物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)研究

李 峰

（小佩網(wǎng)絡(luò)科技（上海）有限公司，上海 201203）

0 概述

IPV6和4G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用為互聯(lián)網(wǎng)提供了極大的帶寬和便利性，使萬物互聯(lián)變?yōu)楝F(xiàn)實，5G的商用進(jìn)一步推動了其發(fā)展。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲、處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，將海量終端設(shè)備接入服務(wù)器，可以采集到各種數(shù)據(jù)，在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行匯總、分析和處理，得出相應(yīng)的結(jié)果，并最終傳回到終端設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而實現(xiàn)特定的功能，這就是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基本架構(gòu)。其優(yōu)勢在于系統(tǒng)普適性強(qiáng)，通過海量數(shù)據(jù)的存儲和分析，可以得出更可靠的結(jié)果、更靈活的應(yīng)用功能。現(xiàn)今的技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)AI、物聯(lián)網(wǎng)等均是在該基礎(chǔ)架構(gòu)上實現(xiàn)的[1-2]。

該文在介紹了物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)知識后，將重點(diǎn)闡述物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品實現(xiàn)方案的特性對比和選型決策要點(diǎn)，以及其在實踐過程的關(guān)鍵細(xì)節(jié)問題，并提供可復(fù)制的參考方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成

從通信對象和過程來看，物與物、人與物之間的信息交互是物聯(lián)網(wǎng)的核心。物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括為整體感知、可靠傳輸和智能處理[3]。

在具體實現(xiàn)上，其基本架構(gòu)可分為數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)通道、終端設(shè)備3個組成部分。1）數(shù)據(jù)中心：用于海量數(shù)據(jù)的接收、存儲和分析，根據(jù)智能算法形成分析結(jié)果，并根據(jù)功能需求傳回到終端設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的操作，形成控制閉環(huán)，實現(xiàn)智能處理和控制[4]。2）傳輸通道：用于建立終端設(shè)備和數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)聯(lián)系，實現(xiàn)可靠傳輸。3）終端設(shè)備：用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和命令執(zhí)行功能，并且與數(shù)據(jù)處理中心建立連接，上傳采集到的數(shù)據(jù)信息并接收執(zhí)行命令，實現(xiàn)整體感知和執(zhí)行功能。

人臉識別、語音識別、智能駕駛、智能樓宇和智能抄表等應(yīng)用系統(tǒng)，其基本實現(xiàn)架構(gòu)都是由終端設(shè)備、傳輸通道、數(shù)據(jù)中心等部分組成，只是各自的側(cè)重點(diǎn)不同。人臉識別、語音識別系統(tǒng)的核心在于強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理能力；智能駕駛對于實時性的要求很高；智能抄表雖然數(shù)據(jù)量很小，但其核心在于成本低、覆蓋廣、壽命長；智能樓宇則在于門禁、識別、燈光、能耗控制等多項功能的綜合運(yùn)用。

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)方案探究

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品實現(xiàn)方案主要由數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)通道、終端設(shè)備3個組成部分，該節(jié)將從技術(shù)方案、重要性能參數(shù)、費(fèi)用等方面對特性對比和選型決策要點(diǎn)，以及其在實踐過程的關(guān)鍵細(xì)節(jié)問題進(jìn)行分析。

2.1 數(shù)據(jù)中心的特性與選型

數(shù)據(jù)中心在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中處于核心地位，負(fù)責(zé)大數(shù)據(jù)存儲與分析，是整個系統(tǒng)的中樞，具備海量的數(shù)據(jù)存儲與處理能力，能夠?qū)崟r處理終端設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)。根據(jù)服務(wù)范圍的不同，數(shù)據(jù)中心可分為國內(nèi)布局和全球布局。

考慮到數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)中心需要對接入的終端設(shè)備進(jìn)行鑒權(quán)，并對往來的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密等處理。

另外還需要考慮數(shù)據(jù)的處理能力，如在自動駕駛、圖像傳輸、人臉識別等人工智能方面應(yīng)用時，由于其數(shù)據(jù)量大，對傳輸?shù)膶崟r性要求高，對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力也都有較高要求。在智能家居、智能抄表等行業(yè)應(yīng)用時，數(shù)據(jù)量較小，通信頻次低，對數(shù)據(jù)的傳輸和處理能力要求不是很高，如最大2 000次/s的服務(wù)器訪問量就可支持10萬臺設(shè)備的在線運(yùn)行。

為了保護(hù)個人隱私，各國紛紛出臺了個人數(shù)據(jù)保護(hù)條例，如歐盟通用的數(shù)據(jù)保護(hù)條例（GDPR）和加州消費(fèi)者隱私法（CCPA），其都旨在保護(hù)數(shù)據(jù)主體的基本隱私權(quán)和個人數(shù)據(jù)安全，全方位地提高了個人數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了很多數(shù)據(jù)中心服務(wù)方案的提供商，如阿里巴巴、騰訊、小米、涂鴉等都能提供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)，并致力于打造全產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈的一站式服務(wù)，此外還有慶科、漢楓、移遠(yuǎn)、晨訊等模塊供應(yīng)商也提供相應(yīng)的配套服務(wù)。

數(shù)據(jù)中心的選擇上，部署費(fèi)用和提供服務(wù)的參數(shù)限制也是重要因素。以阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺為例，其可提供多種計費(fèi)方式供用戶選擇。消息通信包：1.8元/100萬條/月(每月每100萬條1.8元)；連接時長包：1元/100萬分鐘/月（每月每100萬分鐘1元）；固件升級次數(shù)包：0.2元/次；套餐包根據(jù)配置的不同，在299～7999元/月；購買服務(wù)包類型時，可采取依實際業(yè)務(wù)發(fā)展逐步升級的策略，以便適應(yīng)產(chǎn)品研發(fā)上市的實際需求。

其技術(shù)服務(wù)參數(shù)限制主要有5個。1） 單賬號最多設(shè)備數(shù)：1 000萬。2）單設(shè)備每分鐘最大請求數(shù)：5次/分。3）單賬號每秒由設(shè)備端向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送的請求數(shù)：1萬。4）

單賬號每秒由物聯(lián)網(wǎng)平臺向設(shè)備端發(fā)送的請求數(shù)：2 000次。5）單設(shè)備接收下行消息的最大限制：50條/s。在系統(tǒng)設(shè)計初期需充分考慮上述限制，采取隨機(jī)分布等流量控制策略均衡訪問時間，避免出現(xiàn)突發(fā)大量消息阻塞，發(fā)生系統(tǒng)異常。需要強(qiáng)調(diào)的是，雖然各大網(wǎng)絡(luò)巨頭在提供數(shù)據(jù)中心服務(wù)的同時，能提供全產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，全功能方案的支持，大幅減少研發(fā)時間，使產(chǎn)品能以最快的速度上市，但企業(yè)也需同時考慮自身的信息安全，建議在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器布局、原始數(shù)據(jù)加密等方面采取一定的措施，避免因核心數(shù)據(jù)泄露對自身的協(xié)調(diào)發(fā)展造成影響[5]。

2.2 傳輸通道的特性與選型

在數(shù)據(jù)通信技術(shù)已得到長足發(fā)展的今天，有GSM、5G、Wi-Fi、NB-IoT、LoRa、藍(lán)牙、ZigBee、FM 433等多種技術(shù)可供選擇，以便適應(yīng)不同的用戶使用場景和需求。表1對各種通信方式在服務(wù)范圍、傳輸速率、功耗、費(fèi)用等方面進(jìn)行了對比。

表1 通信方式參數(shù)對比

從表1中可以看出，各種通信方案都有自己的特點(diǎn)，優(yōu)勢與劣勢明顯，應(yīng)該在系統(tǒng)規(guī)劃初期，根據(jù)自身的應(yīng)用特點(diǎn)，如通信范圍、速率、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、通信頻次等參數(shù)，選取一個或多個通信方式實現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用。

通信范圍最大的公用廣域網(wǎng)5G、4G、2G、NB-IoT有一定的使用費(fèi)用，其數(shù)據(jù)傳輸速率基本與功耗、費(fèi)用成正比，其選擇與電信運(yùn)營商直接相關(guān)，跨國使用有一定困難。但其使用專有頻率，有法律法規(guī)進(jìn)行保護(hù)，可靠性有一定的保證。

Wi-Fi雖通信范圍相對較小，但其分布面積廣，固定或在小范圍內(nèi)移動的設(shè)備均可選用，其最大的優(yōu)勢在于傳輸速率高、無使用費(fèi)、跨國使用方便。但其使用時必須連接配置無線網(wǎng)絡(luò)，這會給終端用戶造成一定的困擾。其主要使用TCP/IP協(xié)議，通信質(zhì)量沒有確定的保護(hù)措施，需在上層增加相應(yīng)的反饋確認(rèn)、重傳和去重等機(jī)制實現(xiàn)可靠通信。

藍(lán)牙目前已發(fā)展到5.0，在傳輸語音、低功耗、室內(nèi)定位、MESH網(wǎng)絡(luò)方面有長足進(jìn)步，其最大的優(yōu)勢在于公有協(xié)議，傳輸速率相對較高。手機(jī)周邊的應(yīng)用十分方便快捷，

ZigBee、LoRa、FM 433等無線局域通信技術(shù)，在低功耗，通信距離上各有建樹，但均為私有協(xié)議，專屬性較強(qiáng)，雖無使用費(fèi)用，但應(yīng)用研發(fā)起步費(fèi)用較高，各個廠家的產(chǎn)品很難互聯(lián)互通，一般作為智能照明、智能家居等系統(tǒng)內(nèi)的通信方式。

因上述通信方式均有較為復(fù)雜的通信協(xié)議，因此，要想實現(xiàn)其功能必須要有具備一定處理能力的處理器，該處理器一般具備一定能力的冗余，在通信頻次較低、數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用中，通信處理器可以同時兼做數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行的處理器使用，從而顯著降低設(shè)備成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，提高可靠性。

新興的NB-IoT以其覆蓋廣、功率低的優(yōu)勢在物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域獨(dú)樹一幟[6]，當(dāng)前使用費(fèi)用約8元/年～9元/年，流量不限。對應(yīng)通信模組價位在單頻20元/塊、多頻23元/塊，是低數(shù)據(jù)量通信的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的優(yōu)先選擇。2G、4G、5G使用通信費(fèi)用，各大運(yùn)行商均有宣傳，這里不再復(fù)述。

在5G、2G、NB-IoT通信模塊資源上有華為、中興、移遠(yuǎn)等廠商的產(chǎn)品可以選用。在Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、FM 433通信上有博通、樂鑫、慶科、漢楓等廠商的產(chǎn)品可以選用。其中樂鑫的Wi-Fi芯片ESP8266，ESP32在業(yè)內(nèi)以其高性價比（約10元/片），提供靈活的二次開發(fā)平臺的優(yōu)勢，已納入小米物聯(lián)網(wǎng)智能產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，有較為完備的應(yīng)用技術(shù)服務(wù)和支持體系，占據(jù)了低速率物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的較大市場。

2.3 終端設(shè)備的特性與選型

終端設(shè)備主要完成數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行，圖像、語音、溫濕度、光線、位置、測量開關(guān)量、模擬量等傳感器多種多樣、各不相同，執(zhí)行也分開關(guān)執(zhí)行、弱電控制、強(qiáng)電控制、速度控制等。終端設(shè)備的實現(xiàn)方案與應(yīng)用領(lǐng)域、場景直接相關(guān)，這也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用多樣化的集中體現(xiàn)，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。其目的是應(yīng)用各種傳感器，將感知到的物理參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號傳送給數(shù)據(jù)中心。并接收數(shù)據(jù)中心傳回的數(shù)據(jù)指令，通過相應(yīng)的執(zhí)行電路、機(jī)構(gòu)執(zhí)行控制指令，從而實現(xiàn)閉環(huán)智能控制。如感知到溫度過高，PM2.5超標(biāo)，則開啟通風(fēng)裝置通風(fēng)降溫，打開除塵設(shè)備等。

終端設(shè)備雖然具備多樣化的特點(diǎn)，但其一般是以處理器為核心，外加傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。

在具有攝像頭、圖像處理、模式識別等需要大運(yùn)算量、數(shù)據(jù)傳輸量的終端設(shè)備上，一般數(shù)據(jù)采集和通信有相互獨(dú)立的處理器。在僅需簡單開關(guān)、模擬量采集和執(zhí)行，且通信量不大的終端設(shè)備上，可以使用通信模塊上的處理器來完成數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行工作，從而有效降低終端設(shè)備的成本，在大規(guī)模布設(shè)時將取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備一般處于遠(yuǎn)程，工作環(huán)境較為惡劣，數(shù)量龐大，維護(hù)困難，維護(hù)成本較高。對穩(wěn)定性、可靠性、續(xù)航能力方面有較高要求，其穩(wěn)定運(yùn)行是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。首先，系統(tǒng)中應(yīng)具備硬件看門狗電路，以期在出現(xiàn)異常的情況下，重啟電路，從而實現(xiàn)可靠在線。其次，需具備遠(yuǎn)程監(jiān)測和自檢、診斷功能，以期做到出現(xiàn)問題早發(fā)現(xiàn)、早告警、早處理，避免造成系統(tǒng)性問題，最后，終端設(shè)備應(yīng)具備軟件遠(yuǎn)程升級功能，以便在需要的時候?qū)ο到y(tǒng)軟件進(jìn)行升級，排除已知缺陷，從而在無需現(xiàn)場處理的條件下實現(xiàn)軟件缺陷排除。

在續(xù)航能力方面，普通的干電池、鋰電池、蓄電池能提供中、短期的續(xù)航支持，當(dāng)無人值守設(shè)備要滿足長達(dá)1年或數(shù)年的使用期時，上述電池限于自身物理特性的原因無法滿足要求。該條件下可以選用特種的鋰/亞硫酰氯電池。該類電池多應(yīng)用于共享單車車鎖、遠(yuǎn)程抄表產(chǎn)品內(nèi)，提供長達(dá)數(shù)年的免維護(hù)續(xù)航支持。

為確保電子設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行并避免對其他設(shè)備產(chǎn)生干擾，各國均有嚴(yán)格的技術(shù)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，終端設(shè)備必須通過一系列的實驗室測試認(rèn)證才能應(yīng)用。諸如CCC、UL、KCC、TUV、SRRC、CE、FCC、MIC等強(qiáng)制認(rèn)證，還有5G、2G、藍(lán)牙聯(lián)盟、Wi-Fi等通信的合規(guī)性認(rèn)證。

攝像頭、圖像處理應(yīng)用方向有海思、海康、索尼等廠商的芯片方案可以選用。語音識別應(yīng)用方向有訊飛、搜狗、騰訊、谷歌等巨頭的方案可以選用。各類通信模塊有樂鑫、慶科、漢楓、移遠(yuǎn)等供應(yīng)商的產(chǎn)品可以選用，這些供應(yīng)商基本均可提供二次開發(fā)資源。微處理器有大量國內(nèi)知名品牌涌現(xiàn)，如兆易的GD系列，華大半導(dǎo)體的ARM Cortex-M0+/M4系列，合泰的HT系列單片機(jī)均有較高性價比，現(xiàn)今最便宜的已降至1元以下。傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)依具體應(yīng)用選取如：Sensirion的SHT21溫濕度傳感器、u-blox的UBX-G7020定位芯片、InvenSense的MPU9250 9軸傳感器（3軸加速度、3軸地磁、3軸陀螺儀）、億光的光傳感器等均是業(yè)內(nèi)知名品牌型號，并得到廣泛應(yīng)用。

3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)方案實踐

筆者所使用的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人與終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制功能，終端設(shè)備需要配合手機(jī)一起使用，實現(xiàn)完整的智能數(shù)據(jù)采集和控制功能體驗，產(chǎn)品行銷世界，提供全球服務(wù)。

基于前文所述的物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)技術(shù)方案分析，通過對場景、費(fèi)用、速率、覆蓋范圍的綜合考量，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心、傳輸通道、終端設(shè)備分別按如下方案實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)中心：租用公用云服務(wù)自建API、鑒權(quán)、數(shù)據(jù)存儲與分析服務(wù)器（在國內(nèi)、美國、新加坡部署服務(wù)器），為廣大亞洲、歐洲、美洲、大洋洲的客戶提供產(chǎn)品服務(wù)。使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)設(shè)備的全球接入，實時在線。使用騰訊IM，實現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢與控制、社區(qū)聊天、售后支持等功能。使用云云對接方式實現(xiàn)天貓精靈、亞馬遜Alexa對終端設(shè)備的控制，終端設(shè)備通信使用加密數(shù)據(jù)傳輸。以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)作和企業(yè)數(shù)據(jù)安全。

傳輸通道：采用Wi-Fi+藍(lán)牙的通信實現(xiàn)方案，Wi-Fi部署范圍廣泛，全球通用，無使用費(fèi)用，可謂是性價比最高的通信實現(xiàn)方案。但鑒于Wi-Fi在配網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面的已知弱點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)品應(yīng)用過程中必備手機(jī)的使用場景，特在終端設(shè)備中加入藍(lán)牙功能提供終端設(shè)備與手機(jī)之間的第二傳輸通道，從根本上降低配網(wǎng)環(huán)節(jié)對終端用戶造成的影響，改善網(wǎng)絡(luò)配置環(huán)節(jié)的痛點(diǎn)。在數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面，在傳輸控制軟件中加入消息的ACK反饋，超時重傳，去重等功能，以確保數(shù)據(jù)通信的可靠性。

終端設(shè)備：需采集溫度、濕度、設(shè)備狀態(tài)等信息，并執(zhí)行馬達(dá)驅(qū)動、加熱器開關(guān)等操作，總體來說其數(shù)據(jù)傳輸量較小、通信頻次較低、控制量簡單。采用通信芯片處理器兼做采集與執(zhí)行任務(wù)的處理的方案，選用樂鑫ESP32模塊，其同時具備Wi-Fi和藍(lán)牙功能，提供二次開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境，有完備的技術(shù)支持體系，性價比很高。為確保終端設(shè)備的長期可靠運(yùn)行，系統(tǒng)中設(shè)計了硬件看門狗電路，以期在出現(xiàn)極端異常時硬重啟系統(tǒng)，實現(xiàn)可靠在線。系統(tǒng)中設(shè)計了遠(yuǎn)程監(jiān)測和自檢、診斷功能，以期做到出現(xiàn)問題早發(fā)現(xiàn)、早告警、早處理，避免造成系統(tǒng)性問題。系統(tǒng)還設(shè)計有遠(yuǎn)程升級功能，以便在需要的時候?qū)ο到y(tǒng)軟件進(jìn)行升級，排除已知缺陷，從而在無需現(xiàn)場處理的條件下，實現(xiàn)軟件缺陷排除，實現(xiàn)功能進(jìn)化與迭代。

上述產(chǎn)品經(jīng)實踐檢驗，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定可靠，通過SRRC，CE，F(xiàn)CC，MIC，KCC和歐盟通用數(shù)據(jù)保護(hù)條例（GDPR）認(rèn)證，目前已有10萬+終端設(shè)備在線，手機(jī)App日活用戶3萬，月活用戶15萬，為廣大亞洲、歐洲、美洲、大洋洲的用戶提供服務(wù)。

4 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)是將各種終端設(shè)備，小至簡單的計步器、攝像頭，大到汽車、飛機(jī)等彼此相連，并與云進(jìn)行通信和共享數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其核心價值在于數(shù)據(jù)的分析，將各終端設(shè)備產(chǎn)生的小數(shù)據(jù)匯聚成為大數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行過濾、分析、共享，使大數(shù)據(jù)變成可用的信息，推動建立全新的業(yè)務(wù)模式和服務(wù)產(chǎn)品，“物”以致用，用創(chuàng)新解決現(xiàn)實問題。

麥肯錫全球研究中心的一項報告顯示，在2015～2019過去的5年里，互聯(lián)設(shè)備的數(shù)量增長了300%，預(yù)計到2025年，各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來的經(jīng)濟(jì)規(guī)模可能會超過10萬億美元。其在智能安防、智慧電力、智慧交通、智慧物流、智能醫(yī)療、智能家居、智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、智能樓宇、智慧城市等領(lǐng)域?qū)⒂瓉肀l(fā)式發(fā)展。