將輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)和駕駛數(shù)據(jù)連接到IoT方法

20 多年前，公眾開始接觸互聯(lián)網(wǎng)，隨之出現(xiàn)了各種全新的公司和工作方式。 互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的“實體”業(yè)務(wù)模式。 而物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 則將實體資產(chǎn)聯(lián)網(wǎng)，對互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了延伸。 由于嵌入傳感器可監(jiān)測狀態(tài)，即使是建筑的一磚一瓦也可受到物聯(lián)網(wǎng)的影響。

在現(xiàn)實世界，IoT 使用分布式計算智能，讓傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式得到重新審視。 企業(yè)可以自問：消費者真正需要的是什么，我們能做什么提供支持？ 在為飛機(jī)制造的噴氣發(fā)動機(jī)中，我們已經(jīng)看到這種轉(zhuǎn)變。 業(yè)界主要的供應(yīng)商是早期采用 IoT 模式的企業(yè)，它們利用通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于其產(chǎn)品，并為航空公司的購買方式提供了支持。

這種模式關(guān)注空運盈利性經(jīng)營中最重要的部分，即縮短飛機(jī)在地面上的停工時間，讓其可以服務(wù)最多的航班數(shù)，這樣航空公司與噴氣發(fā)動機(jī)制造商就有了相同的激勵因素。 發(fā)動機(jī)中的傳感器不僅提供實時更新信息，而且還可傳達(dá)飛機(jī)處于停機(jī)位時的機(jī)況詳細(xì)數(shù)據(jù)。 得到的信息為發(fā)動機(jī)制造商提供關(guān)于發(fā)動機(jī)情況的最新消息，讓他們能根據(jù)飛行計劃，安排最適宜的時機(jī)進(jìn)行離翼維護(hù)。

噴氣發(fā)動機(jī)業(yè)務(wù)模式本身旨在促進(jìn)發(fā)動機(jī)制造商能讓飛機(jī)盡可能地多飛行，因此，航空公司除了購買發(fā)動機(jī)外，實際上也在租用這種保持飛機(jī)飛行的能力。 傳感器和全球通信幫助發(fā)動機(jī)制造商實現(xiàn)其業(yè)務(wù)模式的目標(biāo)。

相同的原理可以擴(kuò)展到其他諸多市場。 例如，汽車制造商可以從傳統(tǒng)的產(chǎn)品供應(yīng)商角色轉(zhuǎn)換成可靠的運輸提供商之一。 汽車價值鏈的其他供應(yīng)商也可加入其中。 制造商可以將輪胎租賃給駕駛員，而不是不定期向其出售，這種模式通過使用傳感器（部分已安裝于輪胎中）而獲得提升。

圖 1： 采用 NXP Semiconductor FXTH87 系列輪胎壓力監(jiān)測傳感器的范例系統(tǒng)應(yīng)用示意圖（來源： NXP）。

通過將輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)和駕駛數(shù)據(jù)連接到 IoT，云中的應(yīng)用會通知駕駛員在恰當(dāng)時間前往合適的服務(wù)站補充輪胎壓，并且如果駕駛數(shù)據(jù)顯示輪胎的使用強(qiáng)度大，駕駛員則應(yīng)檢查胎紋深度和輪胎情況。 如果輪胎磨損達(dá)到需要更換的程度，駕駛員可在方便時前往輪胎更換地點換胎，而不必等到年度維修時再更換。 這種方法為消費者帶來極大的價值，也幫助輪胎制造商更好地預(yù)測收益流。

在保險領(lǐng)域中，這種業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型可能更加明顯。 以往，保險公司只是在制定保單時使用精算信息來估計風(fēng)險，現(xiàn)在，他們可以更主動地降低風(fēng)險和整體成本，為自己和消費者提供更高的價值。 例如，房屋保險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換。 處理爆裂水管的時間越長，成本就越高。 因此，空置房屋的清理成本較高。

如果房屋內(nèi)的傳感器檢測到漏水，指示即將發(fā)生水淹，自動閥將關(guān)閉總水管供水，從而顯著降低潛在損害。 傳感器還可以檢測其他問題，這樣保險公司能及時提供服務(wù)并處理問題，不至于產(chǎn)生過高代價。 通過這種方式，保險公司的角色轉(zhuǎn)換為一種保證。

現(xiàn)有諸多技術(shù)能讓企業(yè)最大程度地利用 IoT。 如上例所示，傳感器和通信是兩項關(guān)鍵技術(shù)。 但要讓整個系統(tǒng)順利運作，基礎(chǔ)設(shè)施也是很重要的。

在大多數(shù)基于 IoT 的現(xiàn)有應(yīng)用中，通信基礎(chǔ)設(shè)施的作用更像是內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。 制造商已部署傳感器，通常也對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，盡管可能租用了現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施的功能，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)。 IoT 能使用來自多個提供商的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建單一的應(yīng)用，以此提供最大價值。

例如，水傳感器和自動閥可能分別由業(yè)主和自來水公司安裝。 協(xié)調(diào)兩者行動的關(guān)鍵在于保險公司開發(fā)的軟件，其可能在多個位置運行。 計算水讀數(shù)是否指示水淹的核心算法通常在云服務(wù)器中運行。 這些服務(wù)器可能直接屬于服務(wù)提供者所有，或者從 Amazon Web Services 或 Microsoft 的 Azure 服務(wù)等提供商處租用。

為保證實時響應(yīng)，某些應(yīng)用可能在非?？拷鼈鞲衅骱椭聞悠鞯?IoT 網(wǎng)關(guān)中運行。 此網(wǎng)關(guān)是需對計算結(jié)構(gòu)做出的一項最大變化，進(jìn)而從 IoT 提取最大價值。

某種程度上，IoT 網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與家中、辦公室或工業(yè)單位的路由器相同的功能。 它收集來自多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)、向致動器傳遞命令、并向云提供信息。 網(wǎng)關(guān)和各 IoT 節(jié)點之間的連接構(gòu)成“霧”層的部分，以區(qū)分它們與更廣泛的互聯(lián)網(wǎng)到云的連接。

網(wǎng)關(guān)設(shè)計的可能方向之一是讓它們成為 IoT 應(yīng)用的主機(jī)。 基于虛擬機(jī)監(jiān)控程序的虛擬化架構(gòu)能將核心路由和網(wǎng)絡(luò)管理功能從可下載應(yīng)用程序（可能來自于各服務(wù)提供商和設(shè)備供應(yīng)商）中分離。 Prpl 小組已展示該架構(gòu)，開發(fā)出支持它的虛擬機(jī)監(jiān)控程序，并以開源形式提供。 這便于制造商實施 IoT 網(wǎng)關(guān)的核心功能，應(yīng)用編寫人員也可輕松創(chuàng)建在其上運行的軟件。

對于霧網(wǎng)絡(luò)，集成人員和開發(fā)人員都面臨大量選擇，這些選擇的范圍、數(shù)據(jù)速率和其他功能方面都有極大區(qū)別。 IoT 的廣泛性意味著沒有一體適用的解決方案。

即使在新興的智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，也要考慮這種多樣性。 某些解決方案將應(yīng)用于小型的棕色地帶，這里的作物生長在溫室中。 盡管在溫室環(huán)境中相對容易控制植物的灌溉，但這種農(nóng)業(yè)形式的封閉性易于導(dǎo)致病害快速蔓延。

而傳統(tǒng)的田間農(nóng)業(yè)則面臨著不同的挑戰(zhàn)。 雖然存在病蟲害侵襲的問題，但確保作物高效生長且不浪費水的關(guān)鍵在于監(jiān)控土壤層的灌溉效果。 通過監(jiān)控土壤的濕度，傳感器可以向應(yīng)用提供相關(guān)信息，從而準(zhǔn)確控制農(nóng)田灌溉。 只有當(dāng)田間某個區(qū)域的濕度過低時才會啟動灌溉。 而田間其他區(qū)域不會澆水，以免過度灌溉。 這種技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用干旱地區(qū)，如近年來飽受干旱之苦的加州。

在溫室環(huán)境中，土壤數(shù)據(jù)很重要。 但由于可以循環(huán)用水，節(jié)水顯得并不那么重要。 相反，可以采用水培生長培養(yǎng)基，并利用不同類型的傳感器來監(jiān)控流速，維持良好營養(yǎng)分布。 為監(jiān)控病害，可采用無人飛行器 (UAV) 檢查農(nóng)作物，找出需要緊急處理或清除的作物，以免感染其余作物。

兩種農(nóng)業(yè)形式各自的通信需求差別極大。 高帶寬通信在溫室環(huán)境中更重要，可通過基于云或網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用更好地識別病害癥狀。 在空間狹小的環(huán)境中一般適用短程、帶寬更高的協(xié)議，如藍(lán)牙或 Wi-Fi。 傳統(tǒng)農(nóng)場的露天環(huán)境不太適合范圍有限的霧網(wǎng)絡(luò)，但可以部署其他選擇，如 LoRaWan 或蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

盡管藍(lán)牙的設(shè)計主要用作個人區(qū)域網(wǎng)，面向與手機(jī)進(jìn)行通信的設(shè)備，但是其應(yīng)用空間已通過一系列協(xié)議增強(qiáng)版本得到顯著擴(kuò)張，并且將持續(xù)發(fā)展。 藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 (SIG) 正在進(jìn)行一項技術(shù)調(diào)整，將使 100 米的常規(guī)傳輸范圍擴(kuò)大四倍。 范圍擴(kuò)展降低了比特率，但由于該協(xié)議具有自適應(yīng)性，因此更靠近的節(jié)點能獲得更高的傳輸速度。 技術(shù)調(diào)整后，近距離設(shè)備之間的數(shù)據(jù)率將增加到 2 Mbit/s。

另一項調(diào)整是讓藍(lán)牙與其他面向 IoT 的網(wǎng)絡(luò)保持一致（如 6LowPAN 和 Zigbee），即增加對網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的支持。 作為 6LowPAN 和 Zigbee 基礎(chǔ)的無線通信 IEEE 802.15.4 規(guī)范旨在支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，能用于擴(kuò)展此類霧網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的有效范圍和彈性。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)使得數(shù)據(jù)包能通過短程通信實現(xiàn)長距離傳輸。 這是通過讓數(shù)據(jù)包在源和目標(biāo)之間的節(jié)點使用短躍點來實現(xiàn)的。 網(wǎng)狀技術(shù)提高了彈性，因為當(dāng)一個節(jié)點出現(xiàn)故障時，通?？墒褂昧硪粋€節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。 有了網(wǎng)狀技術(shù)，就能將傳感器放在超出 IoT 網(wǎng)關(guān)節(jié)點直接范圍的位置，如溫室屋頂?shù)入y以接近的區(qū)域。

修改藍(lán)牙規(guī)范時，也考慮了 IoT 的異構(gòu)性，讓支持該協(xié)議的傳感器節(jié)點能與 6LowPAN 設(shè)備進(jìn)行交互。 盡管 6LowPAN 比 Zigbee 引入更晚，但由于被 Thread 協(xié)議組采用，6LowPAN 在 IoT 裝置中更可能普及。 Thread 為 6LowPAN 增加了驗證和加密等特性，提高了整體安全性。

6LowPAN 等協(xié)議不僅在藍(lán)牙和 Wi-Fi 使用的 2.4 GHz 頻段工作，也可在 868 MHz 等千兆赫以下的免許可頻帶工作。 由于采用窄帶傳輸，這種低頻范圍支持較低比特率。 但是，范圍趨于增加，并且對功耗的影響極小。 因此，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不太適用但又需要長距離傳輸?shù)那闆r下，適合使用千兆赫以下的頻帶部署無線傳感器節(jié)點。 例如，沿著道路部署傳感器并按照一定間隔放置網(wǎng)關(guān)，以便向云輸入和輸出信息。

改為采用 LoRaWan 或 SIGFOX 等協(xié)議后，單一網(wǎng)關(guān)可與散布在郊野一公里或更大范圍的大量傳感器保持連接。

圖 2： Semtech SX1272/73 - 860 MHz 到 1020 MHz 低功耗遠(yuǎn)程收發(fā)器 – 框圖。

LoRaWan 協(xié)議由 Semtech 制定，該公司協(xié)同 Microchip Technology 和 STMicroelectronics 一同提供兼容收發(fā)器。 硅的隨時可用性讓 IoT 應(yīng)用開發(fā)人員和集成人員可以選擇霧網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)。 他們可以部署自己的網(wǎng)關(guān)硬件，或者使用公開或私有網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)在不僅有商業(yè) LoRaWan 網(wǎng)絡(luò)的部署，某些人士也在自發(fā)部署自己的免費產(chǎn)品。 比如荷蘭的阿姆斯特丹，The Things Network 組織成員部署的十一個網(wǎng)關(guān)就幾乎覆蓋了整座城市。

大多數(shù)針對 868 MHz 通信和類似帶寬開發(fā)的收發(fā)器都可使用 SIGFOX 協(xié)議。 該協(xié)議主要為實現(xiàn)與協(xié)議制定公司安裝的網(wǎng)關(guān)節(jié)點進(jìn)行單向且低數(shù)據(jù)速率的通信。

長距離通信還可選擇使用 3G 和 4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)。 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化小組已制定了針對 IoT 應(yīng)用的 4G LTE 協(xié)議，并且正致力于制定另一項協(xié)議 Narrowband-IoT，它將降低復(fù)雜度和功耗。

得益于通信基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，IoT 設(shè)備將擁有連接到霧網(wǎng)絡(luò)和云端的多種方式。 關(guān)鍵在于將這些單獨的系統(tǒng)鏈接在一起，而軟件和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)則是重中之重。

受限應(yīng)用協(xié)議 (CoAP) 等協(xié)議讓互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（如超文本傳輸協(xié)議 (HTTP)）的優(yōu)勢推廣到霧網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點中。 CoAP 提供對 HTTP 的訪問，其形式非常適合內(nèi)存和處理資源受限的微控制器。 CoAP 支持相同的具象狀態(tài)傳輸 (REST) 編程模型，此模型已成為開發(fā)基于 Web 的應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。 但是，它采用二進(jìn)制而非文本格式，比傳統(tǒng) HTTP 更緊湊，適合低數(shù)據(jù)率連接。

圖 3： MQTT 服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 功能（來源：MQTT - 適用于物聯(lián)網(wǎng)的實用性協(xié)議： IBM MessageSight Solutions）

MQ 遙測傳輸 (MQTT) 等其他協(xié)議，可支持備選的應(yīng)用架構(gòu)。 相比 CoAP 的客戶端-服務(wù)器架構(gòu)，MQTT 支持發(fā)布-訂閱模式。 發(fā)布-訂閱架構(gòu)適合 IoT，因為它提供來自不同應(yīng)用的各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，無需直接訪問每個節(jié)點。 這樣可降低對霧網(wǎng)絡(luò)的要求，并且實現(xiàn)可擴(kuò)展性。 CoAP 和 MQTT 并不相互排斥。 網(wǎng)關(guān)可以使用 CoAP 收集數(shù)據(jù)，然后使用 MQTT 或?qū)砜赡艹霈F(xiàn)的協(xié)議提供對其他應(yīng)用的訪問。

關(guān)鍵在于已部署的架構(gòu)將支持互操作性，并且因此實現(xiàn) IoT 的主要承諾之一，即快速開發(fā)出創(chuàng)新型的高盈利應(yīng)用，而無需每次都進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施投資。

例如，部署無人機(jī)和其他傳感器來監(jiān)控農(nóng)作物之后，農(nóng)場主可以基于市場數(shù)據(jù)或運輸情況調(diào)整收割決策。 基于云的應(yīng)用可追蹤特定食品的需求，必要時促使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)加速收割，以應(yīng)對需求增長。 另一個應(yīng)用則可運行及時收割系統(tǒng)，最大程度確保作物新鮮度。 只有當(dāng)卡車位于農(nóng)場范圍內(nèi)，才開始當(dāng)天的收割– 由于所采用的預(yù)測軟件使用無人機(jī)提供的數(shù)據(jù)，可明確已準(zhǔn)備待采摘的作物量，這樣就能在卡車到達(dá)時確保作物準(zhǔn)備就緒。

無需為卡車增加傳感器來確定其位置和大概到達(dá)的時間，因為它們已經(jīng)就緒到位。 唯一的要求是數(shù)據(jù)對該應(yīng)用可用，而這可通過 CoAP 和 MQTT 等協(xié)議來實現(xiàn)。

IoT 涉及通信、傳感器技術(shù)、基于云的智能和開放軟件協(xié)議。 IoT 承諾提供由業(yè)務(wù)模式推動的全新功能，如果沒有這些技術(shù)，這些功能將難以實現(xiàn)。