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物聯網系統框架介紹

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下面將談到幾個關鍵問題:

設備如何接入網絡? 

設備間如何通信? 

物聯網數據的用途? 

如何搭建起一個物聯網系統框架呢?它的技術架構又是怎么樣呢? 

物聯網終端軟件系統架構? 

物聯網云平臺系統架構? 

只有設備接入到網絡里面,才能算是物聯網設備。這里涉及到2個關鍵點:接入方式以及網絡通信方式。

設備接入方式:

當前有2種接入方式

直接接入:物聯網終端設備本身具備聯網能力直接接入網絡,比如 在設備端加入NB-IOT通信模組,2G通信模組。 

網關接入:物聯網終端設備本身不具備入網能力,需要在本地組網后,需要統一通過網關再接入到網絡。 比如終端設備通過zigbee無線組網,然后各設備數據通過Zigbee網關統一接入到網絡里面。常用到本地無線組網技術有Zigbee,Lora,BLE MESH, sub-1GHZ等。 

在物聯網設備里面,物聯網網關是一個非常重要的角色。一個處在本地局域網與外部接入網絡之間的智能設備。主要的功能是網絡隔離,協議轉化/適配以及數據網內外傳輸。

一個典型的物聯網網關架構如下: 

網絡通信方式

常用的通信網絡主要存在2種方式:

1.移動網絡(主要戶外設備用) 

移動網絡2G/3G/4G/5G/NB-IOT等

2.寬帶(主要戶內設備用) 

WIFI,Ethernet等

物聯網設備終端接入網絡后,只是物聯網應用的開始。 設備接入網絡后,設備與設備之間需要互相通信, 設備與云端需要互相通信。 只有互通,物聯網的價值才展現出來。 既然要互通,則需要一套物聯網通信協議。只有遵循該套協議的設備相互間能夠通信,能夠交換數據。

常用的物聯網通信協議有哪些? 主要有如下協議:MQTT,COAP等,他們有個共同點都是基于消息模型來實現的。設備與設備之間,設備與云端之間通過交換消息來實現通信,消息里面攜帶了通信數據。


21世紀,什么最重要?數據。 有了大量的物聯網設備數據后, 針對數據,人類可以去挖掘里面的規律,挖掘里面的商業價值,對設備未來的狀態進行預測等等。

對于物聯網數據應用,分幾個層次來講

1. 基礎應用:監控

通過物聯網收集到設備數據后, 如果設備數據狀態超過預設的狀態則自動第一時間報警,管理員第一時間開展處理,可以通過遠程操作,下達命令。把問題解決在萌芽狀態。

2.進階應用: 報表統計

通過統計方法, 對設備的歷史運行數據進行統計分析。可以按不同維度分析出不同報告。然后以圖表或者大屏方式展現在管理員面前。 管理員可以快速直觀的了解到整個物聯網設備運行狀況。

3.高級應用: 數據挖掘/機器學習

這部分需要從數據里面挖掘出有價值的東西出來。比如通過一段時間時間設備數據的連續跟蹤分析并結合人類過往的設備運維經驗,通過機器學習方式預測設備發生故障概率,以及發生故障后可能的引起原因,并給出維修方案。剛才舉的例子,是物聯網高級應用里面的冰山一角。 通過引入現在火熱的AI技術。 物聯網就能變成智能物聯網了。 也許在不久的將來, 人與設備可以自由對話,設備與設備之間也能夠對話并自動做出最優決策。

綜合所述,物聯網的價值在于提高生產效率,管理效率,極大促進社會生產力的提高。

常見系統框架的總結下來主要存在如下2種: 帶RTOS的(處理復雜的業務場景,場景里面通過需要多個事務并行協同完成工作)和不帶RTOS的(通常處理的業務場景較單一)

不帶RTOS設備終端系統框架: 

帶RTOS設備終端系統框架:

RTOS是什么? 實時多任務操作系統,有了它,在終端設備里面可以并行運行多個任務。每個任務負責一個事務。通過并行化運行,響應實時性及效率就得到提升。RTOS實時操作內核一般包含的重要組件如下:

以任務調度組件舉例: 

在嵌入式操作系統中,任務是CPU上最小運行單元。通常一個稍微復雜點IOT APP是由多個任務協同完成。比如有的任務負責處理用戶事件輸入以及UI顯示,有的任務負責處理數據通信,有的任務負責業務邏輯處理。


既然一個系統中有多個任務在跑,而CPU資源確是單一的,這樣導致每個時刻只能由一個任務在CPU上跑。 因此為了每個任務都能夠在CPU上有運行機會,就涉及到了任務調度概念。 任務調度需要按照一定的規則來,那一般是按照哪些規則來的? 我們常見的調度方式有3種: 一個基于優先級調度的, 一個是基于時間片調度的, 一個是把優先級和時間片結合在一起調度。


以優先級調度舉例,在定義任務的時候,給每個任務分配一個優先級,在運行的時候,高優先級的任務都會優先被運行。 直到沒有高優先級任務后,低優先級任務才會被運行。 假如低優先級任務獲得CPU資源后,這是如果有高優先級任務就緒怎么辦呢? 兩種處理方式:1. 繼續運行 2. 搶占式。 高優先級搶占CPU資源進入運行狀態。

其他組件就不一一列舉了。

物聯網云平臺系統架構主要包含四大組件:

設備接入 

設備管理 

規則引擎 

安全認證及權限管理 

設備接入

設備接入主要都干些什么呢? 1.包含多種設備接入協議,最主流的是MQTT協議。有些云計算廠商也在MQTT協議上精簡協議變成獨有的接入協議。 2.并發連接管理,維持可能是數十億設備的長連接管理。

如果應對數十億的設備連接管理? 目前開放出來的MQTT代理服務器大都是單機版,最多也就是并發連接十幾萬設備。因此如果要管理數十億的連接,需要用到負載均衡,用到分布式架構。在云平臺需要部署分布式MQTT代理服務器。

設備管理

一般以樹形結構的方式管理設備,包含設備創建管理以及設備狀態管理等等。根節點以產品開始, 然后是設備組,再到具體設備。 主要包含如下管理: 產品注冊及管理 產品下面的設備增刪改查管理 設備消息發布 OTA設備升級管理等

規則引擎

物聯網云平臺通常是基于現有云計算平臺搭建的。 一個物聯網成熟業務除了用到物聯網云平臺提供功能外,一般還需要用到云計算平臺提供功能,比如云主機,云數據庫等。用戶可以在云主機上搭建web 行業應用服務。

規則引擎主要作用是把物聯網平臺數據通過過濾轉發到其他云計算產品上。 比如可以把設備上報的數據轉發到table store數據庫產品里。

規則引擎一般使用方式:類SQL語言,通過編寫SQL語言,用戶可以過濾數據、處理數據,并把數據發到其他云計算產品,或者其他云計算服務。

安全認證及權限管理

物聯網云平臺為每個設備頒發唯一的證書,需要證書通過后才能允許設備接入到云平臺。云平臺最小授權粒度一般是做到設備級。我們所說的證書一般分為2種:一種是產品級證書,一種是設備級證書。 產品級證書擁有最大的權限,可以對產品下所有的設備進行操作。 設備級證書,只能對自己所屬的設備進行操作,無法對其他設備進行操作。

因此每個接入云平臺的設備都在本地存儲一個證書(其實存在形式是一個KEY,有多個字符串構成)。每次與云端建立連接時,都要把證書帶上。以便云端安全組件核查通過。

云計算產品

大數據計算產品, 云基礎服務(高性能服務器,云數據庫,云網絡)等

物聯網應用

智慧城市, 智慧農業,工業4.0等


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