この記事は、モノのインターネットの 4 層のアーキテクチャに基づいて、モノのインターネットの製品設計の観点からアーキテクチャの各層の機能と主な内容を解釈します。
インターネットを通じて、人々は人々の間で情報を転送したり交換したりできます。モノのインターネット、IoT、モノのインターネットとは、その名の通り、モノの間でも情報を伝達・交換できることを意味します。人のインターネットとモノのインターネットの最大の違いは、人とモノの違いに表れます。 。
人々は、データを受信して収集し、脳で処理してアイデアを形成し、最終的にネットワークを通じて送信して他者とコミュニケーションする目的を達成するために顔の特徴と皮膚を持っています。モノは人間に比べて、伝えるべき情報、つまりデータ収集の把握や情報を統合してコミュニケーション価値のある脳を形成することが不足しています。
モノのインターネットの分野では、人間の顔や皮膚に代わってデータを収集する情報収集技術と組み込みプログラムが特に重要です。
組み込みプログラムは主に脳の意思決定全体を置き換え、最終的に情報を出力します モノのインターネットは非常に早くから市場に登場しましたが、大きな影響力を生み出していないため、一般の人々はあまり注目していません。
しかし、過去 10 年間で、モノのインターネットは急速に発展し、2010 年に国家開発戦略としてリストされた国家政策の支援から恩恵を受けているだけでなく、モノのインターネットをサポートするテクノロジーからも恩恵を受けています。データ収集技術、マイクロプロセッサ、通信モジュール、通信ネットワーク、ビッグデータ、クラウドコンピューティングなどの技術は急速に発展しています。
モノのインターネットは再び大衆の視野に入り、大衆の注目と追求をうまく獲得し、次の波を引き起こすと期待されています。IoT テクノロジー システムは、認識層、ネットワーク層、プラットフォーム層、アプリケーション層の 4 つの層に分けることができます。各層が異なる責任を負うため、専任担当者に近い分業を行うことで、業務品質の向上と作業効率の向上を実現します。
図 1: モノのインターネットの 4 層アーキテクチャ
1. 知覚層
知覚層の主な機能は、人間の世界と物理的な世界の間の重要な橋渡しとなる物理世界からデータを収集することです。
知覚層のデータには主に 2 つのソースがあります。
1 つは、センサー、マルチメディア情報収集、GPS などの情報を積極的に収集および生成することです。このように、データを取得するには、対象オブジェクトを積極的に記録したり対話したりする必要があります。データを収集するプロセスがあり、情報はリアルタイムです。
例えば、スマート飲料水の分野では、流量センサーが使用され、ユーザーが水を飲んでいる限り、今度は流量センサーがすぐに飲料水の量を収集し、長期にわたるインタラクティブなデータ収集が行われます。プロセス。
もう 1 つは、RFID（Radio Frequency Identification）、IC カード識別技術、バーコード、二次元コード技術など、外部からの指示を受けて受動的に情報を保存する方法です。一般的には、事前に情報を保存し、その情報が保存されるのを待つ方法です。直接読まれます。
たとえば、一部のコミュニティで使用されている入退室管理カードには、IC カード識別技術が使用されており、まずユーザー情報が中央処理システムに入力され、ユーザーはドアに入るたびにカードを直接読み取ることができます。
2. ネットワーク層
ネットワーク層の主な機能は、情報を送信し、知覚層によって取得されたデータを指定された宛先に送信することです。
モノのインターネットの分野では、組み込みプログラムは人間の脳に相当し、情報収集が完了すると、脳は通信モジュールに指示を出し、その情報を誰かに送信します。選択した通信ネットワーク、および情報の送信にどのような通信メカニズムが使用されるか。
モノのインターネットの「ネット」という言葉には、実際にはアクセス ネットワークとインターネットという 2 つの部分が含まれています。
以前のインターネットは、人と人との間の情報のやり取りを開くだけで、物自体にはネットワーク機能がなかったため、人と物の間、または物と物の間のやり取りは開かれませんでした。
その後、デバイスアクセスネットワークと呼ばれる、モノとインターネットをネットワークに接続する技術が開発され、このネットワークを通じてモノとインターネットが接続され、人とモノ、モノとモノの間の情報のやり取りが実現し、利用可能性が飛躍的に向上しました。この境界は、ビッグデータ、クラウド コンピューティング、AI インテリジェンスなどの先進テクノロジーの適用を通じて、物理的世界と人間の世界の豊かさをさらに高めるのに役立ちます。
現在、ネットワークにアクセスするには主に 2 つの方法があり、1 つは有線ネットワーク アクセス、もう 1 つは無線ネットワーク アクセスです。
図 2: IoT ネットワーク構造
有線には主に Ethernet、シリアル通信 (RS-232、RS485 など)、USB が含まれます。
無線は近距離無線、近距離無線、長距離無線通信に分けられます。近距離無線通信には主にNFC、RFID、ICなどが含まれます。 近距離無線通信には主にWifi、ZigBee、Bluetoothなどが含まれます。 長距離無線通信には主にGSM（2G、3G、4G、5Gなど）が含まれます。 、eMTS、Lora、NB-IoTなど。
ネットワーク アクセス方式は数多くあるため、アプリケーション シナリオとデバイス自体の特性を考慮して、適切なアクセス方式を選択する必要があります。さまざまなアクセス ネットワークの特性については、次の表で詳しく説明します。
適切なネットワークを選択した後は、データ伝送のための物理的なベアラーパスを開くことに相当しますが、次に、どのようなメカニズムで情報を伝送するかを決定する必要があり、これには通信プロトコルが含まれます。
本質的に、通信プロトコルは一連のデータ伝送仕様であり、私たちが接する英語、ドイツ語、中国語などの類似言語と同じように、一定のルールで構成されており、物事間の通信を容易にします。
モノのインターネットのデバイス側のリソースは、処理能力が低い、ストレージ容量が少ない、ネットワーク通信量が少ない、ネットワークが不安定であるなど限られており、モノのインターネットやインターネットが提供するリソース環境は明らかに限られています。デバイス側は大きく異なります。
したがって、モノのインターネットをより適切に提供するために、インターネットの通信プロトコルが最適化され、現在広く使用されている 2 つのモノのインターネット通信プロトコル、MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) と CoAP (Constrained Application Protocol) が使用されています。 、 開発されています。
MQTT プロトコルは TCP プロトコルに基づいており、デバイスによって送信された情報を受信者が受信するかどうかを決定できます。MQTT プロトコルは長時間の接続を維持できるため、デバイスとクラウド間のリアルタイム通信が可能になるため、リアルタイム制御の対話シナリオにより適しています。
TCPプロトコルをベースとしているため、通信プロトコルは比較的複雑であり、デバイス側が複雑な仕組みを動作させたい場合には、ストレージ、コンピューティング、ネットワーク品質などの性能要件が必要となります。
CoAP プロトコルは UDP プロトコルをベースにしており、デバイスが送信したデータを受信側が確実に受信する仕組みと、デバイスが一度だけデータを送信してデータの有無に関係なく終了する仕組みの 2 つがあります。受信機が受信しました。
データ送信後にデバイスは休止状態に移行するため、消費電力が低いことがCoAPプロトコルの最大の特徴であり、電力メーターや水道メーターのデータのコピーなどのデータ収集用途に適しています。
UDPプロトコルをベースとしているため、通信プロトコルの複雑さは比較的単純であり、当然デバイス側の性能要件も低くなります。
3. プラットフォーム層
モノのインターネット プラットフォームは、デバイスに安全で信頼性の高い接続と通信機能を提供し、大規模なデバイスを下位に接続し、クラウドへのデータ レポートをサポートし、上向きにクラウド API を提供できます。サーバーはクラウド API を呼び出してデバイスに指示を送信し、リモートを実現します。コントロール。
IoTプラットフォームには主に、デバイスアクセス、デバイス管理、セキュリティ管理、メッセージ通信、監視運用保守、データアプリケーションが含まれます。
図 3: IoT 管理プラットフォームの基本アーキテクチャ
デバイス アクセスは主に、デバイスが IoT プラットフォームに接続して通信する方法を指し、主に次のような形で表されます。
デバイス側の開発: MQTT、CoAP、HTTP、HTTPS などの複数のプロトコル用のデバイス側 SDK 開発を提供し、さまざまなデバイスが簡単にアクセスできるようにします。
デバイスのネットワーク アクセス管理:セルラー (2G、3G、4G、5G)、NB-IoT、LoRaWAN、WI-FI などに基づいたさまざまなネットワーク アクセス ソリューションを提供します。
1. デバイス管理
これには主に、以下に示すように、機器の作成、保守、データ変換、データ同期、機器の配布などが含まれます。
1) オブジェクトモデル管理
モノのインターネットにおけるモノは物理世界の実体です。デジタルシステムを開発するには、この実体が存在しなければなりません。このとき、オフラインの実体をどうやってオンラインにするかという問題が生じます。
これがオブジェクト モデルの値です。オブジェクト モデルの一般的な説明は、物理世界のオブジェクトをデジタル世界の方法で表現し、デジタル世界のルールを使用して、オブジェクトが何であるか、またその動作を説明するというものであり、これが製品の機能です。私たちはよく聞きます。
モノのインターネット プラットフォームは、オブジェクト モデルを構築するさまざまな方法を提供し、さまざまなニーズに応じて適切なモデルを選択できます。
2) 設備のライフサイクル管理
主に、デバイスの作成、オンラインでのデバイスのログ記録、デバイスの無効化/有効化、削除などが含まれます。物理モデルが確立されると、製品のマスターを定義することになりますが、このとき製品の下にデバイスを作成することができ、そのデバイスが製品の機能も持つことになります。
3) データ分析
構成が低く、リソースやネットワーク トラフィックの要件が限られているデバイスの場合、IoT プラットフォームと通信するために JSON 形式を構築することは適していませんが、この時点では、元のデータは透過的に IoT プラットフォームに送信され、IoT プラットフォームに送信されます。元のデータのルールに従ってスクリプトを変換し、JSON 形式に変換できます。
4) デバイスシャドウ
ネットワークはモノのインターネットにおいて非常に重要なリンクです。デバイスがインターネットに接続されていない場合、デバイスとサーバー間の通信は中断され、両者は情報を交換できなくなります。この通常のジレンマを解決するために、IoT プラットフォーム上のデバイスごとにシャドウが作成されます。これには 2 つの主な機能があります。
1. デバイスのオフライン期間中にデバイス シャドウに保存されたサーバー命令は、デバイスがオンラインになったときにすぐに実行するためにデバイスに送信できます。
2. デバイスがオンラインの場合、デバイス データが変更されると、時間内にデバイス シャドウに同期されます。これにより、デバイスがオフラインのときにサーバーがデバイス データを要求できない状況を解決できます。
言い換えれば、デバイス シャドウにより、デバイスとサーバーが比較的タイムリーな対話型通信を維持できるようになり、少なくともサーバーはデバイスから比較的最新のデータを取得でき、サーバーは比較的タイムリーにデバイスに通知できます。どの命令を実行する必要があるか。
5) デバイストポロジー
IoT プラットフォームは、デバイスの直接接続をサポートするだけでなく、ゲートウェイに直接接続されるゲートウェイのサブデバイスとしてゲートウェイに搭載されるデバイスもサポートします。
ゲートウェイが直接接続されるシナリオには、主に、WI-FI ゲートウェイ、ZigBee ゲートウェイ、Bluetooth ゲートウェイなど、サブデバイスを直接接続できないシナリオや、トポロジ関係の管理が必要なシナリオが含まれます。デバイス トポロジ管理は、サブデバイス、サブデバイスとゲートウェイ間のトポロジ関係の管理、サブデバイスの監視と保守などに役立ちます。同時に、サーバーはサブデバイスにメッセージを直接送受信できます。
2. 安全管理
主に機器セキュリティ認証と通信セキュリティの2つの側面からIoTデータ伝送の安全性を保証します。
1) 設備安全認証
デバイスを IoT プラットフォームに接続する前に、デバイスのセキュリティを確保するために ID 認証が必要です。
現在、IoT プラットフォームは、デバイス キー、ID²、および X.509 証明書を使用した ID 認証をサポートしていますが、ここではデバイス キーのみを例として使用し、デバイス ID 認証の実装 (生成、取得、使用) を簡単に説明します。
IoT プラットフォーム上でデバイスを作成すると、デバイスにキーが発行されます。キーには、マシンごとに 1 つのシークレット、タイプごとに 1 つのシークレットなど、さまざまな種類があります。キーを生成した後、次の 2 つの方法があります。デバイス側にキーを置きます。
1 つは事前にデバイス側プログラムにキーを書き込む方法、もう 1 つはデバイスが初めてインターネットに接続するときに IoT プラットフォームからデバイス キーを要求する方法です。登録されると、対応するキーが機器に渡されます。デバイスがキーを取得すると、パスを取得したことと同じになり、IoT プラットフォームと正常に通信できるようになります。
2）通信安全
主にデータ伝送レベルでのセキュリティ管理を指し、MQTT、HTTPS、および CoAP データ伝送チャネルをサポートし、データの機密性と整合性を確保し、デバイス権限管理メカニズムをサポートし、デバイスとクラウド間の安全な通信を確保し、デバイス レベルの通信をサポートします。リソース (トピックなど) を隔離し、デバイスの不正アクセスなどの問題を防止します。
3. 消息通信
これには主に 3 つのメッセージ送信方法が含まれます。デバイスが IoT プラットフォームにデータを送信する方法、IoT プラットフォームがデータ フローをサーバー/他のクラウド製品に転送する方法、サーバーがデバイスをリモート制御する方法です。
デバイス管理は主にデバイスとは何かを定義し、メッセージ通信は主に情報送信メカニズム、つまりIoTプラットフォーム上で設定されたデバイス情報をデバイス、サーバー、その他のクラウド製品にどのように転送するかを解決します。このメカニズムに関係する非常に重要な概念はトピックです。トピックの定義と使用を通じて情報が送信されます。
1) トピックベースのアップリンクおよびダウンリンク通信により、デバイス側のデータを IoT プラットフォームに送信したり、サーバー側でデバイスのリモート制御を実現したりできます
デバイス側は、トピックベースの公開および購読メカニズムである MQTT プロトコルを使用して IoT プラットフォームと通信し、すべての情報送信はトピックの仲介を通じて完了します。
デバイスは特定のトピックを公開したり、特定のトピックをサブスクライブしたりできます。デバイスが公開する場合、実際にはデバイスがデータを送信するためのメッセージ モードになります。デバイスがサブスクライブする場合、実際にはデバイスがデータを受信するためのメッセージ モードになります。 IoT デバイスの場合、レポートと受信は 2 つの基本であり、重要なメッセージ対話モードでは、トピックをどのように定義するか?
トピックを定義するには 2 つの方法があります。1 つはカスタム データ スキーマで、もう 1 つはオブジェクト モデルを使用して確立された標準化されたデータ スキーマです。
トピックの定義は製品の機能に基づいて行われますが、製品の機能が決まった後、その機能とデバイスの通信をどのように結び付けるかが非常に重要な問題となります。
このとき、商品のテーマを設定する必要があります。製品機能を選択した後、ニーズに応じてレポート、受信、更新、削除などのさまざまなトピックを設定できます。テーマ クラスが製品レベルで定義されると、製品内のすべてのデバイスがテーマの特性を持つようになり、デバイスはアップリンクおよびダウンリンク通信にテーマを使用できるようになります。
2) サーバーの契約とクラウド製品の転送に基づいて、IoT プラットフォームのデータをサーバー/他のクラウド製品に送信する送信モード
サーバーは、製品のさまざまなタイプのメッセージ (デバイス レポート メッセージ、デバイス ステータス変更通知、デバイス ライフサイクル変更、デバイス トポロジ変更など) を直接サブスクライブできます。
サーバー サブスクリプションを構成すると、IoT プラットフォームは、製品内のすべてのデバイスのサブスクライブされたメッセージをサーバーに転送します。IoT プラットフォームのデータ転送機能を使用して、トピック内のデータ メッセージを他のクラウド製品に転送して保存または処理することができます、これがいわゆるクラウド プロダクト転送です。
4. O&Mのモニタリング
これには主に、機器の監視と運用保守の 2 つの部分が含まれます。
監視と診断:モノのインターネット プラットフォームは、オンライン デバイスの数、アップリンクおよびダウンリンク メッセージの数、ルール エンジンによって転送されたメッセージの数、デバイスのステータスなどのインデックス データのリアルタイム監視機能を提供します。通信網;
OTA アップグレード:デバイスのリリース後にアプリケーション プログラムのアップグレードが発生する場合、OTA アップグレードおよび管理サービスを通じてリモート アップグレード プログラムを実現できます。
オンラインデバッグ:オンラインデバッグは主にプログラム開発段階で使用され、まずデバイス側の開発が完了した後、IoTプラットフォームのオンラインデバッグ機能を使用して、コンソールからデバイス側に指示を送信して機能テストを行うことができます。 ; クラウド アプリケーションの開発およびテストのためのデバイス機能。
ログサービス：障害クエリなどの実行ログをクラウドまたはデバイス側に保存したり、ログデータをエクスポートして長期保存したりできます。ログ ダンプを有効にすると、IoT コンソールでのログのクエリと分析がサポートされ、ログ レポート、レポートのサブスクリプション、アラーム通知などの機能が提供されます。
5. データの適用
これには主にデータの保存、分析、アプリケーションが含まれます。
データのバックアップ:大量のデータの配布およびバックアップ サービスを提供できます。
データ分析:開発者に機器のインテリジェントな分析を提供し、リンク全体が機器データの生成、管理 (保管)、クリーニング、分析、視覚化のリンクをカバーします。
データ アプリケーション:サードパーティまたは他のクラウド製品と組み合わせて、温湿度計から DingTalk グループのロボットやビル設備にデータを報告して、ビッグ データ プラットフォームを通じて大画面を監視するなど、さまざまな問題を解決できます。
4. アプリケーション層
アプリケーション層はモノのインターネットの最終目標であり、主にデバイスによって収集されたデータを処理して、さまざまな業界にインテリジェントなサービスを提供することです。
現在、モノのインターネットには電力、物流、環境保護、農業、産業、都市管理、家庭生活などの多くの産業が関与していますが、モノのインターネット サービスには基本的に次の 4 種類があります。
監視タイプ：物流監視、汚染監視など。
インテリジェント交通機関、スマートホームなどの制御タイプ。
モバイルウォレット、高速道路のノンストップ料金徴収などのスキャンタイプ。
リモートメーター読み取り、インテリジェント検索などのクエリタイプ。
図 4: IoT アプリケーション層の構造
アプリケーション層のアーキテクチャは主に、ビジネス処理、データベース、クライアントの3 つのコンポーネントで構成されます。
モノのインターネットの業務処理は、膨大なデータの統合を伴うためより複雑であり、異なる業界のエンドユーザーにとって大きな課題となっていますが、インテリジェンスや情報融合などを業界関係者が利用できるため、業界の活性化も進んでいます。モノのインターネット アプリケーション業界はある程度繁栄します。
データベースは主に、機器、ユーザー、ビジネス、その他の関連データを保存するために使用されます。アプリケーション層はエンドユーザーと接触するため、クライアントの開発に関係するため、ここでは詳しく説明しません。
モノのインターネットに関連する主要なテクノロジーには、主にクラウド コンピューティング、データ マイニング、人工知能が含まれます。
クラウド コンピューティングは、強力なストレージ容量、処理能力、帯域幅、高いコスト パフォーマンスを備えており、さまざまなモノのインターネット アプリケーションに統合されたサービスを提供できます。さまざまなテクノロジー サービス プロバイダーがクラウド コンピューティング リソースの完全なセットを開発します。クラウド コンピューティング リソースは水や電気のようなもので、顧客はオンデマンドで支払い、必要なだけ購入できます。
データマイニングは、多数の不完全で、ノイズが多く、ファジーで、ランダムな実用的なアプリケーションデータから、意思決定のために隠れた未知の潜在的に貴重なデータをマイニングするプロセスです。データマイニングは主に人工知能、機械学習、パターン認識、統計などに基づいており、高度に自動化された統計、データの分析、合成、帰納および推論を行い、物事間の関係を明らかにし、将来の開発傾向を予測し、意思決定者に情報を提供します。意思決定の基礎。
人工知能は、人間の特定の思考プロセスや知的行動 (学習、推論、思考など) をさまざまな機械にシミュレートさせる探求と研究です。この分野の研究には、ロボット工学、音声認識、画像認識、自然言語処理、エキスパート システムなどが含まれます。モノのインターネットでは、人工知能技術は主に物品に含まれる情報内容を分析し、コンピューターの自動処理を実現します。