引言

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)正在快速發(fā)展。我們需要知道在實現(xiàn)水平和垂直應(yīng)用平衡方面存在的挑戰(zhàn)，以及在2020年實現(xiàn)500億設(shè)備聯(lián)網(wǎng)目標所要求的一些基礎(chǔ)。

Jim Chase在高技術(shù)行業(yè)工作了超過27年，他的全部工作就是與客戶一起，幫助他們站在技術(shù)發(fā)展的前沿，并克服面臨的諸多挑戰(zhàn)。作為一名倍受客戶信任的專家，他把自己的系統(tǒng)解決方案介紹給全世界的商業(yè)和消費類客戶。這種方法讓他在德州儀器(TI)創(chuàng)造出物聯(lián)網(wǎng)解決方案，幫助廣大客戶實現(xiàn)產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)。

從物聯(lián)網(wǎng)到數(shù)據(jù)生活，為挑戰(zhàn)和成熟物聯(lián)網(wǎng)做好準備。

一般來講，物聯(lián)網(wǎng)就是把物接入互聯(lián)網(wǎng)，利用這種網(wǎng)絡(luò)來對這些物進行某種有效的遠程監(jiān)控或者控制。這種物聯(lián)網(wǎng)定義并不全面，它只是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中的一部分。從根本上而言，它幾乎重新塑造了今天的機器對機器(M2M)市場。

發(fā)展到高潮階段(生活在數(shù)據(jù)之中)的物聯(lián)網(wǎng)定義如下：

物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造了一個智能、無形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，我們可以感知、控制和設(shè)計它。擁有物聯(lián)網(wǎng)功能的產(chǎn)品使用嵌入式技術(shù)，能夠相互之間或者與互聯(lián)網(wǎng)進行直接或間接的通信。

20世紀90年代，互聯(lián)網(wǎng)開始在企業(yè)和消費類市場迅猛發(fā)展，但因網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)性較差，其使用仍然受限。到21世紀初，互聯(lián)網(wǎng)接入成為許多應(yīng)用的標準功能，而今天，它將成為許多企業(yè)、工業(yè)和消費類產(chǎn)品的組成部分，以擁有信息訪問能力。但是，這些設(shè)備仍然是互聯(lián)網(wǎng)的初級階段，它要求更多的人機交互，并需要通過應(yīng)用程序和接口實現(xiàn)監(jiān)控。無形技術(shù)在后臺工作，對我們的需求做出動態(tài)的回應(yīng)，讓各種“物”按照我們的愿望工作。只有這時，物聯(lián)網(wǎng)真正的未來才剛剛開始實現(xiàn)。

截止目前，世界已經(jīng)部署了約50億臺“智能”聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。預計到2020年，將有500億臺聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，屆時，我們將可以使用一個擁有萬億節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。這些數(shù)字聽起來確實令人震驚。我們今天部署物聯(lián)網(wǎng)的基本原理，會成為實現(xiàn)上述目標的障礙。通過簡化今天物聯(lián)網(wǎng)的連接與通信方法，便可以實現(xiàn)500億聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的目標。

明天的物聯(lián)網(wǎng)

我預訂的酒店知道我即將入住，并知道我到達酒店的具體時間，因為我讓蘋果公司和谷歌追蹤我的位置。另外，它還知道我一路過來感覺很熱，身上出了很多汗，因為我的智能手表里安裝有溫度和濕度傳感器。目前，我將要入住的酒店房間還沒有激活(燈沒開，窗簾緊閉，溫度未調(diào)節(jié))。我一到達酒店，服務(wù)生便知道是我。他幫我打開車門，車載在探測到服務(wù)生以后也會自動調(diào)節(jié)坐椅。我喜歡自己拿包，因此服務(wù)生領(lǐng)班也不會主動上來詢問是否需要幫助。一旦走到酒店大堂附近，我的智能手機上的一個安全應(yīng)用程序便會啟動。我到達電梯時，即將入住的房間便會根據(jù)智能手表傳感器所發(fā)送的信息，對溫度進行調(diào)節(jié)。燈光亮度、音樂和私人場景都將根據(jù)我的要求設(shè)定。由于我很熱，還出了汗，因此房間還會準備好熱水，以便讓我在一進房間便可洗澡。當我接近房間時，安全應(yīng)用程序會打開房間的門鎖。到了晚上，房間探測到關(guān)燈行為，便會把溫度調(diào)節(jié)至適合我睡眠的設(shè)置。

今天的物聯(lián)網(wǎng)

在這種場景下，鏈鎖酒店的所有房間都安裝有各種傳感器和致動器。所有出租車都有各類傳感器和致動器。我身上也穿戴著各種傳感器和致動器，例如：手表震動提醒等。我的智能手機是我活動的一個網(wǎng)關(guān)，但是我無需經(jīng)常使用手機觸摸屏來指示各種聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如何工作。未來，每天將有數(shù)百萬的人像我這樣享受生活。我們將生活在數(shù)據(jù)之中。這種物聯(lián)網(wǎng)不會馬上實現(xiàn)。只有創(chuàng)造出一個最小公分母(這個星球上所有人都一致認可的簡單通信方案)，我們才能實現(xiàn)這樣的聯(lián)網(wǎng)規(guī)模。它必須是一種與大自然界類似的數(shù)字生態(tài)。目前，技術(shù)協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)受限于其設(shè)計復雜度、安全、可擴展性等等。盡管設(shè)備的復雜性不斷增加，但我們的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備卻必須越來越易于使用。模擬和數(shù)字的界線將越來越模糊。即使對這種技術(shù)幾乎一無所知，這個星球上的每一個人也都能“設(shè)計”出屬于他(她)自己的生活環(huán)境。

在我們把其稱作物聯(lián)網(wǎng)以前，許多制造商就已在把各種物連接至互聯(lián)網(wǎng)。20世紀90年代中期，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器開始加入嵌入式產(chǎn)品的陣營。過去15多年中，M2M制造商一直在把互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)集成到高價值資產(chǎn)追蹤、警報系統(tǒng)和車隊管理等應(yīng)用之中。雖然M2M系統(tǒng)是基于工業(yè)標準協(xié)議，但要搭建這些系統(tǒng)仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。然而，隨著終端節(jié)點中集成的處理器越來越強大，集成M2M系統(tǒng)正變得越來越容易。由于這些處理器支持高級操作系統(tǒng)(OS)和語言，因此這種平臺可以利用智能框架。這些系統(tǒng)常常連接至高端商業(yè)服務(wù)層，并且由網(wǎng)絡(luò)操作中心(NOC)來管理。

消費者已經(jīng)讓許多物加入到互聯(lián)網(wǎng)中，例如：恒溫控制器、能量計、照明控制系統(tǒng)、音樂流與控制系統(tǒng)、遠程視頻播放盒、水池系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)都可以通過某個網(wǎng)站來接入訪問，這樣用戶便可以通過一個標準網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或者一個智能手機應(yīng)用程序(相當于個人網(wǎng)絡(luò)操作中心)來管理它們。

圖 1物聯(lián)網(wǎng)家庭中，有無數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和電器在后臺為消費者服務(wù)。

盡管物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)和消費類應(yīng)用都令人感到興奮，但是部署它們并非是一件簡單的事件，因為它們都是一些完全不相干的垂直系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可能會使用完全相同的協(xié)議和OS構(gòu)架，但是通信層卻不同。另外，每一種系統(tǒng)都可以使用開放式應(yīng)用程序編程接口(API)，無需橫向連接，這樣可以實現(xiàn)更簡單的跨應(yīng)用集成。

噴水系統(tǒng)便是一個例子。它擁有一定的智能水平，可根據(jù)具有可編程控制功能的各種傳感器和互聯(lián)網(wǎng)氣象信息，決定何時噴水。但是，它與房子周圍的運動傳感器沒有聯(lián)系，當狗或者孩子出現(xiàn)在噴水區(qū)域時，它不會停止噴水。噴水控制器沒有收到運動傳感器的信息，因此我們需要使用其它運動控制垂直集成來把數(shù)據(jù)傳輸至另一臺云服務(wù)器。這樣，便需要把兩臺云服務(wù)器連接在一起。我們希望，兩種系統(tǒng)集成都考慮到少量的額外控制。但是，在電子系統(tǒng)中，“希望”這個詞并不是一個好詞。在服務(wù)器上使用Perl、Python、PHP或者其它語言編寫的附加垂直應(yīng)用程序可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，感知人或者寵物的活動，從而讓噴水系統(tǒng)暫停噴水(或者用戶希望的其它邏輯實現(xiàn))。但除非你是一個專家，否則完成這項工作并不容易，因此部署這種系統(tǒng)相當費時。

對于垂直集成聯(lián)網(wǎng)的需求，帶來了許多新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如：IFTTT.com(If this then that的縮寫)和zAPIer.com，它們讓用戶可以直觀地把一些完全不相干的垂直系統(tǒng)連接到一起。但是，它要求用戶注冊使用另一項服務(wù)，以了解是否有能夠滿足具體垂直集成需求的API接口。這些平臺提供一些基本的服務(wù)，例如：“如果(If)我收到妻子的電子郵件，則(then)給我的手機發(fā)送短信。”它假設(shè)，更重要的流程控制總是在后面?；氐角懊娴睦?，假設(shè)噴水系統(tǒng)有一個延遲噴水控制API，則你可以做這樣連接：如果有人或?qū)櫸锘顒?，則延遲噴水。以上操作共涉及三項不同的服務(wù)，三次登錄(同樣必須通過第三方服務(wù)來管理)，三個不同的智能手機應(yīng)用程序，以及幾個故障點?，F(xiàn)在，如果用戶希望把這種服務(wù)與他(她)的日歷集成到一起，以便在舉行家庭聚會時院子不會是濕漉漉的，那怎么辦呢?情況就變得更加復雜。

盡管上面介紹的應(yīng)用都很有趣，但是物聯(lián)網(wǎng)的部署卻仍然很費時。沒錯，制造商們會越來越多地使用物聯(lián)網(wǎng)，而新型垂直應(yīng)用與載體也會增加。但是物聯(lián)網(wǎng)并不是簡單地發(fā)送一條垂直短信或者微博。這些是有趣的演示，但是它們?nèi)鄙倏蓴U展性，也沒有跨垂直系統(tǒng)的集成。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)能實現(xiàn)通知功能，但它也需要一種簡單的方法，讓各種設(shè)備能夠運行各種程序，并對其它設(shè)備或者服務(wù)做出響應(yīng)，從而構(gòu)成一種復雜的應(yīng)用，無需使用復雜的編程環(huán)境。

物聯(lián)網(wǎng)：垂直和水平平衡

Tim Berners-Lee創(chuàng)造了我們今天所稱的互聯(lián)網(wǎng)(技術(shù)上稱為HTTP)，它通過一個開放式平臺把全世界的人聯(lián)系到一起。我們很難說，他這么做是一種大公無私的行為。在這之前，只有一些專有的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并且?guī)缀鯖]有信息共享―前互聯(lián)網(wǎng)時代的垂直結(jié)構(gòu)。阿帕網(wǎng)絡(luò)(ARPANET)部署了一些基礎(chǔ)線路和通信協(xié)議，開啟了互聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展的時代。這種構(gòu)架很健壯，而垂直分拆成為了國防數(shù)據(jù)網(wǎng)(DDN)和國家科學基金網(wǎng)(NFSNET)。在公共和私有企業(yè)的資助下，NFSNET最終變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)的重要組成部分。在今天的互聯(lián)網(wǎng)中，在網(wǎng)絡(luò)接入與信息傳輸?shù)幕A(chǔ)平臺上，有許多垂直應(yīng)用。

今天，制造商有大量的垂直應(yīng)用要求。一些可能是非營利性質(zhì)的，但大多數(shù)都是希望賺取利益。沒有這些，則沒有物聯(lián)網(wǎng)的未來。但是，同時也存在非營利性要求，以達到水平平衡。明天的物聯(lián)網(wǎng)將是我們迄今創(chuàng)造的最大規(guī)模的水平系統(tǒng)構(gòu)架。垂直應(yīng)用會繼續(xù)存在，但是，最低程度的網(wǎng)絡(luò)接入與信息傳輸應(yīng)無處不在，普遍存在于所有應(yīng)用中。

另外，水平平衡會要求物聯(lián)網(wǎng)看起來更像是一個有機系統(tǒng)。細胞復制時，它們以DNA的形式把基礎(chǔ)信息從一個細胞傳遞到另一個細胞。細胞組合在一起，形成自動調(diào)整結(jié)構(gòu)層級，利用神經(jīng)系統(tǒng)來建立和保護其細胞結(jié)構(gòu)-身體的水平結(jié)合形式。人有數(shù)萬億個細胞，它們非常有彈性，可以持續(xù)工作100多年，而不用“重啟”。這就是人們把有機系統(tǒng)作為基礎(chǔ)信息和設(shè)備構(gòu)架的基礎(chǔ)進行研究的原因。

你或許也得出了這樣的結(jié)論：互聯(lián)網(wǎng)具有有機系統(tǒng)的特性。但是，今天的互聯(lián)網(wǎng)把其大部分數(shù)據(jù)傳輸都整合到一些超大型數(shù)據(jù)通道中。最初的互聯(lián)網(wǎng)看起來更加“扁平”，本質(zhì)上更像點對點網(wǎng)絡(luò)。那時，人們對帶寬的大部分使用僅僅只是發(fā)送信息，因此帶寬要求非常低。對媒介和時間有嚴格要求的數(shù)據(jù)傳輸，迫使人們使用大型數(shù)據(jù)通道。今天，客戶端-服務(wù)器構(gòu)架占據(jù)主導地位，其主要由內(nèi)容聚合者即各大數(shù)據(jù)通道公司推動發(fā)展。隨著這個行業(yè)的不斷發(fā)展，其慢慢會變回最初的扁平結(jié)構(gòu)。但是，大型數(shù)據(jù)通道不會消失，因為大帶寬和及時性要求仍然存在。然而，當物聯(lián)網(wǎng)擁有數(shù)萬億的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時，將會有無數(shù)的數(shù)據(jù)流通道。這種大規(guī)模點對點平臺的聚合帶寬，將遠遠超過大型數(shù)據(jù)通道的性能。由于這種網(wǎng)絡(luò)沒有限制，因此它將變?yōu)橥耆闹辛⒑蜔o形。到那時，我們的子孫后代們甚至都不知道什么叫“互聯(lián)網(wǎng)接入”。當然，假設(shè)條件是，我們最終都認可物聯(lián)網(wǎng)這種基礎(chǔ)“貨幣”。

物聯(lián)網(wǎng)準備

物聯(lián)網(wǎng)水平特性的最低技術(shù)層準備，要求制造商們克服如下挑戰(zhàn)：

•網(wǎng)絡(luò)接入：沒有一種“萬用”接入標準。在物聯(lián)網(wǎng)中，會有各種有線和無線標準以及專有實現(xiàn)，用于網(wǎng)絡(luò)接入。面臨的挑戰(zhàn)是，如何使用一種世界公用的數(shù)據(jù)類別，讓各種接入標準之間相互通信。

•電源管理：物聯(lián)網(wǎng)中，更多設(shè)備將使用電池供電，或者利用能源采集技術(shù)，從而讓設(shè)備更加便攜和實現(xiàn)能源自給。有線供電設(shè)備需要更加高效。存在的挑戰(zhàn)是，如何更加容易地給這些設(shè)備添加電源管理功能。無線充電將結(jié)合充電管理功能。

•安全性：由于物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)會有大量的數(shù)據(jù)傳輸，安全性是一個硬性規(guī)定。硬件嵌入式安全和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)接入安全協(xié)議的使用，對于確保物聯(lián)網(wǎng)的安全性必不可少。另一個挑戰(zhàn)是，如何告知消費者使用其設(shè)備中集成的安全功能。

•復雜性：制造廠商正尋求為那些從來沒有連過網(wǎng)的器件和設(shè)備增加網(wǎng)絡(luò)接入功能，讓其加入到物聯(lián)網(wǎng)中。設(shè)計和開發(fā)的簡便性，對于讓更多設(shè)備聯(lián)網(wǎng)必不可少，特別是典型RF編程較為復雜時。另外，需要讓那些沒有相關(guān)技術(shù)知識的普通消費者也能設(shè)置和使用其設(shè)備。

•快速發(fā)展：物聯(lián)網(wǎng)正在不斷變化和發(fā)展。每天都有更多的設(shè)備加入，而這個行業(yè)仍然處在其初期階段。我們不知道會面對什么樣的挑戰(zhàn)、設(shè)備、應(yīng)用和使用場景。因此，在發(fā)展的各個方面，都需要有靈活性。16MHz到1500MHz的處理器和微控制器，可以滿足各種應(yīng)用需求，從小型、能源采集無線傳感器節(jié)點的微控制器(MCU)到高性能、多核處理器，均可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)。我們需要各種有線和無線接入技術(shù)，以滿足市場的各種需求。最后，還要求使用各種傳感器、混合信號和電源管理技術(shù)，提供物聯(lián)網(wǎng)用戶界面和能源友好性設(shè)計。

總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)將改變我們的生活、工作和娛樂方式。從工廠自動化和車載網(wǎng)絡(luò)接入到穿戴式傳感器和家用電器，物聯(lián)網(wǎng)將觸及我們生活的方方面面。我們周圍的各種網(wǎng)絡(luò)不斷變化和發(fā)展著，利用它，便可以根據(jù)來自其它系統(tǒng)的周圍環(huán)境信息，“設(shè)計”我們自己的生活。有了它以后，車載之間可以相互感知，避免發(fā)生交通事故，讓我們的生活更加安全。通過它，家里的照明系統(tǒng)可以根據(jù)窗戶射進來的陽光情況來進行調(diào)節(jié)，讓我們的生活更加環(huán)保。利用它，穿戴式傳感器會檢測心臟情況，防止心臟病發(fā)作，從而讓我們的生活更加健康。距離2020年的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)目標，我們還有很長的路要走。但可以確定的是，我們有一個令人憧憬的未來。

TI 與物聯(lián)網(wǎng)

TI擁有業(yè)界最為全面的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品系列，包括有線及無線接入技術(shù)、微控制器、處理器、傳感器以及模擬信號鏈和電源解決方案，并有專為物聯(lián)網(wǎng)接入而設(shè)計的云系統(tǒng)解決方案。TI通過硬件、軟件、工具和技術(shù)支持，讓應(yīng)用開發(fā)變得更加輕松容易，可讓任何設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，從高性能家用、工業(yè)和車載應(yīng)用到電池供電型穿戴便攜電子設(shè)備或者能源采集型無線傳感器節(jié)點。