本章將介紹用于支持物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)，并詳細(xì)討論一些關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)協(xié)議。

深入了解物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)統(tǒng)

從更高層次來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，由云計(jì)算層負(fù)責(zé)檢索和處理從其他層獲取的信息。圖 2-1 是一個(gè)簡(jiǎn)單示意圖。

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)位置。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和基于云的系統(tǒng)中的傳感器、網(wǎng)關(guān)和本地設(shè)備可以存儲(chǔ)不同數(shù)量的數(shù)據(jù)。

云計(jì)算

云計(jì)算層在生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，可以存儲(chǔ)大量信息，并基于這些數(shù)據(jù)做出決策；它可以有效集成來(lái)自解決方案各組件的數(shù)據(jù)。將云添加到物聯(lián)網(wǎng)還可以提高安全性、可用性、可擴(kuò)展性和性能，因?yàn)樵拼鎯?chǔ)/數(shù)據(jù)庫(kù)提供商愿意采用這些功能，以幫助他們?cè)谙嚓P(guān)行業(yè)領(lǐng)域取得成功。

例如，物聯(lián)網(wǎng)智能家居高度依賴(lài)云的計(jì)算能力。如圖 2-2 所示，智能家居有一個(gè)傳感器和家庭連接層，可以從不同的節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)，然后將這些信息提供給云服務(wù)器，以便做出決策。

邊緣計(jì)算

有時(shí)候，將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到云進(jìn)行處理并沒(méi)有什么意義。雖然云可以處理大量數(shù)據(jù)，它也有缺點(diǎn)，比如通信延遲。此外，有時(shí)云會(huì)不可用，或者需要更快的處理周轉(zhuǎn)時(shí)間。

在這些情況下，可以使用邊緣計(jì)算。當(dāng)數(shù)據(jù)在傳感器或網(wǎng)關(guān)的源端處理和存儲(chǔ)時(shí)，就會(huì)發(fā)生邊緣計(jì)算，而且只有在需要額外處理時(shí)，網(wǎng)絡(luò)才會(huì)使用云。有些終端設(shè)備并不總是將數(shù)據(jù)發(fā)送回云，而是使用邊緣計(jì)算在源端存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)。這有助于為最終用戶(hù)提供更實(shí)時(shí)的體驗(yàn)，也有助于確保網(wǎng)絡(luò)安全。

在功率或帶寬受到限制時(shí)，邊緣計(jì)算尤其有用。使用傳感器在網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)數(shù)據(jù)流實(shí)施有用處理可以降低功耗，并更有效地使用帶寬。邊緣計(jì)算不會(huì)將可識(shí)別身份的信息發(fā)送至云，而是在源端存儲(chǔ)和處理，這有助于保護(hù)用戶(hù)的隱私。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，延遲逐漸成為更大的問(wèn)題，邊緣計(jì)算將變得更加普及，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。

審視物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)成熟，比如無(wú)線(xiàn)控制家用恒溫器或使用手機(jī)打開(kāi)車(chē)門(mén)。但未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)的潛在應(yīng)用將更加廣泛，規(guī)模也更大。試想一下，使用手機(jī)尋找停車(chē)位，或者您的冰箱清楚什么時(shí)候需要補(bǔ)充物品并自動(dòng)下單；橋梁和其他基礎(chǔ)設(shè)施中的傳感器會(huì)在需要維修或維護(hù)時(shí)自動(dòng)通知工程師；當(dāng)您非常接近高度傳染性疾病患者或者有害物質(zhì)或環(huán)境時(shí)，定位技術(shù)會(huì)通知您，這會(huì)是怎樣一種體驗(yàn)。這些未來(lái)應(yīng)用將需要能夠在后臺(tái)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸和處理的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)平臺(tái)。

這種物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)/架構(gòu)由幾個(gè)內(nèi)部連接層組成（參見(jiàn)圖 1-1）。我們來(lái)詳細(xì)了解一下物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)各連接層中的各個(gè)組件：

傳感器和執(zhí)行器：物聯(lián)網(wǎng)傳感器和執(zhí)行器用于測(cè)量溫度、聲音、濕度和振動(dòng)等。在典型的物聯(lián)網(wǎng)智能家居中，恒溫器等智能設(shè)備都具有嵌入式通信單元，可連接至家庭網(wǎng)絡(luò)。恒溫器中的傳感器和執(zhí)行器可將這些物理測(cè)量值轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣值。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)在本地網(wǎng)絡(luò)和英特網(wǎng)之間傳送數(shù)據(jù)。首先，接收傳感器和執(zhí)行器的電子值，然后使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將其上傳至本地網(wǎng)絡(luò)，如藍(lán)牙、藍(lán)牙低功耗 （BLE）、蜂窩、LoRaWAN、Thread、Wi-Fi 或 ZigBee。網(wǎng)關(guān)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)狀骨干網(wǎng)來(lái)分發(fā)收集到的數(shù)據(jù)，并向設(shè)備發(fā)送響應(yīng)。

云基物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)：通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)在云基物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)或公司的數(shù)據(jù)中心，并在那里進(jìn)行處理。然后，可利用這些數(shù)據(jù)執(zhí)行智能操作和制定決策。

應(yīng)用：最后，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)可用于各種應(yīng)用，以幫助人們或組織做出更明智的決定或采取具體措施。這些應(yīng)用可將云端信息推送至智能手機(jī)、平板電腦或計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用。應(yīng)用層對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)最重要，因?yàn)樗怯脩?hù)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的接口，允許用戶(hù)控制和監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的許多要素，有時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控。

了解一些物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議

通信協(xié)議構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主干，可將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接至網(wǎng)絡(luò)，并最終連接至應(yīng)用和用戶(hù)。通過(guò)定義數(shù)據(jù)交換格式、數(shù)據(jù)編碼、設(shè)備尋址方案以及數(shù)據(jù)包從節(jié)點(diǎn)到目的地的路由方式，這些基于標(biāo)準(zhǔn)的專(zhuān)有協(xié)議使數(shù)據(jù)能夠在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的不同層之間傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)包括一系列支持短程、本地和廣域網(wǎng)的不同協(xié)議，且所有這些協(xié)議都可以共存。每種技術(shù)在范圍、傳感和控制以及傳輸不同類(lèi)型信息的能力方面都具有特定的特性（參見(jiàn)圖 1-2 和 1-3）。這些技術(shù)組合在一起可實(shí)現(xiàn)所有無(wú)線(xiàn)范圍和功能的無(wú)縫覆蓋。例如：藍(lán)牙非常適用于短程應(yīng)用，而窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT） 則非常適用于遠(yuǎn)程應(yīng)用。

以下是一些關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的簡(jiǎn)要概述：

IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)是低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng) （LR-WPAN） 標(biāo)準(zhǔn)的集合。這些標(biāo)準(zhǔn)可為功率受限設(shè)備提供低成本、低速通信。它們構(gòu)成了高級(jí)通信協(xié)議（如 ZigBee）規(guī)范的基礎(chǔ)。ZigBee 是一種專(zhuān)為低功耗運(yùn)行而設(shè)計(jì)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，可用于智能家居和公用設(shè)施的智能能源應(yīng)用。ZigBee 基于 IEEE 802.15.4 物理層 （PHY） 和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制 （MAC） 標(biāo)準(zhǔn)。

Wi-Fi 是 IEEE 802.11 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) （WLAN） 通信標(biāo)準(zhǔn)的集合。它可為室內(nèi)和室外場(chǎng)所提供較高的傳輸速率，且應(yīng)用非常廣泛。

藍(lán)牙是由 Bluetooth Special Interest Group （SIG） 維護(hù)的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。它是一種低成本的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，適用于移動(dòng)設(shè)備之間的短距離（如 8 - 10米）數(shù)據(jù)傳輸。它可用于音頻流媒體、汽車(chē)、揚(yáng)聲器和耳機(jī)等應(yīng)用。

藍(lán)牙低功耗 （BLE） 是藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的組成部分， 專(zhuān)為低功耗運(yùn)行而設(shè)計(jì)。BLE 設(shè)備通常使用紐扣電池工作，可用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如燈泡和照明開(kāi)關(guān)。

Thread 是一種低功耗、基于互聯(lián)網(wǎng)的安全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，適用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。2014 年成立了 Thread Group 工作小組，旨在推動(dòng) Thread 的普及。Thread 可實(shí)現(xiàn)安全的低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，支持現(xiàn)有的基于 IPv6 的連接標(biāo)準(zhǔn)。

LoRa 是一種由 LoRa 聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的低功耗廣域網(wǎng) （LPWAN） 協(xié)議，適用于遠(yuǎn)程通信。該技術(shù)是大規(guī)模農(nóng)業(yè)應(yīng)用傳感器的最佳之選。

蜂窩標(biāo)準(zhǔn)（如 5G）可為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)主干，同時(shí)支持高數(shù)據(jù)速率和遠(yuǎn)程通信。NB-IoT 是一種常用的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可用于智能停車(chē)、公用設(shè)施管理和制造自動(dòng)化。

這些消息傳遞協(xié)議用于設(shè)備之間以及與云端之間的數(shù)據(jù)共享。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)堆棧的關(guān)鍵組成部分，如果沒(méi)有它們，硬件根本無(wú)法工作。利用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠以一種受控和有意義的方式交換數(shù)據(jù)。

例如，物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備之所以稱(chēng)為“智能”，不僅因?yàn)樗鼈兡軌蛳嗷ネㄐ牛€因?yàn)樗鼈冊(cè)谟龅絾?wèn)題時(shí)能夠自動(dòng)緩解問(wèn)題或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)尋求幫助。這種交互只能通過(guò)協(xié)議通信或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所采用的通用語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

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