物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基本要素以及應(yīng)用方式介紹

您能想象一個“大腦”能夠集中控制各種智能設(shè)備嗎？從某種程度上來說，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這是可能的。物聯(lián)網(wǎng)是指具有傳感器、執(zhí)行器、軟件和網(wǎng)絡(luò)連接的物理對象網(wǎng)絡(luò)，而這些物理對象可以收集和傳輸數(shù)據(jù)并完成用戶指定的任務(wù)。

這種系統(tǒng)的有效性和適用性與其構(gòu)建模塊的質(zhì)量及其交互方式直接相關(guān)，并且有多種方法可用于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。在本文中，我們的物聯(lián)網(wǎng)咨詢專家將分享他們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并展示他們對可擴(kuò)展且靈活的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的最初構(gòu)想。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基本要素

物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)圖中反映了我們的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)方法，圖中顯示了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建模塊，以及它們?nèi)绾芜B接以收集、存儲和處理數(shù)據(jù)。

物或稱設(shè)備”是裝備有傳感器和執(zhí)行器的物體。傳感器將收集數(shù)據(jù)，而執(zhí)行器將允許物體行動（例如，打開或關(guān)閉燈、打開或關(guān)閉門、增加或降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等）。這一概念包括冰箱、路燈、建筑物、車輛、生產(chǎn)機(jī)械、康復(fù)設(shè)備和其他一切可以想象的東西。

網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)從物體（設(shè)備）傳遞到云，反之亦然。網(wǎng)關(guān)提供物聯(lián)網(wǎng)解決方案中物體和云之間的連接，在將數(shù)據(jù)傳遞到云之前對其進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和過濾（以減少用于處理和存儲的數(shù)據(jù)量），并將控制命令從云傳輸?shù)轿矬w。然后，物體使用它們的執(zhí)行器執(zhí)行命令。

云網(wǎng)關(guān)有助于現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)和云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)壓縮和安全數(shù)據(jù)傳輸。它還確保與各種協(xié)議的兼容，并使用不同協(xié)議與現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)通信。

流數(shù)據(jù)處理器可確保將輸入數(shù)據(jù)有效地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)湖和控制應(yīng)用程序。

數(shù)據(jù)湖連網(wǎng)設(shè)備生成的數(shù)據(jù)以其自然格式存儲在數(shù)據(jù)湖中。當(dāng)需要從數(shù)據(jù)中獲得有意義的見解時，會從數(shù)據(jù)湖中提取并加載到大數(shù)據(jù)倉庫中。

大數(shù)據(jù)倉庫大數(shù)據(jù)倉庫僅包含經(jīng)過清理、結(jié)構(gòu)化和與之匹配的數(shù)據(jù)（相比之下，數(shù)據(jù)湖包含傳感器生成的各種數(shù)據(jù)）。此外，大數(shù)據(jù)倉庫存儲物體和傳感器（例如，傳感器的安裝位置）的上下文信息，以及控制應(yīng)用程序發(fā)送給物體的命令。

數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析師可以使用大數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)趨勢并獲得可操作的見解。例如，當(dāng)大數(shù)據(jù)被分析時（在許多情況下——在方案、圖表、信息圖形中可視化），它會顯示設(shè)備的性能，幫助識別低效之處，并找出改進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的方法（使其更可靠、更受客戶青睞）。此外，手動找到的相關(guān)性和模式可以進(jìn)一步為控制應(yīng)用程序創(chuàng)建算法。

機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)模型。有了機(jī)器學(xué)習(xí)，就有機(jī)會為控制應(yīng)用創(chuàng)建更精確、更高效的模型。模型會根據(jù)大數(shù)據(jù)倉庫中積累的歷史數(shù)據(jù)定期更新（例如，一周一次或一個月一次）。當(dāng)新模型的適用性和效率被數(shù)據(jù)分析人員測試和批準(zhǔn)時，控制應(yīng)用程序?qū)⑹褂眯履Ｐ汀?/p>

控制應(yīng)用程序向執(zhí)行器發(fā)送自動命令和警報(bào)，例如：

▲智能家居的窗戶可以收到自動打開或關(guān)閉的命令，而具體命令取決于氣象預(yù)報(bào)服務(wù)。

▲當(dāng)傳感器顯示土壤干燥時，灌溉系統(tǒng)會自動給作物澆水。

▲傳感器有助于監(jiān)控工業(yè)設(shè)備的狀態(tài)，在發(fā)生故障前，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會生成自動警報(bào)并發(fā)送給現(xiàn)場工程師。

控制應(yīng)用程序發(fā)送給執(zhí)行器的命令也可以存儲在大數(shù)據(jù)倉庫中，這可能有助于調(diào)查有問題的情況（比如執(zhí)行器未按預(yù)期執(zhí)行命令）。（來自物聯(lián)之家）另一方面，存儲來自控制應(yīng)用程序的命令也可能有助于提高安全性，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以識別某些命令太荒謬或數(shù)量過多，這可能證明存在安全漏洞（以及其他需要調(diào)查和糾正措施的問題）。

控制應(yīng)用程序可以是基于規(guī)則的，也可以是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的。在第一種情況下，控制應(yīng)用程序根據(jù)專家制定的規(guī)則工作。在第二種情況下，控制應(yīng)用程序使用的模型會定期更新（每周一次、每月一次，取決于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的具體情況），并將歷史數(shù)據(jù)存儲在大數(shù)據(jù)倉庫中。

盡管控制應(yīng)用程序確保了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最佳自動化，但用戶應(yīng)該始終有一個選項(xiàng)來影響此類應(yīng)用程序的行為（例如，在緊急情況下或當(dāng)發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)未能很好地執(zhí)行某些操作時）。

用戶應(yīng)用程序是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個軟件組件，它使用戶能夠連接到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并提供監(jiān)視和控制其智能設(shè)備的選項(xiàng)。使用移動或Web應(yīng)用程序，用戶可以監(jiān)視其設(shè)備的狀態(tài)，并發(fā)送命令以控制應(yīng)用程序，以及設(shè)置自動行為的選項(xiàng)（當(dāng)某些數(shù)據(jù)來自傳感器時自動通知和操作）。

設(shè)備管理

為了確保物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備充分運(yùn)行，僅僅安裝它們并順其自然是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。管理連網(wǎng)設(shè)備的性能需要一些程序（促進(jìn)設(shè)備之間的交互，確保安全的數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋?/p>

▲設(shè)備標(biāo)識，用于確定設(shè)備的身份，以確保它是帶有可信任軟件的可靠設(shè)備，可傳輸可靠的數(shù)據(jù)。

▲根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的用途調(diào)整設(shè)備的配置和控制。安裝設(shè)備后，需要寫入一些參數(shù)（例如，唯一的設(shè)備ID）。其他設(shè)置可能需要更新（例如，發(fā)送數(shù)據(jù)的時間）。

▲監(jiān)控和診斷，以確保網(wǎng)絡(luò)中每臺設(shè)備的平穩(wěn)和安全，并降低發(fā)生故障的風(fēng)險。

▲軟件更新和維護(hù)，以添加功能、修復(fù)錯誤、解決安全漏洞。

用戶管理

除了設(shè)備管理之外，對可以訪問物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的用戶進(jìn)行控制也非常重要。

用戶管理包括識別用戶、他們的角色、訪問級別和在系統(tǒng)中的權(quán)限。它包括添加和刪除用戶、管理用戶設(shè)置、控制各種用戶對某些信息的訪問以及在系統(tǒng)中執(zhí)行某些操作的權(quán)限、控制和記錄用戶活動等選項(xiàng)。

安全監(jiān)控

安全是物聯(lián)網(wǎng)中最重要的問題之一。連網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，需要安全地傳輸這些數(shù)據(jù)并保護(hù)其免受網(wǎng)絡(luò)罪犯分子的侵害。另一方面，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備可以成為壞人的切入點(diǎn)。此外，網(wǎng)絡(luò)犯罪分子可以進(jìn)入整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的“大腦”，并對其進(jìn)行控制。

為了防止此類問題，有必要記錄和分析控制應(yīng)用程序發(fā)送給設(shè)備的命令，監(jiān)視用戶的行為并將所有這些數(shù)據(jù)存儲在云中。通過這種方法，可以在早期階段解決安全漏洞，并采取措施以減少其對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的影響。

此外，還可以識別可疑行為的模式，存儲這些樣本，并將其與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)生成的日志進(jìn)行比較，以防止?jié)撛诘臐B透，并將其對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的影響降至最低。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)示例——智能照明

讓我們以智能照明為例，看看我們的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)元素是如何協(xié)同工作的，這也是物聯(lián)網(wǎng)解決方案如何同時為用戶帶來便利和能效的一個鮮明例證。智能照明系統(tǒng)有很多功能，我們將在這里介紹一些最基本的。

▲基本組件

傳感器從環(huán)境中獲取數(shù)據(jù)（例如，日光、聲音、人的活動）。而燈配備有執(zhí)行器，用于打開和關(guān)閉燈。數(shù)據(jù)池存儲來自傳感器的原始數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)倉庫中包含智能家居居民一周中不同時間的行為、能源費(fèi)用等信息。

▲手動監(jiān)控和手動控制

用戶通過一個帶有院子地圖的移動應(yīng)用程序來控制智能照明系統(tǒng)。使用該應(yīng)用程序，用戶可以看到哪些燈是開著和關(guān)著的，并向控制應(yīng)用程序發(fā)送命令，控制應(yīng)用程序再將命令發(fā)送給燈執(zhí)行器。這樣的應(yīng)用程序還可以顯示哪些燈即將出現(xiàn)故障。

▲數(shù)據(jù)分析

通過分析用戶應(yīng)用智能照明的方式、他們的時間表（由用戶提供或由智能系統(tǒng)識別）以及傳感器收集的其他信息，數(shù)據(jù)分析師可以制定和更新控制應(yīng)用的算法。

數(shù)據(jù)分析還有助于評估物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的有效性，并揭示系統(tǒng)工作方式中的問題。例如，如果用戶在系統(tǒng)自動打開燈后立即關(guān)閉燈，反之亦然，則算法中可能存在漏洞，因此有必要盡快解決。

▲自動控制的缺陷

監(jiān)測自然光的傳感器將光線數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。當(dāng)日光不足時（根據(jù)先前設(shè)定的閾值），控制應(yīng)用程序向執(zhí)行器發(fā)送自動命令以打開燈。而其余時間燈都是關(guān)著的。

然而，照明系統(tǒng)可能會被街道照明、鄰居院子里的燈和任何其他光源“誤導(dǎo)”。傳感器捕捉到的外來光線會讓智能系統(tǒng)得出結(jié)論，光線足夠了，應(yīng)該關(guān)閉照明。因此，使智能系統(tǒng)更好地了解影響照明的因素并在云中積累這些數(shù)據(jù)是有意義的。

當(dāng)傳感器監(jiān)測活動和聲音時，僅僅在院子里識別出活動或聲音時打開燈或者在安靜狀態(tài)下關(guān)閉所有燈是不夠的。例如，寵物也可以產(chǎn)生活動和聲音，云應(yīng)用程序應(yīng)該區(qū)分人類和寵物的聲音和活動。并且來自街道和鄰居房屋的噪音以及其他聲音也是如此。為了解決這個問題，可以將各種聲音的示例存儲在云中，并將它們與來自傳感器的聲音進(jìn)行比較。

▲機(jī)器學(xué)習(xí)

智能照明可以應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)生成的模型，例如，識別智能家居業(yè)主的行為模式（早上8點(diǎn)離家，晚上7點(diǎn)回來），并相應(yīng)地調(diào)整燈的開關(guān)時間（例如，在需要前5分鐘打開燈）。

從長遠(yuǎn)角度分析用戶的行為，智能系統(tǒng)可以開發(fā)高級行為，例如，當(dāng)傳感器沒有識別到住宅居民的典型活動和聲音時，智能系統(tǒng)可以“假設(shè)”居民正在度假并調(diào)整行為：例如，偶爾打開燈，讓人感覺家里有人（出于安全原因），但不要一直開燈以降低能耗。

▲用戶管理選項(xiàng)

為了確保有效的用戶管理，智能照明系統(tǒng)可以為多個角色分配不同的用戶權(quán)限：例如屋主、居民、訪客。在這種情況下，標(biāo)為“屋主”的用戶將完全控制系統(tǒng)（包括改變智能燈行為模式和監(jiān)控庭院燈的狀態(tài)）和發(fā)出命令的優(yōu)先級（當(dāng)多個用戶發(fā)出相互矛盾的命令時）。（來源物聯(lián)之家網(wǎng)）而其他用戶只能訪問有限數(shù)量的系統(tǒng)功能?！熬用瘛睂⒛軌虼蜷_和關(guān)閉燈，而無法更改設(shè)置。“訪客”將只能打開和關(guān)閉房屋中某些區(qū)域的燈（例如客廳）。

總之，我們的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)包含以下組件：

▲裝備有收集數(shù)據(jù)的傳感器和從云中接收命令的執(zhí)行器。

▲用于數(shù)據(jù)過濾、預(yù)處理并將其移動到云中的網(wǎng)關(guān)，反之亦然，從云中接收命令。

▲云網(wǎng)關(guān)，確保現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)和中央物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

▲流數(shù)據(jù)處理器，將來自傳感器的數(shù)據(jù)分發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)解決方案的組件中。

▲數(shù)據(jù)湖，用于存儲所有已定義和未定義值的數(shù)據(jù)。

▲大數(shù)據(jù)倉庫，用于收集有價值的數(shù)據(jù)。

▲控制應(yīng)用程序可以向執(zhí)行器發(fā)送命令。

▲機(jī)器學(xué)習(xí)生成模型，然后由控制應(yīng)用程序使用。

▲用戶應(yīng)用程序，使用戶能夠監(jiān)控其連接的設(shè)備。

▲用于數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)分析。

我們的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)還包含設(shè)備和用戶管理組件，以提供穩(wěn)定、安全的功能，并控制用戶的訪問權(quán)限。

在開發(fā)特定解決方案的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)時，同樣重要的是要關(guān)注一致性（對物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的每一個元素給予足夠的關(guān)注并使它們協(xié)同工作）、靈活性（添加新功能和新邏輯的機(jī)會）以及與企業(yè)系統(tǒng)的集成（將新的物聯(lián)網(wǎng)解決方案與以前實(shí)施的企業(yè)IT解決方案，如ERP、制造執(zhí)行系統(tǒng)、WMS、交付管理等系統(tǒng)結(jié)合在一起）。
來源；物聯(lián)網(wǎng)之家