從自動化到物聯(lián)網(wǎng)

　　網(wǎng)關的作用不僅是聚合和路由，還處理數(shù)據(jù)，并在本地通過網(wǎng)關靈活地處理許多命令與控制服務，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)中心功能會在本地進行處理，因此不需要向網(wǎng)絡傳輸大量的聚合數(shù)據(jù)。這有助于指派不同安全級別予不同的“區(qū)域”并將網(wǎng)絡隔離于來自邊緣節(jié)點的潛在威脅，反之亦然。

　　即使每天只傳輸幾次少量數(shù)據(jù)，一個聚合了數(shù)千端點的網(wǎng)關仍然會累積一小堆數(shù)據(jù)——而這些數(shù)據(jù)不全是有用的。服務提供商可能希望只傳輸有用的數(shù)據(jù)，這樣網(wǎng)關就會經(jīng)常承擔網(wǎng)橋或聚合點以外的角色，這種情況就需要可過濾無用數(shù)據(jù)的傳感器或轉換算法，而這種功能要求本地存儲和本地數(shù)據(jù)處理。 M2M 網(wǎng)關也有助于網(wǎng)絡擴展，提供了一個分配智能的平臺，還可作為 WAN 與傳感器網(wǎng)絡之間的安全屏障。 M2M 設備將被廣泛部署，經(jīng)常出現(xiàn)在公共場所。這樣就易受物理與網(wǎng)絡入侵。最近圍繞針對智能手機的惡意軟件攻擊增長的新聞報道也證明了這一點。

　　下一步就是位于物聯(lián)網(wǎng)階級上層的云。云聚合了來自許多網(wǎng)關(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)點的事件統(tǒng)計，或者是為實現(xiàn)命令與控制而需要處理的特定數(shù)據(jù)。因為集線器 / 網(wǎng)關采用的是分層拓樸結構，所以可在網(wǎng)關內靈活地實施特定的數(shù)據(jù)中心功能。換言之，從命令與控制的角度，可在層次結構的各級采取行動，將控制移向更本地的層級。在這些情況下，集線器或網(wǎng)關只向云傳輸統(tǒng)計數(shù)據(jù)。或者，也可將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆坪蛿?shù)據(jù)中心進行命令與控制處理。在成千上萬的邊緣節(jié)點產生數(shù)據(jù)的情況下，物聯(lián)網(wǎng)為大數(shù)據(jù)分析提供了一個基線架構。物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)應用包括工業(yè)自動化、智能計量、家庭自動化、環(huán)境與基礎設施(橋梁、隧道、道路等)監(jiān)控、交通運輸系統(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輸出是傳到專門(以虛擬、本地或遠程方式)提供特定服務的服務器。某些這類服務可能包括用戶通過其移動設備發(fā)出的動作請求(如到家時開燈)。但物聯(lián)網(wǎng)主要是服務器根據(jù)預設規(guī)則和機器學習獨立地作出決策，并使人不受打擾。

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

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

　　● 開放性： 運行在物聯(lián)網(wǎng)上的應用會覆蓋無數(shù)設備種類，因此需要一定的架構一致性。此外，服務要獲得成功，需要按本地傳統(tǒng)與習慣對應用進行定制。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。

　　● 可擴展性： 不同類型的應用有不同級別的資源要求(內存、處理能力、接口等)，有時幾個不同的應用可能運行于某節(jié)點，因此可擴展性也很重要。這意味著需要一個十分豐富的、可擴展的產品組合，因為一個產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動或使用能源采集器，它們不時地從睡眠模式中恢復，執(zhí)行其功能后又回到睡眠模式。在任何單個部署中，無論是住宅、公寓樓宇或城市范圍的系統(tǒng)，都有無數(shù)個節(jié)點，因此功耗必須很低。實際上，許多邊緣節(jié)點常常處于關閉模式而非工作模式，因此泄露電流的功耗遠大于有功電流消耗。

　　● 易于編程： 物聯(lián)網(wǎng)可大大擴展當今的應用概念，將整個住宅甚至城市包含到一個系統(tǒng)中。維護編程模式的簡易性以及一個提供工具與軟件的大型合作伙伴的生態(tài)系統(tǒng)，對于市場開發(fā)和最終的總擁有成本是至關重要的。

　　聚焦邊緣節(jié)點

　　邊緣 / 感應節(jié)點具有唯一的 ID，可通過遠程命令和控制拓樸來單獨控制，整個節(jié)點包括：

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

　　● 連接性——邊緣節(jié)點需要距離相對較短的通訊。集成調制解調器可通過 BTLE、 Zigbee、Z-wave、 6LoWPAN、低功率 802.11n、 RFID、 NFC 和其他標準提供所需的連接。

　　● 能量來源——邊緣節(jié)點電源來自電池、能量采集器、直接電源插座和其他來源。

　　● MCU——控制器的馬力 MIPS 應與任務需求相適應。

　　這些節(jié)點應該很小，是低成本、低功率、低復雜性和穩(wěn)健的。例如美登力公司生產的一個事件監(jiān)控模塊和一個葡萄糖監(jiān)控設備，使用藍牙 ® 與各類網(wǎng)關進行通信。邊緣節(jié)點始終與網(wǎng)關 / 集線器通信，這些網(wǎng)關 / 集線器再與核心網(wǎng)絡和基于云的處理進行通信。

　　單就數(shù)量而言，邊緣節(jié)點的數(shù)量會超過世界上所有其他市場。這一點可能讓人難以接受，因為過去十年中手機市場獲得了巨大發(fā)展。還會有比手機更大的市場嗎?下面通過比較來證明我的觀點。如今數(shù)量最龐大的消費類設備是手機。在我家里，我妻子和我各有一部智能手機。我有兩個女兒，她們會在未來五到七年內各自擁有自己的智能手機。所以在五到七年內我家就有四部智能手機?，F(xiàn)在，想想在五到七年內這個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、煙霧感應器、溫度調節(jié)器、電燈開關、灑水區(qū)控制器等算在內，我家會有 68–100 個潛在的物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點，可以連接到我們家里的一個網(wǎng)關箱內。所以在五到七年內，我家的智能手機與邊緣節(jié)點的數(shù)量是 4 與最少 68 比。這個例子是已有智能手機的家庭。在許多其他物聯(lián)網(wǎng)應用中(比如工廠流程自動化、道路基礎設施、物流、環(huán)境等)，甚至沒有手機可供比較。所以物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點的數(shù)量會超過消費者設備幾個數(shù)量級。這些感應和控制模塊能夠在網(wǎng)絡邊緣實現(xiàn)自動化，并且在有安全可靠的服務層時為物聯(lián)網(wǎng)奠定基礎。下面接著詳細說明使用 MCU 實現(xiàn)本地命令與控制的應用場景，并將這些場景延伸到未來數(shù)年。如前所述的自動化可為日常生活提供價值。但當我們探討物聯(lián)網(wǎng)如何擴展這種觀念時，可提供更大的價值。一旦物聯(lián)網(wǎng)服務興起，可靠的服務層將會為 MCU 增加一定量的開銷。但是，由于這些標準正在制定，這個開銷比例尚未可知。為方便起見，我們討論最小開銷的實際應用處理。我們還假設通信功能使用自包含的有近距離和遠距離連接功能的調制解調器，即應用處理MCU 在進行上級 MAC 處理時沒有額外開銷。