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IoT 技术和协议

开始了解 IoT 的世界和技术。本指南将介绍 IoT 协议和技术的强大基础知识,帮助你为项目做出正确选择。

IoT 技术和协议指南

物联网融合了嵌入式系统、无线传感器网络、控制系统和可实现工业制造厂、智能零售、新一代医疗保健、智能家居和城市以及可穿戴设备的自动化。IoT 技术通过数据驱动的见解、改进的运营流程、新的业务线以及更有效的材料使用来帮助你进行业务转型。

IoT 技术持续扩展,每年涌现无数服务提供商、各种平台和数百万种新设备,这为进入 IoT 生态系统之前的开发人员提供了诸多选择。

本指南旨在帮助你了解常见的 IoT 协议、功能和连接要求。如果需要更基本的 IoT 技术简介,请查看什么是 IoT?IoT 网络安全 Web 指南。

IoT 技术生态系统

IoT 技术生态系统由以下各层组成:设备、数据、连接和技术用户

设备层

传感器、执行器、硬件、软件、连接和网关的组合,这些构成了连接网络并与网络交互的设备。

数据层

业务上下文中收集、处理、发送、存储、分析、显示和使用的数据。

业务层

IoT 技术的业务功能,包括计费和数据市场的管理。

用户层

与 IoT 设备和技术交互的用户。

详细了解如何在 Azure IoT 中心构建设备时进行正确连接。

IoT 技术堆栈第 1 部分:
IoT 设备

IoT 设备差别很大,但通常都会提供常见的概念和词汇。你还可以在此 IoT 设备目录中详细了解有关使用 IoT 技术的各种设备。

执行器

当控制中心发出指令时(通常是为了响应由传感器识别出的更改),执行器执行物理操作。它们是一种换能器类型。

嵌入式系统

嵌入式系统是一种基于微处理器或基于微控制器的系统,用于管理大型系统中的特定功能。它们包括硬件和软件组件,如 Azure RTO

智能设备

能够进行计算的设备。它们通常包括微控制器,并可利用 Azure IoT Edge 等服务,更好地跨设备部署某些工作负载。

微控制器单元 (MCU)

这些小型计算机嵌入在微型芯片中,且包含 CPU、RAM 和 ROM。尽管包含执行简单任务所需的元素,但与微处理器相比,微控制器在功能方面更受限制。

微处理器单元 (MPU)

MPU 在一个或多个集成线路上执行 CPU 功能。尽管微处理器需要外围设备来完成任务,但由于其只包含 CPU,因而处理成本大幅降低。

非计算设备

这些设备仅连接和传输数据,无法执行计算。

转换器

一般而言,换能器是将一种能量形式转换为另一种能量形式的设备。在 IoT 设备中,这包括在设备与其环境交互时传输数据的内部传感器和执行器。

传感器

传感器检测其环境中的更改,并创建电子脉冲进行通信。传感器通常检测环境变化(如温度、化学品和物理位置的变化),是一种换能器类型。

IoT 技术堆栈第 2 部分:
IoT 协议和连接

连接 IoT 设备

规划 IoT 技术项目的主要方面是确定设备的 IoT 协议,即设备的连接和通信方式。在 IoT 技术堆栈中,设备通过网关或内置功能进行连接。

什么是 IoT 网关?

网关是 IoT 技术的一部分,可用于帮助将 IoT 设备连接到云。尽管并非所有 IoT 设备都需要网关,但它们可用于建立设备间通信,或连接不是基于 IP 且无法直接连接到云的设备。从 IoT 设备收集的数据会经过网关,在边缘进行预处理,然后发送到云。

使用 IoT 网关可降低延迟并减少传输大小。通过在 IoT 协议中添加网关,你还可以在无直接 Internet 访问的情况下连接设备,并通过保护双向传输的数据来提供额外的安全保障。

如何将 IoT 设备连接到网络?

IoT 协议所使用的连接类型取决于设备及其功能和用户。通常,数据传输距离(或短或长)决定所需的 IoT 连接类型。

IoT 网络的类型

低能耗短距网络

这些低能耗短距网络非常适用于家庭、办公室和其他小型环境。它们往往只需要小型电池并且操作成本通常较低。

常见示例:

蓝牙

蓝牙适用于高速数据传输,其音频和数据信号发送距离长达 10 米。

NFC

一组通信协议,用于在超过 4 厘米(1.5 英寸)或更短距离的两个电子设备之间进行通信。NFC 提供了一种设置简单的低速连接,可用于引导能力更强的无线连接。

Wi-Fi/802.11

Wi-Fi 运行成本低,因此是家庭和办公室的标准配置。但由于其范围有限且全天候耗能,因此可能并不是所有方案的正确选择。

Z-Wave

一种网状网络,使用低能耗无线电波在设备之间进行通信。

Zigbee

基于 IEEE 802.15.4 的规范,适用于一套高级通信协议,用于创建具有小型、低功耗数字无线电收发器的个人局域网络。

低能耗广域网 (LPWAN)

LPWAN 可跨至少 500 米进行通信,功耗最低,且适用于大多数 IoT 设备。常见 LPWAN 示例包括:

4G LTE IoT

提供高容量和低延迟,使这些网络成为需要实时信息或更新的 IoT 方案的理想选择。

5G IoT

虽尚未推出,但预计 5G IoT 网络将提供更快的下载速度并能够连接给定区域内的更多设备,从而实现 IoT 的进一步创新。

Cat-0

这些基于 LTE 的网络成本最低。它们为将取代 2G 的 Cat-M 技术奠定了基础。

Cat-1

这种手机网络 IoT 标准最终将取代 3G。Cat-1 网络易于设置,并为需要语音或浏览器界面的应用程序提供了理想的解决方案。

LoRaWAN

长距离广域网络 (LoRaWAN) 可连接由双向电池供电的安全的移动设备。

LTE Cat-M1

这些网络与 LTE 网络完全兼容。它们在专为 IoT 应用程序设计的第二代 LTE 芯片中优化了成本和功耗。

窄带或 NB-IoT/Cat-M2

NB-IoT/Cat-M2 使用直接序列扩频 (DSSS) 调制将数据直接发送到服务器,无需网关。尽管 NB-IoT 网络的设置成本更高,但无需网关使其运行成本更低。

Sigfox

这家全球 IoT 网络提供商可提供无线网络来连接发出连续数据的低能耗对象。

IoT 协议:IoT 设备如何与网络通信

IoT 设备使用 IoT 协议进行通信。Internet 协议 (IP) 是一组规则,用于规定数据发送到 Internet 的方式。IoT 协议可确保一个设备或传感器中的信息可被另一个设备、网关、服务读取和理解。不同的 IoT 协议已针对不同的场景和使用情况进行设计和优化。鉴于可用的 IoT 设备种类繁多,请务必在正确的上下文中使用正确的协议。

什么 IoT 协议适合我?

所需的 IoT 协议类型取决于将在其中传输数据的系统体系结构层。开放式系统互连 (OSI) 模型提供了收发数据的各个层的关系图。IoT 系统体系结构中的每个 IoT 协议都支持设备到设备、设备到网关、网关到数据中心或网关到云的通信,以及数据中心之间的通信。

应用程序层

应用程序层是给定 IoT 协议中的用户与设备之间的接口。

高级消息队列协议 (AMQP)

在消息中间件之间创建互操作性的软件层。它促进一系列系统和应用程序协同工作,从而创建行业规模的标准化消息。

受约束应用程序协议 (CoAP)

受约束带宽和受约束网络协议,专为设备到设备通信时连接功能受限的设备设计。CoAP 也是基于用户数据报协议 (UDP) 运行的文档传输协议。

数据分发服务 (DDS)

一种通用对等通信协议,可实现从运行微型设备到连接高性能网络的所有操作。DDS 简化部署,提高可靠性并降低复杂性。

消息队列遥测传输 (MQTT)

一种消息协议,专为轻量级的设备到设备通信设计,主要用于与远程位置的低带宽连接。MQTT 使用“发布者-订阅者”模式,非常适合需要使用高效带宽和电池的小型设备。

传输层

在任何 IoT 协议中,传输层都可实现并保护数据在层间传输时的通信。

传输控制协议 (TCP)

适用于大多数 Internet 连接的主要协议。它提供主机到主机的通信,将大量数据分成单独的数据包,并根据需要重新发送和重组数据包。

用户数据报协议 (UDP)

一种通信协议,可实现进程到进程的通信,且基于 IP 运行。UDP 可提高基于 TCP 的数据传输速率,最适合需要无损数据传输的应用程序。

网络层

IoT 协议的网络层可帮助各个设备与路由器通信。

IP

许多 IoT 协议使用 IPv4,而更近的执行使用 IPv6。IP 的这一最新更新可跨 Internet 路由流量,并识别和定位网络上的设备。

6LoWPAN

此 IoT 协议最适用于处理能力有限的低功耗设备。

数据链路层

数据层是 IoT 协议的一部分,用于在系统体系结构内传输数据,识别并更正物理层中发现的错误。

IEEE 802.15.4

适用于低能耗无线连接的无线电标准。它与 Zigbee、6LoWPAN 和其他标准结合使用,用于构建无线嵌入式网络。

LPWAN

低能耗广域网络 (LPWAN) 在某些位置可实现 500 米到 1 万多米的通信距离。LoRaWAN 是针对低能耗进行优化的 LPWAN 示例。

物理层

物理层是特定环境中的设备之间的信道。

低能耗蓝牙 (BLE)

BLE 可大幅降低能耗和成本,且与经典版蓝牙相比连接范围大致相同。BLE 可跨移动操作系统以本机方式运行,因成本低和电池寿命长,迅速成为了消费类电子产品首选。

以太网

这种有线连接成本较低,可提供快速数据连接和低延迟。

长期演进技术 (LTE)

适用于移动设备和数据终端的无线宽带通信标准。LTE 提升了无线网络的容量和速度,且支持多播和广播流。

近场通信 (NFC)

一组使用电磁场的通信协议,该协议允许两个设备在 4 厘米范围内相互通信。支持 NFC 的设备可用作身份钥匙卡,通常用于非接触移动支付、票务处理和智能卡。

电力线通信 (PLC)

一种通信技术,可通过现有电缆发送和接收数据。这使你可以通过同一电缆来实现和控制 IoT 设备。

射频识别 (RFID)

RFID 使用电磁场跟踪原本无功耗的电子标签。兼容硬件可以为这些标签供电,与其通信,读取其信息以进行识别和身份验证。

Wi-Fi/802.11

Wi-Fi/802.11 是家庭和公司的标准。尽管其成本低廉,但由于范围有限且全天候耗能,因此可能并不适合所有方案。

Z-Wave

一种网状网络,使用低能耗无线电波在设备之间进行通信。

Zigbee

基于 IEEE 802.15.4 的规范,适用于一套高级通信协议,用于创建具有小型、低功耗数字无线电收发器的个人局域网络。

IoT 技术堆栈第 3 部分:
IoT 平台

IoT 平台提供管理部署、设备和数据的单一服务,使构建和启动 IoT 项目变得更简单。IoT 平台可管理硬件和软件协议,提供安全和身份验证,并提供用户界面。

由于服务提供商超过 400 家,且提供了从软件、硬件到 SDK、API 的各种功能,因此 IoT 平台的确切定义多有变化。但大多数 IoT 平台包括:

  • IoT 云网关
  • 身份验证、设备管理和 API
  • 云基础结构
  • 第三方应用集成

托管服务

IoT 托管服务有助于企业主动运营和维护其 IoT 生态系统。各种 IoT 托管服务(如 Azure IoT 中心)可用于帮助简化和支持 IoT 项目的构建、部署、管理和监视过程。

当前技术的 IoT 应用

AI 和 IoT

IoT 系统会收集大量数据,并且通常需要使用 AI 和机器学习来对这些数据进行排序和分析,以便检测模式并根据见解采取行动。例如,AI 可以分析从制造设备收集的数据并预测维护需求,从而减少因意外故障而导致的成本和停机。

区块链和 IoT

目前,尚无办法确认 IoT 中的数据在出售或共享前是否进行过任何处理。区块链和 IoT 相结合可打破数据孤岛并建立信任,以便验证、跟踪和信赖数据。

Kubernetes 和 IoT

Kubernetes 借助零停机部署模式可在不影响用户的情况下实时更新 IoT 项目。Kubernetes 可以使用云资源轻松、高效地扩展,从而提供常见平台以便部署到边缘。

开放源代码和 IoT

开放源代码技术促进了 IoT 的发展,让开发人员可在 IoT 技术应用程序上使用自己选择的工具。

量子计算和 IoT

IoT 生成的大量数据自然而然地使量子计算能够加快完成繁重的计算。此外,量子加密技术还有助于增加必要的安全保障,因为大多数 IoT 设备由于其固有的低计算能力目前无法满足安全要求。

无服务器和 IoT

通过无服务器计算,开发者无需管理基础结构,从而可以更快构建应用程序。通过无服务器应用程序,将由云服务提供商自动预配、缩放和管理运行代码所需的基础结构。由于 IoT 项目的流量多变,因此无服务器提供了一种经济高效的方式来进行动态扩展。

虚拟现实和 IoT

结合使用虚拟现实和 IoT 有助于直观显示复杂系统并做出实时决策。例如,使用一种称为增强现实(也称为混合现实)的虚拟现实形式,可以在实际对象(如 IoT 设备)或工作区之上将重要的 IoT 数据显示为图形。虚拟现实和 IoT 的结合推动了医疗保健、现场服务、运输和制造等行业的技术进步。

数字孪生和 IoT

在执行之前测试系统可以显著节省成本和时间。数字孪生从多个 IoT 设备中获取数据,并将其与来自其他源的数据集成,以直观显示系统与设备、人员和空间的交互方式。

IoT 数据和分析

IoT 技术会产生大量数据,需要使用专门的流程和工具来将这些数据转化为可操作的见解。常见的 IoT 技术应用和挑战:

应用:预测性维护

为识别历史数据中的信号而设计并训练的 IoT 机器学习模型,可用于识别当前数据中的相同趋势。这样,用户便可自动执行预防服务请求并提前订购新零件,以便在需要时随时可用。

应用:实时决策

有多种 IoT 分析服务可用,这些服务旨在提供端到端实时报告,包括:

  • 大容量数据存储,可使用分析工具能够查询的格式
  • 大容量数据流处理,可在执行分析之前筛选和聚合数据
  • 低延迟分析周转时间,可使用能够报告和可视化数据的实时分析工具
  • 实时数据引入,可使用消息中转站

挑战:数据存储

大型数据收集会导致大型数据存储需求。有多种数据存储服务可用,其功能各不相同,例如组织结构、身份验证协议和大小限制。

挑战:数据处理

通过 IoT 收集的数据量对快速清理、处理和解释带来了挑战。边缘计算将大多数数据处理从集中式系统转移到网络边缘(更靠近需要数据的设备),从而解决了这些挑战。但分散数据处理会产生新的挑战,包括边缘设备的可靠性和可扩展性以及传输中数据的安全性。

IoT 安全性、安全和隐私

IoT 安全和隐私在任何 IoT 项目中都是关键的考虑因素。尽管 IoT 技术可以转换业务运营,但如果未正确保护 IoT 设备,则可能构成威胁。网络攻击可能会毁坏数据、破坏设备,甚至造成人身伤害。

强大的 IoT 网络安全(如 Azure Sphere)不仅包含标准机密性措施,还包含威胁建模。了解攻击者毁坏系统的各种可能方式是防范攻击的第一步。

从 OT 到 IT,规划和开发 IoT 安全系统时,必须为平台和系统的每个步骤选择适当的解决方案,这一点非常重要。软件解决方案(如 Azure Defender)可为你提供在整个给定系统中所需的保护。

详细了解 IoT 安全性

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