作者：佩里·利（Perry Lea）

來源：華章科技

我們將從連接設備的角度來研究物聯網，這些設備之前未必相互連接或接入互聯網。它們可能一直沒有太多的計算或通信能力。我們假定這些設備歷來在成本、功率、空間、重量、尺寸或散熱方面有局限性。

正如我們在物聯網設備的歷史中所看到的，自20世紀80年代初以來，已經可以實現連接傳統上不可連接的物體（如卡內基–梅隆大學的冰箱），但其成本相當高。它需要DEC PDP 11大型計算機的處理能力。

摩爾定律證明了硅芯片組中晶體管的數量和密度的增加，登納德縮放比例定律則改善了計算機的功率配置。遵循這兩種趨勢，我們現在生產的設備可以使用更強大的CPU和更大的內存容量，運行能夠執行完整網絡棧的操作系統。只有滿足了這些要求，物聯網才能成為一個獨立的產業。

對于物聯網設備的基本要求如下：

• 具有計算能力，可以運行Internet協議軟件棧
• 能夠利用802.3等網絡傳輸的硬件和電源
• 不是傳統的互聯網連接設備，如個人計算機、筆記本電腦、智能手機、服務器、數據中心設備、辦公生產力設備（office productivity machine）或平板電腦

此外還包括“邊緣”設備。邊緣設備本身可以是物聯網設備，也可以是物聯網設備的 “主機”。邊緣設備通常是管理計算機節點，它們延伸到更接近數據產生或數據動作的源。它們可能不是數據中心的典型服務器和集群，而是現場的空間、電力和環境加固設備。

例如，數據中心刀片服務器由針對可控環境進行優化的電子器件組成，其服務環境包含冷熱通道、熱交換器和不間斷電源。邊緣設備有可能會被放置在室外，暴露在天氣因素下，以及在無法持續供電的區域。其他時候，它們可能包括傳統的服務器節點，但其不受數據中心的限制。

鑒于這些限定因素，物聯網市場的實際規模小于分析機構的預測。當我們將傳統的IT和互聯網連接設備與物聯網設備劃分開來時，會看到不同的增長率，如圖1-4所示。

▲圖1-4 按定義將物聯網設備與非物聯網設備（如IT設備和移動計算）的銷售量分開

進一步分析物聯網設備中使用的實際組件，會發現另一個有趣的模式。如前所述，大多數互聯網連接設備需要一定水平的性能和硬件才能通過標準協議進行通信。然而，圖1-5顯示了通信芯片和處理器的數量與傳感器出貨數量的差異。這強化了一個概念：從傳感器到邊緣計算機和通信設備有大量的“扇出”（fan-out）。

值得注意的是，大多數物聯網裝置并不是具有運行互聯網硬件和軟件棧能力的單一設備。大多數傳感器和設備沒有直接連接互聯網的能力。它們缺乏連接互聯網所需的處理能力、內存資源和配電。更確切地說，很多真正的物聯網都依賴于星型網絡中的網關和邊緣計算機。

有大量設備的扇出通過本地個人區域網、非IP網絡（藍牙）、工業協議（ModBus）、傳統的棕地（brownfield）協議（RS232）和硬件信號連接到邊緣計算機。

01 工業和制造業

按照連接數量和服務為制造業和工廠自動化帶來的價值衡量，工業物聯網（Industrial IoT，IIoT）是整個物聯網領域中增長最快、規模最大的細分市場之一。這一細分市場歷來是運營技術（OT）的領域。這涉及實時監控物理設備的硬件和軟件工具。

這些系統在歷史上一直是管理工廠車間的性能和輸出的本地計算機和服務器。我們稱這些系統為監控和數據采集（SCADA）。傳統的IT角色與OT角色的管理方式不同。OT將關注產量指標、正常運行時間、實時數據收集和響應以及系統安全。IT角色將專注于安全性、分組、數據交付和服務。

隨著物聯網在工業和制造業中的普及，這些領域會與成千上萬的工廠和生產機器的預測性維護相結合，將前所未有的數據量傳遞到私有云和公有云基礎設施。

▲圖1-5 物聯網銷售中傳感器、處理器和通信IC的銷售趨勢

這一細分市場的特點包括需要為OT提供準實時或實時的決策，這意味著時延是工廠車間物聯網面臨的主要問題。

此外，停機時間和安全性也是最受關注的問題。這意味著需要數據冗余，可能還需要私有云網絡和數據存儲。工業細分市場是增長最快的市場之一。它的一個特點是對棕地技術的依賴，意味著硬件和軟件接口不是目前的主流技術。有30年歷史的生產機器通常依賴RS485串行接口，而不是現代無線網絡的網狀結構。

以下是工業和制造業物聯網用例及其影響：

• 對新舊設備進行預防性維護
• 通過實時需求提高產量
• 節能
• 安全系統，例如熱感應、壓力感應和氣體泄漏
• 工廠車間專家系統

02 消費者

消費類設備是最早接入互聯網的細分市場之一。在20世紀90年代，消費者物聯網最早出現在一所大學里，它是一個聯網的咖啡壺。在21世紀初，隨著藍牙技術的應用，消費者物聯網得到了蓬勃發展。

目前，數百萬個家庭擁有Nest溫控器、Hue智能燈泡、Alexa助手和Roku機頂盒。人們也把Fitbits和其他可穿戴技術聯系在一起。消費者市場通常是最先采用這些新技術的市場。我們也可以將它們當作小玩意。它們都經過精美的包裝，并可以即插即用。

消費者市場的一個制約因素是標準的分歧。例如，藍牙、Zigbee和Z-Wave等主要的WPAN協議都是不可互操作的。

這一細分市場和醫療保健市場有一些共同特點，醫療保健市場也有可穿戴設備和家庭健康監護設備。醫療保健將超越簡單的可聯網家庭健康設備（例如，超越Fitbit智能手環的功能）。

以下是一些消費者物聯網用例：

• 智能家居類：智能灌溉、智能車庫門、智能鎖、智能燈、智能恒溫器和智能安全
• 系統
• 可穿戴設備類：健康和運動跟蹤器、智能服裝/可穿戴設備
• 寵物類：寵物定位系統、智能狗狗門

03 零售、金融和營銷

這一類別是指任何以消費者為基礎的商業交易場所，可以是實體店，也可以是快閃售貨亭。這些服務包括傳統的銀行服務和保險公司，也包括休閑和接待服務。零售物聯網正在發展，目的是降低銷售成本和改善客戶體驗。這是通過大量的物聯網工具實現的。為了簡化，我們還將廣告和營銷添加到此類別。

這一細分市場衡量即時金融交易中的價值。如果物聯網解決方案不能提供這種響應，則必須對它的投資建設進行慎重考慮。這會限制人們尋找新的方法來節約成本或增加收入。提高客戶的效率可以使零售商和服務行業提供更好的客戶體驗，同時將開銷和銷售成本損失降到最低。

一些此類物聯網用例如下：

• 定向廣告，如近距離定位已知或潛在客戶并提供銷售信息
• 信標（如近距離感知客戶、業務模式和間歇時間）作為營銷分析
• 資產跟蹤，如庫存控制、損失控制和供應鏈優化
• 冷庫監控，例如分析易腐存貨的冷藏。將預測分析應用于食品供應
• 資產保險跟蹤
• 駕駛員的保險風險測量
• 商場、酒店或市區的數字標牌
• 娛樂場所、會議、音樂會、游樂園和博物館內的信標系統

04 醫療保健

醫療行業將與制造業和物流業爭奪物聯網領域收入和影響的首位。對于幾乎每個發達國家，所有能提高生活質量和降低醫療成本的系統都是最受關注的。物聯網已經做好了準備，無論患者身在何處，都可以對其進行遠程和靈活的監控。

先進的分析和機器學習工具將用于觀察患者，以診斷疾病和給出治療方案。在需要危重癥護理的情況下，這些系統還可以作為監控器。目前，可穿戴健康監視器約有5億臺，未來幾年將以兩位數的速度增長。

醫療系統的嚴管是非常重要的。從HIPAA合規到數據安全，物聯網系統需要像醫療級別的工具和設備一樣工作。如果患者在家接受監控，那么現場系統需要與醫療中心進行全天候、可靠且無停機時間的通信。系統可能需要在醫院網絡中同時監視救護車輛中的患者。

一些醫療保健物聯網用例如下：

• 家庭患者護理
• 預測性和預防性醫療的學習模型
• 癡呆癥患者和老年人護理和跟蹤
• 醫院設備和供應資產跟蹤
• 藥物追蹤和安全
• 偏遠地區遠程醫療
• 藥物研究
• 患者跌倒指示燈

05 運輸業和物流業

運輸和物流在物聯網方面即使不是主要驅動力，也是非常重要的驅動力。這些用例涉及使用設備跟蹤正在交付、運輸或裝運的資產，無論是在卡車、火車、飛機還是船上。這也是車聯網的領域，它們通過通信向駕駛員提供幫助，或代表駕駛員進行預防性維護。

現在，一輛普通的新車會有大約100個傳感器。隨著車–車通信、車–路通信和自動駕駛成為實現安全性或舒適性的必備功能，這一數字將會翻倍。它的重要作用不僅局限于消費性車輛，還延伸到無法承受任何停機時間的鐵路線和航運船隊。

我們還將看到能夠跟蹤工人工具、建筑設備等資產和其他有價值資產的服務卡車。有些用例可能非常簡單，但也非常昂貴，比如監控服務車輛在運送貨物時的位置。系統需要根據需求和常規設定將卡車和服務人員自動運送到各個地點。

這種移動型的系統有地理定位的要求，其中大部分來自GPS導航。從物聯網的角度看，分析的數據將包括資產和時間，也包括空間坐標。

以下是一些運輸業和物流業物聯網用例：

• 車隊跟蹤和位置感知
• 市政車輛的規劃、路線和監控（除雪、垃圾處理）
• 冷藏運輸和食品配送安全
• 軌道車輛識別和跟蹤
• 車隊內的資產和包裹跟蹤
• 道路車輛的預防性維護

06 農業和環境

農業和環境物聯網包括牲畜健康、土地和土壤分析、微觀氣候預測、有效用水等要素，以及在發生地質和天氣相關災害時進行災害預測。雖然世界人口增長放緩，但世界經濟變得更加富裕。盡管饑荒不像100年前那么普遍，但到2035年對糧食生產的需求也將翻倍。

通過物聯網可以實現農業的顯著效率提升。利用智能照明并根據家禽年齡調整頻譜頻率，可以提高養雞場現有的生長速度并降低死亡率。此外，與目前使用的普通啞光白熾燈相比，智能照明系統每年可節省10億美元的能源。

其他用途包括利用傳感器的移動和定位來檢測牲畜健康狀況。養牛場可以在細菌或病毒感染傳播之前發現有患病傾向的動物。遠程邊緣分析系統可以使用數據分析或機器學習方法，實時查找、定位和隔離牛群。

該細分市場在偏遠地區（火山）或人口稀疏區域（玉米田）將有所不同。這對數據通信系統有影響。

以下是一些農業和環境物聯網用例：

• 智能灌溉和施肥技術，以提高產量
• 智能照明在巢式或家禽養殖中的應用，以提高產量
• 牲畜健康和資產跟蹤
• 通過制造商對遠程農業設備進行預防性維護
• 基于無人機的土地調查
• 通過資產跟蹤實現農場到市場的供應鏈效率
• 機器人耕作
• 用以預防災害的火山和斷層線監測

07 能源產業

能源細分市場包括從生產源頭到消費者的能源監測。大量的研究和開發集中在消費能源和商業能源監測器上，例如智能電表，它通過低功耗和遠距離協議進行通信，可以顯示實時能源使用情況。

許多能源生產設施處于偏遠或惡劣的環境中，如沙漠地區的太陽能電池板、陡峭山坡上的風力發電場以及核反應堆的危險設施。此外，數據可能需要實時或準實時響應，以便對能源生產控制系統（很像制造系統）做出重要的反應。這可能會影響物聯網系統在這一類別中的部署方式。

以下是能源物聯網的一些用例：

• 對石油鉆井平臺數千個傳感器和數據點進行分析，以提高效率
• 遠程太陽能電池板監控和維護
• 核設施的危險分析
• 在整個城市范圍內部署智能電表、氣表和水表，以監控使用情況和需求
• 分時電價定價
• 根據天氣情況對遠程風力渦輪機進行實時葉片調整

08 智慧城市

“智慧城市”是一個短語，用來指互聯和智能化的基礎設施、市民和車輛。智能城市是增長最快的細分市場之一，尤其是在考慮稅收收入時，其成本收益比相當可觀。智慧城市還通過安全、安保和易用性來影響市民的生活。

例如，巴塞羅那等多個城市已經采用物聯網技術，根據當前容量以及自上次取貨以來的時間監控垃圾容器和垃圾箱。這提高了垃圾收集效率，使城市在運輸垃圾時使用的資源和稅收更少，同時也消除了腐爛有機物的潛在氣味和臭味。

智能城市部署的一個特點可能是使用的傳感器數量。例如，在紐約的每個街角安裝一個智能攝像頭需要3000多個攝像頭。像巴塞羅那這樣的城市將部署近100萬個環境傳感器來監測電力使用、溫度、環境條件、空氣質量、噪聲水平和停車位。

與流媒體視頻攝像機相比，這些設備的帶寬需求較低，但傳輸的數據總量與紐約的監控攝像機幾乎相同。在構建正確的物聯網架構時，需要考慮數量和帶寬的這些特性。

智慧城市還會受到政府命令和法規的影響，因此與政府細分市場有聯系。

智慧城市物聯網的一些用例如下：

• 通過環境感知進行污染控制和監管分析
• 利用城市范圍內的傳感器網絡進行小氣候天氣預報
• 通過按需廢物管理服務提高效率并改善成本
• 通過智能交通燈控制和模式化，改善交通流量和燃油經濟性
• 按需城市照明提高能源使用效率
• 根據實時道路需求、天氣狀況和附近的鏟車進行智能掃雪
• 根據天氣和當前使用情況對公園和公共場所進行智能灌溉
• 智能攝像機監控犯罪和實時自動AMBER警報
• 智能停車場，可根據需要自動找到最佳停車位
• 橋梁、街道和基礎設施的磨損和使用情況檢測，以提高使用壽命和服務質量

09 軍事和政府

美國市政府、州政府和聯邦政府以及軍方對物聯網的部署都有濃厚的興趣。以加州的行政命令B-30-15為例，該命令指出，到2030年，影響全球變暖的溫室氣體排放量將比1990年的水平低40%。

為了實現這樣的激進目標，環境監測器、能源傳感系統和機器智能將需要發揮作用，在保持加州經濟活力的同時，按需改變能源模式。其他案例包括物聯網戰場等項目，目的是提高對敵人的反擊效率。當我們考慮對公路和橋梁等政府基礎設施的監測時，這一細分市場也屬于智慧城市范疇。

政府在物聯網中的角色是以標準化、頻譜分配和法規的形式發揮作用。例如，頻譜資源如何被劃分、保護和分配給不同的供應商。

以下是一些軍事和政府物聯網用例：

• 通過物聯網設備模式分析和信標進行恐怖威脅分析
• 無人機部署的群體傳感器
• 在戰場上部署傳感器炸彈，形成傳感器網絡，以監測各種威脅
• 政府資產追蹤系統
• 實時軍事人員跟蹤和定位服務
• 監測敵對環境的綜合傳感器
• 水位監測，以測量大壩和防洪能力

關于作者：佩里·利（Perry Lea）是一位具有30年豐富經驗的技術專家。他在惠普公司工作了20多年，擔任LaserJet業務的首席架構師和杰出技術專家。隨后，他在Micron擔任技術專家和戰略總監，帶領團隊致力于研究利用內存處理進行機器學習和計算機視覺的新興計算領域。之后，他又在Cradlepoint領導公司轉向5G和物聯網。

本文摘編自《物聯網系統架構設計與邊緣計算》（原書第2版），經出版方授權發布。

延伸閱讀《物聯網系統架構設計與邊緣計算》

推薦語：本書涵蓋從物聯網傳感器到云計算的整個物聯網解決方案譜系。首先研究現代傳感器系統、通信理論，然后探討局域網和廣域網中基于IP的通信，包括80211ah、5G LTE蜂窩、Sigfox和LoRaWAN，講解邊緣計算、路由和網關及其在霧計算中的作用，以及MQTT 50和CoAP的消息傳遞協議。內容豐富，涵蓋了從物聯網傳感器到云計算的整個物聯網解決方案譜系。