物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架介紹

下面將談到幾個關鍵問題：

• 設備如何接入網(wǎng)絡？
• 設備間如何通信？
• 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的用途?
• 如何搭建起一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架呢？它的技術架構又是怎么樣呢？
• 物聯(lián)網(wǎng)終端軟件系統(tǒng)架構？
• 物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng)架構？

1. 物聯(lián)網(wǎng)設備如何接入到網(wǎng)絡？

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

網(wǎng)關接入：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(tǒng)一通過網(wǎng)關再接入到網(wǎng)絡。 比如終端設備通過zigbee無線組網(wǎng)，然后各設備數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)關統(tǒng)一接入到網(wǎng)絡里面。常用到本地無線組網(wǎng)技術有Zigbee，Lora,BLE MESH, sub-1GHZ等。

在物聯(lián)網(wǎng)設備里面，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關是一個非常重要的角色。一個處在本地局域網(wǎng)與外部接入網(wǎng)絡之間的智能設備。主要的功能是網(wǎng)絡隔離，協(xié)議轉化/適配以及數(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi)外傳輸。

一個典型的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關架構如下：

網(wǎng)絡通信方式

常用的通信網(wǎng)絡主要存在2種方式：

1.移動網(wǎng)絡(主要戶外設備用) 移動網(wǎng)絡2G/3G/4G/5G/NB-IOT等

2.寬帶(主要戶內(nèi)設備用) WIFI，Ethernet等

物聯(lián)網(wǎng)設備接入網(wǎng)絡后如何開展M2M,M2C通信？

物聯(lián)網(wǎng)設備終端接入網(wǎng)絡后，只是物聯(lián)網(wǎng)應用的開始。 設備接入網(wǎng)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(lián)網(wǎng)的價值才展現(xiàn)出來。 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(shù)據(jù)。

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，他們有個共同點都是基于消息模型來實現(xiàn)的。設備與設備之間，設備與云端之間通過交換消息來實現(xiàn)通信，消息里面攜帶了通信數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)設備之間，設備與云平臺能夠交換數(shù)據(jù)后，接下來要干怎么呢？

21世紀，什么最重要？數(shù)據(jù)。 有了大量的物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)后， 針對數(shù)據(jù)，人類可以去挖掘里面的規(guī)律，挖掘里面的商業(yè)價值，對設備未來的狀態(tài)進行預測等等。

對于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應用，分幾個層次來講

1. 基礎應用：監(jiān)控

通過物聯(lián)網(wǎng)收集到設備數(shù)據(jù)后，如果設備數(shù)據(jù)狀態(tài)超過預設的狀態(tài)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(tài)。

2.進階應用： 報表統(tǒng)計

通過統(tǒng)計方法， 對設備的歷史運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(xiàn)在管理員面前。管理員可以快速直觀的了解到整個物聯(lián)網(wǎng)設備運行狀況。

3.高級應用： 數(shù)據(jù)挖掘/機器學習

這部分需要從數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的連續(xù)跟蹤分析并結合人類過往的設備運維經(jīng)驗，通過機器學習方式預測設備發(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。通過引入現(xiàn)在火熱的AI技術。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， 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(yōu)決策。

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

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

物聯(lián)網(wǎng)終端設備軟件系統(tǒng)架構

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

不帶RTOS設備終端系統(tǒng)框架：

帶RTOS設備終端系統(tǒng)框架：

RTOS是什么？ 實時多任務操作系統(tǒng)，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(nèi)核一般包含的重要組件如下：

1. 任務調(diào)度
2. 任務間同步與通信
3. 內(nèi)存分配
4. 中斷管理
5. 時間管理
6. 設備驅動

以任務調(diào)度組件舉例：

在嵌入式操作系統(tǒng)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(xié)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(shù)據(jù)通信，有的任務負責業(yè)務邏輯處理。

既然一個系統(tǒng)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(diào)度概念。 任務調(diào)度需要按照一定的規(guī)則來，那一般是按照哪些規(guī)則來的？ 我們常見的調(diào)度方式有3種： 一個基于優(yōu)先級調(diào)度的， 一個是基于時間片調(diào)度的， 一個是把優(yōu)先級和時間片結合在一起調(diào)度。

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

其他組件就不一一列舉了。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng)架構

物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng)架構主要包含四大組件：

• 設備接入
• 設備管理
• 規(guī)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?yún)f(xié)議，最主流的是MQTT協(xié)議。有些云計算廠商也在MQTT協(xié)議上精簡協(xié)議變成獨有的接入?yún)f(xié)議。
2. 并發(fā)連接管理，維持可能是數(shù)十億設備的長連接管理。

如果應對數(shù)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(fā)連接十幾萬設備。因此如果要管理數(shù)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(chuàng)建管理以及設備狀態(tài)管理等等。根節(jié)點以產(chǎn)品開始， 然后是設備組，再到具體設備。

主要包含如下管理：

1. 產(chǎn)品注冊及管理
2. 產(chǎn)品下面的設備增刪改查管理
3. 設備消息發(fā)布
4. OTA設備升級管理等

規(guī)則引擎

物聯(lián)網(wǎng)云平臺通常是基于現(xiàn)有云計算平臺搭建的。一個物聯(lián)網(wǎng)成熟業(yè)務除了用到物聯(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(shù)據(jù)庫等。用戶可以在云主機上搭建web 行業(yè)應用服務。

規(guī)則引擎主要作用是把物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)通過過濾轉發(fā)到其他云計算產(chǎn)品上。比如可以把設備上報的數(shù)據(jù)轉發(fā)到table store數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品里。

規(guī)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(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)到其他云計算產(chǎn)品，或者其他云計算服務。

安全認證及權限管理

物聯(lián)網(wǎng)云平臺為每個設備頒發(fā)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(chǎn)品級證書，一種是設備級證書。產(chǎn)品級證書擁有最大的權限，可以對產(chǎn)品下所有的設備進行操作。

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(chǎn)品

大數(shù)據(jù)計算產(chǎn)品， 云基礎服務（高性能服務器，云數(shù)據(jù)庫，云網(wǎng)絡）等

物聯(lián)網(wǎng)應用

智慧城市， 智慧農(nóng)業(yè)，工業(yè)4.0等

下面一張是來自百度物聯(lián)網(wǎng)平臺架構：

突出展示了物聯(lián)網(wǎng)設備， 物聯(lián)網(wǎng)云平臺， 云計算平臺是如何協(xié)同工作的，有較大的參考價值。

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