．物聯網要點深入淺出

Internet of Things (IoT) Architecture for Beginners

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來源：老曹

物聯網是與雲計算相伴而生的，事實上，正是物聯網的概念，幫我弄清了對雲計算的工作定義。物聯網是一個由三個不同的子系統組成的系統:雲、聚合器、智慧傳感器。

上述每一個子系統，對於整個物聯網系統的功能優化，都是必需的。雲是終極的計算單元和通用通信網路。智慧感測器是通向現實世界的介面。最後，這些聚合者是中間人。對雲來說，聚合器看起來像智慧感測器，而對智慧感測器而言，它看起來像雲。

系統的特點

系統的概念一直很有趣，這個術語引出了一些問題。例如，一個系統存在的最小一組功能是什麼？ "或者"，一個系統可以由許多其他系統組成嗎？物聯網是一個系統的系統。它的三個組件(雲、聚合器和智慧感測器)都有自己的系統。

此外，任何兩個組件，也可以形成一個完整的IoT系統。例如，與聚合器進行通信的一系列智慧感測器，可以成為許多應用的一個最佳系統。同時，智慧感測器直接對雲進行通信，也可以是一個最佳的系統。

然後，三者的區別是它們的具體性能，成本，功耗和規模的考量。特別是:

雲系統專注於性能。因此，成本、功耗和規模是次要的問題。

聚合系統較少關注性能和功耗，更多地關注靈活性。

智慧感測器系統集中在電池壽命、大小和成本上，性能處於第三優先級。也許一個示例應用可以幫助把這些系統，放到一個維度上:

「智慧咖啡杯」可以用來展示智慧感測器，如何直接與雲進行通信。在最喜歡的咖啡館，要上一杯"無限續杯"的咖啡。我會在咖啡店工作幾個小時，不想每30分鐘起來去續杯咖啡。有了無限的杯子，我可以坐在自己的桌子上工作，而我的咖啡杯正在和咖啡店的"雲"通信，那就是 WiFi。

當雲感覺到我的杯子溫度越來越低，或者變冷了，咖啡師會給我另外一個杯子，如果需要的話自動完成付費。這最終成為咖啡館現有雲計算的一個新用途。它可以很容易地擴展到餐廳和飲品店。

當認為物聯網是一個系統系統時，有很多的方式。正如星球大戰三部曲是從中間開始的，然後進入過去和未來，討論IoT的三個系統，也可以從中間開始，然後再到另外兩個。乍一看，聚合器看起來，既像是智慧感測器上的雲，又看起來像一個雲上的智慧感測器，似乎是物聯網中不必要的組成部分。

IoT中的聚合子系統

看待物聯網的簡單方法，是假設雲直接連接到智慧電子設備上。從這個意義上說，也許智慧感測器和聚合器的概念，是同一裝置的變體。但是這個概念在每個IoT機會中都不起作用。

聚合器是一個處理元素，它:使用標準通信方法與雲進行通信；與具有專有通信功能的智慧感測器進行通信，在這些感測器中，對長壽命和成本的需求，超過了對標準的需求；

有足夠的處理性能，來服務多個智慧感測器。在這樣做的過程中，它管理了來自大量智慧感測器的原始數據，消化它們的數據，準備一組需要傳送到雲端的資訊，然後將數據傳送到雲端。

在某些情況下，聚合器有足夠的自主權，可以作為該系統的雲。聚合器與其他兩個元素之間的差異如下：

聚合器是大量智慧感測器和雲之間的通信鏈接，最好的例子就是智慧手機。它具有合理的電池壽命、成本和性能。可以看到許多設備可以與智慧手機進行物理連接，也可以透過無線網路，連接到智慧手機上。

它通常執行所有必要的功能，使其有用。但它總是無縫地涉及到雲的性能，依賴於電池的壽命。為了充分發揮其潛力，需要有電源，或者將其可用性限制在相對較短的活動期間。

這導致了聚合器的一個更廣泛方面。它需要成為許多智慧感測器之間的可連續供電接口，那些感測器不是外部供電的，而雲是具有無限性能的。

可以在工業控制和醫療嵌入式設備中，找到其他聚合器的例子。在這些例子中，都有一些共同的特點: 微型電腦或微處理器，許多標準的接口實現和各種通信選項。它們的性能足以滿足系統的需求，而且它們的電力需求很低，足以使電池使用壽命合理，或者使用USB連接的電源供電。

對聚合器最簡單的描述，就是它是一個獨立的電腦系統，它有

計算系統、電力管理系統、儲存系統，通訊系統聚合器是一個獨立的系統，但它也可以是一個較大系統中的一個子系統。

聚合器可以使用帶有離散組件的印刷電路板(PCB)，來設計聚合器，或者在模組(SOM)上的系統，或者一個包中的系統(SiP) ，或晶片上的系統(SoC)。一般而言，採取的這些形式中哪一種形式，更多地取決於規模和靈活性的限制，而不是成本和性能限制。

技術已經允許減少聚合器的尺寸，它也將減少其組件的大小。令人驚訝的是，它並不依賴於提高原始性能或驅動整合。創造小型設備如智慧塵埃的意圖，要求電腦的功耗，低到足以更好的散熱。

聚合器將需要一個超低功耗的通信鏈接，與許多智慧感測器(也許是數千個)來通信，並聚合它收到的數據資訊。它將把這些資訊，發送到雲端進行最後的處理。

與雲計算的通信，將採用行業標準方法進行。與智慧感測器的通信很可能是專有的，而不是標準的，以在其所需的通信速率中，保證最小的功率耗散。

IoT中的雲

雲的作用是兩個基本的功能: 與用戶交流，並給出額外的表現，甚至用戶可能不知道那些需求。雲計算的概念，可能是用一個愚蠢的方式，來描述了互聯網的複雜性和它所做的一切。

物聯網的概念不僅僅是描述雲，還包括雲是其中一部分的更廣泛的生態系統。這個概念使得雲計算，成為一個更大系統的組成部分。微控制器和微處理器的多樣性，能夠融入這個生態系統。

當雲從概念演變為現實的時候，它似乎提供了無限的通信頻寬、無限的性能和完全的安全性——但是，所有這些假設都可能是謊言。圖1描述了物聯網的各個組成部分的性能、頻寬和安全性。

　　圖1 IoT的性能、帶寬和安全性

對"無限"的一個定義，是實際上提供的比所需要的多一點。

雲計算的安全性是三者最關心的問題。至關重要的是，用戶和公司的隱私和安全得到保障。將更多的功能放在感測器和聚合器，將比由雲做出每一個決定更具有保護性。

這就是"一攬子體系"可以幫助的地方。這些微小的多晶片電子設備，看起來像一個單一整合電路(IC)，可以處理遠離雲計算的物聯網系統中，大部分決策。隱私和安全將始終具有價值，並將推動創新。

在考量物聯網系統的時候，三個系統中的每一個(雲、聚合器、或者智慧感測器)都會有不同的組件類別。例如，智慧感測器的組件，將被設計為超低功率，接受由此產生的性能水準。聚合器的組件將是更高的性能，但在電力預算範圍內。最後，雲中的組件將被設計為最大性能，較少強調功耗或成本。

這個表主要表達的是：

高性能設備即使不是唯一的優先事項，也是主要事項。這是對雲電腦的描述。

高效率的設備，是那些在沒有任何性能犧牲的情況下，優先減少功耗的設備。這與聚合系統保持一致。

超低功耗設備是指，在實現絕對最小功耗的情況下，將優先考慮性能的設備。這描述了智慧感測器。可以看到上面的三個概念，和組成物聯網系統的三個系統之間的相關性。雲中充滿了高性能的設備。

　　圖2 IoT系統的功耗對比

如果把性能這一概念作為雲計算的首要條件(如果不是唯一的話) ，那是因為雲計算中的設備類別，是高性能的多核處理系統，GPU、FPGA，以及專門設計的自定義設備。

在所有這些設備中，目標是最大化性能，最大化通信頻寬，或者保證安全和隱私。更複雜的是，許多聚合器也採用了高性能的概念，而且很難區分是否屬於雲計算。

IoT中的智慧傳感器

智慧感測器的設計，包括紅綠藍三個方面的問題：

性能(藍)：處理器類比還是數位的？數據是否壓縮？通信的方法，標準和安全

能耗(綠)：節能的方法和數量？電池的類型和容量？電源的轉化和分配？(電源管理)

個性化(紅)：具體感測器的個性化參數？值得注意的是，電力和無線通信，將成為智慧感測器的主導設計標準。

智慧感測器的最終目標是完全自治。這意味著它可以源源不斷地提供能量，履行所有的功能，透過無線方式與外部世界交流。在智慧感測器中有三個獨立的子系統。

其中一個子系統處理所有的電源管理，一個處理所有的性能，一個子系統處理所有智慧感測器的個性化。這三個獨立的子系統可以連接在一起來，創建智慧感測器。

有了這種靈活性，可以開發各種能源管理方法，然後與各種處理系統混合組合。最後，具有不同感測器陣列的不同個性化組件，可以連接到其他兩個子系統，以創建不同的智慧感測器。

功能所需的性能數量，總是一個難以回答的問題。但是當它應用於智慧感測器時，一個新的性能指標就出現了，這個性能指標就是能源效率。因為隨著性能的提高和功能的增加，能耗也在增加。

在智慧感測器中，通信方法將佔據大部分的電力預算。因此，與聚合器的通信方法，需要有最低可能的功耗。

小結

物聯網系統(或系統)需要在雲層之間進行優化，透過聚合器，最後到智慧感測器。當今聚合器將變得更智慧、更小和更低的功率，同時包圍雲和智慧感測器的大部分功能。

物聯網未來的最大障礙，將是如何處理收集的所有數據，以獲取有趣的資訊，並採取適當的行動。