《Hadoop》系列深度探索（三）：物联网技术综述与应用前景

在上一章《Hadoop》之“踽踽独行”&＃xff08;二&＃xff09;中&＃xff0c;我们介绍了云计算的相关概念&＃xff0c;在这一章里&＃xff0c;我们来介绍一下物联网的概念&＃xff0c;及其大数据&＃xff0c;云计算和物联网三者的区别与联系。

一、物联网

1、物联网的概念

物联网是物物相连的互联网&＃xff0c;是互联网的延伸&＃xff0c;它利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式连在一起&＃xff0c;形成人与物、物与物相连&＃xff0c;实现信息化和远程管理控制。

从技术架构上来看&＃xff0c;物联网可分为四层&＃xff08;见图1-9&＃xff09;&＃xff1a;感知层、网络层、处理层和应用层。每层的具体功能如表1-8所示

我们用智能公交这个案例来加深对物联网概念的理解。目前&＃xff0c;很多城市居民的智能手机中都安装了“掌上公交”APP&＃xff0c;可以用手机随时随地查询每辆公交车的当前到达位置信息&＃xff0c;这就是一种非常典型的物联网应用。在智能公交应用中&＃xff0c;每辆公交车都安装了GPS定位系统和3G/4G网络传输模块&＃xff0c;在车辆行驶过程中&＃xff0c;GPS定位系统会实时采集公交车当前到达位置信息&＃xff0c;并通过车上的3G/4G网络传输模块发送给车辆附近的移动通信基站&＃xff0c;经由电信运营商的3G/4G移动通信网络传送到智能公交指挥调度中心的数据处理平台&＃xff0c;平台再把公交车位置数据发送给智能手机用户&＃xff0c;用户的“掌上公交”软件就会显示出公交车的当前位置信息。这个应用实现了“物与物的相连”&＃xff0c;即把公交车和手机这两个物体连接在一起&＃xff0c;让手机可以实时获得公交车的位置信息&＃xff0c;进一步讲&＃xff0c;实际上也实现了“物和人的连接”&＃xff0c;让手机用户可以实时获得公交车位置信息。在这个应用中&＃xff0c;安装在公交车上的GPS定位设备就属于物联网的感知层&＃xff1b;安装在公交车上的3G/4G网络传输模块以及电信运营商的3G/4G移动通信网络&＃xff0c;属于物联网的网络层&＃xff1b;智能公交指挥调度中心的数据处理平台属于物联网的处理层&＃xff1b;智能手机上安装的“掌上公交”APP&＃xff0c;属于物联网的应用层。

2&＃xff0e;物联网关键技术

物联网是物与物相连的网络&＃xff0c;通过为物体加装二维码、RFID标签、传感器等&＃xff0c;就可以实现物体身份唯一标识和各种信息的采集&＃xff0c;再结合各种类型网络连接&＃xff0c;就可以实现人和物、物和物之间的信息交换。因此&＃xff0c;物联网中的关键技术包括识别和感知技术&＃xff08;二维码、RFID、传感器等&＃xff09;、网络与通信技术、数据挖掘与融合技术等。

&＃xff08;1&＃xff09;识别和感知技术

二维码是物联网中一种很重要的自动识别技术&＃xff0c;是在一维条码基础上扩展出来的条码技术。二维码包括堆叠式/行排式二维码和矩阵式二维码&＃xff0c;后者较为常见。如图1-10所示&＃xff0c;矩阵式二维码在一个矩形空间中通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上&＃xff0c;用点&＃xff08;方点、圆点或其他形状&＃xff09;的出现表示二进制“1”&＃xff0c;点的不出现表示二进制的“0”&＃xff0c;点的排列组合确定了矩阵式二维条码所代表的意义。二维码具有信息容量大、编码范围广、容错能力强、译码可靠性高、成本低易制作等良好特性&＃xff0c;已经得到了广泛的应用。

RFID&＃xff08;Radio Frequency Identification&＃xff09;技术用于静止或移动物体的无接触自动识别&＃xff0c;具有全天候、无接触、可同时实现多个物体自动识别等特点。RFID技术在生产和生活中得到了广泛的应用&＃xff0c;大大推动了物联网的发展&＃xff0c;我们平时使用的公交卡、门禁卡、校园卡等都嵌入了RFID芯片&＃xff0c;可以实现迅速、便捷的数据交换。从结构上讲&＃xff0c;RFID是一种简单的无线通信系统&＃xff0c;由RFID读写器和RFID标签两个部分组成。RFID标签是由天线、耦合元件、芯片组成的&＃xff0c;是一个能够传输信息、回复信息的电子模块。RFID读写器是由天线、耦合元件、芯片组成的&＃xff0c;用来读取&＃xff08;或者有时也可以写入&＃xff09;RFID标签中的信息。RFID使用RFID读写器及可附着于目标物的RFID标签&＃xff0c;利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。以公交卡为例&＃xff0c;市民持有的公交卡就是一个RFID标签&＃xff08;见图1-11&＃xff09;&＃xff0c;公交车上安装的刷卡设备就是RFID读写器&＃xff0c;当我们执行刷卡动作时&＃xff0c;就完成了一次RFID标签和RFID读写器之间的非接触式通信和数据交换。

传感器是一种能感受规定的被测量件并按照一定的规律&＃xff08;数学函数法则&＃xff09;转换成可用信号的器件或装置&＃xff0c;具有微型化、数字化、智能化、网络化等特点。人类需要借助于耳朵、鼻子、眼睛等感觉器官感受外部物理世界&＃xff0c;类似地&＃xff0c;物联网也需要借助于传感器实现对物理世界的感知。物联网中常见的传感器类型有光敏传感器、声敏传感器、气敏传感器、化学传感器、压敏传感器、温敏传感器、流体传感器等&＃xff08;见图1-12&＃xff09;&＃xff0c;可以用来模仿人类的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉。

&＃xff08;2&＃xff09;网络与通信技术

物联网中的网络与通信技术包括短距离无线通信技术和远程通信技术。短距离无线通信技术包括Zigbee、NFC、蓝牙、Wi-Fi、RFID等。远程通信技术包括互联网、2G/3G/4G移动通信网络、卫星通信网络等。

&＃xff08;3&＃xff09;数据挖掘与融合技术

物联网中存在大量数据来源、各种异构网络和不同类型系统&＃xff0c;如此大量的不同类型数据&＃xff0c;如何实现有效整合、处理和挖掘&＃xff0c;是物联网处理层需要解决的关键技术问题。今天&＃xff0c;云计算和大数据技术的出现&＃xff0c;为物联网数据存储、处理和分析提供了强大的技术支撑&＃xff0c;海量物联网数据可以借助于庞大的云计算基础设施实现廉价存储&＃xff0c;利用大数据技术实现快速处理和分析&＃xff0c;满足各种实际应用需求。

3&＃xff0e;物联网的应用

物联网已经广泛应用于智能交通、智慧医疗、智能家居、环保监测、智能安防、智能物流、智能电网、智慧农业、智能工业等领域&＃xff0c;对国民经济与社会发展起到了重要的推动作用&＃xff0c;具体如下。

• 智能交通。利用RFID、摄像头、线圈、导航设备等物联网技术构建的智能交通系统&＃xff0c;可以让人们随时随地通过智能手机、大屏幕、电子站牌等方式&＃xff0c;了解城市各条道路的交通状况、所有停车场的车位情况、每辆公交车的当前到达位置等信息&＃xff0c;合理安排行程&＃xff0c;提高出行效率。
• 智慧医疗。医生利用平板电脑、智能手机等手持设备&＃xff0c;通过无线网络&＃xff0c;可以随时连接访问各种诊疗仪器&＃xff0c;实时掌握每个病人的各项生理指标数据&＃xff0c;科学、合理地制定诊疗方案&＃xff0c;甚至可以支持远程诊疗。
• 智能家居。利用物联网技术提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性&＃xff0c;并实现环保节能的居住环境。比如&＃xff0c;可以在工作单位通过智能手机远程开启家里的电饭煲、空调、门锁、监控、窗帘和电灯等&＃xff0c;家里的窗帘和电灯也可以根据时间和光线变化自动开启和关闭。
• 环保监测。可以在重点区域放置监控摄像头或水质土壤成分检测仪器&＃xff0c;相关数据可以实时传输到监控中心&＃xff0c;出现问题时实时发出警报。
• 智能安防。采用红外线、监控摄像头、RFID等物联网设备&＃xff0c;实现小区出入口智能识别和控制、意外情况自动识别和报警、安保巡逻智能化管理等功能。​​​​​​​​​​​​​​
• 智能物流。利用集成智能化技术&＃xff0c;使物流系统能模仿人的智能&＃xff0c;具有思维、感知、学习、推理判断和自行解决物流中某些问题的能力&＃xff08;如选择最佳行车路线&＃xff0c;选择最佳包裹装车方案&＃xff09;&＃xff0c;从而实现物流资源优化调度和有效配置&＃xff0c;提升物流系统效率。
• ​​​​​​​智能电网。通过智能电表&＃xff0c;不仅可以免去抄表工的大量工作&＃xff0c;还可以实时获得用户用电信息&＃xff0c;提前预测用电高峰和低谷&＃xff0c;为合理设计电力需求响应系统提供依据。
• ​​​​​​​智慧农业。利用温度传感器、湿度传感器和光线传感器&＃xff0c;实时获得种植大棚内的农作物生长环境信息&＃xff0c;远程控制大棚遮光板、通风口、喷水口的开启和关闭&＃xff0c;让农作物始终处于最优生长环境&＃xff0c;提高农作物产量和品质。
• ​​​​​​​智能工业。将具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信技术等不断融入工业生产的各个环节&＃xff0c;大幅提高制造效率&＃xff0c;改善产品质量&＃xff0c;降低产品成本和资源消耗&＃xff0c;将传统工业提升到智能化的新阶段。

4&＃xff0e;物联网产业

完整的物联网产业链主要包括核心感应器件提供商、感知层末端设备提供商、网络提供商、软件与行业解决方案提供商、系统集成商、运营及服务提供商等环节 具体如下。

• ​​​​​​​核心感应器件提供商。提供二维码、RFID及读写机具、传感器、智能仪器仪表等物联网核心感应器件。
• ​​​​​​​感知层末端设备提供商。提供射频识别设备、传感系统及设备、智能控制系统及设备、GPS设备、末端网络产品等。
• ​​​​​​​网络提供商。包括电信网络运营商、广电网络运营商、互联网运营商、卫星网络运营商和其他网络运营商等。
• ​​​​​​​软件与行业解决方案提供商。提供微操作系统、中间件、解决方案等。
• ​​​​​​​系统集成商。提供行业应用集成服务。
• ​​​​​​​运营及服务提供商。开展行业物联网运营及服务。

二、大数据与云计算、物联网的关系

云计算、大数据和物联网代表了IT领域最新的技术发展趋势&＃xff0c;三者既有区别又有联系。云计算最初主要包含了两类含义&＃xff1a;一类是以谷歌的GFS和MapReduce为代表的大规模分布式并行计算技术&＃xff1b;另一类是以亚马逊的虚拟机和对象存储为代表的“按需租用”的商业模式。但是&＃xff0c;随着大数据概念的提出&＃xff0c;云计算中的分布式计算技术开始更多地被列入大数据技术&＃xff0c;而人们提到云计算时&＃xff0c;更多指的是底层基础IT资源的整合优化以及以服务的方式提供IT资源的商业模式&＃xff08;如IaaS、PaaS、SaaS&＃xff09;。从云计算和大数据概念的诞生到现在&＃xff0c;二者之间的关系非常微妙&＃xff0c;既密不可分&＃xff0c;又千差万别。因此&＃xff0c;我们不能把云计算和大数据割裂开来作为截然不同的两类技术来看待。此外&＃xff0c;物联网也是和云计算、大数据相伴相生的技术。

下面总结一下三者的联系与区别

第一&＃xff0c;大数据、云计算和物联网的区别。大数据侧重于对海量数据的存储、处理与分析&＃xff0c;从海量数据中发现价值&＃xff0c;服务于生产和生活&＃xff1b;云计算本质上旨在整合和优化各种IT资源并通过网络以服务的方式&＃xff0c;廉价地提供给用户&＃xff1b;物联网的发展目标是实现物物相连&＃xff0c;应用创新是物联网发展的核心。

第二&＃xff0c;大数据、云计算和物联网的联系。从整体上看&＃xff0c;大数据、云计算和物联网这三者是相辅相成的。大数据根植于云计算&＃xff0c;大数据分析的很多技术都来自于云计算&＃xff0c;云计算的分布式数据存储和管理系统&＃xff08;包括分布式文件系统和分布式数据库系统&＃xff09;提供了海量数据的存储和管理能力&＃xff0c;分布式并行处理框架MapReduce提供了海量数据分析能力&＃xff0c;没有这些云计算技术作为支撑&＃xff0c;大数据分析就无从谈起。反之&＃xff0c;大数据为云计算提供了“用武之地”&＃xff0c;没有大数据这个“练兵场”&＃xff0c;云计算技术再先进&＃xff0c;也不能发挥它的应用价值。物联网的传感器源源不断产生的大量数据&＃xff0c;构成了大数据的重要数据来源&＃xff0c;没有物联网的飞速发展&＃xff0c;就不会带来数据产生方式的变革&＃xff0c;即由人工产生阶段转向自动产生阶段&＃xff0c;大数据时代也不会这么快就到来。同时&＃xff0c;物联网需要借助于云计算和大数据技术&＃xff0c;实现物联网大数据的存储、分析和处理。

可以说&＃xff0c;云计算、大数据和物联网三者已经彼此渗透、相互融合&＃xff0c;在很多应用场合都可以同时看到三者的身影。在未来&＃xff0c;三者会继续相互促进、相互影响&＃xff0c;更好地服务于社会生产和生活的各个领域。

再参考下图

 从这幅图中我们可以看出&＃xff1a;

• 物联网对应了互联网的感觉和运动神经系统。
• 云计算是互联网的核心硬件层和核心软件层的集合&＃xff0c;也是互联网中枢神经系统萌芽。
• 大数据代表了互联网的信息层&＃xff08;数据海洋&＃xff09;&＃xff0c;是互联网智慧和意识产生的基础。
• 包括物联网&＃xff0c;传统互联网&＃xff0c;移动互联网在源源不断的向互联网大数据层汇聚数据和接受数据。”

参考资料&＃xff1a;
1、林子雨老师的《大数据技术原理与应用》
2、https://blog.csdn.net/zkyliufeng/article/details/8562611