语境运算简化物联网的操控

Cypress公司

无论查看哪家调研公司的统计结果，都会发现同样的答案——物联网（Io T）将形成巨大的市场，根据互联网数据中心（IDC）的，到2020年将有高达2 120亿个联网的“物”。“数十亿个物”连接到互联网上，将为消费者和企业带来许多好处，但是随着待处理信息量的陡增，它们将很快变得难以管理（见图1）。内置微控制器和闪存的智能传感器可以进行语境运算——在可能的地方提供本地处理功能，这有助于降低网络复杂度、流量和巨大的物联网设备数量。

图1 不断提升的连通性需求将推动物联网节点数量的巨大增长

大部分物联网节点将由位于互联网边缘的无线连接传感器组成，这些设备会监视本地环境中的活动和情况，并报告其基本数据或状态。在理想情况下，这些无线传感器组（不同传感器的混合）将被配置为在传感器节点内部进行数据处理，允许设备向使用802.15.4标准的网状网络广播命令，而不是原始数据。在这个本地网状网络中，特定的可控设备将识别从传感器组发出的命令类型，并执行相应命令。

凭借自带的处理能力和内存，该语境处理功能提供了高效的自动故障备份系统，确保在宽带网络或Wi-Fi连接断开时不会失去本地控制。正如将在本文中讨论的那样，通过在更接近最有用的地方处理信息，可以产生较少的互联网流量并减少物联网设备的整体数量，该技术可以降低本地物联网的计算复杂度。

ZigBee网状网络

为了提供信息的连通性，有大量不同的设备连接到互联网中，因此需要建立本地网络来管理传感器，并控制特定语境下的节点。使用符合802.15.4标准、运行在网状网络的ZigBee是连接这些设备的一个通用方法。虽然802.15.4标准同时定义了集中控制的集群网络，但在任何一个节点发生故障时网状的实现方式显得更有弹性。ZigBee网状网络由作为云网关的边缘路由器、形成多跳连接网格并可作为控制节点的路由节点，以及在网络边缘包含传感器和潜在执行器的主机节点组成（见图2）。

图2 建筑物内典型的物联网节点

这些包括边缘路由器（云网关）、可以兼任控制节点的路由节点，以及包含传感器/执行器的主机节点。尽管可以采用集中式集群的实现方式（如图2右侧所示），然而在节点失效的情况下，采用ZigBee网状网络（如图2左侧所示）将具有更大的弹性。

通常情况下，这些传感器节点会向连接到网关的传感器汇聚设备，或在采用下一代智能网关时，直接向网关本身发送温度、背景光亮度或定时开启动作检测等原始数据。智能网关通常拥有网络智能来决定如何处理这些信息。如果没有，可以将诸如能源使用、安全性等数据经过云发送到服务提供商来管理，并由智能手机来控制。

直接连接到智能手机的智能网关Wi-Fi，可以让用户根据收到的信息采取本地行动。而更新的服务提供商网关则实现了基于特定编程条件来决定采取何种本地行动的功能，例如该系统可以设定为在指定时长内没有动作则关掉空调。虽然传统系统也可以完成这项任务，但需要通过图形用户界面（GUI）进行多次操作。

物联网设备能够以节能的方式来管理基础设施，但需要很多路由节点，而且常常需要网关来创建可控的明确动作。为了处理传感器信息，首先需要创建一个相对复杂的程序运行在网关中，然后采取适当的动作，以一种有效的方式来控制本地物联网设备，这也同样适用于基于云的服务。分析传感器信息的语境事件与传感器本身的物理距离越远，高效的控制系统创建起来就越复杂。对基于云的物联网服务来说，如果服务提供商的调制解调器失去宽带连接或本地网关失去Wi-Fi连接，与物联网设备的连接将会断开，网络可能会从根本上失去所有的本地控制以及节约能源的机会。而在语境运算方式下工作的智能传感器，提供了防止此类故障的第三级控制。

无线LED照明

智能LED照明系统是最容易想到的，在不远的将来可以用最轻松的方式来安装的物联网设备之一。尽管有其缺点，但是这种方法带来了通过便利的智能手机来进行调暗灯光和开关灯等操作的巨大机会。然而，要利用潜在的可能需要以特定的方式来实现和操作网络，可以对LED灯进行编程，从而按照网关或云服务中的时间表来工作。智能网关有能力自动如此操作，而如果所有与云的无线连接都正常，云服务则可以管理这些动作。更有趣的方法是，能够利用发自语境设置的被动信息来控制LED，而无需调度或云服务的干预。

有了ZigBee Light Link（光链路）无线LED灯，用户在房间、家里或办公室里安装几个灯泡就可以用轻量级协议栈搭建起一个无线网状网络。由于网状网络是自我创建和自我维护的，所以搭建它并不需要什么技术专长，而且在之后的一段时间内可以自动添加更多的设备。智能无线传感器可以连接到这个网状网络，向将采取适当动作的智能网关或外面的云服务管理提供信息。无线LED照明网状网络组成见图3。

智能传感器节点通常拥有自带闪存的MCU，以及与一组相关传感器和无线模块相连所需的串行连接。例如，家居照明控制系统中的传感器组可能包括对环境光和运动的探测器。一旦传感器节点注册到智能网关网络中，收集到的任何数据将具有给定位置的语境信息。网关或云服务可以指挥LED灯等本地可控器件按照预定义的优先级来使用这些语境信息，这些特定LED灯装置的管理仍然驻留在网关、云服务或智能手机中。

图3 无线LED照明网状网络

随着低成本、低功耗、自带不同规格闪存MCU的引入，可以有效和直接地在传感器节点中进行一些传感器的信息分析。在这些智能传感器节点中收集到的信息可以在本地处理，以提供语境关联。智能传感器可以基于本地传感器的分析定义出一系列命令，而不是将原始信息发送到远端进行处理。这种智能语境传感器信息可以直接命令指配给它的本地设备，而无需网关或云服务的干预。

例如，在家庭网络中，如果传感器组检测到在某指定区域内有30分钟没有活动出现并读出一定的光亮水平，该设备可以直接向分配给该语境区域的本地LED灯发送调暗的命令，稍后智能传感器会检查是否发现其他活动。如果在给定时间内仍然没有检测到任何活动，将直接向LED灯发送完全关闭的第二条命令。

只有在网关没有收到任何其他来源的更高优先级的新近命令时，这些智能传感器的命令才会对LED灯生效。LED灯对于智能传感器直接命令的响应，也可以以信息形式发送给智能网关或网外的云。如果云服务已经启动了一个服务程序，例如“出于安全考虑，在固定时间段内稍稍开一点灯”，由于其优先级别更高，云服务命令可以被发送到LED灯，而忽略任何直接来自传感器的控制信息，LED灯的传感器自主控制将被覆盖。一旦云服务动作完成，对LED灯智能传感器的优先覆盖将被取消。

能量采集

使用能量采集技术可以实现一种智能无线网状传感器，创造出低成本的智能传感器节点，而无需有线连接或更换电池（见图4），这些设备可实际应用于语境运算的任何地方。

例如，精确放置的无线智能传感器可以利用通过门口的人流数量来监控流量，并管理在某个楼层或特定办公区内连接的设备。无线运动传感器的信息可以在能量采集PMIC的帮助下传送到运行ZigBee光链路协议栈的网状网络。压电发电机可以将人走在地毯上引起的压缩等物理运动转换为电能，来为无线智能传感器供电。地毯内置的地板传感器可以使用这种压电能量采集方法来监测人流量，并且仅在有人走过该区域时发送信息。

图4 捕捉动能、光能、热能或风能来运行低功耗无线传感器的一种能量采集解决方案

图5 无线传感器节点入门套件

可用的无线传感器系统的关键因素包括（见图5）自带适当闪存、具备快速启动能力和带有实时时钟（RTC）的省电睡眠模式的低功耗MCU；以太阳能电池或压电作为能量输入，将能量存储在超级电容或低维护长寿命的充电电池中的PMIC；低功率802.15.4收发机。

现在，在能量采集环境中监测的是智能传感器网络中的焦耳数量，而不是电压、电流或功率，执行任务所需的能量是最新的关注转变。

凭借在所需位置准确放置这些智能语境运算传感器的灵活性，可以创建出更加高效的系统来被动管理LED灯等物联网可控设备，而无需在智能网关或云服务中运行复杂的分析程序。没有电线、不用更换电池、无需维护，就等于是简化管理，节约了大量能源。

随着物联网的发展势头持续上升，问题不再集中于将来会有多少亿的连网设备，由于不断涌现技术新成果，现在关注的重点是如何有效地管理所有这些连接。智能传感器的语境运算为物联网发挥其潜能提供了一个重要的工具。

编后语：语境运算乍听起来有些生僻，其实这个概念早在十多年就已经有了。随着科学技术的飞速发展，语境运算也将会被赋予新的内涵和应用。为了帮助读者更好地理解这篇文章，本期《学习园地》栏目刊载了一篇相关文章，深入浅出地讲解了语境运算的概念。