物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)

今天介紹一下物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)。

關(guān)于IBM對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的解釋，最早用了八層架構(gòu)，后來這八層架構(gòu)解釋不清楚，衍變成為了物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，技術(shù)上分了七層，如圖。

 

 

這個IBM的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圖非常經(jīng)典，我用這張圖預測了很多物聯(lián)網(wǎng)的趨勢。

但后來IBM的技術(shù)架構(gòu)是分三層的：感知、連接、智能。

 

 

而電信研究院對物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)如圖。

 

 

感知層對應(yīng)與IBM的感知，網(wǎng)絡(luò)層對應(yīng)與IBM的連接，應(yīng)用層對應(yīng)于IBM的智能。以下我們分別討論：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層：

看一下感知層，實現(xiàn)對物理世界的智能感知識別、信息采集處理和自動控制;包括了傳感器、執(zhí)行器，RFID，二維碼和智能裝置。傳感器、執(zhí)行器

學過自動化的朋友都了解最原始的控制系統(tǒng)包括：傳感器、控制器、和執(zhí)行器;而物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)在底層包括傳感器、執(zhí)行器，而控制器的功能是在更大的范圍內(nèi)實現(xiàn)的，比如在應(yīng)用層的應(yīng)用+智能是在更大的范圍內(nèi)實現(xiàn)控制閉環(huán)。

傳感器是一種檢測裝置，能夠感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成電信號或者其他所需的信息形式輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器主要是感知環(huán)境的狀態(tài)。按照傳感器的原理，有半導體傳感器、激光傳感器、機械傳感器、視覺傳感器、液位傳感器、磁傳感器等等不同類型的傳感器。

但是隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，需要更多的設(shè)備使用傳感器。而隨著使用量的增加，對傳感器的尺寸、功耗有更高的要求，所以微機電系統(tǒng)(MEMS， Micro-Electro-Mechanical System)的使用越來越多，逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)時代傳感器的主流產(chǎn)品。

MEMS是在微電子技術(shù)(半導體制造技術(shù))基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術(shù)制作的高科技電子機械器件。

MEMS集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。

MEMS側(cè)重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領(lǐng)域。它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。

MEMS是一個獨立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。常見的產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。

另外很多非接觸式的傳感方式也逐漸流行，比如通過圖像分析，視頻分析的方法，也可以實現(xiàn)傳感。

以前監(jiān)測汽車是否闖紅燈，是否壓線，通過磁釘作為傳感器。而現(xiàn)在可以通過圖像，利用圖像處理方法，作為傳感器。

還有對語音的識別，算不算傳感器呢?

執(zhí)行器是根據(jù)指令改變物體的狀態(tài)，電機、開關(guān)、閥門等都屬于執(zhí)行器。

RFID

物聯(lián)網(wǎng)，不言而喻就是要物物相連。既然萬物互聯(lián)了，那么如何識別一個物體?對于有計算處理能力的設(shè)備，一般用ip識別。比如聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備都有IP，可以通過IP地址找到并識別設(shè)備。

宇宙萬物中，沒有處理能力的物體占了絕大多數(shù)，那么如何識別這些物品呢?對這些物品的識別通常用的是賦予ID，通過ID識別。超市中，每一個物品都有一個條形碼(Bar code)，超市就是通過條形碼來識別商品的。

但是條形碼的問題是識別效率低，所以我們?nèi)コ械臅r候發(fā)現(xiàn)在收銀臺經(jīng)常排很長的隊，收銀員大部分時間浪費在掃條形碼上，首先需要找到條形碼、如果條形碼有污漬，識別不出來還要再通過手工輸入條形碼的ID。十分影響效率。

而RFID實際上是另外一種區(qū)別于條形碼的ID系統(tǒng)，英文名叫Radio Frequency Identification，中文翻譯為射頻識別。

我們假想一個場景，如果我們在超市采購了很多商品之后，推著購物車，通過出口時，一個設(shè)備可以識別所有商品的信息，并直接記入結(jié)賬系統(tǒng)，那么超市的收銀臺將不需要再排隊。

而能夠完成以上場景的技術(shù)，就是RFID技術(shù)。在2005年的時候，沃爾瑪曾經(jīng)要求所有供應(yīng)商提供給沃爾瑪?shù)纳唐泛蠷FID標簽，其目的就是為了解決這個問題。

所以RFID最流行、最熱是在2005年，2006年之后，而物聯(lián)網(wǎng)的起源之一也是因為RFID技術(shù)，但因為十年前，RFID的技術(shù)不成熟，一方面成本高，另外一方面識別率低，導致RFID的普及程度不高。

隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，工藝上改變之后，一方面成本降低，RFID的識別率提升之后，應(yīng)用開始越來越廣泛。現(xiàn)在基本上服裝行業(yè)已經(jīng)普遍使用RFID。我門熟悉的公交卡，ETC都是RFID。

二維碼

剛才講到了沃爾瑪曾經(jīng)對RFID寄寓了很高的期望，實際生活中，需要對ID的識別，而條形碼識別率低，早期RFID識別率低，成本高。這個時候二維碼作為中間過渡技術(shù)，有了很多的應(yīng)用，所以二維碼也是傳感技術(shù)之一。

而隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，手機輸入鏈接非常麻煩，二維碼作為鏈接的一個輸入工具，有非常廣泛的應(yīng)用。另外RFID有液體或者金屬的環(huán)境，識別率也會降低，在一些金屬產(chǎn)品、或者液體容器上，也會應(yīng)用二維碼

簡單介紹了感知層。在物聯(lián)網(wǎng)的感知層，主要是解決了一個識別物體、感知物體狀態(tài)、并控制物體狀態(tài)等幾方面的作用。

連接(或者網(wǎng)絡(luò)層)

物聯(lián)網(wǎng)是萬物互聯(lián)，如果物體要連接，一定需要網(wǎng)絡(luò)層。而物聯(lián)網(wǎng)需要各種通訊技術(shù)融合。

物聯(lián)網(wǎng)時代，需要聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備種類差異非常大，有需要快速連接，數(shù)據(jù)傳輸量大的連接設(shè)備，比如電腦、視頻設(shè)備的連接，就需要高速高可靠性的通訊方式。

也有很多數(shù)據(jù)量不大，及時響應(yīng)性要求不高的設(shè)備，而這些設(shè)備通暢需要連接便捷，無線。這些設(shè)備未來可能連接的量非常大，那么需要自動連接，無線，非常低的功耗。

 

 

所以通訊的要求非常不一致。

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的早期，針對物的連接，有針對高端設(shè)備的自動化總線。而更多的通訊協(xié)議是為了傳輸電腦，手機等大數(shù)據(jù)量設(shè)備的。所以物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展早期，物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議更多的是借用了針對這些設(shè)備的通訊，比如wifi是最不適合做智能家居的通訊協(xié)議，功耗高，連接數(shù)量多了之后，穩(wěn)定性差。但因為wifi網(wǎng)絡(luò)的普及度高，Ipad讓很多家里都有了WIFI信號，所以智能家居最開始是使用wifi協(xié)議的通訊早期占據(jù)了主流。

我經(jīng)常講，從技術(shù)角度講zigbee可能比wifi更適合智能家居，但zigbee協(xié)議本身并不兼容這個是瓶頸之外，wifi不需要組網(wǎng)，就可以直接使用，是最根本的原因。

所以未來連接，高端設(shè)備，需要高速、穩(wěn)定的連接。通訊的速率、穩(wěn)定性、可靠性是關(guān)鍵。而低端設(shè)備，連接的便捷性、低成本、低功耗是關(guān)鍵。

不同的目的，需要不同的連接方式。

 

 

 

 

根據(jù)我的觀察，雖然物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)感知、連接、智能三層，從架構(gòu)上感知是最底層。但按照發(fā)展順序看，是連接、感知、智能三個趨勢發(fā)展。

 

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的早期瓶頸是連接，隨著nb-iot協(xié)議的推出，隨著通訊技術(shù)的完善，連接的瓶頸將有望在18年突破。

應(yīng)用層(智能)

IBM的第三層是智能，更多的是強調(diào)智能。而電信研究院的三層架構(gòu)的第三層是應(yīng)用層。應(yīng)用層中，包涵應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件，和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。而在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，包涵傳統(tǒng)的一些應(yīng)用、和新興的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，更多的是利用數(shù)據(jù)創(chuàng)造智慧。

早期的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，應(yīng)用、智能都是集中在云平臺上，智能體現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的PaaS平臺上。但是最近幾年，隨著應(yīng)用的普及，應(yīng)用、智能全部在云計算平臺上也發(fā)生了一些問題。

比如，智能家居所有的智能如果都是通過云平臺實現(xiàn)的話，家里所有的設(shè)備的控制都是通過云計算實現(xiàn)，如果網(wǎng)絡(luò)斷了，家里的設(shè)備如何控制?這樣的話智能全部在云平臺上實現(xiàn)是有缺陷的。

所以最近一段時間以來，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)討論熱點，逐步從云平臺，專向了邊緣計算，需要局部數(shù)據(jù)就可以智能控制的部分，在邊緣計算層;而需要多方數(shù)據(jù)融合形成的智能才在云計算中心。

有幾方面因素可以創(chuàng)造智能：

1、傳統(tǒng)已經(jīng)形成理論的智能。(比如自動化理論應(yīng)用于生產(chǎn)制造，就是一種智能)。

2、人本身的經(jīng)驗，通過系統(tǒng)表達出來。

3、利用大數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，通過大數(shù)據(jù)識別出的智慧。

在未來的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，各種智能都需要在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中能夠體現(xiàn)。

按照我推斷的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的三個瓶頸，先是連接，其次是感知、最后才是智能。而人工智能現(xiàn)在這么熱，我認為還是偏早了。人工智能真正發(fā)揮應(yīng)用，還需要有了大量的傳感設(shè)備，這些設(shè)備為智能提供大量的自動搜集的數(shù)據(jù)，才是智能真正發(fā)展的高峰。

但是現(xiàn)在在感知層，很多技術(shù)也需要人工智能技術(shù)。

李徳毅院士就提出來了，人工智能最早是在交互上，而無論是通過圖像實現(xiàn)的人工智能交互、還是動作的人工智能交互、或者語音的人工智能交互都可以算作是感知層的智能。 而更大規(guī)模的智能，會實在感知層的瓶頸突破之后。