何立民

（北京航空航天大學(xué)，北京100191）

引 言

物聯(lián)網(wǎng)是跨學(xué)科、無限時空領(lǐng)域的一個大科技概念，物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)事件分別是這個大科技的三個概念層次，即學(xué)術(shù)層、應(yīng)用層、行為層。不同概念層次有不同的內(nèi)涵、發(fā)展規(guī)律與任務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也有三個層次，即應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層。

1 一般事物的三個概念層次

一般事物都有三個概念層次，即學(xué)術(shù)層、應(yīng)用層與行為層。學(xué)術(shù)層是事物的一般概念，由眾多相關(guān)事物個體歸納出的抽象概念；應(yīng)用層是一般事物的應(yīng)用概念、具體概念；行為層是具體事物應(yīng)用中的各種應(yīng)用行為。每個概念層次都有明確的界面。學(xué)術(shù)層是客觀事物共性的最大集合，有無限的外延；應(yīng)用層是應(yīng)用狀態(tài)下的客觀事物，有無限的應(yīng)用領(lǐng)域與有限的應(yīng)用狀態(tài)；行為層是應(yīng)用狀態(tài)下的具體行為。

以植物中的水果為例，“水果”是眾多多汁、可食、對身體有益的相關(guān)植物果實中抽象出的一個學(xué)術(shù)層概念；“吃水果”、“水果種植”、“水果加工”是“水果”的應(yīng)用層概念；“水果種植”中的育苗、栽種、施肥、除蟲、修枝、澆水、季節(jié)管理、收獲等行為，則是水果應(yīng)用中的行為層概念。

“水果”的學(xué)術(shù)層是無限多種具體水果的最大概念集合?！八睂W(xué)術(shù)層研究的是水果的一般性問題，植物學(xué)家研究水果的地理分布，營養(yǎng)學(xué)家研究水果的營養(yǎng)成分，水果產(chǎn)業(yè)部門從事水果種植、加工、營銷等，都局限在水果共性基礎(chǔ)上的研究與探討。當人們在學(xué)術(shù)層中進一步深化時，便進入到應(yīng)用層，進入到一個個具體的應(yīng)用對象。某個植物學(xué)家研究的是某個特定水果的地理分布，某個營養(yǎng)學(xué)家研究的是某個特定水果的營養(yǎng)成分，每一個水果產(chǎn)業(yè)部門都從事特定的水果種植、加工、營銷。應(yīng)用層中的每個具體的應(yīng)用都由特定的行為組成，例如，水果應(yīng)用層中的水果種植，包括育苗、栽種、施肥、除蟲、修枝、澆水、季節(jié)管理、收獲等行為。

由此，可以看出，人們在研究客觀事物時，首先要弄清該事物的概念層次，不同概念層次有不同的規(guī)律與不同的研究任務(wù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)的三個概念層次

“物聯(lián)網(wǎng)”有三個概念層次，即物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)術(shù)層、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用層、物聯(lián)網(wǎng)事件的行為層。這樣一來，我們可以了解不同概念層次中的規(guī)律、知識內(nèi)涵與研究任務(wù)。

從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的專家最容易理解物聯(lián)網(wǎng)的三個概念層次，因為它們研究對象都是一個個具體的物聯(lián)系統(tǒng)，即一個個可以接入互聯(lián)網(wǎng)的局域物聯(lián)系統(tǒng)，如智能家居、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、校園局域網(wǎng)、現(xiàn)場總線局域網(wǎng)、汽車電子系統(tǒng)等。物聯(lián)網(wǎng)就是從一個個具體的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)抽象出的一般化的學(xué)術(shù)層概念。這也可以解釋為什么一夜之間便出現(xiàn)了眾多的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)實驗室，一夜之間智能家居便成為物聯(lián)網(wǎng)家居，這都是物聯(lián)網(wǎng)時代里嵌入式系統(tǒng)專業(yè)、嵌入式系統(tǒng)實驗室、嵌入式系統(tǒng)局域網(wǎng)的華麗轉(zhuǎn)身。

“物聯(lián)網(wǎng)”是一個巨大的科技概念，涵蓋了眾多的學(xué)科與ⅠT產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，如微電子學(xué)科的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、計算機學(xué)科的軟件產(chǎn)業(yè)、電子技術(shù)學(xué)科的硬件產(chǎn)業(yè)、通信學(xué)科的信息產(chǎn)業(yè)等。因此，在物聯(lián)網(wǎng)學(xué)術(shù)層研究中應(yīng)突出這些學(xué)科的地位與作用，在構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時，則需要大量綜合學(xué)科的復(fù)合型人才。

3 物聯(lián)網(wǎng)學(xué)術(shù)層的目標任務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)是涵蓋多個學(xué)科的復(fù)合學(xué)科技術(shù)。從單學(xué)科到復(fù)合學(xué)科是知識經(jīng)濟時代眾多科技發(fā)展的重要特征。這一變化起源于集成電路時代微電子學(xué)科與計算機學(xué)科的融合。繼而在網(wǎng)絡(luò)計算機、嵌入式系統(tǒng)時代匯入了電子技術(shù)學(xué)科、對象學(xué)科、信息學(xué)科，從而在物聯(lián)網(wǎng)時代形成了微電子學(xué)科、計算機學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科、信息學(xué)科與對象學(xué)科交叉融合的大學(xué)科局面。物聯(lián)網(wǎng)學(xué)術(shù)層面的目標任務(wù)是物聯(lián)網(wǎng)的深層研究、學(xué)科建設(shè)與全面的人才培養(yǎng)規(guī)劃。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)的深層研究

物聯(lián)網(wǎng)中的每個相關(guān)學(xué)科都是強勢學(xué)科，都有悠久的歷史與獨立的技術(shù)內(nèi)涵，很難有專家能同時通曉各個學(xué)科的奧秘。每個學(xué)科最終融入物聯(lián)網(wǎng)的大科技中，都有其必然性與發(fā)展規(guī)律，每個學(xué)科專家都要從本學(xué)科出發(fā)，研究物聯(lián)網(wǎng)的科技發(fā)展史，以及它在物聯(lián)網(wǎng)中的地位與作用。

每個專家對物聯(lián)網(wǎng)的理解都帶有本學(xué)科的深深烙印，都會產(chǎn)生片面性，猶如瞎子摸象。拋卻瞎子摸象的貶義童話內(nèi)容，把大象看成是物聯(lián)網(wǎng)，眾多“瞎子”是各個學(xué)科的專家，每個“瞎子”摸到的部分都是真實可靠的事物，綜合起來便是一個完整的大象形象。目前，物聯(lián)網(wǎng)不乏學(xué)科視角，缺乏的是多學(xué)科的綜合視角，只有在這些綜合視角的基礎(chǔ)上才能建立起新的物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科，全面地培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)大科技中，每個相關(guān)學(xué)科都是強勢學(xué)科，都會以自己的視角來詮釋它，如果每個學(xué)科只強調(diào)本學(xué)科的視角，便會產(chǎn)生認識上的偏見，不利于物聯(lián)網(wǎng)全面、健康的發(fā)展。統(tǒng)一認識的最好辦法，是創(chuàng)造新的綜合學(xué)科，物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科建設(shè)勢在必行。在科技史上，最早出現(xiàn)的都是單學(xué)科，如數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)，后來出現(xiàn)了新的分支學(xué)科，如物理學(xué)中的核物理學(xué)、固體物理學(xué)、微電子學(xué)，數(shù)學(xué)中的理論數(shù)學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、統(tǒng)計數(shù)學(xué)等。嵌入式系統(tǒng)則是綜合了多個學(xué)科（如微電子學(xué)科、計算機學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科與對象學(xué)科）的新科技，于是在高校中出現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的相關(guān)專業(yè)，擔(dān)負起嵌入式系統(tǒng)的學(xué)科建設(shè)。如今，物聯(lián)網(wǎng)時代，也面臨相似的學(xué)科建設(shè)問題。

為了實現(xiàn)零重力補償，首先需要計算出所需提供的平衡力。在壓縮狀態(tài)時，伸桿的長度為0.459 m；在完全展開狀態(tài)時，伸桿呈錐形，長度為4.15 m，小端直徑為φ18.9 mm，大端直徑為φ26.5 mm。伸桿的總質(zhì)量為0.75kg，在完全展開時其質(zhì)量均勻分布且在伸出過程中其錐度保持不變；伸出端的配重為0.5kg。當不考慮伸出端的配重時，伸桿伸出一段以及若干段的受力情況分別如圖4與圖5所示。

物聯(lián)網(wǎng)既不是炒作，也不是一個流星式的科技現(xiàn)象，物聯(lián)網(wǎng)會深遠地影響人類的社會生活，也是云計算軟件服務(wù)的平臺。相對于單學(xué)科、分支學(xué)科，嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)這種綜合性學(xué)科建設(shè)會有空前的難度，因為其中的每個學(xué)科都是不易介入的強勢學(xué)科，嵌入式系統(tǒng)學(xué)科、物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科建設(shè)不可能一蹴而就。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)人才建設(shè)

物聯(lián)網(wǎng)帶有濃重的綜合學(xué)科色彩。物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科研究的是相關(guān)學(xué)科的共性問題，不會削弱相關(guān)學(xué)科，是眾學(xué)科在同一目標下的科技合作。因此，物聯(lián)網(wǎng)人才會成為具有各個學(xué)科特點的專業(yè)人才。目前，計算機專業(yè)、電子技術(shù)專業(yè)都有相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，所有的工程專業(yè)也要求有通曉物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的人才。物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有全面的人才需求，這些人才有相應(yīng)的學(xué)科基礎(chǔ)，從不同的角度推動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

隨著集成電路系統(tǒng)集成技術(shù)、電子系統(tǒng)模塊化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子技術(shù)也許會進入到一個后硬件時代，屆時，物聯(lián)網(wǎng)硬件技術(shù)人才需求會急劇萎縮，軟件人才需求會大幅度增長。

4 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

所有物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用都體現(xiàn)在應(yīng)用層的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)（簡稱物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)）中。

物聯(lián)網(wǎng)有無限大的應(yīng)用領(lǐng)域，然而，物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用都體現(xiàn)在一個個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有三個層次，即應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層與物理層；物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本特點是“三化兩性”，即無人化、自動化、智慧化、實時性與無限性。

4.1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，經(jīng)常會提到智能家居、智慧樓宇、城市智能交管系統(tǒng)、物聯(lián)超市、交通票務(wù)系統(tǒng)等。將居室中的一個個家用電器、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等連接起來，形成一個局域物聯(lián)系統(tǒng)，然后與互聯(lián)網(wǎng)連通，便形成了物聯(lián)網(wǎng)智能家居。居室主人可以通過智能手機了解與控制家居中家用電器的狀態(tài)，出現(xiàn)安全事故可以迅速報警并告知主人，從而實現(xiàn)安全控制。城市智能交管系統(tǒng)中的交通違章子系統(tǒng)，是通過局域物聯(lián)系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)方式，將道路監(jiān)控系統(tǒng)、汽車電子系統(tǒng)、駕駛員、交通違章管理中心等連在一起構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)超市是由商品、智能購物小車、顧客、門禁系統(tǒng)、安保系統(tǒng)、管理中心等組成的一個智能化超市購物環(huán)境。

可以看出，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是在有限環(huán)境中的一個應(yīng)用系統(tǒng)。通常，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中與真實世界物理對象相連的是局域物聯(lián)網(wǎng)，要實現(xiàn)無限時空、無限通達的信息交互則依靠互聯(lián)網(wǎng)。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三個層次

在談及物聯(lián)網(wǎng)時，不少專家都給出了應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層這三個層次概念。由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的千差萬別，這種分層概念很難具體化成應(yīng)用中的概念。在物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用中，可以在眾多的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，抽象出應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層與物理層的三個層次結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用層確定物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能、服務(wù)要求，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建時確定的任務(wù)與目標；網(wǎng)絡(luò)層是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，包括局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的分工、布局、協(xié)調(diào)與鏈接設(shè)計；物理層則是與物理對象連接、交互的底層環(huán)境，實現(xiàn)系統(tǒng)中所有物理對象（包括服務(wù)對象在內(nèi)）的感知、控制與信息交互。

物聯(lián)網(wǎng)中，有無限多個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中還有子系統(tǒng)，如城市交管系統(tǒng)中的車輛違章管理、道路交通管理、車輛交易管理子系統(tǒng)，它們各不相同，但都有相應(yīng)的三個層次結(jié)構(gòu)。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本特點

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、應(yīng)用特點，可抽象出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本特點。這些特點是無人化、自動化、智慧化、實時性與無限性，也是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的品質(zhì)指標。

無人化是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)最基本的特點。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中只有服務(wù)對象，沒有服務(wù)人員。服務(wù)對象在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實現(xiàn)自助服務(wù)或自動服務(wù)。僅有的服務(wù)人員是系統(tǒng)外的安全監(jiān)視與安全控制人員。因此，無人化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)還應(yīng)有可外部介入的感知與控制的安保界面。

自動化體現(xiàn)為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的自動服務(wù)特征。早期自動化多為工業(yè)自動化、自動生產(chǎn)線的自動化機構(gòu)，而物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的自動化是服務(wù)行為的自動化。當服務(wù)對象啟動了服務(wù)內(nèi)容后，便會出現(xiàn)一個個完整的自動服務(wù)行為進程。

智慧化是指物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的所有節(jié)點、終端都內(nèi)含有微處理器。這一特性導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能的可無限擴展性與以軟件為中心的無限智慧服務(wù)。

實時性是物聯(lián)狀態(tài)下物理對象的實時交互要求。物聯(lián)網(wǎng)家居中出現(xiàn)火警必須立即報警；智能交管中高速公路收費必須在車輛移動瞬間完成；物聯(lián)網(wǎng)超市中顧客確認選購貨品結(jié)束時，應(yīng)立即結(jié)算貨款并告知顧客。

無限性是由互聯(lián)網(wǎng)無限交互特性所決定的。無限時空、無限通達的互聯(lián)網(wǎng)，使人們可以在任何時間、地點進入任何一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的進入只受“權(quán)力身份”認證的限制。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的無限性打破了服務(wù)業(yè)的時空障礙，以及服務(wù)崗位的地理障礙。第三世界的百姓，可以在本國從事第一世界國家中的服務(wù)崗位工作。

5 物聯(lián)網(wǎng)行為層的事件行為元素

物聯(lián)網(wǎng)行為層的事件行為，是指物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在應(yīng)用中出現(xiàn)的服務(wù)行為。例如物聯(lián)網(wǎng)超市中顧客的認證進入，商品的查詢、挑選、結(jié)算、交易，以及確認放行等；貨品部門的物流、倉儲、標識、動態(tài)查詢等；安保部門的安全監(jiān)控、記錄、提示、報警等。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)都體現(xiàn)在諸多的、可不斷擴展的事件行為中。

不同的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有不同的事件行為，我們可以從形形色色的事件行為中抽象出典型事件行為元素，這些事件行為元素有物儲、物信、物感、物控、物互、物管等。

物儲、物信是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中物理對象與物理信息的數(shù)據(jù)庫建設(shè)，以及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中事件行為的動態(tài)信息管理。例如，物聯(lián)網(wǎng)超市中物流子系統(tǒng)的商品與商品信息數(shù)據(jù)庫，以及超市營銷中商品數(shù)據(jù)動態(tài)變化的監(jiān)管；智能城市交管車輛違章管理子系統(tǒng)中，車輛、駕駛員、監(jiān)視器等對象與對象信息的數(shù)據(jù)庫，以及違章事件的數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新等。

物感、物控、物互、物管則是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)過程中的實時行為。

物感是對物理對象物理信息的感知，包括行為感知、信息感知。門禁的身份認證、商品的RFⅠD讀取是信息感知；對于車輛違章事件，除了違章信息感知外，更重要的是對物理對象行為過程的行為感知。

物控是對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中物理對象的控制。例如，物聯(lián)網(wǎng)家居失火時啟動報警設(shè)備；智能交管系統(tǒng)中，對被盜車輛實施警告，對駕駛系統(tǒng)、動力系統(tǒng)實施控制；高速公路繳費后放行控制等。通常，物控有很強的實時性要求。

物互是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中物理對象間的交互行為。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中有許多事件行為都是相關(guān)物理對象間的自交互行為。如物聯(lián)網(wǎng)超市中，顧客從商品標簽與智能手機的交互中了解商品信息：商品放入購物小車后，在商品與小車的交互中完成商品識別、計價以及最終的貨款結(jié)算；在小車與智能手機的交互后，向顧客顯示交易清單；在門禁系統(tǒng)與購物小車、智能手機的交互中確定購物結(jié)束并放行等。

物管是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行的管理系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運行實現(xiàn)全面的監(jiān)管、調(diào)度與控制。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所有監(jiān)管行為都是自動進行的。為了保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全與可靠運行，必須有可開放的界面，以便從外部監(jiān)視系統(tǒng)運行是否正常、安全可靠。

6 本篇小結(jié)

① 物聯(lián)網(wǎng)有兩個不同的摡念層次，一個是大科技的概念層次，一個是應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)層次。大科技的三個概念層次是物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)術(shù)層、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用層與物聯(lián)網(wǎng)事件的行為層；應(yīng)用中的三個結(jié)構(gòu)層次是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層與物理層。

② 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本特點是無人化、自動化、智慧化、實時性與無限性。

③ 在未來無人化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，智能手機是服務(wù)對象與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)交互的重要手段，也是在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)障礙時，服務(wù)對象與外部交互的唯一手段。

［1］何立民.從資本經(jīng)濟到知識經(jīng)濟［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［2］何立民.從嵌入式系統(tǒng)看現(xiàn)代計算機產(chǎn)業(yè)革命［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（1）.

［3］何立民.從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（10）.

［4］何立民.物聯(lián)網(wǎng)時代的嵌入式系統(tǒng)機遇［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（3）.