28、物联网应用：从基础概念到架构解析-优快云博客

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物联网应用：从基础概念到架构解析

1. 物联网基础概念

1.1 什么是物联网

物联网（IoT）是一个由相互关联的计算设备、机械和数字机器、物体、动物或人组成的系统，这些实体都被赋予了唯一标识符，并具备在无需人与人或人与计算机交互的情况下通过网络传输数据的能力。

互联网连接为我们带来了前所未有的广泛益处。以手机为例，过去的非智能手机只能打电话和发短信，而如今我们可以在手掌中查阅任何书籍、观看任何电影或收听任何歌曲。物联网的核心思想很简单，就是将世界上的所有物理地点和事物连接到互联网。

1.2 物联网为何重要

当物体与互联网相连时，它就能够发送信息、接收信息或两者兼具。这种能力使物体变得“智能”。以手机为例，我们可以收听世界上几乎任何歌曲，但手机本身并不需要存储所有歌曲。因为歌曲存储在其他地方，手机只需发送请求信息，然后接收并播放歌曲即可。

物联网中与互联网相连的物体可以分为三类：
- 收集并发送信息的物体 ：例如各种传感器，包括温度传感器、运动传感器、湿度传感器、空气质量传感器和光传感器等。这些传感器与网络连接后，能自动从环境中收集数据，帮助我们做出更明智的决策。在农场中，通过获取土壤湿度数据，农民可以准确知道何时该给作物浇水，从而提高作物产量并降低成本。
- 接收信息并做出响应的物体 ：生活中有很多这样的例子，如打印机接收文件后打印，汽车接收钥匙信号后开门等。我们可以远程控制这些机器。
- 既能收集发送又能接收响应的物体 ：以农业为例，传感器收集土壤湿度数据，灌溉系统可以根据这些数据自动开启或关闭。如果灌溉系统还能从互联网获取天气信息，它就能知道何时会下雨，从而决定当天是否浇水。此外，这些数据还可以发送到超级计算机进行分析，帮助我们了解如何让作物生长得更好。

2. 物联网标准化架构

2.1 oneM2M物联网标准化架构

为了规范快速发展的机器对机器（M2M）通信领域，欧洲广播通信指南组织（ETSI）于2008年成立了M2M专业委员会。该委员会的目标是创建一个通用架构，以加速M2M应用和设备的采用。随着时间的推移，其范围扩展到了物联网领域。2012年，ETSI和其他13个创始成员发起了oneM2M，旨在推动有效的M2M通信系统和物联网发展。

oneM2M架构将物联网功能分为三个主要区域：
| 层次 | 功能描述 |
| — | — |
| 应用层 | 关注设备与其应用之间的网络连接，包含应用层协议，并努力规范与商业智能（BI）框架通信的北向编程接口定义。应用通常是特定行业的，具有各自的数据模型。 |
| 服务层 | 以水平结构贯穿垂直业务应用，包括物联网应用运行的实际网络、基本管理协议和硬件。该层提供API和中间件，支持第三方服务和应用。 |
| 网络层 | 是物联网设备和端点的通信空间，包括实际设备和连接它们的交换网络。通信方式包括无线网格技术、无线点对多点系统和有线设备连接等。 |

2.2 IoT世界论坛（IoTWF）标准化架构

2014年，IoTWF工程委员会发布了一个七层物联网结构参考模型。该模型提供了一个清晰、简化的物联网视角，包含边缘计算、数据存储和访问等功能，并在整个模型中融入了安全机制。

各层功能如下：
1. 物理设备和控制器层 ：是物联网中“事物”的所在层，包括各种端点设备和传感器，它们的主要功能是生成数据，并能够通过网络被查询或控制。
2. 连接层 ：主要负责可靠、便捷地传输数据，包括Layer 1设备与网络之间以及网络与Layer 3（边缘处理层）之间的数据传输。该层的功能包括设备间通信、信息可靠传输、交换和路由、协议转换以及网络级安全等。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    A(Layer 1设备):::process -->|通信| B(连接层):::process
    B -->|可靠传输| C(Layer 3边缘处理层):::process
    B -->|交换和路由| B
    B -->|协议转换| B
    B -->|网络级安全| B

边缘计算层 ：也被称为“雾”层，主要负责减少数据量，并将网络数据流转换为适合高层存储和处理的数据。该层还会评估数据，判断是否需要分割、聚合、重新格式化或解码，并检查数据是否超过预设阈值，以便发送相应的操作或警报。

3. 简化的物联网架构

尽管上述参考模型存在显著差异，但它们都从分层的角度看待物联网，允许在每个级别或领域相对独立地开发技术和标准。这些框架的共同点是都认识到物联网端点设备与网络的互连，网络将数据传输到最终被应用程序使用的地方，无论是在数据中心、云端还是整个堆栈中的各个管理点。

简化的物联网架构以两个并行堆栈呈现：流程堆栈和核心物联网实用堆栈。这种架构将核心物联网和数据管理分离为并行且平衡的堆栈，使我们能够更清晰地分析网络和应用在复杂物联网框架各阶段的元素。

核心物联网实用堆栈分为三层：
- 边缘层 ：负责传感器内部的数据管理。
- 雾层：处理通道和传输网络中的数据管理。
- 云层：管理云或中央数据中心的数据。

该架构的网络通信层需要整合各种物联网传感器和连接方式，提供网关和回程技术，并将数据带回中央区域进行分析和处理。同时，物联网的应用和分析层通常需要在整个架构中分层部署，以满足物联网独特的挑战和需求。

通过这种简化的架构，我们可以更好地理解物联网的基本结构，并将其作为基础，应用于特定行业的用例中。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    A(Things: 传感器和执行器):::process -->|数据传输| B(通信网络):::process
    B -->|数据处理| C(应用程序):::process
    D(云):::process -->|管理| C
    E(雾):::process -->|管理| B
    F(边缘):::process -->|管理| A
    G(安全):::process -->|保障| A
    G -->|保障| B
    G -->|保障| C

4. 物联网架构的实际应用与优势

4.1 物联网架构在LPG预订与泄漏检测中的应用

在LPG（液化石油气）的管理中，物联网发挥了重要作用。通过使用负载传感器和MQ2气体传感器等设备，可以实现LPG的预订和泄漏检测。当LPG发生泄漏时，气体浓度会增加。如果浓度超过预定水平，系统会触发蜂鸣器发出警报，并向用户发送提醒消息。同时，传感器收集的数据会更新到云端，方便用户随时了解LPG的状态。

4.2 物联网架构的优势总结

5. 物联网架构的未来发展趋势

5.1 边缘计算的进一步发展

随着物联网设备数量的不断增加，数据量也呈爆炸式增长。边缘计算作为一种将数据处理靠近数据源的技术，将在未来发挥更加重要的作用。通过在边缘设备上进行数据处理和分析，可以减少数据传输延迟，提高系统的响应速度，并降低对云端计算资源的依赖。

5.2 人工智能与物联网的融合

人工智能技术，如机器学习和深度学习，将与物联网深度融合。通过对物联网数据的学习和分析，人工智能可以实现更智能的决策和预测。例如，在农业领域，人工智能可以根据土壤湿度、气象数据等信息，预测作物的生长情况，并提供精准的灌溉和施肥建议。

5.3 安全与隐私保护的加强

随着物联网的广泛应用，安全和隐私问题变得越来越重要。未来的物联网架构将更加注重数据的安全传输和存储，以及用户隐私的保护。例如，采用加密技术、访问控制机制等手段，确保物联网系统的安全性。

5.4 跨行业应用的拓展

物联网的应用将不再局限于特定行业，而是逐渐拓展到更多领域。例如，医疗保健、智能交通、智能家居等行业都将受益于物联网技术的发展。不同行业之间的融合也将创造出更多的创新应用场景。

6. 总结

物联网作为一种新兴的技术，正在改变我们的生活和工作方式。通过将物理世界与数字世界相连，物联网为我们提供了更多的数据和信息，帮助我们做出更明智的决策。本文介绍了物联网的基础概念、标准化架构和简化架构，并探讨了其在实际应用中的优势和未来发展趋势。

在实际应用中，我们可以根据不同的需求选择合适的物联网架构。oneM2M和IoTWF等标准化架构为我们提供了互操作性和可扩展性的保障，而简化的物联网架构则有助于我们更好地理解和应用物联网技术。同时，我们也需要关注物联网架构的未来发展趋势，如边缘计算、人工智能与物联网的融合、安全与隐私保护等，以确保物联网系统的高效、安全运行。

总之，物联网的发展前景广阔，但也面临着一些挑战。我们需要不断探索和创新，充分发挥物联网的潜力，为社会的发展和进步做出贡献。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    A(边缘计算发展):::process -->|推动| B(物联网性能提升):::process
    C(人工智能融合):::process -->|促进| B
    D(安全隐私加强):::process -->|保障| B
    E(跨行业应用拓展):::process -->|丰富| B