物联网设备通信工作原理
物联网设备工作基础
物联网设备作为物理对(dui)象,核心使命是与(yu)现实(shi)世(shi)界(jie)产生交互。无论是装配(pei)线(xian)上(shang)精(jing)准捕捉生产数据(ju)的(de)传感器,还(hai)是时刻守(shou)护安全的(de)智能摄像头,它们(men)都承担着感知物理世(shi)界(jie)动态变化(hua)的(de)任务。
从硬件构(gou)成来看,物联(lian)(lian)网(wang)(wang)设(she)(she)备通常集(ji)成了(le) CPU、网(wang)(wang)络(luo)(luo)适(shi)配(pei)器和固件,且多(duo)基(ji)于(yu)开源平台打(da)造。这(zhei)种设(she)(she)计(ji)使得设(she)(she)备具备了(le)一定(ding)的(de)(de)数(shu)(shu)据处(chu)理和网(wang)(wang)络(luo)(luo)通信能力。在接(jie)入网(wang)(wang)络(luo)(luo)时,多(duo)数(shu)(shu)物联(lian)(lian)网(wang)(wang)设(she)(she)备会(hui)连接(jie)动态主机配(pei)置协议服务器,以此获取在网(wang)(wang)络(luo)(luo)中运行的(de)(de) IP 地址(zhi)。虽(sui)然(ran)部分物联(lian)(lian)网(wang)(wang)设(she)(she)备可通过公(gong)共互联(lian)(lian)网(wang)(wang)直接(jie)访(fang)问,但(dan)出(chu)于(yu)安全性和特定(ding)应(ying)用(yong)场景的(de)(de)考(kao)虑,大多(duo)数(shu)(shu)物联(lian)(lian)网(wang)(wang)设(she)(she)备是为专(zhuan)用(yong)网(wang)(wang)络(luo)(luo)量身定(ding)制的(de)(de)。
在设(she)备管理方面,多(duo)数物(wu)联网设(she)备依赖软件(jian)应用(yong)程(cheng)序(xu)进行配置和管理,不过也(ye)有部(bu)分设(she)备集成了 Web 服务器,无需外(wai)部(bu)应用(yong)程(cheng)序(xu)即可完成相关操作(zuo)。设(she)备一旦(dan)配置完成并投入运(yun)行,其流量主(zhu)要以出站为(wei)主(zhu),像(xiang)安全(quan)摄像(xiang)头持(chi)续传输视频数据(ju),工业(ye)传感器实时流式传输传感器数据(ju)。当然,也(ye)有部(bu)分物(wu)联网设(she)备如智能灯,会接受外(wai)部(bu)输入,实现与用(yong)户的交互。
物联网设备管理
物联(lian)网(wang)系统的成(cheng)功部(bu)署并非一(yi)帆风顺(shun),会面临诸多(duo)挑(tiao)战,如安全(quan)性(xing)、互操(cao)作性(xing)、电源或处理能力限制、可扩展性(xing)以及可用性(xing)等问题。而物联(lian)网(wang)设备管理则成(cheng)为解决这些难题的关键手段。
通过采用(yong)(yong)标准协议或借助供应(ying)商提(ti)(ti)供的服务,企业能(neng)(neng)够借助设(she)(she)(she)(she)(she)备管(guan)(guan)理实(shi)现(xian)对支持互(hu)联(lian)网(wang)设(she)(she)(she)(she)(she)备的大规模(mo)集成、有序组织(zhi)、实(shi)时(shi)(shi)监控和(he)远程管(guan)(guan)理。具体(ti)而言,设(she)(she)(she)(she)(she)备管(guan)(guan)理涵盖了(le)一系列重要功能(neng)(neng)。设(she)(she)(she)(she)(she)备注册和(he)激活(huo)是设(she)(she)(she)(she)(she)备进入系统(tong)的第一步,确保(bao)设(she)(she)(she)(she)(she)备能(neng)(neng)够被系统(tong)识别和(he)启(qi)用(yong)(yong);设(she)(she)(she)(she)(she)备认证或授(shou)权保(bao)障(zhang)了(le)只有合法设(she)(she)(she)(she)(she)备能(neng)(neng)够接入网(wang)络,防止(zhi)非法入侵;设(she)(she)(she)(she)(she)备配置则根据不(bu)同应(ying)用(yong)(yong)场景为设(she)(she)(she)(she)(she)备设(she)(she)(she)(she)(she)置合适的参(can)数;设(she)(she)(she)(she)(she)备监控和(he)诊断能(neng)(neng)够实(shi)时(shi)(shi)掌握设(she)(she)(she)(she)(she)备的运行状(zhuang)态,及时(shi)(shi)发(fa)现(xian)潜(qian)在问(wen)题;设(she)(she)(she)(she)(she)备故(gu)障(zhang)排除(chu)功能(neng)(neng)可快(kuai)速定位并解决(jue)设(she)(she)(she)(she)(she)备故(gu)障(zhang),减少停机时(shi)(shi)间(jian);设(she)(she)(she)(she)(she)备固件更新则能(neng)(neng)不(bu)断提(ti)(ti)升(sheng)设(she)(she)(she)(she)(she)备的性能(neng)(neng)和(he)安全性,修复已知漏洞。
目前(qian),可用(yong)的标(biao)准化(hua)设备(bei)管理(li)协(xie)议(yi)有开放移动(dong)联盟的设备(bei)管理(li)和轻量级机器对机器等,这些协(xie)议(yi)为设备(bei)管理(li)提供了(le)规范和标(biao)准,有助于提高设备(bei)管理(li)的效率和可靠性。
物联网设备连接与网络
物联(lian)网(wang)设备的连接和网(wang)络通信(xin)依赖于特定的物联(lian)网(wang)应用(yong)程序,不同的应用(yong)场景需要不同的连接和通信(xin)方案。
通信协议
CoAP 适(shi)用(yong)于资源受限的(de)设备,具(ju)有低(di)功耗、简单(dan)易用(yong)的(de)特(te)点;DTLS 为数据传(chuan)输提供(gong)了安全保障,防止(zhi)数据在(zai)传(chuan)输过程中(zhong)被窃取(qu)或(huo)篡改;MQTT 是(shi)一种(zhong)轻量级的(de)发布/订阅消(xiao)息传(chuan)输协议(yi),适(shi)合在(zai)低(di)带宽、高延(yan)迟(chi)或(huo)不稳(wen)定(ding)的(de)网络环境(jing)中(zhong)使用(yong);DDS 提供(gong)了高性(xing)能、实时的(de)数据分发服务,适(shi)用(yong)于对数据实时性(xing)要求较高的(de)应用(yong);AMQP 则是(shi)一种(zhong)面向消(xiao)息的(de)中(zhong)间件协议(yi),具(ju)有可靠的(de)消(xiao)息传(chuan)递机制。
无线协议(yi)
IPv6 为物联网设备(bei)(bei)(bei)提供了海(hai)量的 IP 地址资(zi)源,解决了 IPv4 地址短缺(que)的问题;LPWAN 具有低功(gong)耗、广(guang)覆盖的特点,适合(he)长距(ju)(ju)离(li)、低速(su)率的数据(ju)传(chuan)输;Zigbee 适用(yong)(yong)于短距(ju)(ju)离(li)、低功(gong)耗的无线通信,常用(yong)(yong)于智(zhi)(zhi)能家居等领域;低功(gong)耗蓝(lan)牙在智(zhi)(zhi)能穿戴设备(bei)(bei)(bei)、健康监测设备(bei)(bei)(bei)等方(fang)面应用(yong)(yong)广(guang)泛;Z-Wave 主要用(yong)(yong)于智(zhi)(zhi)能家居设备(bei)(bei)(bei)的互联互通;RFID 可实现物品的自动(dong)识别和数据(ju)采(cai)集;NFC 则在移(yi)动(dong)支(zhi)付(fu)、门禁系统等方(fang)面发挥着重要作用(yong)(yong)。此(ci)外,蜂窝、卫星、Wi-Fi 和以(yi)太网等传(chuan)统网络方(fang)式(shi)也可用(yong)(yong)于物联网设备(bei)(bei)(bei)的连接(jie)。
每(mei)种连(lian)接(jie)和(he)通信选项在功耗(hao)、范围和(he)带宽(kuan)方面都有其(qi)独(du)特(te)的(de)(de)权(quan)衡。例如(ru),低功耗(hao)协议(yi)虽然能(neng)够延长设(she)备的(de)(de)续航时间,但可能(neng)在传输速率(lv)和(he)范围上有所限(xian)制;而高(gao)带宽(kuan)协议(yi)虽然能(neng)够提供快速的(de)(de)数据传输,但功耗(hao)相对较高(gao)。因此,在为特(te)定物联(lian)网应用(yong)(yong)选择连(lian)接(jie)设(she)备和(he)协议(yi)时,需要综合考虑这(zhei)些因素,以满足(zu)实际应用(yong)(yong)的(de)(de)需求。
数据传输
大(da)多数(shu)(shu)物联(lian)网设备会(hui)连接到物联(lian)网网关或(huo)其他(ta)边缘设备。数(shu)(shu)据(ju)可以在本地进(jin)行分(fen)析(xi)处(chu)理,减(jian)少数(shu)(shu)据(ju)传输延迟和(he)云端(duan)压(ya)力;也可以发送(song)到云端(duan)进(jin)行更(geng)深(shen)入的分(fen)析(xi)和(he)存(cun)储。部分(fen)设备集成了数(shu)(shu)据(ju)处(chu)理功能(neng),能(neng)够利用(yong)机器(qi)学习算法对数(shu)(shu)据(ju)进(jin)行实时分(fen)析(xi),最大(da)限度地减(jian)少必须发送(song)到云或(huo)数(shu)(shu)据(ju)中心(xin)的数(shu)(shu)据(ju)量。随着物联(lian)网设备产生的数(shu)(shu)据(ju)量不(bu)断(duan)增加,这种本地数(shu)(shu)据(ju)处(chu)理能(neng)力将变得越来越重要。