1.4　使用案例和部署示意

理解物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算系統(tǒng)最有效的方法是從實(shí)際產(chǎn)品的用例開(kāi)始。在這里，我們將研究解決方案旨在提供什么，然后將重點(diǎn)放在底層技術(shù)上。用戶和客戶不會(huì)詳細(xì)說(shuō)明完整的系統(tǒng)需求，我們則需要從現(xiàn)有約束中找到差異。這里的例子還將說(shuō)明物聯(lián)網(wǎng)部署是不同工程學(xué)科和科學(xué)之間的跨領(lǐng)域協(xié)作。通常，會(huì)有數(shù)碼架構(gòu)師、網(wǎng)絡(luò)工程師、低級(jí)固件工程師、工業(yè)架構(gòu)師、人因工程師、電路板布局工程師，以及云和SaaS開(kāi)發(fā)人員。無(wú)論如何，不能進(jìn)行孤島式設(shè)計(jì)。一個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)選擇往往可能導(dǎo)致性能差、電池壽命差、網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用過(guò)高或與遠(yuǎn)程設(shè)備的通信不可靠。

1.4.1　案例研究——遠(yuǎn)程和緩醫(yī)療

一家為老年人提供家庭護(hù)理和咨詢服務(wù)的機(jī)構(gòu)打算采用更好、更可行、更經(jīng)濟(jì)的解決方案，使他們目前的家庭護(hù)理和護(hù)理援助實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，以解決日益嚴(yán)重的成本危機(jī)和患者數(shù)量的危機(jī)。目前，這項(xiàng)服務(wù)將對(duì)威斯康星州麥迪遜市一個(gè)100英里[1]半徑范圍內(nèi)的500多名患者進(jìn)行為期7天的常規(guī)的家庭護(hù)理探訪。探訪內(nèi)容包括從送藥、特殊護(hù)理服務(wù)到測(cè)量患者生命體征等。患者通常超過(guò)70歲，無(wú)法管理帶回家的任何IT基礎(chǔ)設(shè)施。此外，患者家中可能沒(méi)有任何互聯(lián)網(wǎng)連接或?qū)拵нB接。

要求

提供商希望系統(tǒng)能夠提供以下最低功能集和服務(wù)：

• 為每位患者分配一個(gè)可穿戴設(shè)備，以監(jiān)測(cè)心率、血氧、運(yùn)動(dòng)、溫度和所采取的步驟。
• 在患者家中安裝額外的設(shè)備，以監(jiān)測(cè)特定的患者狀況和生命體征，如血壓、血糖水平、體重、口腔溫度等。
• 系統(tǒng)必須向中央操作儀表板報(bào)告患者生命體征數(shù)據(jù)。
• 系統(tǒng)還將提醒患者何時(shí)服用某種藥物或何時(shí)進(jìn)行生命測(cè)試。
• 系統(tǒng)必須能夠在斷電時(shí)跟蹤患者的狀態(tài)。
• 可穿戴系統(tǒng)配有一個(gè)易于識(shí)別的按鈕，可向等待的操作員服務(wù)發(fā)出緊急情況（如墜落）信號(hào)。設(shè)備將閃爍，表示緊急情況已啟動(dòng)。設(shè)備將與操作員進(jìn)行雙向音頻通信。對(duì)于聽(tīng)力受損的患者，將使用替代方法與患者溝通。
• 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須能夠管理500名現(xiàn)有患者，并以每年10%的速度增長(zhǎng)。
• 系統(tǒng)必須在實(shí)施的三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)總體成本節(jié)約和33%的投資回報(bào)率。這一關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（KPI）通過(guò)將居家護(hù)理和護(hù)理協(xié)助從每天三小時(shí)減少到每天兩小時(shí)，同時(shí)提高項(xiàng)目中患者的醫(yī)療質(zhì)量來(lái)測(cè)量。

實(shí)施

醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程醫(yī)療是物聯(lián)網(wǎng)、人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)和傳感器系統(tǒng)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。它的年增長(zhǎng)率（YoY）為19%，到2025年市場(chǎng)規(guī)模為5340億美元，因此引起了人們的極大興趣。然而，我們研究這個(gè)特定的案例，是因?yàn)樗鼘?duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者設(shè)置了很多的限制。具體而言，在醫(yī)療保健領(lǐng)域，嚴(yán)格的要求以及HIPAA和FDA法規(guī)對(duì)構(gòu)建一個(gè)影響患者福祉的系統(tǒng)強(qiáng)加了必須克服的限制。例如，HIPAA要求保證患者數(shù)據(jù)的安全性，因此必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行加密和數(shù)據(jù)安全的設(shè)計(jì)及限定。此外，在這里，當(dāng)我們?cè)噲D建立一個(gè)與互聯(lián)網(wǎng)連接的系統(tǒng)時(shí)，需要考慮老年人的約束條件，即缺乏與互聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)連接。

該系統(tǒng)將分為三個(gè)主要部分：

• 遠(yuǎn)端邊緣層：由兩個(gè)設(shè)備組成。首先是為患者提供的可穿戴設(shè)備。第二個(gè)是各種不同的醫(yī)療等級(jí)測(cè)量工具。可穿戴設(shè)備是無(wú)線設(shè)備，而其他測(cè)量設(shè)備可能是也可能不是無(wú)線設(shè)備。兩者都將與接下來(lái)描述的PAN-LAN層組件建立安全通信。
• 近邊緣PAN-WAN層：這將是一個(gè)安裝在患者家中或可能被護(hù)理的地方的安全設(shè)備。它應(yīng)該是便攜式的，但是一旦安裝，就不應(yīng)該由患者使用和篡改。這將容納PAN-LAN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備。它還包含邊緣計(jì)算系統(tǒng)，用于管理設(shè)備、控制態(tài)勢(shì)感知，并在發(fā)生故障時(shí)安全地存儲(chǔ)患者數(shù)據(jù)。
• 云層：這將是存儲(chǔ)、記錄和管理患者數(shù)據(jù)的聚合點(diǎn)。它還提供了儀表板和態(tài)勢(shì)感知規(guī)則引擎。臨床醫(yī)生將通過(guò)單一儀表板和統(tǒng)一管理界面來(lái)管理一組已安裝的家庭護(hù)理系統(tǒng)。管理500名患者（每年同比增長(zhǎng)10%）將帶來(lái)快速管理大量數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，尤其是在緊急情況下。因此，將構(gòu)建規(guī)則引擎來(lái)確定事件或情況何時(shí)超出邊界。

該架構(gòu)的三層構(gòu)成了從傳感器到云端的系統(tǒng)。下一部分將詳細(xì)介紹每個(gè)層的各個(gè)方面。

我們選擇的單一用例只是一個(gè)來(lái)自可穿戴設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)事件，必須將它傳播到云端才能顯示儀表板。數(shù)據(jù)流延伸到該物聯(lián)網(wǎng)用例的所有三層，如圖1-6所示。

該用例將從集成傳感器讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)作為已配對(duì)設(shè)備的藍(lán)牙廣播包廣播到邊緣計(jì)算機(jī)。邊緣系統(tǒng)管理與藍(lán)牙個(gè)域網(wǎng)的關(guān)系，并將在電源或通信故障時(shí)檢索、加密和存儲(chǔ)傳入的數(shù)據(jù)到云端。邊緣系統(tǒng)還負(fù)責(zé)將藍(lán)牙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基于MQTT協(xié)議封裝的TCP/IP數(shù)據(jù)包。

它還必須設(shè)置、管理和控制蜂窩通信。MQTT允許可靠和強(qiáng)大的傳輸?shù)降却脑葡到y(tǒng)（本例中的Azure）。在那里，數(shù)據(jù)通過(guò)TLS加密，基于電纜傳輸，然后進(jìn)入Azure物聯(lián)網(wǎng)中心。屆時(shí)，數(shù)據(jù)將通過(guò)流分析引擎進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)集，并傳送到邏輯應(yīng)用。在那里，基于云的Web服務(wù)將承載患者的信息和事件的儀表板。

遠(yuǎn)端架構(gòu)

讓我們從遠(yuǎn)端和可穿戴設(shè)計(jì)開(kāi)始。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們首先將用戶需求分解為可操作的系統(tǒng)需求（表1-2）。

在和緩治療（palliative care）情況下，可穿戴設(shè)備的目的是可靠、堅(jiān)固且耐用。我們選擇了醫(yī)療級(jí)組件和經(jīng)過(guò)環(huán)境測(cè)試的電子產(chǎn)品，以承受家庭護(hù)理中可能出現(xiàn)的使用情況。該設(shè)備也將沒(méi)有可維修部件。例如，對(duì)于這個(gè)使用場(chǎng)景，我們選擇不讓患者為可穿戴設(shè)備充電，因?yàn)榛颊呖赡軣o(wú)法可靠地完成這個(gè)過(guò)程。由于該項(xiàng)目仍需要居家護(hù)理和護(hù)理協(xié)助，因此護(hù)理協(xié)助的部分任務(wù)將是為可穿戴設(shè)備充電并監(jiān)視其狀態(tài)。

系統(tǒng)通常從組件實(shí)體的限定開(kāi)始。在該情形中，用于老年人家庭保健的可穿戴系統(tǒng)可以是腕帶、頸帶、臂帶等形式。本項(xiàng)目選擇了一種類似于醫(yī)院式的腕帶，病人對(duì)這種腕帶已經(jīng)有一定的熟悉度。腕帶可以貼近皮膚和動(dòng)脈，以便收集健康特征。其他形式的可穿戴設(shè)備無(wú)法提供更牢固的接觸。腕帶在尺寸、功率和形狀上確實(shí)有很大的限制，必須包含以下所述的所有電子元件、電源和無(wú)線電設(shè)備。

如圖1-7所示，從方塊圖的角度來(lái)看，這款可穿戴設(shè)備將由盡可能少的部件組成，以盡量減少空間和重量，同時(shí)盡可能節(jié)省電力。在這里，我們選擇使用一個(gè)非常省電的微控制器和藍(lán)牙5無(wú)線電（低功耗藍(lán)牙，BLE）。低功耗藍(lán)牙無(wú)線電將作為PAN-WAN集線器的PAN通信。BLE 5的范圍可達(dá)100米（當(dāng)啟用LE遠(yuǎn)程模式時(shí)，可以更遠(yuǎn)）。

這對(duì)于患者不必離開(kāi)的家庭護(hù)理情況已經(jīng)足夠了。

邊緣層架構(gòu)

PAN-WAN邊緣層是中央邊緣計(jì)算機(jī)、網(wǎng)關(guān)和路由器。在許多情況下，這個(gè)功能是由智能手機(jī)設(shè)備來(lái)完成的。但是，在這個(gè)方案中，我們需要使用比普通智能手機(jī)用戶更經(jīng)濟(jì)的蜂窩服務(wù)計(jì)劃來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)。由于我們的規(guī)模是500名用戶，并且還在不斷增長(zhǎng)，我們決定使用現(xiàn)成的硬件組件構(gòu)建一個(gè)集線器，為客戶提供最佳的解決方案。

我們選擇的邊緣計(jì)算機(jī)是一臺(tái)工業(yè)級(jí)的單板計(jì)算機(jī)，能夠運(yùn)行企業(yè)級(jí)的Linux發(fā)行版。Inforce 6560作為藍(lán)牙5.0個(gè)域網(wǎng)和蜂窩廣域網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)，如圖1-8所示。片上系統(tǒng)（SOC）方便地集成了以下硬件：

• 驍龍660處理器，高通Kryo 260 CPU
• 3 GB板載LPDDR4 DRAM
• 32 GB eMMC存儲(chǔ)
• 一個(gè)microSD卡接口
• 藍(lán)牙5.0無(wú)線電
• 802.11n / ac Wi-Fi 2.4 GHz和5 GHz無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)

邊緣計(jì)算機(jī)還將使用藍(lán)牙5.1位置跟蹤到達(dá)角天線陣列。這一新標(biāo)準(zhǔn)將使邊緣系統(tǒng)可對(duì)藍(lán)牙領(lǐng)域內(nèi)的可穿戴設(shè)備和患者獲得厘米級(jí)的位置精度。這將允許跟蹤患者的運(yùn)動(dòng)、鍛煉、浴室功能和緊急情況。

邊緣系統(tǒng)依靠故障切換電源系統(tǒng)或不間斷電源（UPS）供電。如果出現(xiàn)停電事故，UPS設(shè)備將從線路電流切換為電池。它將通過(guò)USB或串行UART信號(hào)通知邊緣系統(tǒng)發(fā)生了電源事件。到那時(shí)，邊緣系統(tǒng)將與發(fā)生電源事件的云管理溝通，可能需要采取一些措施。

軟件架構(gòu)

在這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，除了三層通信協(xié)議和硬件外，還有三種不同的軟件模型。我們將研究實(shí)時(shí)傳遞患者健康數(shù)據(jù)的最常見(jiàn)用法，而不是贅述這個(gè)用例的每一個(gè)設(shè)計(jì)的細(xì)微差別，包括每一個(gè)故障恢復(fù)、設(shè)備供應(yīng)、安全和系統(tǒng)狀態(tài)。

可穿戴設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)必須與我們選擇的硬件兼容，如圖1-9所示。這意味著我們要選擇與所用架構(gòu)和外設(shè)兼容的工具、操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和庫(kù)。我們先從可穿戴設(shè)備說(shuō)起，它對(duì)代碼大小、電池壽命和性能限制的要求最為嚴(yán)格。由于STM32WB微控制器被設(shè)計(jì)為雙核，我們基本上有兩個(gè)系統(tǒng)需要管理：將運(yùn)行我們特定的可穿戴固件的高性能ARM M4內(nèi)核，以及通過(guò)藍(lán)牙管理I / O的低功耗M0內(nèi)核。我們選擇一個(gè)商用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，比如Express Logic公司的ThreadX，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的開(kāi)發(fā)體驗(yàn)，而不是一個(gè)簡(jiǎn)單的不適用該產(chǎn)品的控制循環(huán)。我們還希望能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行醫(yī)療級(jí)的使用認(rèn)證，這在使用商用操作系統(tǒng)時(shí)更容易實(shí)現(xiàn)。

可穿戴設(shè)備上的軟件結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)進(jìn)程，這些進(jìn)程托管用于管理可穿戴顯示器的多個(gè)線程、揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)硬件、心跳和運(yùn)動(dòng)傳感器的I/O以及藍(lán)牙棧。藍(lán)牙棧與M0內(nèi)核進(jìn)行通信，該內(nèi)核管理藍(lán)牙無(wú)線電的硬件層。

邊緣計(jì)算機(jī)具有更多的處理資源，因?yàn)樗仨毺峁┩暾腡CP/IP棧、PAN和WAN通信與路由、加密服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、設(shè)備置備和故障安全固件升級(jí)。如圖1-10所示，對(duì)于邊緣系統(tǒng)，我們選擇Linux Debian系統(tǒng)，因?yàn)樗染o密嵌入的RTOS提供更多的功能和服務(wù)。云系統(tǒng)以及邊緣計(jì)算機(jī)或可穿戴設(shè)備上的所有服務(wù)都是通過(guò)“規(guī)則引擎”進(jìn)行協(xié)調(diào)的。規(guī)則引擎可以是使用針對(duì)此客戶或用例的自定義邏輯的簡(jiǎn)單“專家系統(tǒng)”。一個(gè)更健壯的設(shè)計(jì)可以使用像Drools這樣的標(biāo)準(zhǔn)化框架。由于每個(gè)患者可能需要有一套不同的規(guī)則，因此使用一個(gè)動(dòng)態(tài)的、可互換的規(guī)則引擎是有意義的，該引擎可以用不同的患者指令上傳。這是一個(gè)自主的頂層主管，可以定期捕獲運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)、解決安全問(wèn)題、可靠地發(fā)布新固件更新、管理身份驗(yàn)證和安全性，并處理大量錯(cuò)誤和故障情況。規(guī)則引擎必須是自主的，這樣才能滿足系統(tǒng)的產(chǎn)品需求，而無(wú)須通過(guò)云直接控制。

云服務(wù)層提供攝取、長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、流分析和患者監(jiān)護(hù)儀表板的服務(wù)。它為醫(yī)療保健提供商提供了一個(gè)通用接口，可以通過(guò)其安全地管理數(shù)百個(gè)邊緣系統(tǒng)。這也是一種可以快速報(bào)告運(yùn)行狀況、錯(cuò)誤情況和系統(tǒng)故障并安全地提供設(shè)備升級(jí)的方法。云服務(wù)與邊緣服務(wù)的劃分如下：

• 云服務(wù)

• 對(duì)于多個(gè)遠(yuǎn)端患者和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取和管理
• 幾乎無(wú)限的存儲(chǔ)容量
• 對(duì)邊緣進(jìn)行受控軟件部署和更新

• 邊緣服務(wù)

• 對(duì)事件的低時(shí)延和實(shí)時(shí)的反應(yīng)
• PAN與傳感器通信
• 最低連接要求

商業(yè)云服務(wù)將附帶服務(wù)協(xié)議和經(jīng)常性成本，而邊緣系統(tǒng)在大多數(shù)情況下只會(huì)產(chǎn)生單一的前期硬件和開(kāi)發(fā)成本。

在考慮云組件時(shí)，我們需要一項(xiàng)服務(wù)來(lái)安全地從多個(gè)邊緣設(shè)備接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)以供分析和監(jiān)控。云服務(wù)還應(yīng)該包括一種管理和提供邊緣安裝的方法。最后，我們尋找一種方法來(lái)獲取病人的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將其顯示給有資質(zhì)的工作人員。

對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我們選擇使用Microsoft Azure IoT作為云提供商來(lái)管理這個(gè)大型部署并實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)和可擴(kuò)展性。Azure IoT提供了如圖1-11所示的架構(gòu)。

至少在IoT Hub的前端，Microsoft Azure IoT軟件架構(gòu)之間的設(shè)計(jì)通常是保持一致的。數(shù)據(jù)將從各種經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的源傳輸?shù)紸zure IoT中心。云網(wǎng)關(guān)能夠擴(kuò)展到非常大型的IoT安裝。在幕后，IoT Hub是一組數(shù)據(jù)中心流程和服務(wù)的集合，用于偵聽(tīng)和響應(yīng)傳入的事件。

IoT Hub將把合格的流路由到流分析引擎。在這里，數(shù)據(jù)將被快速地實(shí)時(shí)分析，就像數(shù)據(jù)能夠被吸收一樣快。數(shù)據(jù)可以匯集到商業(yè)智能服務(wù)，長(zhǎng)期存儲(chǔ)在Azure SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，并移動(dòng)到服務(wù)總線。服務(wù)總線以隊(duì)列的形式響應(yīng)事件和故障，以允許系統(tǒng)對(duì)它們做出響應(yīng)。我們架構(gòu)中的最后一個(gè)組件是云“黏合”層，它將數(shù)據(jù)路由到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（Logic App Dynamics到Azure）或響應(yīng)傳入數(shù)據(jù)（Logic App Azure到Dynamics）。Microsoft Dynamics 365作為一個(gè)邏輯應(yīng)用程序接口，允許物聯(lián)網(wǎng)事件的可見(jiàn)性、儀表板的創(chuàng)建、Web框架，甚至移動(dòng)和智能手機(jī)報(bào)警。

這個(gè)用例只是商業(yè)產(chǎn)品的實(shí)際功能的一小部分。我們忽略了重要的領(lǐng)域，如配置、身份驗(yàn)證、錯(cuò)誤情況、彈性固件升級(jí)、系統(tǒng)安全性和信任根、故障轉(zhuǎn)移條件、音頻通信、密鑰管理、LCD顯示工作以及儀表板控制系統(tǒng)本身。

1.4.2　用例回顧

我們?cè)谶@個(gè)非常簡(jiǎn)短的介紹性用例中所展示的是，企業(yè)和商業(yè)設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算需求涉及許多學(xué)科、技術(shù)和考慮因素。試圖以現(xiàn)代的性能、可靠性、可用性和安全性預(yù)期簡(jiǎn)化將互聯(lián)網(wǎng)連接與邊緣系統(tǒng)橋接的復(fù)雜性，可能會(huì)以失敗告終。

正如我們?cè)诤?jiǎn)略的醫(yī)療可穿戴用例中所看到的那樣，我們的設(shè)計(jì)涉及許多可互操作的組件，這些組件組成了一個(gè)系統(tǒng)。負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)師必須對(duì)這些系統(tǒng)組件有一定程度的了解：

• 硬件設(shè)計(jì)
• 電源管理和電池設(shè)計(jì)
• 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編程
• 通信系統(tǒng)、無(wú)線電信令、協(xié)議使用和通信經(jīng)濟(jì)學(xué)
• 網(wǎng)絡(luò)棧和協(xié)議
• 安全性、服務(wù)開(kāi)通、身份驗(yàn)證和可信平臺(tái)
• 性能分析和系統(tǒng)分區(qū)
• 云管理、流系統(tǒng)、云存儲(chǔ)系統(tǒng)和云經(jīng)濟(jì)學(xué)
• 數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)科學(xué)
• 中間件和設(shè)備管理

本書(shū)的目的是幫助架構(gòu)師通過(guò)無(wú)數(shù)的細(xì)節(jié)和每一個(gè)層次的選擇找到正確的方法。

---

[1]1英里約等于1609米。——編輯注