物联网 (IoT) 是一个在许多行业都获得了关注度的流行词。物联网不仅是一项技术,而是硬件、软件、服务和连接的相互关联的集合,必须作为一个更大的解决方案协同工作。

物联网是实现数字转型的关键因素。物联网是一个自动化和分析系统,使用基于云的物联网网络、传感、大数据、机器学习和人工智能,为产品或服务创建完整的系统。这些系统应用于任何行业或部门后,可以更好地实施问责制和提高控制与效率。物联网可被视为信息社会的全球基础设施,通过基于现有和不断发展的互操作信息和通信技术对“物”进行互联,实现先进服务。

物联网正在连接越来越多的硬件产品,使它们成为一个更大的网络的一部分。无线网络、传感器技术以及基于云的实时计算使跨“物”整理和分析数据成为可能,从而使流程更快、更高效。物联网的实际价值或重要性源于它能从设备中收集、传送并分析有价值的数据,继而用它来最大化这些物联网产品提供的效率和服务。

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物联网以被称为“物”的物体和设备为基础,这些物体和设备通过互联网连接,配备了传感器、软件和其他技术,可向其他物体和系统传输数据并接收它们的数据。物联网的主要目标是使物更加动态和方便。用于跨行业和应用的物联网系统的常见构建块包括传感器、有线和无线解决方案、天线、电池和少数较小的连接器和无源组件,它们推动着低功耗、互连和智能的物形成生态系统。

这些传感器收集极其敏感的数据,是物理世界和数字世界之间的桥梁。它们将现实世界中有价值的信息转换成数字数据。然后,进一步处理和分析这些数据,以做一些有用的事情,例如增强向物联网设备用户提供的产品和服务。

在任何智能应用中,传感器都很重要。它们会检测物理/化学变化,在处理收集的数据后,传感器将使应用程序/设备自动化,变得智能。物联网集成了各种类型的传感器、设备和节点,能够在不进行人工干预的情况下相互通信。像传感器和执行器模块这样的物是通过 USB、GPIO、I2C、SPI 和 UART 等公共接口物理连接的。

物联网的本质是“物”和“数据”。物联网系统中使用的硬件配备了电子组件,如集成传感器、智能传感器和执行器、连接/通信电子元件和软件,以捕获、过滤和交换关于自身、状态和环境的数据。

“物”包含相关的信息,它们可能是静态的,也可能是动态的,都被嵌入到一个系统中。这使得许多对象/设备能够充当智能的“物”。通过使用各种工具和技术,物联网技术支持的对象已经嵌入了智能功能。借助实时分析、人工智能、机器学习、商品传感器和嵌入式系统等多种技术的融合,“物”已经发生了演变。有助于促进物联网发展的其他支撑框架系统包括嵌入式系统、无线传感器网络、控制系统、自动化等传统领域。

传感器应用于几乎每个领域,用以创建智能物联网环境,智能环境应用的示例包括智能停车、智能交通管理、智能照明、智慧城市、智能计量等。传感器种类繁多,从非常简单到复杂,各不相同。常见的物联网传感器有接近传感器、位置传感器、占用传感器、运动传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器、化学传感器、湿度传感器、水质传感器、红外传感器、陀螺仪传感器、光学传感器等等。传感器可以根据其规格、转换方法、所用材料的类型、传感物理现象、性能等进行分类。这个特性可以在不同的集成级别提供,取决于单个包或传感器模块中包含多少种不同的传感器类型。

连接

物联网应用千差万别,但许多应用都要求在一个较大的范围分布大量传感器。通信技术有多种,可用于连接这些传感器设备,每个设备可以使用不同的传输协议。传感器、网关、路由器、软件、平台和其他系统都连接在物联网生态系统中。它们相互连接的方式被称为物联网连接。物联网连接通常是指在功耗、范围和带宽能力方面各不相同的各种网络解决方案。根据应用的不同,传感器和换能器设备使用各种网络设备(如集线器、网关、路由器、网桥和交换机)连接到网络。在选择合适的物联网连接或网络协议技术时,务必小心谨慎。

物联网的连通性解决方案使用数字消息格式,许多格式要求在设备之间交换数据/消息。这些要求可以通过无线或有线连接解决方案实现。无线解决方案对远程和短程连接有不同的标准。远程连接解决方案可以使用许可(蜂窝)或未经许可的标准,即 LPWAN(低功率广域网)。短程物联网解决方案通过较短的物理距离传输数据,数据采集器和处理传感器数据的网关之间的距离通常不到 150 米。

网关可以通过不同的协议与传感器/设备通信,然后将数据转换为 MQTT 等标准协议。它们可以对生成的数据进行预处理和过滤,以减少所需的传输、处理和存储需求。

WiFi 是局域网中使用最多的无线技术。它被用于各种物联网应用,特别是智能家居和智能办公环境。WiFi 的工作频率约为 2.4 Ghz 或 5 GHz。WiFi HaLow (802.11ah) 和 HEW (802.11ax) 是两个专门为物联网开发的 WiFi 标准。

蓝牙也是物联网的一个重要协议,用于智能家居和工业应用。蓝牙技术正在突飞猛进。它是一种低功耗、低范围、高带宽的连接选择。蓝牙 V5 是针对物联网推出的最新版本。它的射程是原来的四倍,速度是原来的两倍。

LPWAN 是一种新的全球网络标准,专为资源受限设备跨较大区域分布且消耗最低电力的智能网络而设计。这些网络是为低数据速率、低成本、需要更长的电池寿命以及在偏远和难以到达的地点运行的物联网应用而设计的。

窄带物联网 (NB-IoT) 是一种基于 LPWAN 的标准,支持广泛的新型物联网设备和服务。它允许大量传感器/设备在大范围内收集和发送数据,同时能够保护电池寿命。这些设备的电池可以使用几年,而不是几周或几个月。这类应用通常需要物联网网关才能工作。

蜂窝网络提供了接入互联网的主干。这些网络关注的是范围和带宽,而不是功耗。它可以远距离传输大量数据,但耗电很快。蜂窝为涉及长距离、低延迟数据传输的物联网应用提供解决方案。它们是基于 LTE 演进的 LTE-M、Cat-0 和 Cat-1、EC-GSM 和 NB-LTE。所有这些标准都可以在现有的 LTE 或 GSM 网络上无缝运行,并支持广泛的物联网应用。

一些需要全球覆盖和/或移动性的应用程序将使用蜂窝技术,但大多数物联网设备将在未经许可的频带中使用非蜂窝技术的共享频率来相互通信,并与云中的物联网应用程序通信。

有线连接解决方案使用以太网线缆连接到网络。有线网络是一种完善的基础设施,如果您已经有电话线,连接起来很简单。

处理

物联网有四个主要组成部分,分别是:传感器、网络、数据处理和用户界面。在大多数情况下,该过程遵循由三个简单阶段组成的循环:输入、处理和输出。

采集到的原始传感器数据首先需要进行数据清理和处理。数据处理是通过使用各种数据技术来完成的,如数据去噪、数据归算、数据离群点检测、数据聚合和其他各种数据操作技术(分类、排序和计算)。数据集成或传感器融合是合并两个或多个数据源的过程,有助于在各种应用中生成更准确和一致的动态系统隐含结果。

物联网系统需要特殊的数据和存储计算能力。为了进行数据分析和达到预期的结果,存储大量的数据是非常必要的。机器学习、人工智能和深度学习技术为分析大量物联网传感器数据提供了潜力巨大的解决方案。这些技术足以改变游戏规则,因为它们可以用来自动化流程,预测设备故障,并实时跟踪安全威胁。当解决方案完全自主时,人工智能使用联网的物联网设备推动向前发展。通过将人工智能应用于物联网数据管理和分析,组织可以快速从这些海量、异构的数据集中提取有价值的信息,并对实时条件做出响应。

需要整合边缘计算、云计算、雾计算等各种新兴技术,实现数据分析模型的高效计算。边缘分析在网络的边缘而不是集中的位置分析数据。数据可以在设备本身或连接到物联网设备的附近网关系统上进行实时分析。边缘设备可以作为网关,允许网络上的其他设备与另一个物联网中心通信。边缘网关是与基于云的服务通信的应用程序的网络接入点。此外,它们经常在使用不同协议的网络之间提供网络转换。

云计算在远程云服务器上使用大数据和并行分布式系统技术。它处理物联网传感器产生的海量数据,使系统能够为物联网应用提供高效服务。在基于雾级的物联网传感器数据处理中,利用神经网络提取和处理传感器数据特征,以对不同的信号模式进行分类。基于神经网络分类输出,在雾级进行事件识别和决策。

基于单板机 (SBC) 的物联网边缘处理和计算平台为设计人员提供了越来越多具有成本效益和良好支持的解决方案。对于基于微控制器单元 (MCU)、微处理器单元 (MPU)、数字信号处理器 (DSP) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 的平台,也有各种开发工具包和工具可用,它们是设计和开发基于物联网系统的最有效方法。

电力

运营数十亿连接到互联网的物联网设备需要耗费大量能源。这可能会造成相当多的电力浪费。由于物联网针对能源效率进行了优化,具有各种计算元素的异构物联网网络可以针对各种工作任务进行优化,并可以自动响应应用的特定功率需求。电路中需要实现低待机电流和低泄漏,并利用时钟节流来实现高效的节能系统。

处理大量数据,并使用智能算法进行实时数据分析,将有助于监测能源消耗。对于许多物联网系统来说,接入恒定电源始终是一个难题。可能是难以实施,也可能是将设备连接到供电电压的成本是难题。设计考虑事项将包括主要的系统元素,如选择的微控制器、无线接口和传感器,以及系统电源管理。最小化功耗需求的一个重要方法是选择合适的控制器/处理器,从而提高功耗效率。

适当的网络协议也很重要。一些协议可能会消耗不必要的带宽,这将耗费过多的电力。通过自动处理传感器接口和其他外围功能,可以大幅节省电力。在传感器节点中,通过无线链路发送的数据量应该相对较小。因此,ZigBee 提供了最优的网状网络解决方案;蓝牙智能是基于标准的、功率敏感型点对点配置的绝佳选择,并且专有的 sub-GHz 解决方案为星型或点对点配置的网络规模、带宽和数据有效负载提供了最大的灵活性。

在低功率和有源模式下的能耗,加上从低功率模式快速唤醒到全速运行的需求,将在节约电池电量方面产生显著差异。低能耗应用的最后一个设计考虑事项是为系统本身供电。根据应用中使用的电池类型,通常需要升压变换器或升压开关稳压器。

有许多方法可以避免常见的物联网功耗问题。为了提高物联网设备的电力效率,可以结合使用多种节能和能源收集方法。能量收集就是一种通过周围环境将能量从一种形式转换为另一种形式的系统,这种先进的技术近年来得到了广泛应用,是一些应用的可行选择。通过使用先进的电源管理技术和各种节能模式,在硬件组件级实现系统节能。

对于更复杂的系统,电源管理集成电路 (PMIC) 可以对整个系统进行更精确的控制。您可以从一个单一的电源产生多个电压轨,以驱动嵌入式系统的不同元件。

安全性

几乎所有已经部署或正在部署的物联网应用都需要高水平的安全性。随着物联网继续纳入许多应用,面临的安全挑战也越来越多,如数据隐私、数据安全和异构性,而这些都是确保物联网系统安全工作所必需的。

任何物联网应用都可以分为以下几个层:传感、网络、中间件和应用。每一层都使用不同的技术,这些技术也带来了许多问题和安全威胁。传感层主要处理物理物联网传感器和执行器。网络层的主要目的是将信息从感知层传输到计算单元进行处理。中间件层将充当网络和应用层之间的桥梁。中间件层包括代理、持久数据存储、排队系统、机器学习等。数据库安全和云安全是中间件层面临的其他主要安全挑战。在应用层,有各种基于物联网的端到端应用。

有许多网关连接每一层以帮助数据流动。网关层是连接多个设备、人员、对象和云服务的宽层。它有助于为物联网设备提供硬件和软件解决方案。物联网数据的解密和加密,以及层间通信协议的转换,都由网关处理。

物联网保护的主要目标是确保数据的安全性、私密性和保密性,以及物联网环境中提供的基础设施、设备和服务的安全性。

当前和未来针对物联网威胁的安全解决方案包含各种机制,如区块链、边缘计算、雾计算和机器学习。

区块链对物联网设备数据的篡改具有很强的防御能力,可锁定访问并允许物联网网络中的合作设备。它可能是更好的安全和物联网数据隐私保护解决方案,因为它针对物联网环境中的许多安全问题提供了一种解决方案,物联网环境本质上是去中心化的,因此不需要任何中央机构来管理交易。

物联网边缘设备从传感器收集数据并相互通信,边缘可以成为网络和核心系统的一个方便的入口点,这使得它容易受到网络攻击和物理安全(篡改设备)的伤害。当交换大量数据时,数据和隐私侵犯的威胁、通过远程控制篡改产品、数据攻击等都会增加。

与其他传统方法相比,机器学习 (ML) 提供了另一种防御攻击的方法,从保护物联网设备免受网络攻击来看,它可能是一种很有潜力的解决方案。许多领域都在使用机器学习进行开发,物联网安全领域也不例外。

半导体芯片制造商 Arm 是用于安全设备、灯泡、电器等联网家庭的最普遍的架构,该公司推出了一种名为平台安全架构 (PSA) 的新型安全框架,能够提高物联网的安全性。这将有助于电子设计人员将安全性直接构建到设备固件中。PSA 还基于“最佳实践方法”为消费者设备提供物联网威胁模型、安全评估硬件和固件架构解决方案。

相关产品类别

存储

云计算以资源共享为基础,而资源共享是物联网平台的重要要求。在云计算过程中,从物联网设备中收集大量的数据,存储在外部租用的服务器中。用户可以通过任何连接了互联网的设备从任何位置访问云服务。云为应用程序服务提供了弹性和可伸缩的资源,而且这些资源易于访问和使用。在边缘或云上实现数据存储与处理的平衡非常重要。将过多的数据放在边缘也可能导致边缘设备过载,并可能影响整个应用程序。

云将这些物联网设备的存储空间和计算能力作为“云服务”出借。基础设施即服务 (IaaS)、平台即服务 (PaaS) 和软件即服务 (SaaS) 是可用的三种类型的云服务。一些流行的物联网云平台解决方案包括 Artik Cloud、Autodesk Fusion Connect、AWS IOT、GE Predix、Google Cloud IoT、Microsoft Azure IoT Suite、IBM Watson IoT、ThingWorx、Intel IoT Platform、Salesforce IoT Cloud、Telit DeviceWise、Zebra Zatar Cloud、macchina.io、ThingSpeak 和 Particle Cloud。

4G 移动通信技术支持移动宽带互联网接入无线调制解调器、智能手机和其他移动系统。4G 系统提供增强的关键服务,如高清视频通话、更高的带宽 (Bw)、高数据吞吐量、更好的 QoS 和流媒体在线游戏服务。它有 40 Mhz 的 BW 容量,并设置了 100 Mbps 的峰值速度要求。

以由安富利支持的 IoTConnect® 云平台为例,它可以满足不同行业的独特需求,如“智慧城市”、制造业、医疗保健、食品加工(快速消费品)、零售市场、建筑、环境服务等。IoTConnect 平台突出的特点是:易于配置、通知、实时监控和分析、多层安全、集成、连通性、互操作性和边缘软件。IoTConnect 提供的一些服务包括“智能”规则、设备管理、实时分析、远程监控、资产跟踪和数据基础设施。

IoTConnect 平台支持多种接口协议,包括蓝牙、802.15.4/ZigBee 或 6LoWPAN、ModBus、CAN 总线、BACnet、CoAP、MQTTS、HTTPS、AMQP 等。物联网平台可以使用最强大的基于行业的协议连接几乎任何物联网设备,以协助与物联网平台云通信。您还可以连接现有企业 CRM 和 ERP 系统,帮助您生成更优化的智能信息。

IoTConnect 平台使用软件定义的基础设施 (SDI),这意味着它很容易升级,并且独立于任何特定于硬件的依赖关系。IoTConnect® 能够捕获和分析大量数据,使企业能够安全地连接广泛的数据源、设备、传感器、设备和控制系统。一旦连接了所有资源,就会对数据进行聚合、过滤、存储和分析。使用数据可视化工具将数据转换为易于理解的报告,并在合适的时间提供给合适的人员以改善决策。