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物联网的三层架构

这是在IC咖啡学堂001|物联网 微信群 的第二次物联网课程的分享。

我们春节前介绍了物联网的基本概念——三个关键词,原计划今天讲物联网的发展趋势,在准备课程的时候,发现如果没有讲物联网的三层架构介绍清楚,是讲不清楚物联网发展趋势的,所以今天首先介绍一下物联网的三层架构。

关于IBM对物联网技术架构的解释,最早用了八层架构,后来这八层架构解释不清楚,衍变成为了物联网生态,技术上分了七层,如图。

物联网的三层架构

这个IBM的物联网生态图非常经典,我用这张图预测了很多物联网的趋势。

但后来IBM的技术架构是分三层的:感知、连接、智能。

物联网的三层架构

而电信研究院对物联网的架构如图。

物联网的三层架构

感知层对应与IBM的感知,网络层对应与IBM的连接,应用层对应于IBM的智能。以下我们分别讨论:感知层、网络层和应用层。

感知层

看一下感知层,实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制;包括了传感器、执行器,RFID,二维码和智能装置

传感器、执行器

学过自动化的朋友都了解最原始的控制系统包括:传感器、控制器、和执行器;而物联网的架构在底层包括传感器、执行器,而控制器的功能是在更大的范围内实现的,比如在应用层的应用+智能是在更大的范围内实现控制闭环。

传感器是一种检测装置,能够感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成电信号或者其他所需的信息形式输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器主要是感知环境的状态。按照传感器的原理,有半导体传感器、激光传感器、机械传感器、视觉传感器、液位传感器、磁传感器等等不同类型的传感器。

但是随着物联网行业的发展,需要更多的设备使用传感器。而随着使用量的增加,对传感器的尺寸、功耗有更高的要求,所以微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)的使用越来越多,逐渐成为物联网时代传感器的主流产品。

MEMS是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的,融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。

MEMS集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。

MEMS侧重于超精密机械加工,涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。

MEMS是一个独立的智能系统,可大批量生产,其系统尺寸在几毫米乃至更小,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。

另外很多非接触式的传感方式也逐渐流行,比如通过图像分析,视频分析的方法,也可以实现传感。

以前监测汽车是否闯红灯,是否压线,通过磁钉作为传感器。而现在可以通过图像,利用图像处理方法,作为传感器。

还有对语音的识别,算不算传感器呢?

执行器是根据指令改变物体的状态,电机、开关、阀门等都属于执行器。

RFID

物联网,不言而喻就是要物物相连。既然万物互联了,那么如何识别一个物体?对于有计算处理能力的设备,一般用ip识别。比如联网的设备都有IP,可以通过IP地址找到并识别设备。

宇宙万物中,没有处理能力的物体占了绝大多数,那么如何识别这些物品呢?对这些物品的识别通常用的是赋予ID,通过ID识别。超市中,每一个物品都有一个条形码(Bar code),超市就是通过条形码来识别商品的。

但是条形码的问题是识别效率低,所以我们去超市的时候发现在收银台经常排很长的队,收银员大部分时间浪费在扫条形码上,首先需要找到条形码、如果条形码有污渍,识别不出来还要再通过手工输入条形码的ID。十分影响效率。

而RFID实际上是另外一种区别于条形码的ID系统,英文名叫Radio Frequency Identification,中文翻译为射频识别。

我们假想一个场景,如果我们在超市采购了很多商品之后,推着购物车,通过出口时,一个设备可以识别所有商品的信息,并直接记入结账系统,那么超市的收银台将不需要再排队。

而能够完成以上场景的技术,就是RFID技术。在2005年的时候,沃尔玛曾经要求所有供应商提供给沃尔玛的商品含有RFID标签,其目的就是为了解决这个问题。

所以RFID最流行、最热是在2005年,2006年之后,而物联网的起源之一也是因为RFID技术,但因为十年前,RFID的技术不成熟,一方面成本高,另外一方面识别率低,导致RFID的普及程度不高。

随着RFID技术的发展,工艺上改变之后,一方面成本降低,RFID的识别率提升之后,应用开始越来越广泛。现在基本上服装行业已经普遍使用RFID。我门熟悉的公交卡,ETC都是RFID。

二维码

刚才讲到了沃尔玛曾经对RFID寄寓了很高的期望,实际生活中,需要对ID的识别,而条形码识别率低,早期RFID识别率低,成本高。这个时候二维码作为中间过渡技术,有了很多的应用,所以二维码也是传感技术之一。

而随着移动互联网的发展,手机输入链接非常麻烦,二维码作为链接的一个输入工具,有非常广泛的应用。

另外RFID有液体或者金属的环境,识别率也会降低,在一些金属产品、或者液体容器上,也会应用二维码

简单介绍了感知层。在物联网的感知层,主要是解决了一个识别物体、感知物体状态、并控制物体状态等几方面的作用。

连接(或者网络层)

物联网是万物互联,如果物体要连接,一定需要网络层。而物联网需要各种通讯技术融合。

物联网时代,需要联网的设备种类差异非常大,有需要快速连接,数据传输量大的连接设备,比如电脑、视频设备的连接,就需要高速高可靠性的通讯方式。

也有很多数据量不大,及时响应性要求不高的设备,而这些设备通畅需要连接便捷,无线。这些设备未来可能连接的量非常大,那么需要自动连接,无线,非常低的功耗。

物联网的三层架构

所以通讯的要求非常不一致。

在物联网发展的早期,针对物的连接,有针对高端设备的自动化总线。而更多的通讯协议是为了传输电脑,手机等大数据量设备的。所以物联网发展早期,物联网通讯协议更多的是借用了针对这些设备的通讯,比如wifi是最不适合做智能家居的通讯协议,功耗高,连接数量多了之后,稳定性差。但因为wifi网络的普及度高,Ipad让很多家里都有了WIFI信号,所以智能家居最开始是使用wifi协议的通讯早期占据了主流。

我经常讲,从技术角度讲zigbee可能比wifi更适合智能家居,但zigbee协议本身并不兼容这个是瓶颈之外,wifi不需要组网,就可以直接使用,是最根本的原因。

所以未来连接,高端设备,需要高速、稳定的连接。通讯的速率、稳定性、可靠性是关键。而低端设备,连接的便捷性、低成本、低功耗是关键。

不同的目的,需要不同的连接方式。

物联网的三层架构

物联网的三层架构

根据我的观察,虽然物联网三层架构感知、连接、智能三层,从架构上感知是最底层。但按照发展顺序看,是连接、感知、智能三个趋势发展。

物联网的三层架构

物联网发展的早期瓶颈是连接,随着nb-iot协议的推出,随着通讯技术的完善,连接的瓶颈将有望在18年突破。

应用层(智能)

IBM的第三层是智能,更多的是强调智能。而电信研究院的三层架构的第三层是应用层。应用层中,包涵应用基础设施/中间件,和物联网应用。而在物联网的应用中,包涵传统的一些应用、和新兴的应用,在这些应用中,更多的是利用数据创造智慧。

早期的物联网架构中,应用、智能都是集中在云平台上,智能体现在物联网的PaaS平台上。但是最近几年,随着应用的普及,应用、智能全部在云计算平台上也发生了一些问题。

比如,智能家居所有的智能如果都是通过云平台实现的话,家里所有的设备的控制都是通过云计算实现,如果网络断了,家里的设备如何控制?这样的话智能全部在云平台上实现是有缺陷的。

所以最近一段时间以来,物联网行业讨论热点,逐步从云平台,专向了边缘计算,需要局部数据就可以智能控制的部分,在边缘计算层;而需要多方数据融合形成的智能才在云计算中心。

有几方面因素可以创造智能:

1、传统已经形成理论的智能。(比如自动化理论应用于生产制造,就是一种智能)。

2、人本身的经验,通过系统表达出来。

3、利用大数据的关联性,通过大数据识别出的智慧。

在未来的物联网系统中,各种智能都需要在物联网的应用中能够体现。

按照我推断的物联网发展的三个瓶颈,先是连接,其次是感知、最后才是智能。而人工智能现在这么热,我认为还是偏早了。人工智能真正发挥应用,还需要有了大量的传感设备,这些设备为智能提供大量的自动搜集的数据,才是智能真正发展的高峰。

但是现在在感知层,很多技术也需要人工智能技术。

李徳毅院士就提出来了,人工智能最早是在交互上,而无论是通过图像实现的人工智能交互、还是动作的人工智能交互、或者语音的人工智能交互都可以算作是感知层的智能。 而更大规模的智能,会实在感知层的瓶颈突破之后。

今天为大家分享了物联网的三层架构:感知、连接和智能。

下次为大家分享物联网的发展趋势(共分三讲),分别用三种趋势判断的方法,讲解物联网发展趋势。

物联网发展趋势第一讲,将在 IC咖啡学堂001|物联网 微信群为大家分享!

谢谢大家,欢迎大家关注后续的课程。

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