物联网架构和技术协议

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本章将介绍用于支持物联网 (IoT) 应用的技术架构，并详细讨论一些关键物联网技术和无线协议。

深入了解物联网生态系统

从更高层次来看，物联网是一个异构网络，由云计算层负责检索和处理从其他层获取的信息。图 2-1 是一个简单示意图。

物联网相关数据可以存储在物联网网络中的多个位置。物联网网络和基于云的系统中的传感器、网关和本地设备可以存储不同数量的数据。

云计算

图 2-1 中间的云计算层在生态系统中占据着重要地位，可以存储大量信息，并基于这些数据做出决策；它可以有效集成来自解决方案各组件的数据。将云添加到物联网还可以提高安全性、可用性、可扩展性和性能，因为云存储/数据库提供商愿意采用这些功能，以帮助他们在相关行业领域取得成功。

例如，物联网智能家居高度依赖云的计算能力。如图 2-2 所示，智能家居有一个传感器和家庭连接层，可以从不同的节点收集数据，然后将这些信息提供给云服务器，以便做出决策。

边缘计算

有时候，将物联网数据发送到云进行处理并没有什么意义。虽然云可以处理大量数据，它也有缺点，比如通信延迟。此外，有时云会不可用，或者需要更快的处理周转时间。

在这些情况下，可以使用边缘计算。当数据在传感器或网关的源端处理和存储时，就会发生边缘计算，而且只有在需要额外处理时，网络才会使用云。有些终端设备并不总是将数据发送回云，而是使用边缘计算在源端存储和处理数据。这有助于为最终用户提供更实时的体验，也有助于确保网络安全。

在功率或带宽受到限制时，边缘计算尤其有用。使用传感器在网络边缘对数据流实施有用处理可以降低功耗，并更有效地使用带宽。边缘计算不会将可识别身份的信息发送至云，而是在源端存储和处理，这有助于保护用户的隐私。随着物联网技术不断发展，延迟逐渐成为更大的问题，边缘计算将变得更加普及，以实现实时处理。

审视物联网架构


一些物联网应用已经成熟，比如无线控制家用恒温器或使用手机打开车门。但未来，物联网的潜在应用将更加广泛，规模也更大。试想一下，使用手机寻找停车位，或者您的冰箱清楚什么时候需要补充物品并自动下单；桥梁和其他基础设施中的传感器会在需要维修或维护时自动通知工程师；当您非常接近高度传染性疾病患者或者有害物质或环境时，定位技术会通知您，这会是怎样一种体验。这些未来应用将需要能够在后台进行大量数据传输和处理的物联网架构平台。

这种物联网平台/架构由几个内部连接层组成（参见图 1-1）。我们来详细了解一下物联网平台各连接层中的各个组件：

传感器和执行器：物联网传感器和执行器用于测量温度、声音、湿度和振动等。在典型的物联网智能家居中，恒温器等智能设备都具有嵌入式通信单元，可连接至家庭网络。恒温器中的传感器和执行器可将这些物理测量值转换为驱动系统的电气值。

物联网网关：网关在本地网络和英特网之间传送数据。首先，接收传感器和执行器的电子值，然后使用网络协议将其上传至本地网络，如蓝牙、蓝牙低功耗 (BLE)、蜂窝、LoRaWAN、Thread、Wi-Fi 或 ZigBee。网关会创建一个网状骨干网来分发收集到的数据，并向设备发送响应。

云基物联网平台：通过网关传输的数据存储在云基物联网平台或公司的数据中心，并在那里进行处理。然后，可利用这些数据执行智能操作和制定决策。

应用：最后，物联网设备的数据可用于各种应用，以帮助人们或组织做出更明智的决定或采取具体措施。这些应用可将云端信息推送至智能手机、平板电脑或计算机上的应用。应用层对用户来说最重要，因为它是用户与物联网网络的接口，允许用户控制和监控物联网系统的许多要素，有时还可以实现实时控制和监控。

了解一些物联网协议

通信协议构成物联网系统的主干，可将物联网设备连接至网络，并最终连接至应用和用户。通过定义数据交换格式、数据编码、设备寻址方案以及数据包从节点到目的地的路由方式，这些基于标准的专有协议使数据能够在物联网架构的不同层之间传输。

物联网生态系统包括一系列支持短程、本地和广域网的不同协议，且所有这些协议都可以共存。每种技术在范围、传感和控制以及传输不同类型信息的能力方面都具有特定的特性（参见图 1-2 和 1-3）。这些技术组合在一起可实现所有无线范围和功能的无缝覆盖。例如：蓝牙非常适用于短程应用，而窄带物联网 (NB-IoT) 则非常适用于远程应用。

以下是一些关键网络协议的简要概述：

IEEE 802.15.4 标准是低速率无线个人局域网 (LR-WPAN) 标准的集合。这些标准可为功率受限设备提供低成本、低速通信。它们构成了高级通信协议（如 ZigBee）规范的基础。ZigBee 是一种专为低功耗运行而设计的网状网络，可用于智能家居和公用设施的智能能源应用。ZigBee 基于 IEEE 802.15.4 物理层 (PHY) 和介质访问控制 (MAC) 标准。

Wi-Fi 是 IEEE 802.11 无线局域网 (WLAN) 通信标准的集合。它可为室内和室外场所提供较高的传输速率，且应用非常广泛。

蓝牙是由 Bluetooth Special Interest Group (SIG) 维护的开放标准。它是一种低成本的无线通信技术，适用于移动设备之间的短距离（如 8 - 10米）数据传输。它可用于音频流媒体、汽车、扬声器和耳机等应用。

蓝牙低功耗 (BLE) 是蓝牙标准的组成部分， 专为低功耗运行而设计。BLE 设备通常使用纽扣电池工作，可用于物联网设备，如灯泡和照明开关。

Thread 是一种低功耗、基于互联网的安全网状网络技术，适用于物联网产品。2014 年成立了 Thread Group 工作小组，旨在推动 Thread 的普及。Thread 可实现安全的低功耗网状网络，支持现有的基于 IPv6 的连接标准。

LoRa 是一种由 LoRa 联盟开发的低功耗广域网 (LPWAN) 协议，适用于远程通信。该技术是大规模农业应用传感器的最佳之选。

蜂窝标准（如 5G）可为物联网服务提供网络主干，同时支持高数据速率和远程通信。NB-IoT 是一种常用的蜂窝物联网标准，可用于智能停车、公用设施管理和制造自动化。

这些消息传递协议用于设备之间以及与云端之间的数据共享。物联网协议是物联网技术堆栈的关键组成部分，如果没有它们，硬件根本无法工作。利用物联网协议，物联网设备能够以一种受控和有意义的方式交换数据。

例如，物联网智能设备之所以称为“智能”，不仅因为它们能够相互通信，还因为它们在遇到问题时能够自动缓解问题或通过网络寻求帮助。这种交互只能通过协议通信或物联网设备所采用的通用语言实现。

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