如何搭建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架

下面將談到幾個(gè)關(guān)鍵問題：

設(shè)備如何接入網(wǎng)絡(luò)？

設(shè)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(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架呢？它的技術(shù)架構(gòu)又是怎么樣呢？

物聯(lián)網(wǎng)終端軟件系統(tǒng)架構(gòu)？

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)？

1、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如何接入到網(wǎng)絡(luò)？

只有設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)里面，才能算是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。這里涉及到2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：接入方式以及網(wǎng)絡(luò)通信方式。

設(shè)備接入方式：

當(dāng)前有2種接入方式

直接接入：物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備本身具備聯(lián)網(wǎng)能力直接接入網(wǎng)絡(luò)，比如在設(shè)備端加入NB-IOT通信模組，2G通信模組。

網(wǎng)關(guān)接入：物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)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(guān)再接入到網(wǎng)絡(luò)。比如終端設(shè)備通過zigbee無線組網(wǎng)，然后各設(shè)備數(shù)據(jù)通過Zigbee網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一接入到網(wǎng)絡(luò)里面。常用到本地?zé)o線組網(wǎng)技術(shù)有Zigbee，Lora，BLE MESH， sub-1GHZ等。

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備里面，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是一個(gè)非常重要的角色。一個(gè)處在本地局域網(wǎng)與外部接入網(wǎng)絡(luò)之間的智能設(shè)備。主要的功能是網(wǎng)絡(luò)隔離，協(xié)議轉(zhuǎn)化/適配以及數(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi)外傳輸。

一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)如下：

網(wǎng)絡(luò)通信方式

常用的通信網(wǎng)絡(luò)主要存在2種方式：

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（主要戶外設(shè)備用） 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)2G/3G/4G/5G/NB-IOT等

寬帶（主要戶內(nèi)設(shè)備用） WIFI，Ethernet等

2、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后如何開展M2M，M2C通信？

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端接入網(wǎng)絡(luò)后，只是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開始。設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后，設(shè)備與設(shè)備之間需要互相通信，設(shè)備與云端需要互相通信。只有互通，物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)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(shè)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(gè)共同點(diǎn)都是基于消息模型來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)備與設(shè)備之間，設(shè)備與云端之間通過交換消息來實(shí)現(xiàn)通信，消息里面攜帶了通信數(shù)據(jù)。

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

21世紀(jì)，什么最重要？數(shù)據(jù)。有了大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)后，針對(duì)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(jià)值，對(duì)設(shè)備未來的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)等等。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用，分幾個(gè)層次來講

1. 基礎(chǔ)應(yīng)用：監(jiān)控

通過物聯(lián)網(wǎng)收集到設(shè)備數(shù)據(jù)后，如果設(shè)備數(shù)據(jù)狀態(tài)超過預(yù)設(shè)的狀態(tài)則自動(dòng)第一時(shí)間報(bào)警，管理員第一時(shí)間開展處理，可以通過遠(yuǎn)程操作，下達(dá)命令。把問題解決在萌芽狀態(tài)。

2. 進(jìn)階應(yīng)用： 報(bào)表統(tǒng)計(jì)

通過統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。可以按不同維度分析出不同報(bào)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(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況。

3. 高級(jí)應(yīng)用： 數(shù)據(jù)挖掘/機(jī)器學(xué)習(xí)

這部分需要從數(shù)據(jù)里面挖掘出有價(jià)值的東西出來。比如通過一段時(shí)間時(shí)間設(shè)備數(shù)據(jù)的連續(xù)跟蹤分析并結(jié)合人類過往的設(shè)備運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方式預(yù)測(cè)設(shè)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(jí)應(yīng)用里面的冰山一角。通過引入現(xiàn)在火熱的AI技術(shù)。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(shè)備可以自由對(duì)話，設(shè)備與設(shè)備之間也能夠?qū)υ挷⒆詣?dòng)做出最優(yōu)決策。

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

4、如何搭建起一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架呢？它的技術(shù)架構(gòu)又是怎么樣呢？

物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備軟件系統(tǒng)架構(gòu)：

常見系統(tǒng)框架的總結(jié)下來主要存在如下2種：帶RTOS的（處理復(fù)雜的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，場(chǎng)景里面通過需要多個(gè)事務(wù)并行協(xié)同完成工作）和不帶RTOS的（通常處理的業(yè)務(wù)場(chǎng)景較單一）

不帶RTOS設(shè)備終端系統(tǒng)框架：

帶RTOS設(shè)備終端系統(tǒng)框架：

RTOS是什么？ 實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，有了它，在終端設(shè)備里面可以并行運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。每個(gè)任務(wù)負(fù)責(zé)一個(gè)事務(wù)。通過并行化運(yùn)行，響應(yīng)實(shí)時(shí)性及效率就得到提升。

RTOS實(shí)時(shí)操作內(nèi)核一般包含的重要組件如下：

任務(wù)調(diào)度

任務(wù)間同步與通信

內(nèi)存分配

中斷管理

時(shí)間管理

設(shè)備驅(qū)動(dòng)

以任務(wù)調(diào)度組件舉例：

在嵌入式操作系統(tǒng)中，任務(wù)是CPU上最小運(yùn)行單元。通常一個(gè)稍微復(fù)雜點(diǎn)IOT APP是由多個(gè)任務(wù)協(xié)同完成。比如有的任務(wù)負(fù)責(zé)處理用戶事件輸入以及UI顯示，有的任務(wù)負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)通信，有的任務(wù)負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯處理。

既然一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)任務(wù)在跑，而CPU資源確是單一的，這樣導(dǎo)致每個(gè)時(shí)刻只能由一個(gè)任務(wù)在CPU上跑。因此為了每個(gè)任務(wù)都能夠在CPU上有運(yùn)行機(jī)會(huì)，就涉及到了任務(wù)調(diào)度概念。任務(wù)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(gè)基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的，一個(gè)是基于時(shí)間片調(diào)度的，一個(gè)是把優(yōu)先級(jí)和時(shí)間片結(jié)合在一起調(diào)度。

以優(yōu)先級(jí)調(diào)度舉例，在定義任務(wù)的時(shí)候，給每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，在運(yùn)行的時(shí)候，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)都會(huì)優(yōu)先被運(yùn)行。直到?jīng)]有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)后，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)才會(huì)被運(yùn)行。假如低優(yōu)先級(jí)任務(wù)獲得CPU資源后，這是如果有高優(yōu)先級(jí)任務(wù)就緒怎么辦呢？

兩種處理方式：

繼續(xù)運(yùn)行

搶占式。

高優(yōu)先級(jí)搶占CPU資源進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

其他組件就不一一列舉了。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)：

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)主要包含四大組件：

設(shè)備接入

設(shè)備管理

規(guī)則引擎

安全認(rèn)證及權(quán)限管理

設(shè)備接入

設(shè)備接入主要都干些什么呢？

包含多種設(shè)備接入?yún)f(xié)議，最主流的是MQTT協(xié)議。有些云計(jì)算廠商也在MQTT協(xié)議上精簡(jiǎn)協(xié)議變成獨(dú)有的接入?yún)f(xié)議。

并發(fā)連接管理，維持可能是數(shù)十億設(shè)備的長(zhǎng)連接管理。

如果應(yīng)對(duì)數(shù)十億的設(shè)備連接管理？目前開放出來的MQTT代理服務(wù)器大都是單機(jī)版，最多也就是并發(fā)連接十幾萬設(shè)備。因此如果要管理數(shù)十億的連接，需要用到負(fù)載均衡，用到分布式架構(gòu)。在云平臺(tái)需要部署分布式MQTT代理服務(wù)器。

設(shè)備管理

一般以樹形結(jié)構(gòu)的方式管理設(shè)備，包含設(shè)備創(chuàng)建管理以及設(shè)備狀態(tài)管理等等。根節(jié)點(diǎn)以產(chǎn)品開始，然后是設(shè)備組，再到具體設(shè)備。主要包含如下管理：產(chǎn)品注冊(cè)及管理產(chǎn)品下面的設(shè)備增刪改查管理設(shè)備消息發(fā)布OTA設(shè)備升級(jí)管理等

規(guī)則引擎

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)通常是基于現(xiàn)有云計(jì)算平臺(tái)搭建的。一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)成熟業(yè)務(wù)除了用到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)提供功能外，一般還需要用到云計(jì)算平臺(tái)提供功能，比如云主機(jī)，云數(shù)據(jù)庫(kù)等。用戶可以在云主機(jī)上搭建web行業(yè)應(yīng)用服務(wù)。規(guī)則引擎主要作用是把物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)通過過濾轉(zhuǎn)發(fā)到其他云計(jì)算產(chǎn)品上。 比如可以把設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到table store數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品里。規(guī)則引擎一般使用方式：類SQL語(yǔ)言，通過編寫SQL語(yǔ)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(jì)算產(chǎn)品，或者其他云計(jì)算服務(wù)。

安全認(rèn)證及權(quán)限管理

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)為每個(gè)設(shè)備頒發(fā)唯一的證書，需要證書通過后才能允許設(shè)備接入到云平臺(tái)。云平臺(tái)最小授權(quán)粒度一般是做到設(shè)備級(jí)。我們所說的證書一般分為2種：一種是產(chǎn)品級(jí)證書，一種是設(shè)備級(jí)證書。產(chǎn)品級(jí)證書擁有最大的權(quán)限，可以對(duì)產(chǎn)品下所有的設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備級(jí)證書，只能對(duì)自己所屬的設(shè)備進(jìn)行操作，無法對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行操作。因此每個(gè)接入云平臺(tái)的設(shè)備都在本地存儲(chǔ)一個(gè)證書（其實(shí)存在形式是一個(gè)KEY，有多個(gè)字符串構(gòu)成）。每次與云端建立連接時(shí)，都要把證書帶上。以便云端安全組件核查通過。

云計(jì)算產(chǎn)品

大數(shù)據(jù)計(jì)算產(chǎn)品，云基礎(chǔ)服務(wù)（高性能服務(wù)器，云數(shù)據(jù)庫(kù)，云網(wǎng)絡(luò)）等

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(tái)架構(gòu)：突出展示了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，云計(jì)算平臺(tái)是如何協(xié)同工作的，有較大的參考價(jià)值。