物聯(lián)網(wǎng)世界背后的支持技術(shù)

　　物聯(lián)網(wǎng)讓我們看到了一個(gè)更加美好的未來(lái)：冰箱可以自動(dòng)訂購食物、橋梁可以提醒汽車(chē)注意路面結冰，或者智能設備，可以監測個(gè)人的健康狀況，并將實(shí)時(shí)數據發(fā)送到醫生手機上。盡管所有這些可能很快到來(lái)，但我們仍然需要了解使夢(mèng)想成為現實(shí)的無(wú)數幕后技術(shù)，如果沒(méi)有它們，夢(mèng)想將永遠無(wú)法實(shí)現。

　　物聯(lián)網(wǎng)(IOT)是一個(gè)由相互連接的數字設備、機器、物體、動(dòng)物或人組成的系統，這些設備、機器、物體、動(dòng)物或人具有唯一的標識符，并且能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸和共享數據，而不需要人與人或人與設備的交互。物聯(lián)網(wǎng)旨在縮小物理世界和虛擬世界之間的差距，并創(chuàng )造一種智能環(huán)境，使個(gè)人以及整個(gè)社會(huì )都能夠以更智能、更舒適的方式生活。盡管聽(tīng)起來(lái)可能有點(diǎn)夸張，但物聯(lián)網(wǎng)確實(shí)已經(jīng)成為我們日常生活的一部分，并將永遠存在?？紤]到所有這些，現在讓我們簡(jiǎn)要回顧一下物聯(lián)網(wǎng)世界背后的支持技術(shù)。
 

 

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是由什么構成?

　　鑒于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案的多樣性和龐大數量，如果您想在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迷宮中找到出路，這將是一項艱巨的任務(wù)。不過(guò)，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為4個(gè)基本層級：

　　▲設備硬件

　　設備實(shí)際上就是物聯(lián)網(wǎng)中的“物”。 作為現實(shí)世界和數字世界之間的接口，它們具有不同的大小、形狀和技術(shù)復雜程度，而具體屬性則取決于它們在特定物聯(lián)網(wǎng)部署中需要執行的任務(wù)。無(wú)論是針頭大小的麥克風(fēng)還是重型建筑機械，幾乎每一個(gè)實(shí)物(甚至是動(dòng)物或人類(lèi)等有生命的物體)都可以通過(guò)添加必要的儀器(通過(guò)添加傳感器或執行器以及適當的軟件)來(lái)測量和收集必要的數據，從而變成一個(gè)連網(wǎng)設備。當然，傳感器、執行器或其他遙測裝置本身也可以作為獨立的智能設備。

　　▲設備軟件

　　這實(shí)際上是使連網(wǎng)設備變得“智能”的原因。軟件負責實(shí)現與云的通信、收集數據、集成設備以及在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中執行實(shí)時(shí)數據分析。此外，設備軟件還能滿(mǎn)足用戶(hù)可視化數據和與物聯(lián)網(wǎng)系統交互的能力。

　　▲通信

　　設備硬件和軟件到位后，還必須有另外一層，它將為智能對象提供與其他物聯(lián)網(wǎng)世界交換信息的方式和方法。雖然通信機制確實(shí)與設備硬件和軟件緊密相關(guān)，但將它們視為一個(gè)獨立層是至關(guān)重要的。通信層包括物理連接解決方案(移動(dòng)、衛星、局域網(wǎng))和在不同物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中使用的特定協(xié)議(Zigbee、Thread、Z-Wave、MQTT、LWM2M)。選擇相應的通信解決方案是構建物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系的重要環(huán)節之一。所選擇的技術(shù)不僅決定了向云發(fā)送數據和從云接收數據的方式，而且還決定了設備的管理方式以及與第三方設備的通信方式。我們將在本文后面章節中詳細介紹當前的一些通信解決方案。

　　▲平臺

　　如前所述，借助智能硬件和已安裝的軟件，設備能夠“感知”周?chē)l(fā)生的事情，并通過(guò)特定的通信通道與用戶(hù)進(jìn)行通信。物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個(gè)以用戶(hù)友好的方式收集、管理、處理、分析和呈現所有這些數據的地方。因此，使這種解決方案特別有價(jià)值的不僅是它的數據收集和管理能力，而且還在于它能夠從數據中發(fā)現有用見(jiàn)解的能力。(來(lái)自物聯(lián)之家網(wǎng))同樣，市場(chǎng)上有很多物聯(lián)網(wǎng)平臺，選擇哪個(gè)平臺取決于具體物聯(lián)網(wǎng)項目的要求以及架構和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)堆棧、可靠性、定制屬性、使用的協(xié)議、硬件不可知論、安全性和成本效益等因素。此外值得一提的是，平臺可以安裝在本地，也可以在云端。

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)堆棧中的連接解決方案

　　現實(shí)生活中有很多物聯(lián)網(wǎng)應用，而且這些應用背后都不缺乏連接解決方案。根據用例的需求，每個(gè)連接選項都可以提供不同的應用支持場(chǎng)景，同時(shí)可以在功耗、范圍和帶寬之間進(jìn)行權衡。例如，如果您正在建造智能家居，您可能希望將室內溫度傳感器和加熱控制器集成到智能手機中，這樣您就可以遠程監控每個(gè)房間的溫度，并根據當前需求實(shí)時(shí)調整。在這種情況下，推薦使用Thread，該協(xié)議是專(zhuān)為家庭自動(dòng)化環(huán)境設計的。

　　考慮到通信標準和協(xié)議的多樣性和多樣化，人們可能會(huì )對開(kāi)發(fā)新的解決方案的實(shí)際需求產(chǎn)生疑問(wèn)。其原因是現有的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，如傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò )協(xié)議(TCP/IP)，往往不夠有效，并且功耗過(guò)大，無(wú)法在新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用中高效工作。本節將簡(jiǎn)要概述專(zhuān)門(mén)供物聯(lián)網(wǎng)系統使用的主要替代網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。

　　概述涉及最流行的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，并按每種解決方案實(shí)現的射頻范圍細分：短程解決方案、中程解決方案和遠程廣域網(wǎng)解決方案。

　　短程物聯(lián)網(wǎng)解決方案：

　　▲藍牙

　　藍牙技術(shù)作為一種成熟的短距離連接技術(shù)，被認為是未來(lái)可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)(如無(wú)線(xiàn)耳機或地理位置傳感器)的關(guān)鍵解決方案，尤其是考慮到它與智能手機的廣泛集成。其中，藍牙低功耗(BLE)協(xié)議在設計時(shí)考慮了成本效益并降低了功耗，并且僅需要很少的設備功耗。但是，這是一個(gè)折衷方案：當頻繁傳輸大量數據時(shí)，BLE可能不是最有效的解決方案。

　　▲射頻識別(RFID)

　　射頻識別(RFID)是最早實(shí)現的物聯(lián)網(wǎng)應用之一，它為物聯(lián)網(wǎng)應用提供定位解決方案，尤其是在供應鏈管理和物流領(lǐng)域，這需要能夠確定建筑物內物體的位置。射頻識別技術(shù)的未來(lái)顯然遠遠超出了簡(jiǎn)單的定位服務(wù)，其可能的應用范圍從跟蹤醫院患者到提高醫療保健效率，再到提供實(shí)時(shí)商品位置數據以最大限度地減少商店的缺貨情況。

　　中程解決方案：

　　▲Wi-Fi

　　它是基于IEEE 802.11開(kāi)發(fā)的，目前仍然是最廣泛和眾所周知的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。它在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的廣泛使用主要受到功耗高于平均水平的限制，這是因為需要保持高信號強度和快速數據傳輸以獲得更好的連接性和可靠性。作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，WI-FI為數量驚人的物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供了廣泛的基礎，但也需要在營(yíng)銷(xiāo)方面加以管理和使用，從而為服務(wù)提供商和用戶(hù)帶來(lái)更多利潤。

　　▲ZigBee

　　這種流行的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )標準在交通管理系統、家用電子設備和機械工業(yè)中應用最為頻繁。Zigbee基于IEEE 802.15.4標準構建，支持低數據交換率、低功耗操作、安全性和可靠性。

　　▲Thread

　　Thread專(zhuān)為智能家居產(chǎn)品設計，采用IPv6連接，使連接的設備能夠相互通信、訪(fǎng)問(wèn)云中服務(wù)或通過(guò)Thread移動(dòng)應用與用戶(hù)交互。

　　遠程廣域網(wǎng)(WAN)解決方案：

　　▲NB-IoT

　　NB-IoT是3GPP技術(shù)的產(chǎn)物，它是一種全新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)標準，可確保極低的功耗(電池使用10年)。此外，它可以使用現有的網(wǎng)絡(luò )基礎架構，這不僅保證了它在LTE網(wǎng)絡(luò )的全球覆蓋范圍內有效使用，而且還可以保證其信號質(zhì)量。在許多情況下，也是這一原因讓許多用戶(hù)選擇NB-IoT，而不是選擇需要構建本地網(wǎng)絡(luò )(如LoRa或Sigfox)的解決方案。

　　▲LTE-Cat M1

　　LTE Cat M1是一種低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)連接標準，用于連接具有中等數據速率要求的物聯(lián)網(wǎng)和M2M設備。與2G、3G或LTE Cat 1等蜂窩技術(shù)相比，它支持更長(cháng)的電池壽命周期，并提供更大的覆蓋范圍。

　　與現有的LTE網(wǎng)絡(luò )兼容，CAT M1不需要運營(yíng)商建立新的基礎設施來(lái)實(shí)現它。與NB?IoT相比，LTE Cat M1是移動(dòng)用例的理想選擇，因為它可以像高速LTE一樣處理信號塔之間的切換。例如，如果車(chē)輛需要穿過(guò)幾個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò )單元才能從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，那么Cat M1設備的表現與移動(dòng)電話(huà)相同，并且不會(huì )丟失連接。與此相反的是，NB?IoT設備必須在達到新的網(wǎng)絡(luò )單元后才會(huì )在某點(diǎn)重新建立新的連接。

　　另一大優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)VoLTE(LTE語(yǔ)音)支持語(yǔ)音功能，這意味著(zhù)它可以用于需要一定程度的人際交互的應用，比如某些健康和安全應用(例如，即時(shí)解決方案和報警面板)。

　　▲LoRaWAN

　　Lorawan是一種低功耗遠程廣域網(wǎng)協(xié)議，針對低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，并支持具有數百萬(wàn)個(gè)設備的大型網(wǎng)絡(luò )。面向廣域網(wǎng)(WAN)應用，LoRaWAN旨在為低功耗廣域網(wǎng)提供功能，以支持物聯(lián)網(wǎng)、M2M、智慧城市和工業(yè)應用中的低成本、移動(dòng)和安全的雙向通信。

　　▲Sigfox

　　Sigfox背后的理念是為低功耗M2M應用提供有效的連接解決方案，這些應用需要低水平的數據傳輸，而WI-FI的覆蓋范圍又太短，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍又太貴、太耗電。Sigfox采用UNB技術(shù)，這項技術(shù)使它能夠處理每秒10到1000位的低數據傳輸速度。(來(lái)源物聯(lián)之家網(wǎng))與蜂窩移動(dòng)通信解決方案相比，它的能耗降低了近100倍，而2.5Ah電池的典型待機時(shí)間可以達到20年。Sigfox提供了一個(gè)強大、節能且可擴展的網(wǎng)絡(luò )，能夠支持成千上萬(wàn)個(gè)電池供電設備之間跨越數平方公里內的通信。Sigfox已被證明適用于各種M2M應用，包括智能路燈、智能電表、病人監護儀、安全性設備和環(huán)境傳感器等。

　　總結

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)出現在我們的家庭、公共空間、辦公室和工廠(chǎng)中，并且鑒于其發(fā)展速度，似乎越來(lái)越接近于調查機構的預測結果。不過(guò)，真正問(wèn)題不應該是什么時(shí)候發(fā)生，而是應該在確保安全和成本效益等關(guān)鍵性能的同時(shí)，如何進(jìn)行連接以實(shí)現盡可能高的效率。因此，從實(shí)際的角度來(lái)看，成功的關(guān)鍵似乎歸結為從眾多現有解決方案中選擇適當的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。