完整解讀物聯網生態系統 關鍵物聯網技術和無線協議

Qorvo的『這個知識不太冷』系列，旨在幫助小伙伴們喚醒知識的記憶，將挑選一部分Qorvo劃重點的知識點，結合產業現狀解讀，以此溫故知新、查漏補缺。本篇將介紹用于支持物聯網 (IoT) 應用的技術架構，并詳細討論一些關鍵物聯網技術和無線協議。

? ? 深入了解物聯網生態系統 ? ?

從更高層次來看，物聯網是一個異構網絡，由云計算層負責檢索和處理從其他層獲取的信息。圖2-1是一個簡單示意圖。

物聯網相關數據可以存儲在物聯網網絡中的多個位置。物聯網網絡和基于云的系統中的傳感器、網關和本地設備可以存儲不同數量的數據。

云計算

圖2-1中間的云計算層在生態系統中占據著重要地位，可以存儲大量信息，并基于這些數據做出決策；它可以有效集成來自解決方案各組件的數據。將云添加到物聯網還可以提高安全性、可用性、可擴展性和性能，因為云存儲/數據庫提供商愿意采用這些功能，以幫助他們在相關行業領域取得成功。

圖2-1:物聯網生態系統模型。

例如，物聯網智能家居高度依賴云的計算能力。如圖2-2所示，智能家居有一個傳感器和家庭連接層，可以從不同的節點收集數據，然后將這些信息提供給云服務器，以便做出決策。

圖2-2:支持智能家居的物聯網生態系統。

邊緣計算

有時候，將物聯網數據發送到云進行處理并沒有什么意義。雖然云可以處理大量數據，它也有缺點，比如通信延遲。此外，有時云會不可用，或者需要更快的處理周轉時間。

在這些情況下，可以使用邊緣計算。當數據在傳感器或網關的源端處理和存儲時，就會發生邊緣計算，而且只有在需要額外處理時，網絡才會使用云。有些終端設備并不總是將數據發送回云，而是使用邊緣計算在源端存儲和處理數據。這有助于為最終用戶提供更實時的體驗，也有助于確保網絡安全。

在功率或帶寬受到限制時，邊緣計算尤其有用。使用傳感器在網絡邊緣對數據流實施有用處理可以降低功耗，并更有效地使用帶寬。邊緣計算不會將可識別身份的信息發送至云，而是在源端存儲和處理，這有助于保護用戶的隱私。隨著物聯網技術不斷發展，延遲逐漸成為更大的問題，邊緣計算將變得更加普及，以實現實時處理。

? ? 審視物聯網架構 ? ?

一些物聯網應用已經成熟，比如無線控制家用恒溫器或使用手機打開車門。但未來，物聯網的潛在應用將更加廣泛，規模也更大。試想一下，使用手機尋找停車位，或者您的冰箱清楚什么時候需要補充物品并自動下單；橋梁和其他基礎設施中的傳感器會在需要維修或維護時自動通知工程師；當您非常接近高度傳染性疾病患者或者有害物質或環境時，定位技術會通知您，這會是怎樣一種體驗。這些未來應用將需要能夠在后臺進行大量數據傳輸和處理的物聯網架構平臺。

這種物聯網平臺/架構由幾個內部連接層組成。我們來詳細了解一下物聯網平臺各連接層中的各個組件：

傳感器和執行器：物聯網傳感器和執行器用于測量溫度、聲音、濕度和振動等。在典型的物聯網智能家居中，恒溫器等智能設備都具有嵌入式通信單元，可連接至家庭網絡。恒溫器中的傳感器和執行器可將這些物理測量值轉換為驅動系統的電氣值。

物聯網網關：網關在本地網絡和英特網之間傳送數據。首先，接收傳感器和執行器的電子值，然后使用網絡協議將其上傳至本地網絡，如藍牙、藍牙低功耗(BLE)、蜂窩、LoRaWAN、Thread、Wi-Fi 或 Zigbee。網關會創建一個網狀骨干網來分發收集到的數據，并向設備發送響應。

云基物聯網平臺：通過網關傳輸的數據存儲在云基物聯網平臺或公司的數據中心，并在那里進行處理。然后，可利用這些數據執行智能操作和制定決策。

應用：最后，物聯網設備的數據可用于各種應用，以幫助人們或組織做出更明智的決定或采取具體措施。這些應用可將云端信息推送至智能手機、平板電腦或計算機上的應用。應用層對用戶來說最重要，因為它是用戶與物聯網網絡的接口，允許用戶控制和監控物聯網系統的許多要素，有時還可以實現實時控制和監控。

? ? 了解一些物聯網協議 ? ?

通信協議構成物聯網系統的主干，可將物聯網設備連接至網絡，并最終連接至應用和用戶。通過定義數據交換格式、數據編碼、設備尋址方案以及數據包從節點到目的地的路由方式，這些基于標準的專有協議使數據能夠在物聯網架構的不同層之間傳輸。

物聯網生態系統包括一系列支持短程、本地和廣域網的不同協議，且所有這些協議都可以共存。每種技術在范圍、傳感和控制以及傳輸不同類型信息的能力方面都具有特定的特性。這些技術組合在一起可實現所有無線范圍和功能的無縫覆蓋。例如：藍牙非常適用于短程應用，而窄帶物聯網(NB-IOT)則非常適用于遠程應用。

以下是一些關鍵網絡協議的簡要概述:

IEEE 802.15.4標準是低速率無線個人局域網(LR-WPAN) 標準的集合。這些標準可為功率受限設備提供低成本、低速通信。它們構成了高級通信協議(如 Zigbee)規范的基礎。Zigbee 是一種專為低功耗運行而設計的網狀網絡，可用于智能家居和公用設施的智能能源應用。Zigbee基于 IEEE 802.15.4 物理層(PHY)和介質訪問控制(MAC)標準。

Wi-Fi是 IEEE 802.11 無線局域網 (WLAN)通信標準的集合。它可為室內和室外場所提供較高的傳輸速率，且應用非常廣泛。

藍牙是由 Bluetooth Special Interest Group (SlG) 維護的開放標準。它是一種低成本的無線通信技術，適用于移動設備之間的短距離(如 8-10米)數據傳輸。它可用于音頻流媒體、汽車、揚聲器和耳機等應用。

藍牙低功耗(BLE)是藍牙標準的組成部分，專為低功耗運行而設計。BLE 設備通常使用紐扣電池工作，可用于物聯網設備，如燈泡和照明開關。

Thread是一種低功耗、基于互聯網的安全網狀網絡技術，適用于物聯網產品。2014 年成立了 Thread Group 工作小組，旨在推動 Thread 的普及。Thread 可實現安全的低功耗網狀網絡，支持現有的基于 IPv6 的連接標準。

LoRa是一種由 LoRa 聯盟開發的低功耗廣域網(LPWAN)協議,適用于遠程通信。該技術是大規模農業應用傳感器的最佳之選。

蜂窩標準(如 5G)可為物聯網服務提供網絡主干，同時支持高數據速率和遠程通信。NB-I0T是一種常用的蜂窩物聯網標準，可用于智能停車、公用設施管理和制造自動化。

Matter標準是CSA及其成員為解決分散的智能家居生態系統問題而共同獲得的成果，能夠使得從無線電一直到云接口，以及與物聯網設備實現交互的智能手機端應用，都具備互操作性。Matter還確?；谠摌藴蕵嫿ǖ娜魏螌ο笤诒举|上可靠、在設計上安全，且在系統規模上相互兼容。

這些消息傳遞協議用于設備之間以及與云端之間的數據共享。物聯網協議是物聯網技術堆棧的關鍵組成部分，如果沒有它們，硬件根本無法工作。利用物聯網協議，物聯網設備能夠以一種受控和有意義的方式交換數據。

例如，物聯網智能設備之所以稱為“智能”，不僅因為它們能夠相互通信，還因為它們在遇到問題時能夠自動緩解問題或通過網絡尋求幫助。這種交互只能通過協議通信或物聯網設備所采用的通用語言實現。

我們將在后續的章節中繼續討論智能家居物聯網傳感器、信標和執行器的通信方式，并展望物聯網的未來。請繼續關注~