践行 IoT 承诺的技术

20 多年前，公众开始接触互联网，随之出现了各种全新的公司和工作方式。 互联网的出现打破了传统的“实体”业务模式。 而物联网 (IoT) 则将实体资产联网，对互联网进行了延伸。 由于嵌入传感器可监测状态，即使是建筑的一砖一瓦也可受到物联网的影响。

在现实世界，IoT 使用分布式计算智能，让传统业务模式得到重新审视。 企业可以自问：消费者真正需要的是什么，我们能做什么提供支持？ 在为飞机制造的喷气发动机中，我们已经看到这种转变。 业界主要的供应商是早期采用 IoT 模式的企业，它们利用通信网络服务于其产品，并为航空公司的购买方式提供了支持。

这种模式关注空运盈利性经营中最重要的部分，即缩短飞机在地面上的停工时间，让其可以服务最多的航班数，这样航空公司与喷气发动机制造商就有了相同的激励因素。 发动机中的传感器不仅提供实时更新信息，而且还可传达飞机处于停机位时的机况详细数据。 得到的信息为发动机制造商提供关于发动机情况的最新消息，让他们能根据飞行计划，安排最适宜的时机进行离翼维护。

喷气发动机业务模式本身旨在促进发动机制造商能让飞机尽可能地多飞行，因此，航空公司除了购买发动机外，实际上也在租用这种保持飞机飞行的能力。 传感器和全球通信帮助发动机制造商实现其业务模式的目标。

相同的原理可以扩展到其他诸多市场。 例如，汽车制造商可以从传统的产品供应商角色转换成可靠的运输提供商之一。 汽车价值链的其他供应商也可加入其中。 制造商可以将轮胎租赁给驾驶员，而不是不定期向其出售，这种模式通过使用传感器（部分已安装于轮胎中）而获得提升。

图 1： 采用 NXP Semiconductor FXTH87 系列轮胎压力监测传感器的范例系统应用示意图（来源： NXP）。

通过将轮胎压力监测系统和驾驶数据连接到 IoT，云中的应用会通知驾驶员在恰当时间前往合适的服务站补充轮胎压，并且如果驾驶数据显示轮胎的使用强度大，驾驶员则应检查胎纹深度和轮胎情况。 如果轮胎磨损达到需要更换的程度，驾驶员可在方便时前往轮胎更换地点换胎，而不必等到年度维修时再更换。 这种方法为消费者带来极大的价值，也帮助轮胎制造商更好地预测收益流。

在保险领域中，这种业务转型可能更加明显。 以往，保险公司只是在制定保单时使用精算信息来估计风险，现在，他们可以更主动地降低风险和整体成本，为自己和消费者提供更高的价值。 例如，房屋保险中最高的成本之一是房屋在水管爆裂被淹后的物品清理和替换。 处理爆裂水管的时间越长，成本就越高。 因此，空置房屋的清理成本较高。

如果房屋内的传感器检测到漏水，指示即将发生水淹，自动阀将关闭总水管供水，从而显著降低潜在损害。 传感器还可以检测其他问题，这样保险公司能及时提供服务并处理问题，不至于产生过高代价。 通过这种方式，保险公司的角色转换为一种保证。

现有诸多技术能让企业最大程度地利用 IoT。 如上例所示，传感器和通信是两项关键技术。 但要让整个系统顺利运作，基础设施也是很重要的。

在大多数基于 IoT 的现有应用中，通信基础设施的作用更像是内联网。 制造商已部署传感器，通常也对网络进行管理，尽管可能租用了现有通信基础设施的功能，如蜂窝网络。 IoT 能使用来自多个提供商的数据和网络，创建单一的应用，以此提供最大价值。

例如，水传感器和自动阀可能分别由业主和自来水公司安装。 协调两者行动的关键在于保险公司开发的软件，其可能在多个位置运行。 计算水读数是否指示水淹的核心算法通常在云服务器中运行。 这些服务器可能直接属于服务提供者所有，或者从 Amazon Web Services 或 Microsoft 的 Azure 服务等提供商处租用。

为保证实时响应，某些应用可能在非常靠近传感器和致动器的 IoT 网关中运行。 此网关是需对计算结构做出的一项最大变化，进而从 IoT 提取最大价值。

某种程度上，IoT 网关实现与家中、办公室或工业单位的路由器相同的功能。 它收集来自多个传感器节点的数据、向致动器传递命令、并向云提供信息。 网关和各 IoT 节点之间的连接构成“雾”层的部分，以区分它们与更广泛的互联网到云的连接。

网关设计的可能方向之一是让它们成为 IoT 应用的主机。 基于虚拟机监控程序的虚拟化架构能将核心路由和网络管理功能从可下载应用程序（可能来自于各服务提供商和设备供应商）中分离。 Prpl 小组已展示该架构，开发出支持它的虚拟机监控程序，并以开源形式提供。 这便于制造商实施 IoT 网关的核心功能，应用编写人员也可轻松创建在其上运行的软件。

对于雾网络，集成人员和开发人员都面临大量选择，这些选择的范围、数据速率和其他功能方面都有极大区别。 IoT 的广泛性意味着没有一体适用的解决方案。

即使在新兴的智能农业领域，也要考虑这种多样性。 某些解决方案将应用于小型的棕色地带，这里的作物生长在温室中。 尽管在温室环境中相对容易控制植物的灌溉，但这种农业形式的封闭性易于导致病害快速蔓延。

而传统的田间农业则面临着不同的挑战。 虽然存在病虫害侵袭的问题，但确保作物高效生长且不浪费水的关键在于监控土壤层的灌溉效果。 通过监控土壤的湿度，传感器可以向应用提供相关信息，从而准确控制农田灌溉。 只有当田间某个区域的湿度过低时才会启动灌溉。 而田间其他区域不会浇水，以免过度灌溉。 这种技术已经应用干旱地区，如近年来饱受干旱之苦的加州。

在温室环境中，土壤数据很重要。 但由于可以循环用水，节水显得并不那么重要。 相反，可以采用水培生长培养基，并利用不同类型的传感器来监控流速，维持良好营养分布。 为监控病害，可采用无人飞行器 (UAV) 检查农作物，找出需要紧急处理或清除的作物，以免感染其余作物。

两种农业形式各自的通信需求差别极大。 高带宽通信在温室环境中更重要，可通过基于云或网关的应用更好地识别病害症状。 在空间狭小的环境中一般适用短程、带宽更高的协议，如蓝牙或 Wi-Fi。 传统农场的露天环境不太适合范围有限的雾网络，但可以部署其他选择，如 LoRaWan 或蜂窝网络。

尽管蓝牙的设计主要用作个人区域网，面向与手机进行通信的设备，但是其应用空间已通过一系列协议增强版本得到显著扩张，并且将持续发展。 蓝牙技术联盟 (SIG) 正在进行一项技术调整，将使 100 米的常规传输范围扩大四倍。 范围扩展降低了比特率，但由于该协议具有自适应性，因此更靠近的节点能获得更高的传输速度。 技术调整后，近距离设备之间的数据率将增加到 2 Mbit/s。

另一项调整是让蓝牙与其他面向 IoT 的网络保持一致（如 6LowPAN 和 Zigbee），即增加对网状网络的支持。 作为 6LowPAN 和 Zigbee 基础的无线通信 IEEE 802.15.4 规范旨在支持网状网络，能用于扩展此类雾网络协议的有效范围和弹性。

网状网络使得数据包能通过短程通信实现长距离传输。 这是通过让数据包在源和目标之间的节点使用短跃点来实现的。 网状技术提高了弹性，因为当一个节点出现故障时，通常可使用另一个节点进行数据传递。 有了网状技术，就能将传感器放在超出 IoT 网关节点直接范围的位置，如温室屋顶等难以接近的区域。

修改蓝牙规范时，也考虑了 IoT 的异构性，让支持该协议的传感器节点能与 6LowPAN 设备进行交互。 尽管 6LowPAN 比 Zigbee 引入更晚，但由于被 Thread 协议组采用，6LowPAN 在 IoT 装置中更可能普及。 Thread 为 6LowPAN 增加了验证和加密等特性，提高了整体安全性。

6LowPAN 等协议不仅在蓝牙和 Wi-Fi 使用的 2.4 GHz 频段工作，也可在 868 MHz 等千兆赫以下的免许可频带工作。 由于采用窄带传输，这种低频范围支持较低比特率。 但是，范围趋于增加，并且对功耗的影响极小。 因此，在网状网络不太适用但又需要长距离传输的情况下，适合使用千兆赫以下的频带部署无线传感器节点。 例如，沿着道路部署传感器并按照一定间隔放置网关，以便向云输入和输出信息。

改为采用 LoRaWan 或 SIGFOX 等协议后，单一网关可与散布在郊野一公里或更大范围的大量传感器保持连接。

图 2： Semtech SX1272/73 - 860 MHz 到 1020 MHz 低功耗远程收发器 – 框图。

LoRaWan 协议由 Semtech 制定，该公司协同 Microchip Technology 和 STMicroelectronics 一同提供兼容收发器。 硅的随时可用性让 IoT 应用开发人员和集成人员可以选择雾网络的性质。 他们可以部署自己的网关硬件，或者使用公开或私有网络。 现在不仅有商业 LoRaWan 网络的部署，某些人士也在自发部署自己的免费产品。 比如荷兰的阿姆斯特丹，The Things Network 组织成员部署的十一个网关就几乎覆盖了整座城市。

大多数针对 868 MHz 通信和类似带宽开发的收发器都可使用 SIGFOX 协议。 该协议主要为实现与协议制定公司安装的网关节点进行单向且低数据速率的通信。

长距离通信还可选择使用 3G 和 4G 蜂窝网络。 3GPP 标准化小组已制定了针对 IoT 应用的 4G LTE 协议，并且正致力于制定另一项协议 Narrowband-IoT，它将降低复杂度和功耗。

得益于通信基础设施的发展，IoT 设备将拥有连接到雾网络和云端的多种方式。 关键在于将这些单独的系统链接在一起，而软件和数据标准则是重中之重。

受限应用协议 (CoAP) 等协议让互联网标准（如超文本传输协议 (HTTP)）的优势推广到雾网络的传感器节点中。 CoAP 提供对 HTTP 的访问，其形式非常适合内存和处理资源受限的微控制器。 CoAP 支持相同的具象状态传输 (REST) 编程模型，此模型已成为开发基于 Web 的应用的标准。 但是，它采用二进制而非文本格式，比传统 HTTP 更紧凑，适合低数据率连接。

图 3： MQTT 服务质量 (QoS) 功能（来源：MQTT - 适用于物联网的实用性协议： IBM MessageSight Solutions）

MQ 遥测传输 (MQTT) 等其他协议，可支持备选的应用架构。 相比 CoAP 的客户端-服务器架构，MQTT 支持发布-订阅模式。 发布-订阅架构适合 IoT，因为它提供来自不同应用的各传感器节点的数据，无需直接访问每个节点。 这样可降低对雾网络的要求，并且实现可扩展性。 CoAP 和 MQTT 并不相互排斥。 网关可以使用 CoAP 收集数据，然后使用 MQTT 或将来可能出现的协议提供对其他应用的访问。

关键在于已部署的架构将支持互操作性，并且因此实现 IoT 的主要承诺之一，即快速开发出创新型的高盈利应用，而无需每次都进行基础设施投资。

例如，部署无人机和其他传感器来监控农作物之后，农场主可以基于市场数据或运输情况调整收割决策。 基于云的应用可追踪特定食品的需求，必要时促使农业系统加速收割，以应对需求增长。 另一个应用则可运行及时收割系统，最大程度确保作物新鲜度。 只有当卡车位于农场范围内，才开始当天的收割　– 由于所采用的预测软件使用无人机提供的数据，可明确已准备待采摘的作物量，这样就能在卡车到达时确保作物准备就绪。

无需为卡车增加传感器来确定其位置和大概到达的时间，因为它们已经就绪到位。 唯一的要求是数据对该应用可用，而这可通过 CoAP 和 MQTT 等协议来实现。

IoT 涉及通信、传感器技术、基于云的智能和开放软件协议。 IoT 承诺提供由业务模式推动的全新功能，如果没有这些技术，这些功能将难以实现。