物聯(lián)網(wǎng)背后的技術(shù)

導(dǎo)讀：盡管所有這些可能很快到來(lái)，但我們?nèi)匀恍枰私馐箟?mèng)想成為現(xiàn)實(shí)的無(wú)數(shù)幕后技術(shù)，如果沒有它們，夢(mèng)想將永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

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編譯：iothome

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(gòu)食物、橋梁可以提醒汽車注意路面結(jié)冰，或者智能設(shè)備，可以監(jiān)測(cè)個(gè)人的健康狀況，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)生手機(jī)上。盡管所有這些可能很快到來(lái)，但我們?nèi)匀恍枰私馐箟?mèng)想成為現(xiàn)實(shí)的無(wú)數(shù)幕后技術(shù)，如果沒有它們，夢(mèng)想將永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

物聯(lián)網(wǎng)(IOT)是一個(gè)由相互連接的數(shù)字設(shè)備、機(jī)器、物體、動(dòng)物或人組成的系統(tǒng)，這些設(shè)備、機(jī)器、物體、動(dòng)物或人具有唯一的標(biāo)識(shí)符，并且能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸和共享數(shù)據(jù)，而不需要人與人或人與設(shè)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?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，并將永遠(yuǎn)存在?？紤]到所有這些，現(xiàn)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(gòu)成?

鑒于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案的多樣性和龐大數(shù)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(xiàng)艱巨的任務(wù)。不過(guò)，為了簡(jiǎn)單起見，我們將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為4個(gè)基本層級(jí)：

▲設(shè)備硬件

設(shè)備實(shí)際上就是物聯(lián)網(wǎng)中的“物”。 作為現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界之間的接口，它們具有不同的大小、形狀和技術(shù)復(fù)雜程度，而具體屬性則取決于它們?cè)谔囟ㄎ锫?lián)網(wǎng)部署中需要執(zhí)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(jī)械，幾乎每一個(gè)實(shí)物(甚至是動(dòng)物或人類等有生命的物體)都可以通過(guò)添加必要的儀器(通過(guò)添加傳感器或執(zhí)行器以及適當(dāng)?shù)能浖?來(lái)測(cè)量和收集必要的數(shù)據(jù)，從而變成一個(gè)連網(wǎng)設(shè)備。當(dāng)然，傳感器、執(zhí)行器或其他遙測(cè)裝置本身也可以作為獨(dú)立的智能設(shè)備。

▲設(shè)備軟件

這實(shí)際上是使連網(wǎng)設(shè)備變得“智能”的原因。軟件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與云的通信、收集數(shù)據(jù)、集成設(shè)備以及在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。此外，設(shè)備軟件還能滿足用戶可視化數(shù)據(jù)和與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)交互的能力。

▲通信

設(shè)備硬件和軟件到位后，還必須有另外一層，它將為智能對(duì)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(jī)制確實(shí)與設(shè)備硬件和軟件緊密相關(guān)，但將它們視為一個(gè)獨(dú)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(wèi)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(yīng)的通信解決方案是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系的重要環(huán)節(jié)之一。所選擇的技術(shù)不僅決定了向云發(fā)送數(shù)據(jù)和從云接收數(shù)據(jù)的方式，而且還決定了設(shè)備的管理方式以及與第三方設(shè)備的通信方式。我們將在本文后面章節(jié)中詳細(xì)介紹當(dāng)前的一些通信解決方案。

▲平臺(tái)

如前所述，借助智能硬件和已安裝的軟件，設(shè)備能夠“感知”周圍發(fā)生的事情，并通過(guò)特定的通信通道與用戶進(jìn)行通信。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是一個(gè)以用戶友好的方式收集、管理、處理、分析和呈現(xiàn)所有這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)收集和管理能力，而且還在于它能夠從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用見解的能力。(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(tái)，選擇哪個(gè)平臺(tái)取決于具體物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的要求以及架構(gòu)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(tái)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(xiàn)實(shí)生活中有很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，而且這些應(yīng)用背后都不缺乏連接解決方案。根據(jù)用例的需求，每個(gè)連接選項(xiàng)都可以提供不同的應(yīng)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(quán)衡。例如，如果您正在建造智能家居，您可能希望將室內(nèi)溫度傳感器和加熱控制器集成到智能手機(jī)中，這樣您就可以遠(yuǎn)程監(jiān)控每個(gè)房間的溫度，并根據(jù)當(dāng)前需求實(shí)時(shí)調(diào)整。在這種情況下，推薦使用Thread，該協(xié)議是專為家庭自動(dòng)化環(huán)境設(shè)計(jì)的。

考慮到通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的多樣性和多樣化，人們可能會(huì)對(duì)開發(fā)新的解決方案的實(shí)際需求產(chǎn)生疑問。其原因是現(xiàn)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(yīng)用中高效工作。本節(jié)將簡(jiǎn)要概述專門供物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)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)線連接技術(shù)，并按每種解決方案實(shí)現(xiàn)的射頻范圍細(xì)分：短程解決方案、中程解決方案和遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)解決方案。

短程物聯(lián)網(wǎng)解決方案：

▲藍(lán)牙

藍(lán)牙技術(shù)作為一種成熟的短距離連接技術(shù)，被認(rèn)為是未來(lái)可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)(如無(wú)線耳機(jī)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(jī)的廣泛集成。其中，藍(lán)牙低功耗(BLE)協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了成本效益并降低了功耗，并且僅需要很少的設(shè)備功耗。但是，這是一個(gè)折衷方案：當(dāng)頻繁傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，BLE可能不是最有效的解決方案。

▲射頻識(shí)別(RFID)

射頻識(shí)別(RFID)是最早實(shí)現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之一，它為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供定位解決方案，尤其是在供應(yīng)鏈管理和物流領(lǐng)域，這需要能夠確定建筑物內(nèi)物體的位置。射頻識(shí)別技術(shù)的未來(lái)顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了簡(jiǎn)單的定位服務(wù)，其可能的應(yīng)用范圍從跟蹤醫(yī)院患者到提高醫(yī)療保健效率，再到提供實(shí)時(shí)商品位置數(shù)據(jù)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開發(fā)的，目前仍然是最廣泛和眾所周知的無(wú)線通信協(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?yàn)樾枰３指咝盘?hào)強(qiáng)度和快速數(shù)據(jù)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(shù)量驚人的物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供了廣泛的基礎(chǔ)，但也需要在營(yíng)銷方面加以管理和使用，從而為服務(wù)提供商和用戶帶來(lái)更多利潤(rùn)。

▲ZigBee

這種流行的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)在交通管理系統(tǒng)、家用電子設(shè)備和機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最為頻繁。Zigbee基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，支持低數(shù)據(jù)交換率、低功耗操作、安全性和可靠性。

▲Thread

Thread專為智能家居產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用IPv6連接，使連接的設(shè)備能夠相互通信、訪問云中服務(wù)或通過(guò)Thread移動(dòng)應(yīng)用與用戶交互。

遠(yuǎn)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)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可確保極低的功耗(電池使用10年)。此外，它可以使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，這不僅保證了它在LTE網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋范圍內(nèi)有效使用，而且還可以保證其信號(hào)質(zhì)量。在許多情況下，也是這一原因讓許多用戶選擇NB-IoT，而不是選擇需要構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，用于連接具有中等數(shù)據(jù)速率要求的物聯(lián)網(wǎng)和M2M設(shè)備。與2G、3G或LTE Cat 1等蜂窩技術(shù)相比，它支持更長(zhǎng)的電池壽命周期，并提供更大的覆蓋范圍。

與現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)兼容，CAT M1不需要運(yùn)營(yíng)商建立新的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)它。與NB?IoT相比，LTE Cat M1是移動(dòng)用例的理想選擇，因?yàn)樗梢韵窀咚貺TE一樣處理信號(hào)塔之間的切換。例如，如果車輛需要穿過(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(shè)備的表現(xiàn)與移動(dòng)電話相同，并且不會(huì)丟失連接。與此相反的是，NB?IoT設(shè)備必須在達(dá)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，這意味著它可以用于需要一定程度的人際交互的應(yīng)用，比如某些健康和安全應(yīng)用(例如，即時(shí)解決方案和報(bào)警面板)。

▲LoRaWAN

Lorawan是一種低功耗遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)協(xié)議，針對(duì)低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，并支持具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò)。面向廣域網(wǎng)(WAN)應(yīng)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(yīng)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(yīng)用提供有效的連接解決方案，這些應(yīng)用需要低水平的數(shù)據(jù)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(xiàng)技術(shù)使它能夠處理每秒10到1000位的低數(shù)據(jù)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(jī)時(shí)間可以達(dá)到20年。Sigfox提供了一個(gè)強(qiáng)大、節(jié)能且可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，能夠支持成千上萬(wàn)個(gè)電池供電設(shè)備之間跨越數(shù)平方公里內(nèi)的通信。Sigfox已被證明適用于各種M2M應(yīng)用，包括智能路燈、智能電表、病人監(jiān)護(hù)儀、安全性設(shè)備和環(huán)境傳感器等。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在我們的家庭、公共空間、辦公室和工廠中，并且鑒于其發(fā)展速度，似乎越來(lái)越接近于調(diào)查機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)結(jié)果。不過(guò)，真正問題不應(yīng)該是什么時(shí)候發(fā)生，而是應(yīng)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(xiàn)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(jié)為從眾多現(xiàn)有解決方案中選擇適當(dāng)?shù)奈锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。