引言
       物聯網(IoT)正在快速發展。我們需要知道在實現水平和垂直應用平衡方面存在的挑戰，以及在2020年實現500億設備聯網目標所要求的一些基礎。
       Jim Chase在高技術行業工作了超過27年，他的全部工作就是與客戶一起，幫助他們站在技術發展的前沿，并克服面臨的諸多挑戰。作為一名倍受客戶信任的專家，他把自己的系統解決方案介紹給全世界的商業和消費類客戶。這種方法讓他在德州儀器(TI)創造出物聯網解決方案，幫助廣大客戶實現產品聯網。
       從物聯網到數據生活，為挑戰和成熟物聯網做好準備。
       一般來講，物聯網就是把物接入互聯網，利用這種網絡來對這些物進行某種有效的遠程監控或者控制。這種物聯網定義并不全面，它只是物聯網發展過程中的一部分。從根本上而言，它幾乎重新塑造了今天的機器對機器(M2M)市場。
       發展到高潮階段(生活在數據之中)的物聯網定義如下：
       物聯網創造了一個智能、無形的網絡結構，我們可以感知、控制和設計它。擁有物聯網功能的產品使用嵌入式技術，能夠相互之間或者與互聯網進行直接或間接的通信。
       20世紀90年代，互聯網開始在企業和消費類市場迅猛發展，但因網絡互聯性較差，其使用仍然受限。到21世紀初，互聯網接入成為許多應用的標準功能，而今天，它將成為許多企業、工業和消費類產品的組成部分，以擁有信息訪問能力。但是，這些設備仍然是互聯網的初級階段，它要求更多的人機交互，并需要通過應用程序和接口實現監控。無形技術在后臺工作，對我們的需求做出動態的回應，讓各種“物”按照我們的愿望工作。只有這時，物聯網真正的未來才剛剛開始實現。
       截止目前，世界已經部署了約50億臺“智能”聯網設備。預計到2020年，將有500億臺聯網設備，屆時，我們將可以使用一個擁有萬億節點的網絡。這些數字聽起來確實令人震驚。我們今天部署物聯網的基本原理，會成為實現上述目標的障礙。通過簡化今天物聯網的連接與通信方法，便可以實現500億聯網設備的目標。
       明天的物聯網

       我預訂的酒店知道我即將入住，并知道我到達酒店的具體時間，因為我讓蘋果公司和谷歌追蹤我的位置。另外，它還知道我一路過來感覺很熱，身上出了很多汗，因為我的智能手表里安裝有溫度和濕度傳感器。目前，我將要入住的酒店房間還沒有激活(燈沒開，窗簾緊閉，溫度未調節)。我一到達酒店，服務生便知道是我。他幫我打開車門，車載在探測到服務生以后也會自動調節坐椅。我喜歡自己拿包，因此服務生領班也不會主動上來詢問是否需要幫助。一旦走到酒店大堂附近，我的智能手機上的一個安全應用程序便會啟動。我到達電梯時，即將入住的房間便會根據智能手表傳感器所發送的信息，對溫度進行調節。燈光亮度、音樂和私人場景都將根據我的要求設定。由于我很熱，還出了汗，因此房間還會準備好熱水，以便讓我在一進房間便可洗澡。當我接近房間時，安全應用程序會打開房間的門鎖。到了晚上，房間探測到關燈行為，便會把溫度調節至適合我睡眠的設置。
       今天的物聯網
       在這種場景下，鏈鎖酒店的所有房間都安裝有各種傳感器和致動器。所有出租車都有各類傳感器和致動器。我身上也穿戴著各種傳感器和致動器，例如：手表震動提醒等。我的智能手機是我活動的一個網關，但是我無需經常使用手機觸摸屏來指示各種聯網設備如何工作。未來，每天將有數百萬的人像我這樣享受生活。我們將生活在數據之中。這種物聯網不會馬上實現。只有創造出一個最小公分母(這個星球上所有人都一致認可的簡單通信方案)，我們才能實現這樣的聯網規模。它必須是一種與大自然界類似的數字生態。目前，技術協議和數據結構受限于其設計復雜度、安全、可擴展性等等。盡管設備的復雜性不斷增加，但我們的聯網設備卻必須越來越易于使用。模擬和數字的界線將越來越模糊。即使對這種技術幾乎一無所知，這個星球上的每一個人也都能“設計”出屬于他(她)自己的生活環境。
       在我們把其稱作物聯網以前，許多制造商就已在把各種物連接至互聯網。20世紀90年代中期，網絡服務器開始加入嵌入式產品的陣營。過去15多年中，M2M制造商一直在把互聯網接入系統集成到高價值資產追蹤、警報系統和車隊管理等應用之中。雖然M2M系統是基于工業標準協議，但要搭建這些系統仍然存在巨大的挑戰。然而，隨著終端節點中集成的處理器越來越強大，集成M2M系統正變得越來越容易。由于這些處理器支持高級操作系統(OS)和語言，因此這種平臺可以利用智能框架。這些系統常常連接至高端商業服務層，并且由網絡操作中心(NOC)來管理。
       消費者已經讓許多物加入到互聯網中，例如：恒溫控制器、能量計、照明控制系統、音樂流與控制系統、遠程視頻播放盒、水池系統、灌溉系統等。這些系統中的大多數都可以通過某個網站來接入訪問，這樣用戶便可以通過一個標準網絡瀏覽器或者一個智能手機應用程序(相當于個人網絡操作中心)來管理它們。

圖 1物聯網家庭中，有無數網絡設備和電器在后臺為消費者服務。

       盡管物聯網的工業和消費類應用都令人感到興奮，但是部署它們并非是一件簡單的事件，因為它們都是一些完全不相干的垂直系統。這些系統可能會使用完全相同的協議和OS構架，但是通信層卻不同。另外，每一種系統都可以使用開放式應用程序編程接口(API)，無需橫向連接，這樣可以實現更簡單的跨應用集成。
       噴水系統便是一個例子。它擁有一定的智能水平，可根據具有可編程控制功能的各種傳感器和互聯網氣象信息，決定何時噴水。但是，它與房子周圍的運動傳感器沒有聯系，當狗或者孩子出現在噴水區域時，它不會停止噴水。噴水控制器沒有收到運動傳感器的信息，因此我們需要使用其它運動控制垂直集成來把數據傳輸至另一臺云服務器。這樣，便需要把兩臺云服務器連接在一起。我們希望，兩種系統集成都考慮到少量的額外控制。但是，在電子系統中，“希望”這個詞并不是一個好詞。在服務器上使用Perl、Python、PHP或者其它語言編寫的附加垂直應用程序可以實現聯網，感知人或者寵物的活動，從而讓噴水系統暫停噴水(或者用戶希望的其它邏輯實現)。但除非你是一個專家，否則完成這項工作并不容易，因此部署這種系統相當費時。
       對于垂直集成聯網的需求，帶來了許多新的網絡服務，例如：IFTTT.com(If this then that的縮寫)和zAPIer.com，它們讓用戶可以直觀地把一些完全不相干的垂直系統連接到一起。但是，它要求用戶注冊使用另一項服務，以了解是否有能夠滿足具體垂直集成需求的API接口。這些平臺提供一些基本的服務，例如：“如果(If)我收到妻子的電子郵件，則(then)給我的手機發送短信。”它假設，更重要的流程控制總是在后面。回到前面的例子，假設噴水系統有一個延遲噴水控制API，則你可以做這樣連接：如果有人或寵物活動，則延遲噴水。以上操作共涉及三項不同的服務，三次登錄(同樣必須通過第三方服務來管理)，三個不同的智能手機應用程序，以及幾個故障點。現在，如果用戶希望把這種服務與他(她)的日歷集成到一起，以便在舉行家庭聚會時院子不會是濕漉漉的，那怎么辦呢?情況就變得更加復雜。
       盡管上面介紹的應用都很有趣，但是物聯網的部署卻仍然很費時。沒錯，制造商們會越來越多地使用物聯網，而新型垂直應用與載體也會增加。但是物聯網并不是簡單地發送一條垂直短信或者微博。這些是有趣的演示，但是它們缺少可擴展性，也沒有跨垂直系統的集成。物聯網應能實現通知功能，但它也需要一種簡單的方法，讓各種設備能夠運行各種程序，并對其它設備或者服務做出響應，從而構成一種復雜的應用，無需使用復雜的編程環境。
       物聯網：垂直和水平平衡
       Tim Berners-Lee創造了我們今天所稱的互聯網(技術上稱為HTTP)，它通過一個開放式平臺把全世界的人聯系到一起。我們很難說，他這么做是一種大公無私的行為。在這之前，只有一些專有的企業網絡，并且幾乎沒有信息共享―前互聯網時代的垂直結構。阿帕網絡(ARPANET)部署了一些基礎線路和通信協議，開啟了互聯網迅猛發展的時代。這種構架很健壯，而垂直分拆成為了國防數據網(DDN)和國家科學基金網(NFSNET)。在公共和私有企業的資助下，NFSNET最終變為互聯網骨干網的重要組成部分。在今天的互聯網中，在網絡接入與信息傳輸的基礎平臺上，有許多垂直應用。
       今天，制造商有大量的垂直應用要求。一些可能是非營利性質的，但大多數都是希望賺取利益。沒有這些，則沒有物聯網的未來。但是，同時也存在非營利性要求，以達到水平平衡。明天的物聯網將是我們迄今創造的最大規模的水平系統構架。垂直應用會繼續存在，但是，最低程度的網絡接入與信息傳輸應無處不在，普遍存在于所有應用中。
       另外，水平平衡會要求物聯網看起來更像是一個有機系統。細胞復制時，它們以DNA的形式把基礎信息從一個細胞傳遞到另一個細胞。細胞組合在一起，形成自動調整結構層級，利用神經系統來建立和保護其細胞結構-身體的水平結合形式。人有數萬億個細胞，它們非常有彈性，可以持續工作100多年，而不用“重啟”。這就是人們把有機系統作為基礎信息和設備構架的基礎進行研究的原因。
       你或許也得出了這樣的結論：互聯網具有有機系統的特性。但是，今天的互聯網把其大部分數據傳輸都整合到一些超大型數據通道中。最初的互聯網看起來更加“扁平”，本質上更像點對點網絡。那時，人們對帶寬的大部分使用僅僅只是發送信息，因此帶寬要求非常低。對媒介和時間有嚴格要求的數據傳輸，迫使人們使用大型數據通道。今天，客戶端-服務器構架占據主導地位，其主要由內容聚合者即各大數據通道公司推動發展。隨著這個行業的不斷發展，其慢慢會變回最初的扁平結構。但是，大型數據通道不會消失，因為大帶寬和及時性要求仍然存在。然而，當物聯網擁有數萬億的聯網設備時，將會有無數的數據流通道。這種大規模點對點平臺的聚合帶寬，將遠遠超過大型數據通道的性能。由于這種網絡沒有限制，因此它將變為完全的中立和無形。到那時，我們的子孫后代們甚至都不知道什么叫“互聯網接入”。當然，假設條件是，我們最終都認可物聯網這種基礎“貨幣”。

       物聯網準備
       物聯網水平特性的最低技術層準備，要求制造商們克服如下挑戰：
       •網絡接入：沒有一種“萬用”接入標準。在物聯網中，會有各種有線和無線標準以及專有實現，用于網絡接入。面臨的挑戰是，如何使用一種世界公用的數據類別，讓各種接入標準之間相互通信。
       •電源管理：物聯網中，更多設備將使用電池供電，或者利用能源采集技術，從而讓設備更加便攜和實現能源自給。有線供電設備需要更加高效。存在的挑戰是，如何更加容易地給這些設備添加電源管理功能。無線充電將結合充電管理功能。
       •安全性：由于物聯網內會有大量的數據傳輸，安全性是一個硬性規定。硬件嵌入式安全和現有網絡接入安全協議的使用，對于確保物聯網的安全性必不可少。另一個挑戰是，如何告知消費者使用其設備中集成的安全功能。
       •復雜性：制造廠商正尋求為那些從來沒有連過網的器件和設備增加網絡接入功能，讓其加入到物聯網中。設計和開發的簡便性，對于讓更多設備聯網必不可少，特別是典型RF編程較為復雜時。另外，需要讓那些沒有相關技術知識的普通消費者也能設置和使用其設備。
       •快速發展：物聯網正在不斷變化和發展。每天都有更多的設備加入，而這個行業仍然處在其初期階段。我們不知道會面對什么樣的挑戰、設備、應用和使用場景。因此，在發展的各個方面，都需要有靈活性。16MHz到1500MHz的處理器和微控制器，可以滿足各種應用需求，從小型、能源采集無線傳感器節點的微控制器(MCU)到高性能、多核處理器，均可應用于物聯網。我們需要各種有線和無線接入技術，以滿足市場的各種需求。最后，還要求使用各種傳感器、混合信號和電源管理技術，提供物聯網用戶界面和能源友好性設計。
       總結
       物聯網將改變我們的生活、工作和娛樂方式。從工廠自動化和車載網絡接入到穿戴式傳感器和家用電器，物聯網將觸及我們生活的方方面面。我們周圍的各種網絡不斷變化和發展著，利用它，便可以根據來自其它系統的周圍環境信息，“設計”我們自己的生活。有了它以后，車載之間可以相互感知，避免發生交通事故，讓我們的生活更加安全。通過它，家里的照明系統可以根據窗戶射進來的陽光情況來進行調節，讓我們的生活更加環保。利用它，穿戴式傳感器會檢測心臟情況，防止心臟病發作，從而讓我們的生活更加健康。距離2020年的物聯網建設目標，我們還有很長的路要走。但可以確定的是，我們有一個令人憧憬的未來。
       對于垂直集成聯網的需求，帶來了許多新的網絡服務，例如：IFTTT.com(If this then that的縮寫)和zAPIer.com，它們讓用戶可以直觀地把一些完全不相干的垂直系統連接到一起。但是，它要求用戶注冊使用另一項服務，以了解是否有能夠滿足具體垂直集成需求的API接口。這些平臺提供一些基本的服務，例如：“如果(If)我收到妻子的電子郵件，則(then)給我的手機發送短信。”它假設，更重要的流程控制總是在后面。回到前面的例子，假設噴水系統有一個延遲噴水控制API，則你可以做這樣連接：如果有人或寵物活動，則延遲噴水。以上操作共涉及三項不同的服務，三次登錄(同樣必須通過第三方服務來管理)，三個不同的智能手機應用程序，以及幾個故障點。現在，如果用戶希望把這種服務與他(她)的日歷集成到一起，以便在舉行家庭聚會時院子不會是濕漉漉的，那怎么辦呢?情況就變得更加復雜。
       盡管上面介紹的應用都很有趣，但是物聯網的部署卻仍然很費時。沒錯，制造商們會越來越多地使用物聯網，而新型垂直應用與載體也會增加。但是物聯網并不是簡單地發送一條垂直短信或者微博。這些是有趣的演示，但是它們缺少可擴展性，也沒有跨垂直系統的集成。物聯網應能實現通知功能，但它也需要一種簡單的方法，讓各種設備能夠運行各種程序，并對其它設備或者服務做出響應，從而構成一種復雜的應用，無需使用復雜的編程環境。
       物聯網：垂直和水平平衡
       Tim Berners-Lee創造了我們今天所稱的互聯網(技術上稱為HTTP)，它通過一個開放式平臺把全世界的人聯系到一起。我們很難說，他這么做是一種大公無私的行為。在這之前，只有一些專有的企業網絡，并且幾乎沒有信息共享―前互聯網時代的垂直結構。阿帕網絡(ARPANET)部署了一些基礎線路和通信協議，開啟了互聯網迅猛發展的時代。這種構架很健壯，而垂直分拆成為了國防數據網(DDN)和國家科學基金網(NFSNET)。在公共和私有企業的資助下，NFSNET最終變為互聯網骨干網的重要組成部分。在今天的互聯網中，在網絡接入與信息傳輸的基礎平臺上，有許多垂直應用。
       今天，制造商有大量的垂直應用要求。一些可能是非營利性質的，但大多數都是希望賺取利益。沒有這些，則沒有物聯網的未來。但是，同時也存在非營利性要求，以達到水平平衡。明天的物聯網將是我們迄今創造的最大規模的水平系統構架。垂直應用會繼續存在，但是，最低程度的網絡接入與信息傳輸應無處不在，普遍存在于所有應用中。
       另外，水平平衡會要求物聯網看起來更像是一個有機系統。細胞復制時，它們以DNA的形式把基礎信息從一個細胞傳遞到另一個細胞。細胞組合在一起，形成自動調整結構層級，利用神經系統來建立和保護其細胞結構-身體的水平結合形式。人有數萬億個細胞，它們非常有彈性，可以持續工作100多年，而不用“重啟”。這就是人們把有機系統作為基礎信息和設備構架的基礎進行研究的原因。
       你或許也得出了這樣的結論：互聯網具有有機系統的特性。但是，今天的互聯網把其大部分數據傳輸都整合到一些超大型數據通道中。最初的互聯網看起來更加“扁平”，本質上更像點對點網絡。那時，人們對帶寬的大部分使用僅僅只是發送信息，因此帶寬要求非常低。對媒介和時間有嚴格要求的數據傳輸，迫使人們使用大型數據通道。今天，客戶端-服務器構架占據主導地位，其主要由內容聚合者即各大數據通道公司推動發展。隨著這個行業的不斷發展，其慢慢會變回最初的扁平結構。但是，大型數據通道不會消失，因為大帶寬和及時性要求仍然存在。然而，當物聯網擁有數萬億的聯網設備時，將會有無數的數據流通道。這種大規模點對點平臺的聚合帶寬，將遠遠超過大型數據通道的性能。由于這種網絡沒有限制，因此它將變為完全的中立和無形。到那時，我們的子孫后代們甚至都不知道什么叫“互聯網接入”。當然，假設條件是，我們最終都認可物聯網這種基礎“貨幣”。

       物聯網準備
       物聯網水平特性的最低技術層準備，要求制造商們克服如下挑戰：
       •網絡接入：沒有一種“萬用”接入標準。在物聯網中，會有各種有線和無線標準以及專有實現，用于網絡接入。面臨的挑戰是，如何使用一種世界公用的數據類別，讓各種接入標準之間相互通信。
       •電源管理：物聯網中，更多設備將使用電池供電，或者利用能源采集技術，從而讓設備更加便攜和實現能源自給。有線供電設備需要更加高效。存在的挑戰是，如何更加容易地給這些設備添加電源管理功能。無線充電將結合充電管理功能。
       •安全性：由于物聯網內會有大量的數據傳輸，安全性是一個硬性規定。硬件嵌入式安全和現有網絡接入安全協議的使用，對于確保物聯網的安全性必不可少。另一個挑戰是，如何告知消費者使用其設備中集成的安全功能。
       •復雜性：制造廠商正尋求為那些從來沒有連過網的器件和設備增加網絡接入功能，讓其加入到物聯網中。設計和開發的簡便性，對于讓更多設備聯網必不可少，特別是典型RF編程較為復雜時。另外，需要讓那些沒有相關技術知識的普通消費者也能設置和使用其設備。
       •快速發展：物聯網正在不斷變化和發展。每天都有更多的設備加入，而這個行業仍然處在其初期階段。我們不知道會面對什么樣的挑戰、設備、應用和使用場景。因此，在發展的各個方面，都需要有靈活性。16MHz到1500MHz的處理器和微控制器，可以滿足各種應用需求，從小型、能源采集無線傳感器節點的微控制器(MCU)到高性能、多核處理器，均可應用于物聯網。我們需要各種有線和無線接入技術，以滿足市場的各種需求。最后，還要求使用各種傳感器、混合信號和電源管理技術，提供物聯網用戶界面和能源友好性設計。
       總結
       物聯網將改變我們的生活、工作和娛樂方式。從工廠自動化和車載網絡接入到穿戴式傳感器和家用電器，物聯網將觸及我們生活的方方面面。我們周圍的各種網絡不斷變化和發展著，利用它，便可以根據來自其它系統的周圍環境信息，“設計”我們自己的生活。有了它以后，車載之間可以相互感知，避免發生交通事故，讓我們的生活更加安全。通過它，家里的照明系統可以根據窗戶射進來的陽光情況來進行調節，讓我們的生活更加環保。利用它，穿戴式傳感器會檢測心臟情況，防止心臟病發作，從而讓我們的生活更加健康。距離2020年的物聯網建設目標，我們還有很長的路要走。但可以確定的是，我們有一個令人憧憬的未來。