20 多年前，公眾開始接觸互聯(lián)網(wǎng)，隨之出現(xiàn)了各種全新的公司和工作方式。 互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的“實(shí)體”業(yè)務(wù)模式。 而物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 則將實(shí)體資產(chǎn)聯(lián)網(wǎng)，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了延伸。 由于嵌入傳感器可監(jiān)測狀態(tài)，即使是建筑的一磚一瓦也可受到物聯(lián)網(wǎng)的影響。

在現(xiàn)實(shí)世界，IoT 使用分布式計(jì)算智能，讓傳統(tǒng)業(yè)務(wù)模式得到重新審視。 企業(yè)可以自問：消費(fèi)者真正需要的是什么，我們能做什么提供支持？ 在為飛機(jī)制造的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，我們已經(jīng)看到這種轉(zhuǎn)變。 業(yè)界主要的供應(yīng)商是早期采用 IoT 模式的企業(yè)，它們利用通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于其產(chǎn)品，并為航空公司的購買方式提供了支持。

這種模式關(guān)注空運(yùn)盈利性經(jīng)營中最重要的部分，即縮短飛機(jī)在地面上的停工時(shí)間，讓其可以服務(wù)最多的航班數(shù)，這樣航空公司與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)制造商就有了相同的激勵(lì)因素。 發(fā)動(dòng)機(jī)中的傳感器不僅提供實(shí)時(shí)更新信息，而且還可傳達(dá)飛機(jī)處于停機(jī)位時(shí)的機(jī)況詳細(xì)數(shù)據(jù)。 得到的信息為發(fā)動(dòng)機(jī)制造商提供關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)情況的最新消息，讓他們能根據(jù)飛行計(jì)劃，安排最適宜的時(shí)機(jī)進(jìn)行離翼維護(hù)。

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)模式本身旨在促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商能讓飛機(jī)盡可能地多飛行，因此，航空公司除了購買發(fā)動(dòng)機(jī)外，實(shí)際上也在租用這種保持飛機(jī)飛行的能力。 傳感器和全球通信幫助發(fā)動(dòng)機(jī)制造商實(shí)現(xiàn)其業(yè)務(wù)模式的目標(biāo)。

相同的原理可以擴(kuò)展到其他諸多市場。 例如，汽車制造商可以從傳統(tǒng)的產(chǎn)品供應(yīng)商角色轉(zhuǎn)換成可靠的運(yùn)輸提供商之一。 汽車價(jià)值鏈的其他供應(yīng)商也可加入其中。 制造商可以將輪胎租賃給駕駛員，而不是不定期向其出售，這種模式通過使用傳感器（部分已安裝于輪胎中）而獲得提升。

圖 1： 采用 NXP Semiconductor FXTH87 系列輪胎壓力監(jiān)測傳感器的范例系統(tǒng)應(yīng)用示意圖（來源： NXP）。

通過將輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)和駕駛數(shù)據(jù)連接到 IoT，云中的應(yīng)用會(huì)通知駕駛員在恰當(dāng)時(shí)間前往合適的服務(wù)站補(bǔ)充輪胎壓，并且如果駕駛數(shù)據(jù)顯示輪胎的使用強(qiáng)度大，駕駛員則應(yīng)檢查胎紋深度和輪胎情況。 如果輪胎磨損達(dá)到需要更換的程度，駕駛員可在方便時(shí)前往輪胎更換地點(diǎn)換胎，而不必等到年度維修時(shí)再更換。 這種方法為消費(fèi)者帶來極大的價(jià)值，也幫助輪胎制造商更好地預(yù)測收益流。

在保險(xiǎn)領(lǐng)域中，這種業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型可能更加明顯。 以往，保險(xiǎn)公司只是在制定保單時(shí)使用精算信息來估計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)在，他們可以更主動(dòng)地降低風(fēng)險(xiǎn)和整體成本，為自己和消費(fèi)者提供更高的價(jià)值。 例如，房屋保險(xiǎn)中最高的成本之一是房屋在水管爆裂被淹后的物品清理和替換。 處理爆裂水管的時(shí)間越長，成本就越高。 因此，空置房屋的清理成本較高。

如果房屋內(nèi)的傳感器檢測到漏水，指示即將發(fā)生水淹，自動(dòng)閥將關(guān)閉總水管供水，從而顯著降低潛在損害。 傳感器還可以檢測其他問題，這樣保險(xiǎn)公司能及時(shí)提供服務(wù)并處理問題，不至于產(chǎn)生過高代價(jià)。 通過這種方式，保險(xiǎn)公司的角色轉(zhuǎn)換為一種保證。

現(xiàn)有諸多技術(shù)能讓企業(yè)最大程度地利用 IoT。 如上例所示，傳感器和通信是兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 但要讓整個(gè)系統(tǒng)順利運(yùn)作，基礎(chǔ)設(shè)施也是很重要的。

在大多數(shù)基于 IoT 的現(xiàn)有應(yīng)用中，通信基礎(chǔ)設(shè)施的作用更像是內(nèi)聯(lián)網(wǎng)。 制造商已部署傳感器，通常也對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，盡管可能租用了現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施的功能，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)。 IoT 能使用來自多個(gè)提供商的數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建單一的應(yīng)用，以此提供最大價(jià)值。

例如，水傳感器和自動(dòng)閥可能分別由業(yè)主和自來水公司安裝。 協(xié)調(diào)兩者行動(dòng)的關(guān)鍵在于保險(xiǎn)公司開發(fā)的軟件，其可能在多個(gè)位置運(yùn)行。 計(jì)算水讀數(shù)是否指示水淹的核心算法通常在云服務(wù)器中運(yùn)行。 這些服務(wù)器可能直接屬于服務(wù)提供者所有，或者從 Amazon Web Services 或 Microsoft 的 Azure 服務(wù)等提供商處租用。

為保證實(shí)時(shí)響應(yīng)，某些應(yīng)用可能在非常靠近傳感器和致動(dòng)器的 IoT 網(wǎng)關(guān)中運(yùn)行。 此網(wǎng)關(guān)是需對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)做出的一項(xiàng)最大變化，進(jìn)而從 IoT 提取最大價(jià)值。

某種程度上，IoT 網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與家中、辦公室或工業(yè)單位的路由器相同的功能。 它收集來自多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、向致動(dòng)器傳遞命令、并向云提供信息。 網(wǎng)關(guān)和各 IoT 節(jié)點(diǎn)之間的連接構(gòu)成“霧”層的部分，以區(qū)分它們與更廣泛的互聯(lián)網(wǎng)到云的連接。

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的可能方向之一是讓它們成為 IoT 應(yīng)用的主機(jī)。 基于虛擬機(jī)監(jiān)控程序的虛擬化架構(gòu)能將核心路由和網(wǎng)絡(luò)管理功能從可下載應(yīng)用程序（可能來自于各服務(wù)提供商和設(shè)備供應(yīng)商）中分離。 Prpl 小組已展示該架構(gòu)，開發(fā)出支持它的虛擬機(jī)監(jiān)控程序，并以開源形式提供。 這便于制造商實(shí)施 IoT 網(wǎng)關(guān)的核心功能，應(yīng)用編寫人員也可輕松創(chuàng)建在其上運(yùn)行的軟件。

對(duì)于霧網(wǎng)絡(luò)，集成人員和開發(fā)人員都面臨大量選擇，這些選擇的范圍、數(shù)據(jù)速率和其他功能方面都有極大區(qū)別。 IoT 的廣泛性意味著沒有一體適用的解決方案。

即使在新興的智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，也要考慮這種多樣性。 某些解決方案將應(yīng)用于小型的棕色地帶，這里的作物生長在溫室中。 盡管在溫室環(huán)境中相對(duì)容易控制植物的灌溉，但這種農(nóng)業(yè)形式的封閉性易于導(dǎo)致病害快速蔓延。

而傳統(tǒng)的田間農(nóng)業(yè)則面臨著不同的挑戰(zhàn)。 雖然存在病蟲害侵襲的問題，但確保作物高效生長且不浪費(fèi)水的關(guān)鍵在于監(jiān)控土壤層的灌溉效果。 通過監(jiān)控土壤的濕度，傳感器可以向應(yīng)用提供相關(guān)信息，從而準(zhǔn)確控制農(nóng)田灌溉。 只有當(dāng)田間某個(gè)區(qū)域的濕度過低時(shí)才會(huì)啟動(dòng)灌溉。 而田間其他區(qū)域不會(huì)澆水，以免過度灌溉。 這種技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用干旱地區(qū)，如近年來飽受干旱之苦的加州。

在溫室環(huán)境中，土壤數(shù)據(jù)很重要。 但由于可以循環(huán)用水，節(jié)水顯得并不那么重要。 相反，可以采用水培生長培養(yǎng)基，并利用不同類型的傳感器來監(jiān)控流速，維持良好營養(yǎng)分布。 為監(jiān)控病害，可采用無人飛行器 (UAV) 檢查農(nóng)作物，找出需要緊急處理或清除的作物，以免感染其余作物。

兩種農(nóng)業(yè)形式各自的通信需求差別極大。 高帶寬通信在溫室環(huán)境中更重要，可通過基于云或網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用更好地識(shí)別病害癥狀。 在空間狹小的環(huán)境中一般適用短程、帶寬更高的協(xié)議，如藍(lán)牙或 Wi-Fi。 傳統(tǒng)農(nóng)場的露天環(huán)境不太適合范圍有限的霧網(wǎng)絡(luò)，但可以部署其他選擇，如 LoRaWan 或蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

盡管藍(lán)牙的設(shè)計(jì)主要用作個(gè)人區(qū)域網(wǎng)，面向與手機(jī)進(jìn)行通信的設(shè)備，但是其應(yīng)用空間已通過一系列協(xié)議增強(qiáng)版本得到顯著擴(kuò)張，并且將持續(xù)發(fā)展。 藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 (SIG) 正在進(jìn)行一項(xiàng)技術(shù)調(diào)整，將使 100 米的常規(guī)傳輸范圍擴(kuò)大四倍。 范圍擴(kuò)展降低了比特率，但由于該協(xié)議具有自適應(yīng)性，因此更靠近的節(jié)點(diǎn)能獲得更高的傳輸速度。 技術(shù)調(diào)整后，近距離設(shè)備之間的數(shù)據(jù)率將增加到 2 Mbit/s。

另一項(xiàng)調(diào)整是讓藍(lán)牙與其他面向 IoT 的網(wǎng)絡(luò)保持一致（如 6LowPAN 和 Zigbee），即增加對(duì)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的支持。 作為 6LowPAN 和 Zigbee 基礎(chǔ)的無線通信 IEEE 802.15.4 規(guī)范旨在支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，能用于擴(kuò)展此類霧網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的有效范圍和彈性。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)使得數(shù)據(jù)包能通過短程通信實(shí)現(xiàn)長距離傳輸。 這是通過讓數(shù)據(jù)包在源和目標(biāo)之間的節(jié)點(diǎn)使用短躍點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。 網(wǎng)狀技術(shù)提高了彈性，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，通常可使用另一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。 有了網(wǎng)狀技術(shù)，就能將傳感器放在超出 IoT 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)直接范圍的位置，如溫室屋頂?shù)入y以接近的區(qū)域。

修改藍(lán)牙規(guī)范時(shí)，也考慮了 IoT 的異構(gòu)性，讓支持該協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)能與 6LowPAN 設(shè)備進(jìn)行交互。 盡管 6LowPAN 比 Zigbee 引入更晚，但由于被 Thread 協(xié)議組采用，6LowPAN 在 IoT 裝置中更可能普及。 Thread 為 6LowPAN 增加了驗(yàn)證和加密等特性，提高了整體安全性。

6LowPAN 等協(xié)議不僅在藍(lán)牙和 Wi-Fi 使用的 2.4 GHz 頻段工作，也可在 868 MHz 等千兆赫以下的免許可頻帶工作。 由于采用窄帶傳輸，這種低頻范圍支持較低比特率。 但是，范圍趨于增加，并且對(duì)功耗的影響極小。 因此，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)不太適用但又需要長距離傳輸?shù)那闆r下，適合使用千兆赫以下的頻帶部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)。 例如，沿著道路部署傳感器并按照一定間隔放置網(wǎng)關(guān)，以便向云輸入和輸出信息。

改為采用 LoRaWan 或 SIGFOX 等協(xié)議后，單一網(wǎng)關(guān)可與散布在郊野一公里或更大范圍的大量傳感器保持連接。

圖 2： Semtech SX1272/73 - 860 MHz 到 1020 MHz 低功耗遠(yuǎn)程收發(fā)器 – 框圖。

LoRaWan 協(xié)議由 Semtech 制定，該公司協(xié)同 Microchip Technology 和 STMicroelectronics 一同提供兼容收發(fā)器。 硅的隨時(shí)可用性讓 IoT 應(yīng)用開發(fā)人員和集成人員可以選擇霧網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)。 他們可以部署自己的網(wǎng)關(guān)硬件，或者使用公開或私有網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)在不僅有商業(yè) LoRaWan 網(wǎng)絡(luò)的部署，某些人士也在自發(fā)部署自己的免費(fèi)產(chǎn)品。 比如荷蘭的阿姆斯特丹，The Things Network 組織成員部署的十一個(gè)網(wǎng)關(guān)就幾乎覆蓋了整座城市。

大多數(shù)針對(duì) 868 MHz 通信和類似帶寬開發(fā)的收發(fā)器都可使用 SIGFOX 協(xié)議。 該協(xié)議主要為實(shí)現(xiàn)與協(xié)議制定公司安裝的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單向且低數(shù)據(jù)速率的通信。

長距離通信還可選擇使用 3G 和 4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)。 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化小組已制定了針對(duì) IoT 應(yīng)用的 4G LTE 協(xié)議，并且正致力于制定另一項(xiàng)協(xié)議 Narrowband-IoT，它將降低復(fù)雜度和功耗。

得益于通信基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，IoT 設(shè)備將擁有連接到霧網(wǎng)絡(luò)和云端的多種方式。 關(guān)鍵在于將這些單獨(dú)的系統(tǒng)鏈接在一起，而軟件和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)則是重中之重。

受限應(yīng)用協(xié)議 (CoAP) 等協(xié)議讓互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（如超文本傳輸協(xié)議 (HTTP)）的優(yōu)勢推廣到霧網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)中。 CoAP 提供對(duì) HTTP 的訪問，其形式非常適合內(nèi)存和處理資源受限的微控制器。 CoAP 支持相同的具象狀態(tài)傳輸 (REST) 編程模型，此模型已成為開發(fā)基于 Web 的應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。 但是，它采用二進(jìn)制而非文本格式，比傳統(tǒng) HTTP 更緊湊，適合低數(shù)據(jù)率連接。

圖 3： MQTT 服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 功能（來源：MQTT - 適用于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)用性協(xié)議： IBM MessageSight Solutions）

MQ 遙測傳輸 (MQTT) 等其他協(xié)議，可支持備選的應(yīng)用架構(gòu)。 相比 CoAP 的客戶端-服務(wù)器架構(gòu)，MQTT 支持發(fā)布-訂閱模式。 發(fā)布-訂閱架構(gòu)適合 IoT，因?yàn)樗峁﹣碜圆煌瑧?yīng)用的各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，無需直接訪問每個(gè)節(jié)點(diǎn)。 這樣可降低對(duì)霧網(wǎng)絡(luò)的要求，并且實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。 CoAP 和 MQTT 并不相互排斥。 網(wǎng)關(guān)可以使用 CoAP 收集數(shù)據(jù)，然后使用 MQTT 或?qū)砜赡艹霈F(xiàn)的協(xié)議提供對(duì)其他應(yīng)用的訪問。

關(guān)鍵在于已部署的架構(gòu)將支持互操作性，并且因此實(shí)現(xiàn) IoT 的主要承諾之一，即快速開發(fā)出創(chuàng)新型的高盈利應(yīng)用，而無需每次都進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施投資。

例如，部署無人機(jī)和其他傳感器來監(jiān)控農(nóng)作物之后，農(nóng)場主可以基于市場數(shù)據(jù)或運(yùn)輸情況調(diào)整收割決策。 基于云的應(yīng)用可追蹤特定食品的需求，必要時(shí)促使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)加速收割，以應(yīng)對(duì)需求增長。 另一個(gè)應(yīng)用則可運(yùn)行及時(shí)收割系統(tǒng)，最大程度確保作物新鮮度。 只有當(dāng)卡車位于農(nóng)場范圍內(nèi)，才開始當(dāng)天的收割– 由于所采用的預(yù)測軟件使用無人機(jī)提供的數(shù)據(jù)，可明確已準(zhǔn)備待采摘的作物量，這樣就能在卡車到達(dá)時(shí)確保作物準(zhǔn)備就緒。

無需為卡車增加傳感器來確定其位置和大概到達(dá)的時(shí)間，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)就緒到位。 唯一的要求是數(shù)據(jù)對(duì)該應(yīng)用可用，而這可通過 CoAP 和 MQTT 等協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。

IoT 涉及通信、傳感器技術(shù)、基于云的智能和開放軟件協(xié)議。 IoT 承諾提供由業(yè)務(wù)模式推動(dòng)的全新功能，如果沒有這些技術(shù)，這些功能將難以實(shí)現(xiàn)。