我们将从以前不一定相互连接或连接到互联网的连接设备的角度来看待物联网。他们可能一直没有太多的计算或通信能力。我们假设这些设备历来在成本、功率、空间、重量、尺寸或散热方面存在局限性。正如我们在物联网设备的历史中看到的那样，自1980年代初期以来，连接传统上不可连接的对象（例如卡内基梅隆大学的冰箱）已经成为可能，但成本相当高。它需要DECPDP11大型计算机的处理能力。摩尔定律证明了硅芯片组中晶体管数量和密度的增加，丹纳德定律改进了计算机的电源配置。遵循这两个趋势，我们现在生产的设备具有更强大的CPU和更大的内存容量，运行能够执行完整网络堆栈的操作系统。只有满足了这些要求，物联网才能成为一个独立的产业。IoT设备的基本要求如下：计算能力，能够运行Internet协议软件栈，硬件和电源可以利用802.3等网络不是传统的互联网连接设备，例如个人电脑、笔记本电脑、智能手机、服务器和数据中心设备、办公生产力机器或平板电脑也包括“边缘”设备。边缘设备本身可以是物联网设备，也可以是物联网设备的“主机”。边缘设备通常是管理计算机节点，它们更靠近数据生成源或数据操作源。它们可能不是数据中心中典型的服务器和集群，而是现场的空间、电力和环境加固。例如，数据中心刀片服务器由针对受控环境优化的电子设备组成，服务环境包括冷热通道、热交换器和不间断电源。边缘设备很可能放置在户外，暴露在自然环境中，以及无法获得持续供电的区域。其他时候，它们可能包括传统的服务器节点，但不受数据中心的约束。鉴于这些限制，物联网市场的实际规模小于分析师的预测。当我们将传统IT和互联网连接设备与物联网设备分开时，我们会看到不同的增长率，如图1-4所示。▲图1-4根据定义将物联网设备的销售与IT设备和移动计算等非物联网设备分开进一步分析物联网设备中使用的实际组件揭示了另一个有趣的模式。如前所述，大多数联网设备都需要一定水平的性能和硬件才能通过标准协议进行通信。然而，图1-5显示了通信芯片和处理器数量与传感器出货量之间的差异。这强化了这样一个概念，即从传感器到边缘计算机和通信设备有很多“扇出”。值得注意的是，大多数物联网设备并不是能够运行互联网硬件和软件堆栈的单一设备。大多数传感器和设备无法直接连接到互联网。它们缺乏连接到互联网所需的处理能力、内存资源和配电。相反，许多真正的物联网依赖于中心辐射型网络中的网关和边缘计算机。通过局域网、非IP网络（蓝牙）、工业协议（ModBus）、传统棕地协议（RS232）和硬件信号连接到边缘计算机的设备有大量扇出。01工业与制造业工业物联网（IndustrialIoT，IIoT）是整个物联网领域中增长最快、规模最大的细分市场之一，以连接数量和服务为制造业和工厂自动化带来的价值来衡量。该细分市场历来属于运营技术(OT)领域。这涉及实时监控物理设备的硬件和软件工具。这些系统历来是管理工厂车间性能和输出的本地计算机和服务器。我们将这些系统称为监督控制和数据采集(SCADA)。传统IT角色的管理方式与OT角色不同。OT将专注于产量指标、正常运行时间、实时数据收集和响应以及系统安全。IT角色将专注于安全、分组、数据交付和服务。随着物联网遍及工业和制造业，这些领域与数千家工厂和生产机器的预测性维护相结合，向私有和公共云基础设施提供前所未有的数据量。▲图1-5传感器、处理器和通信IC在物联网销售中的销售趋势该细分市场的特点包括需要为OT提供准实时或实时决策，这意味着延迟是最大的物联网在工厂车间面临的主要问题。此外，停机时间和安全性是首要问题。这意味着数据冗余以及可能的私有云网络和数据存储。工业领域是增长最快的市场之一。它的标志之一是对棕地技术的依赖，这意味着硬件和软件接口不是当前的主流技术。已有30年历史的生产机器通常依赖RS485串行接口，而不是现代无线网络的网状结构。以下是工业和制造业中的物联网用例及其影响：新旧设备的预防性维护通过实时需求节能节能安全系统，例如热感应、压力感应和气体泄漏工厂车间专家系统02消费者消费者设备是最早接入互联网的细分市场之一。20世纪90年代，消费者物联网首次出现在大学里，是一个联网的咖啡壶。2000年代初，随着蓝牙技术的引入，消费物联网蓬勃发展。数百万家庭现在拥有Nest恒温器、Hue智能灯泡、Alexa助手和Roku机顶盒。人们还将Fitbits与其他可穿戴技术联系在一起。消费市场往往最先采用这些新技术。我们也可以将它们用作小工具。它们都包装精美，可以即插即用。消费市场的一个制约因素是标准的差异。例如，蓝牙、Zigbee和Z-Wave等主要WPAN协议无法互操作。该细分市场与医疗保健市场具有一些共同特征，医疗保健市场也有可穿戴设备和家庭健康监测设备。医疗保健将超越简单的联网家庭健康设备（例如，超越Fitbit智能手环的功能）。以下是一些消费者物联网用例：智能家居类别：智能灌溉、智能车库门、智能锁、智能灯、智能恒温器和智能安全系统可穿戴类别：健康和运动追踪器、智能服装/可穿戴设备宠物类别：宠物定位系统,SmartDogDoor03零售、金融和营销此类别指任何以消费者为基础的商业交易场所，无论是实体店还是快闪店。这些服务包括传统的银行服务和保险公司，以及休闲和酒店服务。零售物联网正在不断发展，旨在降低销售成本和改善客户体验。大量的物联网工具使这成为可能。为简单起见，我们还在该类别中添加了广告和营销。该细分市场衡量即时金融交易的价值。如果物联网解决方案无法提供这种响应，则必须谨慎考虑其投资。这可能会限制人们寻找新方法来节省成本或增加收入。提高客户效率使零售商和服务行业能够提供更好的客户体验，同时最大限度地减少管理费用和销售成本损失。其中一些物联网用例如下：有针对性的广告，例如近距离瞄准已知或潜在客户并提供销售信息信标（例如客户的接近感应、业务模式和休息时间）作为营销分析资产跟踪，例如作为库存控制、损失用于控制和供应链优化的冷库监控，例如易腐烂库存冷库分析。将预测分析应用于食品供应资产保险跟踪驱动因素保险风险测量购物中心、酒店或城市地区的数字标牌娱乐场所、会议、音乐会、游乐园和博物馆中的信标系统行业和物流争夺物联网收入和影响。对于几乎每个发达国家而言，任何能够提高生活质量和降低医疗保健成本的系统都处于关注的前沿。物联网已准备好允许远程和灵活地监控患者，无论他们身在何处。高级分析和机器学习工具将用于观察患者以诊断疾病并提出治疗建议。这些系统还在需要重症监护的情况下充当监视器。目前，可穿戴健康监测仪约有5亿台，未来几年将以两位数的速度增长。医疗系统的严格管理非常重要。从HIPAA合规性到数据安全，物联网系统需要像医疗级工具和设备一样工作。如果患者在家中接受监护，现场系统需要与医疗中心24/7可靠且无停机地通信。该系统可能需要同时监控整个医院网络中救护车中的患者。一些医疗保健物联网用例如下：用于预测和预防医学的家庭患者护理学习模型痴呆症患者和老人护理和跟踪医院设备和用品资产跟踪药物跟踪和安全远程定位远程医疗药物研究患者跌倒指示器05运输和物流运输和物流就物联网而言，物流即使不是主要驱动因素也是非常重要的。这些用例涉及使用设备跟踪正在交付、运输或装运的资产，无论是在卡车、火车、飞机还是轮船上。这也是联网车辆的领域，它们通过通信为驾驶员提供帮助，或代表驾驶员进行预防性维护。今天，一辆普通的新车将有大约100个传感器。随着车对车、车对路通信和自动驾驶成为安全或舒适的必备功能，这个数字将翻一番。它的重要作用不仅限于消费车辆，还延伸到无法承受任何停机时间的铁路线和航运船队。我们还将看到可以跟踪资产的服务卡车，如工人工具、建筑设备和其他有价值的资产。有些用例既简单又昂贵，例如在服务车辆运送货物时监控其位置。该系统需要根据需求和常规设置自动将卡车和服务人员运送到各个地点。此类移动系统具有地理定位要求，其中大部分来自GPS导航。从物联网的角度来看，分析的数据将包括资产和时间，以及空间坐标。以下是运输和物流行业的一些物联网用例：车队跟踪和位置感知市政车辆的规划、路线规划和监控（除雪、垃圾处理）冷藏运输和食品配送安全铁路车辆资产和包裹的识别和跟踪fleetTrackingroadsPreventiveMaintenanceofVehicles06农业与环境农业与环境物联网包括牲畜健康、土地和土壤分析、微气候预测、高效用水以及发生地质和天气相关灾害时的灾害预测等要素。虽然世界人口增长放缓，但世界经济却变得更加富裕。尽管饥荒不像100年前那样普遍，但到2035年粮食生产需求也将翻一番。通过物联网可以显着提高农业效率。使用智能照明，根据鸡龄调整频谱频率，可以提高鸡场的现存生长率，降低死亡率。此外，与当今使用的普通哑光白炽灯泡相比，智能照明系统每年可节省10亿美元的能源。其他用途包括使用传感器的移动和定位来检测牲畜的健康状况。养牛场可以在细菌或病毒感染传播之前检测出易患疾病的动物。远程边缘分析系统可以使用数据分析或机器学习方法来实时查找、定位和隔离牛。该段在偏远地区（火山）或人烟稀少的地区（玉米地）会有所不同。这对数据通信系统有影响。以下是一些农业和环境物联网用例：智能灌溉和施肥技术以提高产量筑巢或家禽养殖中的智能照明以提高产量牲畜健康和资产跟踪制造商对远程农业设备的预防性维护基于无人机的土地调查-通过资产跟踪提高市场供应链效率用于防灾的机器人农业火山和断层线监测07能源行业能源领域包括从生产源头到消费者的能源监控。许多研究和开发都集中在消费者能源和商业能源监控器上，例如智能电表，它们通过低功耗和远程协议进行通信，并可以显示实时能源使用情况。许多能源生产设施位于偏远或恶劣的环境中，例如沙漠地区的太阳能电池板、陡峭山坡上的风电场以及核反应堆的危险装置。此外，数据可能需要对能源生产控制系统（很像制造系统）的关键反应进行实时或接近实时的响应。这可能会影响物联网系统在此类别中的部署方式。以下是能源物联网的一些用例：分析石油钻井平台上数以千计的传感器和数据点以提高效率远程太阳能电池板监控和维护核设施的危害分析跨城市部署智能电表、燃气表和电表监测使用情况的水表和需求使用时间定价根据天气状况对远程风力涡轮机进行实时叶片调整08智慧城市“智慧城市”是指互联和智能的基础设施、市民和车辆。智慧城市是增长最快的部分之一，成本效益比相当可观，尤其是考虑到税收收入时。智慧城市还通过安全、保障和易用性影响市民的生活。例如，巴塞罗那等几个城市已经采用物联网技术，根据垃圾箱和垃圾箱的当前容量和上次被捡起的时间来监控垃圾箱和垃圾箱。这提高了废物收集效率，使城市在运输废物时可以使用更少的资源和税收，同时还消除了腐烂的有机物产生的潜在气味和气味。智能城市部署的一个特征可能是使用的传感器数量。例如，在纽约的每个街角安装一个智能摄像头，需要3000多个摄像头。巴塞罗那等城市将部署近100万个环境传感器来监测用电量、温度、环境条件、空气质量、噪音水平和停车位。这些设备的带宽要求低于流媒体摄像机，但传输的数据量几乎与纽约的监控摄像机相同。在构建正确的物联网架构时，需要考虑体积和带宽的这些特征。智慧城市也受政府指令和法规的约束，因此与政府部门相关联。智慧城市的一些物联网用例如下：污染控制和监管分析的环境意识利用城市范围内的传感器网络进行微气候天气预报通过按需废物管理服务提高效率和成本通过智能交通灯控制和模式改进交通流量和燃油经济性按需城市照明提高能源效率基于实时道路需求、天气状况和附近叉车的智能扫雪根据天气和当前使用情况对公园和公共场所进行智能灌溉智能摄像头监控犯罪和实时AutomaticAMBERalertsSmartparkinglotthatautomaticallyfindthebestparkingspaceasneeded桥梁、街道和基础设施的磨损和使用检测，以提高使用寿命和服务质量09军方和政府对物联网部署感兴趣。以加利福尼亚州的B-30-15号行政命令为例，该命令规定到2030年，影响全球变暖的温室气体排放量将比1990年水平低40%。为实现如此雄心勃勃的目标，环境监测器、能源传感系统和机器智能将需要在按需改变能源模式方面发挥作用，同时保持加州经济的活力。其他例子包括物联网战场等项目，旨在提高对敌人的反击效率。当我们考虑对道路和桥梁等政府基础设施进行监控时，该部分也属于智能城市类别。政府在物联网中的作用体现在标准化、频谱分配和监管方面。例如，频谱资源如何划分、保护和分配给不同的供应商。以下是一些军事和政府物联网用例：通过物联网设备模式分析和信标进行恐怖威胁分析无人机部署的群传感器在战场上部署传感器炸弹以形成传感器网络以监控各种威胁军事人员跟踪和定位服务监控敌对环境集成用于测量大坝和防洪能力的传感器水位监测关于作者：PerryLea是一位拥有30年经验的技术专家。他在Hewlett-Packard工作了20多年，担任LaserJet业务的首席架构师和杰出技术专家。随后，他在Micron担任技术专家和战略总监，领导团队致力于利用内存处理进行机器学习和计算机视觉的新兴计算领域。然后，他在Cradlepoint领导公司转向5G和物联网。本文节选自《物联网系统架构设计与边缘计算》（原书第2版），经出版社授权发布。
