李 峰

（小佩網(wǎng)絡科技（上海）有限公司，上海 201203）

0 概述

IPV6和4G網(wǎng)絡的應用為互聯(lián)網(wǎng)提供了極大的帶寬和便利性，使萬物互聯(lián)變?yōu)楝F(xiàn)實，5G的商用進一步推動了其發(fā)展。

隨著網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)存儲、處理器技術的飛速發(fā)展，將海量終端設備接入服務器，可以采集到各種數(shù)據(jù)，在服務器的數(shù)據(jù)庫中進行匯總、分析和處理，得出相應的結果，并最終傳回到終端設備執(zhí)行相應的操作，從而實現(xiàn)特定的功能，這就是物聯(lián)網(wǎng)應用的基本架構。其優(yōu)勢在于系統(tǒng)普適性強，通過海量數(shù)據(jù)的存儲和分析，可以得出更可靠的結果、更靈活的應用功能?，F(xiàn)今的技術發(fā)展熱點AI、物聯(lián)網(wǎng)等均是在該基礎架構上實現(xiàn)的[1-2]。

該文在介紹了物聯(lián)網(wǎng)的基礎知識后，將重點闡述物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品實現(xiàn)方案的特性對比和選型決策要點，以及其在實踐過程的關鍵細節(jié)問題，并提供可復制的參考方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)構成

從通信對象和過程來看，物與物、人與物之間的信息交互是物聯(lián)網(wǎng)的核心。物聯(lián)網(wǎng)的基本特征可概括為整體感知、可靠傳輸和智能處理[3]。

在具體實現(xiàn)上，其基本架構可分為數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)通道、終端設備3個組成部分。1）數(shù)據(jù)中心：用于海量數(shù)據(jù)的接收、存儲和分析，根據(jù)智能算法形成分析結果，并根據(jù)功能需求傳回到終端設備執(zhí)行相應的操作，形成控制閉環(huán)，實現(xiàn)智能處理和控制[4]。2）傳輸通道：用于建立終端設備和數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)聯(lián)系，實現(xiàn)可靠傳輸。3）終端設備：用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和命令執(zhí)行功能，并且與數(shù)據(jù)處理中心建立連接，上傳采集到的數(shù)據(jù)信息并接收執(zhí)行命令，實現(xiàn)整體感知和執(zhí)行功能。

人臉識別、語音識別、智能駕駛、智能樓宇和智能抄表等應用系統(tǒng)，其基本實現(xiàn)架構都是由終端設備、傳輸通道、數(shù)據(jù)中心等部分組成，只是各自的側重點不同。人臉識別、語音識別系統(tǒng)的核心在于強大的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理能力；智能駕駛對于實時性的要求很高；智能抄表雖然數(shù)據(jù)量很小，但其核心在于成本低、覆蓋廣、壽命長；智能樓宇則在于門禁、識別、燈光、能耗控制等多項功能的綜合運用。

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)方案探究

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品實現(xiàn)方案主要由數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)通道、終端設備3個組成部分，該節(jié)將從技術方案、重要性能參數(shù)、費用等方面對特性對比和選型決策要點，以及其在實踐過程的關鍵細節(jié)問題進行分析。

2.1 數(shù)據(jù)中心的特性與選型

數(shù)據(jù)中心在物聯(lián)網(wǎng)的應用中處于核心地位，負責大數(shù)據(jù)存儲與分析，是整個系統(tǒng)的中樞，具備海量的數(shù)據(jù)存儲與處理能力，能夠實時處理終端設備發(fā)來的數(shù)據(jù)。根據(jù)服務范圍的不同，數(shù)據(jù)中心可分為國內(nèi)布局和全球布局。

考慮到數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)中心需要對接入的終端設備進行鑒權，并對往來的傳輸數(shù)據(jù)進行加密等處理。

另外還需要考慮數(shù)據(jù)的處理能力，如在自動駕駛、圖像傳輸、人臉識別等人工智能方面應用時，由于其數(shù)據(jù)量大，對傳輸?shù)膶崟r性要求高，對數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力也都有較高要求。在智能家居、智能抄表等行業(yè)應用時，數(shù)據(jù)量較小，通信頻次低，對數(shù)據(jù)的傳輸和處理能力要求不是很高，如最大2 000次/s的服務器訪問量就可支持10萬臺設備的在線運行。

為了保護個人隱私，各國紛紛出臺了個人數(shù)據(jù)保護條例，如歐盟通用的數(shù)據(jù)保護條例（GDPR）和加州消費者隱私法（CCPA），其都旨在保護數(shù)據(jù)主體的基本隱私權和個人數(shù)據(jù)安全，全方位地提高了個人數(shù)據(jù)隱私保護的標準。

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了很多數(shù)據(jù)中心服務方案的提供商，如阿里巴巴、騰訊、小米、涂鴉等都能提供物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心服務，并致力于打造全產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈的一站式服務，此外還有慶科、漢楓、移遠、晨訊等模塊供應商也提供相應的配套服務。

數(shù)據(jù)中心的選擇上，部署費用和提供服務的參數(shù)限制也是重要因素。以阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺為例，其可提供多種計費方式供用戶選擇。消息通信包：1.8元/100萬條/月(每月每100萬條1.8元)；連接時長包：1元/100萬分鐘/月（每月每100萬分鐘1元）；固件升級次數(shù)包：0.2元/次；套餐包根據(jù)配置的不同，在299～7999元/月；購買服務包類型時，可采取依實際業(yè)務發(fā)展逐步升級的策略，以便適應產(chǎn)品研發(fā)上市的實際需求。

其技術服務參數(shù)限制主要有5個。1） 單賬號最多設備數(shù)：1 000萬。2）單設備每分鐘最大請求數(shù)：5次/分。3）單賬號每秒由設備端向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送的請求數(shù)：1萬。4）

單賬號每秒由物聯(lián)網(wǎng)平臺向設備端發(fā)送的請求數(shù)：2 000次。5）單設備接收下行消息的最大限制：50條/s。在系統(tǒng)設計初期需充分考慮上述限制，采取隨機分布等流量控制策略均衡訪問時間，避免出現(xiàn)突發(fā)大量消息阻塞，發(fā)生系統(tǒng)異常。需要強調的是，雖然各大網(wǎng)絡巨頭在提供數(shù)據(jù)中心服務的同時，能提供全產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，全功能方案的支持，大幅減少研發(fā)時間，使產(chǎn)品能以最快的速度上市，但企業(yè)也需同時考慮自身的信息安全，建議在數(shù)據(jù)中心服務器布局、原始數(shù)據(jù)加密等方面采取一定的措施，避免因核心數(shù)據(jù)泄露對自身的協(xié)調發(fā)展造成影響[5]。

2.2 傳輸通道的特性與選型

在數(shù)據(jù)通信技術已得到長足發(fā)展的今天，有GSM、5G、Wi-Fi、NB-IoT、LoRa、藍牙、ZigBee、FM 433等多種技術可供選擇，以便適應不同的用戶使用場景和需求。表1對各種通信方式在服務范圍、傳輸速率、功耗、費用等方面進行了對比。

表1 通信方式參數(shù)對比

從表1中可以看出，各種通信方案都有自己的特點，優(yōu)勢與劣勢明顯，應該在系統(tǒng)規(guī)劃初期，根據(jù)自身的應用特點，如通信范圍、速率、節(jié)點數(shù)量、通信頻次等參數(shù)，選取一個或多個通信方式實現(xiàn)系統(tǒng)的應用。

通信范圍最大的公用廣域網(wǎng)5G、4G、2G、NB-IoT有一定的使用費用，其數(shù)據(jù)傳輸速率基本與功耗、費用成正比，其選擇與電信運營商直接相關，跨國使用有一定困難。但其使用專有頻率，有法律法規(guī)進行保護，可靠性有一定的保證。

Wi-Fi雖通信范圍相對較小，但其分布面積廣，固定或在小范圍內(nèi)移動的設備均可選用，其最大的優(yōu)勢在于傳輸速率高、無使用費、跨國使用方便。但其使用時必須連接配置無線網(wǎng)絡，這會給終端用戶造成一定的困擾。其主要使用TCP/IP協(xié)議，通信質量沒有確定的保護措施，需在上層增加相應的反饋確認、重傳和去重等機制實現(xiàn)可靠通信。

藍牙目前已發(fā)展到5.0，在傳輸語音、低功耗、室內(nèi)定位、MESH網(wǎng)絡方面有長足進步，其最大的優(yōu)勢在于公有協(xié)議，傳輸速率相對較高。手機周邊的應用十分方便快捷，

ZigBee、LoRa、FM 433等無線局域通信技術，在低功耗，通信距離上各有建樹，但均為私有協(xié)議，專屬性較強，雖無使用費用，但應用研發(fā)起步費用較高，各個廠家的產(chǎn)品很難互聯(lián)互通，一般作為智能照明、智能家居等系統(tǒng)內(nèi)的通信方式。

因上述通信方式均有較為復雜的通信協(xié)議，因此，要想實現(xiàn)其功能必須要有具備一定處理能力的處理器，該處理器一般具備一定能力的冗余，在通信頻次較低、數(shù)據(jù)量不大的應用中，通信處理器可以同時兼做數(shù)據(jù)采集與執(zhí)行的處理器使用，從而顯著降低設備成本和系統(tǒng)復雜度，提高可靠性。

新興的NB-IoT以其覆蓋廣、功率低的優(yōu)勢在物聯(lián)網(wǎng)通信領域獨樹一幟[6]，當前使用費用約8元/年～9元/年，流量不限。對應通信模組價位在單頻20元/塊、多頻23元/塊，是低數(shù)據(jù)量通信的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的優(yōu)先選擇。2G、4G、5G使用通信費用，各大運行商均有宣傳，這里不再復述。

在5G、2G、NB-IoT通信模塊資源上有華為、中興、移遠等廠商的產(chǎn)品可以選用。在Wi-Fi、藍牙、ZigBee、FM 433通信上有博通、樂鑫、慶科、漢楓等廠商的產(chǎn)品可以選用。其中樂鑫的Wi-Fi芯片ESP8266，ESP32在業(yè)內(nèi)以其高性價比（約10元/片），提供靈活的二次開發(fā)平臺的優(yōu)勢，已納入小米物聯(lián)網(wǎng)智能產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，有較為完備的應用技術服務和支持體系，占據(jù)了低速率物聯(lián)網(wǎng)應用的較大市場。

2.3 終端設備的特性與選型

終端設備主要完成數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行，圖像、語音、溫濕度、光線、位置、測量開關量、模擬量等傳感器多種多樣、各不相同，執(zhí)行也分開關執(zhí)行、弱電控制、強電控制、速度控制等。終端設備的實現(xiàn)方案與應用領域、場景直接相關，這也是物聯(lián)網(wǎng)應用多樣化的集中體現(xiàn)，沒有統(tǒng)一標準。其目的是應用各種傳感器，將感知到的物理參數(shù)轉化為數(shù)字電信號傳送給數(shù)據(jù)中心。并接收數(shù)據(jù)中心傳回的數(shù)據(jù)指令，通過相應的執(zhí)行電路、機構執(zhí)行控制指令，從而實現(xiàn)閉環(huán)智能控制。如感知到溫度過高，PM2.5超標，則開啟通風裝置通風降溫，打開除塵設備等。

終端設備雖然具備多樣化的特點，但其一般是以處理器為核心，外加傳感器、執(zhí)行機構、通信網(wǎng)絡的架構。

在具有攝像頭、圖像處理、模式識別等需要大運算量、數(shù)據(jù)傳輸量的終端設備上，一般數(shù)據(jù)采集和通信有相互獨立的處理器。在僅需簡單開關、模擬量采集和執(zhí)行，且通信量不大的終端設備上，可以使用通信模塊上的處理器來完成數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行工作，從而有效降低終端設備的成本，在大規(guī)模布設時將取得可觀的經(jīng)濟效益。

物聯(lián)網(wǎng)終端設備一般處于遠程，工作環(huán)境較為惡劣，數(shù)量龐大，維護困難，維護成本較高。對穩(wěn)定性、可靠性、續(xù)航能力方面有較高要求，其穩(wěn)定運行是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎。首先，系統(tǒng)中應具備硬件看門狗電路，以期在出現(xiàn)異常的情況下，重啟電路，從而實現(xiàn)可靠在線。其次，需具備遠程監(jiān)測和自檢、診斷功能，以期做到出現(xiàn)問題早發(fā)現(xiàn)、早告警、早處理，避免造成系統(tǒng)性問題，最后，終端設備應具備軟件遠程升級功能，以便在需要的時候對系統(tǒng)軟件進行升級，排除已知缺陷，從而在無需現(xiàn)場處理的條件下實現(xiàn)軟件缺陷排除。

在續(xù)航能力方面，普通的干電池、鋰電池、蓄電池能提供中、短期的續(xù)航支持，當無人值守設備要滿足長達1年或數(shù)年的使用期時，上述電池限于自身物理特性的原因無法滿足要求。該條件下可以選用特種的鋰/亞硫酰氯電池。該類電池多應用于共享單車車鎖、遠程抄表產(chǎn)品內(nèi)，提供長達數(shù)年的免維護續(xù)航支持。

為確保電子設備的安全穩(wěn)定運行并避免對其他設備產(chǎn)生干擾，各國均有嚴格的技術認證標準，終端設備必須通過一系列的實驗室測試認證才能應用。諸如CCC、UL、KCC、TUV、SRRC、CE、FCC、MIC等強制認證，還有5G、2G、藍牙聯(lián)盟、Wi-Fi等通信的合規(guī)性認證。

攝像頭、圖像處理應用方向有海思、海康、索尼等廠商的芯片方案可以選用。語音識別應用方向有訊飛、搜狗、騰訊、谷歌等巨頭的方案可以選用。各類通信模塊有樂鑫、慶科、漢楓、移遠等供應商的產(chǎn)品可以選用，這些供應商基本均可提供二次開發(fā)資源。微處理器有大量國內(nèi)知名品牌涌現(xiàn)，如兆易的GD系列，華大半導體的ARM Cortex-M0+/M4系列，合泰的HT系列單片機均有較高性價比，現(xiàn)今最便宜的已降至1元以下。傳感器、執(zhí)行機構依具體應用選取如：Sensirion的SHT21溫濕度傳感器、u-blox的UBX-G7020定位芯片、InvenSense的MPU9250 9軸傳感器（3軸加速度、3軸地磁、3軸陀螺儀）、億光的光傳感器等均是業(yè)內(nèi)知名品牌型號，并得到廣泛應用。

3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)方案實踐

筆者所使用的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)能夠實現(xiàn)人與終端設備之間的數(shù)據(jù)采集與遠程控制功能，終端設備需要配合手機一起使用，實現(xiàn)完整的智能數(shù)據(jù)采集和控制功能體驗，產(chǎn)品行銷世界，提供全球服務。

基于前文所述的物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)技術方案分析，通過對場景、費用、速率、覆蓋范圍的綜合考量，物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心、傳輸通道、終端設備分別按如下方案實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)中心：租用公用云服務自建API、鑒權、數(shù)據(jù)存儲與分析服務器（在國內(nèi)、美國、新加坡部署服務器），為廣大亞洲、歐洲、美洲、大洋洲的客戶提供產(chǎn)品服務。使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)設備的全球接入，實時在線。使用騰訊IM，實現(xiàn)遠程查詢與控制、社區(qū)聊天、售后支持等功能。使用云云對接方式實現(xiàn)天貓精靈、亞馬遜Alexa對終端設備的控制，終端設備通信使用加密數(shù)據(jù)傳輸。以確保系統(tǒng)的正常運作和企業(yè)數(shù)據(jù)安全。

傳輸通道：采用Wi-Fi+藍牙的通信實現(xiàn)方案，Wi-Fi部署范圍廣泛，全球通用，無使用費用，可謂是性價比最高的通信實現(xiàn)方案。但鑒于Wi-Fi在配網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面的已知弱點，結合產(chǎn)品應用過程中必備手機的使用場景，特在終端設備中加入藍牙功能提供終端設備與手機之間的第二傳輸通道，從根本上降低配網(wǎng)環(huán)節(jié)對終端用戶造成的影響，改善網(wǎng)絡配置環(huán)節(jié)的痛點。在數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面，在傳輸控制軟件中加入消息的ACK反饋，超時重傳，去重等功能，以確保數(shù)據(jù)通信的可靠性。

終端設備：需采集溫度、濕度、設備狀態(tài)等信息，并執(zhí)行馬達驅動、加熱器開關等操作，總體來說其數(shù)據(jù)傳輸量較小、通信頻次較低、控制量簡單。采用通信芯片處理器兼做采集與執(zhí)行任務的處理的方案，選用樂鑫ESP32模塊，其同時具備Wi-Fi和藍牙功能，提供二次開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境，有完備的技術支持體系，性價比很高。為確保終端設備的長期可靠運行，系統(tǒng)中設計了硬件看門狗電路，以期在出現(xiàn)極端異常時硬重啟系統(tǒng)，實現(xiàn)可靠在線。系統(tǒng)中設計了遠程監(jiān)測和自檢、診斷功能，以期做到出現(xiàn)問題早發(fā)現(xiàn)、早告警、早處理，避免造成系統(tǒng)性問題。系統(tǒng)還設計有遠程升級功能，以便在需要的時候對系統(tǒng)軟件進行升級，排除已知缺陷，從而在無需現(xiàn)場處理的條件下，實現(xiàn)軟件缺陷排除，實現(xiàn)功能進化與迭代。

上述產(chǎn)品經(jīng)實踐檢驗，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定可靠，通過SRRC，CE，F(xiàn)CC，MIC，KCC和歐盟通用數(shù)據(jù)保護條例（GDPR）認證，目前已有10萬+終端設備在線，手機App日活用戶3萬，月活用戶15萬，為廣大亞洲、歐洲、美洲、大洋洲的用戶提供服務。

4 結語

物聯(lián)網(wǎng)是將各種終端設備，小至簡單的計步器、攝像頭，大到汽車、飛機等彼此相連，并與云進行通信和共享數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其核心價值在于數(shù)據(jù)的分析，將各終端設備產(chǎn)生的小數(shù)據(jù)匯聚成為大數(shù)據(jù)，并對其進行過濾、分析、共享，使大數(shù)據(jù)變成可用的信息，推動建立全新的業(yè)務模式和服務產(chǎn)品，“物”以致用，用創(chuàng)新解決現(xiàn)實問題。

麥肯錫全球研究中心的一項報告顯示，在2015～2019過去的5年里，互聯(lián)設備的數(shù)量增長了300%，預計到2025年，各種物聯(lián)網(wǎng)應用帶來的經(jīng)濟規(guī)?？赡軙^10萬億美元。其在智能安防、智慧電力、智慧交通、智慧物流、智能醫(yī)療、智能家居、智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、智能樓宇、智慧城市等領域將迎來爆發(fā)式發(fā)展。