读懂物联网
来源:51CTO 更新时间:2018-03-14

什么是物联网?
  最近,想必大家不管是网络上、报刊上,还是在大街小巷,经常听到“物联网”这个名词,甚至还出现了物联卡(好吧,你可能会说你很早之前就听说“物联网”这个名词了)。对于非IT行业的从业者来说,虽然这个词语读起来还是朗朗上口的,但并不一定知道它具体是怎么定义的,它和我们经常使用的互联网有什么区别。

 笔者之前也和大家一样,对物联网知之甚少,反正觉得挺高大上的。不过,当本人误打误撞进入了物联网这个行业之后,才发现物联网并不是自己想象的那样简单,用一句俗话来说就是水很深。在工作的同时,我阅读了一些有关物联网的书籍,并查阅了一些资料,大概知道了物联网是个啥,它会对我们的工作和生活产生怎样的影响。

 物联网

本系列文章是我的学习与工作的总结,希望大家读完之后,能够明白物联网是何方神圣,它为什么会变得如此的大红大紫。

 政府推动

闲话不说,言归正传。从古往今来的各国历史可以看出,一项技术或一个概念要能够被大众接受,政府在其中起到了关键的作用。例如,大家熟悉的互联网就是美国政府推动而进入民用的经典案例。互联网的雏形是美国高等研究计划署(Advanced Research Projects Agency,简称ARPA)在20世纪60年代建立起来的ARPANET。它是世界上最早实现分组交换的网络,也是第一个实现了TCP/IP协议的网络。当时建立这个网络,就是为了尝试在远程的计算机上共享处理器和存储器资源。在互联网被提出的很长时间里,它的主要用户都是一些计算机专家(因为只有他们会那些复杂的操作指令),并未进入寻常百姓家。但到了1993年9月,美国总统克林顿宣布了“国家信息基础结构的行动计划”(俗称“信息高速公路”),大力推广互联网,致使互联网得以蓬勃发展并迅速进入民用,这也间接产生了雅虎、思科、Google、Facebook,以及中国的BAT等巨头的传奇。我们今天上网如此便捷,实际上也要感谢这位曾经闹过绯闻的美国总统。

 那么,对于物联网呢?是否也有政府的推动呢?当然是有的。就拿我们中国来说吧,我国已将物联网作为战略性新兴产业上升为国家发展重点,并在《“十二五”规划纲要》中明确提出,要推动物联网关键技术研发和重点领域的应用示范,物联网也成为近年发展“互联网+”国家行动计划中的重要内容。

 顶层有了战略,那么地方就要实施。我国各省市纷纷开建物联网示范工程,例如:

 (1) 某年某月某日,温总理在无锡考察,第一次提出以“感知中国”为中心的物联网概念。根据《无锡市物联网产业发展规划纲要》,无锡投资60亿重点建设的12大物联网示范工程包括:工业、农业、交通、环保、园区、电力、物流、水利、安保、家居、教育和医疗领域。

 (2) 根据《青岛市物联网应用和产业发展行动方案》,未来5年将重点实施7大领域物联网应用示范工程,拉动产业快速发展。具体包括:智能交通、数字家庭、食品安全、城市公共管理、现代物流、精准农业、生产制造七大领域。

 (3) 上海市对外发布《上海推进物联网产业发展行动方案》,将在上海建设10个物联网应用示范工程。具体包括:环境检测、智能安防、智能交通、物流管理、楼宇节能管理、智能电网、医疗、农业、世博园区、应用示范区和产业基地。

 (4) 杭州、成都、天津、山东、江苏等省市也不甘示弱,纷纷推出了自己的物联网发展计划。一时间,祖国的大江南北遍开物联网之花。

 物联网定义

上面说了那么多,总之一句话:物联网很厉害,它现在处于并将长期处于高速发展的阶段。那么,你可能会不耐烦:说了那么多的废话,你还没有告诉我什么是物联网呢。

我们先来看看大家都很熟悉的互联网。当我们上互联网时,实际上并不是人在上网,而是我们使用的计算机里面的程序在上网,我们将上网的指令告诉程序,程序为我们执行具体的上网操作,专业一点来说就是进行数据处理和数据传输。在这个场景中,除了计算机外,没有涉及任何其他的终端(硬件)。

物联网其实是互联网的一个延伸,它的本质也是互联网,只不过终端不再是计算机,而是嵌入式计算机系统及其配套的传感器。举个例子来说,很多人喜欢用小米手环,它即使在人们休息的时候也会记录并上传一些数据,这就是物联网的简单应用。也就是说,只要有硬件或产品连上网,发生数据交互,就叫物联网。

下面为物联网下一个比较官方的定义:物联网是在某一行业内,终端设备通过近距离通信技术实现物物之间相连并进行信息交换和通信的、用以提高行业效率的网络技术。

对于上面的定义,大家可能就会问了:物联网终端设备是什么?物联网有什么特点?物联网涉及到的行业都有哪些?下一篇文章将给出答案。

 

物联网有哪些特点?


 我们知道了物联网的定义以及国家对物联网的大力推动,在文章的最后,我们留了几个问题。这篇文章将给出答案。

 物联网的特点

物联网,顾名思义,从字面意思理解,应该是物品和物品相连。

 这样也就得到了物联网的第一个特点:物联网是物物相连的(你可能会说:这不废话吗?)。这里拿苹果的Apple watch来说明。Apple watch可以采集人体的健康数据、运动数据等,并将这些数据上传到iPhone、iPad上面,这个场景有别于人上网,它是物品(Apple watch)和物品(iPhone或iPad)之间的联网,这就是物联网的特点之一。弱弱地提个欠揍的问题,人算是物品吗?人与人之间使用的网络算是物联网吗?

 物联网的第二个特点:物物之间的信息交换和通信。物联网将不同物品连接起来之后,它总要做点什么,不然连接起来有什么用呢?因为信息交换和通信是所有网络的最根本的需求,而物联网在本质上也是一种网络,所以物联网也具有信息交换和通信的特点,不过,这些信息交换和通信是在物和物之间进行的。还是拿Apple watch来说明,它和iPhone或iPad连接起来之后,就会将数据上传过去,同时也会从后者采集一些数据。这就是物联网的信息交换和通信的场景。

 物联网的特点之三:物联网具有行业性。物联网是具有行业属性的,离开其行业概念,物联网就是一个伪命题,只有在一个行业里面,物联网的方案和应用才具通用性。拿我们在上一篇文章中提到的各省市建立的物联网示范工程来说明,无锡市的物联网示范工程涉及到的行业包括:工业、农业、交通、环保、电力、物流、水利、安保、家居、教育和医疗等,青岛市的物联网应用示范工程涉及到的行业包括:交通、家居、食品、城市管理、物流、农业、制造等,上海市的物联网应用示范工程涉及到的行业包括:环保、安防、交通、物流、电网、医疗、农业等。所谓“隔行如隔山”,不同行业的物联网应用大不相同,这也导致物联网的方案非常的多,在一个行业的成功案例并不能原样复制到另外一个行业。当然,随着物联网技术的发展,各个行业的融合也是一个大的趋势,但在目前来看,行业性是物联网的一个重要特点。此外,大家也许发现了,只要是社会上存在的行业,就会有物联网的存在,我们可以说物联网就是一个“万精油”。

 物联网的特点之四:物联网的物物相连是众多物联网终端设备之间的相连。对于这个特点的理解,可以分为如下两个层次。

 第一,物联网的物物相连是终端设备之间的相连,网络存在的意义就是要让数据在上面跑,那么数据从何而来呢?就来自于终端设备,我们经常使用的小米手环、Apple watch、智能手机,甚至道路上的摄像机,都是终端设备。

   第二,物联网的终端设备不是少数几个,而是很多个,是众多。就像社交网络一样,加入其中的用户越多,其价值就越大,这也适用于物联网。当物联网采集到的数据很少时,因为可能不具备代表性,所以价值不大;而当采集到的数据很多,达到海量时,其价值就体现出来了,因为我们可以对这些数据进行大数据分析而发现某些规律,进而针对特定行业制定解决方案,提升行业效率。

 对于上面提到的物联网终端设备,这里要多说几句。物联网终端设备有很多种,包括:智能手机、平板电脑、可穿戴设备、摄像机、各类数据采集仪等。对于物联网终端设备的理解,要注意以下几点:第一,物联网终端设备是设备,它并不是物联网的主体,物联网的主体是物,终端设备只是物物之间所交换信息的一个中转站或枢纽;第二,物联网终端设备具有与其他物联网终端设备进行信息交换的能力,这点是毋庸置疑的,毕竟物联网上面流动的数据就是来自于终端设备;第三,物联网终端设备要能够自我标识,这是为了让网络和其他终端设备能够很方便地发现自己,同时也方便用户使用。

 通过前一篇文章和本文,大家应该了解了物联网是什么,它有什么样的特点。物联网其实也没有什么神秘的,它在很多方面都体现出了当前互联网的特点,是互联网的一个延伸。在下一篇文章中,我们来看看物联网的产业链。

 

国际国内的物联网玩家有哪些?


作为一个在目前看来具备极大潜力的产业,“投身”物联网产业的公司和个人越来越多,颇有当年美国西部“淘金热”的意味。物联网的参与者非常的多,包括:芯片厂商、设备厂商、传感器厂商、数据服务商、应用软件开发商等,所有的人似乎都想从中分一杯羹。

 国际国内的物联网玩家

既然物联网看起来这么厉害,那些国际的巨头们显然不能错过,甚至在多年之前就开始布局了。

 国际芯片巨头,包括英特尔、高通、ARM等,都成立了“加速器”部门,竞相争夺物联网芯片这个大的市场;思科在提出“万物互联”概念后,以14亿美元收购了物联网平台提供商Jasper;IBM宣布在物联网业务中进行30亿美元的投资;谷歌从智能家庭Nest,到智能城市SideWalk,到无人驾驶汽车,再谷歌云,已经涵盖了物联网生态中很大一部分业务;苹果、微软和三星也一直非常活跃,提供了集线器/平台(如苹果Homekit、三星SmartThings,以及微软的Azure)和终端产品(如苹果的AppleWatch、三星Gear VR,还有微软的HoloLensAR头盔)。

 我们又来看看国内,目前有超过1000家企业牵头研究物联网核心技术,积累了丰富的行业经验。值得一提的是云服务的应用开发平台,中国移动的OneNet、京东智能云、腾讯微信/QQ物联、阿里云、百度IOT、中兴的AnyLink都保持非常迅猛的发展速度。

 虽然大家都在涌入物联网行业,但目前似乎是“雷声大,雨点小”,还没有哪家公司一家独大,包揽该行业的所有业务和产品。

 物联网技术生态链

从技术架构上来说,物联网自底向上分为感知层、网络物联层、数据应用层。每个层次有它独特的生态链。

 1. 感知层

在感知层,主要的参与者是芯片厂商、模块厂商和设备制造商。

 物联网芯片领域关注最多的是传感芯片和无线通信芯片。在传感芯片领域,芯片的能力不仅得到增强,芯片尺寸越来越小,集成度也越来越高,但芯片厂商展示的应用场景偏向能硬件,对物联网的行业应用的研究较少,很多技术离实际应用还有一段距离;在无线通信领域,大多数无线通信芯片公司,都还没有专门为物联网行业开发专有芯片,更多的是将移动通信领域中的低端芯片作为备选。

 模块厂商是硬件领域最想在物联网方面突破的,因为传统的模块厂商的利润已经相当透明,竞争压力也非常大。可以说,模块厂商是对物联网行业动态反应最快的企业。

 对于行业设备制造商来说,因为移动通信领域的模块厂商非常多、能力水平高低不一,并且移动通信模块要应用到行业需要不同程度的适应以及行业特性的摸索,所以它们往往找不到合适的模块厂商或者方案商合作。

 2. 网络物联层

物联网的核心网络不是目前的移动通信网络的核心网,也不是以互联网业务特点复制的网络形态。虽然很多公司看到了物联网络的重要性并进行了布局,但大部分都还处于试验阶段,很多运营商也只是象征性地将物联网作为移动网络上的一个附属服务。

 此外,物联网是被所有人看好的技术领域,这导致了技术标准各式各样,涉及到的利益太多。

 3. 数据应用层

在数据应用层,有三类角色:云服务商、方案厂商和系统集成(软件开发)商。

 云服务商是物联网技术生态链上的新角色。云服务的投入和回报周期相对较长,目前只有少数几家以物联网云服务为主营的提供商,例如:亚马逊的AWS、微软的Azure和国内的阿里云、腾讯云等。

 方案厂商是由技术领域向行业领域扩展的这样一类厂商。它们会了解行业需求,与设备厂商沟通,最终给出合理的方案。

 一个系统集成商依据对物联网的某一行业某一领域某一个案例的深入研究就可以将物联网技术发挥出来,并以此为突破将物联网技术发挥到整个行业。物联网对系统集成商的要求是:不仅要理解物联网的各类技术,同时也需要将物联网技术组合成一套可行的方案解决客户需求。

 小结

在互联网刚兴起的时候,也颇有种“百花齐放,百家争鸣”的意味,但随着时间的流逝,慢慢地出现了赢者通吃的局面。现在一提到互联网,大家可能就会想到Google、Facebook、腾讯、阿里巴巴、百度等。现在的物联网很像当年的互联网,各个参与者都投身其中,并且干得热火朝天,还看不出谁是行业老大。但是,相信在发展到一定程度之后,整个局势就会明朗起来,行业巨头也会涌现。

 该行业中的公司要找准自己的定位,做出特色,力争成为物联网产业链中的一个不可或缺的角色。

 

云技术与物联网的结合


在物联网这个概念被炒得火热之前,云计算技术已经被提出且受到广大IT公司的追捧了。在这篇文章中,我们来看看云技术和物联网有着怎样的关联。

 虽然诞生在物联网之前,但云技术所包含的分布式处理、并行处理和网格计算却是解决物联网的最佳解决方案,云技术的网络分布拓扑与物联网网络拓扑也高度重合。因此,可以这么说:云技术不是因物联网而生,却是为物联网而来。

 云技术与物联网

一、云技术优势

1. 能够处理大量数据

 云技术的输入是大数据。云技术是利用集群技术解决单个计算机或者少量计算机无法完成的计算。而物联网终端设备最基本的功能是产生数据,且终端数量非常的庞大,也在持续不断地产生数据,只有云技术有能力处理如此大量的数据。

 2. 具备超大存储空间

 既然产生了大量的数据,那么就需要很大的存储空间,存储空间大小和数据量是成正比的。物联网的数据需要以合理的方式保存,云技术中的云存储具备可扩展、易伸缩的存储空间,这为物联网早期部署和快速扩展提供了延续性的技术基础。

 3. 具备分布式特性

 由于物联网终端设备可能分布在不同的地方,这也决定了其产生的数据是分布式的,而云技术是从分布式计算技术发展而来。云技术不仅可以处理数量众多的物联网终端设备中的数据,同时计算方式也充分考虑终端设备之间的协同性。

 4. 具备行业性和多样性特点

 在前面的文章中已经介绍过,物联网具备行业性的特点。物联网可以应用到各个行业,每个行业又有千差万别的分支。云技术具备私有云与公有云的概念,正好符合物联网不同行业不同企业独立发展的诉求。

 二、实施过程中的问题及解决方法

虽然看起来云技术和物联网是天生的搭档,但在实施的过程中还是要解决很多问题。我们在本节详细讨论一下。

 1. 物联网发展速度与云技术发展速度不匹配

 云技术在物联网领域的应用相对滞后。云技术不是为了物联网而产生的,且云技术在其他领域已经得到了较好的发展,刚兴起的物联网领域可能还没进入各大云技术提供商的法眼,因此只有在物联网能够为云技术提供者产生较大利益时,他们才能针对物联网给出合理的技术方案。

 物联网基础建设缓慢,无法充分利用云技术。物联网行业基础建设缓慢,使得它无法迅速使用和实施云技术,物联网行业的目标也并不完全会用到最新的云技术。针对这个问题,物联网行业可以采取渐进的做法,采用的技术由信息化技术到智能化技术最后到云技术。

 2. 安全性

 安全性是任何一个行业采用新技术时都会考虑到的问题,物联网行业也不例外。如果物联网行业也和传统行业一样,认为云端的数据是不安全的,那么这就会限制物联网的实施。考虑到物联网的特点,可以采用安全数据传输通道和云端数据加密服务。

 3. 空间服务

 物联网的基础特性之一是海量数据,需要云端有超大的可伸缩的空间,但是目前提供云存储的服务是满足不了这一点的,首先其能够提供的空间服务相对有限,其次没有针对物联网行业特性而提供专门服务。一个可行的解决办法是云数据压缩,因为物联网数据属性是相同或类似的,这为数据压缩提供了极大的便利性。

 三、小结

本文介绍了云技术的优势及要应用到物联网行业中所需要解决的问题,为了实现云技术在物联网行业的落地,可以采取如下四个步骤:

   步骤一:物联网终端设备部署;

   步骤二:网络部署;

   步骤三:计算模式设计及实施;

   步骤四:云技术催化物联网。

 

Wi-Fi/ZigBee/蓝牙/RFID在物联网中的应用 
 

前面介绍过,物联网的物物相连是众多物联网终端设备之间的相连,要让这些设备连接起来就需要有网络和通信技术的支撑。在物联网中,两个终端设备之间的距离可能会非常的短(例如都分布在一个房间内,或者是一个园区内),这就需要我们选择合适的近距离无线通信技术。为什么是无线通信技术呢?因为在很多地方,是不可能或者很难部署有线网络的,如公路上、下水道中。本文介绍在物联网中,比较常用的近距离无线通信技术。

 物联网/无线通信

Wi-Fi

说到近距离的无线通信技术,大家可能首先就会想到Wi-Fi了。确实,现在Wi-Fi几乎遍布城市的各个角落,我们到一家餐厅去,坐下来后的第一件事情就是将手机的Wi-Fi连上。

 Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备(如平板、手机)等终端以无线方式互相连接的技术,事实上它是一个高频无线电信号。Wi-Fi的使用场景以室内为主,特别满足物联网近距离无线通信的要求。

 ZigBee

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术,其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗和低数据速率,主要用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入到各种设备中。简而言之,ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线通信技术,适用于物联网的各种场景中。

 蓝牙

蓝牙技术最初是由电信巨头爱立信公司于1994年发明的,它是一种无线技术标准,可实现固定设备、移动设备和楼宇个人局域网之间的短距离数据交换。另外,蓝牙设备之间通常以两个设备单向通信为主,可用于物联网的特定领域中。

 iBeacon

iBeacon是苹果公司于2013年9月发布的iOS7上配备的新功能,其工作方式是,配备有低功耗蓝牙通信功能的设备使用BLE技术向周围发送自己特有的ID,接收到该ID的应用软件会根据该ID采取一些行动。iBeacon是一种广播方式,只是带有了距离检测的能力。

 RFID

RFID(Radio FrequencyIdentification)技术又称无线射频识别,是一种无线通信技术,可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,而无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别系统最重要的优点是非接触式识别,它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢等恶劣环境阅读标签,并且阅读速度极快,大多数情况下读取数据时间不超过100ms。

 RFID通常被用来进行物体识别,但贴有RFID标记的物体若无主动通信能力,不能作为物联网终端设备,这种情况下物联网终端设备应该是RFID读写器或者有源RFID设备。在大多数情况下,RFID的拓扑结构为一对多方式,即一个读写器对应多个贴有RFID标记的物体。

 NFC

NFC(Near Field Communication,近场通信)是一种短距高频的无线电技术,在13.56MHz频率运行于20cm距离内。它是由非接触式RFID及互联互通技术整合演变而来的,在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能,能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。

 NFC拓扑结构通常用于安全快速的数据交换上,有卡模式和点对点模式,因此为一对一的拓扑结构。

 IrDA

初始的IrDA(Infrared DataAssociation,红外数据组织)1.0标准制订了一个串行、半双工的同步系统,传输速率为2400bit/s~115200bit/s,传输范围为1m,传输半角度为15度~30度。近期,IrDA扩展了其物理层规格,使得数据传输率提升到4Mbit/s。IrDA通常采用单向的数据传输拓扑结构。

 总结

本文介绍了在物联网中常用的几种近距离无线通信技术,包括:Wi-Fi 、ZigBee、蓝牙、iBeacon、RFID、NFC和IrDA。本文提到的每种近距离通信技术都是一套复杂的体系,都有其特定的使用场景,我们不能武断地认为一个技术优于另一个技术,而是要根据具体的使用场景灵活地选择最合适的近距离无线通信技术。

 

物联网的组网技术和无线通信

 

上一篇文章介绍了几种常用的近距离无线通信技术,在这篇文章中,我们利用各类近距离无线通信技术的特点,总结出合理的物联网组网技术。

 物联网/组网/无线通信

一、不同距离段采用不同的无线通信技术

距离是物联网组网的一个基础因素,不同的通信技术在不同的距离上有其用武之地。为了便于描述,这里定义五个距离段:0~10cm(Distance-1)、0.1~1m(Distance-2)、1~10m(Distance-3)、10~100m(Distance-4)和100m以上(Distance-5)。下面我们来看看不同距离段对通信技术的要求及适用的无线通信技术都有哪些。

 Distance-1

 对于这个距离段的通信来说,应用的场景多为快速安全的数据交互和认证。这个特性要求通信的建网速度要快,数据量不能太大,安全性和抗干扰性强。这类场景包括:移动支付、快速身份认证、终端快速识别和任务触发等。

 对于设备来说,这个距离段内的物联网终端设备多为移动便携式设备,要求通信模块的体积小、功耗小、寿命周期长。综合考虑之下,NFC是应用于此类场景中比较好的无线通信技术。

 Distance-2

 在这个距离段,通常的场景是一个工作区域的数据交互和命令控制,如:蓝牙耳机、蓝牙控制、声控、红外控制和数据同步等。具体到物联网场景,这种距离的组网通常是由通信能力强的可移动物联网设备与固定的通信能力弱的物联网终端设备之间的数据交互。

 移动的物联网终端设备通常以收集数据和计算数据为主,固定设备用以采集数据,并在移动终端与其建立通信后将数据一次性传输上去。通常说来,采集功能的终端设备数量和种类比较多,同时为了保证终端设备的状态和管理,移动通信模块体积要小,功耗要低。

 综合考虑之下,IrDA、蓝牙和iBeacon是在该距离段内的比较合适的无线通信技术。

 Distance-3

 这个距离范围通常是一个比较封闭的空间(如室内),同时网络数据流量比较大、传输速度也比较快。很明显,Wi-Fi是较为合适的用在这一距离段内的无线通信技术。

 Distance-4

 在这个距离范围内,通常需要在室外进行物联网的部署。由于室外部署终端设备会出现供电抗干扰问题及通信安全问题,因此在这个距离段内选择通信技术时必须要充分考虑到这些因素。综合考虑之下,选择RFID或ZigBee作为该距离段的无线通信技术。

 Distance-5

 对于这个超过100m距离的通信来说,目前没有专门的无线通信技术,建议采用终端设备之间的组网来完成。

 二、物联网网络拓扑

在物联网中,最常用的网络拓扑结构是各个终端设备之间的协作组网方式。协作组网指设备之间使用协助的方式进行通信,也只有这种方式才能扩充局域物联网的范围,而不受近距离无线通信本身的距离和传输速率的限制。

 但是,一般通信能力强的终端设备在体积和功耗上都会比较大,而对物联网终端设备的要求是通信模块体积小、灵活性高、功耗低,这样才能满足不同环境、不同场景的需求。

 基于以上各方面的考虑,可以采用二级拓扑的组网技术:在直接感知物体的物联网终端设备上采用体积小、功耗低、安全性高的近距离通信技术建立微小网络单元,在达到一定单元和数量后建立采用通信能力强、传输距离长的近距离无线通信技术组成一个分级的局域物联网网络。

 此外,对于物联网组网技术的选择,物联网终端的移动性和数据特性也是需要重点考虑的因素。

 三、总结

本文介绍了物联网的组网技术,在不同的距离段内需要使用不同的无线通信技术。在选择使用哪种无线通信技术进行物联网组网时,距离不是唯一的考虑因素,同时要考虑物联网终端设备的特性和数据的特性等。也就是说,不能单纯地从技术参数的角度来选择组网技术,而是要综合考虑各种可能对网络传输带来影响的因素。

 

物联网网络 VS 计算机网络

 

众所周知,计算机能够实现上网功能是因为有网络的存在,如果没有计算机网络,那么我们就无法彼此之间收发消息,我们的计算机也就成了一个个的孤岛。对于计算机网络来说,TCP/IP协议又是其核心。可以这么说,TCP/IP协议是互联网能够飞速发展的技术基础。那么,传统的TCP/IP协议适用于物联网吗?要回答这个问题,我们先来看看物联网网络与计算机网络的差别。

 网络拓扑

在传统的计算机网络中,局域网终端设备之间是无逻辑关系的,各个设备之间是分散的。虽说互联网也有集群协作的计算机,但这不是普遍存在。

 但物联网却不一样,物联网终端设备之间是有逻辑关系的,各个设备之间或以工作流、或以层次、或以某种复杂协调的方式来协作;也就是说,物联网设备之间只有具备协作关系,才能体现出物联网的价值。

 那么,在设计物联网网络时,我们需要在网络协议设计时就在网络层考虑其逻辑关系,还是留给应用层来定义其逻辑关系?

 终端数量

在一个计算机局域网下,终端数量通常在100台以下;而在一个局域物联网下,终端数量应该是在1000台以上。不光是终端数量多,还可能会有终端设备随时加入局域物联网中。

 因此,终端数量的增多以及新设备的随时加入,对网络协议的要求就是要有较强的自我扩展性。但是扩展性太强的网络,其安全性就会有所下降。

 网络覆盖范围

对于计算机局域网来说,通常情况其覆盖范围就是室内,或者是一个办公间,最大可能是一个建筑体;但是局域物联网通常是在室外,可能覆盖的是几栋楼,一个工厂,一个街区,甚至是一个小城市。局域物联网的一个单元的覆盖距离在1~2 km范围内比较合适,这个是根据近距离无线通信自身最大传播距离来决定的。覆盖范围的不同,必然会对网络协议及组网技术提出不同的要求。

 终端能力多样性及自我标识

在传统的互联网中,网络终端能力相对单一,要么手机、要么计算机。但是在物联网领域,不同行业、不同功能的物联网终端会非常多,物联网终端设备的能力也会千差万别,有的功能可能只是数据采集,有的可能有计算和通信功能,有的可能是集中控制器。

 在传统的互联网中,从网络协议角度来看,其设备是无差别的。但是物联网终端设备具有众多的标识方式:二维码、RFID和蓝牙地址等,如何从网络协议上去命名这些设备也是很有必要研究的。

 始终工作

在传统的计算机网络中,终端设备可以随时下线;但在物联网领域的很多行业中,由于终端设备是感知物体的,所以要求其永远处于工作状态。除了对设备本身的寿命有要求之外,对于网络协议设计来说也是一个全新的、值得去研究的课题。

 安全性

在传统的计算机网络中,实际上是人在操纵设备上网,因此终端设备人为参与比较多;但是在物联网中,由于终端设备数量、安装位置等条件限制,人为参与相对较少或很难,所以对终端设备控制的安全性要求就很高。

 路由协议

在传统的计算机网络中,设计路由协议的目的是:路由设备将从一个地址而来的报文,转发到另外一个地址去。

 在物联网中,很多终端设备可能同时连接到一个集中控制器,也有可能是分散连接的,这是由局域物联网终端数量众多、覆盖区域广的特性决定的。那么在设计物联网的路由协议时,就要考虑到这些特性。

 数据的上行与下行

在传统的计算机网络中,每台终端的使用者是人,网络的数据流量是流向每台计算机,因此计算机网络中数据以下行为主;而在物联网中,终端是要将数据采集并上报,那么数据流量就是以上行为主。数据上行和下行这一最基本状况的改变,必然对现有的网络协议提出新的要求。

 总结

从以上描述可以看出,虽然物联网技术理论基础仍然是计算机及计算机网络技术,但传统的TCP/IP协议并不适用于物联网,需要进行改进或升级。具体到如何设计适用于物联网的网络协议,需要在物联网行业实施过程中不断地总结、归纳,并定义出适合自身的物联网网络协议簇体系。

 

物联网的数据特点

 

当今社会,有价值的数据就是宝贝、就是生产力,而物联网的价值之一就是能够为我们收集并提供有用的数据。在这篇文章中,我们先来看看物联网数据的分类,然后分析数据的特点,最后介绍以数据为中心的物联网设计思想。

 物联网的数据

一、数据分类

1. 静态数据与动态数据

从数据的变化上来说,物联网数据可以分为静态数据和动态数据。

 静态数据多为标签类、地址类数据,如RFID产生的数据多为静态数据。一般用结构性、关系型数据库来存储静态数据;动态数据是以时间为序列的数据,其特点是每个数据都与时间一一对应,动态数据通常采用时序数据库方式存储。

 一般说来,静态数据会随着传感器和控制设备数量的增多而增加;动态数据不仅随设备数量的增加而增加,还会随着时间的流逝而增加。

 2. 能源类、资产属性类、诊断类和信号类数据

 根据数据的原始特性,可以把物联网数据分为:能源类数据、资产属性类数据、诊断类数据和信号类数据。

 能源类数据是指与能耗相关的,或者是计算能耗所需的相关数据,如:电流、电压、功率因子、频率、谐波等。此外,能源数据也是物联网最关键的数据类型之一,因为物联网最终的目的之一就是节能。

 资产属性类数据通常指硬件资产数据,如:设备的规格参数等属性、设备的位置信息、设备之间的从属关系等。这类数据主要用于资产管理。

 诊断类数据是指设备运行过程中检测其运行状态的数据,它又可以分为两类:一类为设备运行参数,另一类为设备外围诊断数据。

 信号类数据是目前工业领域使用最普及的数据,因为它直观、易懂,可同时在本地和远程查看处理。

 二、数据特点

1. 关联性

 在物联网中,数据之间有着千丝万缕的联系。物联网数据的关联性可以从以下两个方面理解:

 第一,时间关联性。即同一时刻的数据照相,数据是同一时刻为系统所产生的,它反映的是系统在这一时刻的状态。从数据世界角度来看,这个系统就是这一时刻的数据集合。

 第二,流程关联性。即一个点的数据经过一定时间后影响第二个点数据的产生,它体现的是系统动态的流程展示。

 2. 时效性

 数据的时效是指从数据产生到其被清除的时间,数据时效性是由系统的实施部署所决定。数据可以被多次使用,也可以使用一次后就被清除。总体来说,数据是远程部署还是边缘部署影响着其时效性,通常边缘部署的数据时效性短,远程部署的数据时效性长。

 数据的实时性也是数据时效性的一部分,实时性和数据的部署位置、数据的重要性以及传输方式都有关联。

 三、以数据为中心的物联网设计思想

有用的数据会产生价值,物联网中的数据各种各样,可以用海量来形容,因此以数据为中心的物联网解决方案甚至商业模式将会是物联网的主流设计思想。总的来说,以数据为中心的物联网的设计思想可以有如下两条设计思路:

 第一,以数据流向为核心的设计思路。它具体包括:数据采集、数据汇聚、数据传输、数据持久化、数据展示、数据处理、数据矫正和数据消费等。

 第二,以数据生产/消费为核心的设计思路。它多以云端业务为中心,尤其以整合现有各个分散子系统为目标或者提供产业链上下游的协同操作。这种设计思路的典型应用是供应链系统设计和综合管理系统设计。

 总结

本文对物联网中的数据进行了详细的介绍,包括:数据分类、数据特点和以数据为中心的物联网设计思想。了解物联网数据是什么,并能够提出相应的物联网技术方案,我们才能够在物联网行业中做出特色、做出水平,并享受物联网为我们带来的成长机会。

物联网终端操作系统


从前面文章的描述中可以看出,物联网终端设备的类型和功能是千差万别的,终端设备的性能在不同场景下的要求也不一致。物联网终端设备的硬件、软件的碎片化也阻碍了物联网本身的发展。


 

物联网终端操作系统可以解决上面提到的问题,它不仅可以重新规范物联网终端设备,也能够为物联网应用的迅速发展提供了统一的开发环境。本文首先介绍物联网终端操作系统的必要性,然后通过介绍物联网终端操作系统的能力来说明如何设计物联网终端操作系统,最后简单介绍在操作系统之上的物联网应用。

 

物联网终端操作系统

 

一、物联网终端操作系统的必要性

物联网应用千差万别,物联网终端设备的形态和需求也是难以统一的,这使得物联网终端操作系统呼之欲出。物联网终端操作系统的目标是充分抽象物联网终端设备,提供快速、高效的物联网应用开发平台。

 具体而言,需要物联网终端操作系统的原因有如下几个:

 第一,物联网终端操作系统解决了物联网终端设备碎片化的问题。物联网终端设备各式各样,如果有一个好的物联网终端操作系统来支撑这些设备,那么各种物联网应用就有了发挥自己能力的舞台,物联网终端设备碎片化的问题也得到了解决。

 第二,物联网终端操作系统可以培养专有的物联网技术生态链。好的物联网终端操作系统可以提高物联网应用的开发速度并培养健康的技术生态链,它可以隔离软/硬件系统,加快物联网应用的开发速度,提高物联网应用的实用性。

 二、物联网终端操作系统的能力

从物联网的实际应用出发,物联网终端操作系统需要具备以下能力:

 1. 硬件控制能力

 物联网终端设备的一个重要能力是感知和控制物体,这种感知和控制都是由不同的硬件设备完成。由于行业和领域的多样性,物联网硬件可能是多种多样的,那么对硬件的抽象和控制就显得尤为重要。物联网终端操作系统要提供丰富的API 来控制硬件或外设,这些API可以提供硬件的底层控制,也可以提供对高层应用属性的控制。

 总的说来,物联网终端操作系统要能够提供丰富的硬件设备驱动,同时要提供丰富的硬件控制API。

 2. 软件远程控制能力

 物联网终端设备的数量非常庞大,并且经常部署在一些比较恶劣的条件下。也就是说,很多终端设备通常都是无人监控和操作的,此时物联网终端设备被远程控制的能力就显得非常重要了。进一步而言,终端操作系统为软件的远程控制能力提供支持,也是物联网终端操作系统的一个特性。

远程控制能力可以从两个方面理解:应用的远程升级和系统控制能力的高度开放。其中,应用的远程升级需要操作系统能够将应用的运行环境和应用分离,系统控制能力高度开放指终端操作系统能够为应用提供足够丰富的控制接口。

 3. 丰富的网络能力

 物联网终端设备具有通过近距离无线通信与其他物联网终端设备进行信息交换的能力,因此,物联网操作系统应该提供丰富的网络接口能力,并支持众多的网络协议。

同时,物联网终端操作系统的网络协议应该是精简的,因为精简的网络协议有利于设备、应用的快速开发和部署,并解决物联网终端设备能力不一致的问题。

 4. 计算能力

 计算能力是物联网终端操作系统需要提供的基础能力,数据的精确度和计算结果的精确度是物联网数据价值的保障。

 物联网终端操作系统需要能够提供丰富的计算模型,方便开发者开发,同时提供计算模型插件能够支持第三方的技术模型。

 5. 系统大小的可伸缩能力

 物联网终端设备与计算机、移动终端的一个显著区别是,物联网终端设备外观、尺寸都是不固定的。外观和尺寸的不固定,对操作系统占用空间的大小就会有多种要求,从百K级别到M级别都要适配。在设计时,对物联网终端操作系统的要求是:内核要小,功能可裁剪。

 内核小,不仅指操作系统内核部分小,而且要求操作系统的最小功能集要很小;功能可裁剪,要求物联网终端操作系统提供丰富的可裁剪的功能模块供选择。

 6. 支持云技术能力

 在前面的文章中,我们提到过,云技术与物联网是一对天生的搭档。因此,我们要在物联网终端操作系统设计之初就考虑两者的关系,增强物联网终端设备支持云技术的能力。

简而言之,为了配合云技术在物联网行业的应用,物联网终端操作系统应该有完善的数据处理的能力。

 7. 系统的自我生长能力

 在设计物联网终端操作系统时,比较好的设计思想是通用操作系统+行业操作系统(通用操作系统是指物联网终端操作系统的提供者关注操作系统在物联网行业通用领域技术的提升;行业操作系统的指针对不同行业,由行业操作系统提供者制定行业操作系统标准),理由如下:

 第一,物联网终端设备多样性,要求操作系统也有多样性的特点。

 第二,物联网的应用领域是分行业的,那么需要针对不同行业特性设计不同的终端操作系统。

 第三,从整个计算机技术领域发展来说,开源的理念越来越被接受,开源会让更多人和机构参与进来,对培养生态链非常有帮助。

 三、物联网应用

根据物联网的特点,可以将物联网应用分为如下几类:

 第一类,节点应用。这是单个物联网终端设备应用,它们运行在单个物联网终端设备上。

 第二类,协调应用。这是多个设备之间的协调应用,它们通常运行在某一单元网络的网关上,负责单元网络下各个终端设备之间的协调和优化。

 第三类,云端应用。它们负责数据存储、计算和展示。

 第四类,展示应用。它们运行于PC端或移动终端,负责物联网应用系统最终的展示。

 本文介绍了设计物联网终端操作系统的必要性和其具备的能力,并简单介绍了操作系统之上的物联网应用。为了培养物联网行业的技术生态链,设计物联网终端操作系统是一项值得长期研究并投入实践的工作。这不仅能够满足行业本身的技术要求,还能够培养具备物联网行业知识体系的专业技术人才,有利于物联网行业长期稳定的发展。
四、总结

本文介绍了设计物联网终端操作系统的必要性和其具备的能力,并简单介绍了操作系统之上的物联网应用。为了培养物联网行业的技术生态链,设计物联网终端操作系统是一项值得长期研究并投入实践的工作。这不仅能够满足行业本身的技术要求,还能够培养具备物联网行业知识体系的专业技术人才,有利于物联网行业长期稳定的发展。

 

物联网行业状态
 

由于物联网是近几年才兴起的,因此其生态链并没有完全建立。很多公司或以新人的身份进入,或以传统厂商的形式转型而来,都想在物联网这个大市场中分一杯羹。

 本文从技术角度出发,讨论物联网行业需要哪些类型的公司参与进来。通过阅读本文,大家可以对物联网行业的状态有个大致的了解。

 物联网行业状态

芯片厂商

物联网技术领域关注最多的是传感芯片和无线通信芯片,它们都是物联网终端设备所必备的。这两类芯片技术的状态如下:

 1. 传感芯片

 很多传感芯片领域的大公司都以物联网作为一个业务的突破点,这使得芯片的能力不仅得到增强,芯片尺寸也越来越小,集成度越来越高。

 该领域目前还存在以下两个问题:第一,芯片厂商展示的应用场景偏向智能硬件,它们对物联网行业应用的研究较少;第二,作为技术领域的上游,这些技术离实际应用还有一段距离。

 2. 无线通信芯片

 大多数无线通信芯片公司,都还没有专门为物联网行业开发专有芯片,更多的是将移动通信领域中的低端芯片作为备选,这往往增加了模块厂商往物联网方向扩展的难度。

 此外,物联网在行业的应用还处在小批量试点阶段,其整个市场的商业价值还没有大到使通信芯片公司花大力气开发物联网专有芯片,这不仅限制了开发的速度,也限制了其应用的领域。 

模块厂商

前面已经提到过,模块厂商是硬件领域最想在物联网方面突破的,因为传统模块厂商的利润已经相当透明,竞争压力也非常大。也就是说,模块厂商是对物联网行业动态反应最快的企业。

 设备制造商

物联网行业涉足众多的行业领域,这使得行业设备制造商找不到合适的模块厂商或者方案商合作。

 设备制造商要想在物联网领域有所作为,首先必须要找到优秀的移动通信领域的模块厂商,其次要找到更多的与上下游厂商合作的渠道。

 物联网终端设备厂商

物联网终端设备是这样的一类设备,它们解决的问题包括:如何采集物联网数据、如何进行本地部署、如何进行边缘计算、如何进行物联网的组网、如何把数据传输到云端等。物联网终端设备厂商是拥有生产物联网终端设备能力的厂商,它们会在物联网行业中扮演着越来越重要的角色。

 行业集成商---方案厂商

方案厂商是由技术领域向行业领域扩展的一类厂商,它们会了解行业需求,与设备厂商沟通,最终给出合理的方案。针对物联网行业的特殊性,方案厂商除了要培养自身的软件能力外,还更多的需要与物联网领域的软件企业合作,这样才能保证方案设计的完整性和实用性。

 物联网对系统集成商的要求也同样很高,它们不仅要理解物联网的各类技术,同时需要将物联网技术组合成一套可行的方案以解决客户需求。

 公有云服务商

公有云服务商是物联网技术生态链上的新角色,物联网的数据特性使得云服务商成为这个生态链上的必要角色之一。

 技术标准组织

虽然物联网是被所有人看好的技术领域,但这也使得该领域的技术标准各式各样,对行业发展非常不利。要解决目前的困境,标准组织应该结合物联网行业的实际情况给出优秀的解决方案,甚至设计出原型帮助开发者快速开发和实施。

 核心网基础建设厂商

物联网的核心网络不只是目前的移动通信网络核心网,也不仅仅是以互联网业务特点复制的网络形态。要想在该行业取得主动甚至领导权,需要有财力的公司加大核心网的基础建设。一些先进的网络技术公司已经开始建立物联网核心网的实验网络,但这远远不够,需要更多的公司意识到核心网基础建设的重要性,并着手开始建设或部署。

 总结

本文介绍了物联网行业的主要参与者,包括:芯片厂商、模块厂商、设备制造商、物联网终端设备厂商、行业集成商---方案厂商、公有云服务商、技术标准组织和核心网基础建设厂商。总的说来,物联网行业涉及到的东西太多,只要在任何一个环节上做好了,都有可能成为一个对行业有影响力的公司。