物联网“寒武纪大爆发”正在来临

■本期观点

物联网被视为继计算机、互联网之后的第三次信息产业浪潮。在 科技 发展和 社会 需求的推动下，物联网的“寒武纪大爆发”正在来临。

当前，物联网在各行业数字化变革中的赋能作用已非常明显，气象行业也是受益者之一。物联网的发展最终将彻底改变气象行业，在物联网设备急剧增加并相互连接的条件下，获取气象数据的渠道将被前所未有地拓宽，气象观测数据的质量和精度也将得到前所未有的提升。

物联网与人工智能、云计算的发展密不可分，三者就像打开宝藏的三把钥匙一样，只有同时拧动才能开启宝藏之门。区块链为物联网穿上了一道“铠甲”，可防止气象数据被黑客篡改或窃取。

■本期嘉宾：中国气象局气象探测中心高级工程师 张明

华风气象传媒集团副总经理 陈钻

安徽省气象局人工影响天气办公室高级工程师 李建邦

在距今542亿年前，有一段时期出现了大量的较高等生物，物种多样性呈爆发式增长——这就是寒武纪生命大爆发。至于爆发的原因，一些科学家认为是因为某些生物（比如著名的三叶虫）进化出了眼睛。有了眼睛之后，这些生物开始追逐捕食其他生物。更为重要的是，眼睛作为一种传感器，能够收集大量数据，而随着数据量的增加，大脑的学习周期就会加快，从而进一步推动之后的生物进化。

物联网被视为继计算机、互联网之后的第三次信息产业浪潮，从进化的视角来看，物联网实际上就是人类 社会 进化出的“眼睛”。《商业内参》（BI Intelligence）今年发布的《2019年全球物联网发展研究报告》指出，预计到2025年全球物联网设备将超过640亿个，远高于2018年的100亿和2017年的90亿。据预测，到2035年将有超过1万亿个物联网器件能在云端保存传感器数据。

物联网的“寒武纪大爆发”正在来临。

物联网的前世今生

物联网，顾名思义，就是物物相连的互联网。说来有些不可思议，物联网这个概念的提出最初来源于一款脱销的口红。

上世纪90年代，麻省理工学院教授凯文·艾什顿在宝洁公司做品牌经理时，发现一款棕色的口红总是缺货，但实际上库存里却还有不少。于是他开始思考：如果在口红的包装中内置一种应用了无线射频识别技术（RFID）的无线通信芯片，并且有一个无线网络能随时接收芯片传来的数据，那么零售商们就可以随时知道货架上有哪些商品，并且及时补货。“物联网”这个概念由此提出，凯文·艾什顿也因此被称为“物联网之父”。

RFID是物联网的核心技术之一，并且在第二次世界大战期间就出现了最早的雏形。当时，英国军队利用无线电发射器加上雷达来识别敌军和友军的飞机。2000年后，RFID技术得到大规模应用，基于物流和供应链管理的物联网开始构建起来。“当我们需要把所有‘物’连接在一起的时候，一个重要的问题就是如何判断出谁是谁，而射频识别技术就是为了解决‘唯一性’问题，为每一个‘物’贴上一个独一无二的身份标签。”张明说。

物与物之间除了要相互识别外，还要能进行数据收集和数据交换，这就不得不提到传感器了。这个词乍听之下你可能觉得有点陌生，但事实上我们周围无处不是传感器，比如气象卫星、监控摄像头、无人机等，都可以看作是采集数据的传感器。此外，手机上也有大量的传感器，比如GPS、重力感应器、红外感应器、摄像头、环境光感受器等。从这个意义上来说，手机其实就是一个物联网集成设备。未来，内置丰富传感器的智能手机可以发挥测量仪器的作用，收集气温、大气压和大气潮汐等数据。

除了射频识别和传感器技术外，物联网还包括智能处理和嵌入式技术。根据张明对未来趋势的分析判断，正在迅猛发展的5G技术将成为物联网发展 历史 上的重大里程碑事件，让“万物互联”从根本上摆脱网络环境的制约，极大地降低物联网的建设成本，并使物联网的服务水平突飞猛进。

总之，真正的物联网是由网络连接的感应器自动捕获、分析数据，自行作出决定，需要机器具备自主学习、自主决策的能力，整个过程不再需要人的干预。

气象+物联网

中国信息通信研究院发布的《2018物联网白皮书》指出，全球物联网产业规模由2008年的500亿美元增长至2018年的1510亿美元。在连接数快速增长和梅特卡夫定律的作用下，物联网在各行业的新一轮应用已经开启，落地增速加快，物联网在各行业数字化变革中的赋能作用已非常明显。

气象行业作为大数据的应用者，较早地接受了物联网的赋能。在一些发达国家，物联网技术已被广泛应用于气象监测预警、气象预报、气象信息传输和气象服务等各个层面。例如，美国应用物联网技术，已实现全自动地面观测。2012年6月，美国国家天气局成功应用物联网技术研发了无线紧急预警系统。该系统可根据恶劣天气经过的路径确定受影响区域，以此搜寻该区域内所有手机发出的信号，自动匹配发送人群，既提高了预警准确性，又避免了信息扰民。日本气象厅于2007年就建成了基于物联网的地震感知预警系统。

韩国气象厅采用RFID技术来监测天气变化，通过布设无线感应器，建立自动天气系统，实现对温度、气压、湿度、风、沉淀物、降雪、可视性、云层、地表地下温度等要素的实时监测和天气系统的追踪，有效提高了气象服务能力和保障水平。

“在国内，物联网技术已应用到气象信息监测、气象信息发布服务和专业气象服务等领域，并初步开发了部分应用系统和产品。”李建邦说。

物联网将手机、车辆甚至雨伞等物件的潜力完全释放了出来，使其一一成为获取天气数据的手段。各种各样的传感器很快就将遍布各个角落，这意味着天气数据将无处不在。“物联网的发展最终将彻底改变气象行业。”张明说，在物联网设备急剧增加并相互连接的条件下，获取气象数据的渠道将被前所未有地拓宽，气象观测数据的质量和精度也将得到前所未有的提升。

物联网与人工智能、云计算、区块链

不管一个人的能力有多强，他都只能观察到事物的某些切面，并且其观察范围主要限于人体感官所能达到的区域。要想获得宏观视角甚至“上帝视角”，我们就需要不断拓展自身的感知能力，让“触角”不断延伸。物联网最大的作用之一就是让人类 社会 拥有了“上帝视角”，极大地拓展了人类的感知能力，开辟了信息采集的新维度。

如果说物联网是人类 社会 进化出的“眼睛”，那么人工智能就是“大脑”。气象数据当前总量大约为23PB，仅每天产生的数据量就达几十个TB。事实上，这样体量的数据已经让气象工作者疲于应对，很多数据的价值根本没时间去挖掘。试想一下，当物联网设备的数量达到千万级甚至亿级时，其产生的数据量将庞大得让人难以想象，之前的数据量根本无法与之同日而语。这时，运用人工智能来处理传感器数据几乎就成为唯一选择。此外，如此海量的数据如果全部部署到业务端或本地，那么所花代价将随搬迁数据体量的倍增而呈几何倍数增长，原本已因系统过多而不堪重负的业务单位将雪上加霜。云计算可以将业务系统所需要的一切资源部署在云端，而人工智能就可以直接在“云”上处理海量气象数据。

更为重要的是，在海量气象数据的“喂养”下，人工智能成长的速度也将惊人的快。届时，“超级人工智能”或许就将出现，这种技术就会变成超级智力。最终，机器的智力会超过人类的集体智力。

“物联网与人工智能、云计算的发展是密不可分的，三者就像打开气象宝藏的三把钥匙一样，只有同时拧动才能开启宝藏之门。单纯把物物相连的意义非常有限，只有让这种连接变得智能才能将物联网的潜能完全释放出来。”张明说。

然而，物联网当前面临的最大问题之一就是信息安全问题，一旦被黑客或病毒侵入，后果将不堪设想。好在，具有高透明、可追溯和防篡改特性的区块链为这个问题提供了很好的解决方案。气象数据一旦上链，上链的时间和内容均是公开透明的，且一旦上链便难以篡改，上链的内容也将逐步具有法律效力，因此可溯源追责，这就为不同机构进行数据交换和共享提供了信任基础，用技术解决了信任和安全问题。

“物联网和区块链技术结合会产生区块链物联网，而区块链物联网可以大幅降低安全风险。”陈钻说，更为重要的是，区块链作为一种交易处理工具对物联网而言是革命性的创新，许多人机交互会被机器间基于规则的交互取代。此外，成功的物联网解决方案必然有强大的价值主张，物联网中的每一个设备都可以充当独立的商业主体，以极低的交易成本与其他设备共享能力和资源。可以想象通过基于区块链的智能合约和智能账本等技术，我们可以使得每部气象物联网中的观测设备都转变为拥有者和用户之间的交易点和经济价值创造点。物联网和区块链技术结合所促成的一系列变革将使得物理世界像数字世界一样流动、个性化和高效。

一、感知层——感知信息

作为物联网的核心，承担感知信息作用的传感器，一直是工业领域和信息技术领域发展的重点，传感器不仅感知信号、标识物体，还具有处理控制功能。

目前，在发达国家，其发展已芯片化、集成化和智能化。如最早提出泛在网的加州大学（伯克利分校），已将压力、磁、光等传感单元集成在一个芯片中，而且芯片具备无线接入和自组网功能。

然而，传感器国产化程度较低，其成本、性能和寿命尚不能满足交通运输物联网信息感知的需求。据了解，交通运输部正在和其他部门合作，研制满足交通需求、具有自主知识产权的传感器，并对市场产生了影响。如专业生产感知气象信息设备的维萨拉公司，得知交通运输部正在组织相关研究后，主动要求加入，其产品在国内也应声降价。

二、网络层——传输信息

传感器感知到基础设施和物品信息后，需要通过网络传输到后台进行处理。

目前，传输信息应用的网络先进技术包括第6版互联网协议（IPv6）、新型无线通信网（3G、4G、ZIGBEE等）、自组网技术等，正在向更快的传输速度、更宽的传输带宽、更高的频谱利用率、更智能化的接入和网络管理发展。

据专家介绍，我国在道路建设中，沿路铺设了大量光纤，但利用程度不高。物联网采集到的海量数据，可以使这些道路光纤物尽其用。

三、应用层——处理信息

物联网概念下的信息处理技术有分布式协同处理、云计算、群集智能等。

信息处理的目的是应用，交通物联网的信息处理是为了分析大量数据，挖掘对百姓出行和交通管理有用的信息。此外，还需要建立信息处理和发送机制体制，保证信息发送到需要的人手中。比如，把宏观的路网信息发送给管理决策人员，把局部道路通行情况发送给公众，把某条具体路段的事故信息发送给正行驶在上面的车辆。

无线网络监测系统搭配气象、土壤和气象站联合工作，对于常规的气象要素都有一个完整的监测，具体如下：

WatchDog 无线网络监测系统

名称：无线网络监测系统         型号：WatchDog         产地：美国     供应商：点将科技

介绍：WatchDog 无线网络监测系统是新一代观测系统。搭配气象、土壤传感器和气象站联合使用，可在多障碍、复杂地形的环境中传输数据，通过一个完整的区域无线网络收集数据。观测者可以随时捕捉不同小气候和立地条件下的环境定位数据，以指导灌溉作业，实现有害生物防治，安排农事作业等。

特定站点管理：     

霜点监测，用以实时决策来保护作物     

跟踪温度和湿度，根据疾病和昆虫的程度决定杀虫剂的使用     

获得并监测土壤湿度和土壤盐分数据，来制定更好的灌溉方案     

测量光照时间和强度，来获得更好更平均的作物质量

基站有三种：传感器基站（Sensor Pup）、气象站基站（Station Pup）和中继器（Repeater Pup）。基站（Pup）使用900MHz/24GHz信号进行通信，能够彼此之间自适应配对，数据以最短路径进行传输，最大的跳转次数为4次。两个基站之间的最大传输距离为762米。防水低耗设计，6节AA电池可使用8个月（典型环境下）。标准的无线网络监测系统由一个数据收集器（Retriever）和若干个基站（Pup）组建而成。

传感器基站（Sensor Pup）具备4个传感器接口，16个数据通道，允许传输多达12组参数，可观测传输有时间标记的当前值、平均值、最高值和最低值。传感器基站可兼容空气温湿度、风速风向、雨量、辐射、土壤水分等多种传感器，欢迎来电详询。

气象站基站（Station Pup）可连接1套Watchdog 2000系列气象站或Mini气象站，可以收集并传输全部的环境观测数据。
中继器（Repeater Pup）用于布设数据传输网络的路径，越过信号障碍，增加传输距离。中继器没有传感器接口不能采集数据。

数据收集器（Retriever）用于采集、存储来自发射器的环境监测数据。10个基站网络，每隔15分钟进行一次记录的情况下，可以储存将近6个月的数据，额外使用4GU盘可以储存数年的数据。数据可以使用USB电缆直接下载。收集器为防水低耗设计，6节AA电池，典型情况下8个月寿命。搭配太阳能供电组可以常年野外运行。
额外选配无线调制解调器，可实现多种无线数据传输和下载，包括Cellular（4G），GSM/GPRS，Wi-Fi等。

数据的传输可以设置为自动上传到指定电脑或网络服务器，用户可以通过电脑客户端、网页客户端、智能手机客户端查看实时数据并做出适当的经营方案以增加产量和质量，节约资源并增加效益。
特点：
无需人为干预，全自动采集、记录和传输所有站点观测数据。
可兼容多种气象、辐射、土壤等传感器。
支持多线程数据传输。
电脑客户端、网页客户端、智能手机客户端等多途径查看实时数据。

气象用通俗的话来说，它是指发生在天空中的风、云、雨、雪、霜、露、虹、晕、闪电、打雷等一切大气的物理现象。气象学研究的对象是大气层内各层大气运动的规律、对流层内发生的天气现象和地面上旱涝冷暖的分布等。如云、雾、雨、雪、冰雹、雷电、台风、寒潮等都是人们常见的天气现象。它的研究范围是地球表面的大气层，厚约3000公里，按热力结构分层，自下而上可分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层；按电磁特性分层，可分为中性层、电离层和磁层；按化学成分分层，可分为均质层或湍流层、非均质层。                  

     

用通俗的话来说，它是指发生在天空中的风、云、雨、雪、霜、露、虹、晕、闪电、打雷等一切大气的自然现象。 概念辨析： 条莱垍头  1、“气象” 大气中的冷热、干湿、风、云、雨、雪、霜、雾、雷电等各种物理现象和物理过程的总称 莱垍头条  2、“天气” 是指影响人类活动瞬间气象特点的综合状况。例如，可以说：“今天天气很好，风和日丽，晴空万里；昨天天气很差，风雨交加”等等。3、“气候” 是指整个地球或其中某一个地区一年或一段时期的气象状况的多年特点。例如，昆明四季如春；长江流域的大部分地区春、秋暖和，盛夏炎热，冬季寒冷，人们就称这里是“四季分明的温带气候”；每年的7月下旬和8月上旬是北京的雨季等。 所以说“气象”、“天气”和“气候”的内涵有着明显的区别，不能混为一谈。

气象是大气在运动过程中发生的各种自然现象，称“大气现象”，简称“气象”。气象包括大气的冷、热、干、湿、风、雨、雷、电、雪、霜、露等各种物理现象和物理过程。        
       
     

地球上某一地区多年时段大气的一般状态 ，是该时段各种天气过程的综合表现。气象要素(温度、降水、风等)的各种统计量(均值、极值 、概率等)是表述气候的基本依据。气候与人类社会有密切关系，许多国家很早就有关于气候现象的记载。中国春秋时代用圭表测日影以确定季节，秦汉时期就有二十四节气、七十二候的完整记载。气候一词源自古希腊文，意为倾斜，指各地气候的冷暖同太阳光线的倾斜程度有关。

由于太阳辐射在地球表面分布的差异，以及海、陆、山脉、森林等不同性质的下垫面在到达地表的太阳辐射的作用下所产生的物理过程不同，使气候除具有温度大致按纬度分布的特征外，还具有明显的地域性特征。按水平尺度大小，气候可分为大气候、中气候与小气候。大气候是指全球性和大区域的气候，如：热带雨林气候、地中海型气候、极地气候、高原气候等；中气候是指较小自然区域的气候，如：森林气候、城市气候、山地气候以及湖泊气候等；小气候是指更小范围的气候，如：贴地气层和小范围特殊地形下的气候(如一个山头或一个谷地)。        
       
     

在纬度位置、海路分布、大气环流、地形、洋流等因素的影响下，世界气候大致分为以下几种类型。⑴、寒带苔原气候：冬长而冷，夏短而凉；⑵、温带针叶林气候：夏季温和，冬季寒冷；⑶、温带阔叶林气候：夏季较暖，冬季较温和；⑷、温带季风气候；⑸、温带草原气候：夏暖冬寒；⑹、温带沙漠气候：夏季炎热干燥，冬季寒冷；⑺、亚热带森林气候；⑻、亚热带季风气候；⑼、热带沙漠气候：高温少雨；⑽、热带草原气候：暖季多雨凉季干燥；⑾、热带雨林气候：高温高湿；⑿、山地气候：从山麓到山顶垂直变化。

气象要素，是指表明大气物理状态、物理现象的各项要素。主要有：气温、气压、风、湿度、云、降水以及各种天气现象。扩大气象要素的概念，则它还可包括日射特性、大气电特性等大气物理特性；还有自由大气中的气象要素的说法。气象要原则上还可以包括无法测定，但可求算的、各基本要素的函数，如相当温度、位温和空气密度等。

气象站

气象站，基于物联网技术，围绕农业生产，由传感器、防雨控制柜、供电系统、立杆、云平台等部分组成，广泛应用于气象、农业等行业，在农业局、高校、高标准示范区等场合都有应用。

主要功能：

1数据监测：实时显示CO2、气压、雨量、风速、风向、光照度、空气温湿度、土壤温湿度、PM25/PM10等数据，数据上传频率为一分钟一次，云平台每隔3秒更新一次。

2组网能力：可利用4G、5G、以太网、WIFI等无线网络进行通讯。通常情况选用GPRS或GSM两种传输方式，主要适合于异地城市之间数据的收发;

3远程管理：云平台在安卓/IOS手机、电脑软件/网页环境上运行，监测数据自动存储，存储频率与上传频率一致，存储周期以年为单位，支持导出、查询、下载，通过打印机打印数据，格式为EXCEL;

4自动报警：支持设置多项参数超限、设备开关状态等进行报警，报警方式包括：APP消息推送、微信公众号、短信、电话等形式，报警内容为：示警时间、示警原因等;

5多样化供电：根据应用现场的环境，可选用电源和太阳能两种供电方式，太阳能电池容量为10Ah，在满电状态下可确保气象站持续7-10天无间断运行;

6耐用性：气象站立杆、传感器等设备均采用工业级工艺，具备良好的防腐蚀、抗冲击性，可长期性运行于各种各样严酷的室外环境，可在严酷工业环境使用;

7集中管理：针对气象站位置分散、位置偏远、环境恶劣的情况，可将多座气象站的数据接入到同一个云平台上，统一展示、集中管理;

8视频监控：支持气象环境数据多样化获取，可将网络监控视频画面与监测数据同步传输至云平台，同屏反馈;

9私有部署：支持对气象站进行二次开发，调用服务器API接口、个性化设置私有化平台等;

首先物联网的特性决定了其必须采用自组网的模式，也就是mesh或者ad hoc、zigbee，其中zigbee传输速率低，耗电低、传输距离短（100米左右，大功率可达500-1000米）主要用于终端传感器数据传输，mesh和ad hoc主要用于大数据传输，区别在于mesh偏向临时固定，adhoc偏向移动
mesh和ad hoc 根据无线调制方式来看，国内目前主要用的是wifi mesh（例如strix的mesh设备）和cofdm mesh（例如winet无线智能宽带网络），前者利用的是wifi技术速率可达几百兆，频率主要用24G和58G，使用全向天线距离大概3-5公里。cofdm调制的mesh速率大概几十兆，特点是传输速率比较稳定、延迟小，适合传输视频以及实时性较高的数据，使用全向天线距离大概5-10km
除了以上无线通信技术以外，还有gps定位、rfid射频识别等无线通信技术

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