本章將介紹用于支持物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 應用的技術架構(gòu)，并詳細討論一些關鍵物聯(lián)網(wǎng)技術和無線協(xié)議。

深入了解物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)統(tǒng)

從更高層次來看，物聯(lián)網(wǎng)是一個異構(gòu)網(wǎng)絡，由云計算層負責檢索和處理從其他層獲取的信息。圖 2-1 是一個簡單示意圖。

物聯(lián)網(wǎng)相關數(shù)據(jù)可以存儲在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中的多個位置。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡和基于云的系統(tǒng)中的傳感器、網(wǎng)關和本地設備可以存儲不同數(shù)量的數(shù)據(jù)。

云計算

云計算層在生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，可以存儲大量信息，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、可擴展性和性能，因為云存儲/數(shù)據(jù)庫提供商愿意采用這些功能，以幫助他們在相關行業(yè)領域取得成功。

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

邊緣計算

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

在這些情況下，可以使用邊緣計算。當數(shù)據(jù)在傳感器或網(wǎng)關的源端處理和存儲時，就會發(fā)生邊緣計算，而且只有在需要額外處理時，網(wǎng)絡才會使用云。有些終端設備并不總是將數(shù)據(jù)發(fā)送回云，而是使用邊緣計算在源端存儲和處理數(shù)據(jù)。這有助于為最終用戶提供更實時的體驗，也有助于確保網(wǎng)絡安全。

在功率或帶寬受到限制時，邊緣計算尤其有用。使用傳感器在網(wǎng)絡邊緣對數(shù)據(jù)流實施有用處理可以降低功耗，并更有效地使用帶寬。邊緣計算不會將可識別身份的信息發(fā)送至云，而是在源端存儲和處理，這有助于保護用戶的隱私。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術不斷發(fā)展，延遲逐漸成為更大的問題，邊緣計算將變得更加普及，以實現(xiàn)實時處理。

審視物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

一些物聯(lián)網(wǎng)應用已經(jīng)成熟，比如無線控制家用恒溫器或使用手機打開車門。但未來，物聯(lián)網(wǎng)的潛在應用將更加廣泛，規(guī)模也更大。試想一下，使用手機尋找停車位，或者您的冰箱清楚什么時候需要補充物品并自動下單；橋梁和其他基礎設施中的傳感器會在需要維修或維護時自動通知工程師；當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，定位技術會通知您，這會是怎樣一種體驗。這些未來應用將需要能夠在后臺進行大量數(shù)據(jù)傳輸和處理的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)平臺。

這種物聯(lián)網(wǎng)平臺/架構(gòu)由幾個內(nèi)部連接層組成（參見圖 1-1）。我們來詳細了解一下物聯(lián)網(wǎng)平臺各連接層中的各個組件：

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

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關：網(wǎng)關在本地網(wǎng)絡和英特網(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)絡協(xié)議將其上傳至本地網(wǎng)絡，如藍牙、藍牙低功耗 （BLE）、蜂窩、LoRaWAN、Thread、Wi-Fi 或 ZigBee。網(wǎng)關會創(chuàng)建一個網(wǎng)狀骨干網(wǎng)來分發(fā)收集到的數(shù)據(jù)，并向設備發(fā)送響應。

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

應用：最后，物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)據(jù)可用于各種應用，以幫助人們或組織做出更明智的決定或采取具體措施。這些應用可將云端信息推送至智能手機、平板電腦或計算機上的應用。應用層對用戶來說最重要，因為它是用戶與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的接口，允許用戶控制和監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的許多要素，有時還可以實現(xiàn)實時控制和監(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)設備連接至網(wǎng)絡，并最終連接至應用和用戶。通過定義數(shù)據(jù)交換格式、數(shù)據(jù)編碼、設備尋址方案以及數(shù)據(jù)包從節(jié)點到目的地的路由方式，這些基于標準的專有協(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。每種技術在范圍、傳感和控制以及傳輸不同類型信息的能力方面都具有特定的特性（參見圖 1-2 和 1-3）。這些技術組合在一起可實現(xiàn)所有無線范圍和功能的無縫覆蓋。例如：藍牙非常適用于短程應用，而窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT） 則非常適用于遠程應用。

以下是一些關鍵網(wǎng)絡協(xié)議的簡要概述：

IEEE 802.15.4 標準是低速率無線個人局域網(wǎng) （LR-WPAN） 標準的集合。這些標準可為功率受限設備提供低成本、低速通信。它們構(gòu)成了高級通信協(xié)議（如 ZigBee）規(guī)范的基礎。ZigBee 是一種專為低功耗運行而設計的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，可用于智能家居和公用設施的智能能源應用。ZigBee 基于 IEEE 802.15.4 物理層 （PHY） 和介質(zhì)訪問控制 （MAC） 標準。

Wi-Fi 是 IEEE 802.11 無線局域網(wǎng) （WLAN） 通信標準的集合。它可為室內(nèi)和室外場所提供較高的傳輸速率，且應用非常廣泛。

藍牙是由 Bluetooth Special Interest Group （SIG） 維護的開放標準。它是一種低成本的無線通信技術，適用于移動設備之間的短距離（如 8 - 10米）數(shù)據(jù)傳輸。它可用于音頻流媒體、汽車、揚聲器和耳機等應用。

藍牙低功耗 （BLE） 是藍牙標準的組成部分， 專為低功耗運行而設計。BLE 設備通常使用紐扣電池工作，可用于物聯(lián)網(wǎng)設備，如燈泡和照明開關。

Thread 是一種低功耗、基于互聯(lián)網(wǎng)的安全網(wǎng)狀網(wǎng)絡技術，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 Thread 的普及。Thread 可實現(xiàn)安全的低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡，支持現(xiàn)有的基于 IPv6 的連接標準。

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

蜂窩標準（如 5G）可為物聯(lián)網(wǎng)服務提供網(wǎng)絡主干，同時支持高數(shù)據(jù)速率和遠程通信。NB-IoT 是一種常用的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)標準，可用于智能停車、公用設施管理和制造自動化。

這些消息傳遞協(xié)議用于設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)技術堆棧的關鍵組成部分，如果沒有它們，硬件根本無法工作。利用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)設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)智能設備之所以稱為“智能”，不僅因為它們能夠相互通信，還因為它們在遇到問題時能夠自動緩解問題或通過網(wǎng)絡尋求幫助。這種交互只能通過協(xié)議通信或物聯(lián)網(wǎng)設備所采用的通用語言實現(xiàn)。

責任編輯：haq