作者：佩里·利（Perry Lea）

來源：華章科技

我們將從連接設(shè)備的角度來研究物聯(lián)網(wǎng)，這些設(shè)備之前未必相互連接或接入互聯(lián)網(wǎng)。它們可能一直沒有太多的計算或通信能力。我們假定這些設(shè)備歷來在成本、功率、空間、重量、尺寸或散熱方面有局限性。

正如我們在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的歷史中所看到的，自20世紀(jì)80年代初以來，已經(jīng)可以實現(xiàn)連接傳統(tǒng)上不可連接的物體（如卡內(nèi)基–梅隆大學(xué)的冰箱），但其成本相當(dāng)高。它需要DEC PDP 11大型計算機(jī)的處理能力。

摩爾定律證明了硅芯片組中晶體管的數(shù)量和密度的增加，登納德縮放比例定律則改善了計算機(jī)的功率配置。遵循這兩種趨勢，我們現(xiàn)在生產(chǎn)的設(shè)備可以使用更強(qiáng)大的CPU和更大的內(nèi)存容量，運行能夠執(zhí)行完整網(wǎng)絡(luò)棧的操作系統(tǒng)。只有滿足了這些要求，物聯(lián)網(wǎng)才能成為一個獨立的產(chǎn)業(yè)。

對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的基本要求如下：

• 具有計算能力，可以運行Internet協(xié)議軟件棧
• 能夠利用802.3等網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠布碗娫?/li>
• 不是傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備，如個人計算機(jī)、筆記本電腦、智能手機(jī)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心設(shè)備、辦公生產(chǎn)力設(shè)備（office productivity machine）或平板電腦

此外還包括“邊緣”設(shè)備。邊緣設(shè)備本身可以是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，也可以是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的 “主機(jī)”。邊緣設(shè)備通常是管理計算機(jī)節(jié)點，它們延伸到更接近數(shù)據(jù)產(chǎn)生或數(shù)據(jù)動作的源。它們可能不是數(shù)據(jù)中心的典型服務(wù)器和集群，而是現(xiàn)場的空間、電力和環(huán)境加固設(shè)備。

例如，數(shù)據(jù)中心刀片服務(wù)器由針對可控環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化的電子器件組成，其服務(wù)環(huán)境包含冷熱通道、熱交換器和不間斷電源。邊緣設(shè)備有可能會被放置在室外，暴露在天氣因素下，以及在無法持續(xù)供電的區(qū)域。其他時候，它們可能包括傳統(tǒng)的服務(wù)器節(jié)點，但其不受數(shù)據(jù)中心的限制。

鑒于這些限定因素，物聯(lián)網(wǎng)市場的實際規(guī)模小于分析機(jī)構(gòu)的預(yù)測。當(dāng)我們將傳統(tǒng)的IT和互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備劃分開來時，會看到不同的增長率，如圖1-4所示。

進(jìn)一步分析物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中使用的實際組件，會發(fā)現(xiàn)另一個有趣的模式。如前所述，大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備需要水平的性能和硬件才能通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通信。然而，圖1-5顯示了通信芯片和處理器的數(shù)量與傳感器出貨數(shù)量的差異。這強(qiáng)化了一個概念：從傳感器到邊緣計算機(jī)和通信設(shè)備有大量的“扇出”（fan-out）。

值得注意的是，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)裝置并不是具有運行互聯(lián)網(wǎng)硬件和軟件棧能力的單一設(shè)備。大多數(shù)傳感器和設(shè)備沒有直接連接互聯(lián)網(wǎng)的能力。它們?nèi)狈B接互聯(lián)網(wǎng)所需的處理能力、內(nèi)存資源和配電。更確切地說，很多真正的物聯(lián)網(wǎng)都依賴于星型網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)和邊緣計算機(jī)。

有大量設(shè)備的扇出通過本地個人區(qū)域網(wǎng)、非IP網(wǎng)絡(luò)（藍(lán)牙）、工業(yè)協(xié)議（ModBus）、傳統(tǒng)的棕地（brownfield）協(xié)議（RS232）和硬件信號連接到邊緣計算機(jī)。

01 工業(yè)和制造業(yè)

按照連接數(shù)量和服務(wù)為制造業(yè)和工廠自動化帶來的價值衡量，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial IoT，IIoT）是整個物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中增長最快、規(guī)模最大的細(xì)分市場之一。這一細(xì)分市場歷來是運營技術(shù)（OT）的領(lǐng)域。這涉及實時監(jiān)控物理設(shè)備的硬件和軟件工具。

這些系統(tǒng)在歷史上一直是管理工廠車間的性能和輸出的本地計算機(jī)和服務(wù)器。我們稱這些系統(tǒng)為監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）。傳統(tǒng)的IT角色與OT角色的管理方式不同。OT將關(guān)注產(chǎn)量指標(biāo)、正常運行時間、實時數(shù)據(jù)收集和響應(yīng)以及系統(tǒng)安全。IT角色將專注于安全性、分組、數(shù)據(jù)交付和服務(wù)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)和制造業(yè)中的普及，這些領(lǐng)域會與成千上萬的工廠和生產(chǎn)機(jī)器的預(yù)測性維護(hù)相結(jié)合，將前所未有的數(shù)據(jù)量傳遞到私有云和公有云基礎(chǔ)設(shè)施。

這一細(xì)分市場的特點包括需要為OT提供準(zhǔn)實時或?qū)崟r的決策，這意味著時延是工廠車間物聯(lián)網(wǎng)面臨的主要問題。

此外，停機(jī)時間和安全性也是最受關(guān)注的問題。這意味著需要數(shù)據(jù)冗余，可能還需要私有云網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)存儲。工業(yè)細(xì)分市場是增長最快的市場之一。它的一個特點是對棕地技術(shù)的依賴，意味著硬件和軟件接口不是目前的主流技術(shù)。有30年歷史的生產(chǎn)機(jī)器通常依賴RS485串行接口，而不是現(xiàn)代無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

以下是工業(yè)和制造業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用例及其影響：

• 對新舊設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)
• 通過實時需求提高產(chǎn)量
• 節(jié)能
• 安全系統(tǒng)，例如熱感應(yīng)、壓力感應(yīng)和氣體泄漏
• 工廠車間專家系統(tǒng)

02 消費者

消費類設(shè)備是最早接入互聯(lián)網(wǎng)的細(xì)分市場之一。在20世紀(jì)90年代，消費者物聯(lián)網(wǎng)最早出現(xiàn)在一所大學(xué)里，它是一個聯(lián)網(wǎng)的咖啡壺。在21世紀(jì)初，隨著藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用，消費者物聯(lián)網(wǎng)得到了蓬勃發(fā)展。

目前，數(shù)百萬個家庭擁有Nest溫控器、Hue智能燈泡、Alexa助手和Roku機(jī)頂盒。人們也把Fitbits和其他可穿戴技術(shù)聯(lián)系在一起。消費者市場通常是最先采用這些新技術(shù)的市場。我們也可以將它們當(dāng)作小玩意。它們都經(jīng)過精美的包裝，并可以即插即用。

消費者市場的一個制約因素是標(biāo)準(zhǔn)的分歧。例如，藍(lán)牙、Zigbee和Z-Wave等主要的WPAN協(xié)議都是不可互操作的。

這一細(xì)分市場和醫(yī)療保健市場有一些共同特點，醫(yī)療保健市場也有可穿戴設(shè)備和家庭健康監(jiān)護(hù)設(shè)備。醫(yī)療保健將超越簡單的可聯(lián)網(wǎng)家庭健康設(shè)備（例如，超越Fitbit智能手環(huán)的功能）。

以下是一些消費者物聯(lián)網(wǎng)用例：

• 智能家居類：智能灌溉、智能車庫門、智能鎖、智能燈、智能恒溫器和智能安全
• 系統(tǒng)
• 可穿戴設(shè)備類：健康和運動跟蹤器、智能服裝/可穿戴設(shè)備
• 寵物類：寵物定位系統(tǒng)、智能狗狗門

03 零售、金融和營銷

這一類別是指任何以消費者為基礎(chǔ)的商業(yè)交易場所，可以是實體店，也可以是快閃售貨亭。這些服務(wù)包括傳統(tǒng)的銀行服務(wù)和保險公司，也包括休閑和接待服務(wù)。零售物聯(lián)網(wǎng)正在發(fā)展，目的是降低銷售成本和改善客戶體驗。這是通過大量的物聯(lián)網(wǎng)工具實現(xiàn)的。為了簡化，我們還將廣告和營銷添加到此類別。

這一細(xì)分市場衡量即時金融交易中的價值。如果物聯(lián)網(wǎng)解決方案不能提供這種響應(yīng)，則對它的投資建設(shè)進(jìn)行慎重考慮。這會限制人們尋找新的方法來節(jié)約成本或增加收入。提高客戶的效率可以使零售商和服務(wù)行業(yè)提供更好的客戶體驗，同時將開銷和銷售成本損失降到最低。

一些此類物聯(lián)網(wǎng)用例如下：

• 定向廣告，如近距離定位已知或潛在客戶并提供銷售信息
• 信標(biāo)（如近距離感知客戶、業(yè)務(wù)模式和間歇時間）作為營銷分析
• 資產(chǎn)跟蹤，如庫存控制、損失控制和供應(yīng)鏈優(yōu)化
• 冷庫監(jiān)控，例如分析易腐存貨的冷藏。將預(yù)測分析應(yīng)用于食品供應(yīng)
• 資產(chǎn)保險跟蹤
• 駕駛員的保險風(fēng)險測量
• 商場、酒店或市區(qū)的數(shù)字標(biāo)牌
• 娛樂場所、會議、音樂會、游樂園和博物館內(nèi)的信標(biāo)系統(tǒng)

04 醫(yī)療保健

醫(yī)療行業(yè)將與制造業(yè)和物流業(yè)爭奪物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域收入和影響的首位。對于幾乎每個發(fā)達(dá)國家，所有能提高生活質(zhì)量和降低醫(yī)療成本的系統(tǒng)都是最受關(guān)注的。物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)做好了準(zhǔn)備，無論患者身在何處，都可以對其進(jìn)行遠(yuǎn)程和靈活的監(jiān)控。

先進(jìn)的分析和機(jī)器學(xué)習(xí)工具將用于觀察患者，以診斷疾病和給出治療方案。在需要危重癥護(hù)理的情況下，這些系統(tǒng)還可以作為監(jiān)控器。目前，可穿戴健康監(jiān)視器約有5億臺，未來幾年將以兩位數(shù)的速度增長。

醫(yī)療系統(tǒng)的嚴(yán)管是非常重要的。從HIPAA合規(guī)到數(shù)據(jù)安全，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要像醫(yī)療級別的工具和設(shè)備一樣工作。如果患者在家接受監(jiān)控，那么現(xiàn)場系統(tǒng)需要與醫(yī)療中心進(jìn)行全天候、可靠且無停機(jī)時間的通信。系統(tǒng)可能需要在醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)中同時監(jiān)視救護(hù)車輛中的患者。

一些醫(yī)療保健物聯(lián)網(wǎng)用例如下：

• 家庭患者護(hù)理
• 預(yù)測性和預(yù)防性醫(yī)療的學(xué)習(xí)模型
• 癡呆癥患者和老年人護(hù)理和跟蹤
• 醫(yī)院設(shè)備和供應(yīng)資產(chǎn)跟蹤
• 藥物追蹤和安全
• 偏遠(yuǎn)地區(qū)遠(yuǎn)程醫(yī)療
• 藥物研究
• 患者跌倒指示燈

05 運輸業(yè)和物流業(yè)

運輸和物流在物聯(lián)網(wǎng)方面即使不是主要驅(qū)動力，也是非常重要的驅(qū)動力。這些用例涉及使用設(shè)備跟蹤正在交付、運輸或裝運的資產(chǎn)，無論是在卡車、火車、飛機(jī)還是船上。這也是車聯(lián)網(wǎng)的領(lǐng)域，它們通過通信向駕駛員提供幫助，或代表駕駛員進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

現(xiàn)在，一輛普通的新車會有大約100個傳感器。隨著車–車通信、車–路通信和自動駕駛成為實現(xiàn)安全性或舒適性的必備功能，這一數(shù)字將會翻倍。它的重要作用不僅局限于消費性車輛，還延伸到無法承受任何停機(jī)時間的鐵路線和航運船隊。

我們還將看到能夠跟蹤工人工具、建筑設(shè)備等資產(chǎn)和其他有價值資產(chǎn)的服務(wù)卡車。有些用例可能非常簡單，但也非常昂貴，比如監(jiān)控服務(wù)車輛在運送貨物時的位置。系統(tǒng)需要根據(jù)需求和常規(guī)設(shè)定將卡車和服務(wù)人員自動運送到各個地點。

這種移動型的系統(tǒng)有地理定位的要求，其中大部分來自GPS導(dǎo)航。從物聯(lián)網(wǎng)的角度看，分析的數(shù)據(jù)將包括資產(chǎn)和時間，也包括空間坐標(biāo)。

以下是一些運輸業(yè)和物流業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用例：

• 車隊跟蹤和位置感知
• 市政車輛的規(guī)劃、路線和監(jiān)控（除雪、垃圾處理）
• 冷藏運輸和食品配送安全
• 軌道車輛識別和跟蹤
• 車隊內(nèi)的資產(chǎn)和包裹跟蹤
• 道路車輛的預(yù)防性維護(hù)

06 農(nóng)業(yè)和環(huán)境

農(nóng)業(yè)和環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)包括牲畜健康、土地和土壤分析、微觀氣候預(yù)測、有效用水等要素，以及在發(fā)生地質(zhì)和天氣相關(guān)災(zāi)害時進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測。雖然世界人口增長放緩，但世界經(jīng)濟(jì)變得更加富裕。盡管饑荒不像100年前那么普遍，但到2035年對糧食生產(chǎn)的需求也將翻倍。

通過物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的顯著效率提升。利用智能照明并根據(jù)家禽年齡調(diào)整頻譜頻率，可以提高養(yǎng)雞場現(xiàn)有的生長速度并降低死亡率。此外，與目前使用的普通啞光白熾燈相比，智能照明系統(tǒng)每年可節(jié)省10億美元的能源。

其他用途包括利用傳感器的移動和定位來檢測牲畜健康狀況。養(yǎng)牛場可以在細(xì)菌或病毒感染傳播之前發(fā)現(xiàn)有患病傾向的動物。遠(yuǎn)程邊緣分析系統(tǒng)可以使用數(shù)據(jù)分析或機(jī)器學(xué)習(xí)方法，實時查找、定位和隔離牛群。

該細(xì)分市場在偏遠(yuǎn)地區(qū)（火山）或人口稀疏區(qū)域（玉米田）將有所不同。這對數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)有影響。

以下是一些農(nóng)業(yè)和環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)用例：

• 智能灌溉和施肥技術(shù)，以提高產(chǎn)量
• 智能照明在巢式或家禽養(yǎng)殖中的應(yīng)用，以提高產(chǎn)量
• 牲畜健康和資產(chǎn)跟蹤
• 通過制造商對遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)
• 基于無人機(jī)的土地調(diào)查
• 通過資產(chǎn)跟蹤實現(xiàn)農(nóng)場到市場的供應(yīng)鏈效率
• 機(jī)器人耕作
• 用以預(yù)防災(zāi)害的火山和斷層線監(jiān)測

07 能源產(chǎn)業(yè)

能源細(xì)分市場包括從生產(chǎn)源頭到消費者的能源監(jiān)測。大量的研究和開發(fā)集中在消費能源和商業(yè)能源監(jiān)測器上，例如智能電表，它通過低功耗和遠(yuǎn)距離協(xié)議進(jìn)行通信，可以顯示實時能源使用情況。

許多能源生產(chǎn)設(shè)施處于偏遠(yuǎn)或惡劣的環(huán)境中，如沙漠地區(qū)的太陽能電池板、陡峭山坡上的風(fēng)力發(fā)電場以及核反應(yīng)堆的危險設(shè)施。此外，數(shù)據(jù)可能需要實時或準(zhǔn)實時響應(yīng)，以便對能源生產(chǎn)控制系統(tǒng)（很像制造系統(tǒng)）做出重要的反應(yīng)。這可能會影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在這一類別中的部署方式。

以下是能源物聯(lián)網(wǎng)的一些用例：

• 對石油鉆井平臺數(shù)千個傳感器和數(shù)據(jù)點進(jìn)行分析，以提高效率
• 遠(yuǎn)程太陽能電池板監(jiān)控和維護(hù)
• 核設(shè)施的危險分析
• 在整個城市范圍內(nèi)部署智能電表、氣表和水表，以監(jiān)控使用情況和需求
• 分時電價定價
• 根據(jù)天氣情況對遠(yuǎn)程風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行實時葉片調(diào)整

08 智慧城市

“智慧城市”是一個短語，用來指互聯(lián)和智能化的基礎(chǔ)設(shè)施、市民和車輛。智能城市是增長最快的細(xì)分市場之一，尤其是在考慮稅收收入時，其成本收益比相當(dāng)可觀。智慧城市還通過安全、安保和易用性來影響市民的生活。

例如，巴塞羅那等多個城市已經(jīng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，根據(jù)當(dāng)前容量以及自上次取貨以來的時間監(jiān)控垃圾容器和垃圾箱。這提高了垃圾收集效率，使城市在運輸垃圾時使用的資源和稅收更少，同時也消除了腐爛有機(jī)物的潛在氣味和臭味。

智能城市部署的一個特點可能是使用的傳感器數(shù)量。例如，在紐約的每個街角安裝一個智能攝像頭需要3000多個攝像頭。像巴塞羅那這樣的城市將部署近100萬個環(huán)境傳感器來監(jiān)測電力使用、溫度、環(huán)境條件、空氣質(zhì)量、噪聲水平和停車位。

與流媒體視頻攝像機(jī)相比，這些設(shè)備的帶寬需求較低，但傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量與紐約的監(jiān)控攝像機(jī)幾乎相同。在構(gòu)建正確的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)時，需要考慮數(shù)量和帶寬的這些特性。

智慧城市還會受到政府命令和法規(guī)的影響，因此與政府細(xì)分市場有聯(lián)系。

智慧城市物聯(lián)網(wǎng)的一些用例如下：

• 通過環(huán)境感知進(jìn)行污染控制和監(jiān)管分析
• 利用城市范圍內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行小氣候天氣預(yù)報
• 通過按需廢物管理服務(wù)提高效率并改善成本
• 通過智能交通燈控制和模式化，改善交通流量和燃油經(jīng)濟(jì)性
• 按需城市照明提高能源使用效率
• 根據(jù)實時道路需求、天氣狀況和附近的鏟車進(jìn)行智能掃雪
• 根據(jù)天氣和當(dāng)前使用情況對公園和公共場所進(jìn)行智能灌溉
• 智能攝像機(jī)監(jiān)控犯罪和實時自動AMBER警報
• 智能停車場，可根據(jù)需要自動找到最佳停車位
• 橋梁、街道和基礎(chǔ)設(shè)施的磨損和使用情況檢測，以提高使用壽命和服務(wù)質(zhì)量

09 軍事和政府

美國市政府、州政府和聯(lián)邦政府以及軍方對物聯(lián)網(wǎng)的部署都有濃厚的興趣。以加州的行政命令B-30-15為例，該命令指出，到2030年，影響全球變暖的溫室氣體排放量將比1990年的水平低40%。

為了實現(xiàn)這樣的激進(jìn)目標(biāo)，環(huán)境監(jiān)測器、能源傳感系統(tǒng)和機(jī)器智能將需要發(fā)揮作用，在保持加州經(jīng)濟(jì)活力的同時，按需改變能源模式。其他案例包括物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)場等項目，目的是提高對敵人的反擊效率。當(dāng)我們考慮對公路和橋梁等政府基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測時，這一細(xì)分市場也屬于智慧城市范疇。

政府在物聯(lián)網(wǎng)中的角色是以標(biāo)準(zhǔn)化、頻譜分配和法規(guī)的形式發(fā)揮作用。例如，頻譜資源如何被劃分、保護(hù)和分配給不同的供應(yīng)商。

以下是一些軍事和政府物聯(lián)網(wǎng)用例：

• 通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備模式分析和信標(biāo)進(jìn)行恐怖威脅分析
• 無人機(jī)部署的群體傳感器
• 在戰(zhàn)場上部署傳感器炸彈，形成傳感器網(wǎng)絡(luò)，以監(jiān)測各種威脅
• 政府資產(chǎn)追蹤系統(tǒng)
• 實時軍事人員跟蹤和定位服務(wù)
• 監(jiān)測敵對環(huán)境的綜合傳感器
• 水位監(jiān)測，以測量大壩和防洪能力

關(guān)于作者：佩里·利（Perry Lea）是一位具有30年豐富經(jīng)驗的技術(shù)專家。他在惠普公司工作了20多年，擔(dān)任LaserJet業(yè)務(wù)的首席架構(gòu)師和杰出技術(shù)專家。隨后，他在Micron擔(dān)任技術(shù)專家和戰(zhàn)略總監(jiān)，帶領(lǐng)團(tuán)隊致力于研究利用內(nèi)存處理進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)和計算機(jī)視覺的新興計算領(lǐng)域。之后，他又在Cradlepoint領(lǐng)導(dǎo)公司轉(zhuǎn)向5G和物聯(lián)網(wǎng)。

本文摘編自《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與邊緣計算》（原書第2版），經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

推薦語：本書涵蓋從物聯(lián)網(wǎng)傳感器到云計算的整個物聯(lián)網(wǎng)解決方案譜系。首先研究現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)、通信理論，然后探討局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中基于IP的通信，包括80211ah、5G LTE蜂窩、Sigfox和LoRaWAN，講解邊緣計算、路由和網(wǎng)關(guān)及其在霧計算中的作用，以及MQTT 50和CoAP的消息傳遞協(xié)議。內(nèi)容豐富，涵蓋了從物聯(lián)網(wǎng)傳感器到云計算的整個物聯(lián)網(wǎng)解決方案譜系。