精度在物聯(lián)網(wǎng)中的重要影響

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在概念上很簡單，就是把所有帶傳感器或控制器的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)（以及/或者設(shè)備彼此相連）。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包羅萬象：手機、家電、汽車、機器、機器部件、可穿戴設(shè)備……以及任何其他您能想到的事物，無不在其中。但是，物聯(lián)網(wǎng)在原理上不過是一個連接并擴展到云的測量信號鏈。

圖1.傳感器至云信號鏈

檢測/測量器件將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。獲取、處理、傳輸、分析此數(shù)字格式之后，可以根據(jù)結(jié)果做出決策。將光、聲、壓力和溫度等物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)已是很陳舊的觀念。隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，云模式的使用和計算建模（由云及其大規(guī)模存儲和處理能力實現(xiàn)）的威力已經(jīng)改變了基于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)做出決策的方式。諸如溫度測量之類的傳統(tǒng)檢測技術(shù)已被充分理解運用，其既可用作一種獨立測量，也可成為其他檢測的一個要素。例如在電化學(xué)檢測中，溫度會影響測量結(jié)果，需要予以處理。另外也出現(xiàn)了一些令人激動的新型傳感器，它們會對物聯(lián)網(wǎng)世界產(chǎn)生巨大影響。

其中一個例子是MEMS加速度計。這些傳感器構(gòu)成多軸振動檢測的基礎(chǔ)，支持無人機、便攜式游戲設(shè)備或相機等系統(tǒng)保持穩(wěn)定。健康跟蹤設(shè)備也使用振動來檢測個人健康?？纱┐魇浇】岛徒∩韨鞲衅餍枰谰瞄_機，提供高精度身體運動檢測以便進行適當(dāng)?shù)姆治觯ɡ缗懿?、騎自行車或步行），并將實時數(shù)據(jù)傳輸給各種便攜式健康和健身應(yīng)用。

圖2.業(yè)界功耗最低的MEMS加速度計

以加速度計為例，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中我們應(yīng)該注意什么？更精確的測量有何價值？要回答這些問題，首先可考慮低功耗。ADI公司的ADXL362是一款超低功耗、3軸MEMS加速度計，輸出數(shù)據(jù)速率為100 Hz時功耗低于2 μA，在運動觸發(fā)喚醒模式下功耗為270 nA（MEMS加速度計測量靜態(tài)或動態(tài)加速力）。這樣可以延長電池使用時間。其次，考慮帶寬和分辨率。ADXL362不會因為欠采樣而混疊輸入信號；它采用全數(shù)據(jù)速率對傳感器的整個帶寬進行采樣，噪聲很低。因此，它可以測量非常小的信號。噪聲電平要求低于ADXL362正常值550 μg/√Hz的應(yīng)用，可以選擇兩種低噪聲模式（典型值低至175 μg/√Hz）的任一種，電源電流增加極小。

更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)很重要：

精密測量有何價值，為什么關(guān)系重大？低噪聲、低漂移器件能最大限度地提高傳感器能力，實現(xiàn)更寬的動態(tài)范圍，從而硬件能夠測量更小、更多種類的信號。這使得終端系統(tǒng)更精確、更靈敏、更具差異化。利用更高的精度可以開發(fā)出能夠同時滿足現(xiàn)在和未來測量需求的平臺硬件，并更好地支持防護頻帶的發(fā)展。

因此，同樣的硬件可以用于好幾代產(chǎn)品，擁有成本得以降低，并且可以免除硬件替換的麻煩和高昂成本。這對物聯(lián)網(wǎng)來說尤其如此，因為傳感器及相關(guān)硬件的數(shù)量預(yù)計會爆炸式增長。市場分析公司Gartner表示：到2020年將有超過260億的互聯(lián)設(shè)備，連接之多宛如天文數(shù)字。此外，隨著無線連接因便利性而廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)信號鏈，位于難以接近的地方或工廠等惡劣環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)單元將越來越多。最后一個考慮因素是政府對氣體排放、用電和環(huán)境控制等多個方面的監(jiān)管要求越來越嚴(yán)格。可能的新條例和不斷變化的要求將需要現(xiàn)有硬件實現(xiàn)更精確的測量，更好的測量系統(tǒng)可提供超前思維來幫助滿足這些要求。在擁擠不堪且競爭激烈的物聯(lián)網(wǎng)市場上，能否滿足未來的新測量需求事關(guān)企業(yè)的存亡。

因此，穩(wěn)定精密的硬件測量平臺的重要性再怎么強調(diào)也不為過。建立平臺之后，便可通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)差異化。在激烈競爭的物聯(lián)網(wǎng)市場，這些能力是企業(yè)脫穎而出的重要條件。此外，系統(tǒng)升級會更輕松、更簡單，并且可以實時完成。

合法數(shù)據(jù)至關(guān)重要

為了確保物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中維護的數(shù)據(jù)正當(dāng)合法，有許多因素需要考慮。物聯(lián)網(wǎng)可以解釋為從“事物”一直到云的許多層。各層都可能有一個新的外部連接，并存在相關(guān)的安全風(fēng)險。還可能有一條返回路徑，通過各層返回到“事物”。它不止是與設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)或客戶端有關(guān)，還涉及到許多表面區(qū)域，每個區(qū)域都可能互連。例如，從設(shè)備到云或從設(shè)備經(jīng)網(wǎng)關(guān)到云。合法性的目標(biāo)是確保每一層都安全。隨著連接的事物、云和網(wǎng)關(guān)的增多，容易產(chǎn)生安全漏洞的地方也會增加。

圖3.

OWASP（開放式Web應(yīng)用安全項目）確定的物聯(lián)網(wǎng)10大安全漏洞如下：

不安全的Web接口（XSS、注入、網(wǎng)絡(luò)釣魚）

不適當(dāng)?shù)纳矸蒡炞C/授權(quán)

不安全的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（SSH、SFTP、Telnet）

缺少傳輸加密

隱私問題/關(guān)切

不安全的云接口

不安全的移動接口

不適當(dāng)?shù)陌踩渲?/p>

不安全的軟件/固件

糟糕的物理安全

在云中，安全威脅可能表現(xiàn)為數(shù)據(jù)外泄、意外的數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)失竊。毫無疑問，云服務(wù)會容納多個客戶（多租戶），故而需要確保安全區(qū)隔各個客戶。這就帶來其他需要考慮的問題。本地保持在線或發(fā)生數(shù)據(jù)中斷時，系統(tǒng)的容量是多少？多個位置如何共享數(shù)據(jù)并確保安全？采用什么安全標(biāo)準(zhǔn)？能否備份數(shù)據(jù)，尤其是數(shù)據(jù)量因為物聯(lián)網(wǎng)而爆炸式增長時？應(yīng)用程序接口（API）將通過同一云服務(wù)開發(fā)并存儲用于多個客戶，因此，如何執(zhí)行身份驗證和授權(quán)（以及如何保護管理員等特權(quán)用戶）非常重要。

審查和評價云服務(wù)提供商有許多方法。一種機制是通過公開的安全指南。業(yè)界在持續(xù)改善這些全球通用的云安全指南，并且越來越要求服務(wù)提供商實現(xiàn)相關(guān)認證以遵守這些指南。

但是，安全關(guān)切不限于云。在每一級堆棧，都有相關(guān)的威脅和反制技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)關(guān)可能被偷竊或篡改，數(shù)據(jù)可能被篡改或被非授權(quán)用戶訪問。對此，篡改檢測器、加密或設(shè)備注冊可用作反制措施。軟件或固件可能成為網(wǎng)絡(luò)釣魚、惡意軟件攻擊或篡改的目標(biāo)。因此，可信操作系統(tǒng)、將安全貫注到開發(fā)生命周期中以及漏洞測試便非常重要。軟件部署到現(xiàn)場之后，通過一個安全機制更新軟件也很重要。如果采用不安全的通道傳輸數(shù)據(jù)，篡改、竊聽或攻擊就會有可乘之機。因此，傳輸通道加密、端口/接口管理以及連續(xù)主動監(jiān)測很重要。在數(shù)據(jù)隱私方面，必須讓客戶高度放心。對隱私權(quán)再小的侵犯，也可能令公司的品牌和聲譽毀之一旦。因此，利用數(shù)據(jù)加密技術(shù)等良好的做法來盡量減少或弄亂存儲和保留的數(shù)據(jù)非常重要。全球隱私數(shù)據(jù)策略在持續(xù)發(fā)展和變化。在意見一致的前提下，通過一個靈活的系統(tǒng)來處理世界不同地區(qū)的監(jiān)管差異是很重要的。在應(yīng)用程序?qū)哟?，不僅要通過用戶身份驗證和授權(quán)來阻止未授權(quán)訪問，而且要持續(xù)測試代碼有無漏洞。還應(yīng)考慮帶外保護，例如WAF（Web應(yīng)用程序防火墻），以及在受到攻擊時隔離并封鎖帳戶的能力。上述所有反制措施都可以應(yīng)用，但安全性必須融入生態(tài)系統(tǒng)中，而不是在最后進行改造。

智能互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)信號鏈的任一級都可以增加智能（或數(shù)據(jù)處理）。例如在生命體征監(jiān)測（VSM）中，當(dāng)體溫達到危險水平時，傳感器端可直接發(fā)出報警，而無需將體溫數(shù)據(jù)發(fā)送至云端。溫度數(shù)據(jù)也可以用在其他生物醫(yī)學(xué)計算中，因此，它也可以用于網(wǎng)關(guān)或云中。

在節(jié)點進行信號處理有多個好處，包括支持緊湊的集成反饋環(huán)路等。緊密耦合傳感器和執(zhí)行器的好處是可以立即做出決策。例如，振動達到預(yù)定水平時，就會立即關(guān)停機器或電機；溫室中的溫度上升到一定程度時，就會驅(qū)動電機打開窗戶。對節(jié)點的要求是小尺寸和超低功耗（從而延長電池壽命），ADI公司的ADuCM360等集成模擬微控制器集ARM? M3-MCU和24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器于一體，可以滿足這些需求。未來，可利用采集能量從而實現(xiàn)能源獨立的器件將是成功的關(guān)鍵。節(jié)點上的數(shù)字處理受空間和功耗的限制。還有一點是難以聚合其它來源的數(shù)據(jù)。節(jié)點的低功耗會限制數(shù)據(jù)傳輸范圍和有效載荷。通過節(jié)點管理來監(jiān)視狀態(tài)和執(zhí)行更新會很麻煩，同時網(wǎng)絡(luò)邊緣的硬件、軟件和數(shù)據(jù)也存在安全風(fēng)險。

基于網(wǎng)關(guān)的信號處理采用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其一端具有短程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）鏈路，另一端具有LAN或WAN鏈路。它與路由器類似，也可以是傳感器集線器。除了WSN網(wǎng)絡(luò)管理和安全功能以外，它還常用作本地處理和分析的計算資源（通常稱為邊緣計算）?；诰W(wǎng)關(guān)處理的優(yōu)勢是可以使用大量潛在處理資源，并且能夠聚合其他傳感器/來源的數(shù)據(jù)。因此，在網(wǎng)絡(luò)邊緣附近運行分析的能力，加上利用現(xiàn)成的開發(fā)工具所開發(fā)的分析技術(shù)，將有助于實現(xiàn)對IT部門更友好的解決方案。它有能力支持全堆棧OS，并使用帶標(biāo)準(zhǔn)遠程管理工具的LAN/WAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來提供更好的安全性（不過物理安全可能存在風(fēng)險）。另一方面，它通常不屬于低功耗類，需要有線電源，而且數(shù)據(jù)存儲有限。

云連接的主要優(yōu)勢之一是能夠存儲、檢索和搜索大量數(shù)據(jù)記錄，這些數(shù)據(jù)記錄可以包含歷史數(shù)據(jù)和來自許多設(shè)備的數(shù)據(jù)。對于基于云的信號處理，數(shù)據(jù)存儲在很多情況下與大數(shù)據(jù)處理和分析密切相關(guān)。僅僅存儲數(shù)據(jù)是不夠的?？焖僭L問和分析數(shù)據(jù)的需求促成了許多新方法的產(chǎn)生，利用簡單的編程模型和開源框架，大數(shù)據(jù)集可以在多個計算機集群上進行分布式處理?；谠铺幚淼娘@著優(yōu)勢是有大量內(nèi)置安全性的潛在計算和存儲資源可用。開源和商業(yè)開發(fā)工具日益增多，終端解決方案可以輕松擴展。

現(xiàn)在認為軟件即服務(wù)（SaaS）是云計算的關(guān)鍵貢獻，另外還有基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）、桌面即服務(wù)（DaaS）、移動后端即服務(wù)（BaaS）和信息技術(shù)管理即服務(wù)（ITMaaS）。所有這些共同提供了廣泛的選擇來適應(yīng)終端系統(tǒng)需求。對于基于云的處理，服務(wù)器托管是必需的（可在本地或遠程）。存儲和服務(wù)有相關(guān)成本，通信和大數(shù)據(jù)存儲可能會很昂貴。還有其他一些缺點，比如互聯(lián)網(wǎng)通信渠道的延遲和吞吐量可能難以預(yù)測。

隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展，智能系統(tǒng)分割也會發(fā)展，節(jié)點的智能程度會提高。節(jié)點從不生成智慧和知識，也即數(shù)據(jù)在到達云端之前仍只是單純的數(shù)據(jù)；而轉(zhuǎn)換和發(fā)送所有數(shù)據(jù)需要消耗大量電力和帶寬。智能檢測是指節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為信息，從而降低總功耗，減少延遲和帶寬浪費。簡言之，它支持從反應(yīng)型物聯(lián)網(wǎng)到預(yù)測型和實時物聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)變。

要實現(xiàn)卓越的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，需克服無數(shù)挑戰(zhàn)，包括良好的測量、安全性以及知道應(yīng)在整個物聯(lián)網(wǎng)路徑中的何處高效使用智能。此外，完整物聯(lián)網(wǎng)解決方案會涉及許多供應(yīng)商，包括傳感器、網(wǎng)關(guān)、軟件和存儲提供商。ADI公司既是物聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商，也是物聯(lián)網(wǎng)客戶，我們利用自己的ADXL362加速度計（還有其他測量溫度和濕度的傳感器）監(jiān)控利默里克工廠的制造設(shè)備。通過測量機器或電機振動模式的變化，可以在系統(tǒng)停機之前檢測到故障，防患于未然。由此帶來的好處是可以實行預(yù)測性維護程序，提高工廠效率和產(chǎn)能。ADI公司的物聯(lián)網(wǎng)方案為復(fù)雜制造工藝中的多臺設(shè)備（新舊并存且來自多家供應(yīng)商）提供全面的監(jiān)控和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時跟蹤并報告生產(chǎn)效率，提醒技術(shù)員注意可能出現(xiàn)的問題，避免設(shè)備停機。晶圓良品率因此得到提高，供應(yīng)更穩(wěn)定，有助于我們的客戶做出更好的規(guī)劃。這個例子展示了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的真正價值。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和范圍允許以很多方式進行信號處理。將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的處理從云端轉(zhuǎn)移到邊緣可提升傳感器的智能程度，讓信息提取更接近來源。網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和云中都有處理資源可用，系統(tǒng)設(shè)計人員可以優(yōu)化解決方案的邊緣節(jié)點功耗、數(shù)據(jù)帶寬、計算和存儲要求。

圖4.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)示例