Este artigo é baseado na arquitetura de quatro camadas da Internet das Coisas e interpreta as funções e os principais conteúdos de cada camada da arquitetura a partir da perspectiva do design de produtos da Internet das Coisas.
Através da Internet, as pessoas podem transferir e trocar informações entre as pessoas. A Internet das Coisas, IoT, Internet das Coisas, como o nome indica, significa que as informações também podem ser transmitidas e trocadas entre as coisas. A maior diferença entre a Internet das Pessoas e a Internet das Coisas se reflete na diferença entre pessoas e coisas .
As pessoas têm características faciais e pele para receber e coletar dados, processá-los através do cérebro e, em seguida, formar ideias e, finalmente, transmiti-las através da rede para atingir o objetivo de se comunicar com outras pessoas. Em comparação com as pessoas, as coisas carecem da informação que precisa ser comunicada, ou seja, as coisas carecem da compreensão da coleta de dados e da integração da informação para formar um cérebro com valor de comunicação.
A tecnologia de coleta de informações e os programas incorporados são particularmente importantes no campo da Internet das Coisas. A tecnologia de coleta de informações substitui as características faciais humanas e a pele para a coleta de dados.
Os programas incorporados substituem principalmente toda a tomada de decisão do cérebro e, finalmente, produzem informações.A Internet das Coisas apareceu no mercado muito cedo, mas não produziu influência considerável, por isso o público não presta muita atenção a ela.
No entanto, nos últimos dez anos, a Internet das Coisas desenvolveu-se rapidamente, o que não só beneficia do apoio de políticas nacionais - foi listada como uma estratégia nacional de desenvolvimento em 2010, mas também beneficia das tecnologias de suporte da Internet das Coisas , como tecnologia de aquisição de dados, microprocessadores, módulos de comunicação, redes de comunicação, big data, computação em nuvem, etc. estão se desenvolvendo rapidamente.
A Internet das Coisas entrou mais uma vez no campo de visão do público e conquistou com sucesso a atenção e a busca do público, e espera-se que inicie a próxima onda. O sistema de tecnologia IoT pode ser dividido em quatro camadas: camada de percepção, camada de rede, camada de plataforma e camada de aplicação. Cada camada assume diferentes responsabilidades.Esse tipo de divisão de trabalho, que é semelhante a uma pessoa dedicada, pode melhorar a qualidade e a eficiência do trabalho.
Figura 1: Arquitetura de quatro camadas da Internet das Coisas
1. Camada perceptiva
A principal função da camada de percepção é coletar dados do mundo físico, que é uma ponte fundamental entre o mundo humano e o mundo físico.
Existem duas fontes principais de dados para a camada de percepção:
Uma delas é coletar e gerar informações ativamente, como sensores, coleta de informações multimídia, GPS, etc. Dessa forma, você precisa gravar ativamente ou interagir com o objeto de destino para obter os dados. a informação é em tempo real.
Por exemplo, no campo da água potável inteligente, será usado um sensor de fluxo. Enquanto o usuário beber água, o sensor de fluxo coletará imediatamente a quantidade de água potável desta vez. Isso envolverá uma coleta de dados interativa de longo prazo processo.
A outra é aceitar instruções externas para salvar informações passivamente, como identificação por radiofrequência (RFID), tecnologia de identificação de cartão IC, código de barras, tecnologia de código bidimensional etc. ser lida diretamente.
Por exemplo, os cartões de controle de acesso usados em algumas comunidades agora usam tecnologia de identificação de cartão IC. Primeiro, as informações do usuário são inseridas no sistema de processamento central e, em seguida, o usuário pode passar o cartão diretamente toda vez que entrar na porta.
2. Camada de rede
A principal função da camada de rede é transmitir informações e enviar os dados obtidos pela camada de percepção para o destino designado.
No campo da Internet das Coisas, o programa embarcado é equivalente ao cérebro humano. Após a conclusão da coleta de informações, o cérebro emitirá instruções para o módulo de comunicação enviar essas informações para alguém. A camada de rede envolverá que tipo de rede de comunicação que você escolher e qual mecanismo de comunicação é usado para transmitir suas informações.
A palavra "net" na Internet das Coisas na verdade inclui duas partes: rede de acesso e Internet.
A Internet anterior apenas abriu a interação de informações entre as pessoas, mas não abriu a interação entre pessoas e coisas ou entre coisas, porque as coisas em si não têm recursos de rede.
Mais tarde, foi desenvolvida a tecnologia de conectar coisas à rede, que chamamos de rede de acesso ao dispositivo. Por meio dessa rede, as coisas e a Internet podem ser conectadas para realizar a interação de informações entre pessoas e coisas e entre coisas e coisas, o que aumenta muito o potencial para troca de informações. O limite é mais propício para aumentar a riqueza do mundo físico e humano por meio da aplicação de tecnologias avançadas, como big data, computação em nuvem e inteligência artificial.
Atualmente, existem basicamente duas formas de acesso à rede, uma é o acesso à rede com fio e a outra é o acesso à rede sem fio.
Figura 2: Estrutura da rede IoT
Com fio inclui principalmente Ethernet, comunicação serial (RS-232, RS485, etc.) e USB.
A comunicação sem fio é dividida em comunicação sem fio de curta distância, sem fio de curta distância e comunicação sem fio de longa distância. A comunicação sem fio de curta distância inclui principalmente NFC, RFID, IC, etc. A comunicação sem fio de curta distância inclui principalmente Wifi, ZigBee, Bluetooth, etc. A comunicação sem fio de longa distância inclui principalmente GSM (2G, 3G, 4G, 5G, etc.) , eMTS, Lora, NB- IoT etc.
Diante de inúmeros métodos de acesso à rede, é preciso considerar os cenários de aplicação e as características do próprio dispositivo para escolher um método de acesso adequado.As características das várias redes de acesso estão detalhadas na tabela abaixo.
Depois de selecionar uma rede adequada, equivale a abrir o caminho do portador físico para transmissão de dados, agora é preciso determinar qual mecanismo transmitir informações, o que envolve protocolos de comunicação.
Em essência, um protocolo de comunicação é um conjunto de especificações de transmissão de dados, assim como o inglês, alemão, chinês e outros idiomas semelhantes com os quais entramos em contato, é composto de certas regras e é fácil de se comunicar entre as coisas.
Os recursos do lado do dispositivo da Internet das Coisas são limitados, como baixo poder de processamento, pequena capacidade de armazenamento, pequeno volume de transmissão de rede e rede instável. É óbvio que o ambiente de recursos fornecido pela Internet das Coisas e pela Internet em o lado do dispositivo é muito diferente.
Portanto, para melhor atender a Internet das Coisas, o protocolo de comunicação da Internet foi otimizado, e dois protocolos de comunicação da Internet das Coisas, MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) e CoAP (Constained Application Protocol), que atualmente são amplamente utilizados , foi desenvolvido.
O protocolo MQTT é baseado no protocolo TCP, e pode-se determinar que o receptor receberá as informações enviadas pelo dispositivo. O protocolo MQTT pode manter uma conexão longa, o que permite a comunicação em tempo real entre o dispositivo e a nuvem, por isso é mais adequado para cenários de interação de controle em tempo real.
Por ser baseado no protocolo TCP, seu protocolo de comunicação é relativamente complicado.Se o lado do dispositivo deseja executar um mecanismo complexo, ele precisa ter alguns requisitos de desempenho, como armazenamento, computação e qualidade da rede.
O protocolo CoAP é baseado no protocolo UDP, e existem dois mecanismos de transmissão de dados: um é que o receptor receberá definitivamente os dados enviados pelo dispositivo e o outro é que o dispositivo envia os dados apenas uma vez e termina independentemente se o receptor o recebeu.
O dispositivo entra no estado inativo após o envio dos dados, portanto, o baixo consumo de energia é a maior característica do protocolo CoAP, sendo mais adequado para ocasiões de coleta de dados, como cópia de dados de medidores elétricos e hidrômetros.
Por ser baseado no protocolo UDP, a complexidade de seu protocolo de comunicação é relativamente simples e, naturalmente, os requisitos de desempenho do lado do dispositivo serão menores.
3. Camada de plataforma
A plataforma da Internet das Coisas pode fornecer recursos de conexão e comunicação seguros e confiáveis para dispositivos, conectar dispositivos massivos para baixo, oferecer suporte a relatórios de dados para a nuvem e fornecer APIs de nuvem para cima. O servidor envia instruções para o dispositivo chamando a API de nuvem para realizar remotamente ao controle.
A plataforma IoT inclui principalmente acesso a dispositivos, gerenciamento de dispositivos, gerenciamento de segurança, comunicação de mensagens, operação e manutenção de monitoramento e aplicativos de dados.
Figura 3: Arquitetura básica da plataforma de gerenciamento de IoT
O acesso ao dispositivo refere-se principalmente a como o dispositivo se conecta e se comunica com a plataforma IoT, principalmente manifestado em:
Desenvolvimento do lado do dispositivo: Forneça desenvolvimento de SDK do lado do dispositivo para vários protocolos, como MQTT, CoAP, HTTP, HTTPS, etc., para ajudar diferentes dispositivos a acessar facilmente
Gerenciamento de acesso à rede do dispositivo: Forneça diferentes soluções de acesso à rede com base em celular (2G, 3G, 4G, 5G), NB-IoT, LoRaWAN, WI-FI, etc.
1. Gerenciamento de dispositivos
Inclui principalmente a criação de equipamentos, manutenção, conversão de dados, sincronização de dados, distribuição de equipamentos, etc., conforme mostrado em:
1) Gerenciamento de modelo de objeto
As coisas na Internet das Coisas são entidades do mundo físico. Se queremos desenvolver um sistema digital, esta entidade não pode faltar. Nesta altura, colocar-se-á um problema: como transformar entidades offline em online?
E este é o valor do modelo de objeto. A explicação popular do modelo de objeto é representar os objetos no mundo físico da maneira do mundo digital e usar as regras do mundo digital para descrever o que o objeto é e o que ele faz. Essa é a função do produto muitas vezes ouvimos.
A plataforma Internet of Things fornecerá uma variedade de maneiras de construir modelos de objetos, e podemos escolher o modelo apropriado de acordo com diferentes necessidades.
2) Gerenciamento do ciclo de vida do equipamento
Envolve principalmente a criação de dispositivos, registro de dispositivos on-line, desativação/ativação, exclusão de dispositivos, etc. Depois de estabelecido o modelo físico, equivale a definir o mestre do produto, neste momento podemos criar um dispositivo sob o produto, e o dispositivo também terá as funções do produto.
3) Análise de dados
Para dispositivos com baixa configuração e recursos ou requisitos limitados para tráfego de rede, não é adequado construir um formato JSON para se comunicar com a plataforma IoT. Neste momento, os dados originais podem ser transmitidos de forma transparente para a plataforma IoT e a plataforma IoT pode converter o script de acordo com os dados originais.regras para convertê-lo para o formato JSON.
4) Sombra do dispositivo
A rede é um elo muito importante na Internet das Coisas. Se o dispositivo não estiver conectado à Internet, a comunicação entre o dispositivo e o servidor será interrompida e as duas partes não poderão trocar informações. Para resolver este dilema normal, é criada uma sombra para cada dispositivo na plataforma IoT, que tem duas funções principais:
1. As instruções do servidor armazenadas na sombra do dispositivo durante o período off-line do dispositivo podem ser enviadas ao dispositivo para execução imediatamente quando o dispositivo estiver on-line;
2. Quando o dispositivo estiver online, se os dados do dispositivo mudarem, ele será sincronizado com a sombra do dispositivo no tempo, o que pode resolver a situação em que o servidor não pode solicitar os dados do dispositivo quando o dispositivo estiver offline.
Em outras palavras, até certo ponto, a sombra do dispositivo pode permitir que o dispositivo e o servidor mantenham uma comunicação interativa relativamente oportuna. Pelo menos o servidor pode obter os dados relativamente mais recentes do dispositivo e o servidor pode informar o dispositivo em um tempo relativamente maneira. Quais instruções precisam ser executadas.
5) Topologia do dispositivo
A plataforma IoT suporta conexão direta de dispositivos e também suporta dispositivos montados no gateway como subdispositivos do gateway, que são conectados diretamente pelo gateway.
Os cenários em que o gateway está conectado diretamente incluem principalmente cenários em que os subdispositivos não podem ser conectados diretamente ou o gerenciamento de relacionamento de topologia é necessário, como gateways WI-FI, gateways ZigBee e gateways Bluetooth. O gerenciamento de topologia de dispositivo pode ajudar a gerenciar subdispositivos, o relacionamento de topologia entre subdispositivos e gateways, monitorar e manter subdispositivos, etc. Ao mesmo tempo, o servidor pode enviar e receber mensagens diretamente para subdispositivos.
2. Gerenciamento de segurança
Garante principalmente a segurança da transmissão de dados IoT de dois aspectos da autenticação de segurança do equipamento e segurança da comunicação.
1) Certificação de segurança do equipamento
Antes que o dispositivo seja conectado à plataforma IoT, a autenticação de identidade é necessária para garantir a segurança do dispositivo.
Atualmente, a plataforma IoT oferece suporte à autenticação de identidade usando chaves de dispositivo, ID² e certificados X.509. Aqui, apenas as chaves de dispositivo são usadas como exemplo para descrever brevemente a implementação da autenticação de identidade de dispositivo (geração, aquisição e uso).
Ao criar um dispositivo na plataforma IoT, uma chave será emitida para o dispositivo. Existem vários tipos de chaves, como um segredo por máquina, um segredo por tipo etc. Após a geração da chave, existem duas maneiras de coloque a chave no final do dispositivo:
Uma é gravar a chave no programa do lado do dispositivo com antecedência e a outra é solicitar a chave do dispositivo da plataforma IoT quando o dispositivo for conectado à Internet pela primeira vez. Nesse momento, se o dispositivo tiver sido registrado, a chave correspondente será passada para o equipamento. Depois que o dispositivo tiver a chave, é equivalente a obter um passe e pode se comunicar com a plataforma IoT normalmente.
2) Segurança da comunicação
Refere-se principalmente ao gerenciamento de segurança no nível de transmissão de dados, suporta canais de transmissão de dados MQTT, HTTPS e CoAP, garante confidencialidade e integridade de dados, suporta mecanismos de gerenciamento de autoridade de dispositivo e garante comunicação segura entre dispositivos e a nuvem; suporta comunicação em nível de dispositivo recursos (Tópico etc.) para isolar e prevenir problemas como acesso não autorizado ao dispositivo.
3. Boletim
Inclui principalmente três métodos de transmissão de mensagens: o dispositivo envia dados para a plataforma IoT, a plataforma IoT transfere o fluxo de dados para o servidor/outros produtos em nuvem e o servidor controla remotamente o dispositivo.
O gerenciamento de dispositivos define principalmente o que é um dispositivo e a comunicação de mensagens resolve principalmente o mecanismo de transmissão de informações: como transferir as informações do dispositivo configuradas na plataforma IoT para o dispositivo, servidor e outros produtos em nuvem. Um conceito muito importante envolvido nesse mecanismo é o Topic, que transmite informações por meio da definição e uso de Topic.
1) A comunicação de uplink e downlink baseada em tópicos pode enviar dados do lado do dispositivo para a plataforma IoT ou realizar o controle remoto de dispositivos do lado do servidor
O lado do dispositivo se comunica com a plataforma IoT usando o protocolo MQTT, que é um mecanismo de publicação e assinatura baseado em tópicos, e toda a transmissão de informações é concluída por meio do tópico.
Um dispositivo pode publicar um determinado tópico ou se inscrever em um determinado tópico. Se um dispositivo publicar, é na verdade o modo de mensagem para o dispositivo enviar dados. Se o dispositivo se inscrever, é na verdade o modo de mensagem para o dispositivo receber dados. Para dispositivos IoT, reportar e receber são duas coisas básicas E o importante modo de interação da mensagem, como definir o tópico?
Há duas maneiras de definir um tópico: uma é um esquema de dados customizado e a outra é um esquema de dados padronizado estabelecido usando o modelo de objeto.
A definição de um tópico é baseada nas funções do produto.Depois que as funções do produto são determinadas, como associar essas funções à comunicação do dispositivo é uma questão muito importante.
Neste momento, é necessário definir o tema do produto. Depois de selecionar a função do produto, você pode definir diferentes tópicos, como relatórios, recebimento, atualização, exclusão, etc., de acordo com suas necessidades. Após a classe do tema ser definida no nível do produto, todos os dispositivos sob o produto terão as características do tema e os dispositivos poderão usar o tema para comunicação de uplink e downlink.
2) O modo de transmissão de dados da plataforma IoT para o servidor/outros produtos em nuvem com base na assinatura do servidor e na transferência do produto em nuvem
O servidor pode se inscrever diretamente em vários tipos de mensagens no produto: mensagens de relatório do dispositivo, notificações de alteração de status do dispositivo, alterações no ciclo de vida do dispositivo, alterações na topologia do dispositivo, etc.
Depois de configurar a assinatura do servidor, a plataforma IoT encaminhará as mensagens assinadas de todos os dispositivos sob o produto para o servidor. Usando a função de transferência de dados da plataforma IoT, as mensagens de dados no Tópico podem ser encaminhadas para outros produtos em nuvem para armazenamento ou processamento. Esta é a chamada transferência de produto em nuvem.
4. Monitoramento de O&M
Envolve principalmente duas partes: monitoramento de equipamentos e operação e manutenção.
Monitoramento e diagnóstico: A plataforma da Internet das Coisas fornece funções de monitoramento em tempo real de dados de índice, como o número de dispositivos online, o número de mensagens de uplink e downlink, o número de mensagens transferidas pelo mecanismo de regras e o status do dispositivo rede;
Atualização OTA: Se a atualização do programa aplicativo ocorrer após o lançamento do dispositivo, o programa de atualização remota pode ser realizado por meio do serviço de atualização e gerenciamento OTA;
Depuração online: A depuração online é usada principalmente no estágio de desenvolvimento do programa. Primeiro, após a conclusão do desenvolvimento do lado do dispositivo, a função de depuração online da plataforma IoT pode ser usada para enviar instruções do console para o lado do dispositivo para testes funcionais ;Funções do dispositivo para desenvolvimento e teste de aplicativos em nuvem;
Serviço de log: pode salvar os logs em execução na nuvem ou no lado do dispositivo para consulta de falhas, etc., e pode exportar e armazenar os dados de log para armazenamento de longo prazo. Depois que o despejo de log é ativado, ele oferece suporte à consulta e análise de logs no console IoT e fornece funções como relatórios de log, assinaturas de relatórios e notificações de alarme.
5. Aplicação de dados
Envolve principalmente armazenamento de dados, análise e aplicação.
Backup de dados: pode fornecer serviços de distribuição e backup para dados massivos;
Análise de dados: Forneça aos desenvolvedores uma análise inteligente do equipamento, e todo o link abrange os links de geração de dados do equipamento, gerenciamento (armazenamento), limpeza, análise e visualização;
Aplicação de dados: Pode ser combinado com produtos de nuvem de terceiros ou outros para resolver diferentes problemas, como relatar dados de medidores de temperatura e umidade para robôs do grupo DingTalk ou equipamentos prediais para monitorar telas grandes por meio de plataformas de big data.
4. Camada de aplicação
A camada de aplicação é o objetivo final da Internet das Coisas, que é principalmente processar os dados coletados pelo dispositivo, de forma a fornecer serviços inteligentes para diferentes indústrias.
Atualmente, a Internet das Coisas envolve muitas indústrias, como energia elétrica, logística, proteção ambiental, agricultura, indústria, gestão urbana, vida doméstica, etc., mas essencialmente existem quatro tipos de serviços da Internet das Coisas:
Tipo de monitoramento , como monitoramento de logística, monitoramento de poluição, etc.;
Tipo de controle , como transporte inteligente, casa inteligente, etc.;
Tipo de digitalização , como carteira móvel, cobrança de pedágio sem parar, etc.;
Tipo de consulta , como leitura remota do medidor, recuperação inteligente, etc.
Figura 4: estrutura da camada de aplicativo IoT
A arquitetura da camada de aplicação tem principalmente três componentes: processamento de negócios, banco de dados e cliente .
O processamento de negócios da Internet das Coisas é mais complicado porque envolve a integração de dados massivos, o que impõe grandes desafios aos usuários finais em diferentes setores. Inteligência, fusão de informações etc. prosperidade da indústria de aplicativos da Internet das Coisas até certo ponto.
O banco de dados é usado principalmente para armazenar equipamentos, usuários, negócios e outros dados relacionados. A camada de aplicação vai entrar em contato com os usuários finais, então vai envolver o desenvolvimento do cliente, então não vou entrar em detalhes aqui.
As principais tecnologias envolvidas na Internet das Coisas incluem principalmente computação em nuvem, mineração de dados e inteligência artificial. Aqui está uma breve introdução:
A computação em nuvem possui poderosa capacidade de armazenamento, capacidade de processamento, largura de banda e desempenho de alto custo, e pode fornecer serviços unificados para diferentes aplicativos da Internet das Coisas. Diferentes provedores de serviços de tecnologia desenvolverão um conjunto completo de recursos de computação em nuvem, que são como água e eletricidade, os clientes podem pagar sob demanda e você pode comprar o quanto precisar;
A mineração de dados é o processo de mineração de dados ocultos, desconhecidos e potencialmente valiosos para a tomada de decisões a partir de um grande número de dados de aplicativos práticos incompletos, ruidosos, difusos e aleatórios. A mineração de dados é baseada principalmente em inteligência artificial, aprendizado de máquina, reconhecimento de padrões, estatísticas, etc., estatísticas altamente automatizadas, análise, síntese, indução e raciocínio de dados, revelando a relação entre as coisas, prevendo tendências futuras de desenvolvimento e fornecendo aos tomadores de decisão base de decisão;
A inteligência artificial é a exploração e pesquisa de fazer com que várias máquinas simulem certos processos de pensamento humano e comportamentos inteligentes (como aprendizado, raciocínio, pensamento, etc.). A pesquisa nesta área inclui robótica, reconhecimento de fala, reconhecimento de imagem, processamento de linguagem natural e sistemas especialistas, entre outros. Na Internet das Coisas, a tecnologia de inteligência artificial é a principal responsável por analisar o conteúdo das informações transportadas pelos itens, de modo a realizar o processamento automático do computador.