物聯(lián)網(wǎng)(IoT)正在創(chuàng)造一個(gè)新的世界，一個(gè)可量化、可測(cè)量的世界。在這個(gè)世界里，人們可以更好地管理自己的生活，城市可以更好地管理其基礎(chǔ)設(shè)施，公司可以更好地管理其業(yè)務(wù)。這個(gè)新的智能互連世界將從根本上改變社會(huì)和消費(fèi)者，并使整個(gè)行業(yè)發(fā)生深刻變革。物聯(lián)網(wǎng)的興起將為我們提供及時(shí)且質(zhì)量更高的信息，幫助我們更快地作出更好的決策，從而大幅改善我們的世界和日常生活。
本章介紹物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的一些基礎(chǔ)知識(shí)及其應(yīng)用、主要市場(chǎng)趨勢(shì)和一些重要的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。還為大家展示這些標(biāo)準(zhǔn)如何使用，以及市場(chǎng)如何轉(zhuǎn)向更高的互操作性。
什么是物聯(lián)網(wǎng)？
快速追溯互聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)整體是如何演變的，可以幫助我們了解物聯(lián)網(wǎng)。
互聯(lián)網(wǎng)最初只是一些少量通過(guò)有線連接的軍用和政府計(jì)算機(jī)。隨著時(shí)間推移，互聯(lián)網(wǎng)不斷擴(kuò)大，全世界數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人都可以使用，而萬(wàn)維網(wǎng)讓任何人都可以發(fā)布供公眾使用的信息。而無(wú)線連接的快速普及又帶來(lái)了第二次飛躍式發(fā)展。在Wi-Fi和蜂窩通信技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò)開始急速擴(kuò)張。智能手機(jī)和其他聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)設(shè)備使互聯(lián)網(wǎng)連接不再受具體的地理位置束縛，能夠在幾乎任何地方使用。
而且，已經(jīng)不止是計(jì)算機(jī)使用互聯(lián)網(wǎng)。許多其他類型的設(shè)備開始包含簡(jiǎn)單的計(jì)算和聯(lián)網(wǎng)功能。物聯(lián)網(wǎng)一詞源于21世紀(jì)早期，用于描述越來(lái)越廣泛的聯(lián)網(wǎng)對(duì)象及其用途。2005年，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)正式確認(rèn)了這個(gè)術(shù)語(yǔ)。國(guó)際電信聯(lián)盟將物聯(lián)網(wǎng)定義為“由連接到互聯(lián)網(wǎng)并在需要最少或不需要人工干預(yù)的情況下相互通信的智能對(duì)象組成”。這些對(duì)象通常通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，該平臺(tái)由從傳感器、控制器和其他設(shè)備收集數(shù)據(jù)的軟件工具和服務(wù)組成。
如今，物聯(lián)網(wǎng)就是將許多不同類型的對(duì)象連接到互聯(lián)網(wǎng)，例如傳感器、感應(yīng)式控制器和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備。根據(jù)思科公司的說(shuō)法，我們連接到互聯(lián)網(wǎng)的“物”或?qū)ο蟮臄?shù)量已超過(guò)全球人口數(shù)，實(shí)際上，10年前就超過(guò)了。
圖1-1總結(jié)了這些變化。在感知和連接層，該平臺(tái)將物聯(lián)網(wǎng)硬件連接到執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。中間是平臺(tái)層，用于存儲(chǔ)、保護(hù)、處理和分析數(shù)據(jù)。在最終用戶層，它連接至最終用戶應(yīng)用，通過(guò)這些應(yīng)用監(jiān)控并解讀來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并發(fā)送指令，要求設(shè)備執(zhí)行諸如鎖好前門或打開車庫(kù)門等操作。
物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通常提供以下這些類型的服務(wù)：
■可適應(yīng)：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行條件、用戶輸入或感知到的信息動(dòng)態(tài)適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。
■唯一可確定身份：每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都有一個(gè)唯一的身份，比如一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)地址。通過(guò)這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備地址，用戶可以遠(yuǎn)程查詢、監(jiān)視和控制設(shè)備。
■可自動(dòng)配置：網(wǎng)絡(luò)中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以自動(dòng)配置，使許多支持物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備能夠相互協(xié)作，提供完整的系統(tǒng)功能。
■網(wǎng)絡(luò)集成：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可集成到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信。
■做出明智決策：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以做出決策，從而適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件。
物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)和趨勢(shì)調(diào)研
消費(fèi)者、企業(yè)和政府都在快速采用物聯(lián)網(wǎng)。主要市場(chǎng)包括家用電子產(chǎn)品（例如電視和其他家庭娛樂(lè)系統(tǒng)）、家用電器（例如洗衣機(jī)和烘干機(jī)）、汽車部件和駕駛員接口以及安全系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)還在智能手表、體能監(jiān)測(cè)器和健康監(jiān)測(cè)器等可穿戴設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。在城市中，地方政府通過(guò)部署物聯(lián)網(wǎng)來(lái)提高效率和減少開支。甚至軍方也在利用物聯(lián)網(wǎng)，將機(jī)器人用于監(jiān)視，將可穿戴生物識(shí)別技術(shù)用于戰(zhàn)場(chǎng)。
據(jù)研究技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的調(diào)研公司表示，未來(lái)看起來(lái)更加光明。以下的一些預(yù)測(cè)能夠說(shuō)明物聯(lián)網(wǎng)非凡的增長(zhǎng)潛力：
■Statista預(yù)計(jì)，到2025年，全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到1.6萬(wàn)億美元。
■Frost&Sullivan預(yù)計(jì)，到2025年，全球前600個(gè)智慧城市的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)將占全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的60%。到2025年，智慧城市將代表2萬(wàn)億美元的技術(shù)市場(chǎng)價(jià)值，人工智能(AI)和物聯(lián)網(wǎng)將成為主要驅(qū)動(dòng)力。
■據(jù)Strategy Analytics稱，到2023年，智能家居設(shè)備的購(gòu)買量預(yù)計(jì)將超過(guò)19.4億，屆時(shí)，設(shè)備銷售額也將超過(guò)780億美元。
■據(jù)Grand View Research稱，到2025年，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)預(yù)計(jì)價(jià)值5343億美元。
■據(jù)Grand View Research稱，到2025年，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)盡可能簡(jiǎn)化每個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程，并提高其效率）行業(yè)預(yù)計(jì)將價(jià)值430億美元。
確定推動(dòng)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)
目前，我們使用多種無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。其中一些是我們熟悉的技術(shù)，例如藍(lán)牙、Wi-Fi和Zigbee，另一些則是不太常見(jiàn)的專有解決方案。圖1-2總結(jié)了當(dāng)前的狀況。根據(jù)范圍，可以分為三個(gè)部分。如圖1-2所示，從用戶的角度來(lái)看，由于使用了多種標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)變得混亂、難以管理。
物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)公司通常根據(jù)范圍和數(shù)據(jù)類型來(lái)選擇使用的標(biāo)準(zhǔn)。例如，他們可能需要傳輸媒體內(nèi)容或傳感-控制數(shù)據(jù)。面對(duì)一系列標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)和專有技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以從中選擇最適合優(yōu)化其最終用戶設(shè)備性能的技術(shù)。但對(duì)最終用戶來(lái)說(shuō)，未必始終會(huì)這么簡(jiǎn)單。
目標(biāo)：互操作性
互操作性是指一個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)在當(dāng)前和未來(lái)不受任何限制地與其他產(chǎn)品或系統(tǒng)協(xié)同工作的能力。
消費(fèi)者希望他們所有的無(wú)線家庭設(shè)備都能以即插即用的方式進(jìn)行通信。他們不希望浪費(fèi)心力來(lái)確認(rèn)他們想要購(gòu)買的新物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能否與當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)兼容。他們希望購(gòu)買的無(wú)線產(chǎn)品能夠自動(dòng)工作。但是，如今，這還不可能。購(gòu)買可聯(lián)網(wǎng)的門鎖或燈泡是一項(xiàng)復(fù)雜工作，因?yàn)槟枰紤]它如何與您的其他家庭設(shè)備通信，包括使用Alexa、Google Assistant或Siri的設(shè)備。
一些制造商采用無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)基本連接，但會(huì)添加他們自己的專有解決方案來(lái)控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并與之交互。但是，這種做法也需要付出代價(jià)，特別是對(duì)于那些必須經(jīng)歷復(fù)雜的購(gòu)買和安裝過(guò)程的用戶來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗麄冑?gòu)買的新設(shè)備并不像他們預(yù)期的一樣，能夠輕松融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。
Matter，前來(lái)解決問(wèn)題
為了幫助提高消費(fèi)類產(chǎn)品的互操作性并降低整體復(fù)雜性，Amazon、Apple、Google和Samsung等行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)共同協(xié)作，以支持一種名為Matter的新標(biāo)準(zhǔn)。如圖1-3所示，如果生態(tài)系統(tǒng)使用更少的標(biāo)準(zhǔn)和Matter這樣的協(xié)議，它會(huì)變得更簡(jiǎn)單。Matter會(huì)使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得更易于使用，同時(shí)統(tǒng)一協(xié)議格局Matter還處在發(fā)展初期，但它體現(xiàn)了向正確方向邁出的一步。Matter的總體目標(biāo)是為互聯(lián)家居提供即插即用的消費(fèi)類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。它將在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)之上提供一個(gè)層，其中包括一組適用于所有Matter連接設(shè)備的預(yù)定義方案。這將使設(shè)備能夠了解它們正在與什么類型的對(duì)象進(jìn)行通信，以及這些對(duì)象可以做什么。
例如，恒溫器可以共享有關(guān)溫度和風(fēng)扇運(yùn)行的數(shù)據(jù)。新Matter標(biāo)準(zhǔn)將支持這兩種應(yīng)用，采用一種通用方式與恒溫器和風(fēng)扇通信。
Matter將支持終端設(shè)備或節(jié)點(diǎn)，即物聯(lián)網(wǎng)中的“物”，這些“物”將與許多Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)pod通信。
Pod安放在網(wǎng)絡(luò)（例如住宅）中的適當(dāng)位置，并且會(huì)自動(dòng)連接至主路由器。然后主路由器連接至互聯(lián)網(wǎng)。這樣就可以消除無(wú)線死區(qū)，也無(wú)需靠近路由器或中繼器，從而擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。
綜上所述，Matter可將物聯(lián)網(wǎng)的幾個(gè)要素融合在一起，例如Wi-Fi、Zigbee、藍(lán)牙和藍(lán)牙低功耗。將這些單個(gè)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)集成于一體，有助于物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步提高互操作性，使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)輕松實(shí)現(xiàn)即插即用。
最終，Matter允許普通的非技術(shù)型消費(fèi)者隨意選擇喜歡的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，不再局限于不支持互操作的專有生態(tài)系統(tǒng)。
超寬帶
圖1-2還顯示了另一種正在興起的技術(shù)，稱為超寬帶(UWB)。超寬帶廣泛用于精準(zhǔn)微定位物聯(lián)網(wǎng)解決方案。它可以在室內(nèi)和室外精準(zhǔn)可靠地測(cè)量設(shè)備距離和位置，且功耗極低。
超寬帶是一種基于IEEE 802.15.4a和802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電技術(shù)，能夠更精確地測(cè)量無(wú)線電信號(hào)的飛行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度的距離/位置測(cè)量。它可以提供高達(dá)27 Mbps的數(shù)據(jù)通信能力，僅耗用極少電能，因此設(shè)備可以使用紐扣電池連續(xù)工作多年，中途無(wú)需重新充電或更換。超寬帶還提供了一種新的無(wú)線安全通信方式，為各種新型安全交易模式打開了大門。
這項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將在智能家居、汽車安全無(wú)鑰門禁、安全支付處理和工業(yè)4.0等領(lǐng)域開創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)用例。您可以閱讀Qorvo的另一本書《超寬帶For Dummies》Qorvo專版，進(jìn)一步了解超寬帶技術(shù)。這本書可在Qorvo設(shè)計(jì)中心找到（鏈接：www.qorvo.com/design-hub/ebooks）。
超寬帶可以很好地融入物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。它安全、準(zhǔn)確、由電池供電，適合物聯(lián)網(wǎng)中的許多應(yīng)用。盡管超寬帶適合許多應(yīng)用，其中一些還有待探索，但它最開始是針對(duì)感應(yīng)式門禁、定位服務(wù)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用中的用例。它成為新型智能手機(jī)中的射頻(RF)鏈之一，支持實(shí)現(xiàn)智能汽車門禁、安全樓宇門禁和智能家居設(shè)備連接。
無(wú)論是個(gè)人還是企業(yè)，都希望能夠?qū)崟r(shí)定位任何東西，無(wú)論其大小如何。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)和智能家居應(yīng)用，超寬帶資產(chǎn)標(biāo)簽比以前使用的藍(lán)牙或Wi-Fi更精準(zhǔn)。使用藍(lán)牙和Wi-Fi，通過(guò)資產(chǎn)標(biāo)簽只能定位到大致位置，而使用超寬帶，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。例如，藍(lán)牙標(biāo)簽會(huì)顯示您的鑰匙在房間或客廳的某個(gè)區(qū)域，但超寬帶會(huì)顯示資產(chǎn)標(biāo)簽或鑰匙掉在沙發(fā)墊子下面。
超寬帶還開啟了使用手勢(shì)的新世界，這意味著語(yǔ)音命令有時(shí)可作為啟動(dòng)應(yīng)用的第二種選擇。例如，當(dāng)您進(jìn)入房間時(shí)，燈會(huì)自動(dòng)打開，或者當(dāng)您坐到辦公桌前時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)開啟。超寬帶使此類應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，開啟了許多全新的變革性使用案例。
為了確保在使用超寬帶時(shí)保持互操作性，F(xiàn)ine Ranging(FiRa)聯(lián)盟將半導(dǎo)體、汽車、基礎(chǔ)設(shè)施和消費(fèi)領(lǐng)域的50多家公司重新分組，積極致力于確定協(xié)議定義，以保證其互操作性。因此開發(fā)人員能夠?qū)⒊瑢拵в糜谠S多新應(yīng)用，例如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、智能家居應(yīng)用和移動(dòng)支付。
5G和Wi-Fi 6/6E
5G和Wi-Fi 6/6E是推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)普及的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，全球各地的企業(yè)、住宅和城市都在向著無(wú)線和有線生態(tài)系統(tǒng)數(shù)字化邁進(jìn)。這兩項(xiàng)技術(shù)將推動(dòng)集成、封裝和性能方面實(shí)現(xiàn)更大進(jìn)步。
Wi-Fi 6/6E是最新的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)，提供比以前版本更高的數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍。這個(gè)新版本還擴(kuò)展了安全協(xié)議，增加了破解設(shè)備密碼的難度。
Wi-Fi 6提供更快的速度、更大的容量（數(shù)據(jù)速率和連接用戶或設(shè)備兩方面）、更低的功耗和更高的安全性。Wi-Fi 6E可以提供Wi-Fi 6的功能和容量（包括更高的性能、更低的延遲和更快的數(shù)據(jù)速率），同時(shí)將Wi-Fi擴(kuò)展至6 GHz頻段范圍。它還提供超過(guò)Wi-Fi 6兩倍以上的頻譜，額外提供7個(gè)非重疊帶寬160 MHz信道。這些額外的信道將減少擁塞、提高性能并減少延遲。
Wi-Fi 6/6E覆蓋支持物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（例如智能恒溫器和安保攝像頭）的小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。與之相比，5G等蜂窩網(wǎng)絡(luò)為移動(dòng)設(shè)備提供全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋。5G和Wi-Fi 6/6E協(xié)同作用，幫助物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮其全部潛力。
5G網(wǎng)絡(luò)通過(guò)配置，可以滿足多種不同應(yīng)用的需求，每種都支持不同類型的用戶設(shè)備。這些應(yīng)用大致可分為三類：
○增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMMB)
○超可靠的低延遲(uRLLC)
○大規(guī)模機(jī)器類型通信(mMTC)
物聯(lián)網(wǎng)涵蓋mMTC和uRLLC應(yīng)用。
這些5G應(yīng)用未來(lái)將可以支持更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)據(jù)。此外，5G將增加邊緣計(jì)算的采用，以更快處理操作點(diǎn)附近的數(shù)據(jù)，這將為進(jìn)一步在無(wú)線和有線生態(tài)系統(tǒng)中推行物聯(lián)網(wǎng)提供跳板。但是，Wi-Fi是一項(xiàng)未許可頻帶技術(shù)，而蜂窩5G是一項(xiàng)許可頻帶服務(wù)，所以部署新設(shè)備連接可能需要支付額外費(fèi)用。
關(guān)于WI-FI 6/6E的更多信息
Wi-Fi 6E可以提供Wi-Fi 6的功能和容量（包括更高的性能、更低的延遲和更快的數(shù)據(jù)速率），但將Wi-Fi 6擴(kuò)展至6 GHz頻段范圍。
這個(gè)額外的6 GHz頻譜是從首次提供Wi-Fi以來(lái)具有里程碑意義的擴(kuò)增。6 GHz Wi-Fi 6E頻譜提供額外的非重疊信道，提供超出現(xiàn)有Wi-Fi 6頻譜兩倍的容量。
Wi-Fi 6采用2.4 GHz和5 GHz頻段（高達(dá)5835 MHz）。Wi-Fi聯(lián)盟允許Wi-Fi 6E提供14個(gè)80 MHz信道和7個(gè)160 MHz信道。Wi-Fi 6E在5,925至7,125 MHz頻率范圍內(nèi)增加了7個(gè)160 MHz信道。
Wi-Fi 6E是Wi-Fi 6標(biāo)準(zhǔn)的一種實(shí)現(xiàn)方案。這個(gè)6 GHz新頻譜也用于增強(qiáng)和擴(kuò)展Wi-Fi 6在5 GHz頻段以外的功能，以提供額外的非重疊信道。這些額外的信道可以減少擁堵，尤其是在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)運(yùn)行的區(qū)域。通過(guò)提供7個(gè)額外的160 MHz信道，可以在所在頻率范圍內(nèi)提升性能和降低延遲，但對(duì)于其他高頻范圍，在發(fā)送和接收信號(hào)時(shí)，還是會(huì)受距離和障礙因素影響造成信號(hào)衰減，這與2.4 GHz Wi-Fi信道范圍不同。
Wi-Fi 6E提高了性能，使用多輸入多輸出(MIMO)和開放頻譜來(lái)克服高頻信道本身造成的覆蓋范圍挑戰(zhàn)，確保實(shí)現(xiàn)住宅或建筑的全面覆蓋，并提供最佳吞吐量/容量。
Wi-Fi 6/6E還可以為同一網(wǎng)絡(luò)上的更多用戶提供相同的體驗(yàn)。此外，Wi-Fi 6將實(shí)現(xiàn)1.2 Gbps網(wǎng)速，而Wi-Fi 6E將實(shí)現(xiàn)5.4 Gbps至10 Gbps的理論速度，較之Wi-Fi 5和Wi-Fi 6是一個(gè)巨大進(jìn)步。
