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  • IoT -- 解读物联网架构

    千次阅读 2021-03-12 15:35:05
    本文以物联网架构为基础,从物联网产品设计的角度来解读每架构的功能以及主要内容,旨在为物联网产品设计以及实现思路感兴趣的物联网产品或研发人员有些帮助。通过互联网,人和人之间可以传递和交...

    本文以物联网四层架构为基础,从物联网产品设计的角度来解读每层架构的功能以及主要内容,旨在为物联网产品设计以及实现思路感兴趣的物联网产品或研发人员有些帮助。

    通过互联网,人和人之间可以传递和交流信息。物联网,IoT,Internet of Things,顾名思义就是物和物之间也可以传递和交流信息,人人互联和物物互联两者最大的区别体现在人与物的差别上。

    人有五官和皮肤接收和采集数据,经过大脑加工处理,然后形成想法,最后通过网络传递出去,达到跟别人交流的目的。与人相比,物缺少需要交流的信息,即物缺少采集数据的抓手,以及将信息进行整合形成具有交流价值的大脑。

    那信息采集技术和嵌入式程序在物联网领域就显得尤为重要,信息采集技术代替了人的五官和皮肤,进行数据收集。

    嵌入式程序主要代替了大脑的整个决策最后输出信息,物联网很早就在市场上出现但是一直没有产生可观的影响力,所以大众对它的关注度不是很高。

    但是近十年来,物联网发展迅速,这不仅得益于国家政策的支持-在2010年将其列为国家发展战略,还得益于物联网配套技术,比如数据采集技术、微处理器、通讯模组、通讯网络、大数据、云计算等迅猛发展 。

    物联网再次进入大众视野,并成功取得了大众的瞩目和追逐,且有望掀起下一波浪潮。物联网技术体系可以分成四层:感知层、网络层、平台层和应用层。每一层都担任了不同的职责,这种类似于专人专责的分工,可以提高工作质量和工作效率。

     图1:物联网四层架构

    一、感知层

    感知层的主要功能就是采集物理世界的数据,其是人类世界跟物理世界进行交流的关键桥梁。

    感知层的数据来源主要有两种:

    一种就是主动采集生成信息,比如传感器、多媒体信息采集、GPS等,这种方式都需要主动去记录或跟目标物体进行交互才能拿到数据,存在一个采集数据的过程,且信息实时性高。

    比如在智能喝水领域会采用一种流量传感器,只要用户喝水,流量传感器就会立即采集到本次的喝水量是多少,这就存在一个长期交互采集数据的过程。

    另一种是接受外部指令被动保存信息,比如射频识别(RFID)、IC卡识别技术、条形码、二维码技术等,这种方式一般都是通过事先将信息保存起来,等待被直接读取。

    比如现在有的小区用的门禁卡就是用了IC卡识别技术,先将用户信息录入中央处理系统,然后用户每次进门的时候直接刷卡就行。

    二、网络层

    网络层主要功能就是传输信息,将感知层获得的数据传送至指定目的地。

    在物联网领域,嵌入式程序相当于人的大脑,在信息采集完成之后,大脑就会给通讯模块发布指令说把这个信息传给某某某,网络层会涉及到你选用什么样的通讯网络以及采用什么样的通讯机制来传送你的信息。

    物联网中的“网”字其实包含了2个部分:接入网络、互联网。

    以前的互联网只是打通了人与人之间的信息交互,但是没有打通人与物或物与物之间的交互,因为物本身不具有联网能力。

    后来发展出将物连接入网的技术,我们称其为设备接入网,通过这一网络可以将物与互联网打通,实现人与物和物与物之间的信息交互,大大增加了信息互通的边界,更有利于通过大数据、云计算、AI智能等先进技术的应用来增加物理和人类世界的丰富度。

    那目前主要有两种方式的接入网,一种是有线网络接入,一种是无线网络接入。

    图2:物联网网络结构

    有线主要包括以太网、串行通信(RS-232、RS485等)和USB等。

    无线又分为近距离无线、短距离无线和长距离无线通讯。近距离无线通讯主要包括NFC、RFID 、IC等,短距离无线通讯主要包括Wifi、ZigBee、蓝牙等,长距离无线通讯主要包括GSM(2G、3G、4G、5G等)、eMTS、Lora、NB-IoT等。

    面对众多的入网方式,我们需要考虑应用场景以及设备本身的特征来选择合适的接入方式,各种接入网的特征详见下表。

    选好了适合使用的网络,相当于数据传输的物理承载道路打通了,现在就需要确定以什么样的机制来传递信息,这就涉及到通讯协议。

    从本质上来说,通讯协议就是一套数据传输规范,就跟我们接触的英语、德语、中文等类似的语言一样,是通过一定规则组成的,易于物与物之间进行交流沟通。

    物联网设备端资源受限,比如处理能力差、存储能力小、网络传输量小、网络不稳定等,很明显物联网和互联网在设备端提供的资源环境存在很大的差别。

    所以为了更好地为物联网服务,对互联网的通讯协议进行了优化,发展出了目前被广泛使用的MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)和CoAP(Constrained Application Protocal )两种物联网通讯协议。

    MQTT协议是基于TCP协议的,可以确定接收方一定会受到设备端发出的信息。MQTT协议可以保持长连接,这可以使得设备端和云端进行实时通讯,所以其更适合实时控制交互的场景。

    由于是基于TCP协议的,其通讯协议比较复杂,设备端要运行复杂机制的话,对性能就需要有一定的要求,比如存储、计算、网络质量等。

    CoAP协议是基于UDP协议的,有两种数据传输机制:一种是接收方一定会收到设备端发送的数据,另一种是不管接收方有没有收到,设备只发送1次数据就结束了。

    设备端在完成数据发送之后就进入休眠状态,所以低功耗是CoAP协议最大的特点,其也更适合数据采集的场合,比如抄送电表、水表的数据。

    由于是基于UDP协议的,其通讯协议复杂性想对简单一些,自然对设备端的性能要求会低一些。

    三、平台层

    物联网平台可为设备提供安全可靠的连接通信能力,向下连接海量设备,支撑数据上报至云端,向上提供云端API,服务端通过调用云端API将指令下发至设备端,实现远程控制。

    物联网平台主要包含设备接入、设备管理、安全管理、消息通信、监控运维以及数据应用等。

    图3:物联网管理平台基本架构

    设备接入主要是指设备端如何跟物联网平台进行连接通信,主要表现在:

    设备端开发:提供MQTT、CoAP、HTTP、HTTPS等多种协议的设备端SDK开发等,帮助不同设备轻松接入

    设备网络接入管理:提供基于蜂窝(2G、3G、4G、5G)、NB-IoT、LoRaWAN、WI-FI等不同网络接入方案。

    1. 设备管理

    主要包含设备创建、维护、数据转换、数据同步、设备分布等内容,具体表现在:

    1)物模型管理

    物联网中的物是物理世界的实体,如果我们想开发一套数字化系统,那这个实体肯定不能缺席,这个时候就会涉及到一个问题:如何把线下的实体变成线上的呢?

    而这正是物模型的价值。物模型通俗的解释就是用数字世界的方式将物理世界的物体表征出来,用数字世界的规则来描述这个物体是什么、它有什么作用,这也就是我们经常听到的产品的功能。

    物联网平台都会提供多种物模型的建立方式,我们可以根据不同的需求来选择合适的模型。

    2)设备生命周期管理

    主要涉及创建设备、设备上下线、禁用/启用、删除设备等。物模型建立好之后,相当于定义好了产品的母版,这时候我们可以在该产品下面创建设备,该设备也会具有该产品的功能。

    3)数据解析

    对于低配置且资源受限或者对网络流量有要求的设备,不适合构造JSON格式与物联网平台通信,这时候可以将原数据透传到物联网平台,物联网平台再根据原数据转化的脚本规则,将其转换为JSON格式。

    4)设备影子

    物联网中联网是一个很重要的环节,如果设备不联网的话,则设备端和服务端处于通讯中断的状态,双方无法交互信息。为了解决这种常态的困境,给每个设备在物联网平台都建立1个影子,其有2个主要作用:

    1.可以将在设备离线期间保存在设备影子中的服务端的指令在设备上线时立即下发给设备执行;

    2.在设备在线时,如果设备端数据发生变化则及时同步给设备影子,这可以解决当设备离线时服务端请求不到设备数据的情况。

    换句话说在某种程度上设备影子可以使得设备端和服务端保持相对及时的交互通信,最起码服务端从设备端可以拿到相对来说最新的数据以及服务端可以相对及时的告诉设备端需要执行哪些指令。

    5)设备拓扑

    物联网平台支持设备直连,也支持设备挂载在网关上,作为网关的子设备,由网关直连。

    网关直连的场景主要有子设备不能直连或者需要拓扑关系管理的场景,比如WI-FI 网关、ZigBee 网关、以及蓝牙网关等。设备拓扑管理可以帮助管理子设备、子设备与网关的拓扑关系、对子设备进行监控运维等,同时服务端可以直接面向子设备收发消息。

    2. 安全管理

    主要是从设备安全认证和通信安全两个方面来保证物联网数据传输的安全性。

    1)设备安全认证

    设备接入物联网平台之前,需要通过身份认证,来保证设备的安全性。

    目前,物联网平台支持使用设备密钥、ID²和X.509证书等方式进行身份认证,在此仅以设备密钥为例来简要说明设备身份认证的实现方式(生成、获取、使用)。

    在物联网平台创建设备的时候会给设备颁发密钥,密钥的种类有多样,比如一机一密、一型一密等,密钥生成之后,有2种方式可以将密钥放到设备端:

    一种是事先将密钥烧录在设备端程序里面,另一种是当设备首次联网时向物联网平台请求设备密钥,这时如果该设备有注册过则会把相应的密钥传给设备。在设备都有密钥之后就相当于拿到了通行证,可以和物联网平台进行正常的通信。

    2)通信安全

    主要是指数据传输层面的的安全管理,支持MQTT、HTTPS、CoAP数据传输通道,保证数据的机密和完整性,支持设备权限管理机制,保障设备与云端安全通信;支持设备级别的通信资源(Topic等)隔离,防止设备越权等问题。

    3. 消息通信

    主要包括设备端发送数据到物联网平台,物联网平台将数据流转到服务端/其他云产品,服务端远程控制设备这3种消息传送方式。

    设备管理主要定义了设备是什么,那消息通信主要解决的就是信息传输机制:怎样将物联网平台配置的设备信息与设备端、服务端、其他云产品进行传递。这机制里面涉及的一个很重要的概念就是Topic,通过对Topic的定义和使用来进行信息传输。

    1)基于Topic的上下行通信可以将设备端数据发送至物联网平台或实现服务端远程控制设备

    设备端跟物联网平台通信是用的MQTT协议,该协议是基于主题的发布和订阅机制,其所有的信息传递都是通过主题这一中介来完成。

    设备可以发布某一主题也可以订阅某一主题,设备发布的话其实就是设备发送数据的消息模式,设备订阅的话其实就是设备接收数据的消息模式,对于物联网设备来说上报和接收是两个基本且重要的消息交互模式,那怎样来定义主题呢?

    主题的定义有两种方式:一种是自定义数据模式,一种是利用物模型建立的标准化的数据模式。

    主题的定义是基于产品功能的,当产品功能确定好之后,那怎样将这些功能跟设备通信进行关联是一个很重要的问题。

    这个时候就需要对产品进行主题的设置。选定产品功能之后,可以根据需要来设置不同的主题比如上报、接收、更新、删除等。在产品层面定义好主题类之后,该产品下的所有设备都会具备该主题的特性,设备就可以利用主题来进行上下行通信。

    2)基于服务端订阅、云产品流转的将物联网平台数据传输至服务端/其他云产品的传输模式

    服务端可以直接订阅产品下多种类型的消息:设备上报消息、设备状态变化通知、设备生命周期变更、设备拓扑关系变更等。

    配置服务端订阅之后,物联网平台就会将产品下所有设备的已订阅的消息转发至服务器。使用物联网平台的数据流转功能,可将Topic中的数据消息转发至其他云产品中进行存储或处理,这就是所谓的云产品流转。

    4. 监控运维

    主要涉及到设备监控和运维两个部分。

    监控诊断:物联网平台提供在线设备数量、上下行消息数量、规则引擎流转消息次数、设备网络状态等指标数据的实时监控功能;

    OTA升级:设备投放出去后如果发生应用程序升级,则可以通过OTA升级与管理服务,实现远程升级程序的工作;

    在线调试:在线调试主要用于程序开发阶段,一是设备端开发完成后,可以使用物联网平台的在线调试功能,从控制台下发至指令到设备端进行功能测试;二是物联网提供虚拟设备功能,供云端应用开发测试使用;

    日志服务:可以将云端或设备端的运行日志保存下来供故障查询等使用,并且可以将日志数据导出存放起来进行长期存储。开通日志转储后,支持在物联网控制台查询分析日志,并提供日志报表、报表订阅、告警通知等功能。

    5. 数据应用

    主要涉及数据的存储、分析和应用。

    数据备份:可为海量数据提供分发和备份服务;

    数据分析:为开发者提供了设备智能分析,全链路覆盖了对设备数据生成、管理(存储)、清洗、分析及可视化等环节;

    数据应用:可以跟第三方或者其他云产品进行结合解决不同的问题比如将温湿度计上报数据到钉钉群机器人或者通过大数据平台搭建设备监控大屏等。

    四、应用层

    应用层是物联网的最终目的,其主要是将设备端收集来的数据进行处理,从而给不同的行业提供智能服务。

    目前物联网涉及的行业众多,比如电力、物流、环保、农业、工业、城市管理、家居生活等,但本质上采用的物联网服务类型主要有4类:

    监控型,比如物流监控、污染监控等;

    控制型,比如智能交通、智能家居等;

    扫描型,比如手机钱包、高速公路不停车收费等;

    查询型,比如远程抄表、智能检索等。

    图4:物联网应用层结构

    应用层架构主要有3个组成部分:业务处理,数据库和客户端

    物联网业务处理较为复杂,因为其会涉及到海量数据的整合,这对不同行业终端应用者来说具有很大的挑战,所以目前市场上有专门提供的中间件比如云计算、数据挖掘、人工智能、信息融合等可以供行业者使用,这也在一定程度上激发了物联网应用行业的繁荣。

    数据库主要用来存储设备、用户、业务以及其他相关的数据。应用层会接触到终端用户,所以会涉及到客户端的开发,在此就不赘述。

    物联网涉及到的关键技术主要有云计算、数据挖掘、人工智能,在此作简要介绍:

    云计算具有强大的存储能力、处理能力、带宽和极高的性价比,它可以为不同的物联网应用提供统一的服务。不同的技术服务商会开发一套完整的云计算资源,其就像水电一样,客户可以按需付费,你需要多少,就购买多少;

    数据挖掘是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的及随机的实际应用数据中,挖掘出隐含的、未知的、对决策有潜在价值的数据的过程。数据挖掘主要基于人工智能、机器学习、模式识别、统计学等,高度自动化地对数据进行统计、分析、综合、归纳和推理,揭示事物间的相互关系,预测未来的发展趋势,为决策者提供决策依据;

    人工智能是探索研究使各种机器模拟人的某些思维过程和智能行为(如学习、推理、思考等)。该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。在物联网中,人工智能技术主要负责分析物品所承载的信息内容,从而实现计算机自动处理。

    写这篇文章的目的一个是自己对物联网领域产品的知识总结,另一个最重要的目的就是希望能给对物联网产品设计有兴趣的人建立一个物联网产品设计以及实现的整体把握,可以了解物联网各个组成部分以及相应的关键节点的主要内容。

    由于个人知识水平有限,若上述某些观点有误,欢迎各位指正,非常感谢~

    作者:宁静&淡泊 来源:人人都是产品经理

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  • 物联网

    万次阅读 多人点赞 2019-05-16 15:02:47
    物联网(The Internet of Things, IoT)是实现物物相连的互联网络...3.1、物联网的层次结构 1.感知 感知用于识别物体、采集信息。主要功能是识别物体、采集信息,与人体结构中皮肤和五官的作用类似。感知所...

    物联网(The Internet of Things, IoT)是实现物物相连的互联网络。其内涵包含两个方面:第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间,使其进行信息交换和通信。

    3.1、物联网的层次结构

    1.感知层 感知层用于识别物体、采集信息。主要功能是识别物体、采集信息,与人体结构中皮肤和五官的作用类似。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离无线通信技术等

    2.网络层 网络层用于传递信息和处理信息。网络层包括通信网与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理,类似于人体结构中的神经中枢和大脑。网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问题。 网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。

    网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术,包括传感网数据的存储、查询、分析、挖掘和理解,以及基于感知数据决策的理论与技术。

    3.应用层 应用层实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合,结合行业需求实现行业智能化,这类似于人们的社会分工。

    物联网应用层利用经过分析处理的感知数据,为用户提供丰富的特定服务。物联网的应用可分为监控型(物流监控、污染监控)、查询型(智能检索、远程抄表)、控制型(智能交通、智能家居、路灯控制)和扫描型(手机钱包、高速公路不停车收费)等。应用层解决的是信息处理和人机交互的问题。

    3.2、物联网相关技术

    1.射频识别技术 射频识别技术(Radio Frequency Identification, RFID),又称电子标签,是一种通信技术,可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

    分类:感应耦合(Inductive Coupling)及后向散射耦合(Backscatter Coupling)两种。一般低频的 RFID 大都采用第一种方式,而较高频大多采用第二种方式 。

    2.二维码技术 二维码(2-dimensional bar code),如图 21-1 所示。它是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的记录数据符号信息的黑白相间的图形。

    3.传感网 传感网是由随机分布的,集成有传感器(传感器有很多种类型,包括温度、湿度、速度、气敏等)、数据处理单元和通信单元的微小节点,通过自组织的方式构成的无线网络。

    4. M2M 简单地说, M2M 是将数据从一台终端传送到另一台终端,也就是机器与机器(Machineto Machine)的对话。 对于车辆防盗、安全监测、自动售货、机械维修、公共交通管理等, M2M 可以说是无所不能。

    3.3、应用

    物联网用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。

    如果在汽车和汽车钥匙上都植入微型感应器,酒后驾车现象就可能被杜绝。当喝了酒的司机掏出汽车钥匙时,钥匙能通过气味感应器察觉到酒气,并通过无线信号通知汽车“不要发动”,汽车会自动罢工,并能够“命令”司机的手机给其亲友发短信,通知他们司机所在的位置,请亲友们来处理。

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  • 已添加的已经在每个发行版本的注释中写出 我自己造框架的理由: 1.快速构造注重程序员的使用体验 2.注释完全甚至还是双语的 3.二次开发项目保有最初始的端,您可以自己从头实现自己的特殊功能 还有更多特性等待您在...
  • 物联网概述 本文非原创,旨在于学习物联网相关知识。文中内容来自物联网与短距离无线通信技术教材,详情可以参考下面书籍。 董健 编著. 物联网与短距离无线通信技术(第2版).电子工业出版社.2016.9 物联网概念 ...

    物联网概述

    本文非原创,旨在于学习物联网相关知识。文中内容来自物联网与短距离无线通信技术教材,详情可以参考下面书籍。
    董健 编著. 物联网与短距离无线通信技术(第2版).电子工业出版社.2016.9
    在这里插入图片描述

    物联网概念
    20世纪40年代计算机的发明,人们对信息的处理和计算能力大大加强。20世纪90年代,互联网的兴起,加强了信息的传播能力。进入21世纪,物联网被认为是第三次信息革命浪潮,在全世界得到重视,各国相继将物联网作为国家发展战略。
    最初的物联网(Internet of Things,IoT)也成为传感网, 目的在于让所有物品都与网络连接在一起。早期典型的物联网是将所有的物品通过短距离RFID等信息传感设备与互联网连接起来,实现局域范围内的物品“智能化识别和管理”。目前业界定义:物联网是通过各种信息传感设备按约定协议,把任何物体通过各种接入网技术连接起来的一个巨大智能网络。通过这一网络可以进行信息交换,实现智能化应用。
    互联网实现了人与人的连接,IoT实现了人与物、物与物的连接。

    与物联网相近的几个概念:传感网、互联网、泛在网。
     传感网是物联网的组成部分
     物联网是互联网的延伸
     泛在网是物联网发展的愿景

    物联网发展
    物联网最早的概念可追溯到1990年的施乐公司的可乐贩售机,工程师们每次煮咖啡的时候需要去看一下咖啡是否已经煮好了,为了不去人工检查,就在咖啡机旁装了摄像头,然后监控是否已经煮好了咖啡。1999年麻省理工学院Kevin教授首次提出物联网概念。然后物联网的概率逐渐流传开。
    各国都在大力布局物联网的发展,以将其上升为国家战略。例如日本的“U-Japan”计划、韩国的“U-Korea”战略、 新加坡“下一代I-Hub”计划美国的“智慧的地球”、欧盟的物联网行动计划、中国的“感知中国”等。

    物联网体系结构
    根据物联网信息的生成、传输、处理和应用,物联网分为四层:感知层、传输层、支持层、应用层。
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    1.感知层
    感知层为了实现全面感知,采集物理世界中发生的物理事件和数据,包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。
    感知技术主要包括:(1)射频识别技术;(2)传感器技术;(3)GPS与物联网定位技术;(4)多媒体信息采集与处理技术;(5)二维码技术

    2.传输层
    传输层为了实现可靠的传输,直接利用现有网络技术,如互联网(IPv4/IPv6 网络)、移动通信网(如GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、无线接入网、无线局域网等)、卫星通信网等基础网络设施,对来自感知层的信息进行接入和传输。
    传输技术主要包括:(1)移动通信网;(2)互联网;(3)无线网络;(4)卫星通信;(5)短距离无线通信

    3.支撑层
    支撑层主要是在高性能网络计算环境下,将网络内大量或海量信息资源通过计算整合成一个可互连互通的大型智能网络,为上层的服务管理和大规模行业应用建立一个高效、可靠和可信的网络计算超级平台,可对海量信息进行处理、挖掘、分析等。支撑层利用了各种智能处理技术、高性能分布式技术、存储技术、挖掘技术等现代计算机技术。
    支撑技术主要包括:(1)云计算(Cloud Computing)技术;(2)嵌入式系统(Embedded System);(3)人工智能技术(Artificial Intelligence Technology,AIT);(4)数据库与数据挖掘技术;(5)分布式并行计算;(6)多媒体与虚拟现实

    4.应用层
    应用层是物联网系统结构的最高层。应用层根据用户的需求,面向各行业提供差异化服务应用。为了做更好的应用系统,应用层必须结合不同行业的专业特点和业务模型及用户需求才能做出精细准确的智能化管理系统。如交通系统、安防系统、运输系统、农业系统、医疗系统、教育系统等。
    用技术主要包括:(1)专家系统(Expert System);(2)系统集成(System Integrate)技术;(3)编/解码(Coder and Decoder)技术

    随笔

    1. 端管云思想
      上面写了物联网的体系结构,与此相呼应的是业界常说的端管云架构。
      端就是感知层,以传感器、射频技术、终端设备为代表。传统设备如传感器,常用的如工业仪器仪表将温度、压力、湿度、加速度等物理信息转换为便于人们可识别的量化信息。现代化的射频扫描设备,将条码、二维码、数字标签等信息进行读取。现代社会中人们常用的消费品终端设备,如手机、音箱、平板、电脑等设备。
      管即管道,用于将传感器、终端设备信息进行传输,类似于一个管道,完成信息传输。以无线通信、移动通信、短距离通信、卫星通信、因特网为代表。常见的类型有家庭场景中路由器作为家居设备连接的入口,通过无线网络传输家庭设备数据,这类连接特征是设备比较集中,数据量可能较大,比如手机连接WiFi看电影、听歌等大流量场景,也包含冰箱、台灯等低流量连接场景。或者基站作为连接入口,通过移动网络连接单车、井盖、绿灯等低数据量交换设备。或者光纤终端作为连接入口,通过有线接入传输数据,如酒店的安防、监控系统,传输摄像头拍摄的视频流数据,等等。目前由于无线技术发展迅速,如5G技术使很多场景通过无线传输成为可能。有线和无线在传输领域将相互补充,共同完成管道左右。
      云即支持平台,和云计算紧密联系。云计算是分布式计算计算的一种,通过网络将庞大的计算工作切成一个个小任务,分发成不同的小集群上,由众多小集群计算分析后将结果返回汇总。这样提高了工作效率,缩短了计算时间。有人用发电厂的例子举例云计算。家里的电器设备需要供电才能使用,通过一个发电厂可以给一个城市供电,就不用每家都自己安装一个发电机了。大家按需取电,不用每个人去维护自己家中的发电机。使用了云计算技术后,个人所需的计算能力、存储能力等可以放在类似发电厂的一个云端完成。个人用户通过租赁形式使用计算、存储服务,同时应用云计算后,计算能力由云端服务器集群提供,算力比个人搭建的服务器能力强很多。用户只用集中精力关注上层应用即可。

    2. 数据标签
      条码
      生活中购买的每一个物品,都有自己的标识,就是商品包装上那个黑白相间的条纹,下面数字和条纹表达的信息是相同的,被称为物联网的第一代身份证。每个条码字符的黑线和空白由若干个模块组合而成,一个模块表示1,空白表示0.标准条码由厂商识别码、商品项目码、校验码组成。厂商识别码由国家分配,商品项目码是厂商自己编码的。根据商品条码,可以查询商品信息,如价格、库存等关键信息。店内条码作为商品条码的补充,也具有很重要的作用,解决散装食品、蔬菜等的标签问题。店内条码只能在自己的超市系统中使用。
      二维码
      条码携带的数据量毕竟较少,它所想表达的信息都依赖后端的数据库。为了表达更丰富的信息,二维码的应用场景应运而生。当二维码配合手机时,二维码发展迅速。手机二维码可以打印、显示在广告、书籍、车票、支付界面,用户通过手机扫描二维码,进行信息提取,或快速索引到交互内容的地址。

    3. 射频识别技术(RFID)
      射频识别技术的工作原理如下图所示。(内容来自百度,后期短距离通信会详细写一下)
      在这里插入图片描述
      标签进入阅读器后,接收阅读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag,无源标签或被动标签),或者由标签主动发送某一频率的信号(Active Tag,有源标签或主动标签),阅读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。
      阅读器(Reader)发射一特定频率的无线电波能量,用以驱动电路将内部的数据送出,此时Reader便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。 以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成:感应耦合及后向散射耦合两种。一般低频的RFID大都采用第一种方式,而较高频大多采用第二种方式。
      阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置,是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换,同时阅读器通过耦合给无源标签提供能量和时序。在实际应用中,可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能

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  • 物联网全栈

    2019-08-21 22:12:49
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    一 零妖理解的全栈

    零妖理解的全栈工程师是使用多种技能完成产品的工程师。


    造房子的全栈工程师可以搬砖水泥走水电;软件全栈工程师可以前端后台APP;物联网全栈工程师可以PCB焊接云平台。


    全栈工程师能够通览全局但精力有限所以我们很少看到一个人盖房子的。不同的行业遇到的问题不一样难度也不一样,但最后总结都是“效率”二字。


    不能重复造轮子是我们的共识。全栈工程师本质上是整合各种成熟资源达到解决问题的目的。相对于普通工程师,他们熟悉更多的框架,会使用更多的资源,能够协调不同资源之间的配合。

    二 效率和收入正相关


    零妖上学那会主修“车辆工程”,虽然名义上是电动汽车方向但是大部分的课程都是机械制造部分,那个年代没有听说过特斯拉更没有听说过蔚来,即使他们已经开始慢慢被消费者接受。零妖搞单片机啥的就属于少数人,以至于毕业后没有一个同学是同行,工作之后才接触到了更多玩单片机的朋友。


    “做软件工资高,咱一起去北京培训软件开发吧!”这是毕业那会我一个哥们给我说的话。那会正是意气风发,胸怀大志幻想依靠电子技术改变世界,怎么可能相信他的鬼话。一年后他月薪过万而零妖还挣扎在公司的烙铁前,拿着不足3K的月薪,看着貌似很有前途的工作。那帮做汽车结构的同学更是如此,有的同学刚刚在长城汽车制造厂军训完毕…


    问:“为啥他培训了几个月的软件开发能挣那么高的工资?”答:“为社会创造了价值!”


    玩单片机的必要装备有开发板,示波器,万用表,电烙铁,各种元器件以及焊接技能等等,少说得备货几千块;玩机械制造更是需要各种公差国标,钻铣磨刨,机床加工中心等等,这些装备个人基本上买不起都是百万起步价了;玩软件开发的只需要一台电脑即可,随时随地可以工作。


    软件开发的收入高不是因为入门简单,而是软件开发行业有诸多优秀的开源项目,供初学者学习模仿,没有人重复造轮子,大家都在高效地迭代和更新知识,所以软件开发工程师都普遍感觉行业发展太快,必须不断学习和进步。整个行业的效率高,行业又服务于社会,能创造出巨大的社会价值,推动社会进步,比如各种电商平台,物流平台,各种信息流的软件。所以软件开发工程师的收入偏高很正常。


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    当下的电子设计制造行业,还存在着很多可以提高效率的地方,从业者的收入还有很大的提升空间!
    学习任何知识都不是一蹴而就的,但是经验是可以分享的。当你把解决问题的方法通过网络分享之后可能会帮助很多人节约时间,同理你也会得到别人的帮助从而提高自己学习新知识的效率。


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    年轻工程师的成长是不断总结过去的经验而提高自己的过程。在过去我们大部分人使用“单机”绘图软件比如PADS,同学之间想交流都得拿个优盘跑来跑去;大部分的嵌入式开发者都是“单机”工作,单片机的程序库来之不易,关系好才复制给朋友用。因为知识交流的渠道窄,一个又一个的年轻工程师重复造轮子,重复犯错,工作效率不高,出不了活,收入自然不高。


    显然,高效率工作能带来高收入–>不重复造轮子能提高工作效率–>分享自己的经验能避免重复造轮子。

    三 高效的供应链协同

    SAS系统的大规模部署和云计算的飞速发展都离不开几家科技巨头的身影,是他们建设了基础设施,定义了行业标准,广大程序员的辛苦杰作才得以快速商业化部署,技术和行业才有源源不断的动力高速发展。电子设计制造行业也需要类似的组织或团体来充当基础设施建设的角色,帮助行业应用快速落地商用。

    1,硬件设计需要团队协作

    嘉立创集团经过多年的积累,已经建设了很多基础设施,比如绘制原理图PCB的EDA软件,PCB制造产业,正品元器件供应链,SMT加工制造业等。


    硬件设计的落地上,零妖自己一直在用嘉立创集团的产业链。从画原理图到实物打样只需要平均一百多块的成本和一周的时间。


    绘制原理图和PCB使用LCEDA,一个纯国产的EDA工具。开发者不需要花费力气学习如何使用工具,只需要用心做好自己的产品。大量的原理图库,PCB封装库都已经准备好了,拿来就能用。不用安装复杂的环境只要电脑安装谷歌浏览器就能使用,手机、平板、苹果电脑都能使用。在线协同绘图,历史版本管理,开源分享硬件资源…


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    在立创商城可以购买到大部分常用的电子元器件,并且可以通过物料编号直接在LCEDA中搜索封装去绘制原理图,嘉立创的SMT打样服务也和这个编号绑定,如果你设计电路的时候参考SMT的可贴片库,那么你的设计中大多数的元器件可以直接使用SMT服务焊接好,自己动手焊接一些简单的直插件或者封装较大的器件即可。
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    从原理图设计到样品落地,嘉立创提供了一站式的高效服务,能满足80%的常规需求。LCEDA还可以在线协作,分享开源硬件项目,能够帮助工程师快速成长。这条高效的产业链降低了从业者门槛,提高了工作效率。

    2,嵌入式开发需要齐心协力

    谈到嵌入式软件的开发更是百家争鸣。首先是芯片的内核种类多比如51系列的,ARM系列的,精简指令集系列的;其次是开发环境的多样化比如Keil,IAR,GCC编译链;再者是调试仿真环境和烧录器型号的差异等等。这些沟壑的存在导致行业难以形成统一规范,代码块的复用率就相当低。基本上每个工程师的编码风格都不一样,个人的代码块很少被他人快速复用。


    嵌入式操作系统可以帮助我们提高效率。如果是非常简单的需求那么裸机开发又好又快,如果是涉及到不同的通信方式,需要调度多种不同的外设资源那么一定要用操作系统来帮你提高效率。国产优秀嵌入式操作系统RT-Thread能够非常好地满足这个需求。
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    尤其是物联网行业风口来临的前夕,让设备联网成为了刚需。各种复杂的通信协议,传感器的底层驱动等等就不要再重复造轮子了,只要你的MCU能够很好地运行RT-Thread,那么你就可以直接使用这些库来加快你的开发速度。搭载RT-Thread的设备已经出货超过两亿台,其架构的稳定性和可靠性是经得住市场考验的。


    RT-Thread团队开发并维护着Env工具。此工具针对基于 RT-Thread 操作系统的项目工程,提供编译构建环境、图形化系统配置及软件包管理功能。开发者使用此工具作为辅助,可以得到基本上一致的开发环境,交流问题,代码库的复用等就变得更简单高效。

    如果你的项目中使用RT-Thread,你就可以使用Git来管理你的代码,团队协作也更加容易,成熟代码库的分享也变得更简单。

    如果你的需求只需要4G网络或者2G网络,零妖会推荐你使用上海合宙的通信模组。合宙的开发团队维护着一个叫 LUAT 的嵌入式操作系统,其开发门槛更低,属于脚本语言的一种。开发环境和下载方式都特别简单,非常适合应用在通信类的项目中。
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    物联网项目大多数是通信项目,需要做的大多数工作其实是处理各种数据流。合宙团队维护着一个LUAT用的代码库,可以解决大多数的疑难杂症,开发者只需要将精力集中在自己的业务逻辑上即可。这样的做法和RT-Thread团队开发库的做法是一样的,可谓英雄所见略同。


    零妖介绍的两种系统只是各种优秀操作系统中的一部分。RT-Thread是基于C语言的,其执行速度快响应速度快但是入门较困难,LUAT是脚本语言(运行在解释器上面的代码片段)执行速度相对较慢,响应也较慢通常为毫秒级,但是入门简单。零妖认为两者可以优势互补。一个解决嵌入式的实时业务逻辑比如响应速度在几毫秒之内的需求,另一个解决系统中的通信层和简单业务逻辑。


    当大家都使用同一种风格写代码的时候,代码的复用率将会很高,同行的互相交流将变得容易,“码农”的效率能够快速提高。

    3,云平台对接需要规范标准

    物联网行业随着云计算技术的成熟而开始蓬勃发展,在过去的几年市场上涌现了很多物联网平台供应商。作为一种有战略价值的基础设施,一定要扛得住造。阿里云作为大型供应商是开发者的不二选择。近两年来行业里的竞争日益激烈,各种抱团,各种联盟层出不穷。但是大多数都是在单打独斗,各自都有一套自己的标准,不利于产业化规模化。


    阿里云IOT平台提出了一个叫ALink协议的规范标准,开发者都使用这一种协议接入阿里云平台,那么就有望实现不同厂商的设备无缝替换,即有利于行业良性竞争,又有利于开发者敲代码。使用标准协议接入阿里云物联网平台后,你将拥有一切云计算该有的能力,比如大数据分析,机器学习,数据可视化等等。
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    推荐直接使用阿里云提供的 IOT Studio 平台。它是一个能提高生产效率的有力工具,可覆盖各个物联网行业核心应用场景,加速物联网SaaS构建。物联网开发服务提供了移动可视化开发、Web可视化开发、服务开发与设备开发等一系列便捷的物联网开发工具,解决物联网开发领域开发链路长、技术栈复杂、协同成本高、方案移植困难的问题。
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    当你的设备通过ALink协议接入到平台后,你便可以通过一套标准的API接口来操作你的设备。此后再和前端团队对接就简单了一百倍,嵌入式团队负责调通API即可,剩下的用户体验需求由前端团队来做,改来改去的事情就交给前端团队吧。这里没有提到运维团队,因为运维工作阿里云做了。你看,这样一来又降低了开发门槛,可以让你更加专注于自己的核心业务开发,服务好你自己的客户。

    三 开源互助,人人参与


    物联网的全栈涉及面广行业跨度大。得益于国内优良的市场环境培育出了一批高效的协同供应链。上述的几家公司都是各为其主,早就开始布局自己的产业,如今来看他们好像商量好了一样,各自分工明确。


    有标准,有工具,还有方法和套路,就等你上车了!


    行业的发展离不开每一位开发者贡献自己的知识,零妖希望各位开发者在漫长的开发路途中,不忘分享,乐于助人,将自己的经验分享出去,开源互助,人人参与。


    欢迎有想法的朋友和零妖交流!请关注微信公众号。

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空空如也

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