学为所用

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  物联网的组成,在硬件端整体架构方面,会有两种组织形式。一种是连接Internet的硬件设备即是终端设备,不需要再连接其他设备;另一种是连接Internet的硬件设备主要负责连接云端网络,这个设备不是采集/控制终端,还需要与其他终端组成硬件端网络。下面分别介绍一下这两种架构组织形式以及在应用中的利弊关系。

A、硬件终端直接连接Internet,无需硬件端再组网

  这种架构硬件端的联网相对简单,不需要使用网关控制器,每个终端设备都有联网模块,直接与Internet相连。下面用一张图描述这种组网形式的联网部分:

  这种形式的硬件设备端的设计相对简单些,每个终端设备都置入一个可以连接Internet的数传模块,所有的数据都直接上报到云端,所有控制指令的发出,也是经过云端下发。例如常见的WiFi遥控插座(所谓的智能插座)就属于这种形式下的物联网架构实现的。

B、硬件终端本地连接网关控制器,网关控制器连接Internet

  这种架构中,硬件终端设备是不能直接连接Internet的,终端设备首先要连接到网关控制器,然后网关控制器集中将数据上报到云端,云端下发的指令也是经过网关控制器处理后决定是否需要某个终端执行。下面用一张图描述这种组网形式的联网部分:

  这种形式的硬件设备端相比上一种,增加了一个网关控制器。每个终端设备通过有线或无线的方式与网关控制器组成本地网络,所有数据都先发送给网关控制器(网关控制器也可能是网关与控制器两个设备)。网关控制器相当于一个本地控制中心,先对数据进行处理运算,并分析是否需要进行控制、调整,做出相应的反应发送给终端设备。然后再根据需要决定上报到云端哪些数据状态,连接Internet是由网关控制器完成的。云端发出的控制指令或运行配置数据,也是先由网关控制器鉴别处理,决定该如何具体控制并发出信令给终端设备。例如常见的楼宇门禁控制(可在APP上开门的),就属于这种形式下的物联网架构实现的。

C、以上两种架构的适用场景及优缺点

1、上面的A架构(终端直连架构)

  理论上可以适用于所有具备联网条件的应用场景,前提是只要可以连接到Internet(宽带有线、WiFi、3G\4G\5G、NB-Iot等均可)。更适合只需要单机运行的终端设备。

  优点:
  硬件设备端无需再组网操作,实施相对简单些。
  不受多个设备之间的地面情况影响,在有连接到Internet的条件下,更容易实现。

  缺点:
  终端设备所在位置必须具备连接Internet的条件。
  某些场景下,具备上面的条件综合成本会更高,一般情况下可以直连Internet的模组也比自组网的价格要高些。
  最重要的一点,终端设备的自动化智能管理,只能依靠云端,但是到云端的网络经过的环节以及云端服务本身的稳定性、安全性和应急处理的可控性都远远低于终端设备本地条件。如果是需要多个设备综合运行调整的,这些不确定性对终端设备的影响是很大的。

2、上面的B架构(网关连接架构)

  这种架构对联网(Internet)条件不好,只有部分地点可以联网,一定范围多个终端设备需要成为一个个体组织的情况更适用。尤其那些多个终端的数据要综合到一起,并在一定数据变化时需要立即做出反应控制的场景,尤为适用,例如工厂、智能家居。

  优点:
  本地反应速度快,除了远程监管之外,在断网(Internet)情况下同样可以正常运行。
  网关控制器相当于一个本地的控制中心,所有的自动化控制以及近距离移动控制均可通过网关实现,安全性、可控性以及稳定性更高。
  在本地工作区范围内同样可以实现多级管理以及与云端控制一样的便捷。
  网关控制器可以有限开放仅需要云端知晓的数据接口,满足远程监管即可,有效减少安全事故。

  缺点:
  必须增加一个网关控制器来实现联网(Internet)。
  网关控制器与终端设备之间要先通过有线或无线方式组网,增加了设备端的复杂性。
  本地环境可能对网关控制器到某个设备端的联网造成影响或障碍,需要考虑这些因素。

3、行业应用选择建议之我见

  在前面我们介绍很多被美化了行业感念,我们再把这些拿出来看一下,哪些更适用哪种架构。先看一下这些被炒的火热的名词:智能家居、智慧交通、智能医疗、智能电网、智能物流、智能农业、智能电力、智能安防、智慧城市、智能汽车、智能建筑、智能水务、智能工业、商业智能等等。

  下面就举例分析一下硬件端适用的架构形式。

  智能家居
  如果您把一个远程遥控插座也称之为智能家居的话,那么这类单体开关控制不需要与其他配合操作的,更适用于终端直连架构。

  如果您是做一套控制和监测家中多个家电设备及电动装置的智能家居系统,那么网关连接架构更适用。原因是:
  1、可以减少联网操作及降低成本,一户范围内的距离,无论使用有线还是无线进行设备组网,成本都低于每个终端增加一个联网模块。
  2、控制更快速、可靠。例如你的智能家居系统中有燃气检测终端和关闭阀门电动装置两个终端需要联动,因为已经在本地组网,当检测到燃气泄漏后控制器就可以立即通知阀门关闭,而不需要等待发送到云端,等云端再发指令回来,不用担心这个时候可能网络不好或断网。

  智慧交通
  智慧交通比较特殊,因为它的公共属性,通常是不会在公有云上部署的。所以它的架构是上面两种的混合体,为什么这样说呢?

  为检测交通状况部署的传感器分布在大街小巷,有易于有线组网的,有只能无线传输的,有单体存在的,所以也会出现应用Internet协议组专网的情况。整体上是属于网关连接架构,每个控制器都会有所在级别的应对控制权,不会上报到最高级别在发下来。特殊偏僻情况才会应用终端直连架构(也是专网),随着5G的普及应用,直连到专网的情况会更多。

  智能医疗 / 智慧医疗
  智慧医疗最初看到的影子就是远程会诊,逐步发展到数据共享及设备共享。到这个层面,每个医院的设备管理及数据管理都是很严格的,都是需要通过权限限制的。所以最终一定是要有一个充当控制器的设备来作为对云端传送的关口,那么属于网关联网架构,只不过设备组网可能也会有基于Internet协议的局域网。

  从架构形式上,还是要设备与控制器之间先组网,然后再通过网关控制器连接云端外网,所以是网关联网架构。

  智能电网 / 智能电力
  拿远程抄表的发展来说,是经历了 网关联网架构---终端直连架构---网关联网架构 的演变过程。最初是利用电力线做的电力载波系统实现的设备本地网,然后经过网关传输到电力管理部门,后来有了3G/4G模组,出现了单个电表直连云端的案例,但是因为信号覆盖质量以及通信费用逐步又回到了网关联网架构的方式。

  近年NB-Iot的普及发展,带动了终端直连架构的应用,但是抄表系统还是更适合网关联网架构,同样可以将网关设计为NB-Iot联网的,不用考虑信号覆盖问题,大大减少通信费用。

  电力火灾监控系统,今年有所发展,这个应用是需要在每层的配电箱里假装监控装置,属于后期加装,使用NB-Iot的终端直连架构就更合理,只不过可能是连接到消防系统的私有云。

  智能物流 / 智慧物流
  智慧物流与物联网相关的架构中,车载用的就是终端直连架构,提供车辆位置和行驶数据,值需要一个终端就可以了。仓库分拣等就是典型的网关联网架构,要求反应迅速,安全可靠,使用本地控制器做控制中心。甚至一个分拣机机就是一个硬件端的本地网。

  物流涉及的环节比较多,现在科技在物流行业的应用还远远不够,所以智慧物流可发展空间还很大,各个环节都有待继续智能化,大家一起努力吧。

  智能农业 / 智慧农业
  智慧种植、智慧养殖这是大家今年常听到的名词,似乎一下子生活中所有的行业都变成高科技了。不过某些地方的确有好的案例,据我所知智慧种植是在农业应用中最早出现应用物联网科技技术的。

  很多年前我就给一家种植企业做过通过手机监控大棚温度、湿度、光照数据的,后期又加上了自动 控制加热、通风、加湿等。这是一个典型的网关联网架构,因为一个大棚里就不止一个终端,如果每个终端都连接外网的话,成本会上升很多,并且断网后自动控制会失效,造成的损失会很严重。

  再说智慧养殖,一个养猪场要使用很多各种传感器,也会涉及到类似大棚那样的自动化控制,不能依靠外网运行,要在本地实现智能化控制的闭环,外网只是为了监控和必要的控制干预,但是不是必需的。

  智能安防 / 智慧安防
  说道智慧安防,就想起来早期的安防系统,各种布线连接,目的就是要把各种传感器和执行电动装置连接起来,与控制中心组网,实现统一监控。

  发展到今天,科技给安防赋予了更多的便捷和能力。但是始终有一个主题就是,安防是以单位为中心的,小区的安防现场第一控制权在小区安保室(指控制设备),企业的在企业的安保室。都是要有一个本地中心,这是第一要务,连接外网是扩展应用,虽然会扩展的很强大,但是基本属性不可改变。不能因为外网中断,本地就失去了监控和指挥的能力。

  智慧城市
  从技术的角度,智慧城市的建设是通过以物联网、云计算等新技术,实现全面感知、泛在互联、普适计算与融合应用。这个话题有点大,我的理解就是通过城市中各行各业、包括基础设施、社会服务、城市管理等智能化应用的普及,实现整个城市智慧程度的提高。所以这个只是一个统称的概念,会泛生出很多细分的领域,这里就不用细谈了。

  智能汽车 / 车联网
  这个领域热了几年了,自动驾驶的普及似乎还很遥远,虽然个别高校和科技园有实验性应用,但是距离普及还任重而道远 ,涉及的因素很多,不仅仅是技术问题。

  那么说说车联网里的典型应用“T-BOX”,这个后期逐步扩展增加了多个传感器,采集数据更加全面,这个就是终端直连架构。T-BOX就是一个移动终端,有的还可以与车载显示器连接,云端可以推送各种车周边服务信息等。笔者之前也做过这种应用,车联网还是有一定的发展空间的,但是要做扎实的,可落地的项目。

  智能水务 / 智慧水务
  智慧水务主要是为防汛抗旱、水资源调度和水环境治理服务,所以监控点(数据采集)相隔距离都是较远的,那么最适合的就是用NB-Iot或3G/4G/5G组成的终端直连架构,但是肯定要连接到水务部门的私有云上,这个的原因不说自明。

  智能工业 / 智慧工厂
  这里说一下智慧工厂里关于设备的物联网应用,各个设备的关键节点都装有检测传感器,数据要实时传送到控制器,控制器以最快的速度计算出结果,给出判断执行的指令。如果需要人为干预,需要立刻执行,这是在生产线改造中应用最多的场景。

  这种场景也代表了工厂类的普遍应用场景,要求反应迅速,安全可控,所以是不会直接单终端联网上云的。工厂里的安全是至关重要的,上云端的都是经过控制器处理、筛选后的,所有来自云端的指令也是经过控制器安全确认过的才可以分发执行。是典型的网关联网架构。

一点总结

  以上是我个人对热门行业应用物联网硬件设备端架构的探讨,仅代表个人观点。总结下来就是在硬件设备本地相对密集可以具备单位组织属性的,就优先采用网关联网架构,十分分散的就采用终端直连架构。如果是安全控制需要,分散的也要连接到远程控制器,再上云端。

基于硬件端架构对初创选型的一点建议

  对于初创项目(企业),在选择架构的时候,一定要优先使用网关联网架构,否则没等发展起来,因安全事故问题可能就会将项目夭折了。因为设备连接到云端的可控性、安全性、稳定性是一个永远需要解决的问题,不要让你的客户刚一用上你的产品就带来很大的麻烦,那后面还哪有口碑啊。当然,个人消费类产品可能这点不那么重要。

   本节完,待续......

作者:学为所用
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posted on 2019-12-06 09:50  学为所用  阅读(645)  评论(0编辑  收藏  举报