物聯網世界背后的支持技術

2019-11-04 10:31:39分類:行業資訊267

  物聯網讓我們看到了一個更加美好的未來:冰箱可以自動訂購食物、橋梁可以提醒汽車注意路面結冰,或者智能設備,可以監測個人的健康狀況,并將實時數據發送到醫生手機上。盡管所有這些可能很快到來,但我們仍然需要了解使夢想成為現實的無數幕后技術,如果沒有它們,夢想將永遠無法實現。

  物聯網(IOT)是一個由相互連接的數字設備、機器、物體、動物或人組成的系統,這些設備、機器、物體、動物或人具有唯一的標識符,并且能夠通過網絡傳輸和共享數據,而不需要人與人或人與設備的交互。物聯網旨在縮小物理世界和虛擬世界之間的差距,并創造一種智能環境,使個人以及整個社會都能夠以更智能、更舒適的方式生活。盡管聽起來可能有點夸張,但物聯網確實已經成為我們日常生活的一部分,并將永遠存在。考慮到所有這些,現在讓我們簡要回顧一下物聯網世界背后的支持技術。
 

物聯網
 

  物聯網技術是由什么構成?

  鑒于物聯網技術解決方案的多樣性和龐大數量,如果您想在物聯網技術迷宮中找到出路,這將是一項艱巨的任務。不過,為了簡單起見,我們將物聯網技術分為4個基本層級:

  ▲設備硬件

  設備實際上就是物聯網中的“物”。 作為現實世界和數字世界之間的接口,它們具有不同的大小、形狀和技術復雜程度,而具體屬性則取決于它們在特定物聯網部署中需要執行的任務。無論是針頭大小的麥克風還是重型建筑機械,幾乎每一個實物(甚至是動物或人類等有生命的物體)都可以通過添加必要的儀器(通過添加傳感器或執行器以及適當的軟件)來測量和收集必要的數據,從而變成一個連網設備。當然,傳感器、執行器或其他遙測裝置本身也可以作為獨立的智能設備。

  ▲設備軟件

  這實際上是使連網設備變得“智能”的原因。軟件負責實現與云的通信、收集數據、集成設備以及在物聯網網絡中執行實時數據分析。此外,設備軟件還能滿足用戶可視化數據和與物聯網系統交互的能力。

  ▲通信

  設備硬件和軟件到位后,還必須有另外一層,它將為智能對象提供與其他物聯網世界交換信息的方式和方法。雖然通信機制確實與設備硬件和軟件緊密相關,但將它們視為一個獨立層是至關重要的。通信層包括物理連接解決方案(移動、衛星、局域網)和在不同物聯網環境中使用的特定協議(Zigbee、Thread、Z-Wave、MQTT、LWM2M)。選擇相應的通信解決方案是構建物聯網技術體系的重要環節之一。所選擇的技術不僅決定了向云發送數據和從云接收數據的方式,而且還決定了設備的管理方式以及與第三方設備的通信方式。我們將在本文后面章節中詳細介紹當前的一些通信解決方案。

  ▲平臺

  如前所述,借助智能硬件和已安裝的軟件,設備能夠“感知”周圍發生的事情,并通過特定的通信通道與用戶進行通信。物聯網平臺是一個以用戶友好的方式收集、管理、處理、分析和呈現所有這些數據的地方。因此,使這種解決方案特別有價值的不僅是它的數據收集和管理能力,而且還在于它能夠從數據中發現有用見解的能力。(來自物聯之家網)同樣,市場上有很多物聯網平臺,選擇哪個平臺取決于具體物聯網項目的要求以及架構和物聯網技術堆棧、可靠性、定制屬性、使用的協議、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,平臺可以安裝在本地,也可以在云端。

  物聯網技術堆棧中的連接解決方案

  現實生活中有很多物聯網應用,而且這些應用背后都不缺乏連接解決方案。根據用例的需求,每個連接選項都可以提供不同的應用支持場景,同時可以在功耗、范圍和帶寬之間進行權衡。例如,如果您正在建造智能家居,您可能希望將室內溫度傳感器和加熱控制器集成到智能手機中,這樣您就可以遠程監控每個房間的溫度,并根據當前需求實時調整。在這種情況下,推薦使用Thread,該協議是專為家庭自動化環境設計的。

  考慮到通信標準和協議的多樣性和多樣化,人們可能會對開發新的解決方案的實際需求產生疑問。其原因是現有的網絡協議,如傳輸控制協議/網絡協議(TCP/IP),往往不夠有效,并且功耗過大,無法在新興的物聯網技術應用中高效工作。本節將簡要概述專門供物聯網系統使用的主要替代網絡協議。

  概述涉及最流行的物聯網無線連接技術,并按每種解決方案實現的射頻范圍細分:短程解決方案、中程解決方案和遠程廣域網解決方案。

  短程物聯網解決方案:

  ▲藍牙

  藍牙技術作為一種成熟的短距離連接技術,被認為是未來可穿戴電子產品市場(如無線耳機或地理位置傳感器)的關鍵解決方案,尤其是考慮到它與智能手機的廣泛集成。其中,藍牙低功耗(BLE)協議在設計時考慮了成本效益并降低了功耗,并且僅需要很少的設備功耗。但是,這是一個折衷方案:當頻繁傳輸大量數據時,BLE可能不是最有效的解決方案。

  ▲射頻識別(RFID)

  射頻識別(RFID)是最早實現的物聯網應用之一,它為物聯網應用提供定位解決方案,尤其是在供應鏈管理和物流領域,這需要能夠確定建筑物內物體的位置。射頻識別技術的未來顯然遠遠超出了簡單的定位服務,其可能的應用范圍從跟蹤醫院患者到提高醫療保健效率,再到提供實時商品位置數據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開發的,目前仍然是最廣泛和眾所周知的無線通信協議。它在物聯網領域的廣泛使用主要受到功耗高于平均水平的限制,這是因為需要保持高信號強度和快速數據傳輸以獲得更好的連接性和可靠性。作為物聯網發展的關鍵技術,WI-FI為數量驚人的物聯網解決方案提供了廣泛的基礎,但也需要在營銷方面加以管理和使用,從而為服務提供商和用戶帶來更多利潤。

  ▲ZigBee

  這種流行的無線網狀網絡標準在交通管理系統、家用電子設備和機械工業中應用最為頻繁。Zigbee基于IEEE 802.15.4標準構建,支持低數據交換率、低功耗操作、安全性和可靠性。

  ▲Thread

  Thread專為智能家居產品設計,采用IPv6連接,使連接的設備能夠相互通信、訪問云中服務或通過Thread移動應用與用戶交互。

  遠程廣域網(WAN)解決方案:

  ▲NB-IoT

  NB-IoT是3GPP技術的產物,它是一種全新的無線技術標準,可確保極低的功耗(電池使用10年)。此外,它可以使用現有的網絡基礎架構,這不僅保證了它在LTE網絡的全球覆蓋范圍內有效使用,而且還可以保證其信號質量。在許多情況下,也是這一原因讓許多用戶選擇NB-IoT,而不是選擇需要構建本地網絡(如LoRa或Sigfox)的解決方案。

  ▲LTE-Cat M1

  LTE Cat M1是一種低功耗廣域網(LPWAN)連接標準,用于連接具有中等數據速率要求的物聯網和M2M設備。與2G、3G或LTE Cat 1等蜂窩技術相比,它支持更長的電池壽命周期,并提供更大的覆蓋范圍。

  與現有的LTE網絡兼容,CAT M1不需要運營商建立新的基礎設施來實現它。與NB?IoT相比,LTE Cat M1是移動用例的理想選擇,因為它可以像高速LTE一樣處理信號塔之間的切換。例如,如果車輛需要穿過幾個不同的網絡單元才能從A點移動到B點,那么Cat M1設備的表現與移動電話相同,并且不會丟失連接。與此相反的是,NB?IoT設備必須在達到新的網絡單元后才會在某點重新建立新的連接。

  另一大優點在于通過VoLTE(LTE語音)支持語音功能,這意味著它可以用于需要一定程度的人際交互的應用,比如某些健康和安全應用(例如,即時解決方案和報警面板)。

  ▲LoRaWAN

  Lorawan是一種低功耗遠程廣域網協議,針對低功耗進行了優化,并支持具有數百萬個設備的大型網絡。面向廣域網(WAN)應用,LoRaWAN旨在為低功耗廣域網提供功能,以支持物聯網、M2M、智慧城市和工業應用中的低成本、移動和安全的雙向通信。

  ▲Sigfox

  Sigfox背后的理念是為低功耗M2M應用提供有效的連接解決方案,這些應用需要低水平的數據傳輸,而WI-FI的覆蓋范圍又太短,移動網絡的覆蓋范圍又太貴、太耗電。Sigfox采用UNB技術,這項技術使它能夠處理每秒10到1000位的低數據傳輸速度。(來源物聯之家網)與蜂窩移動通信解決方案相比,它的能耗降低了近100倍,而2.5Ah電池的典型待機時間可以達到20年。Sigfox提供了一個強大、節能且可擴展的網絡,能夠支持成千上萬個電池供電設備之間跨越數平方公里內的通信。Sigfox已被證明適用于各種M2M應用,包括智能路燈、智能電表、病人監護儀、安全性設備和環境傳感器等。

  總結

  物聯網技術已經出現在我們的家庭、公共空間、辦公室和工廠中,并且鑒于其發展速度,似乎越來越接近于調查機構的預測結果。不過,真正問題不應該是什么時候發生,而是應該在確保安全和成本效益等關鍵性能的同時,如何進行連接以實現盡可能高的效率。因此,從實際的角度來看,成功的關鍵似乎歸結為從眾多現有解決方案中選擇適當的物聯網技術。

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