物联网产业结构特征

感知层

1.

传感器

（1）概念/定义

国家标准GB7665-87（中国机械联合工会）的定义：传感器能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。

信通院的定义：传感器能将物理世界中的物理量、化学量、生物量转化成可供处理的数字信号。

中国传动网的定义：传感器是一种设备，可以识别电气或物理或其他数量的进度，并以确认产量进度的方式交付收益，工业自动化传感器是输入设备，可提供有关特定物理量(输入)的输出(信号)。

TEConnectivity的定义：传感器是一种用于测量压力、位置、温度或加速度等属性，并通过反馈作出反应的设备。

TE智库的定义：传感器是一种能够接收并识别被测信息的检测装置，其输出内容通常为可供处理的数字信号。传感器的输出可以用于实现多种功能，包括信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等，是现代科技中不可或缺的重要元件之一。

（2）分类

国家标准GB7665-87的分类： 

物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器、数字式传感器、模拟式传感器等47种类别，其中物理量、化学量和生物量传感器可进一步被细分。

1.2 执行器

（1）概念/定义

Modbus物联网平台的定义：执行器可以在其直接环境中起作用，以实现对其所嵌入的机器或设备的正确操作。

Firgelliauto的定义：致动器是一种设备，需要能量输入通常为电能，以某种形式输入外部信号以告知致动器要做什么，然后该设备才能致动。

艾斯湃纳的定义：执行器是将动力源和机械零件组合起来，进行机械操作的装置，比如电机（电动机）就是其中的一种。使用执行器可以自由控制在操作时施加的力和速度、角度等，因此可以说，执行器在机电一体化中发挥着核心的作用。

TE智库的定义：执行器是一种将能源转换成机械动能的装置，由控制阀和执行机构组成，接收传感器收集的数据作为输入以控制和执行物理操作。执行器可以是电机、阀门、继电器等设备，通过远程控制或自动化逻辑实现控制目标。

（2）分类

按照能源形式分类（意大利欧玛尔（OMAL.S.P.A）自控阀门公司）：

液动执行器、气动执行器和电动执行器。

根据其构造模式和其在特定物联网环境中的作用分类（Modbus物联网平台) ：

线性致动器—用于使物体或元件沿直线运动。

马达—它们使设备组件或整个物体进行精确地旋转运动。

继电器–此类别包括基于电磁的执行器，用于操作灯，加热器甚至智能汽车中的电源开关。

电磁阀—作为锁定或触发机制的一部分，在家用电器中使用最广泛，它们还充当基于IoT的煤气和水泄漏监测系统的控制器。

1.3 标签

1.3.1 二维码

（1）概念/定义

国际二维码对象标识体系（IDcode）白皮书的定义：二维码是用某种特定的几何形体按一定规律在平面（二维方向上）分布的图形来记录数据的信息技术，在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。

TE智库的定义：二维码是一种记录数据符号信息的图形码，在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形中记录数据。它是在一维条码的基础上扩展出另一维具有可读性的条码，使用黑白矩形图案表示二进制数据，被设备扫描后可获取其中所包含的信息。

（2）分类

国际主要二维码码制：

QR码、PDF417码、DM码和MC码，见图1。

中国研发的二维码码制（中关村二维码技术研究院）：

汉信码—是目前汉字编码效率最高的二维条码，且支持全部GB18030字符集汉字以及未来的扩展。具有信息容量大、密度高、抗畸变、抗污损能力强等特点。

龙贝码—一种矩阵式二维码，不仅支持双字节汉字编码，还能根据需要调整外形大小，并具有无限信息容量和自动纠错能力。

GM（GridMatrix，网格矩阵）码—一种适用于物流环境应用的矩阵式二维条码码制。GM网格码是一种正方形的二维码码制，该码制的码图由正方形宏模块组成，每个宏模块由6乘6个正方形单元模块组成。网格码可以编码存储一定量的数据并提供5个用户可选的纠错等级。

CM（CompactMatrix，紧密矩阵）条码—由矩形模块组成的矩形阵列构成,它由编码区域和功能区域组成,功能区域包括开始图形、结束图形、数据段分隔图形以及定位孔图形。

鼎九矩阵图码—一种结合了国密技术的二维码码制。

量子云码—一种基于点阵的所谓“微观微距”二维码，实际上是一种参数化后的点读笔用简易码的扩展，信息承载量少于100个字符。

各类“三维码”—一种美化后的二维码（QR）码，或者是一种二维码材质或基材相关的技术。

1.3.2 RIFD标签（Radio Frequency Identification）

（1）概念/定义

中国射频识别(RFID)技术政策白皮书的定义：射频识别技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。

RFID世界网的定义：RFID电子标签通俗叫作射频识别，由标签、解读器及数据传输、处理系统组成。

TE智库的定义：RFID电子标签是一种非接触式自动识别技术，通过射频信号传输和识别实现对物体的跟踪和管理。可以用于物流管理、库存管理、资产管理、智能交通、医疗保健、安全监控等领域。

（2）分类

中国射频识别_RFID_技术政策的分类：

按照能量供给方式的不同：有源、无源和半有源RFID标签。

按照工作频率的不同：低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波频段（MW）RFID标签。

1.3.3 NFC标签（NearFieldCommunication）

（1）概念/定义

NFC标签是被动式装置，可用来与主动式NFC装置（主动式NFC读写器）通信。

NFC电子标签是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术，其传输范围比RFID小，RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米，但由于NFC采取了独特的信号衰减技术，相对于RFID来说NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。

TE智库的定义：NFC标签是采用近场通讯技术实现非接触式点对点数据传输的一种被动式装置，可以存储任何形式的数据。用来与主动式NFC读写器通信，并应用于门禁、支付、物流、会议签到、广告宣传、智能家居等多个领域。

（2）分类：

按工作模式分类：主动模式、被动模式和双向模式。

按应用场景分类：点对点模式、读写模式和卡模拟模式。

按基本标签类型分类：

第1类标签（Tag1Type）：此类型基于ISO14443A标准。此类标签具有可读、重新写入的能力，用户可将其配置为只读。存储能力为96字节，用来存网址URL或其他小量数据富富有余。然而，内存可被扩充到2k字节。此类NFC标签的通信速度为106kbit/s。此类标签简洁，故成本效益较好，适用于许多NFC应用。

第2类标签（Tag2Type）：此类标签也是基于ISO14443A，具有可读、重新写入的能力，用户可将其配置为只读。其基本内存大小为48字节，但可被扩充到2k字节。通信速度也是106kbit/s。

第3类标签（Tag3Type）：此类标签基于SonyFeliCa体系。目前具有2k字节内存容量，数据通讯速度为212kbit/s。故此类标签较为适合较复杂的应用，尽管成本较高。

第4类标签（Tag4Type）：此类标签被定义为与ISO14443A、B标准兼容。制造时被预先设定为可读/可重写、或者只读。内存容量可达32k字节，通信速度介于106kbit/s和424kbit/s之间。

第5类标签（Tag5Type）：此类标签被定义为与iso15693标准兼容。

1.4 生物特征识别

（1）概念/定义

生物特征识别白皮书（中国电子技术标准化研究院）的定义：指为了进行身份识别而采用自动技术对个体生理特征或个人行为特点进行提取，并将这些特征或特点同数据库中已有的模板数据进行比对，从而完成身份认证识别的过程。

GB/T41786-2022的定义：利用不同人生物特征的差异进行人的身份识别的过程。

TE智库的定义：生物特征识别是一种利用计算机技术对人体固有的生理特征或行为特征进行分析和识别的技术。通过采集和处理个体的生物特征数据，如指纹、虹膜、面部特征、声音、步态等来实现个体的身份鉴定和验证，以提高安全性和便利性。

（2）分类

指纹识别、掌纹识别、人脸识别、虹膜识别、指静脉识别、掌静脉识别、声纹识别、声纹识别、笔迹识别、步态识别、姿态识别和多模态识别等。多模态识别指多生物特征融合的识别。

2 网络传输层

2.1 通信设备

（1）概念/定义

通信设备指用于传送和接收信息的设备。它们允许人们通过语音、数据、图像等方式进行沟通和交流。

也被理解为在一定地域上用以传送电波信息的通讯器材的统称。如电台发射塔、电视发射塔、收发报机、电话交换机、通讯线路、卫星通讯设备等。

TE智库的定义：通信设备是指在现代通信领域中，基于通信技术、电子技术等相关技术应用而生产的设备，用于物联网设备之间的通信和数据传输，在智能家居、工业物联网、智慧城市、农业物联网等领域都有广泛的应用。

（2）分类

中国电子技术标准化研究院的分类：

通信传输设备、通信交换设备、通信终端设备、移动通信设备、移动通信终端设备和通信设备修理其他通信设备。

2.2 无线通信模组

（1）概念/定义

无线模块是一种集成了无线通信功能的电子模块，通过无线技术实现数据的传输和通信。它通常由射频（RF）模块、基带处理器、天线和其他相关电路组成。

TE智库的定义：无线通信模块是由芯片和外围电路组成的集合，用于赋予各类物联网终端联网传输的能力。通过无线信号实现数据传输、远程控制、监控、定位和节能控制等功能，以保证设备之间的数据交互和管理。

（2）分类

常见的无线通信模组：WIFI模组、蓝牙模组、Zigbee模组、LoRa模组和NB-IoT模组。

按照不同网络类型分类：

蜂窝模块、LPWAN模块和WIFI局域模块。LPWAN主要包括NB-IoT、eMTC、LoRa（LongRange，超长距低功耗数据传输）三种制式。

2.3 网络服务

（1）概念/定义

网络服务是指在物联网中提供各种基于网络的服务和功能，包括数据传输、远程控制、数据存储、分析处理、安全保障等。网络服务通过物联网平台或云平台来实现设备和应用之间的连接和交互，为用户提供丰富的功能和服务。

（2）物联网网络服务的基本组成部分

物联网设备：包括传感器、执行器、控制器等，用于采集数据、执行操作和控制设备。

网络连接：物联网设备通过无线或有线网络连接到云平台或其他目标系统，实现数据传输和远程控制。

云平台：物联网网络服务的核心组成部分，用于管理和处理物联网设备的数据和应用程序。云平台提供设备注册、身份验证、数据存储、数据分析和应用程序部署等功能。

应用程序：物联网网络服务的最终目的是为用户提供有用的应用程序，例如远程监控、智能决策、自动化控制等。应用程序可以在云平台上部署，也可以在本地设备上运行。

安全和隐私：物联网网络服务需要提供安全和隐私保护，包括数据加密、身份验证、访问控制和隐私保护等功能。

数据分析和机器学习：物联网网络服务需要提供数据分析和机器学习功能，以从海量数据中提取有用的信息和洞察，并支持智能决策和自动化控制。

3 数据处理层

3.1 云计算服务

（1）云计算与物联网结合应用

物联网与云计算都是根据互联网的发展而衍生出来的时代产物，互联网是二者的连接纽带。物联网是把数据信息的载体扩展在实物上，物联网的目标是将实物进行智能化的管理，为了实现对海量数据的管理和计算，就要需要一个大规模的计算平台为支撑。云计算的技术能实现对海量数据管理。所以，作为这种特定的计算模式，能够实现对数据库的数据信息进行实时的动态管理和分析。将云计算应用到物联网的数据传输和数据应用中，很大程度上提高物联网的运行速度。

（2）云计算对物联网的意义

a.云计算为物联网提供了强大的计算和存储能力。物联网设备可以通过云计算平台进行数据的存储和处理，从而实现大规模的数据分析和智能决策

b.云计算可以提供可扩展的计算资源，使物联网能够应对不断增长的设备数量和数据量

c.通过云计算，物联网设备可以将数据上传到云端进行集中管理和分析。这样可以实现对设备状态的实时监控、故障诊断和预测性维护。

d云计算还可以为物联网提供安全性和隐私保护。通过云计算平台，可以对物联网设备进行身份验证、数据加密和访问控制，确保数据的安全性和隐私性

e.物联网中的云计算还可以支持远程控制和管理。通过云计算平台，用户可以远程监控和控制物联网设备，实现远程操作和管理。

总的来说，云计算在物联网中的应用可以提供强大的计算和存储能力，支持大规模数据分析和智能决策，实现设备的集中管理和远程控制，以及保障数据的安全性和隐私性。这些应用可以帮助物联网实现更高效、智能和可靠的运行。云计算技术的高可靠性和高扩展性为物联网提供了更为可靠性的服务。

（3）云计算在物联网中的应用

a.在电网方面的应用

近些年来，中国电力部门开展了电网的智能化模式，其主要目的是支持物联网时代所带来的能源转换和节省资源。智能化的电网是把新型材料、先进电力设备、新型能源和国内当下先进的科学技术一家网络管理技术有效的相结合，用以实现国内电力的相关工作工作的顺利便捷地进行，保证电力行业更好地服务于社会各个领域，促进电力行业的稳定发展。云计算与物联网的有效结合，促进了国内电力行业的协调发展，有效地辅助电力企业的数据转换业务，为电力企业提高工作和服务效率

b.在交通方面的应用

随着物联网的不断发展，物联网的理念已经转变到产业中来，物联网在交通系统中得到了广泛应用，物联网的有效应用为人们的生活出行带来了极大的便捷，尤其体现在较为繁华的城市中。智能化交通是将传感器和诸多电子信息系统综合地运用起来，并在地面上建立安全、实时、准确的交通运输系统，并通过先进的技术对交通运输系统进行全新地改造，从而形成一种自动化、智能化的交通系统

c.在家居方面的应用

智能家居本质上就是一个家用的小型物联网，通过各类传感器采集信息，并通过对采集的数据信息进行分析、反馈，进而实现相应的功能。面对即是大量数据存储、针对性地查询分析以及数据计算的问题，采用云计算服务缩减并明确了家庭网关的任务，便于家庭网关的标准化和通用性，能够接受家庭系统的实时数据，在更大范围内进行统筹安排，存储大量的数据，便于未来进行数据挖掘，从而为整个系统的优化和相关领域的发展提供支持。

3.2 数据库服务

（1）概念/定义

物联网数据库是为物联网应用而设计的数据库系统，用于存储和管理大规模物联网设备生成的数据。它具有高吞吐量、高并发性、可扩展性和实时性等特点，能够支持物联网应用对海量数据的存储、查询和分析。

（2）数据库应用对物联网的意义

a.数据库可以帮助实现物联网数据的存储、管理和分析，支持实时数据流的处理，以及实现远程控制和管理。

b.数据库可以提供可扩展的计算资源，使物联网能够应对不断增长的设备数量和数据量。

c.数据库可以提供安全性和隐私保护，对物联网设备进行身份验证、数据加密和访问控制，确保数据的安全性和隐私性。

d.数据库可以支持大量复杂的查询和事务，确保这些事务将是进程的可靠性。

（3）常见的物联网数据库

Apache IoTDB：是一体化收集、存储、管理与分析物联网时序数据的软件系统，可以满足工业物联网领域的海量数据存储、高速数据读取和复杂数据分析需求。

InfluxDB：是一个时间序列数据库，用于优化和处理时间序列数据。允许对序列进行索引，具有类似sql的查询语言、对缺失数据提供内置的线性插值、支持数据自动降采样、支持连续查询计算聚合的优点

CrateDB：是一个分布式SQL数据库管理系统，为使物联网数据工作而设计。

MongoDB-MongoDB是一个免费的、开源的、跨平台的、面向文档的数据库程序，归类为一个NoSQL数据库程序。具有无初始结构化的定义，有利于物联网数据的松散化管理，支持读写分离，以及自动主备切换以及支持数据切片，支持自动横向伸缩等优点

Cassandra：Apache Cassandra是一个免费的开源分布式NoSQL数据库管理系统，它的去中心化分布式特性非常适合物联网需求，具有持续可用性、高性能和线性扩展的特点。它可以帮助物联网应用实现高效、可靠和可扩展的数据存储和管理。

3.3 大数据处理与分析

（1）物联网数据

不同于一般通过采集的大数据，指数据采集过程中涉及多种多样的传感器和物体，具有异质性、噪声、多样性和快速增长性特点的数据。

（2）大数据分析在物联网应用的意义

由传感器、设备、社交、媒体、医疗保健应用程序、温度传感器以及各种其他软件应用程序和数字设备不断生成的结构化、非结构化或半结构化数据的数据量正在持续增长。此大规模的数据产生了“物联网大数据”。物联网中的大数据分析实时处理大量数据，并将数据存储在各种存储技术中，以允许企业和组织快速观察、快速决策，并与人和其他设备进行交互。

（3）大数据与物联网之间的关系

物联网和大数据之间的关系如图2所示，可以分为三个步骤来实现物联网数据的管理。第一步为管理物联网数据源，其中连接的传感器设备通过应用程序来实现交互。例如，诸如CCTV摄像机、智能交通灯和智能家居设备之类的设备的交互，产生了大量不同格式的数据源，这些数据可以存储在云上。在第二步中，生成的数据称为“大数据”，之所以叫做“大数据”，这是因为它们的速度、容量和多类型。海量的数据共享在分布式可容错的数据库中。最后一步是应用分析工具，如MapReduce，Spark，Splunk和Skytree，上述工具可以分析存储的物联网数据集。4个层级的分析从训练数据开始，然后转向至分析工具，查询和报告。

4 应用与服务层

4.1 物联网解决方案

（1）概念/定义

物联网解决方案是指基于物联网技术和平台构建的综合性解决方案，通过整合传感器、通信网络、数据存储与处理、应用系统等关键技术要素，实现设备之间的互联互通，数据的采集、传输、存储和分析，以及应用系统的开发和应用，从而实现智能感知、智能控制、智能决策等功能，为各行业和领域提供全面的数据采集、信息传递、智能决策和服务支持。

（2）常见的物联网解决方案

智能家居解决方案：智能家居解决方案旨在实现家庭设备的互联互通，例如智能灯光、智能门锁、智能家电等。常见的智能家居解决方案及供应商包括米家智能家居、Google Home、Apple HomeKit等。

工业自动化解决方案：工业自动化解决方案旨在提高生产效率和质量，减少人力成本和故障率。常见的工业自动化解决方案及供应商包括ABB Ability、Siemens MindSphere、GE Predix等。

智能交通解决方案：智能交通解决方案旨在提高交通效率和安全性，减少交通拥堵和事故率。常见的智能交通解决方案及供应商包括华为智慧交通、阿里云智能交通、百度智能交通等。

智能医疗解决方案：智能医疗解决方案旨在提高医疗效率和质量，减少医疗成本和误诊率。常见的智能医疗解决方案及供应商包括华为医疗物联网解决方案、GE Healthcare、Philips Healthcare、Siemens Healthineers等。

智能农业解决方案：智能农业解决方案旨在提高农业生产效率和质量，减少资源浪费和环境污染。常见的智能农业解决方案及供应商包括IBM Watson Agriculture、SenseTime农业、阿里云智慧农业等。

4.2 垂直行业应用

（1）概念/定义

垂直行业应用是指针对特定行业需求而设计和开发的物联网解决方案。

（2）不同行业应用物联网的一些实例

智能家居：包括智能照明、智能插座和智能音箱等物联网应用。

工业物联网：包括智能机器人、智能包装管理、工业自动化和预测性维护等物联网应用。

智能交通物联网：包括智能公交、共享自行车、车联网、充电桩、智能红绿灯和智慧停车等物联网应用。

智慧物流：主要包括仓储管理、运输管理和配送管理三个方面的典型应用。

医疗健康行业：物联网可用于远程监控病人、跟踪医疗设备和管理库存，如公共卫生服务、智慧医院服务和居家健康服务等医疗健康物联网应用。

4.3 设备和服务集成

（1）概念/定义

设备和服务集成是将各种物联网设备、传感器、云平台、软件应用等组合在一起，通过数据交互、协调和控制，实现设备之间的互联互通，以及与用户的交互和服务提供。

（2）物联网设备和服务集成的产品应用

智能家居：包括智能照明、智能插座和智能音箱等物联网应用。

工业物联网：包括智能机器人、智能包装管理、工业自动化和预测性维护等物联网应用。

智能交通物联网：包括智能公交、共享自行车、车联网、充电桩、智能红绿灯和智慧停车等物联网应用

智慧物流：主要包括仓储管理、运输管理和配送管理三个方面的典型应用。

医疗健康行业：物联网可用于远程监控病人、跟踪医疗设备和管理库存，如公共卫生服务、智慧医院服务和居家健康服务等医疗健康物联网应用。