物聯網的重要性

熊元嘉

物聯網能夠創建新的商業模式、提供產品以及數字轉型。數十億的物聯網設備可以通過擴展當前的蜂窩網絡連接起來，它將幫助組織保持與客戶的相關性，產生新的收入流，并為客戶提供競爭優勢。

盡管物聯網正在被廣泛應用，連接設備也在迅速增加，但市場環境仍然是碎片化的。為了提供不斷發展的物聯網用例、應用程序和設備類型所需的網絡性能，新業務模型的連接必須靈活和敏捷。

物聯網連接

用于連接物聯網設備的方法，諸如應用程序、傳感器、跟蹤器、網關和網絡路由器等方法，通常被稱為物聯網連接。物聯網連接一詞也經常用于物聯網領域，指能夠支持這種連接形式的特定物聯網網絡解決方案。這些包括但不限于WiFi、蜂窩網絡和LPWAN。

在未確定哪種最適合企業時，經常將物聯網連接選項分為3個因素：帶寬容量（速度）、覆蓋面積和功耗。為物聯網連接找到所有3個因素的連接選項是具有挑戰性的，因此，在選擇物聯網連接選項之前，了解連接需求至關重要。

物聯網設備時代

物聯網使物理世界和數字世界的交互和協作成為可能，使企業能夠自動化和簡化常規流程，為其提供許多優勢。

由于技術的發展，工作場所正在發生變化，我們的日常生活中已經包含了數十億個設備。它們互相關聯、與企業數據流通信。此外，它們正在越來越多地實時重塑和控制環境，以實現幾年前難以想象的結果。

物聯網是指物體之間直接或通過云進行通信，其正在迅速發展。此外，數據流的排他性越來越低，開放性越來越強，而傳感器技術變得更小、更高效和更經濟。軟件、數據挖掘、機器學習和人工智能（AI）方面的發展，有望加深我們對設施與組織績效之間，以及設施與人與績效之間關系的理解。

構建物聯網生態系統

為了塑造、管理和商業化物聯網這樣的大型數字平臺，需要有由眾多企業和技術組成的數字生態系統。像物聯網這樣的宏觀趨勢不可能僅是由一家企業或一項發明推動，物聯網生態系統和平臺提供商之間有著廣泛協同的聯系，為各方的整體利益創造了新的機會。

連接設備產生的海量數據（2021年達到137億左右）已經在數字領域留下了持久的印記，并推動了對5G高速移動網絡、云端實時數據管理和分析等平臺的需求。

被稱為物聯網生態系統的企業網絡，為物聯網商品和服務的開發提供了動力。隨著物聯網系統變得越來越復雜和專業化，物聯網生態系統參與者之間的相互依賴關系也變得越來越重要和復雜。

強大的物聯網生態系統有很多優勢：

協作使企業能夠利用合作伙伴的技能和資產，使自己從競爭對手中脫穎而出，例如，向全新的垂直行業銷售，這在其他情況下是不可能的；

第三方產品可以解決產品組合的差距，提高企業更快推出物聯網系統的能力，降低風險，并通過將投資分散到各個市場參與者來降低前期資本支出；

由于每個合作伙伴都帶來了一組獨特的消費者關系，因此合作伙伴關系通常會擴大市場覆蓋率和采用率，建立正確的聯盟還可以節省時間和資金，用于推進物聯網創新和價值創造。

企業經常尋求完整的端到端物聯網解決方案，這就需要眾多行業參與者的技術和服務來參與和集成。為了在部署新的物聯網系統時減少IT開銷，許多重大的物聯網部署可能需要跨一個或多個生態系統進行十多個參與者之間的交互。當戰略上建立了這些合作伙伴生態系統時，企業采用和運營全面的物聯網系統就會容易得多，從而獲得更強的競爭優勢。

物聯網中的數據處理

雖然數據處理周期從輸入階段開始，但應該首先考慮期望的結果。換句話說，在物聯網的幫助下，應該解決哪些問題？我們需要什么樣的數據？

舉個例子，每當制造機器的溫度超過閾值限制時，就能接收警報。

一旦確定了想要的結果，就必須想辦法實現。為了轉化成所需要的信息，傳感器設備收集到的數據需要以合適的格式存儲。

例如，當機器運行時，可以定期接收數據，如每10 min接收一次。我們可能希望利用該信息來確定自上次機器維修后已過去多久，通過觀察這些數據的趨勢，如果消耗量保持不變，便可預測何時達到某個小時數。

由于傳感器捕獲的數據量可能非常龐大，故需要一個可擴展的云服務，以便能夠存儲數據。還須制定數據保留策略，并承認無限保留所有物聯網數據是不合邏輯的，但隨著數據積累和保存時間的延長，存儲數據的成本也隨之增加。另一方面，更少的數據等于更少的歷史經驗和見解。因此，必須設定優先級，并在要存儲的數據量和預算之間取得平衡。

在實現數據處理之前，確定資源使用和更新頻率（如計算能力、功率）之間的適當平衡至關重要，物聯網用例明確規定了什么是“良好的平衡”。

在某些使用場景中，立即了解收集的數據對結果的影響至關重要。為此，物聯網中的實時數據處理是必要的。但這可能是相當密集型的資源，例如，在某些用例中，每天只需處理一次收集的數據就足夠了。

如今，人們已經使用傳感器設備收集數據，使用網絡解決方案將數據傳輸到云服務，使用數據轉換流程將數據轉換為可用的信息。現在是向用戶展示結果的時候了。

企業構建的物聯網連接類型將決定新物聯網項目的成敗。當企業需要物聯網連接機制時，電池壽命、網絡覆蓋和成本等因素都會發揮作用。

物聯網連接技術

沒有連接，物聯網就不可能實現。物聯網生態系統中的設備只有在連接到其他設備和物聯網技術時才能發揮作用，就像水槽連接到水管或電燈插入插座一樣。幸運的是，有多種物聯網連接技術可用。故此，了解對帶寬、范圍和功耗的需求，將助于做出最佳的選擇，下面來一起探索最流行的物聯網連接技術和應用案例。

固定連接以太網

以太網連接是企業用來將物聯網設備連接到網絡的最早技術之一。對于不需要從固定位置移動的笨重設備來說，這仍然是一個不錯的選擇。通過使用以太網電源可以減少有線部署中使用的電纜數量，這是一種通過數據線而不是電源線傳輸電流的技術。

LPWAN支持大量傳感器的能力

在物聯網中，低功耗廣域網物聯網協議用于將少量數據從專用基站無線傳輸到傳感器和設備。

LPWAN技術LoRa由芯片制造商Semtech和Sigfox提供支持，被企業廣泛使用。LoRa和Sigfox都支持使用未經許可的工業、科學和醫療頻段進行雙向通信，其中包括歐洲的868 MHz頻段、北美的915 MHz頻譜和亞洲的433 MHz頻率。

在城市部署中，LoRa和Sigfox提供的實際范圍約為10 km，而在摩天大樓較少的開闊農村地區，范圍是這個數字的2倍多。

Sigfox和Semtech都提供了網關，使自己的技術作為專用網絡的部署變得簡單和負擔得起。這些LPWAN技術在商業建筑和工業場所的物聯網部署中得到了廣泛的關注，這些建筑和工業場所往往擁有數千個傳感器和其他物聯網設備。

在LPWAN技術方面，LoRa處于領先地位，部分原因是一家名為Helium的初創企業在北美和歐洲推出了基于LoRa WAN技術的DIY物聯網網絡。

物聯網蜂窩連接

物聯網蜂窩連接在全球獲得了巨大的吸引力，2G和3G支持多種開創性的物聯網應用。有了4G服務，每個單元有更多的設備可能會帶來更大的帶寬、更低的延遲和更高的設備密度。5G網絡的引入最初是由5G新無線電NR標準實現的，通過支持超可靠低延遲通信URLLC進一步改進這些網絡，它支持越來越多的關鍵應用。

因此，蜂窩物聯網既能滿足大規模物聯網市場相對簡單的需求，又能滿足復雜環境和應用中高度獨特、微妙的需求。除了移動網絡運營商之外，蜂窩物聯網生態系統也在快速增長，并得到越來越多的設備、芯片組、模塊和網絡基礎設施供應商的支持。其建立在世界3GPP標準之上。在無與倫比的全球覆蓋、服務質量、可擴展性、安全性以及處理各種用例等不同需求的靈活性方面，其比其他低功率廣域網絡技術表現得更好。

衛星可以訪問難以接近的區域

對于物聯網設備，衛星提供了真正無所不在的覆蓋，因為其可以連接到幾乎沒有地面物聯網連接的設備。如果企業需要在海洋中覆蓋物聯網，則需要衛星連接。物聯網設備已經可以使用在地球上空23 000英里的軌道上運行的地球靜止衛星，在全球范圍內連接。隨著SpaceX等企業開始發射瞄針對聯網領域的巨大微型衛星星座，低地球軌道衛星也同樣變得越來越受歡迎。

企業Wifi

WiFi是家庭和企業的傳感器、安全攝像頭、物聯網設備等物聯網設備的連接方式。

全球使用最廣泛的無線網絡之一是WiFi。現實世界中，未經許可的2.4 GHz和5 GHz頻段在距離接入點約120 m處達到峰值。2.4 GHz的連接能夠實現150 Mbit/s的數據速率，并提高了穿過墻壁等固體物體的吞吐量。對于辦公室或其他結構中的物聯網設備，企業將使用2.4 GHz。通過5 GHz鏈路可以支持約1 Gbit/s的數據速度。除非企業加強5 GHz頻段的信號，否則WiFi信號的范圍會減少約50 %。

對于2.4 GHz或5 GHz頻段，典型的WiFi電池壽命為8 ～9 h。辦公室電腦和智能手機可以使用這種電池壽命，但傳感器和物聯網設備需要數周、數月甚至數年的電池壽命。

物聯網連接協議

在構建支持物聯網生態系統的網絡時，技術專業人員有多種通信協議可供選擇，以下是最典型的。

藍牙和BLE

短波、超高頻無線電波用于被稱為藍牙的短距離無線技術。盡管其最初主要用于音頻流媒體，但后來發展成為無線和連接設備的關鍵支持器。因此，物聯網安裝和個人區域網絡經常使用這種低功耗、短距離的物聯網連接選項。

最適合物聯網連接新形式的藍牙是低功耗藍牙，也被稱為藍牙LE或BLE。顧名思義，BLE的耗電量比標準藍牙要低，這使得其在許多情況下特別具有吸引力，包括為消費者提供的智能家居、健康和健身追蹤器，以及為企業提供店內導航。

LORA和LORAWAN

遠程通信能力通過被稱為LoRa的非蜂窩無線技術提供，也被稱為遠程通信。對于M2M和物聯網部署，其具有低功耗、數據傳輸安全的特點。LORA目前是Semtech射頻平臺的一部分，是一項專利技術。Semtech是LoRa聯盟的創始成員之一，該聯盟目前負責監管LoRa技術。此外，LoRa聯盟創建并管理LoRaWAN，這是一個開放的基于云的協議，允許LoRa在物聯網設備之間進行通信。

WiFi

WiFi是一種流行的物聯網協議，因為其廣泛應用于住宅、商業和工業設施。WiFi可以分析大量的數據，并允許快速的數據傳輸。由于中短距離，局域網的情況特別適合WiFi。此外，WiFi有許多標準，其中最流行的是802.11n，這為技術人員提供了不同的部署方案。

對于各種物聯網用例，特別是那些涉及低功耗或電池供電設備的情況。許多WiFi標準，包括在家庭中經常使用的WiFi標準，都會消耗過多的功率，因此，WiFi并非適用于所有部署。WiFi的低范圍和較差的可擴展性是額外因素，使其在許多物聯網部署中使用不切實際。

蜂窩

蜂窩是物聯網應用中最流行和最常用的解決方案之一，也是通信跨越更遠距離的最佳部署方案之一。目前，傳統的2G和3G標準正在逐漸被淘汰，同時由于通信企業的努力，新的高速標準4G/LTE和5G的覆蓋范圍正在迅速擴大。蜂窩網絡提供了高帶寬和可靠的通信，能夠發送大量數據，這對許多物聯網部署至關重要。然而，這些功能比其他選擇更昂貴，且消耗更多的能源。

COAP

受限應用協議（CoAP）是由互聯網工程任務小組受限RESTful環境工作組于2013年推出的，此前其被開發用于基于HTTP的物聯網系統。CoAP使用用戶數據報協議創建安全連接，并允許多個站點之間的數據傳輸。CoAP使受限制的設備能夠加入物聯網環境，即使存在低帶寬、低可用性和低能源設備，也經常用于機器對機器（M2M）應用。

AMQP

高級消息隊列協議（AMQP）是一種開放的標準協議，用于更面向消息的中間件。因此，其獨立于所使用的消息代理或平臺，促進了系統之間的消息傳遞兼容性。即使跨距離或通過低于標準的網絡，也能提供穩定性、安全性和互操作性，即使在系統不能同時可用的情況下，也能促進通信。

LWM2M

根據OMA SpecWorks的說法，LWM2M是一種為傳感器網絡和M2M環境的需求設計的設備管理協議。這種通信協議是處理和存儲能力受限的低功耗設備的可行選擇，因為其是專門為物聯網環境和其他M2M應用中的遠程設備管理和遙測而創建的。

MQTT

最初創建于1999年，名為消息隊列遙測傳輸，現在簡稱為MQTT，此協議不再使用消息隊列。MQTT使用發布-訂閱體系結構來支持M2M通信，直接的消息傳遞架構促進了眾多設備之間的通信，并在受限的硬件上運行。

MQTT是為在低帶寬環境中運行而創建的，包括那些傳感器和移動設備連接到不穩定網絡的環境。由于其能夠連接小代碼設備，因此經常被選擇用于因帶寬限制或不穩定連接，而帶來不同程度延遲的無線網絡。將物聯網和工業物聯網設備連接在一起的最流行的開源協議是MQTT，其最初是作為一個專有協議存在的。

DDS

數據分發服務是由對象管理組（OMG）為實時系統創建的。DDS是一種用于以數據為中心的通信的中間件協議和API標準，OMG將其描述為“將系統的組件集成在一起，提供業務和關鍵任務IoT應用所需的低延遲數據連接、極高的可靠性和可擴展的架構。”該M2M標準使用發布-訂閱結構，提供高性能和高度可擴展的實時數據通信。

XMPP

可擴展消息傳遞和呈現協議（XMPP）最初由開源Jabber社區于21世紀初開發，用于實時人與人之間的對話，目前被用于輕量級中間件中的M2M通信和XML數據路由。XMPP最常用于以消費者為中心的物聯網實現，如智能設備，并促進網絡上眾多實體之間結構化但可擴展的數據的實時交換。XMPP標準基金會支持其作為開源。

Zigbee

Zigbee是物聯網環境中使用最廣泛的網狀網絡協議之一，是為建筑和家庭自動化而創建的。Zigbee是一種低功耗、短距離協議，可用于在多個設備上傳播通信。雖然其數據速率低于BLE，但范圍大于BLE。Zigbee提供靈活的自組織的網格、超低功耗和一系列應用程序，并由Zigbee聯盟管理。

Z-Wave

Z-Wave是一種基于低功耗射頻技術的無線網狀網絡通信協議，是另一種獨家選擇。與藍牙和WiFi一樣，Z-Wave支持智能設備之間的加密通信，為物聯網部署增加了一層安全保障。其經常用于商業應用，包括能源管理技術、家庭自動化產品和安全系統。在美國，其使用908.42兆赫的無線電頻率，盡管其頻率因國而異。Z-Wave聯盟是一個致力于提高使用Z-Wave的設備的技術和互操作性的成員聯盟，支持Z-Wave。

物聯網連接選項

由于選擇如此之多且種類繁多，不斷變化的物聯網連接格局目前集中于滿足消費者和工業物聯網應用中數據密集型環境的需求。理想的通用物聯網連接解決方案應具有極低的設備功耗，能夠遠距離快速傳輸大量數據，并提供智能支持企業繼續盈利。

現實是，鑒于物聯網用例的內在異構性，當前或不久的將來，都無法在不對基本物聯網連接因素做出任何妥協的情況下，容納所有潛在的智能應用程序。

因此，為了確定一個特定項目的最佳解決方案，總是有必要在3個基本連接因素之間妥協，即范圍、帶寬和功耗。為了智能，選擇理想的連接網絡必須能夠識別項目部署的每個階段的需求，并對物聯網用例的細節有全面的了解。

如何選擇正確的物聯網選項

物聯網連接是指物聯網生態系統的每個組件之間的互連，包括傳感器、網關、路由器、平臺、應用程序和其他系統，通常是指根據帶寬、范圍和功率需求分類的各種網絡系統。物聯網項目的需求各不相同，很多項目要根據自己的需求使用各種連接方法。

選擇正確的物聯網選項的重要性

物聯網是一項將數字世界和物理世界結合起來，提供更智能未來的大規模技術，其潛力無限，不斷吸引著市場參與者和投資。隨著商業和工業物聯網的驅動，企業之間的競爭激增，尋找殺手級市場差異化因素的需求日益增長，這些差異化因素將給競爭帶來額外的優勢，即使只是輕微的優勢。

盡管涉及信息和運營技術融合的物聯網部署總有改進的空間，但有時連接性似乎被視為理所當然。由于蜂窩、WiFi和藍牙等廣泛使用的無線技術，許多物聯網參與者忽視了擁有適當物聯網連接的重要性。這可能最終導致項目失敗，因為無法控制迅速膨脹的數據。

因此，仔細選擇合適的物聯網連接解決方案對任何物聯網項目的成功都至關重要，因為其可以讓用戶完全控制智能數據流。最后，通過有效和可互操作的物聯網連接解決方案連接資產可能是成功的關鍵因素。

物聯網連接挑戰

物聯網已經對人們的生活、互動和開展業務的方式產生了一些影響。數十億聯網設備正在把整個地球變成一個巨大的數字中心。物聯網連接在試圖創建更智能的住宅、辦公室、汽車和其他操作時遇到了許多問題。

可擴展性

隨著越來越多的設備被連接，底層基礎設施必須是可擴展的。隨著企業增加更多的物聯網連接設備，如傳感器、網關、路由器或攝像頭，物聯網的增長也引發了新型數據的海嘯。

擴展問題有多個方面，包括成本、復雜性和帶寬效率，根據McKinsey Digital的數據，每秒就有127臺設備首次連接到互聯網，現在可能更多。因此，隨著網絡的擴展，服務提供商、網絡運營商和其他數字推動者需要實施物聯網連接解決方案來處理維護和管理工作量。

兼容性

隨著物聯網的發展，各種解決方案爭相成為標準，使得集成具有挑戰性。多樣化的操作系統、脫節的云服務以及缺乏標準化的機器對機器協議都可能導致兼容性問題。

為了保持持續的兼容性，用戶必須更新和修補其設備。例如，當2個物聯網設備相互連接并具有不同的軟件版本時，可能會出現性能問題。與此相關，實現物聯網平臺中各種智能設備之間的數據同步和互操作性具有挑戰性。

安全

能想象一臺普通的物聯網設備在上線5 min后就成為攻擊目標嗎？隨著越來越多的設備連接到互聯網，預計這一趨勢只會增加。根據Symantec的數據，網絡路由器在針對物聯網設備的網絡攻擊中占了大多數，每個路由器平均每月受到5 200次攻擊。

除了已經強調的可擴展性和互操作性問題之外，典型的網絡安全問題也需要解決，以便物聯網部署的成功。其中包括訪問控制、分布式拒絕服務（DDoS）攻擊、設備標識、個人數據保護、身份驗證和其他機密性問題。為了提供端到端安全性，必須能夠快速進行調整，以便其在被利用之前得到糾正問題。

物聯網部署的分散性意味著組織可以從許多物聯網連接標準中選擇，如何連接物聯網是物聯網最重要的決策之一。物聯網連接的選擇應基于仔細評估每個部署的特點，對于某些非常高的速度，超低延遲連接是必需的。

這可能會導致采用5G或4G蜂窩物聯網連接，但這一決定必須與這些技術可能的成本和功耗相平衡。對于一些更簡單的部署，需要更小的電池，現物聯網連接的低成本效益、低速連接可能是理想的。