從自動(dòng)化到物聯(lián)網(wǎng)

　　網(wǎng)關(guān)的作用不僅是聚合和路由，還處理數(shù)據(jù)，并在本地通過(guò)網(wǎng)關(guān)靈活地處理許多命令與控制服務(wù)，僅將元數(shù)據(jù)或事件的異常處理傳輸給云。換言之，一定數(shù)量的數(shù)據(jù)中心功能會(huì)在本地進(jìn)行處理，因此不需要向網(wǎng)絡(luò)傳輸大量的聚合數(shù)據(jù)。這有助于指派不同安全級(jí)別予不同的“區(qū)域”并將網(wǎng)絡(luò)隔離于來(lái)自邊緣節(jié)點(diǎn)的潛在威脅，反之亦然。

　　即使每天只傳輸幾次少量數(shù)據(jù)，一個(gè)聚合了數(shù)千端點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)仍然會(huì)累積一小堆數(shù)據(jù)——而這些數(shù)據(jù)不全是有用的。服務(wù)提供商可能希望只傳輸有用的數(shù)據(jù)，這樣網(wǎng)關(guān)就會(huì)經(jīng)常承擔(dān)網(wǎng)橋或聚合點(diǎn)以外的角色，這種情況就需要可過(guò)濾無(wú)用數(shù)據(jù)的傳感器或轉(zhuǎn)換算法，而這種功能要求本地存儲(chǔ)和本地?cái)?shù)據(jù)處理。 M2M 網(wǎng)關(guān)也有助于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，提供了一個(gè)分配智能的平臺(tái)，還可作為 WAN 與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的安全屏障。 M2M 設(shè)備將被廣泛部署，經(jīng)常出現(xiàn)在公共場(chǎng)所。這樣就易受物理與網(wǎng)絡(luò)入侵。最近圍繞針對(duì)智能手機(jī)的惡意軟件攻擊增長(zhǎng)的新聞報(bào)道也證明了這一點(diǎn)。

　　下一步就是位于物聯(lián)網(wǎng)階級(jí)上層的云。云聚合了來(lái)自許多網(wǎng)關(guān)(或前述舉例中的公寓樓宇甚至城市)的輸入。聚合在云數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)可以是各種邊緣節(jié)點(diǎn)的事件統(tǒng)計(jì)，或者是為實(shí)現(xiàn)命令與控制而需要處理的特定數(shù)據(jù)。因?yàn)榧€器 / 網(wǎng)關(guān)采用的是分層拓樸結(jié)構(gòu)，所以可在網(wǎng)關(guān)內(nèi)靈活地實(shí)施特定的數(shù)據(jù)中心功能。換言之，從命令與控制的角度，可在層次結(jié)構(gòu)的各級(jí)采取行動(dòng)，將控制移向更本地的層級(jí)。在這些情況下，集線器或網(wǎng)關(guān)只向云傳輸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)?；蛘?，也可將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆坪蛿?shù)據(jù)中心進(jìn)行命令與控制處理。在成千上萬(wàn)的邊緣節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的情況下，物聯(lián)網(wǎng)為大數(shù)據(jù)分析提供了一個(gè)基線架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用包括工業(yè)自動(dòng)化、智能計(jì)量、家庭自動(dòng)化、環(huán)境與基礎(chǔ)設(shè)施(橋梁、隧道、道路等)監(jiān)控、交通運(yùn)輸系統(tǒng)、智能交通、智能醫(yī)療和石油與天然氣行業(yè)等等。

　　數(shù)據(jù)中心和云的其中一項(xiàng)輸出是傳到專門(以虛擬、本地或遠(yuǎn)程方式)提供特定服務(wù)的服務(wù)器。某些這類服務(wù)可能包括用戶通過(guò)其移動(dòng)設(shè)備發(fā)出的動(dòng)作請(qǐng)求(如到家時(shí)開燈)。但物聯(lián)網(wǎng)主要是服務(wù)器根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則和機(jī)器學(xué)習(xí)獨(dú)立地作出決策，并使人不受打擾。

　　根據(jù)這些信息和任何新的業(yè)務(wù)政策，連接到云的服務(wù)器開始向下執(zhí)行命令與控制功能，發(fā)布軟件更新或新政策，通過(guò)層次結(jié)構(gòu)的各層到達(dá)邊緣節(jié)點(diǎn)。

　　這種分布式自動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的主要構(gòu)建模塊是一個(gè)處理與控制架構(gòu)，它具有下述特點(diǎn)：

　　● 開放性： 運(yùn)行在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用會(huì)覆蓋無(wú)數(shù)設(shè)備種類，因此需要一定的架構(gòu)一致性。此外，服務(wù)要獲得成功，需要按本地傳統(tǒng)與習(xí)慣對(duì)應(yīng)用進(jìn)行定制。所以要允許大量本地生態(tài)系統(tǒng)的軟件開發(fā)員參與其中。

　　● 可擴(kuò)展性： 不同類型的應(yīng)用有不同級(jí)別的資源要求(內(nèi)存、處理能力、接口等)，有時(shí)幾個(gè)不同的應(yīng)用可能運(yùn)行于某節(jié)點(diǎn)，因此可擴(kuò)展性也很重要。這意味著需要一個(gè)十分豐富的、可擴(kuò)展的產(chǎn)品組合，因?yàn)橐粋€(gè)產(chǎn)品不能滿足所有要求。

　　● 超低功耗： 許多傳感器 / 處理器組合由電池驅(qū)動(dòng)或使用能源采集器，它們不時(shí)地從睡眠模式中恢復(fù)，執(zhí)行其功能后又回到睡眠模式。在任何單個(gè)部署中，無(wú)論是住宅、公寓樓宇或城市范圍的系統(tǒng)，都有無(wú)數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此功耗必須很低。實(shí)際上，許多邊緣節(jié)點(diǎn)常常處于關(guān)閉模式而非工作模式，因此泄露電流的功耗遠(yuǎn)大于有功電流消耗。

　　● 易于編程： 物聯(lián)網(wǎng)可大大擴(kuò)展當(dāng)今的應(yīng)用概念，將整個(gè)住宅甚至城市包含到一個(gè)系統(tǒng)中。維護(hù)編程模式的簡(jiǎn)易性以及一個(gè)提供工具與軟件的大型合作伙伴的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于市場(chǎng)開發(fā)和最終的總擁有成本是至關(guān)重要的。

　　聚焦邊緣節(jié)點(diǎn)

　　邊緣 / 感應(yīng)節(jié)點(diǎn)具有唯一的 ID，可通過(guò)遠(yuǎn)程命令和控制拓樸來(lái)單獨(dú)控制，整個(gè)節(jié)點(diǎn)包括：

　　● 傳感器——各種傳感器可監(jiān)控醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化和家庭自動(dòng)化中不同應(yīng)用的功能。

　　● 連接性——邊緣節(jié)點(diǎn)需要距離相對(duì)較短的通訊。集成調(diào)制解調(diào)器可通過(guò) BTLE、 Zigbee、Z-wave、 6LoWPAN、低功率 802.11n、 RFID、 NFC 和其他標(biāo)準(zhǔn)提供所需的連接。

　　● 能量來(lái)源——邊緣節(jié)點(diǎn)電源來(lái)自電池、能量采集器、直接電源插座和其他來(lái)源。

　　● MCU——控制器的馬力 MIPS 應(yīng)與任務(wù)需求相適應(yīng)。

　　這些節(jié)點(diǎn)應(yīng)該很小，是低成本、低功率、低復(fù)雜性和穩(wěn)健的。例如美登力公司生產(chǎn)的一個(gè)事件監(jiān)控模塊和一個(gè)葡萄糖監(jiān)控設(shè)備，使用藍(lán)牙 ® 與各類網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。邊緣節(jié)點(diǎn)始終與網(wǎng)關(guān) / 集線器通信，這些網(wǎng)關(guān) / 集線器再與核心網(wǎng)絡(luò)和基于云的處理進(jìn)行通信。

　　單就數(shù)量而言，邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)量會(huì)超過(guò)世界上所有其他市場(chǎng)。這一點(diǎn)可能讓人難以接受，因?yàn)檫^(guò)去十年中手機(jī)市場(chǎng)獲得了巨大發(fā)展。還會(huì)有比手機(jī)更大的市場(chǎng)嗎?下面通過(guò)比較來(lái)證明我的觀點(diǎn)。如今數(shù)量最龐大的消費(fèi)類設(shè)備是手機(jī)。在我家里，我妻子和我各有一部智能手機(jī)。我有兩個(gè)女兒，她們會(huì)在未來(lái)五到七年內(nèi)各自擁有自己的智能手機(jī)。所以在五到七年內(nèi)我家就有四部智能手機(jī)?，F(xiàn)在，想想在五到七年內(nèi)這個(gè)家庭所有其他可能擁有智能的地方。如果將每扇門、窗戶、電器、墻壁上的電源插座、煙霧感應(yīng)器、溫度調(diào)節(jié)器、電燈開關(guān)、灑水區(qū)控制器等算在內(nèi)，我家會(huì)有 68–100 個(gè)潛在的物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)，可以連接到我們家里的一個(gè)網(wǎng)關(guān)箱內(nèi)。所以在五到七年內(nèi)，我家的智能手機(jī)與邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是 4 與最少 68 比。這個(gè)例子是已有智能手機(jī)的家庭。在許多其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中(比如工廠流程自動(dòng)化、道路基礎(chǔ)設(shè)施、物流、環(huán)境等)，甚至沒有手機(jī)可供比較。所以物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)量會(huì)超過(guò)消費(fèi)者設(shè)備幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這些感應(yīng)和控制模塊能夠在網(wǎng)絡(luò)邊緣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并且在有安全可靠的服務(wù)層時(shí)為物聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。下面接著詳細(xì)說(shuō)明使用 MCU 實(shí)現(xiàn)本地命令與控制的應(yīng)用場(chǎng)景，并將這些場(chǎng)景延伸到未來(lái)數(shù)年。如前所述的自動(dòng)化可為日常生活提供價(jià)值。但當(dāng)我們探討物聯(lián)網(wǎng)如何擴(kuò)展這種觀念時(shí)，可提供更大的價(jià)值。一旦物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)興起，可靠的服務(wù)層將會(huì)為 MCU 增加一定量的開銷。但是，由于這些標(biāo)準(zhǔn)正在制定，這個(gè)開銷比例尚未可知。為方便起見，我們討論最小開銷的實(shí)際應(yīng)用處理。我們還假設(shè)通信功能使用自包含的有近距離和遠(yuǎn)距離連接功能的調(diào)制解調(diào)器，即應(yīng)用處理MCU 在進(jìn)行上級(jí) MAC 處理時(shí)沒有額外開銷。