Linguagem recomendada: Este é um livro que explica o desenvolvimento de sistemas IoT a partir de quatro dimensões: princípios técnicos, práticas de engenharia, padrões de design e melhores práticas. É um resumo dos mais de 10 anos de experiência prática do autor.
Fu Qiang, cofundador e CTO de uma empresa comunitária inteligente, especialista técnico sênior em IoT, tem mais de 10 anos de experiência na indústria, com foco no design e desenvolvimento de plataformas e produtos de IoT, e está muito familiarizado com vários Protocolos IoT e arquiteturas e desenvolvimento de sistemas IoT.
1. O que é a Internet das Coisas?
O conceito de Internet das Coisas (Internet das Coisas) deve ser familiar aos leitores. O conceito de Internet das Coisas foi proposto pela primeira vez em 1999. Já foi chamada de terceira onda de desenvolvimento da indústria da informação mundial, depois dos computadores e da Internet, e vem sendo desenvolvida há mais de 20 anos. Hoje em dia, no nosso dia a dia, já podemos entrar em contacto com muitos produtos IoT, como vários eletrodomésticos inteligentes, fechaduras inteligentes, etc.
A definição mais antiga de Internet das Coisas é: conectar todos os itens à Internet por meio de identificação por radiofrequência e outros dispositivos sensores de informações para realizar identificação e gerenciamento inteligentes. É claro que, com o desenvolvimento da Internet das Coisas hoje, sua definição e escopo se expandiram e mudaram. A seguir estão as características da Internet das Coisas moderna.
1.1 A Internet das Coisas também é a Internet
A Internet das Coisas, a Internet das Coisas, faz parte da Internet. A Internet das Coisas utiliza a infraestrutura da Internet como portadora de transmissão de informações, ou seja, os produtos modernos da Internet das Coisas devem ser "coisas" conectadas à Internet de alguma forma, e as "coisas" carregam/baixam dados e interagem com as pessoas através do Internet.
Veja um exemplo de partida remota de um carro por meio de um aplicativo móvel. Quando o usuário conclui a operação de inicialização por meio do aplicativo, o comando é enviado do celular conectado à Internet para a plataforma em nuvem. O computador final do carro executa o comando de inicialização e retorna o resultado da execução para a plataforma em nuvem; ao mesmo tempo, a operação do usuário é registrada na nuvem, e o usuário pode consultar o histórico de registros de desbloqueio remoto do aplicativo a qualquer momento.
Este é um cenário típico de IoT, que é um tipo de aplicação de Internet. As "coisas" estão conectadas à Internet e os dados e informações interagem através da Internet. Ao mesmo tempo, os dados são coletados na nuvem como outras aplicações da Internet.
1.2 O corpo principal da Internet das Coisas são as "coisas"
Conforme mencionado acima, a aplicação moderna da Internet das Coisas é uma espécie de aplicação da Internet, mas há outra grande diferença entre a aplicação da Internet das Coisas e a aplicação tradicional da Internet, ou seja, o corpo principal dos dados tradicionais de produção e consumo da Internet são as pessoas , enquanto os dados de produção e consumo da Internet das Coisas modernas O assunto é a coisa.
No cenário de aplicação da moderna Internet das Coisas, o produtor de dados são “coisas”, como dispositivos inteligentes ou sensores, e os consumidores de dados são muitas vezes “coisas”.
Na aplicação da agricultura inteligente, o sensor de temperatura na sala de incubação carrega periodicamente a temperatura da sala de incubação para o centro de controle. Quando a temperatura for inferior a um determinado limite, a central ligará remotamente o equipamento de aquecimento de acordo com as regras predefinidas. Nesse cenário, o produtor dos dados é o sensor de temperatura e o consumidor dos dados é o dispositivo de aquecimento. Ambos são "coisas" e as pessoas não participam diretamente disso.
A maior diferença entre a Internet das Coisas e a Internet tradicional: os produtores e consumidores de dados são principalmente coisas, e o conteúdo dos dados também está intimamente relacionado com “coisas”.
1.3 IoT e IA
A inteligência artificial pode ser descrita como uma das palavras mais quentes na área de TI nos últimos anos. Olhando para a rota de desenvolvimento da inteligência artificial, podemos ver que existem duas razões principais pelas quais o desenvolvimento da inteligência artificial pode avançar aos trancos e barrancos.
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O desenvolvimento de hardware encurtou rapidamente o tempo de aprendizagem das redes neurais de aprendizagem profunda.
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Na era do big data, o custo de obtenção de grandes quantidades de dados torna-se menor.
Na verdade, a segunda razão é particularmente importante. Devido às suas características, as redes neurais requerem grandes quantidades de dados para aprendizagem. A quantidade de dados efetivos disponíveis para aprendizagem muitas vezes determina o efeito da rede neural treinada final e até mesmo a importância dos algoritmos. pode ser classificado de acordo com a quantidade de dados.
Dispositivos IoT, como eletrodomésticos inteligentes e dispositivos vestíveis, geram grandes quantidades de dados todos os dias. Após processamento e limpeza, esses dados podem ser usados como bons dados de treinamento para realimentar a rede neural. Ao mesmo tempo, a rede neural treinada pode ser reaplicada a dispositivos IoT, formando um círculo virtuoso.
A Figura 1-1 mostra o ciclo de coleta-iteração de dados usando métodos de inteligência artificial na Internet das Coisas. Colete e treine dados por meio de dispositivos IoT. Após o treinamento no data center, aplique o modelo aos dispositivos IoT e avalie o efeito para a próxima iteração.
A Internet das Coisas é um cenário de aplicação muito bom para o pouso da inteligência artificial. Com o rápido desenvolvimento da inteligência artificial, a teoria e a tecnologia da Internet das Coisas, que também foi proposta há muitos anos, também darão início a uma nova primavera.
Actualmente, os portais de dados da Internet estão gradualmente a convergir para vários gigantes (como Ali e Tencent), e o custo de obtenção de dados para pequenas empresas está a aumentar cada vez mais.A Internet das Coisas, um campo de dados que ainda não foi totalmente desenvolvido , é particularmente importante .
Esta é também a razão pela qual este livro se concentra no desenvolvimento da plataforma Internet das Coisas e ignora o desenvolvimento de equipamentos front-end, porque o equipamento front-end acabará por tender a ser o mesmo, e haverá concorrência homogênea, e Como coletar e utilizar os enormes dados gerados pelos equipamentos é a chave para você ser determinante de vantagem competitiva.
1.4 Situação Atual e Perspectivas da Internet das Coisas
Com o advento da era 5G, o desenvolvimento da Internet das Coisas será muito rápido. Ao mesmo tempo, novos financiamentos no sentido da Internet das Coisas também têm aumentado. Vamos falar sobre as perspectivas de desenvolvimento da indústria da Internet das Coisas do ponto de vista dos cenários de aplicação.
Os cenários de aplicação da Internet das Coisas são muito extensos, incluindo:
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Cidade inteligente
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edifício inteligente
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Internet de Veículos
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Comunidade inteligente
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lar inteligente
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Medicina inteligente
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Internet Industrial das Coisas
Em diferentes cenários, as aplicações IoT são muito diferentes e a heterogeneidade de terminais e arquiteturas de rede é forte, o que significa que existem segmentos de mercado suficientes na indústria IoT, tornando difícil para uma empresa ter uma forte participação de mercado. , e como o mercado é suficientemente grande, um número suficiente de empresas pode sobreviver. Este tipo de situação não é comum na indústria da Internet. O efeito principal da indústria da Internet é muito óbvio e a maior parte da quota de mercado é frequentemente ocupada por duas ou três empresas líderes.
O modelo da Internet das Coisas é mais “pesado” que o modelo da Internet. A aplicação da Internet das Coisas é sempre acompanhada de dispositivos front-end, o que significa que os custos de troca para os usuários são relativamente altos, afinal, remover e reinstalar dispositivos é muito mais complicado do que baixar novamente um aplicativo com os dedos. Isto também significa que a força motriz do capital é relativamente mais fraca na indústria da Internet das Coisas. Se você obtiver a vantagem de ser o pioneiro, então o retardatário pagará um preço muito mais alto do que na indústria da Internet se quiser alcançá-lo ou expulsá-lo do mercado apenas com o poder do capital.
Portanto, a indústria da Internet das Coisas ainda é um oceano azul, e as pequenas empresas são plenamente capazes de competir com as grandes empresas nesta indústria. Depois que o calor da IA e do blockchain esfriar, a Internet das Coisas provavelmente se tornará a próxima saída. Como programador, é muito necessário preparar antecipadamente algumas reservas de conhecimento antes que o vento sopre.
2. Protocolos IoT comuns
2.1 Protocolo MQTT
O protocolo MQTT (Message Queue Telemetry Transport) foi desenvolvido por Andy Stanford-Clark da IBM e Arlen Nipper da Arcom em 1999 para um projeto para conectar oleodutos através de uma rede de satélites. Para atender aos requisitos de baixo consumo de energia e baixa largura de banda da rede, o protocolo MQTT inclui os seguintes recursos no início de seu design:
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fácil de implementar
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Fornece QoS para transmissão de dados
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Uso leve e baixo de largura de banda
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Qualquer tipo de dados pode ser transferido
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Sessão retido (Sessão)
À medida que evoluiu ao longo dos anos, o foco do protocolo MQTT não está mais apenas nos sistemas embarcados, mas no mundo mais amplo da IoT.
Resumindo, o protocolo MQTT possui as seguintes características:
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Protocolo da camada de aplicação baseado no protocolo TCP
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Usando arquitetura C/S
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Use o modo assinar/publicar para dissociar o remetente e o destinatário da mensagem
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Fornece 3 tipos de QoS (Qualidade de Serviço): no máximo uma vez, pelo menos uma vez, apenas uma vez
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O envio e o recebimento de mensagens são assíncronos, o remetente não precisa esperar a resposta do destinatário
A arquitetura do protocolo MQTT consiste em um Broker e vários Clientes conectados ao Broker, conforme mostrado na Figura 2-1.
O protocolo MQTT pode fornecer garantia de comunicação para um grande número de dispositivos IoT com baixo consumo de energia e ambiente de rede de trabalho não confiável. E também tem grandes conquistas no campo da Internet móvel.A função push de muitos aplicativos Android é baseada no protocolo MQTT, e algumas implementações de IM também são baseadas no protocolo MQTT.
2.2 Protocolo MQTT-SN
O protocolo MQTT-SN (MQTT para Rede de Sensores) é a versão do sensor do protocolo MQTT. Embora o protocolo MQTT seja um protocolo leve da camada de aplicação, o protocolo MQTT é executado no topo da pilha de protocolos TCP. O protocolo TCP não é adequado para alguns dispositivos com poder e potência de computação muito limitados, como sensores.
O MQTT-SN é executado no protocolo UDP, mantendo a maior parte da sinalização e dos recursos do protocolo MQTT, como assinatura e publicação. O protocolo MQTT-SN introduz a função do gateway MQTT-SN, que é responsável por converter o protocolo MQTT-SN no protocolo MQTT e se comunicar com o Broker MQTT remoto. O protocolo MQTT-SN oferece suporte à descoberta automática de gateways. O modelo de comunicação do protocolo MQTT-SN é mostrado na Figura 2-2.
2.3 Protocolo CoAP
O protocolo CoAP (Constrained Application Protocol) é um protocolo executado em dispositivos com recursos limitados. O protocolo CoAP geralmente também é executado no protocolo UDP.
O protocolo CoAP foi projetado para ser muito compacto e o menor pacote de dados tem apenas 4 bytes. O protocolo CoAP adota a arquitetura C/S e utiliza um modo de interação solicitação-resposta semelhante ao protocolo HTTP. O dispositivo pode identificar uma entidade por meio de uma URL semelhante a coap://192.168.1.150:5683/2ndfloor/temperature e usar comandos de solicitação PUT, GET, POST e DELET semelhantes a HTTP para obter ou modificar o estado dessa entidade.
Ao mesmo tempo, o CoAP fornece um modo de observação, e o observador pode especificar o objeto da entidade observada para o servidor CoAP por meio do comando OBSERVE. Quando o estado do objeto entidade muda, o observador pode receber o estado mais recente do objeto entidade, semelhante à função de assinatura no protocolo MQTT. A Figura 2-3 mostra o modelo de comunicação do protocolo CoAP.
2.4 Protocolo LwM2M
O protocolo LwM2M (Lightweight Machine-To-Machine) é um conjunto de protocolos leves para a Internet das Coisas definido pela Open Mobile Alliance (OMA). Ele usa uma interface RESTful para fornecer acesso a dispositivos, funções de gerenciamento e comunicação, e também é adequado para dispositivos com recursos relativamente limitados. A arquitetura do protocolo LwM2M é mostrada na Figura 2-4.
A camada subjacente do protocolo LwM2M usa o protocolo CoAP para transmitir dados e sinalização. Na arquitetura do protocolo LwM2M, o protocolo CoAP pode rodar em UDP ou SMS (mensagem curta), e implementar transmissão segura de dados através de DTLS (Datagram Transport Layer Security).
A arquitetura do protocolo LwM2M inclui principalmente três entidades – LwM2M Bootstrap Server, LwM2M Server e LwM2M Client.
O LwM2M Bootstrap Server é responsável por orientar o Cliente LwM2M para se registrar e se conectar ao Servidor LwM2M, e então o Servidor LwM2M e o Cliente LwM2M podem interagir através da interface especificada pelo protocolo.
2.5 Protocolo HTTP
Como dissemos antes, a Internet das Coisas também é a Internet, e o HTTP, um protocolo amplamente utilizado na Internet, também pode ser aplicado à Internet das Coisas num ambiente adequado. Em alguns dispositivos com recursos computacionais e de hardware abundantes, como dispositivos que executam o sistema operacional Android, você pode usar o protocolo HTTP para fazer upload e download de dados, assim como no desenvolvimento de aplicativos móveis. O dispositivo também pode receber dados ativamente do servidor usando WebSocket executado no protocolo HTTP.
2.6 Protocolo LoRaWAN
O protocolo LoRaWAN é um protocolo de rede de área ampla de baixo consumo proposto e promovido pela LoRa Alliance. É diferente dos vários protocolos que introduzimos anteriormente. Tanto o protocolo MQTT quanto o protocolo CoAP são executados na camada de aplicação, a camada inferior usa o protocolo TCP ou UDP para transmissão de dados e toda a pilha de protocolos é executada na rede IP. O protocolo LoRaWAN é um protocolo de camada física/camada de enlace de dados, que resolve o problema de como os dispositivos acessam a Internet e não funciona em uma rede IP.
LoRa (Long Range) é uma tecnologia de comunicação sem fio com características de longa distância e baixo consumo de energia. No cenário acima, os usuários podem usar a tecnologia LoRaWAN para rede e instalar módulos de suporte LoRA em equipamentos de engenharia. Através do dispositivo de retransmissão LoRa, os dados são enviados para o gateway LoRa localizado fora do túnel e tem acesso à Internet. O gateway LoRa então encapsula os dados em um pacote de protocolo de dados que pode ser transmitido através do protocolo TCP ou protocolo UDP na rede IP. (como o protocolo MQTT) e, em seguida, enviado para o data center em nuvem.
2.7 Protocolo NB-IoT
O protocolo NB-IoT (Narrow Band Internet of Things), assim como o protocolo LoRaWAN, é um protocolo para conectar dispositivos à camada física/camada de enlace de dados da Internet.
Diferente do LoRA, o protocolo NB-IoT é construído e executado na rede celular, consome baixa largura de banda e pode ser implantado diretamente na rede GSM ou rede LTE existente. O dispositivo instala um chip que suporta NB-IoT e a placa IoT correspondente e, em seguida, conecta-se à estação base NB-IoT para acessar a Internet. Além disso, o protocolo NB-IoT não requer um gateway para realizar a conversão de protocolo como o protocolo LoRaWAN, e os dispositivos conectados podem usar diretamente a rede IP para transmissão de dados.
Em comparação com as estações base tradicionais, o ganho do protocolo NB-IoT aumentou cerca de 20dB e pode cobrir garagens subterrâneas, oleodutos, porões e outros locais onde antes os sinais eram difíceis de cobrir.
Este artigo foi publicado com autorização da editora. Para mais informações sobre como construir uma plataforma IoT de 0 a 1, recomenda-se a leitura de "Desenvolvimento de Sistemas para Internet das Coisas: Construindo uma Plataforma IoT de 0 a 1".
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Em primeiro lugar, apresenta o princípio e a prática do protocolo da Internet das Coisas passo a passo e em termos simples através de exemplos de código; em seguida, tomando como exemplo o processo de construção de uma plataforma abrangente da Internet das Coisas com funções completas, explica como para construir uma plataforma de Internet das Coisas de 0 a 1; Finalmente, são resumidos padrões de design comuns e melhores práticas no desenvolvimento de plataformas de IoT.
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