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編輯導語：2020年，“新基建”得到了進一步的發(fā)展，5G基站、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等領域加快建設。而物聯(lián)網(wǎng)作為新型基礎設施的重要組成部分，同樣得到快速發(fā)展。本文作者從產品設計的角度出發(fā)，為我們解讀了物聯(lián)網(wǎng)的四層架構。

本文以物聯(lián)網(wǎng)四層架構為基礎，從物聯(lián)網(wǎng)產品設計的角度來解讀每層架構的功能以及主要內容，旨在為物聯(lián)網(wǎng)產品設計以及實現(xiàn)思路感興趣的物聯(lián)網(wǎng)產品或研發(fā)人員有些幫助。

通過互聯(lián)網(wǎng)，人和人之間可以傳遞和交流信息。物聯(lián)網(wǎng)，IoT，Internet of Things，顧名思義就是物和物之間也可以傳遞和交流信息，人人互聯(lián)和物物互聯(lián)兩者最大的區(qū)別體現(xiàn)在人與物的差別上。

人有五官和皮膚接收和采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過大腦加工處理，然后形成想法，最后通過網(wǎng)絡傳遞出去，達到跟別人交流的目的。與人相比，物缺少需要交流的信息，即物缺少采集數(shù)據(jù)的抓手，以及將信息進行整合形成具有交流價值的大腦。

那信息采集技術和嵌入式程序在物聯(lián)網(wǎng)領域就顯得尤為重要，信息采集技術代替了人的五官和皮膚，進行數(shù)據(jù)收集。

嵌入式程序主要代替了大腦的整個決策最后輸出信息，物聯(lián)網(wǎng)很早就在市場上出現(xiàn)但是一直沒有產生可觀的影響力，所以大眾對它的關注度不是很高。

但是近十年來，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，這不僅得益于國家政策的支持－在2010年將其列為國家發(fā)展戰(zhàn)略，還得益于物聯(lián)網(wǎng)配套技術，比如數(shù)據(jù)采集技術、微處理器、通訊模組、通訊網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、云計算等迅猛發(fā)展?。

物聯(lián)網(wǎng)再次進入大眾視野，并成功取得了大眾的矚目和追逐，且有望掀起下一波浪潮。物聯(lián)網(wǎng)技術體系可以分成四層：感知層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層。每一層都擔任了不同的職責，這種類似于專人專責的分工，可以提高工作質量和工作效率。

?圖1：物聯(lián)網(wǎng)四層架構

一、感知層

感知層的主要功能就是采集物理世界的數(shù)據(jù)，其是人類世界跟物理世界進行交流的關鍵橋梁。

感知層的數(shù)據(jù)來源主要有兩種：

一種就是主動采集生成信息，比如傳感器、多媒體信息采集、GPS等，這種方式都需要主動去記錄或跟目標物體進行交互才能拿到數(shù)據(jù)，存在一個采集數(shù)據(jù)的過程，且信息實時性高。

比如在智能喝水領域會采用一種流量傳感器，只要用戶喝水，流量傳感器就會立即采集到本次的喝水量是多少，這就存在一個長期交互采集數(shù)據(jù)的過程。

另一種是接受外部指令被動保存信息，比如射頻識別（RFID）、IC卡識別技術、條形碼、二維碼技術等，這種方式一般都是通過事先將信息保存起來，等待被直接讀取。

比如現(xiàn)在有的小區(qū)用的門禁卡就是用了IC卡識別技術，先將用戶信息錄入中央處理系統(tǒng)，然后用戶每次進門的時候直接刷卡就行。

二、網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層主要功能就是傳輸信息，將感知層獲得的數(shù)據(jù)傳送至指定目的地。

在物聯(lián)網(wǎng)領域，嵌入式程序相當于人的大腦，在信息采集完成之后，大腦就會給通訊模塊發(fā)布指令說把這個信息傳給某某某，網(wǎng)絡層會涉及到你選用什么樣的通訊網(wǎng)絡以及采用什么樣的通訊機制來傳送你的信息。

物聯(lián)網(wǎng)中的“網(wǎng)”字其實包含了2個部分：接入網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)。

以前的互聯(lián)網(wǎng)只是打通了人與人之間的信息交互，但是沒有打通人與物或物與物之間的交互，因為物本身不具有聯(lián)網(wǎng)能力。

后來發(fā)展出將物連接入網(wǎng)的技術，我們稱其為設備接入網(wǎng)，通過這一網(wǎng)絡可以將物與互聯(lián)網(wǎng)打通，實現(xiàn)人與物和物與物之間的信息交互，大大增加了信息互通的邊界，更有利于通過大數(shù)據(jù)、云計算、AI智能等先進技術的應用來增加物理和人類世界的豐富度。

那目前主要有兩種方式的接入網(wǎng)，一種是有線網(wǎng)絡接入，一種是無線網(wǎng)絡接入。

圖2：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡結構

有線主要包括以太網(wǎng)、串行通信（RS-232、RS485等）和USB等。

無線又分為近距離無線、短距離無線和長距離無線通訊。近距離無線通訊主要包括NFC、RFID 、IC等，短距離無線通訊主要包括Wifi、ZigBee、藍牙等，長距離無線通訊主要包括GSM（2G、3G、4G、5G等）、eMTS、Lora、NB-IoT等。

面對眾多的入網(wǎng)方式，我們需要考慮應用場景以及設備本身的特征來選擇合適的接入方式，各種接入網(wǎng)的特征詳見下表。

選好了適合使用的網(wǎng)絡，相當于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢沓休d道路打通了，現(xiàn)在就需要確定以什么樣的機制來傳遞信息，這就涉及到通訊協(xié)議。

從本質上來說，通訊協(xié)議就是一套數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范，就跟我們接觸的英語、德語、中文等類似的語言一樣，是通過一定規(guī)則組成的，易于物與物之間進行交流溝通。

物聯(lián)網(wǎng)設備端資源受限，比如處理能力差、存儲能力小、網(wǎng)絡傳輸量小、網(wǎng)絡不穩(wěn)定等，很明顯物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)在設備端提供的資源環(huán)境存在很大的差別。

所以為了更好地為物聯(lián)網(wǎng)服務，對互聯(lián)網(wǎng)的通訊協(xié)議進行了優(yōu)化，發(fā)展出了目前被廣泛使用的MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)和CoAP（Constrained Application Protocal ）兩種物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議。

MQTT協(xié)議是基于TCP協(xié)議的，可以確定接收方一定會受到設備端發(fā)出的信息。MQTT協(xié)議可以保持長連接，這可以使得設備端和云端進行實時通訊，所以其更適合實時控制交互的場景。

由于是基于TCP協(xié)議的，其通訊協(xié)議比較復雜，設備端要運行復雜機制的話，對性能就需要有一定的要求，比如存儲、計算、網(wǎng)絡質量等。

CoAP協(xié)議是基于UDP協(xié)議的，有兩種數(shù)據(jù)傳輸機制：一種是接收方一定會收到設備端發(fā)送的數(shù)據(jù)，另一種是不管接收方有沒有收到，設備只發(fā)送1次數(shù)據(jù)就結束了。

設備端在完成數(shù)據(jù)發(fā)送之后就進入休眠狀態(tài)，所以低功耗是CoAP協(xié)議最大的特點，其也更適合數(shù)據(jù)采集的場合，比如抄送電表、水表的數(shù)據(jù)。

由于是基于UDP協(xié)議的，其通訊協(xié)議復雜性想對簡單一些，自然對設備端的性能要求會低一些。

三、平臺層

物聯(lián)網(wǎng)平臺可為設備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設備，支撐數(shù)據(jù)上報至云端，向上提供云端API，服務端通過調用云端API將指令下發(fā)至設備端，實現(xiàn)遠程控制。

物聯(lián)網(wǎng)平臺主要包含設備接入、設備管理、安全管理、消息通信、監(jiān)控運維以及數(shù)據(jù)應用等。

圖3：物聯(lián)網(wǎng)管理平臺基本架構

設備接入主要是指設備端如何跟物聯(lián)網(wǎng)平臺進行連接通信，主要表現(xiàn)在：

• 設備端開發(fā)：提供MQTT、CoAP、HTTP、HTTPS等多種協(xié)議的設備端SDK開發(fā)等，幫助不同設備輕松接入
• 設備網(wǎng)絡接入管理：提供基于蜂窩（2G、3G、4G、5G）、NB-IoT、LoRaWAN、WI-FI等不同網(wǎng)絡接入方案。

1. 設備管理

主要包含設備創(chuàng)建、維護、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)同步、設備分布等內容，具體表現(xiàn)在：

1）物模型管理

物聯(lián)網(wǎng)中的物是物理世界的實體，如果我們想開發(fā)一套數(shù)字化系統(tǒng)，那這個實體肯定不能缺席，這個時候就會涉及到一個問題：如何把線下的實體變成線上的呢？

而這正是物模型的價值。物模型通俗的解釋就是用數(shù)字世界的方式將物理世界的物體表征出來，用數(shù)字世界的規(guī)則來描述這個物體是什么、它有什么作用，這也就是我們經(jīng)常聽到的產品的功能。

物聯(lián)網(wǎng)平臺都會提供多種物模型的建立方式，我們可以根據(jù)不同的需求來選擇合適的模型。

2）設備生命周期管理

主要涉及創(chuàng)建設備、設備上下線、禁用／啟用、刪除設備等。物模型建立好之后，相當于定義好了產品的母版，這時候我們可以在該產品下面創(chuàng)建設備，該設備也會具有該產品的功能。

3）數(shù)據(jù)解析

對于低配置且資源受限或者對網(wǎng)絡流量有要求的設備，不適合構造JSON格式與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信，這時候可以將原數(shù)據(jù)透傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺再根據(jù)原數(shù)據(jù)轉化的腳本規(guī)則，將其轉換為JSON格式。

4）設備影子

物聯(lián)網(wǎng)中聯(lián)網(wǎng)是一個很重要的環(huán)節(jié)，如果設備不聯(lián)網(wǎng)的話，則設備端和服務端處于通訊中斷的狀態(tài)，雙方無法交互信息。為了解決這種常態(tài)的困境，給每個設備在物聯(lián)網(wǎng)平臺都建立1個影子，其有2個主要作用：

1. 可以將在設備離線期間保存在設備影子中的服務端的指令在設備上線時立即下發(fā)給設備執(zhí)行；
2. 在設備在線時，如果設備端數(shù)據(jù)發(fā)生變化則及時同步給設備影子，這可以解決當設備離線時服務端請求不到設備數(shù)據(jù)的情況。

換句話說在某種程度上設備影子可以使得設備端和服務端保持相對及時的交互通信，最起碼服務端從設備端可以拿到相對來說最新的數(shù)據(jù)以及服務端可以相對及時的告訴設備端需要執(zhí)行哪些指令。

5）設備拓撲

物聯(lián)網(wǎng)平臺支持設備直連，也支持設備掛載在網(wǎng)關上，作為網(wǎng)關的子設備，由網(wǎng)關直連。

網(wǎng)關直連的場景主要有子設備不能直連或者需要拓撲關系管理的場景，比如WI-FI 網(wǎng)關、ZigBee?網(wǎng)關、以及藍牙網(wǎng)關等。設備拓撲管理可以幫助管理子設備、子設備與網(wǎng)關的拓撲關系、對子設備進行監(jiān)控運維等，同時服務端可以直接面向子設備收發(fā)消息。

2. 安全管理

主要是從設備安全認證和通信安全兩個方面來保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1）設備安全認證

設備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺之前，需要通過身份認證，來保證設備的安全性。

目前，物聯(lián)網(wǎng)平臺支持使用設備密鑰、ID2和X.509證書等方式進行身份認證，在此僅以設備密鑰為例來簡要說明設備身份認證的實現(xiàn)方式（生成、獲取、使用）。

在物聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)建設備的時候會給設備頒發(fā)密鑰，密鑰的種類有多樣，比如一機一密、一型一密等，密鑰生成之后，有2種方式可以將密鑰放到設備端：

一種是事先將密鑰燒錄在設備端程序里面，另一種是當設備首次聯(lián)網(wǎng)時向物聯(lián)網(wǎng)平臺請求設備密鑰，這時如果該設備有注冊過則會把相應的密鑰傳給設備。在設備都有密鑰之后就相當于拿到了通行證，可以和物聯(lián)網(wǎng)平臺進行正常的通信。

2）通信安全

主要是指數(shù)據(jù)傳輸層面的的安全管理，支持MQTT、HTTPS、CoAP數(shù)據(jù)傳輸通道，保證數(shù)據(jù)的機密和完整性，支持設備權限管理機制，保障設備與云端安全通信；支持設備級別的通信資源（Topic等）隔離，防止設備越權等問題。

3. 消息通信

主要包括設備端發(fā)送數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺將數(shù)據(jù)流轉到服務端／其他云產品，服務端遠程控制設備這3種消息傳送方式。

設備管理主要定義了設備是什么，那消息通信主要解決的就是信息傳輸機制：怎樣將物聯(lián)網(wǎng)平臺配置的設備信息與設備端、服務端、其他云產品進行傳遞。這機制里面涉及的一個很重要的概念就是Topic，通過對Topic的定義和使用來進行信息傳輸。

1）基于Topic的上下行通信可以將設備端數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺或實現(xiàn)服務端遠程控制設備

設備端跟物聯(lián)網(wǎng)平臺通信是用的MQTT協(xié)議，該協(xié)議是基于主題的發(fā)布和訂閱機制，其所有的信息傳遞都是通過主題這一中介來完成。

設備可以發(fā)布某一主題也可以訂閱某一主題，設備發(fā)布的話其實就是設備發(fā)送數(shù)據(jù)的消息模式，設備訂閱的話其實就是設備接收數(shù)據(jù)的消息模式，對于物聯(lián)網(wǎng)設備來說上報和接收是兩個基本且重要的消息交互模式，那怎樣來定義主題呢？

主題的定義有兩種方式：一種是自定義數(shù)據(jù)模式，一種是利用物模型建立的標準化的數(shù)據(jù)模式。

主題的定義是基于產品功能的，當產品功能確定好之后，那怎樣將這些功能跟設備通信進行關聯(lián)是一個很重要的問題。

這個時候就需要對產品進行主題的設置。選定產品功能之后，可以根據(jù)需要來設置不同的主題比如上報、接收、更新、刪除等。在產品層面定義好主題類之后，該產品下的所有設備都會具備該主題的特性，設備就可以利用主題來進行上下行通信。

2）基于服務端訂閱、云產品流轉的將物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)傳輸至服務端／其他云產品的傳輸模式

服務端可以直接訂閱產品下多種類型的消息：設備上報消息、設備狀態(tài)變化通知、設備生命周期變更、設備拓撲關系變更等。

配置服務端訂閱之后，物聯(lián)網(wǎng)平臺就會將產品下所有設備的已訂閱的消息轉發(fā)至服務器。使用物聯(lián)網(wǎng)平臺的數(shù)據(jù)流轉功能，可將Topic中的數(shù)據(jù)消息轉發(fā)至其他云產品中進行存儲或處理，這就是所謂的云產品流轉。

4. 監(jiān)控運維

主要涉及到設備監(jiān)控和運維兩個部分。

1. 監(jiān)控診斷：物聯(lián)網(wǎng)平臺提供在線設備數(shù)量、上下行消息數(shù)量、規(guī)則引擎流轉消息次數(shù)、設備網(wǎng)絡狀態(tài)等指標數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控功能；
2. OTA升級：設備投放出去后如果發(fā)生應用程序升級，則可以通過OTA升級與管理服務，實現(xiàn)遠程升級程序的工作；
3. 在線調試：在線調試主要用于程序開發(fā)階段，一是設備端開發(fā)完成后，可以使用物聯(lián)網(wǎng)平臺的在線調試功能，從控制臺下發(fā)至指令到設備端進行功能測試；二是物聯(lián)網(wǎng)提供虛擬設備功能，供云端應用開發(fā)測試使用；
4. 日志服務：可以將云端或設備端的運行日志保存下來供故障查詢等使用，并且可以將日志數(shù)據(jù)導出存放起來進行長期存儲。開通日志轉儲后，支持在物聯(lián)網(wǎng)控制臺查詢分析日志，并提供日志報表、報表訂閱、告警通知等功能。

5. 數(shù)據(jù)應用

主要涉及數(shù)據(jù)的存儲、分析和應用。

1. 數(shù)據(jù)備份：可為海量數(shù)據(jù)提供分發(fā)和備份服務；
2. 數(shù)據(jù)分析：為開發(fā)者提供了設備智能分析，全鏈路覆蓋了對設備數(shù)據(jù)生成、管理（存儲）、清洗、分析及可視化等環(huán)節(jié)；
3. 數(shù)據(jù)應用：可以跟第三方或者其他云產品進行結合解決不同的問題比如將溫濕度計上報數(shù)據(jù)到釘釘群機器人或者通過大數(shù)據(jù)平臺搭建設備監(jiān)控大屏等。

四、應用層

應用層是物聯(lián)網(wǎng)的最終目的，其主要是將設備端收集來的數(shù)據(jù)進行處理，從而給不同的行業(yè)提供智能服務。

目前物聯(lián)網(wǎng)涉及的行業(yè)眾多，比如電力、物流、環(huán)保、農業(yè)、工業(yè)、城市管理、家居生活等，但本質上采用的物聯(lián)網(wǎng)服務類型主要有4類：

1. 監(jiān)控型，比如物流監(jiān)控、污染監(jiān)控等；
2. 控制型，比如智能交通、智能家居等；
3. 掃描型，比如手機錢包、高速公路不停車收費等；
4. 查詢型，比如遠程抄表、智能檢索等。

圖4：物聯(lián)網(wǎng)應用層結構

應用層架構主要有3個組成部分：業(yè)務處理，數(shù)據(jù)庫和客戶端。

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務處理較為復雜，因為其會涉及到海量數(shù)據(jù)的整合，這對不同行業(yè)終端應用者來說具有很大的挑戰(zhàn)，所以目前市場上有專門提供的中間件比如云計算、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、信息融合等可以供行業(yè)者使用，這也在一定程度上激發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)應用行業(yè)的繁榮。

數(shù)據(jù)庫主要用來存儲設備、用戶、業(yè)務以及其他相關的數(shù)據(jù)。應用層會接觸到終端用戶，所以會涉及到客戶端的開發(fā)，在此就不贅述。

物聯(lián)網(wǎng)涉及到的關鍵技術主要有云計算、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能，在此作簡要介紹：

• 云計算具有強大的存儲能力、處理能力、帶寬和極高的性價比，它可以為不同的物聯(lián)網(wǎng)應用提供統(tǒng)一的服務。不同的技術服務商會開發(fā)一套完整的云計算資源，其就像水電一樣，客戶可以按需付費，你需要多少，就購買多少；
• 數(shù)據(jù)挖掘是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的及隨機的實際應用數(shù)據(jù)中，挖掘出隱含的、未知的、對決策有潛在價值的數(shù)據(jù)的過程。數(shù)據(jù)挖掘主要基于人工智能、機器學習、模式識別、統(tǒng)計學等，高度自動化地對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、綜合、歸納和推理，揭示事物間的相互關系，預測未來的發(fā)展趨勢，為決策者提供決策依據(jù)；
• 人工智能是探索研究使各種機器模擬人的某些思維過程和智能行為（如學習、推理、思考等）。該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等。在物聯(lián)網(wǎng)中，人工智能技術主要負責分析物品所承載的信息內容，從而實現(xiàn)計算機自動處理。

寫這篇文章的目的一個是自己對物聯(lián)網(wǎng)領域產品的知識總結，另一個最重要的目的就是希望能給對物聯(lián)網(wǎng)產品設計有興趣的人建立一個物聯(lián)網(wǎng)產品設計以及實現(xiàn)的整體把握，可以了解物聯(lián)網(wǎng)各個組成部分以及相應的關鍵節(jié)點的主要內容。

由于個人知識水平有限，若上述某些觀點有誤，歡迎各位指正，非常感謝～

本文由 @寧靜&淡泊 原創(chuàng)發(fā)布于人人都是產品經(jīng)理，未經(jīng)許可，禁止轉載

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