物联网构建模块和架构

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在如今物联网的重要性、挑战、应用和趋势都在不断地增加和向好。物联网是作为一个集成了各种技术的包开发的。每种技术在物联网系统中都有自己的主要作用。在本文章中，将检查 IOT 的基本构建块及其在 IOT 基础设施中的位置。

物联网允许物理世界中的事物（物联网设备/对象）通过通信网络与虚拟世界（云服务、平台和应用程序）交互，从而能够相互交换和共享上下文感知信息。因此，任何物联网系统都是由物理世界、虚拟世界和通信网络构建而成的。这三个大致是物联网系统的基本块。所以，一个物联网系统可以用下面的框图精确地表示——

图 1：以简单块显示物联网的图像

为了对物联网生态系统的基础设施有一个鸟瞰图，了解以下术语很重要 -

1) 物——在物联网的上下文中，物理世界或信息世界的任何具有唯一身份并可以集成到通信网络中的对象都称为“物”。事物可以是物理事物，也可以是虚拟事物。物理事物通常被称为“（物联网）设备”。物联网中的事物概念也与设备的概念有些不同。虽然事物可以是虚拟的或物理的事物，但当使用术语设备时，它指的是可以在网络中通信并可能配备传感器、执行器、处理器、内存和/或控制器的物理设备。虽然事物也可以是虚拟事物，例如云服务解决方案。此类虚拟事物是软件应用程序、API 或应用程序解决方案，它们以自己的权限交换和处理数据。由于也有这样的应用，有其唯一的身份或识别密钥，它们就被视为事物。虚拟事物也可以是物理事物的信息表示，例如亚马逊网络服务中的事物影子。物理事物的一个简单示例可以是温度传感器。温度传感器可以通过控制器连接到通信网络，它可以收集和共享有关环境实时温度的动态信息。

2）物理世界——因此，物联网系统中既可以存在物理事物，也可以存在虚拟事物。物联网系统中的物理世界是指物理事物或设备的集合。物理事物或设备是围绕包含 IOT 板的控制器或处理器构建的。IOT 板有一个坐着的微控制器或微处理器，以及有限的内存资源和一个或多个通信接口。它们具有通用输入/输出引脚，通过这些引脚与一个或多个传感器、执行器或通信通道连接。因此，这些物理事物能够感知、收集、存储、共享和处理信息，并且可能能够操作一个或多个执行器来影响现实世界。

3）虚拟世界——在物联网系统中，虚拟世界是指虚拟事物的集合。这些虚拟事物通常是 Web、云或移动应用程序、API 或应用程序平台。虚拟世界或虚拟事物的集合在物联网系统中的数据记录、数据挖掘和分析中起着主要作用。来自物理事物的数据被共享到软件应用程序（Web 或云服务），在这些应用程序中存储、分析和处理数据，以获得有用的见解或获取操作执行器所需的信息。

4）通信网络——在物联网中，通信网络是物理世界和虚拟世界之间交互的纽带。实际上，它是一个广域网或互联网网络，允许装载传感器和执行器的 IOT 板与 Web 或云服务器通信或允许它们相互通信。它与通过多个层（物理层、链路层、网络层、传输层和应用层）实现的典型互联网网络没有什么不同。在每一层都有各种通信协议来促进安全和高效的数据交换。

在物理或链路层，使用的一些流行的通信协议是 LR-WPAN、6LoWPAN、蓝牙/LE、802.15.4、LTE、GPRS、CDMA、NFC、Zigbee、802.11 Wi-Fi、WIRELESSHART、Zwave、Sigfox、DASH7、 LoRaWAN、Thread、INSTEON等。最常见的网络层协议是IPv4和IPv6。一些常见的传输层协议包括 TCP、UDP、DTLS 和 TLS。一些流行的应用层协议有 DDS、MQTT、REST、CoAP、LLAP、XMPP、SSI、AMQP、XMPP-IOT 和 MQTT-SN。

物联网系统的架构 –

不同的组织和服务提供商以不同的方式定义、实施和认可物联网架构。然而，物联网系统的基本架构在每个实施和业务模型下都是相同的。物联网系统的基本架构可以从以下四层模型来理解：

1) 物联网设备和网关

2) 通讯网络

3) 云或服务器

4）物联网应用

数据由物联网系统生成、传输、处理并转换为有用的见解。一个物联网系统的基本架构可以用下面的框图来表示——

图 2：IOT 系统架构图

1) 物联网设备——任何满足以下要求的设备或设备都算作物联网设备——

a) 它能够与其他设备通信并连接到互联网网络。它必须具有可以与其他设备建立通信或连接到互联网网络的硬件接口和固件或操作系统。

b) 它必须配备传感器和/或执行器。传感器可能正在收集来自物理世界的静态或动态信息。传感器收集的信息或数据应与服务器或云共享或交换。该设备还可以具有执行器，以根据或根据云或服务器发回的已处理数据或见解采取行动。

c) 设备必须具有用于捕获数据的控制器或处理器、用于存储数据的内存（通常是临时的）以及用于处理捕获的数据或从服务器或云接收的数据的固件或操作系统。

大多数物联网设备都是使用标准物联网板构建的。这些板可以是微控制器板或子板（单板计算机）。一些流行的 IOT 板包括 Arduino、Raspberry Pi、Beagle Bone、CubieBoard、Pinnocio、Banana Pi 等。这些板带有集成了板载存储器（RAM 和 ROM）、数字和模拟 GPIO（通用输入输出）引脚和各种通信通道（如 USB、I2C、SPI、TWI、以太网）的微控制器或处理器。这些板可以与其他板或传感器和执行器堆叠在一起，形成一个物联网设备（物理设备）。

IOT 设备也可以通过使用流行的微控制器或处理器增加网络接口、RF 或蜂窝收发器来构建。这种物联网设备是为关键任务应用定制的。一些领先的微控制器制造商包括德州仪器 (TI)、ARM、飞思卡尔、英特尔、Microchip Technology、Atmel 和 Broadcom。

根据硬件设计和功能，物联网设备可大致分为以下几类：

1) 通用设备

2) 传感和驱动装置

通用设备——通用设备是物联网应用领域下具有嵌入式处理和通信能力的设备。通用设备可以处理一些信息，并可以通过有线或无线接口连接到通信网络。基本上，这些设备仅从云或服务器收集数据和见解，并相应地操作或执行数据处理。例如，网络控制的工业机器或家用电器可以被视为通用的物联网设备。

传感和执行设备——传感和执行设备配备传感器和执行器，使它们能够交互并影响现实世界。传感器收集与实际物理量有关的信息，例如温度、湿度、光强度、力、密度等，并将其传递给板载控制器/处理器。控制器或处理器（临时）存储信息并将其传递到通信网络。通过各层通信网络，在云端或服务器上接收。云处理信息并发回有用的见解以操作执行器。

网关的作用

物联网设备可以通过网关或不通过网关与其他设备建立通信。协议转换基本上需要网关。假设物联网设备可以通过 Zigbee 接口发送和接收数据，因此将通过 Zigbee 协议进行通信。通信网络可以通过TCP-IP协议接收和发送数据。在这种情况下，将需要一个网关，该网关可以将来自使用 Zigbee 协议的设备的数据转换为通过 TCP-IP 协议传输的数据，并将来自云或服务器通过 TCP-IP 协议的数据转换为 Zigbee 协议以供物联网设备接收。由于物联网设备的通信网络和车载网络不同，网关充当了两个网络之间的双向桥梁。

网关根据设备协议收集和提取（传感器）数据，根据通信网络运行的协议对其进行包装和格式化，并将数据推送到通信网络以传输到云端或服务器。同样，它从云或服务器接收和提取数据、见解或信息，根据设备上网络使用的网络协议对其进行包装和格式化，并将云处理的数据推送到物联网设备。

因此，在以下两种情况中的任何一种情况下都可能需要网关——

1）当物联网设备和通信网络可能以不同的协议运行时。通常，这些协议可能位于不同的网络层。就像上面的例子一样，Zigbee 是物理层协议，而 TCP-IP 是传输层协议。无线传感器网络是通过网关进行设备到网络通信的另一个示例。

2) 一个 IOT 设备可能需要与另一个以不同协议运行的 IOT 设备进行通信。例如，蓝牙设备可以使用网关与其他 BLE 设备进行无线通信。

因此，网关提供了设备与云或一个设备与另一个设备之间的间接通信方式。在设备到设备通信的情况下，IOT 端点（单个 IOT 设备）可能位于同一位置，并通过网关以不同的物理或链路层协议（RF 协议，如蓝牙、Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth-LE）进行通信。这样的网关称为边缘网关。

图 3：通过网关的 IOT 通信

无网关通信

物联网设备也可以直接连接到云端或其他物联网设备。在这种情况下，设备和通信网络或相互通信的设备必须使用相同的协议共享和交换数据。因此，不需要协议转换和任何网关。通常，这种设备到设备或设备到网络的通信可以通过应用层协议实现，例如消息队列遥测传输 (MQTT)、受限应用协议 (CoAP)、数据分发服务 (DDS)、高级消息队列协议 (AMQP) 和可扩展消息传递和存在协议 (XMPP)。例如，一个 ESP8266 IOT 板可以直接使用 MQTT 协议与另一个 ESP8266 板直接通信。MQTT 是一种应用层协议。

图 4：没有网关的 IOT 通信

IOT 设备（IOT 板）可能具有固件、操作系统或实时操作系统来处理数据、执行消息传递和通信、管理数据存储和管理执行器操作。一些流行的物联网操作系统包括嵌入式 Linux、TinyOS、Snappy Ubuntu Core、Contiki、FreeRTOS、Mantis、ARM 的 mbedOS、RIOT OS、Windows 10、Nucleus RTOS、eCOS、SAFE ROTS、Android Things、Green Hills Integrity、WindRiver VxWorks 和布里洛操作系统。

2) 通信网络——通信网络通常是典型的互联网网络，具有不同的层（物理层、链路层、网络层、传输层和应用层）以及在不同层运行的通信协议。

3）云/服务器——云或服务器是物联网系统的边缘。云存储从不同和无数的物联网设备收集的数据，并执行数据挖掘和分析以从中获得有用的见解。它还负责管理连接的设备和网络，管理设备到设备的通信，并通过操作和同步不同的物联网设备以及它们之间的通信来实现物联网应用。云还可以与其他私有和公共云服务通信以启用 IOT 应用程序。

4）物联网应用——云端数据的处理、挖掘和分析由物联网应用完成。IOT 应用程序是云服务器上的软件，它提取数据、操作数据以获取有用的见解并设法将见解安全地推送到目标物联网设备。例如，为家庭自动化设计的 IOT 应用程序可能会处理来自传感器的数据并从云端发送命令来操作家用电器。

在未来呢，云服务器，物联网在高速发展的网络中呢还会不断的拓宽领域，熟悉物联网构建模块和架构是很重要的。

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