作者：Grainne Murphy and Colm Prendergast

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 只是將任何帶有傳感器或控制器的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)（和/或?qū)⒃O(shè)備相互連接）的概念。這包括手機、電器、汽車、機器、機器組件、可穿戴設(shè)備以及您能想到的任何其他東西。但物聯(lián)網(wǎng)的原理是，它只是一個連接并延伸到云的測量信號鏈。

傳感/測量件將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)流。然后可以采用、處理、傳輸、分析這種數(shù)字格式，然后可以根據(jù)結(jié)果做出決策。將光、聲、壓力和溫度等物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)的概念已經(jīng)過時。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展通過使用元模式和云及其海量存儲和處理能力支持的計算建模功能，改變了基于這些數(shù)字數(shù)據(jù)做出的決策。一些傳統(tǒng)的傳感功能（如溫度測量技術(shù)）已廣為人知，并可用作獨立測量和其他傳感的因素。例如，在電化學傳感中，溫度會影響測量，需要考慮在內(nèi)。另外，還有更新的令人興奮的傳感器開發(fā)，可以對物聯(lián)網(wǎng)世界產(chǎn)生巨大影響。

其中一個例子是MEMS加速度計。這些傳感器構(gòu)成了多軸振動檢測的基礎(chǔ)，并允許無人機、便攜式游戲設(shè)備或相機等系統(tǒng)進行穩(wěn)定。振動也用于健康跟蹤設(shè)備中以測量個人健康狀況。健康和健身可穿戴傳感器需要永久開啟，提供高精度的身體運動檢測，可以相應(yīng)地進行分析，例如跑步、騎自行車或步行，并為各種便攜式健康和健身應(yīng)用提供實時數(shù)據(jù)。

以加速度計為例，您應(yīng)該在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中尋找什么，更準確的測量值是什么？首先，考慮低功耗。ADI公司的ADXL362是一款超低功耗、3軸MEMS加速度計，在100 Hz輸出數(shù)據(jù)速率下功耗低于2 μA，在運動觸發(fā)喚醒模式下功耗為270 nA（MEMS加速度計測量加速度的靜態(tài)或動態(tài)力）。這樣可以延長電池壽命。其次，考慮帶寬和分辨率。ADXL362不會通過欠采樣來混疊輸入信號;它以所有數(shù)據(jù)速率對傳感器的全帶寬進行采樣，并且噪聲低。這樣可以測量最小的信號。對于需要低于ADXL362正常550 μg/Hz噪聲水平的應(yīng)用，可以選擇兩種較低噪聲模式（典型值低至175 μg/Hz）中的任何一種，電源電流增加最小。

圖2.業(yè)界功耗最低的MEMS加速度計。

更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)很重要：

但是，這種精密測量的價值是什么，為什么它很重要？低噪聲、低漂移組件可最大限度地提高傳感器功能，實現(xiàn)更寬的動態(tài)范圍，這意味著硬件可以測量更多種類的較小信號。這使得終端系統(tǒng)更加準確、靈敏和差異化。這種更高的精度允許開發(fā)平臺硬件，以滿足當前和尚未定義的測量需求以及未來的保護帶。

因此，相同的硬件可用于多代產(chǎn)品，并具有較低的擁有成本的相關(guān)好處，特別是當硬件更換可能既困難又昂貴時。對于物聯(lián)網(wǎng)來說尤其如此，因為傳感器的數(shù)量以及因此相關(guān)的硬件數(shù)量預計將呈爆炸式增長。分析公司Gartner表示，到2020年，將有超過260億臺連接設(shè)備，這是很多連接。此外，由于無線連接的優(yōu)勢，通過物聯(lián)網(wǎng)信號鏈利用，單元將位于越來越難以到達或惡劣的環(huán)境中，如工廠。最后，另一個需要考慮的因素可能是多個市場日益嚴格的政府法規(guī)，包括氣體排放、電力使用和環(huán)境控制。更好的測量系統(tǒng)提供了前瞻性思維，以滿足這些可能的新法規(guī)和不斷變化的法規(guī)，這些法規(guī)需要在現(xiàn)有硬件中進行更精確的測量。能夠滿足新的未來測量需求可以證明在擁擠和競爭激烈的物聯(lián)網(wǎng)市場中生存的差異。

因此，穩(wěn)定精確的硬件測量平臺的重要性怎么強調(diào)都不為過。一旦設(shè)置了這個平臺，就可以通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)差異化。在物聯(lián)網(wǎng)中，這些功能被證明是公司可以在這個競爭激烈的市場中日益脫穎而出的領(lǐng)域。此外，任何系統(tǒng)升級都更容易、更簡單，并且可以實時完成。

合法數(shù)據(jù)真的很重要

有許多因素需要考慮，以確保在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中維護合法數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)可以解釋為多個層，從“物”一直到云。在每一層都可能存在新的外部連接及其相關(guān)的安全風險。還有一條可能的返回路徑，通過層返回到“事物”。這不僅僅是關(guān)于設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)或客戶端 - 涉及許多表面區(qū)域，每個區(qū)域都可以互連。例如，從設(shè)備到云或從設(shè)備到網(wǎng)關(guān)再到云。合法性的目的是確保每一層的安全。隨著我們連接更多的事物、云和網(wǎng)關(guān)，我們增加了易受安全漏洞影響的地方的數(shù)量。

OWASP（開放Web應(yīng)用程序安全項目）將十大物聯(lián)網(wǎng)證券漏洞確定為：

不安全的 Web 界面（XSS、注入、網(wǎng)絡(luò)釣魚）

身份驗證/授權(quán)不足

不安全的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（SSH、SFTP、Telnet）

缺乏傳輸加密

隱私問題/顧慮

不安全的云接口

不安全的移動界面

安全可配置性不足

不安全的軟件/固件

人身安全差

在云中，安全威脅可能表現(xiàn)為數(shù)據(jù)泄露，也可能表現(xiàn)為意外數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)盜竊。毫無疑問，云服務(wù)將托管多個客戶（多租戶），因此該服務(wù)需要確保從一個客戶到下一個客戶的安全分段。然后還有其他問題需要考慮。系統(tǒng)的可用性功能是什么，無論是在本地保持在線還是在可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄露的情況下？如何在多個位置共享和保護數(shù)據(jù)，以及有哪些安全標準？您能否備份數(shù)據(jù)，尤其是在數(shù)據(jù)量因物聯(lián)網(wǎng)而爆炸式增長的情況下？應(yīng)用程序接口（API）將通過同一云服務(wù)為多個客戶開發(fā)和存儲 因此，如何執(zhí)行身份驗證和授權(quán)（以及如何保護管理員等特權(quán)用戶）至關(guān)重要。

有許多方法可以查看和評估云服務(wù)提供商。一種機制是通過已發(fā)布的安全準則。這些全球云指南將繼續(xù)得到加強，服務(wù)提供商將越來越多地需要獲得認證才能滿足這些準則。

但安全問題不僅限于云。在堆棧的每個級別都有相關(guān)的威脅和要應(yīng)對的技術(shù)。物理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)關(guān)可能會被盜或被篡改，未經(jīng)授權(quán)的用戶可能會操縱或訪問數(shù)據(jù)。在這里，篡改檢測器、加密或設(shè)備注冊被用作對策。軟件或固件可能成為網(wǎng)絡(luò)釣魚、惡意軟件攻擊或操縱的目標。這就是受信任的操作系統(tǒng)、在開發(fā)生命周期中構(gòu)建安全性以及漏洞測試至關(guān)重要的地方。在將軟件部署到現(xiàn)場后，建立一種安全更新軟件的機制也很重要。在傳輸數(shù)據(jù)時，不安全的通道可能允許操縱、竊聽或攻擊。在這里，加密傳輸通道、端口/接口管理和持續(xù)主動監(jiān)控是關(guān)鍵。對于數(shù)據(jù)隱私，客戶信心需要特別高。即使是最小的違規(guī)行為，公司的品牌和聲譽也可能受到損害。因此，數(shù)據(jù)加密技術(shù)等良好做法非常重要，以最小化或混淆存儲的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)保留。全球隱私數(shù)據(jù)政策不斷發(fā)展和變化。擁有一個靈活的系統(tǒng)來處理基于世界不同地區(qū)的監(jiān)管差異以及同意，這一點很重要。在應(yīng)用程序級別，不僅僅是用戶身份驗證和授權(quán)以阻止未經(jīng)授權(quán)的訪問，而是持續(xù)測試代碼中的漏洞。還要考慮帶外保護，例如 WAF（Web 應(yīng)用程序防火墻）以及隔離和鎖定受到攻擊的帳戶的功能。今天描述的所有對策都可以應(yīng)用，但安全性必須設(shè)計到生態(tài)系統(tǒng)中，而不是在最后進行改造。

智能互聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

智能（或數(shù)據(jù)處理）可以在物聯(lián)網(wǎng)鏈的任何階段添加。例如，在生命體征監(jiān)測（VSM）中，當體溫處于危險水平的即時警報可以直接在傳感器上發(fā)生時，無需將體溫數(shù)據(jù)僅發(fā)送到云端。然而，相同的溫度也可以用于其他生物醫(yī)學數(shù)據(jù)計算，因此它也可以在網(wǎng)關(guān)或云中使用。

當信號處理發(fā)生在節(jié)點上時，它具有幾個優(yōu)點，包括實現(xiàn)緊密的集成反饋控制環(huán)路。與傳感器和/或執(zhí)行器緊密耦合的好處是可以立即做出決策。例如，達到預定水平的振動使機器或電機立即斷電，或者溫室溫度升高可以驅(qū)動電機打開窗戶。雖然節(jié)點的要求需要具有小尺寸和最低的功耗，以實現(xiàn)潛在的長電池壽命，但集成模擬微控制器（如ADI公司的ADuCM360）等組件可以實現(xiàn)這些需求，例如ADI公司的ADuCM360，它結(jié)合了ARM M3-MCU和24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。未來，可以使用收集的能量的能源獨立設(shè)備將是成功的關(guān)鍵。節(jié)點處理的局限性在于相同的空間和功率限制。此外，很難聚合來自其他來源的數(shù)據(jù)。節(jié)點的低功耗限制了數(shù)據(jù)傳輸范圍和有效載荷。由于節(jié)點管理難以監(jiān)控狀態(tài)和執(zhí)行升級，因此存在相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)邊緣物理、軟件和數(shù)據(jù)安全風險。?

基于網(wǎng)關(guān)的信號處理使用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該設(shè)備在一側(cè)具有短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （WSN） 鏈路，在另一端具有 LAN 或 WAN 鏈路。它類似于路由器，也可以是傳感器集線器。除了WSN網(wǎng)絡(luò)管理和安全功能外，它還經(jīng)常用作本地處理和分析（通常稱為邊緣計算）的計算資源。基于網(wǎng)關(guān)的處理的優(yōu)點是，可以使用潛在的大型處理資源，并能夠聚合來自其他傳感器/源的數(shù)據(jù)。因此，將靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣運行分析的能力與使用現(xiàn)成的開發(fā)工具開發(fā)這些分析相結(jié)合，可以形成一個更加 IT 友好的解決方案。它具有全棧操作系統(tǒng)能力的潛力，并使用LAN/WAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和具有更好安全性的標準遠程管理工具（盡管物理安全性可能存在風險）。相反，它通常不是低功耗，需要有線電源，并且數(shù)據(jù)存儲有限。

圖4.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的示例。

因此，云連接的主要優(yōu)勢之一是能夠存儲、檢索和搜索包含歷史數(shù)據(jù)和/或來自許多設(shè)備的數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)記錄。在許多情況下，對于基于云的信號處理，數(shù)據(jù)存儲與大數(shù)據(jù)處理和分析緊密結(jié)合。僅僅存儲數(shù)據(jù)是不夠的。能夠快速訪問和處理數(shù)據(jù)的需求導致了創(chuàng)新，從而產(chǎn)生了許多新方法，允許使用具有開源框架的簡單編程模型跨計算機集群對大型數(shù)據(jù)集進行分布式處理。基于云的處理的明顯優(yōu)勢是具有內(nèi)置安全性的潛在非常大的計算和存儲資源。開源和商業(yè)開發(fā)工具種類繁多且越來越多，終端解決方案可以輕松擴展。

軟件即服務(wù) （SaaS） 現(xiàn)在被視為云計算中的關(guān)鍵產(chǎn)品，以及基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù) （IaaS）、平臺即服務(wù) （PaaS）、桌面即服務(wù) （DaaS）、移動后端即服務(wù) （BaaS） 和信息技術(shù)管理即服務(wù) （ITMaaS）。這些共同提供了一系列選項，以滿足終端系統(tǒng)的需求。對于基于云的處理，需要服務(wù)器托管（可以是本地或遠程）。存儲和服務(wù)會產(chǎn)生相關(guān)的成本，這對于通信和大型數(shù)據(jù)存儲來說可能很昂貴。其他缺點包括互聯(lián)網(wǎng)通信渠道，在延遲和吞吐量方面可能是不可預測的。

隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展，智能系統(tǒng)分區(qū)也將隨之發(fā)展，以便在節(jié)點上移動更多智能。永遠不要在節(jié)點上產(chǎn)生智慧和知識意味著數(shù)據(jù)在到達云之前會一直保持數(shù)據(jù)，這既耗電又需要帶寬密集型來轉(zhuǎn)換和發(fā)送所有數(shù)據(jù)。智能智能感知是指節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息，從而降低整體功耗、降低延遲并減少帶寬浪費。簡而言之，這使得從反應(yīng)式物聯(lián)網(wǎng)向預測性和實時物聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)變成為可能。

優(yōu)秀的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的挑戰(zhàn)數(shù)不勝數(shù)，包括良好的測量、安全性，以及知道在整個物聯(lián)網(wǎng)路徑中在哪里有效地使用智能。此外，在傳感器、網(wǎng)關(guān)、軟件和存儲提供商的完整物聯(lián)網(wǎng)解決方案中可能有多個供應(yīng)商。在ADI，我們既是物聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商，也是客戶，使用我們自己的ADXL362加速度計（以及其他測量溫度和濕度的傳感器）來監(jiān)控利默里克工廠的制造設(shè)備。通過測量機器或電機振動模式的變化，可以在系統(tǒng)停機之前檢測到故障。這樣做的好處是允許進行預測性維護計劃，從而提高工廠的效率和產(chǎn)能。ADI的物聯(lián)網(wǎng)實施為復雜制造流程中的多臺設(shè)備（新舊設(shè)備以及來自許多供應(yīng)商的設(shè)備）提供完整的監(jiān)控和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時跟蹤和報告效率，在系統(tǒng)停機之前提醒技術(shù)人員可能出現(xiàn)的問題。這提高了晶圓良率，這反過來又幫助我們的客戶更好地規(guī)劃，因為他們的最終需求供應(yīng)更規(guī)律。這個例子展示了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的真正價值。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的復雜性和范圍為信號處理提供了許多選擇.將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的處理從云端轉(zhuǎn)移到邊緣，使傳感器和信息提取更接近源頭。網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和云中的可用處理資源使系統(tǒng)設(shè)計人員能夠優(yōu)化邊緣節(jié)點功耗、數(shù)據(jù)帶寬、計算和存儲需求的解決方案。

審核編輯：郭婷