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在前面的文章中，簡(jiǎn)單介紹了物聯(lián)網(wǎng)。討論了物聯(lián)網(wǎng)的重要性、挑戰、應用和趨勢?，F在，有了對 IOT 的基本了解，是時(shí)候研究 IOT 的構建塊了。物聯(lián)網(wǎng)是作為一個(gè)集成了各種技術(shù)的包開(kāi)發(fā)的。每種技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統中都有自己的主要作用。在本教程中，將檢查 IOT 的基本構建塊及其在 IOT 基礎設施中的位置。
物聯(lián)網(wǎng)允許物理世界中的事物（物聯(lián)網(wǎng)設備/對象）通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )與虛擬世界（云服務(wù)、平臺和應用程序）交互，從而能夠相互交換和共享上下文感知信息。因此，任何物聯(lián)網(wǎng)系統都是由物理世界、虛擬世界和通信網(wǎng)絡(luò )構建而成的。這三個(gè)大致是物聯(lián)網(wǎng)系統的基本塊。所以，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統可以用下面的框圖精確地表示——
圖 1：以簡(jiǎn)單塊顯示物聯(lián)網(wǎng)的圖像
為了對物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統的基礎設施有一個(gè)鳥(niǎo)瞰圖，了解以下術(shù)語(yǔ)很重要 -
1) 物——在物聯(lián)網(wǎng)的上下文中，物理世界或信息世界的任何具有唯一身份并可以集成到通信網(wǎng)絡(luò )中的對象都稱(chēng)為“物”。事物可以是物理事物，也可以是虛擬事物。物理事物通常被稱(chēng)為“（物聯(lián)網(wǎng)）設備”。物聯(lián)網(wǎng)中的事物概念也與設備的概念有些不同。雖然事物可以是虛擬的或物理的事物，但當使用術(shù)語(yǔ)設備時(shí)，它指的是可以在網(wǎng)絡(luò )中通信并可能配備傳感器、執行器、處理器、內存和/或控制器的物理設備。雖然事物也可以是虛擬事物，例如云服務(wù)解決方案。此類(lèi)虛擬事物是軟件應用程序、API 或應用程序解決方案，它們以自己的權限交換和處理數據。由于也有這樣的應用，有其唯一的身份或識別密鑰，它們就被視為事物。虛擬事物也可以是物理事物的信息表示，例如亞馬遜網(wǎng)絡(luò )服務(wù)中的事物影子。物理事物的一個(gè)簡(jiǎn)單示例可以是溫度傳感器。溫度傳感器可以通過(guò)控制器連接到通信網(wǎng)絡(luò )，它可以收集和共享有關(guān)環(huán)境實(shí)時(shí)溫度的動(dòng)態(tài)信息。
2）物理世界——因此，物聯(lián)網(wǎng)系統中既可以存在物理事物，也可以存在虛擬事物。物聯(lián)網(wǎng)系統中的物理世界是指物理事物或設備的集合。物理事物或設備是圍繞包含 IOT 板的控制器或處理器構建的。IOT 板有一個(gè)坐著(zhù)的微控制器或微處理器，以及有限的內存資源和一個(gè)或多個(gè)通信接口。它們具有通用輸入/輸出引腳，通過(guò)這些引腳與一個(gè)或多個(gè)傳感器、執行器或通信通道連接。因此，這些物理事物能夠感知、收集、存儲、共享和處理信息，并且可能能夠操作一個(gè)或多個(gè)執行器來(lái)影響現實(shí)世界。
3）虛擬世界——在物聯(lián)網(wǎng)系統中，虛擬世界是指虛擬事物的集合。這些虛擬事物通常是 Web、云或移動(dòng)應用程序、API 或應用程序平臺。虛擬世界或虛擬事物的集合在物聯(lián)網(wǎng)系統中的數據記錄、數據挖掘和分析中起著(zhù)主要作用。來(lái)自物理事物的數據被共享到軟件應用程序（Web 或云服務(wù)），在這些應用程序中存儲、分析和處理數據，以獲得有用的見(jiàn)解或獲取操作執行器所需的信息。
4）通信網(wǎng)絡(luò )——在物聯(lián)網(wǎng)中，通信網(wǎng)絡(luò )是物理世界和虛擬世界之間交互的紐帶。實(shí)際上，它是一個(gè)廣域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，允許裝載傳感器和執行器的 IOT 板與 Web 或云服務(wù)器通信或允許它們相互通信。它與通過(guò)多個(gè)層（物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層）實(shí)現的典型互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有什么不同。在每一層都有各種通信協(xié)議來(lái)促進(jìn)安全和高效的數據交換。
在物理或鏈路層，使用的一些流行的通信協(xié)議是 LR-WPAN、6LoWPAN、藍牙/LE、802.15.4、LTE、GPRS、CDMA、NFC、Zigbee、802.11 Wi-Fi、WIRELESSHART、Zwave、Sigfox、DASH7、 LoRaWAN、Thread、INSTEON等。最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議是IPv4和IPv6。一些常見(jiàn)的傳輸層協(xié)議包括 TCP、UDP、DTLS 和 TLS。一些流行的應用層協(xié)議有 DDS、MQTT、REST、CoAP、LLAP、XMPP、SSI、AMQP、XMPP-IOT 和 MQTT-SN。
物聯(lián)網(wǎng)系統的架構 –
不同的組織和服務(wù)提供商以不同的方式定義、實(shí)施和認可物聯(lián)網(wǎng)架構。然而，物聯(lián)網(wǎng)系統的基本架構在每個(gè)實(shí)施和業(yè)務(wù)模型下都是相同的。物聯(lián)網(wǎng)系統的基本架構可以從以下四層模型來(lái)理解：
1) 物聯(lián)網(wǎng)設備和網(wǎng)關(guān)
2) 通訊網(wǎng)絡(luò )
3) 云或服務(wù)器
4）物聯(lián)網(wǎng)應用
數據由物聯(lián)網(wǎng)系統生成、傳輸、處理并轉換為有用的見(jiàn)解。一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統的基本架構可以用下面的框圖來(lái)表示——
圖 2：IOT 系統架構圖
1) 物聯(lián)網(wǎng)設備——任何滿(mǎn)足以下要求的設備或設備都算作物聯(lián)網(wǎng)設備——
a) 它能夠與其他設備通信并連接到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。它必須具有可以與其他設備建立通信或連接到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的硬件接口和固件或操作系統。
b) 它必須配備傳感器和/或執行器。傳感器可能正在收集來(lái)自物理世界的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)信息。傳感器收集的信息或數據應與服務(wù)器或云共享或交換。該設備還可以具有執行器，以根據或根據云或服務(wù)器發(fā)回的已處理數據或見(jiàn)解采取行動(dòng)。
c) 設備必須具有用于捕獲數據的控制器或處理器、用于存儲數據的內存（通常是臨時(shí)的）以及用于處理捕獲的數據或從服務(wù)器或云接收的數據的固件或操作系統。
大多數物聯(lián)網(wǎng)設備都是使用標準物聯(lián)網(wǎng)板構建的。這些板可以是微控制器板或子板（單板計算機）。一些流行的 IOT 板包括 Arduino、Raspberry Pi、Beagle Bone、CubieBoard、Pinnocio、Banana Pi 等。這些板帶有集成了板載存儲器（RAM 和 ROM）、數字和模擬 GPIO（通用輸入輸出）引腳和各種通信通道（如 USB、I2C、SPI、TWI、以太網(wǎng)）的微控制器或處理器。這些板可以與其他板或傳感器和執行器堆疊在一起，形成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備（物理設備）。
IOT 設備也可以通過(guò)使用流行的微控制器或處理器增加網(wǎng)絡(luò )接口、RF 或蜂窩收發(fā)器來(lái)構建。這種物聯(lián)網(wǎng)設備是為關(guān)鍵任務(wù)應用定制的。一些領(lǐng)先的微控制器制造商包括德州儀器 (TI)、ARM、飛思卡爾、英特爾、Microchip Technology、Atmel 和 Broadcom。
根據硬件設計和功能，物聯(lián)網(wǎng)設備可大致分為以下幾類(lèi)：
1) 通用設備
2) 傳感和驅動(dòng)裝置
通用設備——通用設備是物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域下具有嵌入式處理和通信能力的設備。通用設備可以處理一些信息，并可以通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)接口連接到通信網(wǎng)絡(luò )?；旧?，這些設備僅從云或服務(wù)器收集數據和見(jiàn)解，并相應地操作或執行數據處理。例如，網(wǎng)絡(luò )控制的工業(yè)機器或家用電器可以被視為通用的物聯(lián)網(wǎng)設備。
傳感和執行設備——傳感和執行設備配備傳感器和執行器，使它們能夠交互并影響現實(shí)世界。傳感器收集與實(shí)際物理量有關(guān)的信息，例如溫度、濕度、光強度、力、密度等，并將其傳遞給板載控制器/處理器?？刂破骰蛱幚砥鳎ㄅR時(shí)）存儲信息并將其傳遞到通信網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)各層通信網(wǎng)絡(luò )，在云端或服務(wù)器上接收。云處理信息并發(fā)回有用的見(jiàn)解以操作執行器。
網(wǎng)關(guān)的作用
物聯(lián)網(wǎng)設備可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)或不通過(guò)網(wǎng)關(guān)與其他設備建立通信。協(xié)議轉換基本上需要網(wǎng)關(guān)。假設物聯(lián)網(wǎng)設備可以通過(guò) Zigbee 接口發(fā)送和接收數據，因此將通過(guò) Zigbee 協(xié)議進(jìn)行通信。通信網(wǎng)絡(luò )可以通過(guò)TCP-IP協(xié)議接收和發(fā)送數據。在這種情況下，將需要一個(gè)網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)可以將來(lái)自使用 Zigbee 協(xié)議的設備的數據轉換為通過(guò) TCP-IP 協(xié)議傳輸的數據，并將來(lái)自云或服務(wù)器通過(guò) TCP-IP 協(xié)議的數據轉換為 Zigbee 協(xié)議以供物聯(lián)網(wǎng)設備接收。由于物聯(lián)網(wǎng)設備的通信網(wǎng)絡(luò )和車(chē)載網(wǎng)絡(luò )不同，網(wǎng)關(guān)充當了兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間的雙向橋梁。
網(wǎng)關(guān)根據設備協(xié)議收集和提?。▊鞲衅鳎祿?，根據通信網(wǎng)絡(luò )運行的協(xié)議對其進(jìn)行包裝和格式化，并將數據推送到通信網(wǎng)絡(luò )以傳輸到云端或服務(wù)器。同樣，它從云或服務(wù)器接收和提取數據、見(jiàn)解或信息，根據設備上網(wǎng)絡(luò )使用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議對其進(jìn)行包裝和格式化，并將云處理的數據推送到物聯(lián)網(wǎng)設備。
因此，在以下兩種情況中的任何一種情況下都可能需要網(wǎng)關(guān)——
1）當物聯(lián)網(wǎng)設備和通信網(wǎng)絡(luò )可能以不同的協(xié)議運行時(shí)。通常，這些協(xié)議可能位于不同的網(wǎng)絡(luò )層。就像上面的例子一樣，Zigbee 是物理層協(xié)議，而 TCP-IP 是傳輸層協(xié)議。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設備到網(wǎng)絡(luò )通信的另一個(gè)示例。
2) 一個(gè) IOT 設備可能需要與另一個(gè)以不同協(xié)議運行的 IOT 設備進(jìn)行通信。例如，藍牙設備可以使用網(wǎng)關(guān)與其他 BLE 設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。
因此，網(wǎng)關(guān)提供了設備與云或一個(gè)設備與另一個(gè)設備之間的間接通信方式。在設備到設備通信的情況下，IOT 端點(diǎn)（單個(gè) IOT 設備）可能位于同一位置，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)以不同的物理或鏈路層協(xié)議（RF 協(xié)議，如藍牙、Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth-LE）進(jìn)行通信。這樣的網(wǎng)關(guān)稱(chēng)為邊緣網(wǎng)關(guān)。
圖 3：通過(guò)網(wǎng)關(guān)的 IOT 通信
無(wú)網(wǎng)關(guān)通信
物聯(lián)網(wǎng)設備也可以直接連接到云端或其他物聯(lián)網(wǎng)設備。在這種情況下，設備和通信網(wǎng)絡(luò )或相互通信的設備必須使用相同的協(xié)議共享和交換數據。因此，不需要協(xié)議轉換和任何網(wǎng)關(guān)。通常，這種設備到設備或設備到網(wǎng)絡(luò )的通信可以通過(guò)應用層協(xié)議實(shí)現，例如消息隊列遙測傳輸 (MQTT)、受限應用協(xié)議 (CoAP)、數據分發(fā)服務(wù) (DDS)、高級消息隊列協(xié)議 (AMQP) 和可擴展消息傳遞和存在協(xié)議 (XMPP)。例如，一個(gè) ESP8266 IOT 板可以直接使用 MQTT 協(xié)議與另一個(gè) ESP8266 板直接通信。MQTT 是一種應用層協(xié)議。
圖 4：沒(méi)有網(wǎng)關(guān)的 IOT 通信
IOT 設備（IOT 板）可能具有固件、操作系統或實(shí)時(shí)操作系統來(lái)處理數據、執行消息傳遞和通信、管理數據存儲和管理執行器操作。一些流行的物聯(lián)網(wǎng)操作系統包括嵌入式 Linux、TinyOS、Snappy Ubuntu Core、Contiki、FreeRTOS、Mantis、ARM 的 mbedOS、RIOT OS、Windows 10、Nucleus RTOS、eCOS、SAFE ROTS、Android Things、Green Hills Integrity、WindRiver VxWorks 和布里洛操作系統。
2) 通信網(wǎng)絡(luò )——通信網(wǎng)絡(luò )通常是典型的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )，具有不同的層（物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、傳輸層和應用層）以及在不同層運行的通信協(xié)議。
3）云/服務(wù)器——云或服務(wù)器是物聯(lián)網(wǎng)系統的邊緣。云存儲從不同和無(wú)數的物聯(lián)網(wǎng)設備收集的數據，并執行數據挖掘和分析以從中獲得有用的見(jiàn)解。它還負責管理連接的設備和網(wǎng)絡(luò )，管理設備到設備的通信，并通過(guò)操作和同步不同的物聯(lián)網(wǎng)設備以及它們之間的通信來(lái)實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)應用。云還可以與其他私有和公共云服務(wù)通信以啟用 IOT 應用程序。
4）物聯(lián)網(wǎng)應用——云端數據的處理、挖掘和分析由物聯(lián)網(wǎng)應用完成。IOT 應用程序是云服務(wù)器上的軟件，它提取數據、操作數據以獲取有用的見(jiàn)解并設法將見(jiàn)解安全地推送到目標物聯(lián)網(wǎng)設備。例如，為家庭自動(dòng)化設計的 IOT 應用程序可能會(huì )處理來(lái)自傳感器的數據并從云端發(fā)送命令來(lái)操作家用電器。
在下一個(gè)文章中，將研究在通信網(wǎng)絡(luò )的不同層使用的 不同IOT 通信協(xié)議。
