前言

邊緣計算和物聯網（IoT）已經從炒作轉向主流。各組織和各行業需要從對象中收集數據，并從信息中獲取價值和洞察。同時，我們正在將更多的處理工作和功能由數據中心向數據生成源靠近。一個具有良好架構的系統需要多領域的專業知識，從傳感器物理實體和能源到基于云的數據分析能力。在本書中，我們將討論物聯網和邊緣計算的整個拓撲結構。在這里，你將了解每個組件作為系統的一部分是如何相互連接的。這些組件包括電信和無線電信令、嵌入式系統、遠程通信、網絡協議、邊緣和云框架、整體安全和云機器學習。

讀者對象

本書面向致力于理解精心設計的物聯網和邊緣系統的細節的架構師、系統工程師、學者、項目經理、學生和工程主管。個人可能在某個領域具有優勢，但物聯網中的每一個元素都會影響其他領域。我們還將關注已成功部署的實際商業、工業用例和技術。

本書內容

第1章對物聯網和邊緣市場進行整體介紹，并區分了炒作與現實。其中會定義物聯網和邊緣計算，然后揭示企業、商業和工業物聯網解決方案的各種用例。在本章的最后，我們通過一個案例研究來分析典型物聯網系統（硬件-軟件-云）的完整系統架構。

第2章提供構建物聯網或邊緣系統所需組件和互連關系的高層次視圖。本章將說明各個組件是如何相互連接的，以及它們發揮的作用。此外，本章將從價值和貨幣化的角度揭示如何對物聯網部署進行建模。

數據在物聯網和邊緣計算中的傳輸路徑始于傳感器和物理設備。在第3章中，我們將講授各種類型的傳感器以及相關物理設備。我們將展示傳感器如何捕獲數據和圖像，以及當恒定電源不可用時如何為它們供電。

為了理解無線通信的限制和能力，我們將在第4章探討通信和無線電信令的理論，諸如路徑損耗、射頻干擾、香農-哈特利定理和比特率限制等，還將研究射頻頻譜管理和分配。

個人區域網包括一些覆蓋距離短、發射機和接收機之間距離很近的設備和系統。第5章將深入探討各種協議的廣度和深度，如藍牙5.1、藍牙信標、尋向技術和藍牙5.0網狀網絡。我們還將研究其他802.15.4協議（如Zigbee），最后對Z-Wave進行描述。

第6章探討基于TCP/IP的通信在近距離和遠程通信中的應用，研究6LoWPAN、Thread等架構和各種802.11Wi-Fi協議，如802.11ac、802.11p和802.11ah。

遠程通信是將數據從遠程邊緣移動到數據中心、客戶和消費者所在地的前提條件。第7章全面介紹遠程協議，包括4G LTE蜂窩和新的5G蜂窩標準，還將探討CBRS、LoRa、Sigfox和Multefire等遠程技術。我們將深入研究這些技術是如何工作的，以及它們在構建系統時提供的功能。

第8章分析構建邊緣級計算基礎設施所需的硬件和軟件組件。這包括對硬件資源（如處理器架構、內存、存儲、物理機箱、環境適應和互連）和軟件組件（如軟件框架、操作系統和中間件）的深入了解。此外，我們還將探討虛擬化和容器在邊緣管理中的應用（包括Microsoft Azure IoT edge的示例）。

邊緣系統的常見用途是提供網關、路由和網絡安全功能。第9章介紹PAN到WAN橋接的方法、蜂窩網關功能、路由和流量整形，以及軟件定義網絡和VPN等安全方面的知識。

第10章探討廣域網上邊緣-云協議的各種方法和特點，如MQTT 5、CoAP、AMQP和HTTP等數據傳輸的標準方法。

在云系統和邊緣系統之間構建和分解問題的方法有很多。第11章介紹各種邊緣框架，如EdgeX、OpenFog，以及Lambda架構，以構建一個更健壯的系統。

第12章討論如何從傳感器和物聯網系統中提取有意義的數據。無法理解的數據是無用的。在這里，我們使用規則引擎、統計分析以及各種人工智能和機器學習技術探索基于邊緣和云的分析。我們將探索如何正確分析問題，并深入研究這些工具的機制。

安全性對于強大的企業、工業物聯網和邊緣解決方案至關重要。在第13章中，我們從整體的角度來研究安全性。我們關注從傳感器到云的物理安全、網絡安全和數據安全并進行研究。

行業聯盟和專業協會提供了許多標準和準則，這些標準和準則是將物聯網和邊緣系統連接在一起所必需的。第14章將介紹許多相關的行業團體，還將提供一份已完成商業部署的傳感器、硬件和軟件系統清單（推薦），這些系統已被證明可滿足商業、企業和工業物聯網的要求。

充分利用本書

本書涉及不同程度的技術深度和廣度。你可能在一個或幾個領域擁有豐富的經驗，但對其他領域知之甚少。別灰心，本書試圖提供技術的概述，并在可能相關的領域進行技術上的深入探討。

我們精心挑選了一些需要深入研究的領域。這些領域是物聯網和邊緣系統一直存在的問題和容易出現設計挑戰的方面，需要大量的深入研究和理解。

你可以按順序閱讀本書，也可以在不同的章節之間跳讀，不受章節順序的影響。

本書討論的順序是從傳感器到近距離通信再到遠程通信，然后遷移到邊緣和云系統。我們試圖模擬數據如何沿著從傳感器到云端的路徑移動。

下載彩色圖像

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本書約定

本書使用了一些字體約定。

代碼體：表示書中的代碼、數據庫表名、文件夾名、文件名、文件擴展名、路徑名、用戶輸入和Twitter句柄。例如：“只需向/.well-known/core發送GET請求，就會披露設備上已知資源的列表。”

代碼段示例如下：

需注意的代碼行以粗體顯示，如下：

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粗體：新術語和重要詞匯以粗體顯示。

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