编辑导语:2020年，“新基础设施”进一步发展，5G基站、工业互联网、数据中心等领域建设加快。作为新型基础设施的重要组成部分，物联网也发展迅速。作者从产品设计的角度，为我们解读了物联网的四层架构。
基于物联网的四层架构，从物联网产品设计的角度解读各层架构的功能和主要内容，旨在为物联网产品或对物联网产品设计和实施思路感兴趣的RD人员提供一些帮助。
通过互联网，人们可以传递和交换信息。物联网，IoT，物联网，顾名思义就是事物也可以传递和交换信息。人联网和物联网最大的区别就是人和物的区别。
人有五种感官和皮肤来接收和收集数据，经过大脑的处理，然后形成想法，最后通过网络传递，达到与人交流的目的。与人相比，物缺少需要交流的信息，即物缺少采集数据、整合信息形成具有交流价值的大脑的握柄。
那么信息采集技术和嵌入式程序在物联网领域就显得尤为重要。信息采集技术代替人的面部特征和皮肤来采集数据。
嵌入式程序主要是代替大脑的整个决策，最终输出信息。物联网很早就出现在市场上，但一直没有产生相当大的影响力，所以大众并不太关注。
然而，在过去的十年中，物联网发展迅速，这不仅得益于国家政策的支持——2010年被列为国家发展战略，还得益于物联网的支撑技术的快速发展，如数据采集技术、微处理器、通信模块、通信网络、大数据和云计算。
物联网再次进入大众视野，并成功获得大众的关注和追捧，有望掀起下一波浪潮。物联网的技术体系可以分为四层:感知层、网络层、平台层和应用层。每一层都有不同的职责，这种类似于专人的分工，可以提高工作的质量和效率。
图1:物联网的四层架构
首先，感知层
感知层的主要功能是收集物理世界的数据，是人类世界和物理世界之间的关键桥梁。
感知层有两个主要的数据源:
一种是主动收集和生成信息，如传感器、多媒体信息采集、GPS等。这样，只能通过主动记录或与目标对象交互来获取数据。有一个收集数据的过程，实时信息高。
比如在智能饮用水领域，会用到流量传感器。只要用户喝了水，流量传感器就会立刻采集这次的用水量，所以有一个长期的交互数据采集过程。
另一种是通过接受外界指令被动保存信息，如射频识别、IC卡识别技术、条形码、二维码技术等。这种方法一般会提前保存信息，等待直接读取。
比如现在一些小区使用的门禁卡就采用了IC卡识别技术。首先将用户信息录入中央处理系统，然后用户每次进门都可以直接刷卡。
第二，网络层
网络层的主要功能是传递信息，将感知层获得的数据传输到指定的目的地。
在物联网领域，嵌入式程序相当于人脑。信息收集完成后，大脑会向通讯模块发出指令，说要把这个信息传送给XXX。网络层会涉及到你选择什么样的通信网络，用什么样的通信机制来传递你的信息。
物联网中的“网”字其实包含了接入网和互联网两部分。
过去互联网只是打通了人与人之间的信息交互，没有打通人与物或物与物之间的交互，因为物本身不具备联网能力。
后来发展出了物联网技术，我们称之为设备接入网。通过这个网络，可以将物联网，实现人与物、物与物的信息交互，大大增加了信息交流的边界，更有利于通过大数据、云计算、AI智能等先进技术的应用，增加物理和人类世界的丰富性。
目前接入网络有两种，一种是有线网络接入，一种是无线网络接入。
图2:物联网网络结构
有线主要包括以太网、串口通信和USB。
无线分为短距离无线、短距离无线和长距离无线通信。短距离无线通信主要包括NFC、RFID、IC等。短程无线通信主要有Wifi、ZigBee、蓝牙等。远程无线通信主要包括GSM、eMTS、Lora、NB-IoT等。
面对众多的接入方式，我们需要考虑应用场景和设备本身的特点来选择合适的接入方式。各种接入网络的特征见下表。
选择合适的网络后，就开启了相当于数据传输的物理承载路。现在需要确定用什么样的机制来传递信息，这就涉及到通信协议。
通信协议本质上是一套数据传输规范，就像我们接触到的英语、德语、汉语等类似语言一样。它是由一定的规则组成的，事物之间很容易相互沟通。
物联网设备资源有限，如处理能力差、存储容量小、网络传输量小、网络不稳定等。显然，物联网和互联网在设备端提供的资源和环境是有很大区别的。
因此，为了更好地服务于物联网，对互联网的通信协议进行了优化，开发了两个广泛使用的物联网通信协议MQTT和CoAP。
MQTT协议是基于TCP协议的，可以确定接收方将接收到来自设备的信息。MQTT协议可以保持长连接，可以使设备与云端实时通信，因此更适合实时控制交互的场景。
由于是基于TCP协议，其通信协议复杂，如果设备端要运行复杂的机制，需要对性能有一定的要求，比如存储、计算、网络质量等。
CoAP协议基于UDP协议，有两种数据传输机制:一种是接收方一定会收到设备发送的数据，另一种是无论接收方是否收到，设备只发送一次数据。
设备在数据传输后进入睡眠状态，所以低功耗是CoAP协议的最大特点，也更适合数据采集场合，比如抄电表水表的数据。
因为是基于UDP协议，所以其通信协议的复杂度应该更简单，所以对设备端的性能要求自然会更低。
第三，平台层
物联网平台可以为设备提供安全可靠的连接和通信能力，向下连接海量设备，支持数据上报云端，向上提供云端API。服务器通过调用云API向设备发送指令，实现远程控制。
物联网平台主要包括设备接入、设备管理、安全管理、消息通信、监控与操作、数据应用。
图3:物联网管理平台的基础架构
设备接入主要是指设备终端如何与物联网平台连接和通信，主要表现在以下几个方面:
设备端开发:提供MQTT、CoAP、HTTP、HTTPS等协议的设备端SDK开发，帮助不同设备轻松接入设备网络接入管理:提供基于蜂窝、NB-IoT、LoRaWAN、WI-FI等不同的网络接入方案。
1.设备管理
主要包括设备创建、维护、数据转换、数据同步、设备分发等。，具体体现在:
1)对象模型管理
物联网中的东西是物理世界中的实体。如果我们要开发一个数字系统，这个实体一定不能缺席。这时候就会涉及到一个问题:如何把线下的实体变成线上的？
这就是物理模型的价值。对象模型通俗的解释就是把物理世界对象用数字世界的方式表现出来，用数字世界的规则来描述这个对象是什么，有什么功能，也就是我们经常听到的产品的功能。
物联网平台会提供多种物联网模型构建方式，我们可以根据不同的需求选择合适的模型。
2)设备生命周期管理
主要涉及创建设备、上线下线、停用/启用、删除设备等。对象模型建立后，相当于定义了产品的主人。这时候我们可以在产品下创建设备，设备也会有产品的功能。
3)数据分析
对于配置不高、资源有限或对网络流量有要求的设备，不适合构造JSON格式与物联网平台通信。此时可以将原始数据透明传输到物联网平台，物联网平台会根据原始数据转换的脚本规则将其转换为JSON格式。
4)设备的阴影
物联网中，联网是非常重要的一环。如果设备没有联网，设备端和服务器端的通信就会中断，双方无法交换信息。为了解决这种正常的困境，每个设备都被赋予了物联网平台上的阴影，物联网平台有两个主要功能:
设备离线时可以存储在设备影子下的服务器的指令，在设备在线时立即发送给设备执行；设备在线时，如果设备端的数据发生变化，会及时同步到设备的影子上，可以解决设备离线时服务器无法请求设备数据的问题。换句话说，某种程度上，设备的影子可以让设备端和服务器端保持相对及时的交互沟通。至少，服务器端可以从设备端获得相对最新的数据，并且服务器端可以以相对及时的方式告诉设备端哪些指令需要被执行。
5)设备拓扑
物联网平台支持设备直连，也支持安装在网关上的设备。作为网关的子设备，设备通过网关直接连接。
网关直连场景主要包括子设备无法直连或需要拓扑管理的场景，如WI-FI网关、ZigBee网关、蓝牙网关等。设备拓扑管理可以帮助管理子设备、子设备和网关之间的拓扑关系、监控子设备的运行和维护等。同时，服务器可以直接向子设备发送和接收消息。
2.安全管理
主要从设备安全认证和通信安全两个方面保障物联网中数据传输的安全。
1)设备安全认证
在接入物联网平台之前，需要对设备进行认证，以保证设备的安全性。
目前物联网平台支持通过设备密钥、ID、X.509证书等方式进行认证。这里仅以设备密钥为例，简单说明设备认证的实现。
在物联网平台上创建设备时，会给设备颁发一个密钥。有各种类型的密钥，如一台机器一个秘密，一种类型一个秘密，等等。生成密钥后，有两种方法将密钥放在设备端:
一种是提前在设备程序中刻录密钥，另一种是在设备首次联网时向物联网平台请求设备密钥。此时，如果设备已经注册，相应的密钥将被发送到设备。所有设备有了密钥后，就相当于拿到了通行证，可以和物联网平台正常通信。
2)通信安全
主要指数据传输层面的安全管理，支持MQTT、HTTPS、CoAP数据传输通道，保证数据的机密性和完整性，支持设备权限管理机制，保证设备与云端的安全通信。支持设备级的通信资源隔离，防止设备越权。
3.消息通信
它包括三种消息传输方式:主设备向物联网平台发送数据，物联网平台向服务器/其他云产品传输数据，服务器远程控制设备。
设备管理主要定义设备是什么，消息通信主要解决信息传输机制:如何将物联网平台配置的设备信息传输到设备端、服务器端等云产品。这个机制中涉及到的一个非常重要的概念就是话题，通过话题的定义和使用来传递信息。
1)基于主题的上下行通信可以将设备端的数据发送到物联网平台，或者在服务器端实现对设备的远程控制。
MQTT协议用于设备与物联网平台之间的通信，这是一种基于主题的发布和订阅机制，所有的信息传递都是通过主题这个中介来完成的。
设备可以发布主题或订阅主题。设备发布时，实际上是设备发送数据的消息模式，设备订阅时，实际上是设备接收数据的消息模式。对于物联网设备来说，报告和接收是两种基本而重要的消息交互方式。那么如何定义题目呢？
定义主题有两种方式:一种是用户自定义的数据模式，另一种是使用对象模型建立的标准化数据模式。
主题的定义是基于产品功能的。产品功能确定后，如何将这些功能与设备通信联系起来是一个非常重要的问题。
这时候你就需要设定产品的主题了。选择产品功能后，您可以设置提交、接收、更新、删除等不同主题。根据你的需求。在产品级定义主题类后，该产品下的所有设备都将具有该主题的特征，设备可以使用该主题进行上行和下行通信。
2)基于服务器的订阅和云产品的流通，将物联网平台的数据传输到服务器/其他云产品的传输模式。
服务器可以直接订阅产品下的各种类型的消息:设备报告消息、设备状态变化通知、设备生命周期变化、设备拓扑变化等。
服务器端订阅配置完成后，物联网平台会将该产品下所有设备的订阅消息转发给服务器。利用物联网平台的数据流转功能，可以将话题中的数据报文转发到其他云产品进行存储或处理，称为云产品流转。
4.监控操作和维护
主要涉及设备监控和运维。
诊断:物联网平台提供在线设备数量、上下游消息数量、规则引擎消息循环次数、设备网络状态等指标数据的实时监控功能；OTA升级:如果应用程序在设备出厂后升级，可以通过OTA升级和管理服务远程升级程序；在线调试:在线调试主要用于程序开发阶段。一是设备端开发完成后，可以使用物联网平台的在线调试功能，从控制台向设备端发送指令进行功能测试；二是物联网为云应用开发和测试提供虚拟设备功能；日志服务:可将运行日志保存在云端或设备端进行故障查询，并将日志数据导出长期保存。启用日志转储后，支持在物联网控制台查询分析日志，并提供日志报告、报告订阅、告警通知等功能。
5.数据应用
它涉及到主要数据的存储、分析和应用。
数据备份:可以为海量数据提供分发和备份服务；数据分析:为开发者提供设备的智能分析，全链路涵盖设备数据生成、管理、清洗、分析、可视化等步骤。数据应用:可以结合第三方或者其他云产品解决不同的问题，比如将温湿度计的数据上报给钉钉机器人或者通过大数据平台搭建设备的大监控屏。
四。应用层
应用层是物联网的终极目标，主要是对设备采集的数据进行处理，从而为不同行业提供智能服务。
目前物联网涉及很多行业，如电力、物流、环保、农业、工业、城管、家居生活等。，但本质上，物联网服务主要有四种类型:
监测，如物流监测和污染监测等。；控制，如智能交通和智能家居等。；类型扫描，如手机钱包、高速公路收费等。；查询，如远程抄表、智能检索等。
图4:物联网应用层结构
应用层架构有三个主要组件:业务处理、数据库和客户端。
物联网的业务处理比较复杂，因为涉及到海量数据的整合，对不同行业的终端用户提出了很大的挑战。因此，目前市场上有专门的中间件，如云计算、数据挖掘、人工智能、信息融合等。，可供业界借鉴。这也在一定程度上刺激了物联网应用行业的繁荣。
数据库主要用于存储设备、用户、业务等相关数据。应用层会接触最终用户，所以会涉及到客户端的开发，这里就不赘述了。
物联网涉及的关键技术主要有云计算、数据挖掘和人工智能。下面简单介绍一下:
云计算具有强大的存储能力、处理能力、带宽和高性价比，可以为不同的物联网应用提供统一的服务。不同的技术服务商会开发一整套云计算资源，就像水和电一样，客户可以按需付费，你需要多少就买多少；数据挖掘是从大量不完整的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中挖掘隐藏的、未知的、对决策有潜在价值的数据的过程。数据挖掘主要基于人工智能、机器学习、模式识别、统计学等。它以高度的自动化对数据进行统计、分析、综合、归纳和推理，揭示事物之间的关系，预测未来的发展趋势，为决策者提供决策依据。人工智能是让各种机器模拟人类的一些思维过程和智能行为的探索和研究。该领域的研究包括机器人技术、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统。在物联网中，人工智能技术主要负责分析物品所携带的信息内容，从而实现计算机自动处理。写这篇文章的目的之一是总结我在物联网领域的产品知识，另一个最重要的目的是为那些对物联网产品设计感兴趣的人建立对物联网产品设计和实现的整体把握，让他们知道物联网各组成部分的主要内容和对应的关键节点。
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