從自動(dòng)化到物聯(lián)網(wǎng)

　　摘要：自工業(yè)革命以來(lái)，幾乎每個(gè)時(shí)代都被稱為自動(dòng)化時(shí)代。機(jī)械機(jī)器首先實(shí)現(xiàn)了基本商品生產(chǎn)的自動(dòng)化。自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展，為我們提供了現(xiàn)在人們已經(jīng)習(xí)以為常的汽車和其他大型家電。在二十世紀(jì)，自動(dòng)化已經(jīng)十分重要。1960年代的電視劇《杰森一家》中甚至描述了這樣的未來(lái)：機(jī)器人自動(dòng)化處理日常事務(wù)，如做飯和用吸塵器清掃地板。

　　引言

　　物聯(lián)網(wǎng)讓我們對(duì)于自動(dòng)化有了全新認(rèn)識(shí)。如我在《物聯(lián)網(wǎng)要成為現(xiàn)實(shí)還缺什么》 一文中所述，物聯(lián)網(wǎng)的定義不僅限于機(jī)器與機(jī)器(M2M)的互動(dòng)，還包含智能機(jī)器與其他機(jī)器、物件、環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施之間的互動(dòng)與交流?！段锫?lián)網(wǎng)中的傳感器融合和遠(yuǎn)程情感計(jì)算(REC)》 白皮書中談到了會(huì)觸及我們生活中每一方面的“空中全球性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。這個(gè)不斷進(jìn)化的網(wǎng)絡(luò)甚至?xí)h(yuǎn)程讀取人類的情感。智能機(jī)器與其他機(jī)器、物件、環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施之間的互動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)處理成可“命令和控制”事物的有用行為，將會(huì)讓人類的生活變得更加方便。

　　從產(chǎn)品角度來(lái)看 IoT 標(biāo)準(zhǔn)模塊

　　在圖1左邊，傳感器和嵌入式處理器或標(biāo)簽(如RFID)負(fù)責(zé)監(jiān)視和跟蹤某些活動(dòng)、流程或貨物的移動(dòng)。這些節(jié)點(diǎn)有許多類型，視應(yīng)用而定。傳感器和執(zhí)行器會(huì)感應(yīng)到各種不同的激發(fā)因素，并可能根據(jù)所接收到的命令而引發(fā)一個(gè)動(dòng)作。每個(gè)模塊都有一個(gè)MCU，負(fù)責(zé)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行嵌入式處理。這種本地處理意味著對(duì)活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視，并根據(jù)當(dāng)前情況要求響應(yīng)(產(chǎn)生本地決策)，或收集和傳遞數(shù)據(jù)以供云端服務(wù)器進(jìn)一步處理(從而進(jìn)行遠(yuǎn)程決策)。在這兩種情況下，從這些數(shù)據(jù)得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果都會(huì)傳送到云端進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。邊緣節(jié)點(diǎn)將含有集成的現(xiàn)代化芯片，可連接到與那些傳感節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)關(guān) / 集線器。還包含一個(gè)電源，可以視應(yīng)用和特定設(shè)置的不同而直接連接到電源插座、電池或能源采集器。

　　MCU 必須節(jié)能。在許多情況下，傳感節(jié)點(diǎn)是由電池驅(qū)動(dòng)的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，因此低功耗是一項(xiàng)基本要求。未來(lái)豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要一個(gè)將應(yīng)用、命令、控制與路由處理以及節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)安全融合的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。一個(gè)可提供廣泛生態(tài)系統(tǒng)和易于得到支持的開(kāi)放性平臺(tái)，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嵌入式處理節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)十分關(guān)鍵。對(duì)于開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的公司而言，能否重復(fù)使用軟件和能否最大程度地利用現(xiàn)有軟件是成功的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

　　圖1中再向右是邊緣節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)將信息傳遞給網(wǎng)關(guān) /集線器。網(wǎng)絡(luò)拓樸可以是一種在人體上、人體附近或周圍實(shí)現(xiàn)通訊的體域網(wǎng)——可穿戴式傳感器，如心臟監(jiān)控器。也可以是個(gè)人區(qū)域網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)個(gè)人設(shè)備在幾厘米到幾米距離之間的通訊。局域網(wǎng)則是下一級(jí)聯(lián)網(wǎng)方式，可實(shí)現(xiàn)各種智能設(shè)備在有限區(qū)域內(nèi)的通訊，如住宅或辦公樓，通過(guò)雙絞線組建的以太網(wǎng)或Wi-Fi 是實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)的兩種最常見(jiàn)的技術(shù)。也可用電力線通訊實(shí)現(xiàn)連接。實(shí)際上，許多公用設(shè)施公司正在為其下一代鄰域網(wǎng)通訊考慮基于窄帶OFDM的電力線通訊。目前有許多以各種縮寫形式為名稱的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)正用于各類工業(yè)細(xì)分市場(chǎng)或應(yīng)用。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品直接連接到各種基礎(chǔ)設(shè)施——從公寓社區(qū)到橋梁——由于這些基礎(chǔ)設(shè)施不大可能定期更改，所以其產(chǎn)品更新周期可達(dá) 12–15 年。設(shè)計(jì)者不能承受采納錯(cuò)誤的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，不然會(huì)有因技術(shù)演進(jìn)而使某件基礎(chǔ)設(shè)施在數(shù)年內(nèi)廢棄的風(fēng)險(xiǎn)。

　　在傳輸?shù)牧硪欢?，?shù)據(jù)被解碼并傳遞到網(wǎng)關(guān)(圖中更右的方框)。設(shè)想一個(gè)包含多棟樓宇的公寓社區(qū)。每個(gè)公寓單元都有控制加熱和空調(diào)、監(jiān)視入口、控制照明等功能并與公寓級(jí)別的網(wǎng)關(guān)通信的邊緣節(jié)點(diǎn)。而每棟樓宇又有一個(gè)更集中的集線器，負(fù)責(zé)管理整棟樓宇，記錄所有公寓單元的情況，并對(duì)異常進(jìn)行提示。如果這些樓宇再劃分成樓宇群，則這些集線器可置于層次結(jié)構(gòu)中的更多不同的層次。在這種情況下，每個(gè)集線器都會(huì)按照預(yù)設(shè)采取行動(dòng)，并將適當(dāng)?shù)脑獢?shù)據(jù)傳遞給層次結(jié)構(gòu)中的下一層，根據(jù)這些網(wǎng)關(guān)在層次機(jī)構(gòu)中所處層級(jí)的不同，其左右兩側(cè)的連接功能會(huì)有不同。例如，與公寓級(jí)的網(wǎng)關(guān)通信、處理數(shù)據(jù)并傳遞給樓宇級(jí)的網(wǎng)關(guān)的樓層級(jí)的網(wǎng)關(guān)只需要支持某種局域網(wǎng)(以太網(wǎng)、 wifi 等 ) 或電力線通信。另一方面，對(duì)于與多棟樓宇通信、處理數(shù)據(jù)再與云通信的社區(qū)級(jí)網(wǎng)關(guān)，一側(cè)需要 LAN 或電力線通信，另一側(cè)與云的通信則需要 WAN(以太網(wǎng)、 Weightless、電力線、蜂窩、 802.11ah、其他)。

　　嵌入式處理層次例子

　　用于監(jiān)控和協(xié)調(diào)諸多傳感器輸入的任何系統(tǒng)都能從網(wǎng)關(guān)這個(gè)概念中受益?，F(xiàn)在依靠許多單獨(dú)的、通過(guò)控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)與使用 MCU 處理輸入的電子控制單元(ECU)進(jìn)行通信的傳感器的車輛更是如此。但汽車網(wǎng)關(guān)會(huì)使這些車輛系統(tǒng)更先進(jìn)。有了網(wǎng)關(guān)的概念，汽車的電子器件就能夠通過(guò)交通系統(tǒng)和基于云的系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)更多內(nèi)部功能控制并與其它車輛進(jìn)行通信。