IoT 技术和协议

IoT 领域入门。本指南将介绍 IoT 技术和协议的大量基础知识,帮助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、控制系统和可实现互联工厂、智能零售、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。

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

允许用户与 IoT 设备交互的组件。

IoT 技术堆栈第 1 部分:
IoT 设备

IoT 设备

以下是 IoT 技术堆栈中与设备相关的一些常见术语:

嵌入式系统

具有硬件和软件,且管理与大型系统相关的特定功能。嵌入式系统基于微处理器或微控制器。

智能设备

这些设备具有计算能力,通常包含一个微控制器。

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)

将 CPU 的功能容纳在一个或多个集成线路上。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,没有计算能力。

转换器

将一种能量形式转换为另一种能量形式的物理设备。在 IoT 设备中,这包括在对象与环境交互时传输数据的内部传感器和执行器。

  • 执行器

    当控制中心发出指令时(通常是由于传感器识别出了更改),执行物理操作。

  • 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。

IoT 技术堆栈第 2 部分:
IoT 协议和连接

规划 IoT 项目时,务必考虑设备的连接和通信方式。这将决定其适用的 IoT 协议。

连接 IoT 设备

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?

网关将 IoT 设备连接到云。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 网关可以延长电池寿命,降低延迟并减小传输大小。网关无需 Internet 的直接访问权限即可连接设备,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?

所需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

这些网络非常适用于家庭、办公室和其他小型环境。它们适用于小型电池(某些情况下,适用于无电池设置),且通常操作成本低。

常见示例包括:

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。

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,适合家用设备使用低能耗无线电波进行通信。Z-Wave 可提供家庭自动化系统之间的应用程序层互操作性。

Zigbee

Zigbee 是家庭自动化和医疗设备的常见选择,最适合近距离使用小型、低能耗、低带宽设备的个人区域网络。

低能耗广域网 (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。例如,远程广域网 (LoRaWANs) 可连接移动的、安全的、双向电池供电的设备。

常见示例包括:

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。

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

这一无线电技术标准适用于部分 LTE 标准。它侧重于室内覆盖,且成本低、电池寿命长。

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

这家全球领先的 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或传感器读取和理解。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?

你使用的 IoT 协议类型取决于需要在其中传输数据的系统架构层。开放系统互连 (OSI) 模型提供了收发数据的各个层的关系图。IoT 系统架构中的每个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

传输层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

网络层可帮助各个设备与路由器通信。

6LoWPAN

IPv6 的低功率版本,可减少传输时间。

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。

数据链路层

数据层在系统架构内传输数据,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

这种类型的网络可跨至少 500 米进行通信。LoRaWAN 是针对低能耗进行优化的 LPWAN 示例。

物理层

物理层可建立信道,使设备能够在指定环境中进行连接。

低能耗蓝牙 (BLE)

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。

射频识别 (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

家庭和办公室的标准配置。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。

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。

IoT 与当前技术的关系

虚拟现实和 IoT

结合使用虚拟现实和 IoT 有助于直观地在上下文中研究复杂系统并做出实时决策。例如,增强现实(也称为混合现实)可创建所收集数据的视觉覆盖,并且与 IoT 配对时可提供多种实际用途。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。

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。

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。

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。

无服务器和 IoT

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,且无需管理基础结构。

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。

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。

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。

常用的 IoT 技术应用程序:

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。

实时决策

扩展了高效的实时 IoT 分析架构,以实现大数据量和低延迟。有多种 IoT 分析服务可用,其组件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

常见的 IoT 技术挑战:

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。

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。

详细了解 IoT 安全性

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