经验案例

物联网技术4G通信模块堆栈的5个层次

物联网将需要一种新的产品，可以将5层物联网技术堆栈纳入其产品战略和路线图 - 物联网产品。在本文中，您将对这5个层以及管理物联网产品所需的内容有一个高层次的了解。据估计，已有150亿台设备连接到互联网。到2020年，这一数字将增加到超过500亿台连接设备。
这是物联网（IoT），这是最新的工业革命，将对商业和日常生活产生巨大影响。每次工业革命都需要一种能够实施，维护和创新其新技术的新型工程师。18世纪末和19世纪初的第一次工业革命催生了机械工程领域。随着19世纪末第二次工业革命期间电气化开始在全世界蔓延，大学开始首次提供电气工程课程。20世纪60年代和70年代出现了与数字革命（第三次工业革命）相同的需求。计算机行业的迅速发展催生了计算机科学的新学位。
物联网被许多人认为是第四次工业革命。但与前三个不同，它不是一项新技术 - 它是结合现有技术的新方法。因此，它不需要新的工程师。但它会需要一种新的产品。如今，很少有产品了解物联网产品如何在整个和每个层内运作。这种理解对于创建物联网产品策略和指导物联网解决方案的创建至关重要。物联网的兴起将需要新一代高技能的物联网产品。对于那些认为物联网只是连接烤面包机和咖啡机的人，请再想一想。物联网的真正影响将在工业方面。通过应用物联网实现电网，交通运输，食品生产，供水，医疗保健和其他关键基础设施的现代化，公司已经在努力解决我们这一代人面临的最大问题。因此，我向您挑战产品，以便随时准备满足您的需求。
在接下来的几个月里，我将发布一系列关于物联网产品管理的文章。在第一篇文章中，我简要介绍了IoT堆栈的5层。在以后的文章中，我将提供有关如何管理每个组件以及它们如何组合在一起的更多详细信息。
物联网技术堆栈，让我们开始吧！成为物联网产品的第一步是了解物联网技术堆栈的5个层次。通过将完整的物联网解决方案分解为这5个层，产品可以更好地理解和分析每个级别以及整个系统所需的业务和技术权衡。这5层是：
举个例子，让我们假设您正在创建一个监控风力涡轮机的产品。该产品预计何时涡轮机需要维护，从而节省数百万美元对涡轮机的潜在损坏并避免服务中断。因此，让我们看一下每一层，并以我们的风机监控产品为例，探讨物联网产品需要关注的内容。

1.设备硬件
设备构成了物联网中的“东西”。它们充当真实世界和数字世界之间的界面。首先要考虑的是您的产品是否是连接设备本身（即Nest恒温器），或者您的产品是通过添加仪器（即添加传感器和与风力涡轮机通信）将现有设备转变为连接设备。在我们的示例中，您不是在销售风力涡轮机，而是仅仅是连接到风力涡轮机的设备。您的设备的主要目标之一（从物联网的角度来看）是收集数据。接下来，您需要考虑要收集的数据类型以及执行此操作所需的硬件。对于简单的数据收集需求，您可能需要一个智能传感器。对于更复杂的数据收集，您可能需要一台容纳许多传感器的4G通信模块，功能强大的处理器，本地存储，工业网关等的工业计算机。
在这个级别的堆栈中，了解成本，大小，易部署性，可靠性，使用寿命等方面的一些影响也很重要。例如，对于智能手表等小型设备，您可能只有一个系统的空间。芯片（SoC）。对于要求更高的解决方案，您可能需要一台嵌入式计算机，如Artik模块，Raspberri Pi，Arduino或BeagleBone板。对于非常严重的计算需求，您可能需要先进的工业计算机，如紧凑型RIO或PXI。对于我们的风力涡轮机监测产品，我们需要一个加速度计作为传感器来收集振动数据。如果振动超出一定范围，则意味着风力涡轮机需要维修。由于这是一个繁重的工业应用，我们可能需要使用像紧凑型RIO这样的工业计算机，因为它具有足够的计算能力并且已经集成了加速度计。您的设备还需要硬件才能将数据传输到云端。更多关于通讯部分的内容。
2.设备软件
设备软件是将设备硬件变为“智能设备”的部分。物联网技术堆栈的这一部分实现了“软件定义硬件”的概念，这意味着特定硬件设备可以根据其运行的嵌入式软件为多个应用程序提供服务。设备硬件和软件协同工作以创建智能设备，为什么要将它们分开？将它们分开考虑是有帮助的，因为它们是由不同的团队使用非常不同的需求，流程和时间线构建的。设备软件将由软件工程师使用敏捷方法开发。另一方面，设备将由硬件工程组根据硬件NPI过程开发。当您计划路线图并与各个团队合作时，这种分离将使您的工作变得更加轻松。
设备软件允许您实现与云或其他本地设备的通信。您可以通过设备的传感器实现实时分析，数据采集，甚至控制。物联网技术堆栈的这一部分非常重要，因为它是现实世界（硬件）和云应用程序之间的粘合剂。由您和您的团队决定这里放置的功能与云中的功能相关。
您还可以使用设备软件来降低硬件开发的风险。构建硬件很昂贵，而且比软件需要更长的时间。因此，不是为了狭隘和特定目的而构建硬件，而是使用可以通过设备软件自定义的通用硬件，以便为您提供更大的灵活性。通过这种方式，您可以通过云远程更新嵌入式软件，这将更新现场的“硬件”功能。
设备软件层可以分为两类：
边缘操作系统
物联网解决方案的复杂性将决定您需要的边缘操作系统（OS）的类型。一些关键考虑因素包括您的应用程序是否需要实时操作系统，您需要的I / O支持类型以及是否需要支持完整的TCP / IP堆栈。嵌入式操作系统的常见示例包括Linux，Brillo（按比例缩小的Android），Windows Embedded和VxWorks，仅举几例。
边缘应用
这是在Edge OS之上运行的应用程序，它提供特定于IoT解决方案的功能。这里的可能性是无止境的。您可以专注于数据采集和流式传输到云，分析，本地控制等。
对于风力涡轮机监视器，我们的加速度计将采用非常频繁的样本来测量振动。这会产生大量数据。但我们不需要将所有数据发送到云 - 只是表明存在问题的数据。因此，我们的Edge应用程序软件将在本地监视数据，并仅发送警告和错误条件。如果振动超出您指定的参数，它还将执行实时控制以关闭涡轮机。

3.通讯
通信是指您的设备与世界其他地方交换信息的所有不同方式。这包括物理网络和您将使用的协议。确实，通信机制与设备硬件和设备软件相关联，但值得将其视为不同的层。选择正确的通信机制是构建IoT堆栈的关键部分。它不仅将确定您如何从云中获取数据（例如使用Wi-Fi，WAN，LAN等），串口DTU、网口4G工业路由器，还将确定如何与同一建筑物中的第三方设备进行通信。
例如，智能建筑中的系统通常使用BACnet协议相互通信。如果您的设备涉及楼宇自动化，那么即使您不确定是否希望设备与楼宇中的其他设备通信，您的设备仍然可以提供BACnet支持。
您的通信策略会影响系统的整体拓扑。例如，如果您的系统有十个传感器，那么每个传感器是否应该执行控制并与云通信？或者你应该有十个更简单（和更便宜）的传感器与中央网关进行通信以进行聚合和远程数据传输？
这些不是纯粹的技术决定。这些是物联网产品在考虑对解决方案的成本，部署和技术复杂性的影响时需要做出的业务决策。
对于我们的风力涡轮机监视器，您的第一个倾向可能是连接到局域网。但是你的风力发电场位于偏僻的地方，而你所拥有的只是附近的手机塔。因此，您必须通过蜂窝通信连接到云。这将对您设备的硬件和软件以及成本产生影响，因为您必须为手机运营商支付连接费用。此额外成本还支持我们决定仅将错误数据发送到云，而不是加速度计生成的整个数据集，因为您发送的数据越多，成本就越高。
4.云平台
云平台是您的物联网解决方案的支柱。如果您熟悉管理SaaS产品，那么您很清楚这里需要的一切。您的基础架构将作为这些关键领域的平台：数据收集和管理，您的智能设备会将信息流式传输到云端。在定义解决方案的要求时，您需要很好地了解每天，每月和每年收集的数据类型和数量。物联网应用的挑战之一是它们可以生成大量数据。您需要确保定义可伸缩性参数，以便架构师可以从一开始就定义正确的数据管理解决方案。
Analytics（分析）
分析是任何物联网解决方案的关键组件之一。通过分析，我指的是能够处理数据，查找模式，执行预测，集成机器学习等的能力。它能够从您的数据中找到洞察力，而不仅仅是数据，这使您的解决方案变得有价值。
云API，物联网就是连接设备和共享数据。这通常通过在云级别或设备级别公开API来完成。云API允许您的客户和合作伙伴与您的设备进行交互或交换数据。请记住，打开API不是技术决策，而是商业决策。物联网产品需要为整体物联网解决方案的愿景提供明确的方向，因此技术团队可以确定正确的云架构。物联网产品还需要通过构建与购买分析来评估云平台开发的成本和复杂性。每个技术团队的倾向是从头开始构建完整的解决方案。但无论团队是否有能力做到这一点，物联网产品确定构建您的云平台是否具有“商业意义”，不仅从开发角度来看，还要考虑总体拥有成本，维护和支持，这一点非常重要。，可靠性和上市时间。在许多情况下，利用现有的PaaS（平台即服务）框架（如GE的Predix平台或SAP的Hana）可能会更好。物联网行业很年轻，但我们已经看到一些巨型软件开发者开始进入这个领域。
对于我们的风力涡轮机监控器，让我们考虑一下我们需要存储多少数据。来自一台涡轮机的数据可能看起来不是很多。但多年来，它会加起来。另外请记住，您的云平台需要支持来自数千个风力涡轮机的数据。随着时间的推移，这将是一个庞大的数据量，因此我们的云基础架构需要允许灵活存储和处理这些数据。此外，您的云分析需要实时处理传入数据，检测趋势并能够预测涡轮机何时需要服务。您还需要打开一个API，将此信息显示到您的应用程序层，我们将在下面讨论。
5.云应用程序
这是产品团队和管理人员最容易理解的堆栈的一部分。您的最终用户应用程序是您的客户将看到并与之交互的系统的一部分。这些应用程序很可能是基于Web的，根据您的用户需求，您可能需要针对台式机，移动设备甚至可穿戴设备的单独应用程序。
即使您的智能设备有自己的显示器，您的客户也很可能使用云应用程序作为与您的解决方案交互的主要点。这使他们可以随时随地访问您的智能设备，这是连接设备的一部分。
物联网产品必须了解您的用户以及您产品的“要完成的工作”。在设计最终用户应用程序时，了解谁是您的用户以及使用您的产品的主要目标非常重要。请记住，对于Industrial IoT应用程序，您可能拥有多个用户。应用程序还可以分为面向客户的应用程序和内部应用程序。面向客户的应用程序通常受到最多的关注，但在物联网的情况下，内部应用程序同样重要。其中包括远程配置和排除设备故障的应用程序，监控设备机组的运行状况，报告性能和预测性维护等。这些内部应用程序需要深入了解您的外部和内部客户，并需要正确的优先级和资源，以确保它们不会陷入困境。它们是物联网解决方案的关键组成部分，因此产品有责任确保它们完成。
对于我们的风力涡轮机监视器，一种可能的应用是由在中央控制室工作的风电场操作员使用的web应用程序。该应用程序显示他们管理的数千台涡轮机的信息和趋势，并在特定涡轮机需要维修时发出警报。操作员可以实时获取此信息并派遣服务团队执行预防性维护，避免昂贵的维修和服务中断。
随着物联网的不断发展，世界将需要一支物联网精明的产品大军。那些物联网产品需要了解堆栈的每一层，以及它们如何组合成一个完整的物联网解决方案。物联网产品需要在每一层制定战略业务和技术决策，以确保其产品的成功。

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