物联网技术栈之网关技术

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物联网技术栈之网关技术

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物联网技术栈

和传统企业应用于互联网应用相比,物联网的技术栈更宽泛更复杂。大致可以将物联网归类为以下6组技术栈:

  1. 物联网网关

  2. M2M/IoT通信服务

  3. 大数据和过程管理

  4. 用户交互

  5. 平台和赋能

  6. 安全

每组技术栈的纵深都很陡峭,都可以单独作为一个学科来研究和讨论。在这里我们只做关键技术的一个概述,介绍它们与其他概念的一个关系,从而为项目经理、产品经理和解决方案架构师提供不同技术的一个概览,使他们更好地了解什么时候使用(不使用)这些技术(取决于具体项目的情况)。

本篇文章主要介绍物联网网关相关技术。

物联网网关

一. 概念

在物联网解决方案中,网关是一个至关重要的技术节点。可以把网关想想成一个特殊的计算机,通常部署在一个资产上或者靠近一个资产。网关提供了与不同设备、互联网或企业网络的互联。

另外网关通常会运行本地逻辑,包括简单的路由逻辑和复杂的数据收集和过滤,甚至非常复杂的自动化、分析和规则引擎逻辑,这取决于具体的解决方案。

使用一个以物联网网关为中心的架构有很多优点:

  • 通过利用网关完成协议映射和本地互联,可以更容易集成多个异构设备。

  • 网关支持更丰富的应用。

  • 执行本地业务逻辑支持实时操作,有助于减少响应时间。

  • 网关有助于实现一定程度的自治性,确保稳定性和容错性(例如在外部网络受限的情况下,设备间局域网可以支持设备的可用性)。

  • 本地数据分析和过滤有助于减少网络流量。

  • 网关可以部署本地安全方案,提高整个解决方案的安全性。

  • 网关功能与硬件本身的逻辑和云上逻辑解耦,有利于方案的可扩展性。

这个概念主要围绕资产硬件端展开,但是由于这是一个非常宽泛的领域,少有广泛接受的标准,还是结合物联网资产架构从常见的应用场景出发分析,推理出几种常见的网关模型。

二. 物联网网关模型

物联网电器

支持IP的智能自包含电器,如智能冰箱、智能空气净化器、智能电动工具等。这种物联网电器可以直接集成到任何IP网络中,通常不依赖特定的外部网关。

智能手机和可穿戴设备

通过一个移动运营商网络提供互联的智能手机或可穿戴设备(在这里,资产可以抽象成一个人,这也是对物联网领域建模中的一个关键点,后期分析物联网领域模型时再详细分析),还可以提供本地处理能力和与附近可穿戴设备网络的无线互联。

工业与家用网关及传感器网络

这些网关提供与后端无线或者固定线路互联。它们还可能提供本地集成逻辑(如绑定适配器)以及与本地设备的无线或有线互联。本地设备可以是家用电器(智能家居网关)或传感器(传感器网络)

雾计算

雾计算是思科发明的技术,这是对基于网关概念的一个扩展,在这里网关增加了大量本地存储和计算功能。(关于雾计算和边缘计算的概念请参考另一篇文章《彻底理解雾计算和边缘计算》)

边缘计算

相比于雾计算,边缘计算进一步推进了雾计算中“局域网处理能力”的理念,也就是说资产硬件更近一些。边缘计算将边缘网关或设备的智能、处理能力和通信操作直接驱动到设备本身,如PACs(可编程自动化控制器)。

当前使用的IoT网关有很多不同的类型,但是都有几个共同的特性,如有线/无线互联、计算和存储、后端互联等。

下图摘自国外Wyconn公司总结的IoT网关类型矩阵。

这个矩阵感觉总结的很好,老任吐血把他翻译成了中文

下面我们对物联网网关的几个关键共通特性逐个进行分析。

三. 物联网网关特性

1. 计算和存储

硬件

每一代芯片都越来越小,但功能却越来越强大,成本越来越低。智能手机就不用说,现在仅用最低成本就能得到功能极其强大的单片机,如树莓派(Raspberry Pi)。(但如果批量商用化的产品,还是比较贵,一般使用更廉价的单片机进行定制开发后量产)。

物联网网关硬件架构划分为两大CPU架构:基于ARM的CPU,用于中低端网关;基于x86的CPU,用于中高端网关。

软件

现在越来越多的传导嵌入式系统都被更高层系统所取代,如基于Linux的平台,上面提到的树莓派就可以轻松刷入各种高级操作系统。这是因为人们需要功能更丰富的解决方案,这就需要更丰富的底层操作系统功能(如通信、进程管理等)。下图总结了比较常用的网关层使用的底层操作系统。

肯定很多人会联想到华为的鸿蒙操作系统,那他属于哪个类型呢?简单来说,鸿蒙属于微内核架构,但可以像拼积木一样按需扩展成不同类型的操作系统,适用于几乎所有物联网场景。后面有时间我们再详细聊一聊它的架构体系。

2. 本地局域互联

很多网关都有这个关键特性,支持与设备或传感器节点的本地无线互联,标准和技术繁杂多样。一般使用短距离无线通信技术实现。对于这个特性,关键因素有:距离/范围,带宽和延迟,电力消耗及成本。

  • NFC/RFID:低功耗,但距离非常短。用于支付,物流仓储等场景。

  • 超宽带(UWB) :系统复杂度低,发射信号功率谱密度低,对信道衰落不敏感,截获能力低,定位精度高,尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。

  • Wi-Fi:得到广泛采用,数据传输速率高,不过也存在高功耗和基础设施需求相对复杂等问题。

  • 蓝牙(Bluetooth) :这个技术可能有最大的生态系统(智能手机,平板电脑等)。特点是低功耗、大范围、适中的数据速率

  • Zigbee:强调低功耗,面向智能仪表、家居自动化、传感器网络、远程控制单元等,对电池供电的设备尤其有用。

下图是常用短距离无线通信技术特性比较:

3. 互联广域网络

为了让网关与远距离外的远程后端集成,网关通常必须依赖注入卫星通信、运营商网络(2G、3G、4G、5G)、低功耗广域网(LPWA)、固定线路、电力线通信等技术。这部分属于IoT通信服务的技术栈范畴,后续文章会详细分析。下图是常用互联广域网络技术特性比较。

所有通信技术会根据能耗、成本、覆盖范围等因素形成了一个雷达区域。

四. 总结

物联网网关是设备端的大脑,它根据应用场景可大致分为:物联网电器、可穿戴设备、工业及家用网关、雾计算、边缘计算 几种类型。即使不同类型网关都有几种共通特性:计算、存储、本地局域网、互联广域网。可根据项目的特定需求进行选型和设计。

作者介绍:

老任,自由撰稿人,物联网 & 车联网。个人公众号:hongjun-iot。

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老任物联网杂谈 2011.07.14 加入

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