开发: C++知识库 Java知识库 JavaScript Python PHP知识库人工智能区块链大数据移动开发嵌入式开发工具数据结构与算法开发测试游戏开发网络协议系统运维
教程: HTML教程 CSS教程 JavaScript教程 Go语言教程 JQuery教程 VUE教程 VUE3教程 Bootstrap教程 SQL数据库教程 C语言教程 C++教程 Java教程 Python教程 Python3教程 C#教程
数码: 电脑笔记本显卡显示器固态硬盘硬盘耳机手机 iphone vivo oppo 小米华为单反装机图拉丁

-> 嵌入式 -> IoT简介 -> 正文阅读

[嵌入式]IoT简介

1. 简介

物联网（Internet of Things，简称IoT）是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

物联网就是随时随地，任何物品，均可以通过网络进行访问。比方说智能家居系统，就是物联网的集合，可以借助网络，远程控制家庭里面，各个设备（电灯，电视，空调等）简单地理解，物联网就是把整个世界上所有的物体通过采用电子信息技术全部联系起来，形成一个大的网络。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。”

1.1 前景展望

IoT 是目前极有发展前景的技术方向之一。据专家称，IoT 可能是未来十年里极具突破性的技术之一。它将对我们的生活产生巨大影响，并可能改变我们的生活方式和习惯。

IoT 在未来将是一种更普及的技术，其影响将横跨多个领域或行业：

智慧城市
智慧建筑
车联网
智慧社区
智能家居
智慧医疗
工业物联网

所有这些领域都将受益于 IoT。

在深入了解 IoT 项目之前，我们有必要了解 IoT 的含义。在不同层面下或者根据不同的应用领域，关于 IoT 的定义也不尽相同。然而，无论如何，应该强调的一点是，IoT 不仅仅是和智能手机、平板电脑或个人计算机（Personal Computer，PC）相互连接的网络。

我们可以将 IoT 称作一个生态系统，在这个系统中，物体之间互相连接；同时，它们均连接到互联网。IoT 包括可能连接到互联网并交换数据和信息的每个对象。这些对象随时随地连接在一起，并且可以随时随地相互交换数据。

我们对物体连接的概念可能并不陌生，多年以来，它已经得到了持续的发展。随着 CPU 的功耗越来越低，我们可以想象未来互联网将能承载数以百万计的物体相互通信。

IoT 第一次正式受到瞩目是在 2005 年。国际通信联盟（International Communication Union，ITU）首次提出了 IoT 的定义（参见 ITU 官网上的文章“Internet of Things summary”）。

信息和通信技术（Information and Communication Technologies，ICT）领域将迎来另一个新的成员：无论在任何时间，任何地方，我们都可以连接任何东西……这种连接将成倍增加并创建一个全新的动态网络——IoT。

也就是说，IoT 是由一个个可以接收和发送数据并且远程控制的智能对象（或物体）组成的网络。

1.1.1. 自动驾驶和联网车辆

未来，车辆可能能够达到 5 级自主性，并在没有人为干预的情况下完全自动驾驶。然而，今天，汽车制造商和汽车初创公司正在努力获得 2、3 和 4 级自动驾驶技术。摄像头、雷达、激光雷达和许多其他车载传感器被用于捕获有关道路状况的信息，告知适当的驾驶行为，并可能预防事故。为了实现这一目标，在短期内将有近 1 TB 的数据存储在船上，而在未来十年内，这一数据量可能会激增至 2 TB 以上。

然而，未来的汽车不仅仅是自动驾驶。多亏了物联网，汽车可以通过“车联网”或“V2X”技术与彼此、道路基础设施，甚至有朝一日甚至行人进行通信。自动驾驶汽车的车队可以通过这种类型的通信进行管理，使旅行更快、更安全。在车上，支持物联网的设备可以改善发动机诊断、GPS 数据和信息娱乐系统。

1.1.2. 企业和家庭的智能安全

从历史上看，安全系统通常只是简单地使用低分辨率摄像头来被动捕捉视频。无论是私人住宅还是商业地产，这种趋势都存在。现在，智能安全系统专门用于捕获、存储和分析连续视频流。除了高分辨率摄像机捕获的 4K 视频之外，这些系统还可以使用带有机器学习软件的分析层来执行模式识别和运动检测。对于公共交通提供商和场地管理者来说，这些实时洞察在公共安全方面发挥着重要作用——这要归功于设备级别的强大存储和计算。

1.1.3. 将您的家连接到互联网（物联网）

如果你的家可以大部分自动化怎么办？这就是联网家庭技术在这个物联网用例中的发展方向。智能扬声器的功能类似于中央命令，使您的家用电子产品能够执行各种声控功能。例如，您可以指示您的电视播放您最喜欢的节目的最新一集，同时调暗客厅的灯光并将恒温器设置为舒适的温度。通过集成冰箱、洗衣机、烘干机等，这种方法进一步延伸。目标是通过设备、传感器、工具和平台的连接网络为大多数或所有家庭系统（包括能源、气候、娱乐、电器和家庭安全）提供控制。

1.1.4. 智能手表、健身追踪器和其他可穿戴设备

由于大量新的个人设备的涌入，可穿戴设备市场正在蓬勃发展。事实上，最近的一份报告预测，到 2022 年，该行业的年销售额将超过 270 亿美元和 2.33 亿部。这种全球采用很大程度上归功于智能手表，预计智能手表将占全球销售的所有可穿戴设备的一半以上未来几年。消费者正在寻找智能手机和智能手表之间的无缝连接和交互，以跟踪、管理和保护他们的数据——尤其是敏感的健康数据。与此同时，行业分析师预测健身追踪器的销量将持平至下降——这可能是由于缺乏功能以及无法与现有智能手机同步。

但是，技术创新不会仅仅出现在手腕上。一个被称为“可听设备”的新子类别可能会破坏可穿戴设备行业，它使用声控、连接的耳机和耳机。随着越来越多的耳机制造商放弃耳机插孔，这些类型的设备有望在未来变得司空见惯。另一个机会是监测血压和心率的便携式医疗设备，以及在医疗紧急情况下向救护车调度员发出警报。

1.1.5. 机器对机器 (M2M) 连接的设备

今天的工厂正在使用支持物联网的机器来更智能地工作，而不是更努力地工作。通过为机器配备传感器，工厂经理可以更准确地映射机器工作负载、输入和输出。他们还可以更密切地跟踪机器的磨损情况，从而实现预测性而非被动性的维护，并延长使用寿命。由于工业 4.0 的浪潮，有了这些功能，工厂变得越来越自动化。M2M 设备使用嵌入式和可移动闪存解决方案将数据聚合到边缘的单个流中。该网关用于监控工厂车间不断变化的条件并做出反应。同时，未使用的数据被传递到中央云或数据中心进行进一步处理。

1.1.6. 未来的供应链

另一个物联网用例是供应链，它越来越全球化和复杂。客户需求迅速发展，必须采购产品，必须协调运输和交付路线——您了解情况。作为回应，公司正在创建连接的企业系统，并将数据建模作为更广泛的数据管理战略的关键部分。低功耗物联网设备也被用于跟踪整个供应链中的资产，并监控产品质量，例如温度、振动和容器开口。通过使用支持物联网的设备和运输路线，可以通过收集运输中的供应链数据来进一步改进路线规划。

1.1.7. 用于工业和搜救行动的无人机

对于电影摄影师和摄影师来说，无人机帮助记录了视觉艺术家以前无法获得的令人惊叹的风景。但是，这些飞行装置不仅仅用于此目的。石油钻机工人正在使用无人机更快地完成整个钻机检查，而不会牺牲工人的安全或生产停机时间。电子商务公司正在研究无人机将买家的货物运送到他们家门口。甚至非营利组织也在利用无人机监测环境脆弱社区的森林砍伐情况。

除商业用途外，无人机还在搜索和救援任务中为公共利益服务。这些机器正在帮助搜索和救援团队更快地找到受害者，评估受害者的状态，并为救援任务绘制正确的路径。在危险的山区救援中，成功的无人机操作需要高性能和大容量的数据存储。阅读我们最新的白皮书，了解可靠的存储如何在危及生命的紧急情况下发挥作用。

1.1.8. 智慧城市：能源、交通、停车等

最有前途的物联网用例之一是创建更智能、更高效的城市。可以优化公共能源网以平衡工作负载、预测能源激增并更公平地向客户分配能源。密集的城市环境中的交通系统也是如此。可以使用物联网同步交通信号灯，以实时适应交通状况。在紧急情况下，第一响应者可以与交通信号灯通信以同步并提供对关键位置的直接访问。另一种可能性是对停车位进行数字跟踪，以便将可用空间作为推送通知自动发送给寻找停车位的司机。

1.1.9. 从农场到技术到餐桌

今天的农民正在利用物联网的力量来简化他们的运营。随着散养牲畜的广泛采用，互联技术可以在动物在开阔牧场放牧时对其进行跟踪。放置在灌溉系统中的智能传感器可以减少用水量，从而为给定的作物在土壤中创造合适的水分含量。它甚至被用来监视堆肥中的湿度和温度等因素。此外，农民可以密切关注他们的设备，标出每个项目的位置，跟踪其性能，并进行预测性维护。在传统农场之外，葡萄酒生产商正在使用物联网来了解葡萄藤的健康状况和葡萄中的糖分含量。

西部数据提供从设备到系统和平台的广泛产品组合，旨在实现物联网和边缘计算驱动的数据的力量和可能性。

基于西部数据 Ultrastar 平台构建的对象存储解决方案，包括 Ultrastar Data60 混合存储平台和 Ultrastar Data102 混合存储平台，旨在处理物联网产生的海量数据。该公司还提供自适应解决方案来处理从智能传感器应用程序堆栈的小型存储到边缘网关服务器的所有内容，以促进 M2M 连接设备的进步。作为工业物联网值得信赖的合作伙伴，Ultrastar NVMe 系列和 Ultrastar SATA 系列 SSD 提供了最小化延迟和最大化响应能力所需的性能。

1.2. IoT 组件

几个不可忽略的要素推动着 IoT 生态系统的发展，要了解 IoT，就要弄清楚它们在其中扮演的角色。

IoT 由一个个智能对象组成。它们是能够交换数据并且连接到互联网的设备，可以是用于测量压力、温度等环境变量的简单传感器，也可以是更复杂的一套完整系统。烤箱、咖啡机，甚至洗衣机都可以是智能对象连接到互联网的例子。所有这些智能对象都可以当作 IoT 中的成员。

总之，IoT 对象不仅可以是智能化的家用电器，还可以是汽车、建筑物和执行器等。可以在连接时引用这些对象，使用某种唯一标识符与它们交流互动。

在底层，这些设备使用网络层中的相关技术来交换数据。在 IoT 底层，重要且常用的协议包括：

Wi-Fi；
Bluetooth；
ZigBee；
Cellular network；
NB-IoTLoRA。

原型开发板在 IoT 中扮演着至关重要的角色，有助于开发具有一定量级的连接对象。使用开发板，可以实现多种 IoT 项目。我们可能已经了解了市场上已经有的几种原型开发板，它们各具特色且功能各异。例如：

Arduino（配置各异）；
Raspberry Pi（配置各异）；
Intel Edison；
ESP8266；
NXP。

在应用层中，IoT 项目也广泛使用了几种通用协议。其中一些协议派生自特定的环境（如 Web），也有一部分特定于 IoT。常见的有以下几种：

HTTP；
MQTT；
CoAP；
AMQP；
Rest；
XMPP；
Stomp。

1.2.1. MQTT协议

MQTT协议（Message Queue Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是IBM的Andy Stanford-Clark和Arcom的Arlen Nipper于1999年为了一个通过卫星网络连接输油管道的项目开发的。为了满足低电量消耗和低网络带宽的需求，MQTT协议在设计之初就包含了以下几个特点：

实现简单
提供数据传输的QoS
轻量、占用带宽低
可传输任意类型的数据
可保持的会话（Session）

随着多年的发展，MQTT协议的重点不再只是嵌入式系统，而是更广泛的物联网世界。

简单来说，MQTT协议有以下特性：

基于TCP协议的应用层协议
采用C/S架构
使用订阅/发布模式，将消息的发送方和接受方解耦
提供3种消息的QoS（Quality of Service）：至多一次、最少一次、只有一次
收发消息都是异步的，发送方不需要等待接收方应答

MQTT协议的架构由Broker和连接到Broker的多个Client组成，如图所示。
在这里插入图片描述

MQTT协议可以为大量的低功率、工作网络环境不可靠的物联网设备提供通信保障。而它在移动互联网领域也大有作为，很多Android App的推送功能都是基于MQTT协议实现的，一些IM的实现也是基于MQTT协议的。

1.2.2. MQTT-SN协议

MQTT-SN（MQTT for Sensor Network）协议是MQTT协议的传感器版本。MQTT协议虽然是轻量的应用层协议，但是MQTT协议是运行于TCP协议栈之上的，TCP协议对于某些计算能力和电量非常有限的设备来说，比如传感器，就不太适用了。

MQTT-SN运行在UDP协议上，同时保留了MQTT协议的大部分信令和特性，如订阅和发布等。MQTT-SN协议引入了MQTT-SN网关这一角色，网关负责把MQTT-SN协议转换为MQTT协议，并和远端的MQTT Broker进行通信。MQTT-SN协议支持网关的自动发现。MQTT-SN协议的通信模型如图所示。

在这里插入图片描述

1.2.3. CoAP协议

CoAP（Constrained Application Protocol）协议是一种运行在资源比较紧张的设备上的协议。CoAP协议通常也是运行在UDP协议上的。

CoAP协议设计得非常小巧，最小的数据包只有4个字节。CoAP协议采用C/S架构，使用类似于HTTP协议的请求-响应的交互模式。设备可以通过类似于coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature的URL来标识一个实体，并使用类似于HTTP的PUT、GET、POST、DELET请求指令来获取或者修改这个实体的状态。

同时，CoAP提供一种观察模式，观察者可以通过OBSERVE指令向CoAP服务器指明观察的实体对象。当实体对象的状态发生变化时，观察者就可以收到实体对象的最新状态，类似于MQTT协议中的订阅功能。CoAP协议的通信模型如图所示。

在这里插入图片描述

1.2.4. LwM2M协议

LwM2M（ Lightweight Machine-To-Machine ）协议是由Open Mobile Alliance（OMA）定义的一套适用于物联网的轻量级协议。它使用RESTful接口，提供设备的接入、管理和通信功能，也适用于资源比较紧张的设备。LwM2M协议的架构如图2-4所示。

在这里插入图片描述

LwM2M协议底层使用CoAP协议传输数据和信令。而在LwM2M协议的架构中，CoAP协议可以运行在UDP或者SMS（短信）之上，通过DTLS（数据报传输层安全）来实现数据的安全传输。
LwM2M协议架构主要包含3种实体—LwM2M Bootstrap Server、LwM2M Server和LwM2M Client。

LwM2M Bootstrap Server负责引导LwM2M Client注册并接入LwM2M Server，之后LwM2M Server和LwM2M Client就可以通过协议指定的接口进行交互了。

1.2.5　HTTP协议

正如我们之前所讲，物联网也是互联网，HTTP这个在互联网中广泛应用的协议，在合适的环境下也可以应用到物联网中。在一些计算和硬件资源比较充沛的设备上，比如运行安卓操作系统的设备，完全可以使用HTTP协议上传和下载数据，就好像在开发移动应用一样。设备也可以使用运行在HTTP协议上的WebSocket主动接收来自服务器的数据。

1.2.6　LoRaWAN协议

LoRaWAN协议是由LoRa联盟提出并推动的一种低功率广域网协议，它和我们之前介绍的几种协议有所不同。MQTT协议、CoAP协议都是运行在应用层，底层使用TCP协议或者UDP协议进行数据传输，整个协议栈运行在IP网络上。而LoRaWAN协议则是物理层/数据链路层协议，它解决的是设备如何接入互联网的问题，并不运行在IP网络上。

LoRa（Long Range）是一种无线通信技术，它具有使用距离远、功耗低的特点。在上面的场景下，用户就可以使用LoRaWAN技术进行组网，在工程设备上安装支持LoRA的模块。通过LoRa的中继设备将数据发往位于隧道外部的、有互联网接入的LoRa网关，LoRa网关再将数据封装成可以在IP网络中通过TCP协议或者UDP协议传输的数据协议包（比如MQTT协议），然后发往云端的数据中心。

1.2.7　NB-IoT协议

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）协议和LoRaWAN协议一样，是将设备接入互联网的物理层/数据链路层的协议。

与LoRA不同的是，NB-IoT协议构建和运行在蜂窝网络上，消耗的带宽较低，可以直接部署到现有的GSM网络或者LTE网络。设备安装支持NB-IoT的芯片和相应的物联网卡，然后连接到NB-IoT基站就可以接入互联网。而且NB-IoT协议不像LoRaWAN协议那样需要网关进行协议转换，接入的设备可以直接使用IP网络进行数据传输。

NB-IoT协议相比传统的基站，增益提高了约20dB，可以覆盖到地下车库、管道、地下室等之前信号难以覆盖的地方。

2. 物联网具有哪些用途？

简而言之，IoT 让你能够使用自己的数据解决业务问题。物联网指的不仅仅是已连接的设备，还指这些设备收集的信息，以及可以从这些信息中获得的强大、即时的见解。这些见解可用于实现业务转型，并通过各种改进来降低成本，例如减少材料浪费，简化操作和机械流程，或扩展到新的业务线，而这些只有借助可靠的实时数据才能实现。使用 IoT 将数据转化为见解并将这些见解付诸实践，从而创造出真正的竞争优势。