物联网平台技术漫谈

本文整理自PTR集团首席科学家Mike Anderson的报告《TECHNICAL TRADE-OFFS OF IOT PLATFORMS》

 

PTR集团简介

  • PTR集团成立于2000年
  • 业务领域包括：
    • 机器人（NASA空间机械臂）
    • 飞行软件（超过35个在轨运行的卫星）
    • 攻击型或防御型的网络空间战

给你留下想象空间 J

  • RTOS/Linux/裸机上的嵌入式软件移植
  • IoT系统架构和部署

 

Mike Anderson简介

  • 在嵌入式领域超过39年的工作经验
  • 开发部分VxWorks
  • Linux/Android内核讲师
  • FRC #116 FIRST Robotics Team导师
  • 经常在以下场合演讲：
    • 嵌入式Linux大会 Embedded Linux Conference
    • 嵌入式系统大会 Embedded Systems Conference
    • 美国中情局新技术大会 CIA Emerging Technology Conference
    • 其它

 

讨论内容

  • 平台到底是什么？
  • 架构
  • 重量级玩家
  • IoT和IIoT的区别
  • 如何赚到钱？
  • 总结

 

什么是Internet of Things？

  • Thing是能够连接网络的任何设备
    • 电源管理、无线通信和CPU架构方面的进步能够将智能嵌入"哑"设备
  • Thing产生的数据需要到某处使用
    • 在本地使用，如恒温器
    • 边界网关收集数据并预处理，以便转发到服务器
      • 雾模型 fog model
    • 直接发送至服务器
      • 云模型 cloud model
  • 云平台提供指令、控制和数据分析

 

IoT核心

  • 究其核心，IoT只是一种访问传感器数据并基于数据控制设备的方式
    • 传感器的数量和类型及其连接是差异化的因素
  • 对数据的处理也是差异化的因素
    • 个人消费，如健身手环
      • 机器-人
    • 监控，如遥测/SCADA
      • 机器-机器
  • 预测到2020年将有3万亿美元的市场

 

什么是平台？

  • 取决于讨论的对象
    • 带有传感器的硬件
    • 针对传感器技术的操作系统
    • 通信协议/范式
    • 连接传感器到云端并提供数据分析的端到端系统
  • 从某种角度讲，它包括上述所有内容
    • 取决于你的关注角度

 

消费类IoT

  • 消费类IoT设备主要有2种用途
    • 健身相关设备
      • 可穿戴、锻炼器械等
    • 家庭监控或智能家居
      • 恒温器、烟雾探测器、摄像头等
  • 健身市场比较新
    • 通常是电池供电的传感器
    • 蓝牙、NFC、Wi-Fi或者USB连接
    • 私有解决方案是主流
      • 比如Garmin、Fitbit、Runtastic等

 

消费类IoT #2

  • 智能家居又名家庭自动化（home automation）
    • home automation曾经成功希望不大，市场表现平平
  • 目前，这个领域的玩家很多
    • Thread
    • Apple HomeKit
    • ZigBee Alliance
    • Z-Wave Alliance
    • IoTivity
    • AllSeen
  • 几十个组件生产商参与以上一个或多个生态中
  • 互操作是成功的关键

 

Edge, Middle and Cloud

  • IoT可以理解为包括边缘设备、中间盒子和云平台的生态系统
  • 边缘设备包括传感器、执行器
    • 通常是电池供电，低功耗网络
    • 消费类边缘设备可能采用墙插式供电    

 

 

Edge, Middle and Cloud #2

  • 中间盒子是边界路由器/网关
    • 将边缘设备的低功耗网络翻译为标准的互联网协议，如IPv4/IPv6
    • 可能提供数据预处理
  • 云平台提供：
    • 与外部控制器的连接（智能手机、平板电脑等）
    • 数据汇集和分析
    • 连接和数据服务

 

 

边缘设备

  • 通常使用小型微控制器，如Atmel AVR、ARM Cortex M、MicroChip PIC32等
    • 8/16/32位处理器
    • 无MMU
  • IIoT的遗留边缘设备采用原有的有线通信技术，如RS-232/RS-485/RS-170
    • 工业物联网
    • 电线供电
  • 有些边缘设备期望电池供电，并且一次性使用数年
  • 无线连接，通过低功耗蓝牙、NFC、IEEE 80.15.4
  • IPv4/IPv6/6LoWPAN或者私有技术如ZigBee或者Z-Wave

 

边缘设备 #2

  • 规格多样，通常
    • RAM < 512 KB
    • Flash < 1-2 MB
    • CPU < 300MHz
  • 传感器可能集成到SoC
  • 软件可能运行在裸机或者RTOS上
    • 商业系统，如Wind River/Intel，Micrium，Green Hills，Express Logic
    • 开源系统，如FreeRTOS，Contiki
  • C/C++是这部分的主流语言

 

 

边界路由器

  • 中间盒子是边缘设备和互联网的网关
    • 从低功耗的无线网络获取数据并输出IP数据，通过Wi-Fi或者Ethernet
  • 这类设备运行在基于MMU的操作系统上
    • Linux，Tizen，Android，iOS，Windows
  • 采取形式如Apple TV、平板电脑或者其它带有图像界面的设备或者传感器，如Nest恒温器
    • 提供本地指令、控制功能和系统监控
  • 你的系统可能有多个边界路由器冗余
  • Java，JavaScript，Python，C/C++是主流语言

 

 

云平台

  • 基于服务器的平台
    • 多核x86或者ARM，不间断电源
  • 提供对设备的下行指令和控制
    • 如手持式设备接口
  • 关注数据汇集和数据分析
  • PB级的存储，强大的处理能力
  • Apple Siri和很多其它智能代理的后台
  • Web语言，如Java，JavaScript，Python等
  • Hadoop等框架

 

 

PB有多大？

  • B （20）：1粒大米
  • KB（210）：1杯大米
  • MB（220）：8袋大米
  • GB（230）：3货车大米
  • TB（240）：2集装箱
  • PB（250）：覆盖曼哈顿
  • EB（260）：覆盖英国
  • ZB（270）：填满太平洋

 

 

消息协议

  • 很多消息协议在争夺霸主地位
  • MQTT - Message Queue Telemetry Transport
    • 星型方式
    • 为了消息可靠性，可基于TCP
    • 侧重于遥测数据收集
  • XMPP - Extensible Messaging and Presence Protocol
    • 被Facebook和Jabber消息应用使用
    • 基于HTTP或者TCP上的XML
    • 通信速率依赖于人的使用频率

 

消息协议 #2

  • DDS - Data Distribution Service
    • 侧重于设备到设备通信的订阅/发布式 M2M中间件
    • 对象管理组织的标准（Data Distribution Service）
    • 多种多样的设备和服务安全和互操作
  • REST - Representational State Transfer
    • 使用HTTP操作（GET/POST/PUT/DELETE等）进行消息传输和存储
  • CoAP - Constrained Application Protocol
    • HTTP协议的简化版，基于UDP，用于内存受限的设备
  • 私有协议
    • 消费类设备经常使用这种方式

 

兼容性

  • 很多物联网设备依赖于无线连接
    • Wi-Fi对于电池供电的设备来说过于耗电
      • 如果设备是电线供电则非常简单
      • 通常用于边界网关
    • 用于边缘设备的低功耗蓝牙（Bluetooth Smart），NFC，蜂窝通信和IEEE 802.15.4
      • IEEE 802.15.4三层以上各个厂家不一致
  • 数据交换包括
    • MQTT，XMPP，CoAP，REST，DDS和私有协议

 

Apple HomeKit平台

  • 使用蓝牙，Wi-Fi或者NFC
  • 产品终于上市了
    • 门锁，恒温器，摄像头等各式俱全
    • 兼容iOS 8+设备
  • 控制设备/边界网关是iPhone，iPad，Apple TV
  • 端到端加密
  • 支持基于时间和位置的触发器
  • 每个边缘设备需要配备专有芯片
  • 迄今为止，接入云平台尚不明确

 

 

Apple HomeKit平台 #2

  • 目前没有Apple HomeKit App
  • Apple依赖于厂家App
  • 一旦关联，可以使用语音控制，兼容Siri
  • 无人干预情况下，设备之间可以通信
    • 比如，电灯与百叶窗直接配合

 

 

IoTivity平台

  • Open Connectivity Foundation（OCF）赞助的开源项目，由Linux基金会托管
  • 支持典型的无线互联
  • 支持消息通信，目前包括CoAP，MQTT和REST
    • JSON表示数据
  • 仍是官方预览版软件
    • 支持Linux, Tizen, Android, Arduino (Mega 2560 and Due)
  • 通过加密保障安全，支持证书
  • 通过mDNS和uPNP支持服务发现
  • 设备有认证流程

 

 

IoTivity平台 #2

  • 不同的成员级别
    • 钻石级 @ 35万美元/每年
      • 董事会成员
    • 白金级 @ 5万美元/每年
    • 黄金级 @ 2千美元/每年
    • 非盈利机构/教育机构 黄金会员 @ 1千美元一次性
    • 所有成员级别均有资格查询OCF和UPnP认证的产品和服务
  • OCF与其它生态系统有合作关系

 

 

AllSeen（AllJoyn）平台

  • 由AllSeen联盟开发
    • 成员超过200家公司，包括微软，高通，思科，松下和索尼
  • 由Linux基金会托管开源项目
  • 使用D-Bus消息总线支持发现功能
  • 通过网关代理API支持Android，iOS，Windows，Linux
    • 支持边缘设备
  • 认证流程包括 "Design for AllSeen" logo计划

 

AllSeen（AllJoyn）平台 #2

  • 端到端加密，X.509证书和其它内置安全特性
  • 支持插件协议转换器，支持REST，XMPP，MQTT和TR-069
  • 支持蓝牙，ZigBee，Z-Wave，Wi-Fi等
  • 软件可以下载
    • 支持各类芯片
  • 产品案例
    • https://certify.alljoyn.org/certified-products

 

Thread组织

  • Thread组织成立于2014年，非盈利组织
    • 独立的，中立的，开放的
    • 成员级别
      • 会员（2.5千美元/每年）
      • 贡献者（1万5千美元/每年）
      • 赞助者（10万美元/每年）
    • 超过200个成员
  • Thread组织管理解决方案的发布
    • 规范、证书、网站、商标、版权、Logos/Seals
  • 本质上是行业贸易组织，促进和保护Thread的知识产权

 

Thread标准

  • 基于现有的IEEE 802.15.4标准
    • 使用6LoWPAN作为3层以上的协议 [RFC6282]
      • 在修改后的IPv6上使用UDP传输
      • 易于连接到网关，云平台或者智能手机
    • 每个网络支持250多个产品
  • 只需对现有的802.15.4射频固件升级即可
    • 工作在2.4GHz的ISM频段
  • 安全方面使用Datagram Transport Layer Security (DTLS) [RFC6347]
    • 提供集成、认证和加密

 

其它IoT项目/平台

  • Kaa – http://www.kaaproject.org
    • 开源平台，支持Linux，Android，Windows，iOS
  • ThingSpeak – http://thingspeak.com
    • 开源API，使用XML, JSON, REST协议
  • Eclipse基金 – http://eclipse.org/kura
    • Kura是结合Apache Camel并基于Java/OSGi的API
    • 与Eurotech公司的Everywhere Cloud infrastructure有关
  • 其它IoT项目没有什么缺点
    • 问题是发现适合自已的

 

工业物联网Industrial IoT

  • 尽管消费类IoT的大肆宣传，很多人认为IIoT才是赚钱的地方
    • 大多数消费者实际上不关心PaaS方案
  • 主要玩家正在投入很多钱到这部分市场
    • 比如，建筑物监控，流程控制传感器，制造工厂监控，SCADA等
      • 经常需要二类协议如MODBUS和BACNET
    • 一栋建筑可能需要多达8000个传感器
  • 平台必须考虑整个生态系统
    • 许多服务以PaaS形式出售

 

IIoT平台的功能架构

 

IIoT平台 – ThingWorx

  • http://www.thingworx.com
  • 支持从边界网关到云平台的PaaS
    • 对于小型的边缘设备没有明确的途径
  • 侧重于工业和医疗系统
  • 提供数据存储和数据分析
  • 加密保障安全
  • 提供RAD平台快速开发应用，包括Android和iOS等
  • 大的合作伙伴生态系统
  • 支持MQTT，DDS，REST和其它开放协议

 

 

IIoT平台 – IBM Bluemix

  • IBM的加入允许你使用第三方的API和服务
  • 支持MQTT，REST和其它API
  • 乐高积木式的服务、存储和数据分析
    • 访问基于Watson的数据分析
  • 最多20个设备的免费版本
    • 更高级别的是支持1.5万个设备，100MB流量和1GB存储
      • 第一个1.5万个设备之后按设备个数收费

 

 

IIoT平台 – PubNub

  • PubNub是一个全球数据流网络（DSN）
    • 安全、实时的IoT、移动和Web应用通信API
  • 扩展至数亿个设备，250毫秒的全球时延，超过70个SDK
  • 免费版本包括1个数据中心、100个设备、1百万条消息，附带邮件技术支持
    • 1个数据中心、1000个设备、1.5亿条消息~999美元/每月
  • 与IBM Bluemix合作

 

IIoT平台 – Verizon

  • 新服务ThingSpace
    • 刚刚开始
  • API列表
    • 连接管理
    • 设备消息通信
    • Verizon云接入
  • 试图利用LTE
    • 目标是低速率设备的LTE新无线模式
  • 大量现有开发方案，包括BeagleBone Black和Raspberry Pi

 

 

IIoT平台 – Xively

    • 原名Pachube， Cosm
    • LogMeln的一个部门
  • 工业应用的PaaS厂商
  • 提供库和SDK集成到平台
  • 使用消息代理和REST API
  • 集成CRM，ERP和运维/调查分析
  • 同时出售存储和服务

 

 

IIoT平台 – Etherios

    • 原名Device Cloud
    • Digi的子公司
  • 侧重于车队管理、重型机械、医疗器械、制造等
  • 可扩展的云管理服务，具备办公系统集成能力
  • 出售平台和服务
  • 为设备集成移动应用、CRM、社交网络

 

 

IIoT平台 – ThingSquare

  • ThingSquare
  • 原来是一个Kickstarter项目
  • 开始侧重于边缘设备
  • 目前集成后端服务
  • 整体服务到目前为止还未看到

 

 

总结

  • IoT/IIoT以平台方式提供的产品没有不足之处
  • 只要设备可以工作，消费领域的接受度预期是好的
  • 工业领域的接受度依赖于从传感节点到数据分析和CRM的深度集成
  • 诸如MQTT、DDS、REST、XMPP标准有望利于互操作
    • 诸如低功耗蓝牙、Wi-Fi和IEEE 802.15.4无线标准有助于解决物理连接问题
  • 许多开源项目有助于促进合作
  • 闭源实现将可能实现平滑互操作
    • 但是，被供应商绑定

 

posted @ 2016-11-07 14:15  ibrahim  阅读(7192)  评论(0)  编辑  收藏  举报