聊聊物联网技术的发展

作者:Jim Chase,德州仪器 (TI) 战略市场营销部

引言

物联网(IoT)正在快速发展。我们需要知道在实现水平和垂直应用平衡方面存在的挑战,以及在2020年实现500亿设备联网目标所要求的一些基础。

Jim Chase在高技术行业工作了超过27年,他的全部工作就是与客户一起,帮助他们站在技术发展的前沿,并克服面临的诸多挑战。作为一名倍受客户信任的专家,他把自己的系统解决方案介绍给全世界的商业和消费类客户。这种方法让他在德州仪器(TI)创造出物联网解决方案,帮助广大客户实现产品联网。

从物联网到数据生活,为挑战和成熟物联网做好准备。

一般来讲,物联网就是把物接入互联网,利用这种网络来对这些物进行某种有效的远程监控或者控制。这种物联网定义并不全面,它只是物联网发展过程中的一部分。从根本上而言,它几乎重新塑造了今天的机器对机器(M2M)市场。

发展到高潮阶段(生活在数据之中)的物联网定义如下:

物联网创造了一个智能、无形的网络结构,我们可以感知、控制和设计它。拥有物联网功能的产品使用嵌入式技术,能够相互之间或者与互联网进行直接或间接的通信。

20世纪90年代,互联网开始在企业和消费类市场迅猛发展,但因网络互联性较差,其使用仍然受限。到21世纪初,互联网接入成为许多应用的标准功能,而今天,它将成为许多企业、工业和消费类产品的组成部分,以拥有信息访问能力。但是,这些设备仍然是互联网的初级阶段,它要求更多的人机交互,并需要通过应用程序和接口实现监控。无形技术在后台工作,对我们的需求做出动态的回应,让各种“物”按照我们的愿望工作。只有这时,物联网真正的未来才刚刚开始实现。

截止目前,世界已经部署了约50亿台“智能”联网设备。预计到2020年,将有500亿台联网设备,届时,我们将可以使用一个拥有万亿节点的网络。这些数字听起来确实令人震惊。我们今天部署物联网的基本原理,会成为实现上述目标的障碍。通过简化今天物联网的连接与通信方法,便可以实现500亿联网设备的目标。

明天的物联网

我预订的酒店知道我即将入住,并知道我到达酒店的具体时间,因为我让苹果公司和谷歌追踪我的位置。另外,它还知道我一路过来感觉很热,身上出了很多汗,因为我的智能手表里安装有温度和湿度传感器。目前,我将要入住的酒店房间还没有激活(灯没开,窗帘紧闭,温度未调节)。我一到达酒店,服务生便知道是我。他帮我打开车门,车载在探测到服务生以后也会自动调节坐椅。我喜欢自己拿包,因此服务生领班也不会主动上来询问是否需要帮助。一旦走到酒店大堂附近,我的智能手机上的一个安全应用程序便会启动。我到达电梯时,即将入住的房间便会根据智能手表传感器所发送的信息,对温度进行调节。灯光亮度、音乐和私人场景都将根据我的要求设定。由于我很热,还出了汗,因此房间还会准备好热水,以便让我在一进房间便可洗澡。当我接近房间时,安全应用程序会打开房间的门锁。到了晚上,房间探测到关灯行为,便会把温度调节至适合我睡眠的设置。

今天的物联网

在这种场景下,链锁酒店的所有房间都安装有各种传感器和致动器。所有出租车都有各类传感器和致动器。我身上也穿戴着各种传感器和致动器,例如:手表震动提醒等。我的智能手机是我活动的一个网关,但是我无需经常使用手机触摸屏来指示各种联网设备如何工作。未来,每天将有数百万的人像我这样享受生活。我们将生活在数据之中。这种物联网不会马上实现。只有创造出一个最小公分母(这个星球上所有人都一致认可的简单通信方案),我们才能实现这样的联网规模。它必须是一种与大自然界类似的数字生态。目前,技术协议和数据结构受限于其设计复杂度、安全、可扩展性等等。尽管设备的复杂性不断增加,但我们的联网设备却必须越来越易于使用。模拟和数字的界线将越来越模糊。即使对这种技术几乎一无所知,这个星球上的每一个人也都能“设计”出属于他(她)自己的生活环境。

在我们把其称作物联网以前,许多制造商就已在把各种物连接至互联网。20世纪90年代中期,网络服务器开始加入嵌入式产品的阵营。过去15多年中,M2M制造商一直在把互联网接入系统集成到高价值资产追踪、警报系统和车队管理等应用之中。虽然M2M系统是基于工业标准协议,但要搭建这些系统仍然存在巨大的挑战。然而,随着终端节点中集成的处理器越来越强大,集成M2M系统正变得越来越容易。由于这些处理器支持高级操作系统(OS)和语言,因此这种平台可以利用智能框架。这些系统常常连接至高端商业服务层,并且由网络操作中心(NOC)来管理。

消费者已经让许多物加入到互联网中,例如:恒温控制器、能量计、照明控制系统、音乐流与控制系统、远程视频播放盒、水池系统、灌溉系统等。这些系统中的大多数都可以通过某个网站来接入访问,这样用户便可以通过一个标准网络浏览器或者一个智能手机应用程序(相当于个人网络操作中心)来管理它们。

图 1物联网家庭中,有无数网络设备和电器在后台为消费者服务。

图 1物联网家庭中,有无数网络设备和电器在后台为消费者服务。

尽管物联网的工业和消费类应用都令人感到兴奋,但是部署它们并非是一件简单的事件,因为它们都是一些完全不相干的垂直系统。这些系统可能会使用完全相同的协议和OS构架,但是通信层却不同。另外,每一种系统都可以使用开放式应用程序编程接口(API),无需横向连接,这样可以实现更简单的跨应用集成。

喷水系统便是一个例子。它拥有一定的智能水平,可根据具有可编程控制功能的各种传感器和互联网气象信息,决定何时喷水。但是,它与房子周围的运动传感器没有联系,当狗或者孩子出现在喷水区域时,它不会停止喷水。喷水控制器没有收到运动传感器的信息,因此我们需要使用其它运动控制垂直集成来把数据传输至另一台云服务器。这样,便需要把两台云服务器连接在一起。我们希望,两种系统集成都考虑到少量的额外控制。但是,在电子系统中,“希望”这个词并不是一个好词。在服务器上使用Perl、Python、PHP或者其它语言编写的附加垂直应用程序可以实现联网,感知人或者宠物的活动,从而让喷水系统暂停喷水(或者用户希望的其它逻辑实现)。但除非你是一个专家,否则完成这项工作并不容易,因此部署这种系统相当费时。

对于垂直集成联网的需求,带来了许多新的网络服务,例如:IFTTT.com(If this then that的缩写)和zAPIer.com,它们让用户可以直观地把一些完全不相干的垂直系统连接到一起。但是,它要求用户注册使用另一项服务,以了解是否有能够满足具体垂直集成需求的API接口。这些平台提供一些基本的服务,例如:“如果(If)我收到妻子的电子邮件,则(then)给我的手机发送短信。”它假设,更重要的流程控制总是在后面。回到前面的例子,假设喷水系统有一个延迟喷水控制API,则你可以做这样连接:如果有人或宠物活动,则延迟喷水。以上操作共涉及三项不同的服务,三次登录(同样必须通过第三方服务来管理),三个不同的智能手机应用程序,以及几个故障点。现在,如果用户希望把这种服务与他(她)的日历集成到一起,以便在举行家庭聚会时院子不会是湿漉漉的,那怎么办呢?情况就变得更加复杂。

尽管上面介绍的应用都很有趣,但是物联网的部署却仍然很费时。没错,制造商们会越来越多地使用物联网,而新型垂直应用与载体也会增加。但是物联网并不是简单地发送一条垂直短信或者微博。这些是有趣的演示,但是它们缺少可扩展性,也没有跨垂直系统的集成。物联网应能实现通知功能,但它也需要一种简单的方法,让各种设备能够运行各种程序,并对其它设备或者服务做出响应,从而构成一种复杂的应用,无需使用复杂的编程环境。

物联网:垂直和水平平衡

Tim Berners-Lee创造了我们今天所称的互联网(技术上称为HTTP),它通过一个开放式平台把全世界的人联系到一起。我们很难说,他这么做是一种大公无私的行为。在这之前,只有一些专有的企业网络,并且几乎没有信息共享―前互联网时代的垂直结构。阿帕网络(ARPANET)部署了一些基础线路和通信协议,开启了互联网迅猛发展的时代。这种构架很健壮,而垂直分拆成为了国防数据网(DDN)和国家科学基金网(NFSNET)。在公共和私有企业的资助下,NFSNET最终变为互联网骨干网的重要组成部分。在今天的互联网中,在网络接入与信息传输的基础平台上,有许多垂直应用。

今天,制造商有大量的垂直应用要求。一些可能是非营利性质的,但大多数都是希望赚取利益。没有这些,则没有物联网的未来。但是,同时也存在非营利性要求,以达到水平平衡。明天的物联网将是我们迄今创造的最大规模的水平系统构架。垂直应用会继续存在,但是,最低程度的网络接入与信息传输应无处不在,普遍存在于所有应用中。

另外,水平平衡会要求物联网看起来更像是一个有机系统。细胞复制时,它们以DNA的形式把基础信息从一个细胞传递到另一个细胞。细胞组合在一起,形成自动调整结构层级,利用神经系统来建立和保护其细胞结构-身体的水平结合形式。人有数万亿个细胞,它们非常有弹性,可以持续工作100多年,而不用“重启”。这就是人们把有机系统作为基础信息和设备构架的基础进行研究的原因。

你或许也得出了这样的结论:互联网具有有机系统的特性。但是,今天的互联网把其大部分数据传输都整合到一些超大型数据通道中。最初的互联网看起来更加“扁平”,本质上更像点对点网络。那时,人们对带宽的大部分使用仅仅只是发送信息,因此带宽要求非常低。对媒介和时间有严格要求的数据传输,迫使人们使用大型数据通道。今天,客户端-服务器构架占据主导地位,其主要由内容聚合者即各大数据通道公司推动发展。随着这个行业的不断发展,其慢慢会变回最初的扁平结构。但是,大型数据通道不会消失,因为大带宽和及时性要求仍然存在。然而,当物联网拥有数万亿的联网设备时,将会有无数的数据流通道。这种大规模点对点平台的聚合带宽,将远远超过大型数据通道的性能。由于这种网络没有限制,因此它将变为完全的中立和无形。到那时,我们的子孙后代们甚至都不知道什么叫“互联网接入”。当然,假设条件是,我们最终都认可物联网这种基础“货币”。

物联网准备

物联网水平特性的最低技术层准备,要求制造商们克服如下挑战:

•网络接入:没有一种“万用”接入标准。在物联网中,会有各种有线和无线标准以及专有实现,用于网络接入。面临的挑战是,如何使用一种世界公用的数据类别,让各种接入标准之间相互通信。

•电源管理:物联网中,更多设备将使用电池供电,或者利用能源采集技术,从而让设备更加便携和实现能源自给。有线供电设备需要更加高效。存在的挑战是,如何更加容易地给这些设备添加电源管理功能。无线充电将结合充电管理功能。

•安全性:由于物联网内会有大量的数据传输,安全性是一个硬性规定。硬件嵌入式安全和现有网络接入安全协议的使用,对于确保物联网的安全性必不可少。另一个挑战是,如何告知消费者使用其设备中集成的安全功能。

•复杂性:制造厂商正寻求为那些从来没有连过网的器件和设备增加网络接入功能,让其加入到物联网中。设计和开发的简便性,对于让更多设备联网必不可少,特别是典型RF编程较为复杂时。另外,需要让那些没有相关技术知识的普通消费者也能设置和使用其设备。

•快速发展:物联网正在不断变化和发展。每天都有更多的设备加入,而这个行业仍然处在其初期阶段。我们不知道会面对什么样的挑战、设备、应用和使用场景。因此,在发展的各个方面,都需要有灵活性。16MHz到1500MHz的处理器和微控制器,可以满足各种应用需求,从小型、能源采集无线传感器节点的微控制器(MCU)到高性能、多核处理器,均可应用于物联网。我们需要各种有线和无线接入技术,以满足市场的各种需求。最后,还要求使用各种传感器、混合信号和电源管理技术,提供物联网用户界面和能源友好性设计。

总结

物联网将改变我们的生活、工作和娱乐方式。从工厂自动化和车载网络接入到穿戴式传感器和家用电器,物联网将触及我们生活的方方面面。我们周围的各种网络不断变化和发展着,利用它,便可以根据来自其它系统的周围环境信息,“设计”我们自己的生活。有了它以后,车载之间可以相互感知,避免发生交通事故,让我们的生活更加安全。通过它,家里的照明系统可以根据窗户射进来的阳光情况来进行调节,让我们的生活更加环保。利用它,穿戴式传感器会检测心脏情况,防止心脏病发作,从而让我们的生活更加健康。距离2020年的物联网建设目标,我们还有很长的路要走。但可以确定的是,我们有一个令人憧憬的未来。

TI 与物联网

TI拥有业界最为全面的物联网产品系列,包括有线及无线接入技术、微控制器、处理器、传感器以及模拟信号链和电源解决方案,并有专为物联网接入而设计的云系统解决方案。TI通过硬件、软件、工具和技术支持,让应用开发变得更加轻松容易,可让任何设备接入物联网,从高性能家用、工业和车载应用到电池供电型穿戴便携电子设备或者能源采集型无线传感器节点。更多详情,请访问: www.ti.com/iot

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