物联网机器学习在电信、能源和农业中的应用

第1章 入门：必要的软件和硬件

本章将带您进入单板计算机（SBC）的世界。你们中许多人是第一次听到这个术语，可能会好奇什么是单板计算机以及它的用途。本章将解释单板计算机及其历史发展。您还将了解市场上最流行的单板计算机，例如香蕉派、树莓派和Arduino。在深入的比较中，我将讲解流行单板计算机在USB、存储、网络和通信方面的特征。

然后，您将学习树莓派，特别是树莓派3型号B+，因为您将在本书的物联网和工业物联网项目中将其用作主设备。您还将找到对树莓派上GPIO（通用输入/输出）引脚及其用途的深入解释。接着，您将学习单板微控制器（SBM），它们与单板计算机不同。在物联网和工业物联网应用中，单板微控制器通常作为单板计算机（如树莓派）的从设备使用。最受欢迎的单板微控制器是Arduino，您将以详细的表格形式了解各种SBM的类型，包括它们的处理器、I/O模块、频率、电压等信息。

然后，您将了解Arduino Mega 2560及其布局，并学习其GPIO引脚。接下来，您将学习本书最重要的主题：物联网传感器及其类型和应用。在案例研究解决方案中，您将使用其中的一些传感器。此外还会介绍无人机，因为它们可用于收集电信应用的数据。请注意，在大多数国家，驾驶无人机需要许可证，在将无人机用于任何项目之前，您应遵守相关规定。您还将了解Modbus设备以及如何利用它构建商业应用。最后，您将学习运行所有这些设备的软件程序。

注意 本书中使用的Python版本3.x。如果您使用的是较旧版本的Python，代码示例可能无法运行。您需要Python 3.x或更高版本才能成功运行它们。

硬件要求

运行本书中的练习，您将需要以下硬件：
- 树莓派3型号B+
- Arduino Mega 2560
- LCD/LED屏幕用于输出树莓派3型号B+
- 单相电能表：Modbus 220/230V，双向，多功能，RS485，脉冲/Modbus输出
- 无人机：工业级，大载重，需满足以下规格：
- 最大载重：1.5 公斤（3.5 磅）
- 航程：5公里
- 飞行时间：至少30分钟

单板计算机

单板计算机是一种完全功能的计算机，集成在一块印刷电路板上。这种计算机的独特之处在于，所有输入、输出和Processing（如图形和数值计算）都在同一块电路板上完成。虽然SBC可以被构建成高性能的Compute服务器，但这种计算机更流行的版本是一种小型且紧凑的机器。

从历史上看，单板计算机旨在用于教育和紧凑型设计；如今它们被广泛应用于主流商业应用中。

单板计算机基于不同的微处理器构建，但都采用简洁的设计。它们被设计得方便且紧凑。拥有一台运行快速、占用空间小、稳定且可移动的计算机，增加了这些机器的吸引力。

单板计算机的早期实施之一（1976年5月）被称为Diana micro；它基于Intel C8080A处理器，是BigBook系列计算机中非常流行的家用计算机。随着个人电脑市场的扩展，单板计算机一直未取得进一步进展，直到如今，个人电脑几乎已被平板电脑、笔记本电脑和手机所取代。您可以前往https://en.wikipedia.org/wiki/Single-board_computer了解更多信息。

使用单板计算机的一些优势如表1-1所示。

表1-1。单板计算机特性与优势

特征	优势
价格	如今单板计算机每台售价不到30美元。
外形尺寸	单板计算机非常小巧，几乎与掌上型电脑一样大，这使得它们便于携带且易于使用。
操作系统	Linux 变体最受欢迎。Windows IoT
架构	两种型号：支持插槽和无插槽支持。
功耗效率	high

单板计算机流行的主要原因是价格，因为每台售价不到30美元。另一个优势是其紧凑便携的外形，可以轻松握在掌心。这些单板计算机有运行Linux或Windows IoT或其他操作系统的不同版本。大多数单板计算机不提供插槽支持，但也有部分型号支持安装工业级卡。这些小型机器在功耗方面效率很高，能够高效地使用家用单相电源连接供电。除非你想将它们连接到大型LED或LCD屏幕，否则不需要为屏幕配备独立电源。它们自带5英寸或7英寸LED/LCD平板屏幕，可直接由单板计算机本身供电。外壳具有多种选择，单板可置于其中，从透明外壳到时尚外壳，再到用于容纳4或7个单板计算机集群的机箱，如今的单板计算机拥有广泛的选项可供选择。这种可用性扩展了这些计算机的吸引力，使用户获得DIY成就感。从选择外壳、安装操作系统到使用各种软件，每个环节都具有高度灵活性，并且有丰富的选项可供挑选。现在让我们来看看市场上最流行的单板计算机及其发展情况。

市场上流行的单板计算机

表 1-2列出了市场上一些最流行的单板计算机，根据https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_single- board_computers#Operating_system。

Table 1-2. Popular Single-Board Computers

| Name | PCIe | USB[2] | Storage | Networking | Communication | Generic I/O | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |......
| Device | On- board Flash | slots | SATA | Eth. | Wi- Fi | Bt. | I2C | SPI | GPIO | Analog |
| :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— | :— |
| raspberry PiZero w | no | no | no | otG | no | microSd | no | no | b/g/n | 4.1+ | BLe | Yes | Yes | 17 | no |
| raspberry PiZero | no | no | no | otG | no | microSd | no | no | no | no | Yes | Yes | 17 | no |
| raspberry Pi Model B+ | no | 4 | no | no | no | microSd | no | 10/100 | no | no | Yes | Yes | 17 | no |
| raspberry Pi Model B | no | 2 | no | no | no | Sd | no | 10/100 | no | no | Yes | Yes | 8 | no |
| raspberry Pi Model a | no | 1 | no | no | no | Sd | no | no | no | no | Yes | Yes | 8 | no |
| raspberry Pi 3 Model B | no | 4 | no | no | no | microSd | no | 10/100 | b/g/n | 4.1 | Yes | Yes | 17 | no |
| raspberry Pi 2 Model B | no | 4 | no | no | no | microSd | no | 10/100 | no | no | Yes | Yes | 17 | no |
| Intel Galileo Gen 2[46] | 1 | mini | 1 | no | Yes | 8 MB flash + 8 KB eeProM | Sd | no | 10/100 | no | no | Yes | Yes | 20 | 12-bit adC, 6 PwM |
| Banana Pi M3[137] | no | 2 | no | otG | 8GB eMMC | microSd | USB to Sata 2.0 adapter | Gbe | a/b/ g/n | 4 | Yes | Yes | 40 | 12-Bit-adC (Con1 for touch) |
| Banana Pi M2 | no | 2 | no | otG | no | microSd | no | Gbe | a/b/ g/n | no | Yes | Yes | 40 | 12-Bit-adC (Con1 for touch) |
| Banana Pi[11] | no | 2 | no | otG | no | Sd | Sata 2.0 | Gbe | no | no | Yes | Yes | 26 | 12-Bit-adC (Con1 for touch) |

截至目前，当今最流行的单板计算机是树莓派和香蕉派。它们在爱好者和专业用户中同样受欢迎。树莓派运行NOOBS、Raspbian和Windows IoT等操作系统，而香蕉派则运行Linux和Android 4.x。树莓派从Zero型号发展到目前的3 Model B+ ，如表 1-2所示，其硬件性能得到了巨大提升。树莓派3 B+现在配备了ARM Cortex‐A53 1.4GHz处理器，相较于搭载ARM Cortex‐A53 1.2GHz处理器的树莓派3 B有所改进。内存大小未发生变化；但Wi‐Fi功能得到增强，现在支持高达 5GHz的传输。以太网支持从100Mbps提升至300Mbps。由于香蕉派使用Android操作系统（尽管基于Linux构建，但其内核为Android），因此那些项目与移动应用紧密相关的用户更倾向于使用香蕉派。本书中的项目我选择了树莓派。我们将使用的操作系统是Raspbian，它是 Debian操作系统的衍生版本。我们不使用NOOBS，因为我们希望在单板计算机上开发商业级应用；同时也不使用Windows IoT，因为我们需要一个内置桌面环境和集成开发环境的操作系统。因此选择Raspbian是非常自然的决定。

使用表 1-3 来帮助您确定在项目中使用哪个树莓派。

Table 1-3. Raspberry Pi Technical Specifications

Raspberry Pi Platform	RAM	Processor	USB	Ethernet	Wi-Fi	Bluetooth	HDMI	Other Video	MicroSD
raspberry Pi a+	512MB	700 Mhz arM11	1 port	—	Yes	dSI, Composite	Yes
raspberry Pi B+	512MB	700 Mhz arM11	4 ports	10/100Mbps	–	Yes	dSI, Composite	Yes
raspberry Pi 2 B	1GB	900 Mhz Quad-Core arM Cortex-a7	4 ports	10/100Mbps	–	Yes	dSI, Composite	Yes
raspberry Pi 3 B	1GB	1.2 Ghz, Quad- Core 64-bit arM Cortex a53	4 ports	10/100Mbps	802.11n	4.1	Yes	dSI, Composite	Yes
raspberry Pi 3 B+	1GB	1.4 Ghz 64-bit arM Cortex a53	4 ports	300/Mbps/ Poe	802.11ac	4.2	Yes	dSI, Composite	Yes
raspberry Pi Zero	512MB	1 Ghz single-core arM11	1 micro USB	—	Mini-hdMI	-	Yes
raspberry Pi Zero wireless	512MB	1 Ghz single-core arM11	1 micro USB	-	802.11n	4.1	Mini-hdMI	-	Yes

在进入下一节关于微控制器的话题之前，让我们先了解一下树莓派架构中一个非常重要的方面，即单板计算机板上GPIO引脚的布局。这些引脚用于与辅助硬件（如传感器或其他支持串行通信的微控制器，例如Arduino）进行通信。图1-1展示了树莓派3型号B的GPIO布局+。

在图1-1中，您可以看到共有40个GPIO引脚。它们具有特定的结构，理解该结构对使用至关重要。图中引脚编号从1到40。第1和17引脚用于为设备提供电源输出（3.5伏特）。第2和4引脚用于提供每个5伏特的电源输出。编号为6、9、14、20、25、30、34的引脚

39号引脚用于电路接地。其余引脚用于通用输入输出。在后续创建基于物联网的解决方案的完整电路时，您将使用到这些信息。

现在让我们讨论微控制器及其使用方式。

单片机单板

单板微控制器是将微控制器集成在一块电路板上的设备；它们被用于工业和商业应用中，以实现工业和商业设备之间的接口，例如使用串行总线通信的设备。这些设备应用于需要与工业机器或网络接口（如需要 Modbus通信协议的接口）进行连接的解决方案开发。

Arduino 是一种非常流行的单板微控制器，爱好者和学生常用它来学习硬件实现以及如何控制和构建与常见的 C 和 C++ 程序交互的业余机器。然而，我们将把 Arduino 用于工业级用途。让我们比较 Arduino 系列中的三种型号，以便为我们的目的选择最合适的微控制器。

Arduino Uno、Arduino Mega 和 Arduino Mega 2560 是我们将用于比较的三种型号。这三种单板微控制器均采用16MHz频率处理器。Mega 和 Mega 2560 的印刷电路板尺寸大于 Arduino Uno，后者在长度上比前两者小一半，其印刷电路板尺寸为2.7英寸x2.1英寸，而前者为4英寸x2.1英寸。Arduino Mega 2560 拥有最高的闪存容量，为256千字节，而 Arduino Uno 的闪存容量最低，为32千字节，Arduino Mega 则为128千字节。对于单板微控制器而言，闪存非常重要，因为您为通过应用程序控制硬件所编写的任何程序都必须先写入闪存。如果闪存容量较低，则无法在其上运行工业级应用程序。两款 Mega 型号的电可擦可编程只读存储器均更高

与Arduino Uno相比，Mega具有更多的SRAM和GPIO引脚；Mega有 54个GPIO引脚，而Uno仅有14个。为什么我们的应用需要更多的引脚？我们将使用这些引脚与串行Modbus通信接口进行通信，可能需要同时连接两到三个设备。如果引脚数量不足，将限制我们连接并行设备的能力。因此，为了实现这一目的，我们需要更多的引脚。

因此，对我们来说最好的模型是Arduino Mega 2560，它具有最高的闪存。

Arduino Mega 2560

图 1-2 显示了 Arduino Mega 2560 的 GPIO布局 及其通信架构。

您可以在图1-2的单板计算机示意图中看到标记为GPIO引脚的区域。此模型支持数字引脚和模拟引脚。数字引脚用于控制和与数字传感器等设备通信，模拟引脚用于与模拟传感器等模拟设备通信。此模型具有 USB接口，可用于与树莓派等SBC类设备进行串行总线通信。稍后您将详细查看这一点。

书中关于如何连接和通信树莓派与Arduino的部分。图1-3展示了 Arduino Mega 2560开发板上GPIO引脚的布局。

如图所示，以D开头的引脚编号表示数字引脚；这些是用于连接数字传感器和设备的插槽。以A开头的引脚是模拟引脚，可用于与模拟设备通信。目前，您只需了解这些内容。一旦开始组装系统，您将详细查看所有这些内容。

物联网传感器

物联网是将互联网连接扩展到日常物理设备和物体。当传感器和互联网连接等设备被添加并嵌入到诸如艺术品或其他能够显示创建日期、艺术家描述、最近修改日期等信息的物理设备或物体时，便形成了物联网。我们现在有了自动补货柜的概念，这种柜子可以自动订购食物。

在线时，它们会在被消耗后变空。通过在日常物体中嵌入物联网传感器，我们正在使这些物体变得智能并便于人类使用。

市场上常见的物联网传感器可与树莓派和Arduino配合使用，因为它们通过GPIO引脚进行通信。1-4列出了可在树莓派和Arduino上使用的常见类型的传感器。

表1-4.常见的物联网传感器类型及其用途

传感器类型	目的
机器视觉	光学和环境光检测 接近度与 位置 GPS位置和物体存在检测
温度	检测空气、土壤和水中的大气温度
湿度/水分	检测空气和土壤中的大气湿度
声学	检测大气中的次声和超声振动
化学物质	检测空气、土壤和水中的气体含量
flow	检测管道等封闭区域中的空气和水流
电磁	检测环境中的电磁水平
加速度	检测互联电子设备的倾斜
负载/重量	检测环境中负载或重量的变化，该变化 被监控

从表1-4可以看出，有各种各样的传感器可供使用，它们从数字式到模拟式不等，可用于通过Wi‐Fi摄像头检测物体，或检测电子设备上的重量或负载变化。这些传感器的用途和应用是无限的，可以为物联网应用注入新的活力。本书中你将使用这些常见类型的传感器，在构建解决方案时，我会更详细地介绍它们。

无人机

维基百科（https://simple.wikipedia.org/wiki/Unmanned_aerial_vehicle）将无人机定义为通过遥控设备操作的无人驾驶航空器。无人机内部通常嵌有一个小型微控制器，能够检测空气压力变化、物体接近程度、加速度等。它内置了许多物联网传感器，使其比载人飞机更智能。然而，目前几乎还没有完全无需人工监管即可飞行和工作的自动无人机。大多数无人机都需要人工监管者通过遥控装置来控制其活动。

您将在电信领域的案例研究解决方案中使用工业级无人机。您需要一款能够承载高达3.5磅（约1.5公斤）有效载荷、航程达到5公里的工业级无人机，因为您将在特定区域周围进行探测飞行。所需的最小飞行时间为30分钟，因为这是收集足够数据以应用机器学习的最短时间。这类无人机绝对不便宜，起价为2500美元。

Modbus设备

在案例研究的能源部分，您将使用另一台设备。Modbus设备是一种用于连接工业设备（如机器与计算机）的标准通信协议。它们也被用来收集和发送数据。该系统中有一个主设备或微控制器，通过Modbus协议与其从设备进行通信，从设备最多可达247个。这使得该协议非常 robust，这也是我选择Arduino Mega 2560单板微控制器的原因（因为它在电路板上有大量模拟和数字引脚空间，便于通信）。

免责声明 在继续之前，我想提醒您注意将此Modbus设备用作电表时可能存在的风险。这是一种电器，如果连接不当，可能会导致短路。如果不按照使用说明书操作，还可能对人身安全造成危险。如果连接错误，还可能导致您的树莓派和Arduino开发板烧毁或损坏。因此，如果您对电路连接不熟悉，我强烈建议您不要使用此设备，或寻求当地电工的专业帮助以正确连接。无论在何种情况下，对于因使用该设备而导致的任何财产损失或人身伤害，本人及出版商均不承担任何责任。请用户谨慎操作。

在工业领域，使用三相Modbus电能表，但在普通环境中难以复制，因此我建议改用单相电能表，其采用Modbus RTU通信协议。施耐德电气等公司提供了多种选择。

所需软件

为了运行本书中的练习，您需要安装Python 3.x。我建议为此使用 Raspbian操作系统附带的默认Python安装。Python是一个简单的发行版，不像Anaconda，它完全不需要任何安装。本书中的所有编码练习都适用于此版本的Python。本书中的练习和解决方案不支持 Windows，也未在任何版本的Windows上进行测试。必须使用 Raspbian操作系统才能使其正常运行。请按照本书安装部分中提供的步骤进行安装。

您还将使用Arduino集成开发环境在Arduino和树莓派之间进行通信，因此在您的解决方案中，Arduino将作为树莓派的从设备运行。这可以通过apt-get命令进行安装，您将在本书的安装部分稍后看到。

总结

本章介绍了单板计算机（SBC）及其历史发展。你了解了市场上最流行的单板计算机，例如香蕉派、树莓派和Arduino。通过深入比较，你探讨了这些流行单板计算机在USB、存储、网络和通信功能方面的特征。你还学习了树莓派，特别是本书后续物联网和工业物联网项目中将用作主节点的树莓派3型号B+ 。你了解了树莓派上的GPIO引脚及其用途。此外，你学习了单板微控制器以及它们与单板计算机的区别。你还了解到，在物联网和工业物联网应用中，单板微控制器通常作为单板计算机（如树莓派）的从设备使用。你还认识到，目前最流行的单板微控制器是 Arduino，并查看了一张关于SBMs类型及其特征信息（如处理器、 I/O模块、频率、电压等）的表格。

接着，你了解了Arduino Mega 2560及其布局，并学习了它的 GPIO引脚。然后，你学习了本书最重要的主题：物联网传感器及其类型和应用。你还学习了无人机，因为它们将在本书的电信应用中用于数据采集。你了解了Modbus设备以及如何利用它构建商业应用。最后，你获得了本书将使用的一系列软件列表。

第2章 物联网与工业物联网概述

您在第1章中查看了物联网的定义。在本章中，我想进一步扩展这一概念。使物联网概念得以实现的关键在于使用小型传感器和电机，并通过编程接口控制其输入和输出的能力。物联网的核心在于能够远程监控与控制设备。这可以通过与这些设备相连的小型可编程微控制器或微型计算机来实现。在使用物联网的过程中，各种技术已融合在一起，例如嵌入式系统、控制系统以及数字和模拟传感器。其理念是将传感器嵌入日常物体中，并通过监控与控制使其变得更智能。然而，并非每个支持物联网的设备都能引起消费者的兴趣或满足业务需求。

深入了解物联网

已经有一些关于日常物体的实验，例如智能座椅，它可以监控你坐在上面的时间以及血压等生命体征。但在某些情况下，消费者并未看到购买这些产品的益处。

并非所有智能设备都能为消费者带来显著益处，或者消费者可能无法将其感知为值得额外价格的显著优势。在这种情况下，智能产品在发布时将会失败。尽管使物体更智能的技术能力确实存在，但消费者的感知并未达到其期望。

还有智能家居的概念，其中洗碗机等物体由中央监控系统进行控制。然而，由于其费用较高，这一概念尚未普及。

图 2-1 展示了物联网领域的技术进步。此图摘自我所著的书 使用Py thon的机器学习应用。

物联网目前正处于快速应用和早期应用阶段。你知道，跟踪应用阶段正试图摒弃过去的做法，例如关闭所有家用电器的末端。如今的应用阶段通过降低监控恐龙的成本、安装物联网传感器和摄像头以实现安全等目的而受益。下一应用阶段将进入状态应用阶段。通过使用物联网，努力方向将是增强预测人类需求的能力，例如在智能柜内利用计算机视觉摄像头监控常见家居物品的数量，并预测何时需要补充。

得以补充。此类应用将进入第三阶段，即辅助应用阶段，或第四阶段，在该阶段机器人操作将增强人类能力。如今由家庭佣人完成的操作将由机器人来执行，例如清洁餐具和衣物。这类机器人将能够预测家庭中可能发生的任何未来问题，并提供相应的解决方案。例如，一个自动补货机器人会检查是否有物品即将用完，然后在线向附近提供折扣且支持送货上门的商店发送补货订单。它还可以等待确认订单是否成功。如果在规定时间内未收到确认，它会通过短信向其人类主设备发出警报，甚至可以直接走到主人面前展示问题所在。它还可以建议替代方案，例如从较远但不支持送货上门的商店订购该产品。这样的机器人无疑将成为任何家庭的重要资产。这只是一个示例，说明机器人操作如何不仅具有预测性，还能在潜在问题发生前提出替代解决方案。表2-1展示了当前场景下物联网的一些应用实例。

表2-1.物联网的应用

技术阶段	物联网的应用
快速应用	家庭自动化
早期应用	个人可穿戴设备
	智慧城市
辅助应用阶段	农场自动化
	零售自动化
	智能汽车
独立操作	外科手术

您可以在上面的表中看到，家庭自动化正在进入应用阶段，因为人们目前正在自动化日常重复进行的繁琐家务任务，例如通过安卓和 iPhone等个人手机远程关闭电器并监控和控制这些设备。这些应用程序使您能够控制智能手表等设备，准确收集步数、每分钟心跳次数、血压率和携氧能力等个人生物信息。这些应用程序可以按周、月或年生成报告，并利用这些数据展示您的健康状况规律。

物联网领域的另一项发展是智慧城市，目前正处于早期应用阶段。其中最突出的例子是新加坡，该城市正努力在各个方面真正实现智慧化。智能建筑正在建设中，以最大限度地利用光照，并通过雨水收集、太阳能电池板等能源回收方法实现自给自足，为居民提供离网能源。智慧城市会回收所有废物，并消耗和循环利用水、石油、垃圾和天然气等全部资源。

农场自动化是由于物联网的出现而得以实现的自动化操作的早期应用示例之一；然而，它需要进一步发展到能够预测作物周期（如作物歉收或作物丰收）的预测阶段。IBM旗下的The Weather Company（ www.ibm.com/weather）正试图通过为作物预测天气来改变当前农场自动化的实施方式。如今的农业耕作完全依赖于天气周期和季节。尽管从播种到收获的所有农业耕作相关环节都已实现自动化，但若能具备预测农业天气的能力，将真正推动农业进入独立操作阶段。

智能汽车是另一个此类应用。当你能够在拥挤区域使用物联网传感器（如计算机视觉传感器和GPS定位器）驾驶智能汽车时，该应用将进入独立操作阶段；同时，当它能够预测并防止事故时也是如此。

在外科手术领域，医疗机器人在一定程度上已经达到了独立操作水平，例如癌症外科手术中，机器人可通过增强外科医生的任务来独立完成手术。2019年游戏搜索应用 其他类型的手术将随着时间推移逐步成熟，因为全球正在进一步研究如何将手术技能添加到机器人中，使其效率更高。

以下是一些物联网应用的示例，帮助您了解这些应用在技术采用中的定位。

物联网的商业应用

现在让我们来看看一些在市场上表现良好的物联网应用。

teknowlogy 公司于 2019年 进行的一项调查（www.device-insight.com/wp-content/uploads/2019/03/the_iot_survey_2019_highlights_device_insight.pdf），基于用户评价矩阵、有效性、效率、商业价值、解决方案时间表、可视化、新概念支持、创新、定价模式、产品满意度、合作伙伴生态系统、性能满意度、灵活性、易用性和客户体验等参数，对物联网供应商进行了评估。此次调查涵盖的企业为中等规模企业，而这些企业正是物联网大规模实施的主要场所。我选取了其中得分最高的参数—— 客户体验，并将讨论这些高分企业所提供的解决方案。选择该参数的原因在于，尽管你的产品在创新和可视化等方面表现优异，但如果客户不满意，产品就无法长期维持市场地位。表 2-2列出了目前在市场上商用的三大具备优秀物联网解决方案的公司。

表2-2. 2019年三大解决方案

公司	顶级解决方案	应用
C3 物联网	C3 人工智能设备由英特尔驱动的C3人工智能设备TM 是	对于需要部署人工智能的组织 人工智能（ai）应用用于分析海量 大量数据而不影响严格的 数据治理、合规和安全 要求。https://c3.ai/products/ai-appliance/
西门子 物联网中东 和非洲	MindSphere	MindSphere 是基于云的物联网开放操作系统 来自西门子的系统。它连接您的产品， 工厂、系统和机器，使您能够 利用先进的技术挖掘您数据的丰富价值 分析。此外，它还为您提供对 应用程序数量不断增长以及动态发展 平台即服务（PaaS）。MindSphere 与 所有主流网络浏览器。https://siemens. mindsphere.io/en
ARM Mbed	Mbed OS 5	Mbed操作系统是物联网领域的领先开源实时操作系统 物联网，加快创建和 基于ARM处理器的物联网设备部署。 使用Mbed操作系统，您可以开发物联网软件 C语言++使用免费的在线集成开发环境，生成优化的 使用ARM C/C++编译器编译代码，并在 数百个硬件平台。Mbed操作系统堆栈 包括TLS、网络、存储和驱动程序，以及 通过数千个代码示例得到增强 库。https://os.mbed.com/

我挑选出的这三个展示解决方案在商业应用上表现良好。根据调查，顶级解决方案是C3 人工智能设备。运行在不同服务器上的设备非常难以开发，更难满足所有客户期望。考虑到这是一种基于人工智能平台、运行在英特尔服务器上的设备，能够分析海量数据，同时满足数据治理、合规和安全协议的要求，其客户体验却非常高，这令人印象深刻。网站上的客户评价非常积极，因此它在调查中获得顶级位置也就不足为奇了。

调查中提到的下一个产品来自西门子（https://new.siemens.com/global/en/products/software/mindsphere.html）。这是一个基于云的物联网开放操作系统，可连接产品、工厂、系统和机器，并让客户利用高级分析功能。它是平台即服务（PaaS）实施的一个绝佳示例。该产品名为MindSphere。为了让这一产品更加出色，作为平台即服务，MindSphere 确实可以从所有主流网络浏览器（如 Chrome、Mozilla 和 Firefox 等）正常运行。

第三种产品来自所有Mbed（https://os.mbed.com/），它为物联网创建了一个开源实时操作系统，加快了基于ARM处理器的物联网设备的创建和部署。该操作系统主要使用的开发语言是C语言和C++。它可在数百种硬件平台（如树莓派）上运行，并拥有一个非常活跃的社区。该平台在库中提供了各种驱动程序和代码示例，可用于快速实施全部三项功能，尤其与西门子的MindSphere物联网操作系统竞争，因为它们是提供整体解决方案的核心。C3 人工智能设备通过能够在私有云上托管，进一步拓展了操作系统的概念；这一解决方案对于希望完全掌控其物联网解决方案的公司来说是一大福音。对于希望使用开源解决方案的公司，西门子的MindSphere解决方案可在硬件平台上运行，并特别使用C语言和C++代码用于软件解决方案。

您已经看到了三家不同的公司和三种不同的解决方案，而出色之处在于，它们正通过这些体验让客户感到满意。

未来物联网趋势

为了全面了解物联网领域的发展情况，关注物联网领域中 emerging 的 top trends 非常重要。许多调查和预测都针对 2019 年的所有 IoT 趋势进行了分析。根据 ZDNet 上艾琳·布朗关于 2019 年物联网趋势的报道（www.zdnet.com/article/whats-next-for-2019-iot-trends-and-predictions/），北极星对全球消费者的调查显示，智能家居将逐渐成为主流，而下一个热点将是通过智能手机和 GPS定位数据 向消费者提供的交互式交付选项。该调查还预测，由于在医院部署连接传感器以缩短查找关键医疗设备的时间，医疗保健的质量将得到提升。此外，调查还提到了智慧城市的功能，包括通过改进废物管理和提高市民参与度来实现成本降低，并创造收入流机会以及建设节能建筑。目前，这一理念已进入主流，例如新加坡等城市已经证明，智能建筑可以循环利用包括水和垃圾在内的资源，实现自给自足。

GoodWorkLabs于2019年2月发布的关于物联网的调查（ www.goodworklabs.com/iot-trends-2019/）谈到了边缘计算，即在分布式智能边缘设备上进行的分布式计算，而不是在需要对室内区域或工业领域进行处理但无需集中式网络的集中式环境中进行。该调查将物联网设备安全列为重要事项，并指出西门子和通用电气等硬件制造商为打造注重

用户的端点安全。该调查还讨论了其在医疗保健和制造业中的应用。智能信标RFID标签是即将在2020年于设备上发生的新工业革命的一部分。

消费物联网产业的治理也被指出将成为推动智能家居发展的趋势。

另一个重要发展是，消费品行业的大型企业正在联合推出订阅服务。这将发生在公用事业、食品公司和服务聚合商领域。目前正热议联网智能汽车市场的增长，消费者可通过手机上的智能应用程序访问这些汽车，利用物联网技术查看车辆的实时诊断信息。您汽车内的所有传感器不仅会提供当前位置数据，还会提供车内状况信息，例如胎压。该调查欢迎第五代移动通信技术于2019年的启动，它将成为物联网技术的骨干，支持物联网设备之间的互联互通。第五代移动通信技术网络将使智能设备能够实时生成和传输数据，这是此前无法想象的。

网站iotforall.com（www.iotforall.com/top-iot-trends-rule-2019/）报道称，2019年将聚焦于大数据和人工智能。高德纳的最高预测指出，物联网部署数量将增长至142亿个物联网部署。该报告提到了互联云。许多公司将依赖云来存储数据，因为云存储与带宽相连。访问数据是选择不同云服务的原因，例如亚马逊AWS云平台、微软 Azure和谷歌云平台等巨头提供的服务。当前的需求是让这些不同的云能够互相通信；这被称为互联云，例如Oracle和微软通过连接其云平台服务而形成的合作伙伴关系。该调查还提及，任何公司都将私有云和公有云相连接以满足其数据存储需求。该调查还谈及边缘计算，预计将在 2019年取得突破。调查还提到了数字孪生，也称为企业使用特殊的混合或虚拟原型

人工智能、机器学习和物联网等工具，通过简化数据操作来改善企业的客户商业体验。该调查强调，第五代移动通信技术将在物联网市场中发挥变革性作用，带来革命性的应用。调查提到的一个要点是传感器创新，尽管未具体说明市场上将开发何种类型的传感器，但指出新型专用传感器将利用深度神经网络实现功耗的高效与有效使用，从而推动新一代架构以及低功耗物联网和终端设备的发展。利用这些传感器技术的数据开发新算法，将推动相关应用领域的新型实施。调查对社交物联网的预测发出警示：社交物联网正引发社交焦虑，并将促使行业领域从消费类设备转向大规模制造，这提醒物联网应用与解决方案的实施者在产品开发过程中必须考虑社会责任。社会层面凸显了一个问题：人类需要接受当前人类在日常生活中接纳物联网的现状。尽管调查未指向任何具体问题，但它指出，随着在线接受度提升，社会、法律和伦理问题将会浮现。

《网络世界》的一项调查涵盖了2019年及以后的十大物联网趋势（www.networkworld.com/article/3322517/a-critical-look-at-gartners-top-10-iot-trends.html）。第一大趋势是人工智能，这并不令人意外。第二大趋势是社会、法律和伦理问题。Info Linux 和数据预订所涉及的是信息商业化，以及使数据可用代理基于订阅或条件进行潜移默化的渗透，这一点在Gartner研究报告中有提及。第四点是向边缘智能网状网络转移。边缘网状网络被定义为互联边缘设备网络，通过互联网与云终端用户设备在高水平上连接在一起，称为边缘网状网络。该研究指出，这种网络将使这些设备不再孤立运行，而是与智能机器相互连接，从而形成一个网络

拥有自己的网络。高德纳观察到的趋势是物联网治理，涵盖物联网应用实施中涉及的法律、社会层面及伦理问题。

其他石油和新的用户体验以及物联网新型无线网络技术的萨尔瓦尔因该研究提及而显得重要。

PCMag(www.pcmag.com/feature/365945/8-iot-trends-to-watch- in-2019/8) 发布了2019年值得关注的趋势。物联网目前面临的一个问题是勒索软件防护。文中提到了亚特兰大市的案例，该市的水务系统等设施曾遭到黑客攻击。黑客通过勒索技术人员，要求支付赎金以解锁所有智能设备，这一威胁使得移动设备管理解决方案必须采取措施，以防范搜索攻击。一项有趣的调查突出了物联网技术平板在确保食品安全方面的应用日期。例如，冷藏食品储存运营商提供混合云解决方案，以确保食品的安全，物联网正在帮助公司管理和监控温湿度冷库设施。

本文强调的另一个问题是利用物联网简化制造业中的维护工作。文中讨论了使用传感器来评估制造过程中的问题，现场技术人员只需在触摸屏上轻触传感器，即可检测机器近期可能出现的问题。正如本文所述，工厂工人将佩戴基于物联网的可穿戴设备，以便控制中心对其进行管理、监控和控制。

一篇来自TechGenix的文章讨论了2019年物联网platform的两个有趣趋势和预测（http://techgenix.com/iot-trends- 2019/）。文章提到了一些物联网platform供应商并未专注于用例和完整性。超大规模云将被标记为物联网目的地；从今年起，超大规模云与物联网platform之间的结合将开始出现。另一个趋势是物联网托管服务市场的发展。物联网服务的兴起

将包括物联网网络及其他物联网资产的管理操作。文章预测，这些产品将针对为智能家居设计的智能产品进行定制，以支持IT解决方案。

最近的一项调查是伯纳德·马尔于2019年2月在福布斯（www.forbes.com/sites/ bernardmarr/2019/02/04/5-internet-of-things-trends-everyone-should-know-about/#752315be4b1f）上发表的文章。该文章预测，设备将变得更加有声音。例如，Alexa、Siri和谷歌语音命令将会兴起。

我们研究了物联网领域的资金预测以及这些预测中的共同点。物联网的这些预测和趋势摘要见表2-3。

表2-3. 2019年及以后物联网的常见预测和趋势

物联网趋势领域	描述
智能家居	电器、清洁服务等领域的家庭自动化
边缘计算	去中心化和分布式边缘设备在远程 操作区域工作。
端点安全	针对物联网设备的勒索软件安全系统。
第五代移动通信 技术服务	第五代移动通信技术将使物联网设备能够以更高的速度传输数据 带宽更大，且比集式云更快。
人工智能	机器学习、深度学习能力以及机器人技术
云服务 用于物联网	所有云服务现在都将提供基于物联网的解决方案。
物联网传感器 创新	许多传感器，如思维和语音传感器，将会是 创新。

在探讨了业内顶尖人士对物联网未来的共同趋势和预测之后，我现在向您介绍一种确定将从2020年开始兴起的趋势。思维AI尚未实现商业实施，包括思维传感器的发明。我将在本章的下一节中讨论所有这些内容。

深入探讨思维AI

您已经了解了物联网领域中最佳的物联网商业应用，也看到了前述文章所预测的未来趋势。然而，作为一名技术远见者，我认为这些趋势中没有任何一项会像某个特定应用那样具有颠覆性。是的，我所指的是某项不仅将彻底革新，而且将改变人类与机器之间交互方式的技术。它将创造一个更加直观、轻松且能及时响应人类需求的世界。它所带来的变革将堪比个人电脑或手机的发明。它将推动技术达到前所未有的高度，使其前所未有地接近智人。这将是机器作为朋友甚至“叛逆者”的时代。

当然，这种技术同样具有反人类的潜在风险。我再次引用我的第一本书 Machine Learning Applications Using Python中的观点：“改变我们未来生活方式的，不是人工智能本身，而是隐藏在人工智能背后的人类智慧。” 请记住，本节内容属于对未来展望，思维AI目前尚未实现，仅作为近期未来的理论基础，未来有可能实现。同时，您也需要知道，由于思维 AI尚处于研发阶段，其实现成本将会非常高昂。

作为一名远见者，我向您展示面向未来的技术。这就是我所称的思维AI。如果您观察一下从人类到任何机器的输入方式，只有两种。第一种是

通过键盘进行打字和通过扬声器进行语音听写。表2-4列出了在计算机上模拟机器人类机器人时，打字输入与声音输入之间的差异。

图 2-2 展示了人脑生成打字作品所需经历的过程。你需要将它们结合阅读，以理解思维AI的优势。

表2-4.使用思维AI的优势

	打字	语音听写	思维AI
优势	这是一种旧的方式。	这是一种新方法。它将成为新的 way.	这将成为新的 way.
	许多人知道如何打字 在键盘上。	每个人都可以 speak 可以与 此输入协同 工作。	所