物联网应用系统研究

李 峰

（小佩网络科技（上海）有限公司，上海 201203）

0 概述

IPV6和4G网络的应用为互联网提供了极大的带宽和便利性，使万物互联变为现实，5G的商用进一步推动了其发展。

随着网络技术、数据存储、处理器技术的飞速发展，将海量终端设备接入服务器，可以采集到各种数据，在服务器的数据库中进行汇总、分析和处理，得出相应的结果，并最终传回到终端设备执行相应的操作，从而实现特定的功能，这就是物联网应用的基本架构。其优势在于系统普适性强，通过海量数据的存储和分析，可以得出更可靠的结果、更灵活的应用功能。现今的技术发展热点AI、物联网等均是在该基础架构上实现的[1-2]。

该文在介绍了物联网的基础知识后，将重点阐述物联网产品实现方案的特性对比和选型决策要点，以及其在实践过程的关键细节问题，并提供可复制的参考方案。

1 物联网应用系统构成

从通信对象和过程来看，物与物、人与物之间的信息交互是物联网的核心。物联网的基本特征可概括为整体感知、可靠传输和智能处理[3]。

在具体实现上，其基本架构可分为数据中心、数据通道、终端设备3个组成部分。1）数据中心：用于海量数据的接收、存储和分析，根据智能算法形成分析结果，并根据功能需求传回到终端设备执行相应的操作，形成控制闭环，实现智能处理和控制[4]。2）传输通道：用于建立终端设备和数据处理中心的数据联系，实现可靠传输。3）终端设备：用于实现数据采集和命令执行功能，并且与数据处理中心建立连接，上传采集到的数据信息并接收执行命令，实现整体感知和执行功能。

人脸识别、语音识别、智能驾驶、智能楼宇和智能抄表等应用系统，其基本实现架构都是由终端设备、传输通道、数据中心等部分组成，只是各自的侧重点不同。人脸识别、语音识别系统的核心在于强大的数据采集、传输、处理能力；智能驾驶对于实时性的要求很高；智能抄表虽然数据量很小，但其核心在于成本低、覆盖广、寿命长；智能楼宇则在于门禁、识别、灯光、能耗控制等多项功能的综合运用。

2 物联网系统实现方案探究

物联网产品实现方案主要由数据中心、数据通道、终端设备3个组成部分，该节将从技术方案、重要性能参数、费用等方面对特性对比和选型决策要点，以及其在实践过程的关键细节问题进行分析。

2.1 数据中心的特性与选型

数据中心在物联网的应用中处于核心地位，负责大数据存储与分析，是整个系统的中枢，具备海量的数据存储与处理能力，能够实时处理终端设备发来的数据。根据服务范围的不同，数据中心可分为国内布局和全球布局。

考虑到数据的安全性，数据中心需要对接入的终端设备进行鉴权，并对往来的传输数据进行加密等处理。

另外还需要考虑数据的处理能力，如在自动驾驶、图像传输、人脸识别等人工智能方面应用时，由于其数据量大，对传输的实时性要求高，对数据中心的数据传输和处理能力也都有较高要求。在智能家居、智能抄表等行业应用时，数据量较小，通信频次低，对数据的传输和处理能力要求不是很高，如最大2 000次/s的服务器访问量就可支持10万台设备的在线运行。

为了保护个人隐私，各国纷纷出台了个人数据保护条例，如欧盟通用的数据保护条例（GDPR）和加州消费者隐私法（CCPA），其都旨在保护数据主体的基本隐私权和个人数据安全，全方位地提高了个人数据隐私保护的标准。

随着物联网产业的迅猛发展，已经出现了很多数据中心服务方案的提供商，如阿里巴巴、腾讯、小米、涂鸦等都能提供物联网数据中心服务，并致力于打造全产业生态链的一站式服务，此外还有庆科、汉枫、移远、晨讯等模块供应商也提供相应的配套服务。

数据中心的选择上，部署费用和提供服务的参数限制也是重要因素。以阿里云物联网平台为例，其可提供多种计费方式供用户选择。消息通信包：1.8元/100万条/月(每月每100万条1.8元)；连接时长包：1元/100万分钟/月（每月每100万分钟1元）；固件升级次数包：0.2元/次；套餐包根据配置的不同，在299～7999元/月；购买服务包类型时，可采取依实际业务发展逐步升级的策略，以便适应产品研发上市的实际需求。

其技术服务参数限制主要有5个。1） 单账号最多设备数：1 000万。2）单设备每分钟最大请求数：5次/分。3）单账号每秒由设备端向物联网平台发送的请求数：1万。4）

单账号每秒由物联网平台向设备端发送的请求数：2 000次。5）单设备接收下行消息的最大限制：50条/s。在系统设计初期需充分考虑上述限制，采取随机分布等流量控制策略均衡访问时间，避免出现突发大量消息阻塞，发生系统异常。需要强调的是，虽然各大网络巨头在提供数据中心服务的同时，能提供全产业生态链，全功能方案的支持，大幅减少研发时间，使产品能以最快的速度上市，但企业也需同时考虑自身的信息安全，建议在数据中心服务器布局、原始数据加密等方面采取一定的措施，避免因核心数据泄露对自身的协调发展造成影响[5]。

2.2 传输通道的特性与选型

在数据通信技术已得到长足发展的今天，有GSM、5G、Wi-Fi、NB-IoT、LoRa、蓝牙、ZigBee、FM 433等多种技术可供选择，以便适应不同的用户使用场景和需求。表1对各种通信方式在服务范围、传输速率、功耗、费用等方面进行了对比。

表1 通信方式参数对比

从表1中可以看出，各种通信方案都有自己的特点，优势与劣势明显，应该在系统规划初期，根据自身的应用特点，如通信范围、速率、节点数量、通信频次等参数，选取一个或多个通信方式实现系统的应用。

通信范围最大的公用广域网5G、4G、2G、NB-IoT有一定的使用费用，其数据传输速率基本与功耗、费用成正比，其选择与电信运营商直接相关，跨国使用有一定困难。但其使用专有频率，有法律法规进行保护，可靠性有一定的保证。

Wi-Fi虽通信范围相对较小，但其分布面积广，固定或在小范围内移动的设备均可选用，其最大的优势在于传输速率高、无使用费、跨国使用方便。但其使用时必须连接配置无线网络，这会给终端用户造成一定的困扰。其主要使用TCP/IP协议，通信质量没有确定的保护措施，需在上层增加相应的反馈确认、重传和去重等机制实现可靠通信。

蓝牙目前已发展到5.0，在传输语音、低功耗、室内定位、MESH网络方面有长足进步，其最大的优势在于公有协议，传输速率相对较高。手机周边的应用十分方便快捷，

ZigBee、LoRa、FM 433等无线局域通信技术，在低功耗，通信距离上各有建树，但均为私有协议，专属性较强，虽无使用费用，但应用研发起步费用较高，各个厂家的产品很难互联互通，一般作为智能照明、智能家居等系统内的通信方式。

因上述通信方式均有较为复杂的通信协议，因此，要想实现其功能必须要有具备一定处理能力的处理器，该处理器一般具备一定能力的冗余，在通信频次较低、数据量不大的应用中，通信处理器可以同时兼做数据采集与执行的处理器使用，从而显著降低设备成本和系统复杂度，提高可靠性。

新兴的NB-IoT以其覆盖广、功率低的优势在物联网通信领域独树一帜[6]，当前使用费用约8元/年～9元/年，流量不限。对应通信模组价位在单频20元/块、多频23元/块，是低数据量通信的物联网产品的优先选择。2G、4G、5G使用通信费用，各大运行商均有宣传，这里不再复述。

在5G、2G、NB-IoT通信模块资源上有华为、中兴、移远等厂商的产品可以选用。在Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、FM 433通信上有博通、乐鑫、庆科、汉枫等厂商的产品可以选用。其中乐鑫的Wi-Fi芯片ESP8266，ESP32在业内以其高性价比（约10元/片），提供灵活的二次开发平台的优势，已纳入小米物联网智能产业生态链，有较为完备的应用技术服务和支持体系，占据了低速率物联网应用的较大市场。

2.3 终端设备的特性与选型

终端设备主要完成数据采集和执行，图像、语音、温湿度、光线、位置、测量开关量、模拟量等传感器多种多样、各不相同，执行也分开关执行、弱电控制、强电控制、速度控制等。终端设备的实现方案与应用领域、场景直接相关，这也是物联网应用多样化的集中体现，没有统一标准。其目的是应用各种传感器，将感知到的物理参数转化为数字电信号传送给数据中心。并接收数据中心传回的数据指令，通过相应的执行电路、机构执行控制指令，从而实现闭环智能控制。如感知到温度过高，PM2.5超标，则开启通风装置通风降温，打开除尘设备等。

终端设备虽然具备多样化的特点，但其一般是以处理器为核心，外加传感器、执行机构、通信网络的架构。

在具有摄像头、图像处理、模式识别等需要大运算量、数据传输量的终端设备上，一般数据采集和通信有相互独立的处理器。在仅需简单开关、模拟量采集和执行，且通信量不大的终端设备上，可以使用通信模块上的处理器来完成数据采集和执行工作，从而有效降低终端设备的成本，在大规模布设时将取得可观的经济效益。

物联网终端设备一般处于远程，工作环境较为恶劣，数量庞大，维护困难，维护成本较高。对稳定性、可靠性、续航能力方面有较高要求，其稳定运行是整个系统功能实现的基础。首先，系统中应具备硬件看门狗电路，以期在出现异常的情况下，重启电路，从而实现可靠在线。其次，需具备远程监测和自检、诊断功能，以期做到出现问题早发现、早告警、早处理，避免造成系统性问题，最后，终端设备应具备软件远程升级功能，以便在需要的时候对系统软件进行升级，排除已知缺陷，从而在无需现场处理的条件下实现软件缺陷排除。

在续航能力方面，普通的干电池、锂电池、蓄电池能提供中、短期的续航支持，当无人值守设备要满足长达1年或数年的使用期时，上述电池限于自身物理特性的原因无法满足要求。该条件下可以选用特种的锂/亚硫酰氯电池。该类电池多应用于共享单车车锁、远程抄表产品内，提供长达数年的免维护续航支持。

为确保电子设备的安全稳定运行并避免对其他设备产生干扰，各国均有严格的技术认证标准，终端设备必须通过一系列的实验室测试认证才能应用。诸如CCC、UL、KCC、TUV、SRRC、CE、FCC、MIC等强制认证，还有5G、2G、蓝牙联盟、Wi-Fi等通信的合规性认证。

摄像头、图像处理应用方向有海思、海康、索尼等厂商的芯片方案可以选用。语音识别应用方向有讯飞、搜狗、腾讯、谷歌等巨头的方案可以选用。各类通信模块有乐鑫、庆科、汉枫、移远等供应商的产品可以选用，这些供应商基本均可提供二次开发资源。微处理器有大量国内知名品牌涌现，如兆易的GD系列，华大半导体的ARM Cortex-M0+/M4系列，合泰的HT系列单片机均有较高性价比，现今最便宜的已降至1元以下。传感器、执行机构依具体应用选取如：Sensirion的SHT21温湿度传感器、u-blox的UBX-G7020定位芯片、InvenSense的MPU9250 9轴传感器（3轴加速度、3轴地磁、3轴陀螺仪）、亿光的光传感器等均是业内知名品牌型号，并得到广泛应用。

3 物联网系统实现方案实践

笔者所使用的物联网应用系统能够实现人与终端设备之间的数据采集与远程控制功能，终端设备需要配合手机一起使用，实现完整的智能数据采集和控制功能体验，产品行销世界，提供全球服务。

基于前文所述的物联网实现技术方案分析，通过对场景、费用、速率、覆盖范围的综合考量，物联网应用系统的数据中心、传输通道、终端设备分别按如下方案实现。

数据中心：租用公用云服务自建API、鉴权、数据存储与分析服务器（在国内、美国、新加坡部署服务器），为广大亚洲、欧洲、美洲、大洋洲的客户提供产品服务。使用阿里云物联网平台实现设备的全球接入，实时在线。使用腾讯IM，实现远程查询与控制、社区聊天、售后支持等功能。使用云云对接方式实现天猫精灵、亚马逊Alexa对终端设备的控制，终端设备通信使用加密数据传输。以确保系统的正常运作和企业数据安全。

传输通道：采用Wi-Fi+蓝牙的通信实现方案，Wi-Fi部署范围广泛，全球通用，无使用费用，可谓是性价比最高的通信实现方案。但鉴于Wi-Fi在配网、数据传输可靠性方面的已知弱点，结合产品应用过程中必备手机的使用场景，特在终端设备中加入蓝牙功能提供终端设备与手机之间的第二传输通道，从根本上降低配网环节对终端用户造成的影响，改善网络配置环节的痛点。在数据传输可靠性方面，在传输控制软件中加入消息的ACK反馈，超时重传，去重等功能，以确保数据通信的可靠性。

终端设备：需采集温度、湿度、设备状态等信息，并执行马达驱动、加热器开关等操作，总体来说其数据传输量较小、通信频次较低、控制量简单。采用通信芯片处理器兼做采集与执行任务的处理的方案，选用乐鑫ESP32模块，其同时具备Wi-Fi和蓝牙功能，提供二次开发的集成开发环境，有完备的技术支持体系，性价比很高。为确保终端设备的长期可靠运行，系统中设计了硬件看门狗电路，以期在出现极端异常时硬重启系统，实现可靠在线。系统中设计了远程监测和自检、诊断功能，以期做到出现问题早发现、早告警、早处理，避免造成系统性问题。系统还设计有远程升级功能，以便在需要的时候对系统软件进行升级，排除已知缺陷，从而在无需现场处理的条件下，实现软件缺陷排除，实现功能进化与迭代。

上述产品经实践检验，系统整体运行稳定可靠，通过SRRC，CE，FCC，MIC，KCC和欧盟通用数据保护条例（GDPR）认证，目前已有10万+终端设备在线，手机App日活用户3万，月活用户15万，为广大亚洲、欧洲、美洲、大洋洲的用户提供服务。

4 结语

物联网是将各种终端设备，小至简单的计步器、摄像头，大到汽车、飞机等彼此相连，并与云进行通信和共享数据的系统，其核心价值在于数据的分析，将各终端设备产生的小数据汇聚成为大数据，并对其进行过滤、分析、共享，使大数据变成可用的信息，推动建立全新的业务模式和服务产品，“物”以致用，用创新解决现实问题。

麦肯锡全球研究中心的一项报告显示，在2015～2019过去的5年里，互联设备的数量增长了300%，预计到2025年，各种物联网应用带来的经济规模可能会超过10万亿美元。其在智能安防、智慧电力、智慧交通、智慧物流、智能医疗、智能家居、智能制造、智慧农业、智能楼宇、智慧城市等领域将迎来爆发式发展。