物聯(lián)網(wǎng)系統框架介紹

下面將談到幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

設備如何接入網(wǎng)絡(luò )？ 

設備間如何通信？ 

物聯(lián)網(wǎng)數據的用途? 

如何搭建起一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統框架呢？它的技術(shù)架構又是怎么樣呢？ 

物聯(lián)網(wǎng)終端軟件系統架構？ 

物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統架構？ 

只有設備接入到網(wǎng)絡(luò )里面，才能算是物聯(lián)網(wǎng)設備。這里涉及到2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：接入方式以及網(wǎng)絡(luò )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(lián)網(wǎng)終端設備本身具備聯(lián)網(wǎng)能力直接接入網(wǎng)絡(luò )，比如 在設備端加入NB-IOT通信模組，2G通信模組。 

網(wǎng)關(guān)接入：物聯(lián)網(wǎng)終端設備本身不具備入網(wǎng)能力，需要在本地組網(wǎng)后，需要統一通過(guò)網(wǎng)關(guān)再接入到網(wǎng)絡(luò )。 比如終端設備通過(guò)zigbee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，然后各設備數據通過(guò)Zigbee網(wǎng)關(guān)統一接入到網(wǎng)絡(luò )里面。常用到本地無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)有Zigbee，Lora,BLE MESH, sub-1GHZ等。 

在物聯(lián)網(wǎng)設備里面，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一個(gè)非常重要的角色。一個(gè)處在本地局域網(wǎng)與外部接入網(wǎng)絡(luò )之間的智能設備。主要的功能是網(wǎng)絡(luò )隔離，協(xié)議轉化/適配以及數據網(wǎng)內外傳輸。

一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)架構如下： 

網(wǎng)絡(luò )通信方式

常用的通信網(wǎng)絡(luò )主要存在2種方式：

1.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )(主要戶(hù)外設備用) 

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )2G/3G/4G/5G/NB-IOT等

2.寬帶(主要戶(hù)內設備用) 

WIFI，Ethernet等

物聯(lián)網(wǎng)設備終端接入網(wǎng)絡(luò )后，只是物聯(lián)網(wǎng)應用的開(kāi)始。 設備接入網(wǎng)絡(luò )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(lián)網(wǎng)的價(jià)值才展現出來(lái)。 既然要互通，則需要一套物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。只有遵循該套協(xié)議的設備相互間能夠通信，能夠交換數據。

常用的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議有哪些？ 主要有如下協(xié)議：MQTT，COAP等，他們有個(gè)共同點(diǎn)都是基于消息模型來(lái)實(shí)現的。設備與設備之間，設備與云端之間通過(guò)交換消息來(lái)實(shí)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(lián)網(wǎng)設備數據后， 針對數據，人類(lèi)可以去挖掘里面的規律，挖掘里面的商業(yè)價(jià)值，對設備未來(lái)的狀態(tài)進(jìn)行預測等等。

對于物聯(lián)網(wǎng)數據應用，分幾個(gè)層次來(lái)講

1. 基礎應用：監控

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)收集到設備數據后， 如果設備數據狀態(tài)超過(guò)預設的狀態(tài)則自動(dòng)第一時(shí)間報警，管理員第一時(shí)間開(kāi)展處理，可以通過(guò)遠程操作，下達命令。把問(wèn)題解決在萌芽狀態(tài)。

2.進(jìn)階應用： 報表統計

通過(guò)統計方法， 對設備的歷史運行數據進(jìn)行統計分析?？梢园床煌S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(guān)的了解到整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備運行狀況。

3.高級應用： 數據挖掘/機器學(xué)習

這部分需要從數據里面挖掘出有價(jià)值的東西出來(lái)。比如通過(guò)一段時(shí)間時(shí)間設備數據的連續跟蹤分析并結合人類(lèi)過(guò)往的設備運維經(jīng)驗，通過(guò)機器學(xué)習方式預測設備發(fā)生故障概率，以及發(fā)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(lián)網(wǎng)高級應用里面的冰山一角。 通過(guò)引入現在火熱的AI技術(shù)。 物聯(lián)網(wǎng)就能變成智能物聯(lián)網(wǎng)了。 也許在不久的將來(lái)， 人與設備可以自由對話(huà)，設備與設備之間也能夠對話(huà)并自動(dòng)做出最優(yōu)決策。

綜合所述，物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值在于提高生產(chǎn)效率，管理效率，極大促進(jìn)社會(huì )生產(chǎn)力的提高。

常見(jiàn)系統框架的總結下來(lái)主要存在如下2種： 帶RTOS的（處理復雜的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，場(chǎng)景里面通過(guò)需要多個(gè)事務(wù)并行協(xié)同完成工作）和不帶RTOS的（通常處理的業(yè)務(wù)場(chǎng)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(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，有了它，在終端設備里面可以并行運行多個(gè)任務(wù)。每個(gè)任務(wù)負責一個(gè)事務(wù)。通過(guò)并行化運行，響應實(shí)時(shí)性及效率就得到提升。RTOS實(shí)時(shí)操作內核一般包含的重要組件如下：

以任務(wù)調度組件舉例： 

在嵌入式操作系統中，任務(wù)是CPU上最小運行單元。通常一個(gè)稍微復雜點(diǎn)IOT APP是由多個(gè)任務(wù)協(xié)同完成。比如有的任務(wù)負責處理用戶(hù)事件輸入以及UI顯示，有的任務(wù)負責處理數據通信，有的任務(wù)負責業(yè)務(wù)邏輯處理。

既然一個(gè)系統中有多個(gè)任務(wù)在跑，而CPU資源確是單一的，這樣導致每個(gè)時(shí)刻只能由一個(gè)任務(wù)在CPU上跑。 因此為了每個(gè)任務(wù)都能夠在CPU上有運行機會(huì )，就涉及到了任務(wù)調度概念。 任務(wù)調度需要按照一定的規則來(lái)，那一般是按照哪些規則來(lái)的？ 我們常見(jiàn)的調度方式有3種： 一個(gè)基于優(yōu)先級調度的， 一個(gè)是基于時(shí)間片調度的， 一個(gè)是把優(yōu)先級和時(shí)間片結合在一起調度。

以?xún)?yōu)先級調度舉例，在定義任務(wù)的時(shí)候，給每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先級，在運行的時(shí)候，高優(yōu)先級的任務(wù)都會(huì )優(yōu)先被運行。 直到?jīng)]有高優(yōu)先級任務(wù)后，低優(yōu)先級任務(wù)才會(huì )被運行。 假如低優(yōu)先級任務(wù)獲得CPU資源后，這是如果有高優(yōu)先級任務(wù)就緒怎么辦呢？ 兩種處理方式：1. 繼續運行 2. 搶占式。 高優(yōu)先級搶占CPU資源進(jìn)入運行狀態(tài)。

其他組件就不一一列舉了。

物聯(lián)網(wǎng)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(xié)議，最主流的是MQTT協(xié)議。有些云計算廠(chǎng)商也在MQTT協(xié)議上精簡(jiǎn)協(xié)議變成獨有的接入協(xié)議。 2.并發(fā)連接管理，維持可能是數十億設備的長(cháng)連接管理。

如果應對數十億的設備連接管理？ 目前開(kāi)放出來(lái)的MQTT代理服務(wù)器大都是單機版，最多也就是并發(fā)連接十幾萬(wàn)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(wù)器。

設備管理

一般以樹(shù)形結構的方式管理設備，包含設備創(chuàng )建管理以及設備狀態(tài)管理等等。根節點(diǎn)以產(chǎn)品開(kāi)始， 然后是設備組，再到具體設備。 主要包含如下管理： 產(chǎn)品注冊及管理 產(chǎn)品下面的設備增刪改查管理 設備消息發(fā)布 OTA設備升級管理等

規則引擎

物聯(lián)網(wǎng)云平臺通常是基于現有云計算平臺搭建的。 一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)成熟業(yè)務(wù)除了用到物聯(lián)網(wǎng)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(hù)可以在云主機上搭建web 行業(yè)應用服務(wù)。

規則引擎主要作用是把物聯(lián)網(wǎng)平臺數據通過(guò)過(guò)濾轉發(fā)到其他云計算產(chǎn)品上。 比如可以把設備上報的數據轉發(fā)到table store數據庫產(chǎn)品里。

規則引擎一般使用方式：類(lèi)SQL語(yǔ)言，通過(guò)編寫(xiě)SQL語(yǔ)言，用戶(hù)可以過(guò)濾數據、處理數據，并把數據發(fā)到其他云計算產(chǎn)品，或者其他云計算服務(wù)。

安全認證及權限管理

物聯(lián)網(wǎng)云平臺為每個(gè)設備頒發(fā)唯一的證書(shū)，需要證書(shū)通過(guò)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(shuō)的證書(shū)一般分為2種：一種是產(chǎn)品級證書(shū)，一種是設備級證書(shū)。 產(chǎn)品級證書(shū)擁有最大的權限，可以對產(chǎn)品下所有的設備進(jìn)行操作。 設備級證書(shū)，只能對自己所屬的設備進(jìn)行操作，無(wú)法對其他設備進(jìn)行操作。

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

云計算產(chǎn)品

大數據計算產(chǎn)品， 云基礎服務(wù)（高性能服務(wù)器，云數據庫，云網(wǎng)絡(luò )）等

物聯(lián)網(wǎng)應用

智慧城市， 智慧農業(yè)，工業(yè)4.0等