編輯導(dǎo)語：2020年，“新基建”得到了進(jìn)一步的發(fā)展，5G基站、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域加快建設(shè)。而物聯(lián)網(wǎng)作為新型基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，同樣得到快速發(fā)展。本文作者從產(chǎn)品設(shè)計的角度出發(fā)，為我們解讀了物聯(lián)網(wǎng)的四層架構(gòu)。

本文以物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)為基礎(chǔ)，從物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計的角度來解讀每層架構(gòu)的功能以及主要內(nèi)容，旨在為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計以及實(shí)現(xiàn)思路感興趣的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品或研發(fā)人員有些幫助。

通過互聯(lián)網(wǎng)，人和人之間可以傳遞和交流信息。物聯(lián)網(wǎng)，IoT，Internet of Things，顧名思義就是物和物之間也可以傳遞和交流信息，人人互聯(lián)和物物互聯(lián)兩者最大的區(qū)別體現(xiàn)在人與物的差別上。

人有五官和皮膚接收和采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過大腦加工處理，然后形成想法，最后通過網(wǎng)絡(luò)傳遞出去，達(dá)到跟別人交流的目的。與人相比，物缺少需要交流的信息，即物缺少采集數(shù)據(jù)的抓手，以及將信息進(jìn)行整合形成具有交流價值的大腦。

那信息采集技術(shù)和嵌入式程序在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域就顯得尤為重要，信息采集技術(shù)代替了人的五官和皮膚，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

嵌入式程序主要代替了大腦的整個決策最后輸出信息，物聯(lián)網(wǎng)很早就在市場上出現(xiàn)但是一直沒有產(chǎn)生可觀的影響力，所以大眾對它的關(guān)注度不是很高。

但是近十年來，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，這不僅得益于國家政策的支持－在2010年將其列為國家發(fā)展戰(zhàn)略，還得益于物聯(lián)網(wǎng)配套技術(shù)，比如數(shù)據(jù)采集技術(shù)、微處理器、通訊模組、通訊網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計算等迅猛發(fā)展?。

物聯(lián)網(wǎng)再次進(jìn)入大眾視野，并成功取得了大眾的矚目和追逐，且有望掀起下一波浪潮。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系可以分成四層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。每一層都擔(dān)任了不同的職責(zé)，這種類似于專人專責(zé)的分工，可以提高工作質(zhì)量和工作效率。

?圖1：物聯(lián)網(wǎng)四層架構(gòu)

一、感知層

感知層的主要功能就是采集物理世界的數(shù)據(jù)，其是人類世界跟物理世界進(jìn)行交流的關(guān)鍵橋梁。

感知層的數(shù)據(jù)來源主要有兩種：

一種就是主動采集生成信息，比如傳感器、多媒體信息采集、GPS等，這種方式都需要主動去記錄或跟目標(biāo)物體進(jìn)行交互才能拿到數(shù)據(jù)，存在一個采集數(shù)據(jù)的過程，且信息實(shí)時性高。

比如在智能喝水領(lǐng)域會采用一種流量傳感器，只要用戶喝水，流量傳感器就會立即采集到本次的喝水量是多少，這就存在一個長期交互采集數(shù)據(jù)的過程。

另一種是接受外部指令被動保存信息，比如射頻識別（RFID）、IC卡識別技術(shù)、條形碼、二維碼技術(shù)等，這種方式一般都是通過事先將信息保存起來，等待被直接讀取。

比如現(xiàn)在有的小區(qū)用的門禁卡就是用了IC卡識別技術(shù)，先將用戶信息錄入中央處理系統(tǒng)，然后用戶每次進(jìn)門的時候直接刷卡就行。

二、網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要功能就是傳輸信息，將感知層獲得的數(shù)據(jù)傳送至指定目的地。

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，嵌入式程序相當(dāng)于人的大腦，在信息采集完成之后，大腦就會給通訊模塊發(fā)布指令說把這個信息傳給某某某，網(wǎng)絡(luò)層會涉及到你選用什么樣的通訊網(wǎng)絡(luò)以及采用什么樣的通訊機(jī)制來傳送你的信息。

物聯(lián)網(wǎng)中的“網(wǎng)”字其實(shí)包含了2個部分：接入網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)。

以前的互聯(lián)網(wǎng)只是打通了人與人之間的信息交互，但是沒有打通人與物或物與物之間的交互，因為物本身不具有聯(lián)網(wǎng)能力。

后來發(fā)展出將物連接入網(wǎng)的技術(shù)，我們稱其為設(shè)備接入網(wǎng)，通過這一網(wǎng)絡(luò)可以將物與互聯(lián)網(wǎng)打通，實(shí)現(xiàn)人與物和物與物之間的信息交互，大大增加了信息互通的邊界，更有利于通過大數(shù)據(jù)、云計算、AI智能等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用來增加物理和人類世界的豐富度。

那目前主要有兩種方式的接入網(wǎng)，一種是有線網(wǎng)絡(luò)接入，一種是無線網(wǎng)絡(luò)接入。

圖2：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

有線主要包括以太網(wǎng)、串行通信（RS-232、RS485等）和USB等。

無線又分為近距離無線、短距離無線和長距離無線通訊。近距離無線通訊主要包括NFC、RFID 、IC等，短距離無線通訊主要包括Wifi、ZigBee、藍(lán)牙等，長距離無線通訊主要包括GSM（2G、3G、4G、5G等）、eMTS、Lora、NB-IoT等。

面對眾多的入網(wǎng)方式，我們需要考慮應(yīng)用場景以及設(shè)備本身的特征來選擇合適的接入方式，各種接入網(wǎng)的特征詳見下表。

選好了適合使用的網(wǎng)絡(luò)，相當(dāng)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢沓休d道路打通了，現(xiàn)在就需要確定以什么樣的機(jī)制來傳遞信息，這就涉及到通訊協(xié)議。

從本質(zhì)上來說，通訊協(xié)議就是一套數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，就跟我們接觸的英語、德語、中文等類似的語言一樣，是通過一定規(guī)則組成的，易于物與物之間進(jìn)行交流溝通。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端資源受限，比如處理能力差、存儲能力小、網(wǎng)絡(luò)傳輸量小、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等，很明顯物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)備端提供的資源環(huán)境存在很大的差別。

所以為了更好地為物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，對互聯(lián)網(wǎng)的通訊協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)展出了目前被廣泛使用的MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)和CoAP（Constrained Application Protocal ）兩種物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議。

MQTT協(xié)議是基于TCP協(xié)議的，可以確定接收方一定會受到設(shè)備端發(fā)出的信息。MQTT協(xié)議可以保持長連接，這可以使得設(shè)備端和云端進(jìn)行實(shí)時通訊，所以其更適合實(shí)時控制交互的場景。

由于是基于TCP協(xié)議的，其通訊協(xié)議比較復(fù)雜，設(shè)備端要運(yùn)行復(fù)雜機(jī)制的話，對性能就需要有一定的要求，比如存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等。

CoAP協(xié)議是基于UDP協(xié)議的，有兩種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制：一種是接收方一定會收到設(shè)備端發(fā)送的數(shù)據(jù)，另一種是不管接收方有沒有收到，設(shè)備只發(fā)送1次數(shù)據(jù)就結(jié)束了。

設(shè)備端在完成數(shù)據(jù)發(fā)送之后就進(jìn)入休眠狀態(tài)，所以低功耗是CoAP協(xié)議最大的特點(diǎn)，其也更適合數(shù)據(jù)采集的場合，比如抄送電表、水表的數(shù)據(jù)。

由于是基于UDP協(xié)議的，其通訊協(xié)議復(fù)雜性想對簡單一些，自然對設(shè)備端的性能要求會低一些。

三、平臺層

物聯(lián)網(wǎng)平臺可為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設(shè)備，支撐數(shù)據(jù)上報至云端，向上提供云端API，服務(wù)端通過調(diào)用云端API將指令下發(fā)至設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

物聯(lián)網(wǎng)平臺主要包含設(shè)備接入、設(shè)備管理、安全管理、消息通信、監(jiān)控運(yùn)維以及數(shù)據(jù)應(yīng)用等。

圖3：物聯(lián)網(wǎng)管理平臺基本架構(gòu)

設(shè)備接入主要是指設(shè)備端如何跟物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行連接通信，主要表現(xiàn)在：

• 設(shè)備端開發(fā)：提供MQTT、CoAP、HTTP、HTTPS等多種協(xié)議的設(shè)備端SDK開發(fā)等，幫助不同設(shè)備輕松接入
• 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接入管理：提供基于蜂窩（2G、3G、4G、5G）、NB-IoT、LoRaWAN、WI-FI等不同網(wǎng)絡(luò)接入方案。

1. 設(shè)備管理

主要包含設(shè)備創(chuàng)建、維護(hù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)同步、設(shè)備分布等內(nèi)容，具體表現(xiàn)在：

1）物模型管理

物聯(lián)網(wǎng)中的物是物理世界的實(shí)體，如果我們想開發(fā)一套數(shù)字化系統(tǒng)，那這個實(shí)體肯定不能缺席，這個時候就會涉及到一個問題：如何把線下的實(shí)體變成線上的呢？

而這正是物模型的價值。物模型通俗的解釋就是用數(shù)字世界的方式將物理世界的物體表征出來，用數(shù)字世界的規(guī)則來描述這個物體是什么、它有什么作用，這也就是我們經(jīng)常聽到的產(chǎn)品的功能。

物聯(lián)網(wǎng)平臺都會提供多種物模型的建立方式，我們可以根據(jù)不同的需求來選擇合適的模型。

2）設(shè)備生命周期管理

主要涉及創(chuàng)建設(shè)備、設(shè)備上下線、禁用／啟用、刪除設(shè)備等。物模型建立好之后，相當(dāng)于定義好了產(chǎn)品的母版，這時候我們可以在該產(chǎn)品下面創(chuàng)建設(shè)備，該設(shè)備也會具有該產(chǎn)品的功能。

3）數(shù)據(jù)解析

對于低配置且資源受限或者對網(wǎng)絡(luò)流量有要求的設(shè)備，不適合構(gòu)造JSON格式與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信，這時候可以將原數(shù)據(jù)透傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺再根據(jù)原數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的腳本規(guī)則，將其轉(zhuǎn)換為JSON格式。

4）設(shè)備影子

物聯(lián)網(wǎng)中聯(lián)網(wǎng)是一個很重要的環(huán)節(jié)，如果設(shè)備不聯(lián)網(wǎng)的話，則設(shè)備端和服務(wù)端處于通訊中斷的狀態(tài)，雙方無法交互信息。為了解決這種常態(tài)的困境，給每個設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)平臺都建立1個影子，其有2個主要作用：

1. 可以將在設(shè)備離線期間保存在設(shè)備影子中的服務(wù)端的指令在設(shè)備上線時立即下發(fā)給設(shè)備執(zhí)行；
2. 在設(shè)備在線時，如果設(shè)備端數(shù)據(jù)發(fā)生變化則及時同步給設(shè)備影子，這可以解決當(dāng)設(shè)備離線時服務(wù)端請求不到設(shè)備數(shù)據(jù)的情況。

換句話說在某種程度上設(shè)備影子可以使得設(shè)備端和服務(wù)端保持相對及時的交互通信，最起碼服務(wù)端從設(shè)備端可以拿到相對來說最新的數(shù)據(jù)以及服務(wù)端可以相對及時的告訴設(shè)備端需要執(zhí)行哪些指令。

5）設(shè)備拓?fù)?/strong>