物聯網平臺的產品架構

  一、物聯網介紹

  1. 概述

  物聯網( IoT ，Internet of things )即“萬物相連的互聯網”，是互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡，將各種信息傳感設備與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡，實現在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯互通。

  在傳感技術、微機電系統、通訊技術、云計算等技術產業的支持下，物聯網技術的發展非常迅速，并且作為近年來受國家政策大力扶持的國家戰略，開始備受矚目，逐漸迎來各種商機，市場也在逐漸擴展。

  在未來十年，隨著物聯網與互聯網、人工智能、5G、大數據等技術的發展，即將迎來引領社會發展的智能化時代。對于物聯網技術的應用，可劃分為四層，分別感知層、網絡層、平臺層、應用層：

  感知層：即通過傳感技術，感知并采集物理世界的數據，建立人與物之間的溝通橋梁；

  網絡層：網絡層作為數據傳輸的管道，把物與互聯網進行連通，實現人、機、物之間互通；

  平臺層：數據接入到系統平臺后，平臺可對數據進行解析、分析、處理后，提供豐富的服務與功能；

  應用層：物聯網的最終將會應用于各類行業，如智能家居、智能汽車、智慧城市、智慧交通、智慧醫療等等，推動智能化發展。

  2. 產品架構

  物聯網平臺，提供海量設備的接入與管理能力，可以將您的IoT設備連接到云平臺，支撐設備數據采集上云和云端下發命令給設備進行遠程控制，根據不同的應用場景，幫助您快速構建物聯網安全監測解決方案。

  構建一個完整的建物聯網安全監測解決方案，主要分為設備、物聯網平臺、行業應用3個部分：

  1)設備

  即物聯網技術中的感知層和網絡層。

  對于各類傳感設備，可以通過zigbee/Lora/RS485等通訊方式接入傳感網，或通過4G/5G/NB-IoT/以太網等多種網絡接入物聯網平臺，并使用MQTT協議將業務數據上報到平臺，平臺也可以將控制命令下發給設備。

  2)物聯網平臺

  即物聯網技術中的平臺層。

  物聯網平臺作為承接設備與行業應用的中間服務，它承載了抽象化的業務邏輯及標準化的核心數據模型，實現設備的快速接入，同時提供強大的模塊化能力，支撐行業應用場景下的各類需求。

  3)行業應用

  即物聯網技術中的應用層，通過調用物聯網平臺提供的API接口，快速構建滿足行業需求的功能模塊。

  本文舉例的物聯網平臺產品架構，是建立在安全監測為應用領域來設計的，不同企業的產品架構多少會與上圖會有出入，但是整體框架應該是類似的，將著重介紹我對物聯網平臺的理解。

  二、感知層

  感知層，實現對物理世界的識別感知、信息采集，是物理世界和信息世界的重要橋梁。感知層包括RFID、傳感器等設備。

  1)RFID(射頻識別技術)

  通過一個小小的標簽，便擁有信息存儲、信息收發的能力，使得每個物體都被賦予了一個ID，為物體識別帶來極大的便利。

  2)傳感器

  對于傳統的定義為：能感受到被測量并按照一定的規則轉換成可用輸出信號的器件或裝置。對于廣義上的傳感器，在此基礎上還會加入微處理器、模數轉換、通信模組、電路設計、嵌入式程序等能力，極大程度地提升傳感器的智能化。

  三、網絡層

  網絡層，實現數據傳輸，把數據從感知層傳輸至平臺層。網絡層又分為物接入互聯網、互聯網傳輸兩部分。

  1. 物接入互聯網部分

  分為三類通訊方式：有線通訊、無線短距局域網通訊、無線長距廣域網通訊。

  1)有線通訊

  以太網/光纖

  串口通訊：按位(bit)發送和接收字節，如USB/RS485/RS232等。

  2)無線短距局域網通訊

  ZigBee(紫蜂)：一種低速短距的無線通信技術，工作頻段在4GHz，通訊距離在百米范圍，功耗低。通過節點+網關的方式，可以搭建萬級節點拓撲的私有網絡;

  Wifi：一種高速短距的無線通信技術，工作頻段在4GHz和5GHz，通訊距離在百米范圍，功耗很大，一般只用于有源設備;

  Bluetooth(藍牙)：一種中速短距的無線通信技術，工作頻段在4GHz，通訊距離在十米范圍，連接設備的數量不多。

  3)無線長距廣域網通訊

  Lora(Long Range Radio)：一種低速遠距調制技術，采用線性調制擴頻方式，增強通訊距離，可達2~15km的范圍，在中國使用的是470-510MHz免授權頻段。與ZigBee類似也是需要通過節點+網關的方式搭建網絡，功耗較低;

  NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網)：一種新興的低功耗遠距通信技術，屬于授權頻段，只需要180kHz的帶寬便可部署至運營商網絡上。通訊距離也在10km級別。其低功耗休眠機制，會導致無法實時通信;

  4G：第四代移動通信技術，高速遠距通信，在中國使用的工作頻段為824~960 MHz，1710~2690 MHz。傳輸數據量大，功耗也大。

  2. 互聯網傳輸部分

  目前有兩種主流的通訊協議：MQTT和CoAP

  MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸)：是一個基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱傳輸協議，可保持長連接，實現多對多異步通信；

  CoAP(The Constrained Application Protocol，受限應用協議)：是一種客戶端-服務器單對單的協議，具備輕量低功耗的特點。

  四、平臺層

  1. 產品管理

  產品是設備的集合，通常是一組具有相同功能定義的設備集合。該模塊以一種硬件產品為粒度，創建產品及配置產品相關信息。

  產品信息管理：硬件產品的功能描述、性能參數、發布狀態等信息管理；

  組網拓撲管理：對于傳感器、采集儀、網關，由于通訊方式不同，產品的組網拓撲便不同。此處描述各類產品入網的拓撲關系；

  版本&固件管理：對產品的版本信息及固件進行管理；

  物模型管理：物模型，即一類物理世界的實物(如傳感器)在平臺的數字化模型。物模型對該產品的上行數據、下行指令，上下行動作進行描述。簡單來說，物模型就是該實體能對外提供什么信息以及能對它做什么，因此物模型是設備與平臺之間的關鍵樞紐。

  2. 設備管理

  設備是硬件產品的最小單位，每個設備都對應一個唯一編碼，從設備入庫開始便記錄相關信息，并且可以對設備進行資產分配、安全認證、配置操作等行為，最后對設備從入庫到報廢的全生命周期管理。

  設備全生命周期管理：對設備的物理狀態、健康狀態、資產歸屬、調試日志進行記錄，記錄設備從入庫到報廢的全生命周期，便于問題追溯分析。

  設備資產管理：對設備資產進行劃分，便于控制用戶設備權限。

  虛擬設備：根據物模型構建虛擬設備，用于用戶體驗、真實設備受限時的模擬調試驗證、批量壓測驗證平臺性能等場景。

  設備影子：每個設備有且只有一個設備影子，設備可以通過MQTT獲取和設置設備影子來同步狀態，用于存儲設備上報狀態、應用程序期望下發的配置，解耦應用于終端設備。一般用于網絡不穩定、設備無法實時通信、一個設備在同一時間被反復請求等場景。

  3. IoT設備接入

  物聯網平臺支持海量多元異構數據的設備接入，通過簡易的配置，便可建立設備與云平臺之間的聯系，實現穩定可靠的雙向通信。

  協議接入：使用MQTT協議接入數據，并根據場景定義不同topic進行消息發布訂閱。

  設備鑒權認證：以網關為單位，對接入數據topic做發布訂閱鑒權認證，實現topic級別的權限隔離，提高接入安全性。

  數據轉換解析：對接入的異構數據進行格式統一，根據物模型對接入數據進行解析。

  設備接入配置：此處的目的是把接入到平臺的數據與具體的實體對象進行握手，以便于在應用中能夠區分不同實體對象的數據。此處依賴于產品物模型與產品組網拓撲。需要注意的是，在應用層中，根據不同業務屬性，可能會把實體對象做某些關系映射。

  消息通信：當完成設備接入配置后，用戶便能實現對設備的交互，包括數據上報、命令下發等。

  4. 數據展示

  該模塊對物聯網收集的數據，運用相應的可視化圖表進行展示，以便于物聯網監測數據能直觀展示。此處功能與企業業務方向會緊密相關。

  基礎監測數據：對結構化數據進行基礎圖形表格數據展示。

  系統集成數據：對視頻監控、車流量等系統集成類進行數據展示。

  數據站視化：安全監測領域主流的可視化系統，如BIM、GIS、視頻融合、人員定位、可視化大屏等。

  數據管理：對原始數據的數據維護、數據下載、文檔管理等服務。

  5. 數據分析

  該模塊對展示的數據加以分析，把物聯網海量數據變成有價值的數據。此處功能與企業業務方向會緊密相關。

  基礎數據分析：包括同步分析、關聯分析、同步分析、頻譜分析、風玫瑰圖分析;

  高級數據分析：針對特定傳感器的高級算法分析，包括索力算法分析、動態稱重分析、深度測斜分析、柱體分析、索承結構分析;

  報告報表分析：專業結構人員使用的分析工具，制作專業分析報告。

  6. 規則引擎

  規則引擎是指用戶可以在物聯網平臺上可以配置某些規則，在判斷條件滿足規則后，平臺會執行相應的動作來滿足用戶需求，靈活構建場景聯動、報警等定制化業務場景。規則引擎所需要的元素如下：

  1)觸發條件

  觸發對象：可以是某個設備，某個測點，也可以是某個時刻，或某個事件；

  觸發條件：可以是簡單的上下限判斷，也可以是一個復雜的函數/算法判斷；

  觸發時間：即時效性，可以是一直有效，或者規定時間內有效；

  沉淀機制：避免設備上傳相同數據導致重復觸發規則。

  2)執行動作

  指令下發：即對制定設備發送指令；

  發送通知：如短信、郵件、小程序、APP推送等；

  產生報警：在運維報警監控界面產生一條報警記錄；

  執行時間：立即、或延時；

  執行規則：執行某條規則；

  規則狀態開關：開啟或關閉某條規則。

  3)日志

  每條狀態為開啟的規則，每次執行都要留有日志，存儲觸發時間、判斷依據、執行動作記錄等。

  7. 運維服務

  此模塊為專業運維團隊提供運維服務，是業務正常運作的關鍵。

  運維監控：對項目運維情況進行監控，包括設備拓撲網絡、運維報警監控、無效數據、設備報表分析；

  設備調試：對設備進行遠程在線調試；

  OTA升級：上傳新的升級包，并將OTA升級消息推送給設備，設備即可在線升級；

  日志服務：包括設備全生命周期日志、用戶操作日志等；

  業務工單：支持業務運作的跨部門協作工單，此工單內容根據企業業務不同會有較大差異，此處不做具體展開說明。

  五、行業應用層

  物聯網的應用領域涉及非常廣，比如跟生活相關的家居、飲食、醫療、教育、旅游等，也有跟行業相關的交通、物流、工業、安防、能源等。以下簡單列舉幾個應用場景。

  1. 智能家居

  智能家居是以住宅為單位，通過物聯網技術把家中的各類設備(如家電設備、照明、安防、攝像頭、電源、影音等)連接到一起，實現家電控制、防盜報警等設備智能化場景聯動。

  通過AI語音、觸屏、生物識別等交互方式實現人與物的智能化互動，極大地提升便利性、安全性、舒適性的居家體驗。

  2. 智慧交通

  隨著社會經濟和科技的快速發展，城市化水平越來越高，機動車的數量也迅速增加。

  隨著物聯網、大數據、云計算等技術的發展和應用，需要一種面向人、車、基礎設施的智慧交通管理方案，以便于為城市的交通領域提供更高效、綠色、安全的出行方式。其中有多類主流的應用場景：

  交通實時監控：實時監控交通事故、交通擁堵、交通違章等問題；

  基礎設施結構安全監測：對于橋梁、路面等結構安全做監測，實時監測結構損壞情況并及時維護，預測壽命，保證交通安全；

  車輛智能管理：利用先進的傳感技術、定位技術，實時監控車輛的運行狀態及軌跡，實現智能充電、智能停車、ETC等場景；

  公共設施智能調度：如紅綠燈、路燈、攝像頭監控、公交車等，根據實際交通情況及算法，實現智能調度。

  3. 智能制造

  工業互聯網是實現智能制造的關鍵。其本質是通過開放的、全球化的工業級網絡平臺把設備、生產線、工廠、供應商、產品和客戶緊密地連接和融合起來，高效共享工業經濟中的各種要素資源，從而通過自動化、智能化的生產方式降低成本、增加效率，幫助制造業延長產業鏈，推動制造業轉型發展。

  4. 智慧能源

  對能源行業實現自動化、智能化。對于當前主要能源電力，覆蓋了發電、輸電、變電、配電、用電等環節，實現電力智能監測、保護與管控。

  5. 智慧醫療

  通過物聯網、大數據、人工智能等技術，實現患者、醫護人員、醫療機構、醫療設備之間的信息互動，完善醫療管理系統，提高醫療效率與服務質量。

  六、總結

  如今的物聯網技術的應用，存在許多機遇，這一片藍海市場等著我們一起開拓。不可否認的是，物聯網給我們帶來更加便利的生活，給社會經濟帶來更快速發展。

  然而，也面臨著許多挑戰，如平臺的易用性、海量數據的接入穩定性、海量數據的意義挖掘、跨企業跨平臺的技術通用性、數據安全性等。即將進入智能化時代的我們，一起來積極擁抱這些新興技術吧。