完整解讀物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng) 關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線協(xié)議

Qorvo的『這個知識不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點的知識點，結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀解讀，以此溫故知新、查漏補(bǔ)缺。本篇將介紹用于支持物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)，并詳細(xì)討論一些關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線協(xié)議。

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從更高層次來看，物聯(lián)網(wǎng)是一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，由云計算層負(fù)責(zé)檢索和處理從其他層獲取的信息。圖2-1是一個簡單示意圖。

物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)可以存儲在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的多個位置。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和基于云的系統(tǒng)中的傳感器、網(wǎng)關(guān)和本地設(shè)備可以存儲不同數(shù)量的數(shù)據(jù)。

云計算

圖2-1中間的云計算層在生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，可以存儲大量信息，并基于這些數(shù)據(jù)做出決策；它可以有效集成來自解決方案各組件的數(shù)據(jù)。將云添加到物聯(lián)網(wǎng)還可以提高安全性、可用性、可擴(kuò)展性和性能，因為云存儲/數(shù)據(jù)庫提供商愿意采用這些功能，以幫助他們在相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域取得成功。

圖2-1:物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)模型。

例如，物聯(lián)網(wǎng)智能家居高度依賴云的計算能力。如圖2-2所示，智能家居有一個傳感器和家庭連接層，可以從不同的節(jié)點收集數(shù)據(jù)，然后將這些信息提供給云服務(wù)器，以便做出決策。

圖2-2:支持智能家居的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

邊緣計算

有時候，將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到云進(jìn)行處理并沒有什么意義。雖然云可以處理大量數(shù)據(jù)，它也有缺點，比如通信延遲。此外，有時云會不可用，或者需要更快的處理周轉(zhuǎn)時間。

在這些情況下，可以使用邊緣計算。當(dāng)數(shù)據(jù)在傳感器或網(wǎng)關(guān)的源端處理和存儲時，就會發(fā)生邊緣計算，而且只有在需要額外處理時，網(wǎng)絡(luò)才會使用云。有些終端設(shè)備并不總是將數(shù)據(jù)發(fā)送回云，而是使用邊緣計算在源端存儲和處理數(shù)據(jù)。這有助于為最終用戶提供更實時的體驗，也有助于確保網(wǎng)絡(luò)安全。

在功率或帶寬受到限制時，邊緣計算尤其有用。使用傳感器在網(wǎng)絡(luò)邊緣對數(shù)據(jù)流實施有用處理可以降低功耗，并更有效地使用帶寬。邊緣計算不會將可識別身份的信息發(fā)送至云，而是在源端存儲和處理，這有助于保護(hù)用戶的隱私。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，延遲逐漸成為更大的問題，邊緣計算將變得更加普及，以實現(xiàn)實時處理。

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一些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用已經(jīng)成熟，比如無線控制家用恒溫器或使用手機(jī)打開車門。但未來，物聯(lián)網(wǎng)的潛在應(yīng)用將更加廣泛，規(guī)模也更大。試想一下，使用手機(jī)尋找停車位，或者您的冰箱清楚什么時候需要補(bǔ)充物品并自動下單；橋梁和其他基礎(chǔ)設(shè)施中的傳感器會在需要維修或維護(hù)時自動通知工程師；當(dāng)您非常接近高度傳染性疾病患者或者有害物質(zhì)或環(huán)境時，定位技術(shù)會通知您，這會是怎樣一種體驗。這些未來應(yīng)用將需要能夠在后臺進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸和處理的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)平臺。

這種物聯(lián)網(wǎng)平臺/架構(gòu)由幾個內(nèi)部連接層組成。我們來詳細(xì)了解一下物聯(lián)網(wǎng)平臺各連接層中的各個組件：

傳感器和執(zhí)行器：物聯(lián)網(wǎng)傳感器和執(zhí)行器用于測量溫度、聲音、濕度和振動等。在典型的物聯(lián)網(wǎng)智能家居中，恒溫器等智能設(shè)備都具有嵌入式通信單元，可連接至家庭網(wǎng)絡(luò)。恒溫器中的傳感器和執(zhí)行器可將這些物理測量值轉(zhuǎn)換為驅(qū)動系統(tǒng)的電氣值。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)在本地網(wǎng)絡(luò)和英特網(wǎng)之間傳送數(shù)據(jù)。首先，接收傳感器和執(zhí)行器的電子值，然后使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將其上傳至本地網(wǎng)絡(luò)，如藍(lán)牙、藍(lán)牙低功耗(BLE)、蜂窩、LoRaWAN、Thread、Wi-Fi 或 Zigbee。網(wǎng)關(guān)會創(chuàng)建一個網(wǎng)狀骨干網(wǎng)來分發(fā)收集到的數(shù)據(jù)，并向設(shè)備發(fā)送響應(yīng)。

云基物聯(lián)網(wǎng)平臺：通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存儲在云基物聯(lián)網(wǎng)平臺或公司的數(shù)據(jù)中心，并在那里進(jìn)行處理。然后，可利用這些數(shù)據(jù)執(zhí)行智能操作和制定決策。

應(yīng)用：最后，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)可用于各種應(yīng)用，以幫助人們或組織做出更明智的決定或采取具體措施。這些應(yīng)用可將云端信息推送至智能手機(jī)、平板電腦或計算機(jī)上的應(yīng)用。應(yīng)用層對用戶來說最重要，因為它是用戶與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的接口，允許用戶控制和監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的許多要素，有時還可以實現(xiàn)實時控制和監(jiān)控。

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通信協(xié)議構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的主干，可將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接至網(wǎng)絡(luò)，并最終連接至應(yīng)用和用戶。通過定義數(shù)據(jù)交換格式、數(shù)據(jù)編碼、設(shè)備尋址方案以及數(shù)據(jù)包從節(jié)點到目的地的路由方式，這些基于標(biāo)準(zhǔn)的專有協(xié)議使數(shù)據(jù)能夠在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的不同層之間傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)包括一系列支持短程、本地和廣域網(wǎng)的不同協(xié)議，且所有這些協(xié)議都可以共存。每種技術(shù)在范圍、傳感和控制以及傳輸不同類型信息的能力方面都具有特定的特性。這些技術(shù)組合在一起可實現(xiàn)所有無線范圍和功能的無縫覆蓋。例如：藍(lán)牙非常適用于短程應(yīng)用，而窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IOT)則非常適用于遠(yuǎn)程應(yīng)用。

以下是一些關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的簡要概述:

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是低速率無線個人局域網(wǎng)(LR-WPAN) 標(biāo)準(zhǔn)的集合。這些標(biāo)準(zhǔn)可為功率受限設(shè)備提供低成本、低速通信。它們構(gòu)成了高級通信協(xié)議(如 Zigbee)規(guī)范的基礎(chǔ)。Zigbee 是一種專為低功耗運行而設(shè)計的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，可用于智能家居和公用設(shè)施的智能能源應(yīng)用。Zigbee基于 IEEE 802.15.4 物理層(PHY)和介質(zhì)訪問控制(MAC)標(biāo)準(zhǔn)。

Wi-Fi是 IEEE 802.11 無線局域網(wǎng) (WLAN)通信標(biāo)準(zhǔn)的集合。它可為室內(nèi)和室外場所提供較高的傳輸速率，且應(yīng)用非常廣泛。

藍(lán)牙是由 Bluetooth Special Interest Group (SlG) 維護(hù)的開放標(biāo)準(zhǔn)。它是一種低成本的無線通信技術(shù)，適用于移動設(shè)備之間的短距離(如 8-10米)數(shù)據(jù)傳輸。它可用于音頻流媒體、汽車、揚聲器和耳機(jī)等應(yīng)用。

藍(lán)牙低功耗(BLE)是藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的組成部分，專為低功耗運行而設(shè)計。BLE 設(shè)備通常使用紐扣電池工作，可用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如燈泡和照明開關(guān)。

Thread是一種低功耗、基于互聯(lián)網(wǎng)的安全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，適用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。2014 年成立了 Thread Group 工作小組，旨在推動 Thread 的普及。Thread 可實現(xiàn)安全的低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，支持現(xiàn)有的基于 IPv6 的連接標(biāo)準(zhǔn)。

LoRa是一種由 LoRa 聯(lián)盟開發(fā)的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)協(xié)議,適用于遠(yuǎn)程通信。該技術(shù)是大規(guī)模農(nóng)業(yè)應(yīng)用傳感器的最佳之選。

蜂窩標(biāo)準(zhǔn)(如 5G)可為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)主干，同時支持高數(shù)據(jù)速率和遠(yuǎn)程通信。NB-I0T是一種常用的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可用于智能停車、公用設(shè)施管理和制造自動化。

Matter標(biāo)準(zhǔn)是CSA及其成員為解決分散的智能家居生態(tài)系統(tǒng)問題而共同獲得的成果，能夠使得從無線電一直到云接口，以及與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實現(xiàn)交互的智能手機(jī)端應(yīng)用，都具備互操作性。Matter還確保基于該標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的任何對象在本質(zhì)上可靠、在設(shè)計上安全，且在系統(tǒng)規(guī)模上相互兼容。

這些消息傳遞協(xié)議用于設(shè)備之間以及與云端之間的數(shù)據(jù)共享。物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)堆棧的關(guān)鍵組成部分，如果沒有它們，硬件根本無法工作。利用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠以一種受控和有意義的方式交換數(shù)據(jù)。

例如，物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備之所以稱為“智能”，不僅因為它們能夠相互通信，還因為它們在遇到問題時能夠自動緩解問題或通過網(wǎng)絡(luò)尋求幫助。這種交互只能通過協(xié)議通信或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所采用的通用語言實現(xiàn)。

我們將在后續(xù)的章節(jié)中繼續(xù)討論智能家居物聯(lián)網(wǎng)傳感器、信標(biāo)和執(zhí)行器的通信方式，并展望物聯(lián)網(wǎng)的未來。請繼續(xù)關(guān)注~