物联网设计——1.3　物联网出现的技术背景

前面在定义物联网概念时，把它和稍早出现的普适计算做了对比。我们可以继续把它和比尔•盖茨在1977年提出的著名愿景“让每个家庭以及每个桌面上都有一台计算机”（http://danbricklin.com/log/billg_entwof.htm）做比较，还可以把它和更早出现的观念“计算机是一种非常昂贵，专供大学、有前瞻性视野的全球化大公司和军方使用的机器”做比较。总之，为了更清楚地理解物联网和它适用的范围，花一点时间，从历史发展的角度审视一下物联网是值得的。 最初，技术的最大驱动力是人们对食物、水、温暖、安全和健康等的基本需求。打猎、觅食、生火、建屋、筑堡和医疗都来源于这些需求。后来，因为这些技术所需的资源并不总是分布在人们期望的地点和时间，让人们和他们的财产、牲畜和其他资源能够移动的技术就应运而生。贸易就是随着货物被从丰富和便宜的地方运到该类货物稀少和价格高的地方发展起来的。贮藏可以看作是货物在时间上的移动，例如，在丰收季节，食物丰富且价格便宜，就将食物储存到价格高企的冬季。 语言的产生方便了技术的交流，从此信息也成为了一种重要的资源。旅行者可以在交换货物和服务的同时传递消息，口述的传统风俗使得信息可以在时间上和空间上传播。文字的发明使得信息的交流更加重要，从古代的哲学家和诗人到当代的作者，都可以通过自己的文字和自传让自己的生命得以留存。从书面文字，到电报、无线电广播、电视，再到数字化的信息，有越来越多的技术支持信息的流动和使用信息做有趣的事情。 但前面所述的人们的各种基本需求并没有因为信息时代的到来而消失，将来也不会。人们现在仍然需要吃饭喝水，需要光和热，需要爱情和友情。人们仍然需要椅子、衣服和鞋子，需要各种交通和交流方式以及娱乐方式。这些事物的外在形式和具体细节将来会有所变化，但它们所解决的各种需求并不会变。 随着技术的发展，出现了新种类的物件。电话、收音机、电视、计算机和智能手机都是电子时代的产物。和大多数新技术一样，这些装置刚出现的时候很贵，之后其价格会一路下降。需求驱动了价格的下降，研究促进了优化和小型化。最终，原本需要用一个专门的装置实现的功能，现在可以作为另一个装置的附属功能实现，这种做法的可能性和可行性现在都没有问题。电视屏幕最初在起居室里会占据很大空间，现如今，平板电视面板不仅更省空间，而且这项技术已经变得无处不在。能够显示电视节目的高清显示器可以被嵌入到门框中或厨房设备中，而小屏幕显示器则出现在音乐播放器和手机中。 和计算机的情况类似，嵌入到装置中的通用芯片的生产成本也已经变得非常低廉，以至于你的洗衣机中可内置一台搭载Linux的计算机，超市的收银机可在Windows系统中运行，你的视频播放器可能运行的是苹果公司OS X系统的某个版本。但就像我们在前面已经间接表明的，仅仅有计算能力不是构成物联网的充分的前提条件，我们要看这个计算能力是不是一方面与传感器和执行器这样的与现实世界互动的实物相关联，另一方面又与因特网相接。能与网络服务或其他数据消费者快速共享和处理信息是物联网的重要标志。 我们举个例子，看一下汽车中的计算机。现代的汽车使用数量众多的传感器，对油量、胎压和发动机的内部进行检测，用来确定汽车的运行状态。除了做诊断测试，当处理器发现诸如车轮抱死或转速失控等情况时，由计算机控制的刹车装置可以协助司机处理故障。虽然涉及的数据处理和分析可能非常复杂，但都是本地信息的处理，终究是由汽车制造商编程设定的。也许你的汽车会使用GPS确定你的位置，这就会产生来自外部的数据（不一定与因特网相关）。出于保险和防盗的目的，高端的车型可以向跟踪服务商报告位置信息。这种情况下，汽车搭载的计算设备不仅可以被动消费数据，也可以和外部服务交换信息。当汽车上搭载的计算机和因特网相连时（定时地或持续地相连），就有可能提供根据实时路况调整行车路线这样的服务。虽然你的车载GPS设备可能已经提供了这些行车路线数据，但现在你可以根据附近其他联网司机的行为，对数据进行聚合，采用“社交化路线规划”的方式，实时地调整行车路线。把汽车内部的数据接入因特网，并且对这些数据进行处理和分析，与其他数据聚合和混合之后，将会开启各种可能性。这些可能性不仅仅是各个相关领域中业已存在的可能性，也包括我们还没能想到的新的可能性。因此，当你把处理器嵌入到物品或家电中时，这是一个真正的改变；当你再把处理器接入因特网时，这又是一个真正的改变。我们有必要了解一下，后面这个改变为什么会在现在这个时代出现。 20世纪80年代末，当因特网走出学术圈和军事领域，第一个商业化的因特网服务提供商（ISP）开始运作时，早期的因特网商业用户可能使用搭载英特尔i486处理器的计算机上网。这个i486处理器当时差不多要值1500英镑，是一部小汽车的价钱。现如今，相同计算能力的处理器芯片大约只值0.5英镑，只有一根巧克力棒的价钱。快速增加的处理能力和伴随而来的成本下降不是什么新发现，其实就是广为人知的摩尔定律（英特尔公司的联合创始人提出的经验规则，认为一枚芯片上可以容纳的晶体管数量每18个月会增加一倍）。 上述芯片价格的差别不仅仅只是一个程度的问题，它既是量变也是质变。这是一个长尾现象，我们已经到达了一个性价比的最佳位置。这意味着，把物品接入因特网的成本已经降到了一个很低的程度，给物品添加网络或计算能力近似于选择哪种材料和漆料，例如是否选用稍贵一点儿的木饰板。无论哪种选择都会增加一点产品的成本，但对消费者而言，增加的价值可不只是一点点儿。当接入因特网需要花费数千磅时，我们不会考虑给物品增加联网能力，但现在这样做的成本只有几十便士，接入因特网就成为了一种可选的功能。 可见，计算能力的价格已经下降到了一个负担得起的程度，这还不是故事的全部。从洗衣机到汽车，电子产品的制造商们开始把通用的计算机处理器嵌入到他们的产品中，因为他们发现，很多情况下，这样做比设计和使用专用的芯片划算。这些通用平台拥有的大量编程和调试资源，对爱好者们和原型系统设计市场很有吸引力，进而促进了微处理器市场的快速增长（我们将在第4章和第5章中介绍相关内容）。 和过去相比，接入因特网也变得更便宜更方便了。过去我们上网是使用拨号连接，既贵又慢。现在在英国，76%的成人使用宽带上网，能持续保持网络连接。有线形式的以太网提供了即插即用的联网体验。现在多数的家用路由器也提供WiFi功能，免去了到处拉网线的麻烦。 位置固定、有因特网接入能力的计算机用来工作或学习是很方便的，但它们常常被家庭中的男性和年轻成员所占据，主要用来浏览网页或玩游戏。既然现在全家人都可以舒服地在客厅沙发或各自的房间里上网，人们就对使用网络更有信心，倾向于更多地使用网络了。 希望读者能原谅前面的泛泛而谈。如图1-2所示，在英国，从2002年开始，16~24岁年龄组男女使用计算机的比例几乎相同。对于55~74岁年龄组，男女使用计算机的比例尽管持续在增加，但在2010年前后到达临界点之前，一直有一个明显的差别（http://w3.unece.org/pxweb/database/STAT/ 30-GE/09-Science_ICT/）。我们假设，这种改变至少可以部分归因于处理能力和联网正变得更便宜、更方便且能随处获取。并非完全巧合，我们认为物联网的兴起也和这些因素有关。 图1-2　UNECE关于性别和计算机使用率的统计 联合国欧洲经济局（UNECE）关于性别和计算机使用率的统计 在没有固定网络连接可用的环境下，移动网络被广泛使用。因为联网的需求非常巨大，甚至诸如空白频谱网络这样不太成熟的解决方案也已开始使用。空白频谱网络利用已淘汰不用的模拟电视网络所占用的频谱空间，弥补了联网频谱资源供给不足的缺口。 另一个起作用的因素是因特网平台的日益成熟。早期的Web应用只能通过浏览器使用。Web 2.0作为一项前瞻性的技术，除了带来“Web富应用”外，也使得利用应用编程接口（API）进行编程变得更为流行了。除了用户，其他程序也都可以通过使用API与网络服务交互，使用网络服务提供的功能。这就形成了一个完备的生态系统，其他网站可以通过综合多个网络服务的方式构建适合手机应用程序和联网装置使用的新Web应用。 随着因特网服务的成熟，用来构建和调整扩展这些服务的工具也日益完善。诸如Python/Django和Ruby on Rails等Web服务框架都允许快速构建在线组件的原型。与此类似，诸如亚马逊Web服务（AWS）这样的云服务，就是一种方便调整扩展的解决方案，即随着服务受欢迎程度的增加，可以在使用的同时方便地进行扩展。在第7章“原型系统在线组件的设计”中，我们将介绍面向物联网应用的Web编程。