智能電網等。

（4）虛實交互性

虛實交互性是物聯網二元化世界的空間交互特性。互聯網構建了一個無限時空的虛擬世界，嵌入式系統則將互聯網延伸到真實世界的物理對象上。物聯網時代，原先虛擬世界中的許多交易行為都可以無縫地延伸到真實世界，實現虛擬世界與真實世界的交互。

6 本篇小結

① 物聯網是微電子學科、計算機學科、通信學科、電子技術學科交叉融合的一個大概念。每個學科都有對物聯網的合理詮釋，綜合起來，就能有較全面的理性認識。

② 嵌入式系統是物聯網系統中唯一的物聯基因。沒有嵌入式系統，便沒有互聯網向物理對象的延伸。

③ 嵌入式系統為物聯而生，有30多年的物聯史。嵌入式的應用特點，使嵌入式系統一直處于后臺的隱蔽狀態，以至于人們在描述物聯網時把它忽略了。

④ 認真研究嵌入式系統物聯界面，有利于對物聯網的深入理解，也有利于物聯網產業的健康發展。

［1］何立民.從資本經濟到知識經濟［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

［2］何立民.單片機應用系統設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1990.

［3］何立民.從嵌入式系統看現代計算機產業革命［J］.單片機與嵌入式系統應用，2008（1）.

［4］何立民.從嵌入式系統視角看物聯網［J］.單片機與嵌入式系統應用，2010（10）.

［5］何立民.物聯網時代的嵌入式系統機遇［J］.單片機與嵌入式系統應用，2011（3）.