什么是物聯網技術(元宇宙物聯網技術探秘!)

2022 年疫情卷土重來，新冠疫情的肆虐減少了人們在現實世界的聯系，使得人們對線上生活的需求和參與頻率到達了一個頂峰，元宇宙正是在這樣的背景下迅速掀起了熱潮。事實上元宇宙并不是一種完全全新的觀念，1992 年，在 Neal Stephenson 的科學作品《Snow Crash》中第一次明確提出了 Metaverse（元宇宙世界），描繪了一種以人類的虛幻形象在三維空間內和周圍各種環境實現了互動的世界。所以元宇宙就是一個經過虛擬增強的物理現實，即基于未來網絡、具備連接感知與信息共享特性的 3D 虛擬空間。

在元宇宙的發展過程中，相關的政策也伴隨出臺。近些年政府相繼發布的《金融科技發展規劃（2022-2025 年）》《元星球產業發展社會自律協定》《太湖灣科創帶引導區元星球生態產業發展規劃》等政府文件，從多角度為元宇宙的成長提供了思路，以促進元宇宙在各行各業的協調發展。除北京之外，韓國首爾也提出了更詳細的五年計劃，期望將自己建設成元宇宙中心，同時日本經濟產業省還發表了《有關虛擬空間產業發展未來發展可能性與課題研究的調查》。這些政策上的支持與扶持，恰好反應了元宇宙在國家的推動下進入了“快車道”，也預示著元宇宙正在向合規化、商業化的路徑開始前行。

一、物聯網技術在元宇宙中的價值

隨著物聯網技術的迅猛發展，加速實現了虛擬空間和真實空間的連接，為人類跨越現實空間，進入元宇宙奠定了基礎，想要布局元宇宙就要先布局物聯網。元宇宙將是匯集游戲引擎、AR 可穿戴設備、VR、現實世界數據集和不斷發展的物聯網，最終把所有的感應裝置和互聯網整合起來從而構成的一個龐大互聯網，實現任何時候、任何地方人、機、物的互聯互通，而物聯網相關技術作為元宇宙實現跨越虛擬與現實邊界的關鍵技術是不可或缺的。物聯網技術為元宇宙中萬物交互和虛實共存創造了可靠的科技保證，為元宇宙感知外部資源創造技術保障，為元宇宙的發展提供了必然性。

傳感器是物聯網中重要的連接系統，為元宇宙提供了各種各樣的基礎設施，比如感知設備、連接設備、傳輸設備等。目前，物聯網技術在世界呈現出了高速發展，歐、美、日、韓等國家都把物聯網作為重大的新興戰略產業發展。元宇宙最大的特點就是能夠提供快捷的信息訪問途徑，人類進行信息通訊的手段也不再局限于移動手機或個人電腦，而各種穿戴設備、車輛、家庭等也都將連接到互聯網上。另外，物聯網的各類傳感器也是人類五官的重要延伸，可以通過多類傳感器捕獲各類數據。物聯網的整個價值鏈環節可粗略包括感知層、互聯網層、產品層以及使用層。

物聯網技術的不斷發展，為元宇宙的虛擬世界提供了實時、精準、持續的數據供給，同時滿足了隨時隨地以各種方式多元化接入元宇宙的需要。元宇宙物聯網的體系結構主要分為四層 : 感知層、網絡層、平臺層及應用層，整個構架貫穿物聯網業務全生命周期，涵蓋了物聯網的主要組件，如傳感器、控制器、數據采集、轉換、處理、分析、邊緣智能處理、傳輸通訊鏈接、管理服務、平臺建設、業務對接等。元宇宙物聯網的體系結構框架可以根據實現方式而變化，例如在更看重邊緣處理的場景中，為了提升邊緣計算能力，可以在感知層和網絡層中增強在網絡邊緣的信息處理能力及某些智能 AI 運算能力。

1.感知層

感知層的最大作用在于收集物理世界的信息，它也是人類社會與物理環境之間交流溝通的重要渠道。例如在智能飲水方面會引入一個流量感應器，每當客戶飲水，流量感應器就能立即收集到本次自來水的流量。又如小區的門禁卡系統，要先把客戶數據錄入中央資料處理系統，之后客戶在進門的時候直接刷卡就可以。通過物聯網傳感器確保元宇宙世界能夠捕獲更多的外界信息，在感知層中，存在多樣的物聯連接方式，以達到對傳感器、執行器和邊緣控制系統的泛在接入。

2. 網絡層

網絡層連接了感知層與平臺層，物聯網中的網實際上包括了兩個部分：接入網絡、互聯。過去的網絡僅僅打通了人和人之間的信息互動，但并不能打通人與物或物與物之間的信息互動，因此物體本身并不具備信息連接能力。但后來發展出將物體連接進網絡的技術手段，人們可以將它為設備連接網絡，而利用這一網絡就可以把物體和網絡接通，從而完成了人與物和物與物之間的信息互動，增加了信息互聯的邊界，更可以借助大數據、云計算、AI 智能等前沿科技的運用來提高物理與人類世界信息的豐富程度。

3. 平臺層

平臺層是為物聯網企業創造應用領域和增值業務的重要基石，而下游智慧駕駛、智慧家庭等使用層的情景也越來越多樣化，可以促進網絡平臺層、互聯網層的共同成長。平臺底層能夠為傳感設備帶來安全可靠的鏈接與通訊能力，南向鏈接海量設備，將支撐的數據從北向傳輸至云端，上供給云端API，服務端通過調用云端 API 將命令下達至設備終端，并進行遠程管理。物聯網平臺功能主要包括設備連接、設備管理、安全管理、消息通訊、監控運維和大數據應用等。在平臺層中，通過數字孿生技術，將感知層工作場景進行數字化抽象轉變，通過接收來自感知層的數據，這些數據用于可視化或安全防御、處置決策的分析。

4. 應用層

應用層是物聯網的終極目的，它首先是為了把設備終端所獲取到的大數據加以管理，以便為不同的業務領域提供智能服務。目前物聯網所涉及的產業很多，涵蓋了能源、運輸、環境、農產品、工業、管理、家居生活等，而實質上應用的物聯網服務類型則大多涉及物流監測、污染監控、智慧城市交通、智能家居、手機錢包、道路上不停車收費、遠程抄表、智慧檢索等。應用層作為物聯網研究和應用的主要界面，與元宇宙萬物連接進行有序管理，是元宇宙虛實共存的重要基礎。

物聯網技術作為元宇宙的核心底層科技，通過感知層( 傳感器 )、網絡層( 網絡通信 )、應用層( 操作系統 )的協同合作，為元宇宙中萬物鏈接和虛實共存提供了安全科技保證。

二、元宇宙與物聯網核心技術剖析

1.供能技術

不論是融入服飾的 3D 打印可穿戴設備，又或是貼于皮膚之上的微型生物傳感器等，使用場景決定了它們的設計一定是趨于微型化的，這就對傳感器的供能模式提出了考驗。若采用有線供能的模式，因供電線路的限制設備將處于一個固定的環境中，靈活性大大降低。此外，電池也是一種可能的供電方式，但電池本身的體積極大限制了微型傳感器的設計條件，電池續航受限也讓感知系統充滿了極大的不確定性。因此，對于元宇宙所用到的部分低速物聯傳感設備而言，無源無線的供能模式或許更為合適。隨著物聯網技術的發展，未來“溫差能”“微光能”“振動能”“射頻能”的芯片和模組都將投入使用，這種具備自供能特性的芯片和模組在滿足產品設計需求的同時，還擁有免布線、低成本、免維護的特點。可以暢想，貼于身體皮膚表面的無源傳感器，可通過采集皮膚表面的溫差能、用戶使用VR 運動中產生的動能、設備所處環境中的微光能、射頻能來進行發電，維系傳感器恒久在線工作，為元宇宙感知層面的搭建奠定了重要基礎。

2. 感知技術

讓機器能夠識別檢測到物理環境中的各類信息，使機器能夠有效地與周圍世界進行交互。基于多傳感器的多模傳感功能是元宇宙最主要的科學元素，通過多種感應器的結合使用能夠克服其各自的缺陷，是一個融合了多種感應器信息的綜合性前沿學科。主要應用圖像視覺感應器、語音信號、紅外感應器、壓力傳感器等，實時收集其聲、光、溫、電、動力、化學、生物、位置等各種環境的狀態數據，例如通過 Camera、激光雷達、IMU、毫米波雷達等感應器的結合，收集其操作的物理狀態數據，目前在自動駕駛、移動機器人等的傳感與定位應用領域中處于十分關鍵的地位位置。

3. 聯網技術

網絡是物聯網中最主要的信息傳遞網絡之一，要實現物聯網就必須要求互聯網能適應更大的信息量，并提供更多的終端服務。但要達到一些要求，就需要在技術上進行突破。目前，IPv6 技術已是突破了這些難點的新技術，這主要是因為 IPv6 技術具有近乎無盡的地址存儲空間，因此能夠保存并傳送海量的數據。而使用互聯網的 IPv6 技術，不但能夠為人提供服務，而且還可以為各種硬件設施提供服務。

4. 移動通信技術

移動物體之間、運動物體和靜止物體之間的聯系，必須借助移動通信網路才能正常進行。移動通信分為兩類方式，分別為有線電話與無線通信，在這兩類方法的影響下，我們能夠享用到語音電話、視頻傳輸等業務。內核網、內核骨干網和無線接入網一起構成了移動通信網。當中，無線接入網的主要功能就是連接移動通信網的所有移動端口，并依靠內核網和內核骨干網才能夠進行信息的交互與傳輸。據此看來，移動通信網的基本技術應該分為兩種：第一類是通信交互工藝技術；另一類則是信號傳輸工藝技術。移動通信網能夠進行所有方式的通訊，所以它也具備了開放性，而移動通信網能夠在各種不同條件下開展作業，因此它也具備復雜性。此外，移動通信網也具備了移動性。

5. 無線傳感網

無線傳感器網絡研究涉及到許多方面的內容，主要涉及現代網絡信息技術、無線通信技術、嵌入式計算、分布式數據處理網絡和傳感器網絡等。網關節點 ( 匯聚節點 )、數據傳輸網絡、傳感器節點以及遠程控制設備共同組成的無線傳感器系統，并滿足了無線通訊、數據控制、事務處理等的職能。

6. 中間件技術

介于傳感設備與軟件之間，對物聯網的傳感、互聯互通、智慧計算等能力的支持，能夠對傳感設備收集的信息進行校對、過濾、聚合和處理，能夠顯著降低傳輸數據的冗余性、增強信息和接收的可信度。

7. 智能分析技術

由于物聯網中傳感裝置類型多樣，需要對來自于各種網絡系統、各個子體系中的海量異構數據信息實行統一的管理和儲存，因此需要物聯網的海量信息處理機制能夠充分融入多網、多源、異構的海量數據信息，對這些數據分析信息實行有效快捷的管理，以此獲得最有價值的信息，從而提供智慧決策。同時，海量信息數據處理任務還需要利用各種信息資源，包含運算信息資源、數據庫資源、信息網絡資源等，通過對這種信息資源的統一計劃與調配，才能夠更有效地提高海量信息數據處理的速度。

8. 分布式計算技術

分布式運算就是在二個或多臺軟件上互相共用數據，因為這種應用軟件既可以同時在一臺電腦上執行，又可以在彼此連接起來的多臺計算機上同時執行，所以分布式運算也就是透過共用運算來源，在多臺計算機上均衡運算負荷，可以在單點故障的情況下保證系統的完整性，大大提升了系統的抗干擾能力，保證系統運行的穩定性。

三、結語

目前物聯網所涉及的元宇宙應用場景很多，包括了智能電網、智慧物流管理、人工智能環境、智能化農產品、智能工程、城市管理、家居生活等。隨著物聯網技術的發展，網絡空間和物理空間愈發緊密的融合，而元宇宙也會給我們提供更逼真的感官體驗以及更加具體的服務，人們終將步入到元宇宙所描述的虛實融合的時代。