物联网的重要性

熊元嘉

物联网能够创建新的商业模式、提供产品以及数字转型。数十亿的物联网设备可以通过扩展当前的蜂窝网络连接起来，它将帮助组织保持与客户的相关性，产生新的收入流，并为客户提供竞争优势。

尽管物联网正在被广泛应用，连接设备也在迅速增加，但市场环境仍然是碎片化的。为了提供不断发展的物联网用例、应用程序和设备类型所需的网络性能，新业务模型的连接必须灵活和敏捷。

物联网连接

用于连接物联网设备的方法，诸如应用程序、传感器、跟踪器、网关和网络路由器等方法，通常被称为物联网连接。物联网连接一词也经常用于物联网领域，指能够支持这种连接形式的特定物联网网络解决方案。这些包括但不限于WiFi、蜂窝网络和LPWAN。

在未确定哪种最适合企业时，经常将物联网连接选项分为3个因素：带宽容量（速度）、覆盖面积和功耗。为物联网连接找到所有3个因素的连接选项是具有挑战性的，因此，在选择物联网连接选项之前，了解连接需求至关重要。

物联网设备时代

物联网使物理世界和数字世界的交互和协作成为可能，使企业能够自动化和简化常规流程，为其提供许多优势。

由于技术的发展，工作场所正在发生变化，我们的日常生活中已经包含了数十亿个设备。它们互相关联、与企业数据流通信。此外，它们正在越来越多地实时重塑和控制环境，以实现几年前难以想象的结果。

物联网是指物体之间直接或通过云进行通信，其正在迅速发展。此外，数据流的排他性越来越低，开放性越来越强，而传感器技术变得更小、更高效和更经济。软件、数据挖掘、机器学习和人工智能（AI）方面的发展，有望加深我们对设施与组织绩效之间，以及设施与人与绩效之间关系的理解。

构建物联网生态系统

为了塑造、管理和商业化物联网这样的大型数字平台，需要有由众多企业和技术组成的数字生态系统。像物联网这样的宏观趋势不可能仅是由一家企业或一项发明推动，物联网生态系统和平台提供商之间有着广泛协同的联系，为各方的整体利益创造了新的机会。

连接设备产生的海量数据（2021年达到137亿左右）已经在数字领域留下了持久的印记，并推动了对5G高速移动网络、云端实时数据管理和分析等平台的需求。

被称为物联网生态系统的企业网络，为物联网商品和服务的开发提供了动力。随着物联网系统变得越来越复杂和专业化，物联网生态系统参与者之间的相互依赖关系也变得越来越重要和复杂。

强大的物联网生态系统有很多优势：

协作使企业能够利用合作伙伴的技能和资产，使自己从竞争对手中脱颖而出，例如，向全新的垂直行业销售，这在其他情况下是不可能的；

第三方产品可以解决产品组合的差距，提高企业更快推出物联网系统的能力，降低风险，并通过将投资分散到各个市场参与者来降低前期资本支出；

由于每个合作伙伴都带来了一组独特的消费者关系，因此合作伙伴关系通常会扩大市场覆盖率和采用率，建立正确的联盟还可以节省时间和资金，用于推进物联网创新和价值创造。

企业经常寻求完整的端到端物联网解决方案，这就需要众多行业参与者的技术和服务来参与和集成。为了在部署新的物联网系统时减少IT开销，许多重大的物联网部署可能需要跨一个或多个生态系统进行十多个参与者之间的交互。当战略上建立了这些合作伙伴生态系统时，企业采用和运营全面的物联网系统就会容易得多，从而获得更强的竞争优势。

物联网中的数据处理

虽然数据处理周期从输入阶段开始，但应该首先考虑期望的结果。换句话说，在物联网的帮助下，应该解决哪些问题？我们需要什么样的数据？

举个例子，每当制造机器的温度超过阈值限制时，就能接收警报。

一旦确定了想要的结果，就必须想办法实现。为了转化成所需要的信息，传感器设备收集到的数据需要以合适的格式存储。

例如，当机器运行时，可以定期接收数据，如每10 min接收一次。我们可能希望利用该信息来确定自上次机器维修后已过去多久，通过观察这些数据的趋势，如果消耗量保持不变，便可预测何时达到某个小时数。

由于传感器捕获的数据量可能非常庞大，故需要一个可扩展的云服务，以便能够存储数据。还须制定数据保留策略，并承认无限保留所有物联网数据是不合逻辑的，但随着数据积累和保存时间的延长，存储数据的成本也随之增加。另一方面，更少的数据等于更少的歷史经验和见解。因此，必须设定优先级，并在要存储的数据量和预算之间取得平衡。

在实现数据处理之前，确定资源使用和更新频率（如计算能力、功率）之间的适当平衡至关重要，物联网用例明确规定了什么是“良好的平衡”。

在某些使用场景中，立即了解收集的数据对结果的影响至关重要。为此，物联网中的实时数据处理是必要的。但这可能是相当密集型的资源，例如，在某些用例中，每天只需处理一次收集的数据就足够了。

如今，人们已经使用传感器设备收集数据，使用网络解决方案将数据传输到云服务，使用数据转换流程将数据转换为可用的信息。现在是向用户展示结果的时候了。

企业构建的物联网连接类型将决定新物联网项目的成败。当企业需要物联网连接机制时，电池寿命、网络覆盖和成本等因素都会发挥作用。

物联网连接技术

没有连接，物联网就不可能实现。物联网生态系统中的设备只有在连接到其他设备和物联网技术时才能发挥作用，就像水槽连接到水管或电灯插入插座一样。幸运的是，有多种物联网连接技术可用。故此，了解对带宽、范围和功耗的需求，将助于做出最佳的选择，下面来一起探索最流行的物联网连接技术和应用案例。

固定连接以太网

以太网连接是企业用来将物联网设备连接到网络的最早技术之一。对于不需要从固定位置移动的笨重设备来说，这仍然是一个不错的选择。通过使用以太网电源可以减少有线部署中使用的电缆数量，这是一种通过数据线而不是电源线传输电流的技术。

LPWAN支持大量传感器的能力

在物联网中，低功耗广域网物联网协议用于将少量数据从专用基站无线传输到传感器和设备。

LPWAN技术LoRa由芯片制造商Semtech和Sigfox提供支持，被企业广泛使用。LoRa和Sigfox都支持使用未经许可的工业、科学和医疗频段进行双向通信，其中包括欧洲的868 MHz频段、北美的915 MHz频谱和亚洲的433 MHz频率。

在城市部署中，LoRa和Sigfox提供的实际范围约为10 km，而在摩天大楼较少的开阔農村地区，范围是这个数字的2倍多。

Sigfox和Semtech都提供了网关，使自己的技术作为专用网络的部署变得简单和负担得起。这些LPWAN技术在商业建筑和工业场所的物联网部署中得到了广泛的关注，这些建筑和工业场所往往拥有数千个传感器和其他物联网设备。

在LPWAN技术方面，LoRa处于领先地位，部分原因是一家名为Helium的初创企业在北美和欧洲推出了基于LoRa WAN技术的DIY物联网网络。

物联网蜂窝连接

物联网蜂窝连接在全球获得了巨大的吸引力，2G和3G支持多种开创性的物联网应用。有了4G服务，每个单元有更多的设备可能会带来更大的带宽、更低的延迟和更高的设备密度。5G网络的引入最初是由5G新无线电NR标准实现的，通过支持超可靠低延迟通信URLLC进一步改进这些网络，它支持越来越多的关键应用。

因此，蜂窝物联网既能满足大规模物联网市场相对简单的需求，又能满足复杂环境和应用中高度独特、微妙的需求。除了移动网络运营商之外，蜂窝物联网生态系统也在快速增长，并得到越来越多的设备、芯片组、模块和网络基础设施供应商的支持。其建立在世界3GPP标准之上。在无与伦比的全球覆盖、服务质量、可扩展性、安全性以及处理各种用例等不同需求的灵活性方面，其比其他低功率广域网络技术表现得更好。

卫星可以访问难以接近的区域

对于物联网设备，卫星提供了真正无所不在的覆盖，因为其可以连接到几乎没有地面物联网连接的设备。如果企业需要在海洋中覆盖物联网，则需要卫星连接。物联网设备已经可以使用在地球上空23 000英里的轨道上运行的地球静止卫星，在全球范围内连接。随着SpaceX等企业开始发射瞄针对联网领域的巨大微型卫星星座，低地球轨道卫星也同样变得越来越受欢迎。

企业Wifi

WiFi是家庭和企业的传感器、安全摄像头、物联网设备等物联网设备的连接方式。

全球使用最广泛的无线网络之一是WiFi。现实世界中，未经许可的2.4 GHz和5 GHz频段在距离接入点约120 m处达到峰值。2.4 GHz的连接能够实现150 Mbit/s的数据速率，并提高了穿过墙壁等固体物体的吞吐量。对于办公室或其他结构中的物联网设备，企业将使用2.4 GHz。通过5 GHz链路可以支持约1 Gbit/s的数据速度。除非企业加强5 GHz频段的信号，否则WiFi信号的范围会减少约50 %。

对于2.4 GHz或5 GHz频段，典型的WiFi电池寿命为8 ～9 h。办公室电脑和智能手机可以使用这种电池寿命，但传感器和物联网设备需要数周、数月甚至数年的电池寿命。

物联网连接协议

在构建支持物联网生态系统的网络时，技术专业人员有多种通信协议可供选择，以下是最典型的。

蓝牙和BLE

短波、超高频无线电波用于被称为蓝牙的短距离无线技术。尽管其最初主要用于音频流媒体，但后来发展成为无线和连接设备的关键支持器。因此，物联网安装和个人区域网络经常使用这种低功耗、短距离的物联网连接选项。

最适合物联网连接新形式的蓝牙是低功耗蓝牙，也被称为蓝牙LE或BLE。顾名思义，BLE的耗电量比标准蓝牙要低，这使得其在许多情况下特别具有吸引力，包括为消费者提供的智能家居、健康和健身追踪器，以及为企业提供店内导航。

LORA和LORAWAN

远程通信能力通过被称为LoRa的非蜂窝无线技术提供，也被称为远程通信。对于M2M和物联网部署，其具有低功耗、数据传输安全的特点。LORA目前是Semtech射频平台的一部分，是一项专利技术。Semtech是LoRa联盟的创始成员之一，该联盟目前负责监管LoRa技术。此外，LoRa联盟创建并管理LoRaWAN，这是一个开放的基于云的协议，允许LoRa在物联网设备之间进行通信。

WiFi

WiFi是一种流行的物联网协议，因为其广泛应用于住宅、商业和工业设施。WiFi可以分析大量的数据，并允许快速的数据传输。由于中短距离，局域网的情况特别适合WiFi。此外，WiFi有许多标准，其中最流行的是802.11n，这为技术人员提供了不同的部署方案。

对于各种物联网用例，特别是那些涉及低功耗或电池供电设备的情况。许多WiFi标准，包括在家庭中经常使用的WiFi标准，都会消耗过多的功率，因此，WiFi并非适用于所有部署。WiFi的低范围和较差的可扩展性是额外因素，使其在许多物联网部署中使用不切实际。

蜂窝

蜂窝是物联网应用中最流行和最常用的解决方案之一，也是通信跨越更远距离的最佳部署方案之一。目前，传统的2G和3G标准正在逐渐被淘汰，同时由于通信企业的努力，新的高速标准4G/LTE和5G的覆盖范围正在迅速扩大。蜂窝网络提供了高带宽和可靠的通信，能够发送大量数据，这对许多物联网部署至关重要。然而，这些功能比其他选择更昂贵，且消耗更多的能源。

COAP

受限应用协议（CoAP）是由互联网工程任务小组受限RESTful环境工作组于2013年推出的，此前其被开发用于基于HTTP的物联网系统。CoAP使用用户数据报协议创建安全连接，并允许多个站点之间的数据传输。CoAP使受限制的设备能够加入物联网环境，即使存在低带宽、低可用性和低能源设备，也经常用于机器对机器（M2M）应用。

AMQP

高级消息队列协议（AMQP）是一种开放的标准协议，用于更面向消息的中间件。因此，其独立于所使用的消息代理或平台，促进了系统之间的消息传递兼容性。即使跨距离或通过低于标准的网络，也能提供稳定性、安全性和互操作性，即使在系统不能同时可用的情况下，也能促进通信。

LWM2M

根据OMA SpecWorks的说法，LWM2M是一种为传感器网络和M2M环境的需求设计的设备管理协议。这种通信协议是处理和存储能力受限的低功耗设备的可行选择，因为其是专门为物联网环境和其他M2M应用中的远程设备管理和遥测而创建的。

MQTT

最初创建于1999年，名为消息队列遥测傳输，现在简称为MQTT，此协议不再使用消息队列。MQTT使用发布-订阅体系结构来支持M2M通信，直接的消息传递架构促进了众多设备之间的通信，并在受限的硬件上运行。

MQTT是为在低带宽环境中运行而创建的，包括那些传感器和移动设备连接到不稳定网络的环境。由于其能够连接小代码设备，因此经常被选择用于因带宽限制或不稳定连接，而带来不同程度延迟的无线网络。将物联网和工业物联网设备连接在一起的最流行的开源协议是MQTT，其最初是作为一个专有协议存在的。

DDS

数据分发服务是由对象管理组（OMG）为实时系统创建的。DDS是一种用于以数据为中心的通信的中间件协议和API标准，OMG将其描述为“将系统的组件集成在一起，提供业务和关键任务IoT应用所需的低延迟数据连接、极高的可靠性和可扩展的架构。”该M2M标准使用发布-订阅结构，提供高性能和高度可扩展的实时数据通信。

XMPP

可扩展消息传递和呈现协议（XMPP）最初由开源Jabber社区于21世纪初开发，用于实时人与人之间的对话，目前被用于轻量级中间件中的M2M通信和XML数据路由。XMPP最常用于以消费者为中心的物联网实现，如智能设备，并促进网络上众多实体之间结构化但可扩展的数据的实时交换。XMPP标准基金会支持其作为开源。

Zigbee

Zigbee是物联网环境中使用最广泛的网状网络协议之一，是为建筑和家庭自动化而创建的。Zigbee是一种低功耗、短距离协议，可用于在多个设备上传播通信。虽然其数据速率低于BLE，但范围大于BLE。Zigbee提供灵活的自组织的网格、超低功耗和一系列应用程序，并由Zigbee联盟管理。

Z-Wave

Z-Wave是一种基于低功耗射频技术的无线网状网络通信协议，是另一种独家选择。与蓝牙和WiFi一样，Z-Wave支持智能设备之间的加密通信，为物联网部署增加了一层安全保障。其经常用于商业应用，包括能源管理技术、家庭自动化产品和安全系统。在美国，其使用908.42兆赫的无线电频率，尽管其频率因国而异。Z-Wave联盟是一个致力于提高使用Z-Wave的设备的技术和互操作性的成员联盟，支持Z-Wave。

物联网连接选项

由于选择如此之多且种类繁多，不断变化的物联网连接格局目前集中于满足消费者和工业物联网应用中数据密集型环境的需求。理想的通用物联网连接解决方案应具有极低的设备功耗，能够远距离快速传输大量数据，并提供智能支持企业继续盈利。

现实是，鉴于物联网用例的内在异构性，当前或不久的将来，都无法在不对基本物联网连接因素做出任何妥协的情况下，容纳所有潜在的智能应用程序。

因此，为了确定一个特定项目的最佳解决方案，总是有必要在3个基本连接因素之间妥协，即范围、带宽和功耗。为了智能，选择理想的连接网络必须能够识别项目部署的每个阶段的需求，并对物联网用例的细节有全面的了解。

如何选择正确的物联网选项

物联网连接是指物联网生态系统的每个组件之间的互连，包括传感器、网关、路由器、平台、应用程序和其他系统，通常是指根据带宽、范围和功率需求分类的各种网络系统。物联网项目的需求各不相同，很多项目要根据自己的需求使用各种连接方法。

选择正确的物联网选项的重要性

物联网是一项将数字世界和物理世界结合起来，提供更智能未来的大规模技术，其潜力无限，不断吸引着市场参与者和投资。随着商业和工业物联网的驱动，企业之间的竞争激增，寻找杀手级市场差异化因素的需求日益增长，这些差异化因素将给竞争带来额外的优势，即使只是轻微的优势。

尽管涉及信息和运营技术融合的物联网部署总有改进的空间，但有时连接性似乎被视为理所当然。由于蜂窝、WiFi和蓝牙等广泛使用的无线技术，许多物联网参与者忽视了拥有适当物联网连接的重要性。这可能最终导致项目失败，因为无法控制迅速膨胀的数据。

因此，仔细选择合适的物联网连接解决方案对任何物联网项目的成功都至关重要，因为其可以让用户完全控制智能数据流。最后，通过有效和可互操作的物联网连接解决方案连接资产可能是成功的关键因素。

物联网连接挑战

物联网已经对人们的生活、互动和开展业务的方式产生了一些影响。数十亿联网设备正在把整个地球变成一个巨大的数字中心。物联网连接在试图创建更智能的住宅、办公室、汽车和其他操作时遇到了许多问题。

可扩展性

随着越来越多的设备被连接，底层基础设施必须是可扩展的。随着企业增加更多的物联网连接设备，如传感器、网关、路由器或摄像头，物联网的增长也引发了新型数据的海啸。

扩展问题有多个方面，包括成本、复杂性和带宽效率，根据McKinsey Digital的数据，每秒就有127台设备首次连接到互联网，现在可能更多。因此，随着网络的扩展，服务提供商、网络运营商和其他数字推动者需要实施物联网连接解决方案来处理维护和管理工作量。

兼容性

随着物联网的发展，各种解决方案争相成为标准，使得集成具有挑战性。多样化的操作系统、脱节的云服务以及缺乏标准化的机器对机器协议都可能导致兼容性问题。

为了保持持续的兼容性，用户必须更新和修补其设备。例如，当2个物联网设备相互连接并具有不同的软件版本时，可能会出现性能问题。与此相关，实现物联网平台中各种智能设备之间的数据同步和互操作性具有挑战性。

安全

能想象一台普通的物联网设备在上线5 min后就成为攻击目标吗？随着越来越多的设备连接到互联网，预计这一趋势只会增加。根据Symantec的数据，网络路由器在针对物联网设备的网络攻击中占了大多数，每个路由器平均每月受到5 200次攻击。

除了已经强调的可扩展性和互操作性问题之外，典型的网络安全问题也需要解决，以便物联网部署的成功。其中包括访问控制、分布式拒绝服务（DDoS）攻击、设备标识、个人数据保护、身份验证和其他机密性问题。为了提供端到端安全性，必须能够快速进行调整，以便其在被利用之前得到纠正问题。

物联网部署的分散性意味着组织可以从许多物联网连接标准中选择，如何连接物联网是物联网最重要的决策之一。物联网连接的选择应基于仔细评估每个部署的特点，对于某些非常高的速度，超低延迟连接是必需的。

这可能会导致采用5G或4G蜂窝物联网连接，但这一决定必须与这些技术可能的成本和功耗相平衡。对于一些更简单的部署，需要更小的电池，现物联网连接的低成本效益、低速连接可能是理想的。