物聯網智能終端技術研究

魏穎琪，林瑋平，李 穎

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

在2015年的美國消費電子展（CES）中，美國電子消費品制造商協會首席經濟學家Shawn G Dubravac博士在演講中提出：數字世界未來有四大趨勢，一是物理空間的數字化，二是邏輯的滲透，三是“我的互聯網”，四是碎片化的創新。物理空間形成數據，數據處理又影響物理空間，分析行為—形成數據—帶來改變—分析行為，形成循環，所以本屆CES會讓大家看到更智能化的技術，如智能化的空氣通風系統、管理寵物的App、智能手表等。身處數字化的物理空間，便會形成“我的互聯網”，智能聯網汽車、智能手環等可穿戴設備將使個人數據比PC和智能手機時代大大增加；智能化與生活的方方面面結合，也帶來許多“碎片化創新”的機會[1]。

2 物聯網智能終端的特點

目前在業界得到廣泛認可的物聯網3層架構，從下到上依次是感知層、網絡層和應用層，如圖1所示。

物聯網智能終端位于物聯網的感知層。物聯網中的感知層包括傳感器等數據采集設備以及數據接入網關之前的傳感器網絡，如RFID標簽和用來識別RFID信息的掃描儀、視頻采集的攝像頭、各種傳感器以及由短距離傳輸技術組成的無線傳感網。環境監控是典型的物聯網，在不同的地理位置部署相應的傳感器設備，這些設備采集原始數據，并通過網絡將數據傳遞到處理中心，這些傳感器設備并不能稱為智能終端。因此，雖然物聯網智能終端位于感知層，但并非所有的位于感知層的終端都是智能終端。

如何界定物聯網終端是否屬于物聯網智能終端，可以參照功能手機和智能手機的區分。功能手機只具備基帶處理器（base-band processor，BP），而智能手機則同時具有基帶處理器和應用處理器 （application processor，AP），并在AP的基礎上逐步演化為系統級芯片 （system on chip，SoC），SoC通常集成圖形芯片、BP、AP和存儲器，為智能手機提供單芯片的解決方案。隨著手機中加入應用處理器，功能手機演變為智能手機，移動通信演變為移動計算，從滿足用戶的通信需求演變為為用戶創造各類價值和滿足用戶各種類型的需求。

同樣地，物聯網智能終端不僅具備感知能力，還需要具備強大的計算能力，能夠對信息進行收集、處理、分析和控制。物聯網智能終端具備以下特點。

·具有感知現實世界的傳感器。

·硬件上具有應用處理器或者系統級芯片，提供強大計算能力，這是“智能”的基礎。

·軟件上具有先進的操作系統，提供SDK（軟件工具開發包），開發者利用API進行創新，實現特定的使用場景，這是“智能”的具體實現。

·具有聯網功能，進一步利用云計算能力，突破單設備處理能力的局限，同時將多個物聯網智能終端聯網進行大數據分析，這是“智能”的進一步擴展。

物聯網智能終端炒作熱度正在不斷提升，各大科技公司都積極在物聯網領域圈地，為的是在物聯網產品大爆發之前確立自己的優勢。

3 物聯網智能終端現狀

物聯網是繼移動智能手機后的新一波創新浪潮，現階段具備以下條件，使物聯網智能終端從炒作階段邁入產品階段：

·無處不在的高速無線接入（Wi-Fi、3G/4G、藍牙、紅外、NFC 等）；

·運營商的移動網絡接入資費允許移動終端長期在線；

·移動操作系統（平臺）的競爭使得平臺成為創新的源泉；

·移動手機的巨大銷量和激烈競爭帶來了器件的快速發展和創新，促使硬件規格提升而成本下降；

·云技術提供了容量更大并可持續擴容的服務處理能力；

·應用生態的形成帶來更多優秀的開發者工具，開發工作模塊化、創業成本下降；

·人們對新的社交關系網絡和信息透明化的接納；

·新互聯網經濟中針對消費者的新營銷手段促進創新產品的推廣。

物聯網、智慧家庭和可穿戴設備正是2015年CES的熱點。思科CEO錢伯斯在CES上預計物聯網在2020年的規模將達到19萬億美元。埃森哲咨詢公司通信、媒體與技術部總經理約翰·卡蘭認為“通過全球網絡，物聯網使得智能產品之間，甚至產品與人之間進行交流。物聯網的市場已經打開了”。

以健康物聯網為例，涌現了大量的健康跟蹤器、傳感器跑鞋、計步器、智能手環。2014年是智能穿戴產品大爆發的一年，雖然其商業化的普及并沒有如它的概念般火爆，但可穿戴產品在通信、運動娛樂、眼鏡到醫療健康等領域資本云集。在市場上，可以看到大量的健康跟蹤器、傳感器跑鞋、計步器、智能手環等產品。根據CCS Insight的預測，2015年的智能手表和健身手環出貨量將超過5 500萬件。有些產品已經開始了激烈競爭，眾多廠商的出現，使市場開始變得擁擠，例如智能手環，在淘寶網站上，可以搜到很多不同的智能手環商品。根據對物聯網智能終端的基礎四大要素分析，百元之內的手環通常作為智能手機的配件，單獨本身不能作為物聯網智能終端；而千元級的手環，通常具有藍牙通話、運動跟蹤和管理、睡眠檢測、連接微信等功能，其操作系統目前常采用Android 4.0+。

物聯網移動終端涵蓋范圍很廣，覆蓋多個領域，例如車載設備、智能家居、可穿戴設備、移動醫療、工業生產等眾多領域。模塊化的硬件和軟件開發工具的引入降低了開發者的創新門檻，軟硬件結合方式以及智能手機與配件相結合方式的創新正在展開。在產品方面，可以看到競爭正在不斷升溫，表明新技術在新領域應用已經接近或者到達一個臨界點。

4 感知現實世界的傳感器

位于物聯網感知層的物聯網智能終端，通過無所不在的傳感器感知顯示世界。物聯網智能終端的發展得益于移動智能手機的發展，智能手機的快速發展為物聯網智能終端帶來了更強大的處理器、各類傳感器和無所不在的連接。傳感器豐富了智能終端對環境的感知，將物理世界進行數字編碼，允許隨著連接和計算加載在物理世界的各類物品之上，提供信息輸入，開創了新的應用和設備創新范疇，開啟了新一波創新浪潮。

傳感器的種類正在不斷豐富。在Android APIlevel 19（Android 4.4.2 SDK）中就列出大量的傳感器類型，共有21種只讀傳感器和可讀可寫傳感器NFC（nearfield communication，近場通信）。它們當中有些是邏輯傳感器，并非物理傳感器，例如重力傳感器是在加速度傳感器的基礎上，結合其他硬件（如陀螺儀）的數據，獲取更為精確的信息。此外有些傳感器，例如加速傳感器和陀螺儀通常集成在同一個物理傳感器中。

努比亞Z5S mini和努比亞Z7 mini是中興通訊分別在2013年11月和2014年7月發布的同一系列的兩款智能手機。筆者通過自編寫的小應用獲取了這兩款手機的傳感器列表。通過比較這兩款發布時間只相差約3個季度的手機所攜帶的傳感器，很容易發現傳感器不斷豐富的趨勢。Z5S mini有9個傳感器，而Z7mini所攜帶的傳感器共有24個，遠遠高于Z5S mini，其中部分傳感器不在Android SDK已定義的傳感器類型范圍。筆者特別注意到，在Z7mini的24個傳感器中，有17個傳感器的廠商為高通公司，占了傳感器數量約70%。Z7 mini采用高通公司的驍龍801作為系統級芯片，該芯片已集成了部分傳感器，提供基于一個或多個物理傳感器的數據而獲取更精準數據的邏輯傳感器，例如重力傳感器和人臉識別傳感器。根據高通公司官網資料，高通800系列芯片架構如圖2所示。

圖2 高通800系列芯片架構

當前智能終端傳感器的技術發展有以下趨勢。

·微型化：新材料和新工藝的發展為傳感器制造微型化帶來可行性，微型化將有效地降低功耗，節省空間占有率。

·集成化：多個功能集成在同一器件中，如加速度計、陀螺儀、磁力計傳感器復合成一個器件內，具有更高空間面積使用效率以及更好的成本效益。

·智能化：將傳感器同后期信號處理融合，通過增加CPU處理單元，兼有檢測、處理、存儲、通信、控制等特點，信息由處理器完成處理后再送出，相較于獨立芯片可以進行更為復雜的邏輯計算，并可以同時將多個物理傳感器組合為邏輯傳感器，提供更全面的信息分析，如人面識別功能，能夠有效地、全面地提升傳感器綜合性能。

·多樣化：物聯網的范圍遠遠超過了智能手機所涵蓋的范圍，包括家電家具、醫療健康、城市交通、小區安防、環境監控等，覆蓋了社會的各個領域，其種類之豐富難以想象，并在不斷發展中。

隨著傳感器的發展，設備可以感知更多更詳細的物理世界，通過能力越來越強大的云計算和大數據分析，將分布在不同設備的傳感器組成探知世界的傳感器網絡，量化真實世界并轉換為虛擬世界，實現物理世界的數字化，通過Wi-Fi、4G網絡、藍牙將數字信息進行聯網，重新定義現實世界。

5 物聯網智能終端的生態系統

物聯網智能終端在傳感器的基礎上，通過硬件、軟件和網絡共同實現“智能”，而后者，也正是智能手機區別于功能手機的關鍵，是智能手機形成生態系統的必要條件。各大科技公司都積極搶占物聯網地盤，希望最終建立起活躍的生態系統。

2014年 2月，Google（谷歌）公司以32億美元收購了以生產智能家居設備為主的Nest公司。Nest公司有兩款著名的智能家居產品，分別是具有漂亮外觀設計和有自我學習功能的Nest智能溫控裝置以及名為Protect的煙霧探測報警器。Apple（蘋果）公司在2014年6月發布智能家居平臺HomeKit，提供語音控制功能，使Apple終端可以在未來成為智能家庭的控制中心。2014年8月，Samsung（三星）公司出價2億美元收購創業公司SmartThings。SmartThings智能家居平臺可以讓用戶通過智能手機、平板電腦或個人電腦控制家中所有的聯網家電。圍繞設備系統平臺的生態系統如圖3所示。

正如知名研究機構VisionMobile所講[2]：和智能手機由應用驅動相似，物聯網的需求是由開發者所驅動，他們利用硬件、軟件和數據，從大量的硬件科技中發掘新應用。這些開發者將創造數不清的應用、服務和設備。沒有單個公司可以有與之相等的創造力。由開發者驅動需求創造的物聯網市場將幾倍于基于現有市場所能預測的。移動開發者將在物聯網演進中扮演關鍵角色，在移動應用后延伸其創新。

大公司紛紛推出系統平臺，希望能夠像智能手機平臺一樣，以平臺為核心，建立活躍的生態系統，吸引廣大的開發者和開發商，激活他們創造力。智能手機繁榮的應用生態系統已經證明：當允許開發者去嘗試時，他們將會發現價值創造之路，他們勇于在新領域去探索，嘗試各種可能性，啟動平臺在新領域的應用場景，提供新的行業解決方案，甚至顛覆傳統的方式。

5.1 芯片平臺

芯片和操作系統都是創新的源泉，提供創新的平臺。芯片公司發力物聯網，推出相關的解決方案。

高通公司在2013年將AllJoyn協議源代碼移交給Linux基金會，有望成為物聯網的新行業標準，圍繞該標準成立的物聯網互操作標準聯盟——AllSee Alliance將解決不同品牌設備存在的兼容性問題，實現整體化的智能家居。高通公司總裁德雷克·阿伯勒在2015年CES上表示，高通公司向全球超過30個國家推出了15款物聯網設備，涉及數字眼鏡、兒童跟蹤器、智能手表等多個產品。未來高通公司將通過智能手機作為支點，拓展車聯網、醫療、可穿戴設備等領域。

2014年4月，臺灣聯發科技股份有限公司（以下簡稱聯發科技）對外展示了其首款可穿戴芯片Aster，該芯片為5 mm×5 mm大小，集成了微處理器、藍牙等功能。同年6月，聯發科技針對可穿戴和物聯網發布了LinkIt平臺，以其Aster芯片（MT2502）為核心，提供完整的參考設計，簡化開發流程，幫助開發者聚焦在產品創新上。根據聯發科技官網資料，在軟件開發方面，LinkIt為Arduino和VisualStudio提供軟件開發插件，并在2014年第4季度開始支持Eclipse；在硬件開發方面，LinkIt向第三方合作伙伴提供基于LinkIt的硬件開發套件。2015年1月，聯發科技正式發布第二款可穿戴的SoC芯片MT2601，支持Android Wear，是一套為可穿戴設備提供的完整解決方案。

圖3 圍繞設備系統平臺的生態系統

Intel公司在2014年12月推出了提供硬件、軟件和云計算支持的物聯網平臺以及一系列基于這一新平臺的產品，以推動物聯網的采用和創新，讓互聯的設備更方便、更安全地進行數據交換。

5.2 應用開發平臺

智能手機平臺的現在很可能就是物聯網各領域平臺的未來。移動智能手機生態系統的經驗說明，開發者是生態系統的重要組成部分，是生態系統創新的源泉。物聯網正處于發展初期，還沒有形成領軍平臺和企業，而其所涉及的范圍非常廣泛，有智慧家庭、智慧城市、智慧汽車等。國外的企業對此非常重視，通過提供SDK或開發平臺，希望盡早布局，例如健康領域有Apple公司的HealthKit、Google公司的Fit；汽車領域有Dash Chassis API；智能家居領域有Apple公司的HomeKit、Samsung公司的 SmartThing平臺。大公司在物聯網設備平臺上投資，盡可能吸引更多的開發者和開發商，使其熟悉平臺，進而構建龐大的開發者群體，開啟生態系統的網絡效應。

要讓開發者熟悉新平臺需要投入巨大，可以在現有平臺上進行發展。事實上不少嵌入式設備就是直接采用Android系統。除了手機和平板電腦外，移動智能手機操作系統還可加載在其他移動設備上，例如電子書、互聯網電視、可穿戴產品、智能家居等其他產品類型。例如樂視TV和樂視盒子的操作系統是LetvUI，它是基于Android系統的深度優化系統，小米盒子也是基于Android系統的深度優化。一方面，目前還沒有成熟的平臺可以壟斷或引領物聯網的某方面領域；另一方面，隨著Android操作系統市場占有率的不斷提升，越來越多的器件廠商同時提供基于Linux和Android的驅動，而Android提供Native Android C++的底層開發環境，幫助開發者調用硬件接口。由于Android系統具有廣泛的開發者基礎，越來越多的物理終端選擇Android作為其操作系統。因此研究Android系統的發展，也可窺視物聯網設備平臺的發展趨勢。

與此同時，Google公司也在拓展Android系統的適用領域。在2014年3月，Google宣布推出針對可穿戴移動設備的Android Wear操作系統，屬于Android的分支操作系統。隨后，LG、摩托羅拉、索尼、華碩、三星推出了搭載Android Ware的智能手表。Google公司在發布Android 5.0 Lollipop不久后的2015年1月推出了Lollipop版的Android Wear。而蘋果公司在2014年9月發布Apple Watch，操作系統為Watch OS，并在同年11月向開發者開放WatchKit。

從圖4中可以看到，Android系統進入成熟穩定期，版本發布的時間間隔正在拉大。最初，Google公司的Android操作系統演進速度很快，在2009年發布了3個版本（跨兩個大版本）；接著從2010-2013年的4年時間內，一共發布了8個版本（跨3個大版本），平均每半年發布一個版本。參考文獻[3]指出：移動互聯網把整個ICT產業拖入快速發展通道，產業迭代周期由PC時代的18個月（摩爾定律）縮減至6個月。在2014年，Google公司只在10月15日發布了新版本5.0，距離上一個版本發布的時間間隔為407天（超過1年的時間）。然而，Google公司并沒有放慢研發的步伐，除了系統成熟，無需頻繁進行架構性的更新外，主要在于Google公司采用了新平臺管控方式，對生態系統實施更嚴格的控制，尤其針對那些利用Android生態系統的新平臺，包括Android的分支平臺以及通過兼容Dalvik虛擬機而兼容Android應用的平臺。

圖4 Android各版本發布的時間軸

首先，Google公司停止部分開源應用的更新，新版本轉到閉源中發布。Android由開源的AOSP（Android Open Source Project）和封閉的Google應用組成。AOSP包括Android內核和基礎應用。Google應用依賴于Google云服務，包括 Gmail、Google地圖等。然而，跡象顯示，Google公司正將一些基礎應用從開源AOSP轉入閉源。一旦轉入，原有的AOSP版本就會被凍結，不再進行更新。以搜索應用為例，Google公司在2010年8月推出了Voice Actions，并將之加入Google Search中，但新的搜索應用沒有放在AOSP，而是放在當時的應用商店Android Market。自此以后，AOSP中的搜索應用就再也沒有更新，功能一直停留在當初的Web和本地搜索，而Google Search如今已提供語音搜索、音頻搜索、文本到語音、回答服務以及Google Now。一旦Google公司有了閉源應用，馬上會停止開源版本的更新。Google公司正在降低開源代碼庫的價值，大大小小的制造商要在他們的手機上加上這些具備更強大功能和更好用戶體驗的新應用，需要得到Google公司的許可。

此外，Google公司將Android的系統更新轉向服務更新，通過非開源的API綁定開發者。Google Play Services也稱為 GMS（其 Java包名為 com.google.android.gms），GMS是Google公司在Android操作系統上提供的基礎服務，可從Google Play應用商店中下載。由于GMS不在AOSP中，手機制造商在手機中預裝GSM需要獲得Google公司的許可。GMS和一般應用不同，它提供Google私有的軟件開發包（SDK）和應用程序編程接口（API）。GMS最早在2012年引入，為開發者提供Google業務的API，包括賬號同步、Google+、Google 地圖、位置 API、Google Play 游戲、云消息、Android設備管理等。GMS是系統級進程，它與其他Google應用是相互獨立的，可以通過Google Play應用商店進行更新。GMS的引入有效地解決Android系統詬病已久的碎片化問題。開發者使用GMS的API進行應用開發，即使Android系統不是最新版本，只要更新GMS也能夠享用到新功能，而無需擔心用戶所持終端是否能夠支持，即無需考慮版本兼容的問題，有效地解決了系統碎片化。但是，開發者使用GMS的API，意味著依賴于Google私有的API，而非Android的API。Google公司正將一些重要的API轉移到GMS中，例如在2013年，Google公司改造了Android的位置API，并將它們作為GMS的一部分，也就是轉入閉源，增加的功能包括新的位置算法、地理圍欄、活動識別。Google公司通過將新的優秀功能放入私有的非開源的GMS中，而不是放入Android系統中，讓開發者更多依賴Google專用API進行開發，從而將Android的應用生態系統轉向由Google公司牢牢控制的Google Play應用生態系統中。基于Android系統的物聯網終端開發平臺如圖5所示。

圖5 基于Android系統的物聯網終端開發平臺

Google公司的GMS方式給在Android系統上發展物聯網平臺很大的啟示，可以系統服務的方式提供物聯網軟件開發包和API。物聯網Lib庫提供各類底層傳感器底層能力接口，提供Android原生C++API。物聯網SDK像GMS那樣作為系統進程加載在操作系統中，可以應用升級的方式進行升級，該SDK對底層設備的功能進一步進行封裝，采用Java API的方式。開發者可以在開發環境IDE中加載響應的jar包，就可以在熟悉的開發環境中使用這些新接口以及Android的原生API進行應用開發。這種方式帶來以下好處。

首先，平臺開發商將專注在有關物聯網SDK的開發，而無需關注整個操作系統，無需重新發明“輪子”，減輕了平臺開發工作量，實現快速市場化。

其次，如果采用新操作系統方式，在操作系統發布初期，因系統不成熟需要進行版本升級，然而頻繁地進行系統版本升級，會對設備制造商帶來壓力，并會帶來碎片化的問題。如果以系統服務方式提供API，加諸在成熟的操作系統上，舊功能升級和新功能發布可通過應用更新的方式進行，不受操作系統版本發布周期的時間節點限制，將新功能快速推向市場，盡早提供給開發者。

最后，也是構建生態系統中最為關鍵的，通過廣大移動開發者熟悉的Android系統和Android開發環境，降低開發者進入門檻，吸引并幫助廣大移動開發者平滑進入物聯網開發領域。一方面可以提供傳感器相關的API來幫助硬件廠商進行開發，減少他們軟件開發的摩擦；另一方可以提供基于傳感器數據的云服務API，整合分散在不同廠商、不同產品的數據，更全面地了解信息圖譜，作為大數據信息來源，幫助軟件開發者在數據上進行創新，創造新的使用場景。

龐大的物聯網市場就在眼前，如何能夠吸引開發者進行創新，如何快速搶占市場并構建活躍的生態系統是平臺成功的關鍵。

6 結束語

物聯網市場范圍遠比智能手機市場要龐大，終將全面滲透到各個行業，改變世界。物聯網終端的市場前景無可估量，它和智能手機不同，將以多種形態方式出現。物聯網智能終端進入了產品化的初期階段，新技術在新領域應用已經接近或者到達一個臨界點。和激烈競爭的智能手機不同，物聯網終端產品還處于藍海階段，顛覆性的技術和顛覆性的使用場景隨時可能會出現，并超出現有的識見。

1 Shawn D B.Digital Destiny:How the New Age of Data Will Transform the Way We Work,Live,and Communicate.Washington,DC:Regnery Publishing.2015

2 Michael Vakulenko.IoT developers:the baby boomers of the smartphone wars.http://www.visionmobile.com/blog/2015/02/iotdevelopers-baby-boomers-smartphone-wars/,2015

3 工業和信息化部電信研究院.移動互聯網白皮書,2013 China Academy of Telecommunication Research of the Ministry of Industry and Information Technology.Mobile Internet White Paper,2013