通过应用程序启动机器人吸尘器、通过可穿戴设备跟踪体育活动、通过Siri或Alexa等语音助手播放喜欢的音乐……物联网(IoT)已经成为我们日常生活和各领域的一部分。但这个术语在理论和实践中究竟意味着什么?物联网的优势和挑战是什么——这一切是如何从1990年办公室里的烤面包机开始的呢?
物联网的一天
每天早上，百叶窗都会在设定的时间打开，浴室的暖气会自动打开，咖啡机已经冲出了第一杯咖啡。当你离开去上班时，车库门会打开，门会自动锁上，警报系统会被激活。在上班途中，联网的智能汽车会接收有关交通堵塞的信息，并自行建议新的路线。而在公司内部，智能工厂的生产工厂已经直接与订货系统和物流直接通信，从而相应地生产商品。所有这些联网的智能设备和机器都是物联网的一部分，简称物联网。
物联网的定义
物联网(IoT)将物理对象与虚拟世界连接起来。智能设备和机器相互连接，并以数字方式连接到互联网。在技术的帮助下，收集当地环境的相关信息，对其进行分析和链接。基于这些信息，设备执行特定的任务。例如，一个传感器测量外部温度，然后安装其的智能设备将打开加热。所有这些都是自动发生的，无需用户主动干预。如果需要，用户可以远程控制物联网设备，例如通过智能手机上的应用程序。
这是由于微控制器、传感器和驱动器等连接组件的相互作用而实现的，这些组件将电脉冲转换为压力、运动、温度或其他机械变量。物联网系统很复杂:其结合了连接多个网络的单个设备、数据库和网关。通过无线接口连接互联网并发送数据，或者相反，接收命令。在后台，敏感数据在传输过程中通过安全解决方案得到保护。
以工业和设备制造商为例：
- 感知: 传感器从环境中收集各种信息，并将其转换为数字数据。
- 计算: 微控制器对数据进行处理，并根据结果产生控制信号。
- 启动: 控制信号被执行器识别，并将其转换为动作。
- 连接: 连接组件将物联网设备相互连接并连接云系统。
- 安全: 安全组件保护敏感数据免受未经授权的访问。
为什么传感器对物联网如此重要?
由于人类有五种感官，所以能够了解周围的环境——机器需要传感器来做到这一点。作为感觉器官，它们是整个物联网最重要的数据提供者。有不同类型的传感器:例如，用于检测温度、湿度、运动、光、机械压力、二氧化碳含量、超声波或空气压力。物体上的相应传感器测量其环境的状态，系统中的微控制器处理收集的数据，并将这些数据通过网络传输到软件。传感器可以通过蓝牙与智能手机应用程序配对，用户可以通过该应用程序访问数据。或者，信息通过互联网发送到云平台，对数据进行分析。例如，如果智能家居中的传感器提供天黑的信息，百叶窗就会下降。工业上的温度传感器可用于智能工厂，以精确控制加热或冷却阀门。它们测量房间或大厅里的冷暖程度，阀门根据测量结果做出反应。
物联网的演变
物联网作为一种技术基础设施在21世纪初出现。但是，一种可以无线传递自身状况信息的日常物品甚至更早存在:1982年，美国匹兹堡计算机科学专业的学生使用互联网的前身来监测自动售货机的填充量。第一台联网的家用电器出现在1990年，当时是万维网的早期——甚至比1991年推出的第一个网站还早:美国软件和网络专家JohnRomkey和澳大利亚计算机科学家SimonHackett在一次会议上把一个烤面包机连接到互联网上。其可以在线打开和关闭——这个烤面包机现在被认为是第一件物联网设备。
“物联网”一词于1999年由英国研究员KevinAshton定义。麻省理工学院的传感器和识别技术专家用其来描述无源RFID标签。RFID(射频识别)是一种技术，其中的阅读器可以在不接触的情况下从无线电标签（标签）读取和存储数据。在这里，物理对象也与虚拟世界相连，但仅限于有限的区域。不久之后，在2000年，电子公司LG提出了联网冰箱的想法:当奶酪、黄油或鸡蛋的供应用完时，其会发送通知。
从那时起，连接性显著提高:早在2008年，连接到互联网的设备就比地球上的人口还多——正如网络专家Cisco在其白皮书《互联网的下一次进化如何改变一切》中所确定的那样。这不仅涉及智能手机、电脑，还涉及各种物理对象。在未来，越来越多的设备将变得智能:到2025年，全球将有大约750亿台设备连接到互联网。
物联网的好处及应用领域
物联网已经深深扎根在我们的生活中:智能设备，现在可以在私人家庭、工厂、汽车、医疗保健和城市中快速找到。这是有充分理由的，因为物联网的使用提供了许多优势:其可以使日常生活更方便，通过节省时间和成本来改善生产过程，通过提高效率来节省电力和能源，同时保护环境。智能设备还可以优化交通流量，简化特大城市的生活。以下展示五个来自不同应用领域的物联网例子:
- 工业4.0中的物联网
工业4.0被称为第四次工业革命: 继蒸汽机(工业1.0)、电力(工业2.0)和生产计算机化(工业3.0)之后，现在出现了机器、商品和工厂的智能连接。整个价值链正在数字化、更高效、更智能——在工业领域，自然会谈到工业物联网(IIoT)。例如，在高度自动化的流程中，产品与设备通信，可以独立地触发生产的下一步。机器可以识别故障并自行请求维护。制造机器人和运输车辆与仓储物流独立交换信息。除了效率，员工的安全性也有所提高:如果叉车或机器安装传感器，其可以扫描周围环境，并在事故发生之前停止工作。由于数据的收集和分析，全新的服务和业务领域也在不断涌现。通过这种方式，公司可以利用物联网使其产品组合更加灵活，并提供额外的服务。
在工业4.0的互联基础设施中，可以更轻松地规划流程，可以更快地生产商品。这节省了时间和存储成本，但数字化及其所需的技术也会增加能源成本。VDI的“工业4.0期间的资源效率”研究表明，数字化与资源效率之间存在着积极的互动关系。物联网解决方案有效利用资源，节能组件增加了对可持续性的贡献，同时也意味着对环境的影响更低。更可持续生产的另一个潜力在于未来的高速移动网络:5G。原因:发射器搜索接收设备，并仅在需要时进行发射。如果不再需要连接，则将其终止。
- 智能家居中的物联网
欢迎来到智能家居: 晚上电灯自动开关，智能电表记录和调节用电量。在智能家居中，咖啡机、洗衣机、冰箱、恒温器和电灯开关等各种日常物品都是相互连接的。各种设备通过一个被称为集线器或网关的中央单元链接，并连接到互联网。在智能家居中，物联网设备不仅可以提供更舒适、更节能，还可以提供更安全:例如，连接的监控摄像头和烟雾探测器会自动将信息转发到用户的移动设备上，并在需要的时候直接联系应急服务。在智能家居中，用户还可以使用数字助理的语音命令来控制灯光或音乐，收听天气或新闻朗读，或在线订购商品。
- 电子医疗部门的物联网
物联网正在改变医疗保健: 健身手环、智能手表或健身追踪器等可穿戴设备戴在身上，可以记录脉搏或血压等健康数据。这些数据可以通过应用程序用图表或图形进行清晰的分析。此外，电子健康领域的物联网已经支持心脏起搏器或血糖监测仪等智能医疗设备。如果检测到问题，其会立即通知用户或紧急服务。因此，电子医疗设备可以确保老年人或患者在家中生活得更安全。智能药物剂量确定患者是否服药，地毯上的摔倒传感器会在患者摔倒时报告。医院也使用联网医疗设备:例如，智能病床可以提供有关入住率的信息。
- 智能汽车中的物联网——联网汽车
汽车变得越来越智能: 智能汽车配备了控制单元和半导体，包括雷达传感器。这些测量速度和距离以确定另一个物体或人的距离。自2018年4月起，欧盟所有新车都配备了“eCall”紧急呼叫系统，借助内置手机卡，可在发生事故后自动呼叫求救。联网车辆还可以通过Wi-Fi或移动通信进行连接，例如为驾驶员提供有关交通拥堵的信息。通过互联网和“空中更新”的帮助，可以更快地维护车辆的软件，而无需去车间。
未来，联网汽车也将实现自动化。这也将需要各种传感器作为物联网组件:超声波传感器检测障碍物，雷达传感器检测其他道路使用者并测量其速度和位置，视频传感器提供额外的信息。联网车辆的目的之一是让道路交通更安全。根据Bosch的“2025年互联汽车效应”研究，安全系统和基于云的功能在2025年仅在德国、美国和中国就可以防止260,000起伤害事故。
- 智慧城市中的物联网
城市的年龄: 根据德国联邦经济合作与发展部的数据，目前世界上超过50%的人口居住在城市。这一趋势正在上升——到2050年，这一比例估计将达到80%。人口超过1000万的特大城市数量也将增加。这些发展将带来挑战，例如在基础设施或空气质量方面。因此，未来的城市和特大城市必须变得更可持续和更安全，以改善人们的生活质量。“智慧城市”一词涵盖了通过互联技术来支持这一点的想法和概念。其来自能源、交通、城市规划、管理和通信等各个领域。以下是关于想法和概念的四个例子:
- 消防车或公共汽车一靠近，交通信号灯便会把规定的行车线转为绿灯。
- 路灯可以根据需要打开或关闭，并在集成摄像头的帮助下提供更大的安全性。
- 数字系统控制公共交通的基础设施，以及水、废水和循环系统。
- 公民可以在网上进行行政服务，以节省时间和纸张。
物联网设备在工业中如何相互通信？
为了在物联网上实现工业流程自动化，设备之间必须能够在没有人工干预的情况下相互通信。机器对机器(M2M)的基础设施使车辆、系统、自动售货机、集装箱、电表、燃气表和水表或机器人之间的信息交换成为可能，也可以通过中央控制站进行。M2M每次需要一个数据端点(DEP)，即设备或机器。此外，还需要通信网络和数据集成点(DIP)，如服务器。一个实际的例子:一家工厂生产商品，并通过Wi-Fi将原材料的数量发送给服务器。服务器远程监控机器是否需要维护或新的原材料。除了传感器之外，这些设备还有一个用于通信的发射器，借助于其可通过通信网络传输数据——通过移动无线电、Wi-Fi、固定网络、蓝牙、卫星无线电或RFID。接收器是一个控制中心，就像服务器一样。其收集信息、处理信息，并根据结果触发操作。
- 机器人物联网(IoRT)
除了工业物联网(IIoT)这个术语外，IoRT(机器人物联网)也在慢慢发展。这是物联网的延伸，包括机器人，可以在其技术的帮助下独立感知和互动。IoRT被认为是机器人技术的下一个阶段:机器人在数字网络中相互交流和学习。其特别之处在于，机器人可以主动相互学习，而无需事先对所有可能的情况进行完全编程。
- 医疗物联网(IoMT)
具有同样巨大增长潜力的一个领域是医疗物联网(IoMT):医疗保健领域的系统和服务的智能连接——包括患者和医疗专业人员。对于医疗技术公司而言，对数百万生成数据的分析为降低医疗成本和协调提供了机会。特别是由于大流行，这两个领域得到了发展:远程医疗和远程保健。受Covid-19病毒相关规定的影响，网上预约和视频预约越来越多。即使在大流行之后，这一趋势仍将继续得到推动。例如，通过应用程序学习内容支持独立于位置的在线治疗。其优势主要在于灵活性、通过在线工具轻松规划，以及为所有参与者节省时间。
物联网的挑战
无数例子表明:物联网上的智能设备正在帮助简化我们的日常生活。其为更大的便利、更好的沟通、更高的生活质量以及更高效的业务创造了机会和潜力。然而，也带来了各种不容忽视的挑战，如数字时代的数据安全。
- 大数据和物联网安全
全球收集的数据量正在爆炸式增长：据IDC的市场研究人员称，2016年每年产生16.1ZB，预计到2025年，这一数字将增长10倍，达到163ZB。除了可穿戴设备或智能音箱等私人设备外，物联网中的工业设备也在这方面做出了巨大贡献，且呈上升趋势。其收集了大量的数据。这也给数据保护和数据安全带来了挑战。数据安全的重点是防止未经授权的数据访问，而数据保护则是保护隐私。
基本上，数据是物联网的基础。正是其评价和分析使日常生活变得智能。然而，当设备连接到互联网或数字连接时，其也会变得脆弱。网络犯罪分子可以接管其控制权，监视数据，甚至破坏工业工厂。2015年，两名攻击者闯入了一辆联网汽车的信息娱乐系统，只是为了证明这很容易做到。他们关掉引擎，打开收音机。在最坏的情况下，犯罪分子甚至可以通过这种方式使一个地区或整个国家的基础设施瘫痪:这就是2016年底利比里亚发生的事情，当时那里的互联网瘫痪了。据报道，攻击者将数百万个物联网设备连接起来，形成一个僵尸网络，然后进行分布式拒绝服务(DDoS)攻击。在这种“DDoS”攻击中，来自多个设备的同时请求被发送到服务器，直到其超载而无法响应。攻击者还可以控制监控摄像头，监视用户或关闭传输。智能家居中的可穿戴设备和智能音箱等物联网设备通常没有得到充分的保护，因为尚未有统一的安全标准。在企业和工业4.0中，如果犯罪分子使智能机器瘫痪或窃取敏感数据，则存在生产停机的风险。
数据保护也面临着新的挑战:问题是所有数据的去向和存储位置。例如，健身追踪器的制造商可以利用收集到的信息创建准确的用户档案，并将其与其他数据联系起来。就像在工业运营中一样，必须有效地保护信息不被未经授权的任何人访问。否则，不仅数据有被盗的风险。例如，犯罪分子还可以窃取私人用户或某些员工的身份，并访问银行账户或电子邮件收件箱。
但是如何防止此类攻击呢？确保设备和服务器之间的通信安全至关重要。有效的保护措施包括可靠的访问管理、安全认证和传输数据加密。因此，智能设备、联网车辆和工业4.0系统必须受到保护，以有效抵御数据盗窃、欺诈、操纵和其他攻击。
- 缺乏兼容性和不断提高的性能要求
物联网设备制造商面临的另一个挑战是独立于设备和平台的应用程序开发。如今，传感器、平台或操作系统通常只能与某些系统一起工作。因此，对设备各个组件的要求各不相同。理想情况下，需要跨平台的硬件和软件解决方案，同时还需要特定应用程序的特定软件。此外，对设备的需求不断在增加，这给制造商带来了进一步的挑战。传感器和半导体应该变得更强大、更智能、更安全并且延迟更低。与此同时，也应该变得更环保，消耗更少的电力，以及尽可能地小而不显眼。
物联网促进可持续发展
无论是在私人领域还是在工业领域，物联网都为数字化、简化和提高流程效率提供了广泛的机会。除了节省生产成本等经济效益外，物联网还为更大的可持续性和更环保的未来提供了巨大的潜力，尤其是在工业领域。世界经济论坛在一项研究中谈到的一个主题是:84%的物联网解决方案有可能为联合国的可持续发展目标做出贡献。
1、减少原材料和资源
人人都熟悉的日常生活中示例:数字处理和系统的连接减少了纸张的消耗。以前，每份文件都被打印出来归档并分类放入文件夹，而现在，由于服务器和云系统的存在，为新事物创造了空间。虽然这并不能使物联网解决方案的数字化过程完全实现气候中和，但越来越多的公司开始重视绿色能源和气候中和业务，以弥补产生的任何排放。
2、通过物联网提高能源效率
智能建筑和智能家居有一个共同点:即都通过测量能源消耗和识别潜在的节约来节约能源。例如，自动开关灯、窗口自动检测，所有系统都可以通过应用程序随时监控和控制。同样，能源行业的物联网应用是提高能源效率的关键——尤其是通过Infineon半导体解决方案，能源效率也在各个领域得到了提高。这包括能源生产、运输以及能源储存和消耗。
展望未来
有一件事是肯定的: 物联网将继续发展。在未来，联网汽车或智能汽车将找到更快、更安全的路线。联网的街灯将收集交通、安全、照明甚至空气质量的数据，成为智慧城市的一部分。联网的空中出租车将把人们从城市的一个地方运送到另一个地方。物联网还使企业能够开发新的商业模式，例如预先构建的“软件即服务”应用程序，也被称为SaaS。其目标是为各种应用领域提供完整的物联网解决方案。同样，远程使用产品作为产品即服务(PaaS)也变得越来越有吸引力。中心思想是:作为一家企业，可以租用设备的使用权，并远程使用。物联网的发展正受到多个领域的推动:
例如，新的高速移动网络5G的扩展: 其使数据传输更快、更稳定。这将是必要的，因为相互通信的设备越多，数据量就越大。5G移动通信标准可以处理这种洪水，并在数据云中进行处理。
边缘计算在未来也会变得越来越重要: 物联网设备将能够直接在生成数据的设备上处理数据。通过这种方式，例如，在联网汽车中进行数据分析的速度甚至比在云端进行的速度更快。
人工智能(AI)也将推动物联网。计算机和算法将能够独立处理问题，并变得越来越好。根据PwC的“数字产品开发2025”研究，十分之四的工业公司已经在使用数据分析和人工智能进行数字产品开发。因此，物联网只有与人工智能相结合，才能充分发挥其潜力。确实，通过数据分析，企业已经学会了如何改进产品。但如果机器和算法能够独立识别模式，这一数字可以显著增加。
