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可能是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最好的一篇解釋!

朱老師物聯(lián)網(wǎng)大講堂 ? 2022-05-31 10:43 ? 次閱讀

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物聯(lián)網(wǎng)概念最早于 1999 年由美國 MIT 提出,2013 年前后物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)萌芽并開始迅猛發(fā)展,時至今日,大家對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域概念性內(nèi)容有了一定認(rèn)知。

本次分享我們聚焦在物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)兩方面,過程中包涵了一些問題與思考。

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程大致分為兩個階段,消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)帶動產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng),再進(jìn)化到物聯(lián)網(wǎng)。

共享單車、智能電表、智能家居等都是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的典型案例,車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、智能工業(yè)等諸多場景,蘊(yùn)含著巨大潛力。

那么物聯(lián)網(wǎng)是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?如下圖是典型架構(gòu)之一,四層架構(gòu):

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由感知、網(wǎng)絡(luò)、平臺和應(yīng)用這四層組成的架構(gòu)是物聯(lián)網(wǎng)典型架構(gòu)之一,目前諸多物聯(lián)網(wǎng)場景均按照這個架構(gòu)進(jìn)行布設(shè),如智慧垃圾桶、智慧井蓋、智慧城市等。

感知層:物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端,一般由單片機(jī)作為主控,用來承載企業(yè)的業(yè)務(wù)邏輯,外接傳感器,作用是數(shù)據(jù)采集。

網(wǎng)絡(luò)層:網(wǎng)絡(luò)層用于接入和傳輸數(shù)據(jù),通常分為兩大類,一類是蜂窩網(wǎng)絡(luò),如 4G Cat1、NB-IoT;另一類是非蜂窩網(wǎng)絡(luò),如 Wi-Fi藍(lán)牙ZigBee、LoRa

兩者的區(qū)別是,蜂窩網(wǎng)絡(luò)直接通過核心網(wǎng)直接連入 Internet,非蜂窩網(wǎng)絡(luò)則需要一個網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)會有專門企業(yè)進(jìn)行研發(fā),一端能夠通過 4G、5G 能上網(wǎng),另一端能夠通過 Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、LoRa 去連接很多設(shè)備。

平臺層:劃分為連接管理平臺和業(yè)務(wù)使能平臺,解決業(yè)務(wù)規(guī)劃、安全、維護(hù),以及數(shù)據(jù)如何存儲、檢索、使用等內(nèi)容。

應(yīng)用層:用于應(yīng)用的部署,面向具體的業(yè)務(wù),作用是數(shù)據(jù)呈現(xiàn)及客戶交互。

另一種是自組網(wǎng)式的局域網(wǎng)架構(gòu),這種物聯(lián)網(wǎng)場景不需要服務(wù)器,設(shè)備之間就可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

如下圖,這種架構(gòu)的典型案例:HarmonyOS手機(jī)為核心,構(gòu)建的 1+8+N 全場景應(yīng)用。

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物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我們選擇比較熱的智能家居與消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市與公共事業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市與數(shù)字孿生、車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車這四大方向來談?wù)勎锫?lián)網(wǎng)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

①智能家居與消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)

消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域最典型的場景就是智能家居,于國內(nèi)華為、小米在智能家居領(lǐng)域市場份額占比相對較多,華為的 Hilink、HarmonyOS,小米的米粉卡,頻繁出現(xiàn)在我們的工作和生活中。

②智慧城市與公共事業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

公共事業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最典型的場景就是智慧城市,包涵智慧停車、智慧垃圾桶、城市噪音污染監(jiān)測、井蓋監(jiān)測等。

③智慧城市與數(shù)字孿生

智慧城市中有個概念叫做數(shù)字孿生,如下圖如,是兩者之間的關(guān)系:

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什么是數(shù)字孿生呢?就是在整個城市實(shí)物的基礎(chǔ)之上,通過物聯(lián)網(wǎng)的傳感器采集必要數(shù)據(jù),并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,之后把模型放到云端運(yùn)行,形成一個數(shù)字化的城市模型,于我們的城市一一對應(yīng)。

④車聯(lián)網(wǎng)與智能汽車

車聯(lián)網(wǎng)早期就是把車連接起來,通過調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行通信,之后擴(kuò)展了廣告屏,也有安裝實(shí)時監(jiān)控。

現(xiàn)在的車聯(lián)網(wǎng)大多是指自動駕駛,自動駕駛場景一般采用 V2X(自組網(wǎng)式的局域網(wǎng))架構(gòu),與路基設(shè)施,人,其他車輛通過特定協(xié)議進(jìn)行互動。

車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域涉及的內(nèi)容很多,如 OTA、SOA、TBox 和智能座艙的預(yù)控制器等。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)核心技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)涉及的技術(shù)非常繁多,本次直播主要分享物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端的八大核心技術(shù):

單片機(jī)軟硬件開發(fā)

傳感器技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信編程

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

云平臺對接

低功耗技術(shù)

RTOS

網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

①單片機(jī)軟硬件開發(fā)

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā),核心技能是單片機(jī)的軟硬件開發(fā),大致包涵單片機(jī)硬件電路設(shè)計射頻天線部分硬件設(shè)計、單片機(jī)軟件編程、I2C/SPI/UART 等通信總線編程、AD 轉(zhuǎn)換軟硬件生產(chǎn)部署與測試等核心開發(fā),以及結(jié)構(gòu)、散熱、光學(xué)、機(jī)加工等配套開發(fā)。

②傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù),學(xué)習(xí)門檻相對較低,因?yàn)榇蠖嘁詳?shù)字傳感器為主,都有數(shù)字接口,如溫濕度傳感器、煙感探頭(煙霧傳感器)、9 軸傳感器(動力加速度、陀螺儀、地磁)、GNSS(GPS/Beidou/Glonass)等。

也有一些傳感器是模擬的,需要用AD轉(zhuǎn)換才行,比如電壓檢測、壓力傳感器等。

③網(wǎng)絡(luò)通信編程

網(wǎng)絡(luò)通信編程和互聯(lián)網(wǎng)通信相關(guān),首先要懂網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)知識,對基本原理有一定了解,這樣在學(xué)習(xí)新模塊時,才能比較快速的掌握到核心精髓。

當(dāng)前,物聯(lián)網(wǎng)模塊編程會采用 AT 指令,也會直接用 socket 編程接口。設(shè)備之間相互鏈接采用應(yīng)用層協(xié)議,如 HTTP、MQTT,也可以使用更底層的傳輸層協(xié)議 TCP、UDP。

④網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

CoAP 與 MQTT 是物聯(lián)網(wǎng)常用協(xié)議,COAP 可以理解為 HTTP 針對物聯(lián)網(wǎng)的移植版本,采用 UDP 而不是 TCP 是為了節(jié)約建立連接的開銷,數(shù)據(jù)包頭采用的是二進(jìn)制而不是文本編碼,發(fā)送和接收可以異步進(jìn)行。

MQTT 采用發(fā)布/訂閱模式,進(jìn)行云端管理主題,負(fù)責(zé)消息的轉(zhuǎn)發(fā),采用二進(jìn)制編碼方式,各終端通過 TCP 連接到云端。

對于安全要求比較高的領(lǐng)域,如國防、民航、工業(yè)控制領(lǐng)域,采用實(shí)時數(shù)據(jù)通信協(xié)議 DDS。

⑤云平臺對接

對于單片機(jī)開發(fā)的老工程師來說,是新知識點(diǎn),一般成熟云平臺會提供接口,設(shè)備端按照指令流程進(jìn)行對接,于設(shè)備端上下行進(jìn)行數(shù)據(jù)編程,云平臺對接協(xié)議編程實(shí)現(xiàn),在到云端進(jìn)行開發(fā)(譬如華為 OC 平臺的 profile 和編解碼插件)。

⑥低功耗技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)場景中移動設(shè)備居多,供電方式為電池,所以低功耗是必須考慮的問題。

那么要如何實(shí)現(xiàn)低功耗呢?對于 MCU 部分,盡量選擇低功耗、喚醒時間短的 MCU,適當(dāng)降低系統(tǒng)工作頻率,進(jìn)入睡眠前,關(guān)掉內(nèi)部所有外設(shè)。

如對晶振精度要求不高,盡量選用內(nèi)部晶振,同時降低工作電壓(不同的工作電壓功耗不同)和降低工作溫度。

對于外設(shè)部分,選擇合適的供電方式,采用 LDO 供電或 DCDC 供電要權(quán)衡,選擇低泄漏電流器件(MOS 管和電容等),選擇低功耗的開關(guān)切換電路,切換外部模塊,以及降低系統(tǒng)工作電壓(根據(jù)伏安特性電壓越高漏流越大)。

⑦RTOS

RTOS 是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端技術(shù)精華,當(dāng)前很多單片機(jī)工程師都集中在學(xué)習(xí) RTOS,當(dāng)前也有很多熱門的 RTOS,如華為 LiteOS、阿里 AliOS、RT-Thread、freeRTOS、uCOS2/uCOS3 和 ARM mbed/RTX 等。

那么,這么多 RTOS 在做項(xiàng)目時要如何選擇呢?其實(shí)就考察其的配套組件和生態(tài)完善程度即可。

⑧網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品,非常注重網(wǎng)絡(luò)安全,在這方面防護(hù)方式有很多,如身份驗(yàn)證授權(quán)、入侵檢測、冗余機(jī)制、異常行為檢測、白盒密碼(抵抗白盒攻擊環(huán)境下的攻擊)、FOTA 與區(qū)塊鏈等。

學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的建議

?物聯(lián)網(wǎng)的學(xué)習(xí)建議總結(jié)如下:

①物聯(lián)網(wǎng)并非單一技術(shù),而是多項(xiàng)技術(shù)的組合:學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的時候,首先要了解物聯(lián)網(wǎng)的整體架構(gòu),確定學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備開發(fā),還是云端開發(fā)。

其次,選定一個行業(yè)深耕,畢竟車聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)差別很大,涉及的技術(shù)也大相徑庭。

②注重基礎(chǔ)知識和核心技能,不著急做項(xiàng)目:當(dāng)前,很多開發(fā)者是這個狀態(tài),物聯(lián)網(wǎng)不是通過短暫學(xué)習(xí),就能做出項(xiàng)目的。

成型的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目門檻較高,周期長,也一定會用到細(xì)分行業(yè)里的基礎(chǔ)知識。所以,非常不推薦過早考慮做項(xiàng)目,先把基礎(chǔ)知識和核心技能掌握扎實(shí)為宜。

③注意更新知識體系,不要讀死書:這點(diǎn)對于老工程來說,注意更新知識體系,尤為重要。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)正處于持續(xù)不斷的發(fā)展當(dāng)中,每天都在發(fā)生變化,不斷融入更多領(lǐng)域的高新科技。

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