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如何理解物聯網 圖文結合透徹解讀

     從智能手環、智能手表、VR、AR、MR、共享單車再到無人駕駛,物聯網將會徹底顛覆我們的生活,正好讀到一本《圖解物聯網》的書,里面用圖文的方式把物聯網以及相關技術做了個很透徹的解讀,特此分享于你們。
    一、理解物聯網物聯網的英語是Internet of Things,縮寫為IoT,這里的“物”指的是我們身邊一切能與網絡相連的物品,并非萬事萬物,而是特指能夠連接互聯網的東西,如果衣服,手表,鞋子能夠連上網,那就是IoT中所指的物,如果只是蚯蚓,泥土,空氣,衛生紙,甚至我正在敲打的鍵盤(普通鍵盤),就不能算是物聯網中的物。
    隨著寬帶的普及,能搭載在機器上的超低功耗傳感器投入市場,無線通信的進步等,都促使著除了PC,服務器和智能手機等傳統連接互聯網的設備以外,越來越多各種各樣的“物”也開始連接物聯網,以汽車、家用電器以及房屋為開端,近年,手表,眼睛等飾品也都連上了互聯網。
     我們一定想知道,為什么會有那么多設備要有聯網的訴求,它們連上網了又會給用戶帶來哪些價值呢?
    以前,人們通過讓少數昂貴的工業機械通信,來實現對“物”的遠程控制(也就是現在離散/流程工業中常用的控制系統),今后,人們將更多地以低廉的價格大量生產面向用戶的機器,并讓這些機器通信,也正因為應用了從這些“物”中獲取的數據,各種各樣的服務才如雨后春筍般涌現出來。
    此外,先進的感測技術的普及實現了人類對現實世界的掌握和預測,通過實時海量地搜集人、物、社會和環境數據,也有望進行新型社會基礎設施的構建。
    以下是一個智能家居的案例,可以根據人體狀況自動控制環境。

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  以下是一個樓層環境監控的系統,提升以辦公室為主的職場環境的舒適度。

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  二、物聯網的技術架構實現物聯網時,物聯網服務大體上發揮者兩個作用。第一是把設備收到的數據保存到數據庫,并對采集的數據進行分析。第二是向設備發送指令和信息。物聯網大體上由設備、網絡和網關、服務器等構成,如下圖所示,下面將分別介紹。

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  三、設備-通向現實世界的接口物聯網設備五花八門,當其結構一般都如下圖所示。物聯網設備跟普通的機械產品一樣,都包含用于檢測用戶操作和設備周邊環境變化的輸入設備,提示某些信息或者直接作用于環境的輸出設備,以及作為設備的大腦來負責控制機器的微控制器等。

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  1、微控制器MCU是一塊控制機器的IC芯片。它能夠編寫程序,并根據描述的處理讀取IO狀態,或者向連接上的電路輸出特定信號。與PC中的芯片不同之處是,它通常集成度更高,會同時包括CPU,內存和外圍電路,如下圖所示:

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  現在大部分電子產品都搭載有微控制器,近些年,32位的微控制器成本逐漸降低,已經開始取代傳統的8位單片機了,特別是如今需要將設備接入到網絡,對微控制器主板以及編程環境要求也逐漸降低,很多從來沒有摸過硬件的開發者,通過連接一些標準的外圍I/O設備,很容易做出很多物聯網產品。比如Arduino主板是一款可以讓沒有從事過電子儀器設計和制作的人也能馬上著手開發的微控制器主板,有著超高的人氣,利用其IDE開發環境,和可擴展的大量Shield,只需要花費幾十塊就能搭建出一個用于連接網絡物聯網小玩意。

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  談到開源硬件,還有一個不得不提。那就是大名鼎鼎的樹莓派,它搭載有高性能的ARM處理器,可以直接運行Linux操作系統,同時配有豐富的外設,USB,HDMI,活脫就是一臺迷你PC的節奏,售價上要比Ardunio貴一些,但最近國內有很多山寨開發板,什么香蕉派,桔子派,功能詳相近,成本更低,非常適合物聯網新手學習。

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  為了狙擊ARM在物聯網領域的拓展,Intel也不甘示弱,推出了專門針對物聯網的Edision開發板,集成了WiFi,藍牙4.0等多種協議,還兼容Ardunio擴展,安裝Python和Node.js和專用的XDK IoT Edison開發套件。

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  2、輸入設備為了讓設備獲取周邊情況和用戶操作等信息,必須在機器上實現傳感器和按鈕等元件(電子器件)。舉個例子,假設有臺智能手機,那么這臺手機都搭載了什么樣的傳感器呢?實際上它搭載了觸摸屏、按鈕、相機、加速度感知器、照相傳感器等相當多的感測設備,這些傳感設備能幫助我們更詳細且精細地掌握周邊情況,這在一定程度上決定著機器的性能,所以設備的開發過程中,傳感器的選擇是非常重要的一步,下表顯示了具有代表性的傳感器:

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  下表示意了可穿戴設備的典型傳感器和特色傳感器:

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  每種傳感器根據其用途而內置有不同的檢測元件,檢測元件這種物質的電子特性會根據周圍環境的變化而變化,如下圖所示:

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  隨著零件的小型化和高性能小型處理器的出現,市場上出現了具備先進能力的傳感器,這類傳感器能輕松地獲取那些原來難以當成數據來處理的信息,這些傳感器與其說是零件,不如說是狹義上的設備,或者說是多個因素復雜協作的系統。比如RGB-D傳感器,其實際上是相機的強化版,不僅能照相,還能測出傳感器到物體的距離,其實現原理就是利用了兩個鏡頭拍攝圖像的差距來測算出所拍攝圖像中的距離,模仿的也是人雙眼測距的原理(否則我們看事物只能是二維了),這個技術已經比較成熟,近年來汽車上配備的輔助功能(如快追尾時自動減速等)也應用了類似的原理。

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  又比如定位,對于物聯網也是至關重要的,無論是通過導航方便生活,還是監管水壩的儲水量,或是守護瀕危物種,又或者是優化運輸路線,以及海洋上監測海嘯,現在定位技術不僅有GPS、還有WIFI定位,指紋定位等等。3、輸出設備物聯網想要實現的不只是感測狀態,將狀態“可視化”,對人類和環境進行干涉,控制世界令其向目標狀態發展才是其真實目的。在需要向用戶反饋某些信息時,顯示器、喇叭、LED這些用于輸出信息的設備就會發揮作用,物聯網設備重在小型和簡便,如何配置這些輸出設備能讓其高效地把信息傳達給用戶,無疑是設計階段非常重要的課題。還有一個方法是在設備上安裝驅動器,讓驅動器物理的作用于環境,驅動器是通過輸入信號來實現控制的驅動裝置的統稱,例如具有代表性的伺候電機,它能夠根據輸入的電子信號把電機轉動到任意的角度,這個方法和機器人技術有著密切的聯系,與網絡聯動運行的設備是當今最受矚目的領域之一。四、網絡和網關有兩種設備連接到網絡的方式,一種是由設備本身直接連接全球網絡,另一種是本地區域內使用網關來連接全球網絡,如下圖所示,近來“生活記錄”型的設備越來越多,其結構更接近前面說的第二種方式,例如通過藍牙把可穿戴設備和智能手機配對,通過智能手機向服務器發送數據。

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  1、網絡物聯網設備和網關設備進行通信的方式有很多種,既有有線的也有無線的,每種方式各有利弊,有線的包括以太網、串行通信(一般指RS-232C)、USB等,無線的包括WIFI、藍牙,2G/3G/4G,當然還有NB-IoT,諸如共享單車使用的其實是從運營商購買的SIM卡,三大運營商的網絡制式如下:

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  那么NB-IoT是怎么回事?從2G到3G再到4G,移動網速越來越快,但到了4G時代后,由于物聯網的出現,移動通信網絡的發展出現了分支:

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  可以看到,一邊是大流量,一邊是小數據,一邊是移動寬帶,一邊是物聯網時代,從2G到4G,移動通信網絡都只是為了連接“人”而生,但隨著萬物互聯時代的到來,移動通信網絡需面向連接“物”而演進。為此,3GPP在Release 13制定了NB-IoT標準來應對現階段的物聯網需求,在終端支持上也多了一個與NB-IoT對應的終端等級——cat-NB1,比較傳統2/3/4G網絡,物聯網主要有三大特點:第一:懶,終端都很懶,大部分時間在睡覺,每天傳送的數據量極低,且允許一定的傳輸延遲(比如,智能水表)。第二:靜止,并不是所有的終端都需要移動性,大量的物聯網終端長期處于靜止狀態。第三:上行為主,與“人”的連接不同,物聯網的流量模型不再是以下行為主,可能是以上行為主。

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  這三大特點支撐了低速率和傳輸延遲上的技術“妥協”,從而實現覆蓋增強、低功耗、低成本的蜂窩物聯網,NB-IoT已經成為運營商最為倚重的物聯網通信技術,是運營商實施物聯網戰略的核心技術。2、網關網關指的是能連接多臺設備,并具備直接連接到互聯網的功能的機器和軟件,其把從設備接收到的數據轉化成特定格式并發送給服務器,如下圖所示,物聯網使用的設備中,有3臺設備不能直接連接到互聯網,網關就負責把這些設備轉發到互聯網。

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  五、服務器物聯網服務大體可分為3個部分,分別稱為前端部分、處理部分以及數據庫部分。

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  1、接收數據數據接收服務器負責接收從設備發送過來的數據,它在設備和系統之間起著橋梁作用,一般采用的協議包括http、WebSocket等,還有一種就是MQTT新型協議,物聯網領域將其作為標準協議,其是一種能實現一對多通信(人們稱之為發布或訂閱)的協議,它由3種功能構成,分別是中介、發布者和訂閱者,如下圖所示:

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  像這樣借助于中介的發布/訂閱型通信,MQTT就能實現物聯網服務與多臺設備之間的通信,另外,MQTT還實現了輕量型協議,因此它還能在網路帶寬低、可靠性低的環境下運行,又因為消息小,協議機制簡單,所以在硬件資源受限條件下也能運行,可以說是為物聯網量身定做的協議。2、數據格式數據要經過協議進行交換,而數據的格式也很重要,通過Web協議來使用的數據格式中,具有代表性的包括XML和JSON,如下圖所示:

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  相對來講,XML容易理解,而JSON字符少,數據量小,更適合使用移動線路等低速線路通信的情況,基于物聯網服務處理這些格式時,要把文本數據轉化成數值數據和二進制數據,為了更迅速的處理數據,就產生了一種新數據格式,它就是MessagePack,雖然其不方便人們直接閱讀,但計算機卻很容易處理。3、處理和存儲數據處理服務器就是處理接收的數據的地方,這里可以歸納成以下四種:數據分析、數據加工、數據保存及向設備發出指令,如下圖所示:

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  數據處理包括批處理和流處理,數據存儲包括關系型數據庫和NoSQL數據庫,具體可參考當前大數據平臺的主流技術,比如批處理有Hadoop MR,Spark等,流處理有Spark Stream,Storm等,NoSQL數據庫包括KV數據庫(如Redis),文檔數據庫(如MongoDB)等。4、發送數據發送服務器的目的在于向設備發送數據并控制設備,發送服務器可以采用前面介紹過的HTTP、WebSocket、MQTT協議和數據格式,下面是使用MQTT協議發送數據的示例:

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  首先設備作為訂閱者,向MQTT中介進行訂閱,然后,發送服務器則是發布者,同樣向中介進行發布,這樣一來,發送服務器只需要把確定的數據加在主題上發送就行了,發送服務器和設備都不需要知道彼此的地址,只要知道中介的地址,就能夠實現通信,一旦訂閱者斷開,中介就會負責在斷開時發送通知,并在重新連接時再次發送數據。這里介紹一個示例,近年來盛行在農業領域導入ICT技術,以往,環境控制都是由農戶手工測量大棚內的問題以及控制植物的生長狀況,現在則把重點放在實現完全自動化,以提高生產率,采用各種傳感器來測量和記錄(相當于接收數據)溫度、濕度、二氧化碳及光照等數據,然后把從環境中感測到的數據和設定的閾值比較(相當于數據處理),從而實現自動控制空調,自動注入二氧化碳(相當于發送數據)。六、數據分析光是采集傳感器和設備發來的數據,那就只不過是將一堆龐大的數據聚在一起而已,很難直接應用這些數據,為了實現更好的服務,需要從采集到的數據中分析出有價值的信息,只有通過對數據的分析,才有可能掌握機器的運轉情況,找出其中蘊含的趨勢,提前檢測出今后可能會發生的異常情況,這樣才能把整個物聯網服務從一個單純的采集數據的行為升華到一項創造附加價值的服務。根據分析目的來區分,大體可以分為3種:基于采集的“可視化”分析,基于統計分析和機器學習等高級分析技術的“發現”分析和“預測”分析,如下圖所示:

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  讀了物聯網,你會發現大數據分析師的前景光明,以前我們僅僅分析人,未來將分析無窮無盡的物,這是時代賦予數據人的機遇,物聯網越發展,數據分析的價值就越大,現在還僅僅是個開始。七、物聯網市場物聯網市場是有若干個市場形成,包括作為物的設備市場,掌管物與物之間聯系的網絡市場,還有運營管理類的平臺市場,分析采集到的數據的分析處理市場,如下圖所示:

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  從前面的講述可以看到,物聯網是個復雜系統,涉及很多參與方,無論是華為、百度、運營商、阿里巴巴等等,都在說自己在布局物聯網,那么他們到底說的是不是同一回事呢?華為:偏重設備操作和網絡,提出“1+2+1”物聯網解決方案,包括物聯網操作系統(設備太多,類似于要打造Android操作系統統一標準)、網關、有線無線(比如NB-IoT)等百度:偏重Pass,涉及平臺、分析處理和服務應用,提出百度天宮,包括AI、Big Data、Cloud等中國移動:偏重網絡,NB-IoT、OneNet平臺,物聯網卡,5G等阿里巴巴:除了網絡啥都有,提出“1234”物聯網戰略,包括物聯網操作系統,設備芯片,網關及PaaS賦能騰訊:偏重Pass,涉及平臺、分析處理和服務應用,提出QQ物聯等其他比如中興通訊、大唐電信、聯通、電信、京東、小米、科大訊飛等都在相關市場發力,任何一家參與方都希望基于自己擅長的領域向兩端延伸,打造賦能平臺,從而擴大在產業的影響力。

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