1.3　物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)通信網(wǎng)等為信息載體，使得可聯(lián)網(wǎng)的物體或設備實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)用中心計算機可以對機器、設備、人員進行集中管理、控制，也可以對家庭設備、汽車進行遙控。同時通過收集這些小事件的數(shù)據(jù)，最后可以聚集成大數(shù)據(jù)，對大數(shù)據(jù)進行分析，作為決策的參考，以實現(xiàn)價值，包含重新設計道路以減少車禍、都市智能化、災害預測與犯罪防治、流行病控制等社會的重大改變。

物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)實世界數(shù)字化，應用范圍十分廣泛。物聯(lián)網(wǎng)拉近分散的信息，整合物與物的數(shù)據(jù)信息，物聯(lián)網(wǎng)的應用領域主要包括運輸和物流、工業(yè)制造、健康醫(yī)療、智能環(huán)境（家庭、辦公、工廠）、個人和公共設施等，具有十分廣闊的市場和應用前景。

2005年11月17日，在信息社會世界峰會上，國際電信聯(lián)盟發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，指出“物聯(lián)網(wǎng)”時代的來臨。

1.3.1　M2M

機器到機器（Machine to Machine，M2M），是在商業(yè)活動中通過移動通信技術和設備的應用，變革既有商務模式或創(chuàng)造新商務模式，是機器設備之間的自動通信。從狹義上說，M2M只代表機器和機器之間的通信。目前，當提到M2M時，更多的是指非IT設備通過移動通信網(wǎng)絡與其他設備或IT系統(tǒng)的通信。放眼未來，M2M的范圍不應拘泥于此，而是應該擴展到人對機器、機器對人、移動網(wǎng)絡對機器之間的連接與通信。

M2M應用遍及電力、交通、工業(yè)控制、零售、公共事業(yè)管理、醫(yī)療、水利、石油等多個行業(yè)，用于車輛安全、安全監(jiān)測、自動售貨、機械維修、公共交通管理等領域。M2M不是簡單的數(shù)據(jù)在機器和機器之間的傳輸，而是機器和機器之間的一種智能化、交互式的通信。也就是說，即使人們沒有實時發(fā)出信號，機器也會根據(jù)既定程序主動進行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)智能化地做出選擇，對相關設備發(fā)出正確的指令。智能化、交互式成了M2M有別于其他應用的典型特征，這一特征下的機器也被賦予了更多的“思想”和“智慧”。M2M作為物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)階段最常見的應用形式，在智能電網(wǎng)、安全監(jiān)測、城市信息化、環(huán)境監(jiān)測等領域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化應用。

1.3.2　物聯(lián)網(wǎng)通信技術

物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術有很多，主要分為以下兩類。

一類是近場短距無線網(wǎng)。它被用于諸如電話、計算機、附屬設備及小范圍（個人局域網(wǎng)的工作范圍一般在10m以內(nèi)）的數(shù)字助理設備之間的通信。支持近場短距無線網(wǎng)的技術包括藍牙（Bluetooth）、ZigBee、超寬帶（UWB）、紅外線無線傳輸（IrDA）、HomeRF（Home Radio Frequency）等。其中，藍牙技術在無線個人局域網(wǎng)中使用得最廣泛。每項技術只有被用于特定的用途、應用程序或領域才能發(fā)揮最佳的作用。此外，雖然在某些方面，有些技術被認為在近場短距無線網(wǎng)空間中是相互競爭的，但是它們相互之間常常又是互補的。各種類型的無線網(wǎng)絡技術支持設備在沒有電纜的情況下實現(xiàn)設備和設備之間，或者設備和Web（TCP/IP網(wǎng)絡）之間的通信。目前有多種無線技術在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和機器到機器（M2M）通信領域的硬件產(chǎn)品中得到運用。電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）有多個802.15工作組。這些組織為個人局域網(wǎng)的常用類型的無線技術設定了標準，包括WPAN/藍牙、共存（Coexistence）、高速率WPAN、低速率WPAN、Mesh網(wǎng)絡、體域網(wǎng)（Body Area Network）和可見光通信（Visible Light Communication）等。每個IEEE協(xié)議都有其獨特的優(yōu)點和局限性。持續(xù)的開發(fā)投入使得這些協(xié)議的應用價值越來越高、潛力越來越大。

另一類是低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN），即低功耗廣域網(wǎng)通信技術，是可以用低比特率進行長距離通信的無線網(wǎng)絡。

1. LoRa

LoRa是Long Range的縮寫，速率相對較低，可視為網(wǎng)絡通信中的物理層實現(xiàn)。LoRa是LPWAN通信技術中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案改變了以往關于傳輸距離與功耗的折中考慮方式，為用戶提供一種簡單的遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進而擴展傳感網(wǎng)絡。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433MHz、868MHz、915 MHz等。LoRa技術具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點、低成本的特性。

2. NB-IoT

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡的一個重要分支。NB-IoT構建于蜂窩網(wǎng)絡，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也稱為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機時間長、對網(wǎng)絡連接要求較高設備的高效連接。

3. IEEE 802.15.4：ZigBee

ZigBee是一項開放性的全球化標準，專為M2M網(wǎng)絡而設計。該技術具有低成本、低功耗的特點，是許多工業(yè)應用的理想解決方案。同時具有低延遲和低占空比的特性，允許產(chǎn)品最大限度地延長電池壽命。ZigBee協(xié)議提供128位AES加密。此外，該技術還支持Mesh網(wǎng)絡，允許網(wǎng)絡節(jié)點通過多個路徑連接在一起。ZigBee無線技術最常用的應用場景是智能家居設備領域。該技術將多個設備同時連接在一起的能力使其成為家庭網(wǎng)絡環(huán)境的理想選擇，用戶可以實現(xiàn)智能鎖、燈光、機器人和恒溫器等設備之間的相互通信。ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)對這項技術進行了標準化，希望連接的兼容性和通用性更強。

4. IEEE 802.11：Wi-Fi

Wi-Fi使用無線電波來實現(xiàn)兩個設備之間的通信。該技術常用于將計算機、平板電腦和手機等設備連接到路由器從而實現(xiàn)上網(wǎng)。實際上，它可以用于任何兩個硬件設備的連接。Wi-Fi是由IEEE制定的運行在802.11標準的本地無線網(wǎng)絡。Wi-Fi既可以使用全球2.4GHz UHF頻段也可以使用5GHz SHF ISM無線電頻段。Wi-Fi聯(lián)盟對一些產(chǎn)品進行認證，允許通過認證的產(chǎn)品標記為“Wi-Fi認證”。為了獲得該認證，產(chǎn)品必須通過聯(lián)盟的互操作性認證測試。802.11b、802.11g和802.11n在2.4GHz、5GHz頻段上運行。該頻段容易受到一些藍牙設備及微波爐和移動電話的干擾。

5. IEEE 802.15.1：藍牙和低功耗藍牙

藍牙（Bluetooth）和低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy，BLE）是用于短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線技術。該技術經(jīng)常用于可連接用戶手機和平板電腦的小型設備。例如，該技術多用于各種語音系統(tǒng)。低功耗藍牙比標準藍牙功率更小，用于健身跟蹤器、智能手表或其他連接設備的小型硬件，以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，且不會嚴重影響用戶手機或平板電腦中的電池電量。BLE技術最初由智能手機制造商諾基亞于2006年推出，但直到2010年才成為藍牙標準的一部分。如今，BLE被稱為智能藍牙，已經(jīng)得到了大多數(shù)智能手機和計算機制造商的支持，以及大多數(shù)主流操作系統(tǒng)的支持。

藍牙使用UHF無線電波進行數(shù)據(jù)傳輸。該技術最初標準為IEEE 802.15.1，但如今IEEE不再維護該特定標準。使用藍牙的廠商通常隸屬于藍牙特別興趣小組，必須先進行產(chǎn)品認證，才能將其作為藍牙設備推向消費者或商業(yè)市場。該認證有助于確保所有藍牙設備以標準化的方式工作，并為消費者提供相似的產(chǎn)品功能。

1.3.3　邊緣計算

基于物聯(lián)網(wǎng)相關的終端數(shù)量龐大、計算量巨大、決策反應速度要求高，邊緣計算的解決方案成為一種選擇。全球智能手機的快速發(fā)展，也推動了移動終端和“邊緣計算”的發(fā)展。

邊緣計算（Edge Computing）是指在靠近物聯(lián)網(wǎng)末端或數(shù)據(jù)采集源頭的一端，部署的具有計算、決策、存儲能力、互聯(lián)的平臺，提供接近物端的應用服務。其應用程序在邊緣側發(fā)起，提供更快的網(wǎng)絡服務響應，滿足實時業(yè)務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。

對物聯(lián)網(wǎng)而言，邊緣計算技術意味著許多控制將通過本地設備實現(xiàn)，無須交由云端，處理過程將在本地邊緣計算層完成。這無疑將大大提升處理效率，減輕云端的負荷。由于更加靠近用戶，因此還可為用戶提供更快的響應，將需求在邊緣端解決。云端計算仍然可以與邊緣計算設備交互數(shù)據(jù)，如邊緣數(shù)據(jù)信息采集、下發(fā)應用的控制決策策略等。

邊緣計算的特點包括低延遲、實時性高、響應速度快。邊緣計算可以在本地進行實時處理數(shù)據(jù)，自主決策，具有更低的運維成本和網(wǎng)絡流量，可以更好地保護隱私等優(yōu)點。

1. 邊緣計算架構

邊緣計算的通用架構為云邊協(xié)同的聯(lián)合式網(wǎng)絡結構，一般可以分為終端層、邊緣計算層和云計算層，各層可以進行層間及跨層通信，各層的組成決定了層級的計算和存儲能力，從而決定了各個層級的功能。

終端層由各種物聯(lián)網(wǎng)設備（如傳感器、RFID標簽、攝像頭、智能手機等）組成，主要實現(xiàn)收集原始數(shù)據(jù)并上報的功能。

邊緣計算層是由網(wǎng)絡邊緣節(jié)點構成的，廣泛分布在終端設備與計算中心之間，它可以是智能終端設備本身，如智能手環(huán)、智能攝像頭等。也可以被部署在網(wǎng)絡連接中，如網(wǎng)關、路由器等。

在云邊計算的聯(lián)合式服務中，邊緣計算層的上報數(shù)據(jù)將在云計算中心存儲，邊緣計算層無法處理的分析任務和綜合全局信息的處理任務也需要在云計算中心完成。除此之外，云計算中心還可以根據(jù)網(wǎng)絡資源分布動態(tài)調(diào)整邊緣計算層的部署策略和算法。邊緣計算示意如圖1-4所示。

2017年4月，Linux基金會創(chuàng)立了EdgeX Foundry社區(qū)，旨在創(chuàng)造一個互操作性強、即插即用和模塊化的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算生態(tài)系統(tǒng)，提出了專注于物聯(lián)網(wǎng)邊緣的標準化的微服務框架——EdgeX Foundry。該架構的設計遵循了以下原則：架構應是與平臺無關的，能夠與多類別操作系統(tǒng)進行對接；架構需具有高靈活性，其中的任意部分應該都可以進行升級、替換或擴展；架構需具有存儲和轉發(fā)的功能，支持離線運行，并保證計算能力能夠靠近邊緣。EdgeX Foundry是微服務的集合，這些微服務分為4個層次：設備服務層、核心服務層、支持服務層、應用及導出服務層。

除了Linux基金會，邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟也于2018年12月發(fā)布了《邊緣計算白皮書3.0》，并提出了邊緣計算參考構架3.0（以下簡稱“邊緣框架3.0”）。邊緣框架3.0提供了4種開發(fā)框架：實時計算系統(tǒng)、輕量計算系統(tǒng)、智能網(wǎng)關系統(tǒng)和智能分布式系統(tǒng)，覆蓋了從終端節(jié)點到云計算中心鏈路的服務開發(fā)。

2. 產(chǎn)業(yè)融合

邊緣計算是在高帶寬、時間敏感型、物聯(lián)網(wǎng)集成背景下發(fā)展起來的技術，“Edge”這個概念較早為自動化/機器人廠商所提及，其本意是涵蓋那些“貼近用戶與數(shù)據(jù)源的IT資源”。這是屬于從傳統(tǒng)自動化廠商向IT廠商延伸的一種設計。

IT與OT事實上也是相互滲透的，自動化廠商已經(jīng)開始延伸其產(chǎn)品中的IT能力，事實上IT技術也開始在其產(chǎn)品中集成總線接口、HMI（人機界面）功能的產(chǎn)品，以及工業(yè)現(xiàn)場傳輸設備網(wǎng)關、交換機等產(chǎn)品。

邊緣計算因給物聯(lián)網(wǎng)領域中的海量數(shù)據(jù)傳輸、實時服務響應等復雜挑戰(zhàn)提供了新的解決方案，它們推進了邊緣計算在工業(yè)、無人駕駛、安防監(jiān)控等各個領域的應用。邊緣計算將大力深化各行業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)應用，成為推動智能制造、智慧城市等產(chǎn)業(yè)升級的關鍵技術。

根據(jù)Gartner的技術成熟曲線理論，在2015年IoT從概念上而言，已經(jīng)到達頂峰位置。因此，物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應用也開始加速。IoT會進入一個應用爆發(fā)期，邊緣計算也隨之將得到更多的應用。