揭秘：物联网原理、实践与解决方案

揭秘：物联网原理、实践与解决方案（清华开发者书库）不仅是斯坦福大学、清华大学课程参考教材，而且被通用电气首席执行官Bill Ruh、SAS首席执行官James Goodnight、AGCO总裁兼首席执行官Martin Richenhagen、塔塔通信集团首席执行官Vinata Kumar、Hortonworks首席执行官Rob Bearden、United Rentals副总裁Helge Jacobsen、Global Channel Pitney Bowes副总裁Mark Taylor、Atomiton总裁Jane Ren、HMI Capital创始人Mick Hellman等知名企业领导列为员工必读图书！配套不断更新的视频课程，可见书中说明。 

揭秘：物联网原理、实践与解决方案（清华开发者书库）从软件工业的角度，系统论述了物联网技术及其实现方案。本书共分两部分，*部分（*章至第十三章）介绍了物联网的原理与实践。本部分首先介绍了物联网的整体架构，然后依次介绍了物联网的五项基本要素——设备、连接、采集、学习和应用。对于这五个要素，均给出了相应的实践内容，包括能源、农业、医疗保健和交通方面的具体案例。
第二部分（第十四章至第二十九章）介绍了物联网的解决方案。各章分别给出了物流、交通、工业、矿业、农业、医疗、建筑、能源等领域的解决方案。这些方案均是基于前述五项基本要素来构建，便于读者深入理解物联网的架构，起到抛砖引玉的作用。
本书适合作为广大企业管理者、政府人员、物联网及其设备的研发人员参考阅读，也可供高等学校物联网专业的本科生及研究生学习使用。

周晨光（Timothy Chou）博士是一位拥有丰富经验的管理者，从业范围涵盖大型跨国公司、初创企业和高等教育领域。他曾在甲骨文公司担任总裁职务，负责Oracle On Demand业务，他也是早就开始注重和发展互联网云业务的Oracle高层领导。目前，周博士担任Blackbaud和Teradata两家公司的董事会成员。在初创企业投资方面，周博士从KPCB投资的创业公司Tandem Computers开始自己的投资生涯。他也曾经投资过许多其他创业公司（如WebEx），这些公司先后被卖给思科、甲骨文等公司。近，周博士担任Alchemist加速器的主席，专注于工业物联网，并投资了一批初创公司。在教育领域，周博士从1982年起在斯坦福大学授课，长期讲授“计算机架构”课程，并在斯坦福大学开创了门云计算课程。 2010年，他在清华大学开办了云计算课程。另外，周博士长期在全球各地发表主旨演讲，是公认的软件业领导者。

 

 

 

目录

赞誉1

 

译者序7

 

序言9

 

前言11

 

致谢15

 

视频课程17

 

 

部分原理与实践

 

一概述——原理与实践

 

1. 经济学

 

2. 物联网不同于人联网

 

3. 下一代企业软件

 

4. 物联网

 

二物联网架构

 

1. 物联网架构

 

2. 机器生产公司

 

3. 非机器生产公司

 

4. 工业

 

5. 总结

 

三设备的原理

 

1. 传感器

 

2. 计算机结构

 

3. 软件

 

4. 安全

 

5. 封装

 

四实践中的设备

 

1. 风力发电机

 

2. 农业机械

 

3. 临床血液分析仪

 

4. 高容量邮件插入器

 

5. 机车

 

6. 建筑设备

 

7. 未来展望

 

五连接的原理

 

1. 网络基础

 

2. 数据链路层

 

3. 传输距离与功耗的关系

 

4. 传输距离与传输速率的关系

 

5. 应用层

 

6. 网络安全

 

六实践中的连接

 

1. ZigBee

 

2. WiFi

 

3. LoRaWAN

 

4. 卫星

 

5. 蜂窝网络

 

6. 防火墙

 

7. 未来展望

 

七采集的原理

 

1. SQL RDBM

 

2. NoSQL

 

3. 时间序列

 

4. 异构数据

 

5. 云计算

 

八实践中的采集

 

1. 建筑

 

2. 水务

 

3. 电力

 

4. 医疗

 

5. 金融服务

 

6. 未来展望

 

九学习的原理

 

1. 数据库查询

 

2. 预测

 

3. 异常检测

 

4. 聚类

 

5. 动态机器学习

 

6. 学习的生命周期

 

十实践中的学习

 

1. 油气

 

2. 运输

 

3. 电力

 

4. 医疗

 

5. 未来展望

 

十一应用的原理

 

1. 企业应用程序

 

2. 中间件

 

3. 精密机械： 提高服务质量

 

4. 精密机械： 降低服务成本

 

5. 精密机械： 新的商业模式

 

6. 精准服务

 

7. 机器数据与属性数据

 

8. 精准服务： 降低耗材成本

 

9. 精准服务： 更高质量的产品或服务

 

10. 精准服务： 改善健康

 

11. 精准服务： 提高安全性

 

12. 总结

 

十二实践中的应用

 

1. 精密机械

 

2. 精准服务业

 

3. 封装的IoP应用程序

 

4. 下一代中间件

 

十三总结——原理和实践

 

第二部分解
决 方 案

 

十四概述——解决方案

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

十五精准邮递

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

十六精准列车

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

十七精准矿业

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

十八精准基因测序

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

十九精准农业

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

二十精准建筑

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

二十一精准施工

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

二十二精准医疗

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

二十三精准石油和天然气

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

二十四精准电网

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

二十五精准农业

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

二十六精准水务

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

二十七精准冷却塔

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

二十八精准赛车控制

 

1. 设备

 

2. 连接

 

3. 采集

 

4. 学习

 

5. 应用

 

二十九解决方案总结

 

服务经济

 

 

 

 

前言

在笔者的工作生涯中有过许许多多的好机会。比如说，曾经有机会为批Kleiner Perkins Caufield&Byers初创公司工作； 在Tandem Computers为甲骨文公司开发了云计算业务； 在斯坦福大学教了快35年书。15年前，笔者写了《软件的终结》指出了企业软件被云服务所替代的经济学原因。在那本书中，列出了三个年轻的公司作为例子，其中的两个——NetSuite和Salesforce，日后都成为行业巨头。

所有的这些都让笔者越发的好奇——企业软件的下一步发展是什么？我们已经做到了吗？商业已经成熟了吗？答案是否定的。那么接下来该怎么做呢？

笔者也有幸和一些大公司合作过，比如通用电气公司——它是工业互联网的先驱。这些经历以及笔者与在斯坦福遇到的一些很有远见的学生的交流使笔者意识到，在过去的25年里，我们已经做了一些人联网（Internet of People）的应用。下一步就是对于物联网的应用和开发了。

为什么这么说呢？迄今为止，许多商业计算行为都着眼于后勤、财务核算的相关功能——采购、招聘、营利以及会计结算。我们已经构建了可以让这些流程自动化的软件，而对于那些认为这样效率不高的人，这很大程度上是一个已经被解决了的问题。利用CRM或ERP软件对于执行效率的提高是很好的，但是却很难被迁移。仅仅是在零售业（比如亚马逊）和银行业（例如eTrade和PayPal），软件才改变了商业模式。

地球的基础要素一直是电力、水、交通、医疗和农业，但这可能会在未来发生改变。由于云计算的经济性，大量开源软件的出现和传感器成本的下降，我们不仅能够对风力涡轮机、卡车和火车的制造商进行数字化变革，而且能够对相关行业，如医疗、采矿、农业进行数字化变革。我们可以用有限的资源走更远的距离，并且可以让机器进行更准确的操作，由此让地球变为一颗更精准的星球，生活在其中的我们生产和消耗能量、水、食物和医疗的方式并非原始人的方式，而是能使用高科技的现代人的方式。

为什么要写本书

个原因是，了解一门学科好的办法就是向别人解释它。笔者仍在学习，但笔者认为可以帮助您了解物联网技术的基本架构，以及这些技术是如何帮助到机器制造商及其服务的行业用户的。

非比喻

本书不是比喻性的。
当我只是谈到这项技术将如何改变地球时，我们的重点将放在实践上。我们将试着解释所有的名词并在书中使用它们，以便您可以与其他领域内的人交谈。本书的读者是需要了解技术的商业人士，以及在医疗、农业、交通和能源领域需要物联网入门知识的技术人员。

不仅仅是事实

虽然会有大量的具体事实，但也有必要先了解一些在物联网应用方面领先的人物，并了解他们的一些故事。在一个快速发展的行业，很重要的一点是要了解其他人做了什么。

不以技术供应商为中心

本书没有从一个供应商的角度讲述故事。我们创建的是一个供应商中立的框架，读者会看到其中有成千上万的公司贡献了自己的力量。

不分散

正如您将看到的，物联网应用程序可能很复杂且跨越许多领域。本书没有深入关注一个特定领域（例如连接事物），而是提供了一个完整的架构。

本书对于学生、年轻人和老人都适合。笔者在斯坦福大学教书，但也在麻省理工学院、哥伦比亚大学、西北大学和加州大学伯克利分校做客座讲座。
当笔者和这些学生交谈时，笔者发现这群学生对建立下一个社交网络或交友网站不感兴趣，而是想把他们的才能用于更大的事情。

正如我们稍后将更详细讨论的，世界发展中的经济体，如东南亚、拉丁美洲和非洲，将随着人口的增长而促进全球经济发展，但也需要电力、水务、医疗保健和农业方面的基础设施。您认为在未来会是现有的方式，还是技术会改变这个局面？

五
连接的原理

五连接的原理设备间的连接需要很多种技术基础： 传输的数据量、设备连接的距离以及能提供的能量。此外，必须更深层次地考虑如何管理、保护连接和确保其安全。本章会提供连接机器的简短教程以及一些基本原理。如果读者从事网络方面的工作，可以跳过本章。1. 网络基础如果读者熟悉网络，那肯定了解OSI堆栈。开放系统互联(OSI)堆栈是描述电信或计算系统通信功能特征和标准的概念模型，不依赖于具体实现的内部结构和采用的技术。其目的是支持相同标准协议的不同通信系统之间的互操作。该模型将通信系统分割成抽象的层次，原始模型定义了七层结构（见图5.1）。

图5.1OSI模型

每一层在向上层提供服务的同时也接受来自下层的服务。例如，通过网络提供无差错通信的层为它上面的应用程序提供需要的路径，而它调用下一个较低层来发送和接收包括路径内容在内的数据包。此堆栈是一个有用的框架，来说明从纯电平的物理层级到应用层级的所有不同层级中的连接。本章将着重在数据链路层级和更高级别的应用层级。2. 数据链路层数据链路层提供节点到节点的数据传送，也即两个直接连接节点间的数据的传输。它检测并尝试纠正在物理层可能出现的错误。它定义了两个物理连接设备之间的连接建立和终止相关的协议，并定义其流控制的协议。数据链路层负责控制网络中的设备接收数据和发送数据的权限。它也负责识别和封装网络层协议以及控制错误校验和包之间的同步，包括以太网、WiFi和ZigBee在内的连接技术都在数据链路层进行操作。3. 传输距离与功耗的关系因为位置或其他原因，在有些情况下可能需要用无线技术把设备物理连接到互联网。无线技术有很多种选择，如WiFi、3G、4G、ZigBee、NFC、LoRaWan、卫星等。选择哪种策略取决于几个相关的基本原则： 功耗、传输距离要求、数据传输速率、成本、天线的规模和环境。图5.2比较四个不同连接技术的传输距离和功率消耗。无线网具有30~100米的传输距离，需要比蓝牙(具有10米的传输距离)或NFC(传输距离小于0.1米)大得多的功耗。很多人都知道，如果想节省手机电量的话，需要关闭WiFi。

图5.2传输距离与耗能对比图

无线信号会以距离的平方衰减。换句话说，如果需要加倍的传输距离，则会要求增加四倍的功率，这意味着需要更大的电池。一些应用可能可以在封闭、专有的无线网络中进行操作。举例说，McCrometer水传感器使用的是已分配给该类型通信的560~480Mhz的频带。农场或水区可以从FCC购买使用部分频谱，有效期为10年，涵盖了20英里1英里约等于1.6千米。半径的应用许可证。在该频率下，UHF能够根据地形情况实现1~12英里之间的通信。