物联网的工作原理

“物联网”一词由凯文·阿什顿（Kevin Ashton）创造，很可能是在1999年，当时是他供职的宝洁公司一份企业演示文稿的标题。在宝洁任职期间，阿什顿提出了在每支口红上放置一个RFID标签的想法，让它们与货架上的无线电接收器通信，以跟踪销售和库存，并在需要补货时发出信号。他认为，这种数据收集可用于解决现实世界中的许多问题[来源：Ashton, Gabbai, Simmonds]。

数十亿互联设备是物联网的一部分。它们使用内置的硬件和软件，通过各种通信协议发送和接收数据。它们可能使用我们的智能手机作为通往互联网的网关，连接到我们家中充当集线器的其他硬件，或者直接通过我们的家庭互联网服务连接。它们通常将数据发送到云计算服务器，在那里进行汇总和分析。我们通常可以通过移动设备或家用电脑上的应用程序或浏览器访问结果。有些甚至可以设置为更新您在各种社交网络上的状态。

尽管我们大多数人还没有拥有充满交互式智能小工具的智能家居，但物联网的规模已经相当庞大。各种估计数字不尽相同，研究人员可能使用了不同的纳入标准，但根据一些说法，目前已经有150亿到250亿个互联设备，预计到2020年，这一数字将增长到500亿到2120亿之间[来源：FTC, Intel, McLellan, OIC]。一些分析师甚至估计，到2025年，互联设备将达到约一万亿个[来源：Wasik]。

尽管这个数字庞大，但当你意识到可以将传感器和微型计算设备嵌入或连接到几乎任何物体上时，它就变得不那么不可思议了。我们许多人都有智能手机，它作为许多互联小工具的接入点，本身也是一个物联网设备。可穿戴健身追踪器也相当普遍。嵌入式处理、传感和通信设备正在被添加到您能想到的几乎任何设备中，从浴室秤到冰箱——甚至是鞋子。智能恒温器、烟雾报警器和安全摄像头可以跟踪您的习惯，帮助您节省能源费用，让您远程查看家中的摄像头画面，在出现问题时向您发送警报，并方便您联系紧急服务。您甚至可以购买小型标签，将其放在汽车钥匙、宠物和孩子等任何物品上进行追踪。

更多的互联设备已经上市或即将上市。目前，我们可能拥有一小部分可以单独交互的智能设备（通常通过独立的手机应用程序），但它们大多不能相互配合工作。然而，公司和行业团体正在努力创建标准和平台，使所有这些设备更容易编程以实现更无缝的协作，并提高安全性。在家庭之外，许多行业和城市也正在或已经采用了增加物联网的技术。

一旦有更多设备能够与其他设备协同工作，即使是来自不同制造商的设备，我们也能够自动化许多日常任务。我们本质上赋予了普通物理对象计算能力和感知能力。它们可以从周围环境（甚至是我们自己的身体）中获取读数，并利用这些数据改变自己的设置，向其他设备发出信号以执行相同操作，并为我们汇总数据以供查阅。它们中的许多都基于复杂的算法执行操作，而不仅仅是过去嵌入式计算的简单“如果-那么”指令，这些算法要么在自己的处理器中运行，要么在云服务器上运行。

创新仍在持续，因此所有这些智能小工具必然会实现我们目前甚至没有考虑到的事情。

物联网背后的技术酝酿已久，甚至在计算机出现之前就已经开始。机器对机器（M2M）通信已经存在相当长一段时间，可能始于20世纪早期的遥测系统，这些系统通过电话线、无线电波或卫星通信传输测量仪器的编码读数。第一次使用是在1912年，用于通过电话线将数据从芝加哥的一座发电厂传输到中央办公室。此后，遥测技术已用于天气监测和野生动物追踪等方面，甚至还用于监测国际空间站（ISS）上的乘员和设备[来源：Llewellyn, TechTarget]。

自20世纪中叶以来，我们一直生活在计算机时代，而自1969年美国高级研究计划局创建ARPANET以来，我们便进入了互联网时代。直到1991年蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）推出万维网，大量人才开始上网，而现在不连接互联网反而更加不寻常。随着网络的发展，高速互联网进入家庭，无线网络变得无处不在。与此同时，微芯片和其他计算设备变得越来越小，直到我们最终开始将它们放入移动设备中。今天的智能手机可以通过蜂窝或WiFi信号上网，并通过蓝牙和其他本地通信方式与其他设备通信。得益于同样的技术，许多其他电子小工具也做到了这一点。

在大型数据中心中，通过网络连接的服务器上进行数据处理，我们称之为云计算，这也极大地促进了日常小工具成为物联网一部分的能力。这些设备可以通过将数据发送到您的手机或家中充当集线器的其他专用硬件，通过本地通信方式（例如）连接到互联网：

这种连接可以直接通过您的路由器或调制解调器，通过WiFi或有线方式（如以太网、电缆或电力线网络，即信号直接通过您家的电力线发送）建立。它也可以通过蜂窝通信完全绕过您的家庭网络。它们还可能与附近的其它智能设备进行通信。

物联网的互联小工具包含计算硬件，包括带有嵌入式编程指令的处理器、收集各种读数（如温度、湿度、光线、运动、化学水平、心率和身体运动）的传感器，以及可以发送和接收信号的通信硬件。

一些互联系统可能能够利用附近的其他设备收集数据，例如城市道路系统向智能手机发出信号以帮助监控交通状况。智能设备可以与标签技术（包括RFID标签、二维码、条形码等）协同工作，以获取物品数据。这些设备还需要电源，包括连接到电源插座、太阳能电池板，甚至可更换或可充电电池，前提是嵌入式硬件是低功耗类型。公司也在研究无线电源作为未来可能的电源。

这些设备主要通过其自身的嵌入式软件或固件运行，但它们也可以通过互联网将大部分处理工作卸载到基于云的软件上，在那里处理更多数据。一些设备使用高级算法，使其能够学习并适应各种刺激和模式（在一定程度上允许它们自我编程）。传感器数据的发送和处理通常几乎是即时的（得益于通常闪电般的互联网通信速度），从而使设备能够实时响应。

目前，许多互联设备可以与互联网和我们的手机对话，甚至可能与一些相关产品对话，但由于专有硬件和软件具有不同的标准、语言和通信协议，它们中的大多数无法相互对话。对于大多数当前的远程控制智能家居物品，您需要使用不同的应用程序或网站来与设备交互或查看数据，除非它们是由制造商专门设计为协同工作的。换句话说，闹钟与咖啡壶对话目前还不容易实现，除非您是电子爱好者或者同一家公司生产了它们的智能版本。

目前还没有任何通用标准或平台允许所有智能小工具之间无缝交互，并使您能够通过一个中央应用程序控制它们，但有几个团体正在努力创建标准协议和软件，以使来自不同制造商的多个设备之间的互操作性成为现实。由高通创建并由其他公司加入的AllSeen联盟正在开发一个名为AllJoyn的开源、平台独立软件框架。思科、三星、英特尔等公司也在开发自己的开源平台IoTivity。由Nest、ARM和三星牵头，但包含高通在内的160多个成员组成的Thread Group于2015年7月发布了其基于IP的低功耗互联设备网络协议规范和文档。据报道，CableLabs正在研究让机顶盒充当集线器来连接多个设备。

还有许多其他智能设备平台已经上市或即将上市，包括苹果的HomeKit、谷歌的Project Brillo、SmartThings、Ninja Blocks、Evrythng、三星Artik和Wink。其中一些是硬件集线器和软件，另一些则只是软件应用程序或平台（由用户设置或制造商自行实施）。有些需要许可，有些则是开源的。总的来说，它们与多种类型和品牌的设备兼容，但没有一个能包含所有。从一个中央入口点访问各种设备将为您的智能家居自动化增加便利性、便捷性和安全性。

物联网面临的另一个主要问题也是互联网本身的难题。用于将互联网流量路由到网络设备以及从网络设备路由的标准标识符是IP（互联网协议）地址。在其最初且仍然普遍的形式（1981年创建的IPv4 32位标准）中，IP地址由四个由点分隔的数字组成，每个数字介于0到255之间（每个四位槽位有256种可能性）。由于这些限制，此标准上可用地址的最大数量被限制在约42.95亿个。华尔街日报报道称，美国将在2015年用完IPv4地址，其他一些国家也已经用完，这使得公司争相购买其他未使用的地址或转向新的IPv6系统[来源：McMillan]。

IPv6是一个128位标准，可以提供超过340万亿亿亿亿个地址（即340后面跟36个零）。其格式由八组四字符十六进制值组成，并由冒号分隔。在IPv4和IPv6的情况下，由于相关规则和预留块，公开可用的地址数量少于最大数量，但在后一种情况下，可用地址数量仍将远远超过未来（甚至可能永远）可用的设备数量。这意味着每个设备都可以被分配一个唯一的IP地址。组织需要投入资金和精力，使其硬件、软件和网络与新的IP地址兼容，尽管许多较新的设备、操作系统和浏览器已经可以处理IPv6[来源：Fiveash, Hardiman, McMillan]。

许多实体已经使用的临时解决方案是网络地址转换（NAT）。NAT允许您将整个设备网络映射到一个单一的IP地址，这使得互联网可以将该网络视为其目标设备。然后，网络服务器会区分该网络内的设备，以便将数据传输到正确的地点并从正确的地点获取数据。然而，这种方案更适用于组织内部的计算设备，而不是人们家中的小工具。

构成物联网的设备涵盖个人、家庭、公共、商业和工业领域，目前未受其影响的任何领域未来都可能受到影响。我们许多人每天看到和互动的智能小工具是我们的互联网连接智能手机，它们具有传感器包括加速度计、陀螺仪、GPS以及有时还有心率监测器，但这只是冰山一角。

在个人物品领域，我们有可穿戴设备，如健身追踪器和心率监测器，它们使用我们的手机发送和接收数据。智能手表，如Apple Watch和Pebble，与我们的手机配合执行这些任务以及更多任务。衣物上的传感器和微处理器也紧随其后（现在可以使用Arduino和其他公司的可缝制板和传感器来创建）。甚至宠物也可以被添加到我们可以添加传感器进行追踪的“事物”列表中。我们还已经有可以将照片发送到互联网的相机、可以在社交媒体上分享我们体重的秤、监控我们刷牙习惯的牙刷以及监听语音命令的游戏系统。

许多家用电器，包括恒温器、热水器、安全摄像头和灯具，都可以收集数据，远程访问，并在出现问题时通过互联网进行通信。有些甚至会随着时间推移学习您的模式，以更改设置或在发生可疑情况时提醒您。互联车库门和数字门锁可以通过手机数据而非传统钥匙让您进入家中。支持WiFi的炉灶和烤箱可以远程监控或开关。人们经常提到的一种理论电器是能够跟踪其内容并告知您缺少什么或可以用现有食材做什么晚餐的冰箱。请放心，有人正在研发它。

我们正处于智慧城市的早期阶段，整个大都市区都将被传感器和其他技术覆盖。能够获取传感器读数并传输它们的设备非常适合公用事业使用情况监测；在大多数地区，这仍然需要工人从单个房屋读取仪表数据。智能设备可以实现对危险道路状况、污染水平以及水和能源消耗的监测。道路将（在某些情况下已经）配备传感器，以检测交通和道路状况等潜在问题。智能汽车或附近的智能手机可以收到交通延误警报。其他潜在用途包括根据实时情况调整交通灯、监控垃圾桶以了解何时需要清运以及提供可用停车位信息。科学家们正在研发微型传感器，将其放置在水泥和其他材料中，以便在结构问题导致桥梁倒塌等灾难发生之前检测基础设施本身的物理状况。

汽车也变得越来越智能。汽车GPS已经存在多年，我们也有可附加的收费标签，可以在通过收费站时自动支付，但我们正在开始为汽车添加更多的传感器和计算功能。智能汽车可以作为娱乐和信息中心，为其他设备提供WiFi，并跟踪驾驶指标（包括速度和燃油效率）。不久的将来，我们很可能拥有无人驾驶汽车，允许解放双手和眼睛驾驶，同时监控道路和附近的车辆以防止事故发生。目前已经有一些汽车和服务允许您远程启动或定位您的汽车并解锁车门，以及联系紧急服务和路边援助。

医疗保健行业已经有许多互联设备投入使用，还有更多设备正在开发中。医生和其他护理人员将能够远程监测患者的生命体征、活动和其他重要指标，从而挽救生命，或许还能让老年人更长时间地独立生活。医院病床和衣物中的嵌入式传感器也可以收集重要的患者数据，研究人员正在开发诸如可以检测跌倒的地毯以及可以注射到人体内的微型计算设备。

在制造业和其他行业中，还有更多的智能设备，无人值守的监控可以节省大量时间和金钱。通用电气（GE）在电池制造的陶瓷混合过程中试验了各种传感器。研究人员分析了数据，以确定他们需要监测什么才能知道陶瓷混合物何时恰到好处，这使得他们能够获得可预测的均匀一致性，并大大降低了缺陷率[来源：Wasik]。产品的状态和条件可以从最初的材料一直到生产结束进行监控。类似的监控可以应用于几乎任何业务。在零售业，可以跟踪库存并在物品需要补货时发送警报。在农业领域，可以监测土壤和作物以满足灌溉和其他需求，并可以对牲畜进行标记和定位。在办公大楼中，可以自动化环境控制以减少能源浪费和降低成本。可能性是无限的。

我们很多人都在网上进行金融交易，并上传大量关于我们自己的信息，所以我们可能意识到有关于我们的数据在云端漂浮。但现在，我们的无生命物体开始生成和传输更多关于我们日常生活的信​​息，这引发了隐私和安全问题。

大数据分析已经被用来向我们投放相应的广告，而我们的手机等互联设备使得广告可以跟随我们，例如在我们接近某个特定商店时提醒我们优惠信息。数据还被用来发现关于我们的信息，例如我们的购买和旅行模式、收入水平和健康状况。

零售连锁店塔吉特（Target）曾因向一位青少年的女儿推送与婴儿相关的广告而激怒了她的父亲。他质问商店经理，问他们是否想鼓励她怀孕，结果后来才发现她已经怀孕了。塔吉特利用数据分析，根据顾客的购买行为判断其可能怀孕，从而向其投放广告[来源：Hill]。此类数据还可用于检测和阻止信用卡和银行账户的欺诈性使用。但大多数好东西也可能被用于不良目的，数据分析可能会导致在授予信贷、工作、住房和其他需求方面出现难以察觉的偏见。通过能够识别面孔或通过我们的手机、汽车或其他智能技术识别我们的系统所实现的监控量也令人有些担忧。

互联设备也存在被黑客入侵的危险。我们熟悉的科幻情节——机器获得感知并反抗我们——在近期不太可能发生，但外部实体是另一回事。我们的机器正在收集和传输大量关于我们的信息，例如我们家中的视频、我们的位置和活动、健康测量数据等等，而心怀不轨的人可能会闯入并窃取数据、监视我们或对我们的系统造成破坏。想象一下，人们能够看到您的家中情况，在您上班时全天打开您的炉灶，或者在您驾驶智能汽车时将其关闭或转移方向。甚至还有一些非常令人毛骨悚然的案例，有人利用软件漏洞入侵支持网络的婴儿监视器，对着小孩子大喊脏话[来源：Hill]。

智能设备如安全摄像头、灯泡和健康监测器中已发现安全漏洞。一些安全漏洞可能只是轻微的烦恼，但其他一些可能令人不安或极其危险。如果涉及个人身份信息，安全漏洞可能导致身份盗窃或其他经济损失。如果制造商因违规行为被起诉或罚款，或者客户对品牌失去信心，安全问题也可能给制造商带来高昂的成本。

对设备安全性进行严格测试、频繁更新固件和软件，以及大量使用数据加密将至关重要。在制造商和设备之间采用行业标准也有助于减少安全问题。行业企业可以加强自己的内部IT安全，并对谁有权访问收集到的数据进行保护。它们还可以为消费者提供选项，让他们决定收集和保留多少数据，以及如何使用这些数据。一些专家还建议将收集到的数据量限制在仅运行设备所需的范围内，频繁删除旧数据，编程小工具以自动更新软件，甚至编程使其最终“死亡”，尤其是在它们不再受支持且可能变得更脆弱时。

物联网设备可能以多种方式影响经济。互联移动设备已经造成了一些颠覆，它们允许小型企业和个人轻松收款，而无需昂贵的收银机或信用卡处理设备；相反，他们只需要在普通的平板电脑或智能手机上安装一个应用程序、一个简单的读卡器和互联网连接。Square和Paypal等公司的服务处理这些支付，每笔交易收取少量佣金。物联网也准备颠覆其他行业，例如保险业，在这些行业中，几乎任何物体上都可以安装传感器的能力意味着可以及早发现各种风险和危险，并可以奖励采用这些设备的客户，或者因其认为的危险行为（如超速）而惩罚他们。

物联网将进一步自动化流程并提高效率，这将影响公司的盈亏。凭借可以即时通信状况的嵌入式技术，可以大大减少易腐货物浪费、因制造问题造成的材料损失、因意外机器或系统故障造成的停机时间以及能源消耗，从而实现成本节约。对可以实时收集的数据的更多访问权限还可以带来更好、更及时的业务决策。众所周知，公司会利用数据赚钱，而现在他们将拥有更多数据。

这些新的颠覆、效率提升和自动化系统可能会减少就业机会，例如盘点库存、监控制造流程、读取水电费表等所需的人工劳动。随着更多设备连接起来，所有行业都将受到影响。但尽管任务自动化在过去导致了制造业的失业，但通常当自动化接管一项日常任务时，工作所需的技能会转向更复杂的任务。有时甚至因为产品需求而增加就业。尽管自动取款机（ATM）无处不在，它们在1970年代中期首次上线，并完成了许多以前由银行柜员执行的任务，但劳工统计局发现，从1999年到2009年，柜员的工作岗位数量反而增加了。这部分原因是银行在人员需求降低使得每个网点运营成本更低后，开设了更多网点以接触更多客户[来源：Bessen]。

物联网应会大大增加其他类型的工作岗位，特别是与小工具本身及其收集的数据相关的工作。这包括相关硬件的销售和维护、设备和分析软件的开发，以及数据分析（尽管一些人正在开发程序来完成大量的分析繁重工作）。许多连接这些设备的监控服务可能需要更多的IT人员和客户服务代表。云计算所需的数据中心也可能不得不扩大或增加数量。思科估计，物联网设备每年产生的数据将从2013年的113.4泽字节（ZB）增加到2018年的403泽字节[来源：Cisco, McLellan]。

Machina Research在2015年4月报告称，2014年物联网的价值约为9000亿美元，并预测到2024年将增至4.3万亿美元，这一数字超过了许多国家的经济总量。其他一些分析师则估计，到2025年，潜在价值将达到6.2万亿美元[来源：Intel]。加入物联网可能需要企业进行大量的IT投资，并需要改变业务流程、购置新设备，以及更多的互联网带宽、存储能力和人员来应对新技术。但希望投资回报会同样丰厚，甚至更高。

除了成本之外，物联网实现的智慧城市、建筑和家庭也将在减少浪费、污染物和温室气体排放方面大有裨益，使我们的现代生活在长期内更具可持续性。物联网设备还可以为我们提供许多便利，将我们的精力节省下来用于更具职业和个人回报的任务。或者有更多的午睡时间。谁会不支持呢？