随着技术的普及,越来越多的企业在规划和推进物联网领域的建设项目。另一方面,越来越多的IT企业正在进入物联网服务领域。与其他项目相比,物联网项目有其特殊性。本文旨在建立一个实施参考,有助于项目规划的思考、项目建议书的分析,有助于项目建设和实施的有序推进。
理解物联网
技术领域的发展有两个特点:一是一批批技术人员相继推进,每一次进步都在现有技术总和的基础上增加了一层;第二,伟大的进步是大时间尺度的回望,当下的每一次进步都是微不足道的。物联网也是类似的发展过程,很难明确界定物联网从何而来,何时产生。但是,回顾国内近30年的技术发展,其阶段性特征会很明显。因此,感觉遥不可及或新瓶装旧酒是很常见的。
物联网的含义就是字面上的意思,即事物之间相互联系,形成网络。怎么理解?
与互联网和移动互联网相比,物联网被提出。互联网的诞生和普及,实现了计算机之间的连接,进而实现了机构与岗位之间的互联互通。在前者的基础上,移动互联网技术的应用和普及,增加了以手机为代表的移动设备的互联互通。其更深远的影响是,手机背后的人被拉入这个网络,手机成为人的外部连接器,人成为这个网络中的重要节点。在两者的基础上,物联网旨在将一切连接成这个网络,每个节点可以是电脑、手机、人、路灯、汽车等等。
物联网的意义是什么?回过头来看,互联网发明的时候,我们无法准确地解释和预测互联网的价值及其对社会的影响,但它深刻地推动了社会的发展,移动互联网也是如此。梅特卡夫定律指出,网络价值随着用户的平方而增加,即与用户的平方成正比。物联网的接入数量将远远超过现有接入终端的数量。
物联网的愿景是伟大的,但前进的脚步是无声的。仰望我们的工厂,我们被物联网包围。工厂门口的停车管理系统、员工打卡系统、访客授权控制系统、围栏上的边境监控系统、传感器、控制器、生产线上的电子广告牌、仓储和物流系统等。
物联网就是这样吗?物联网的发展仍在加速。比如我们说的数字孪生,只是在有限的场景下应用,大部分设备、材料、工厂、车辆、订单、运营商之间的连接还是有限的,它们之间的合作还是很低效的。这些都是物联网未来的发展方向。
在物联网概念流行之前,工业领域也有类似的网络,比如厂房内部的工业控制网络,比如汽车内部的控制网络。与它们相比,物联网的接入范围更广,它们也是物联网的基础。
物联网与互联网相比有其特殊性:
网络连接稳定,速度不稳定。终端设备、计算能力、功率、感知和复杂度的多样性极不均衡。终端的可维护性可能很差,可能在人迹罕至的地方,也可能过于分散,导致巡逻频率极低。终端数据大部分是时间序列数据,其处理业务逻辑也具有很强的时间属性。终端并发模型不再与人们的作息强烈相关,比如设备的定时检测没有明显的峰谷。
物联网的架构
物联网有三个核心要素:感知、传输和处理。感知:使用传感器、摄像头等。以获得诸如物体和环境的信息。传输:基于互联网、工业网络、电信网络等。将感知到的信息传输到所需的
加工、分析、存储等。一般的物联网架构分为四层:云、管、边、端。
端包括主要包括三类能力:感知、控制、交互。感知包括温感、烟感、压感、光感、流量计、红外传感、RFID标签等,控制包括伺服电机、步进电机、控制开关、PLC 等,交互包括音视频、触控、键盘、旋钮等。
边是处理效率和算力的折中,常见的工控机就是一种边缘计算节点,将现场的数据采集传到后台服务最快也需要几十毫秒,有时还会出现断网的极端情况,这对于很多现场操作是无法接受,它们需要需要现场处理反馈;同时把所有数据都传输到服务中心需要的带宽可能非常大,但有效的信息其实并不多,需要在现场进行信息的过滤。边和端的区分是逻辑概念,在具体情况时,有些设备是边端一体,比如将边缘计算能力集成到摄像设备上,一个区域部署一台这样的设备,其他设备则仅拥有摄像能力。这样即拥有了边缘计算节点的计算能力,又降低了方案的造价。

管是连接通道,将终端、边缘节点、云服务连接成一个整体。管包括传统的工控总线技术,也包括互联网技术、电信技术,还包括 NB-IoT、LoRa、Bluetooth 等技术。一些终端节点缺少联网能力,需要物联网网关协助其接入。
云主要指物联网平台,可以自建的服务平台,可以是基于第三方厂商搭建的平台,主要完成复杂计算、大数据存储、应用支持等。

物联网项目的实施过程
物联网项目都涉及到与应用现场相结合的环节,同时涉及到软硬件一体化研发,其实施过程更复杂。下面是常规项目中会涉及到的环节,供项目设计参考。
- 业务分析与可行性研究,包括了解既有设备、环境的摸底
- 完成提案涉及与沟通确认
- 根据拟建物联网工程的性质,确定所使用的周期模型
- 需求分析,确定设计目标、性能参数
- 根据具体情况,对现有网络进行分析
- 逻辑网络设计(有时称为总体设计)
- 物理网络设计(有时称为详细设计)
- 施工方案设计(工期计划、施工流程、现场管理方案、施工人员安排、工程质量保证措施等;应用软件开发、采购方案)
- 设计测试方案
- 设计运行、维护方案
- 系统开发
- 系统试验测试
- 现场改造升级
- 设备分发与安装调试
- 试运行
- 验收
- 正式运行与维护
物联网的技术选型
关于终端的技术选型受作业环境影响很大,比如高温作业导致很多对于加工件的数据采集需要间接采集,比如作业人员的操作模式也决定了终端的技术形态。
一些终端设备算力充裕,且业务复杂,可引入操作系统,通常使用的安卓系统,当然标准的嵌入式操作系统也可以使用,华为、阿里等也有可裁剪的嵌入系统可以使用。鸿蒙系统也值得关注。

物联网相关的通讯协议很多,既要关注其技术参数,也要关注其合规性要求,比如 NB-IoT 则需要一些接入认证。
关于数据存储,使用文件系统直接存储,还是使用 MySQL 等存储均可,同时也要关注有很多物联网专用的方案供选择,端侧的 SQLlite 很简洁,服务侧的时序数据库(如 InfluxDB)则对于时序数据插入、更新、计算都很好的优化。
关于是否使用第三方物联网平台,都建议先学习了解一些这些平台,一是帮助了解系统的范围边界,二是避免走弯路,三是可能会降低建造成本。
平台参考
阿里云物联网平台

阿里云物联网平台
华为云物联网平台

华为云物联网平台
鸿蒙技术架构

鸿蒙技术架构
时序数据库 InfluxDB
InfluxDB是一种稳定可靠,可弹性伸缩的时序数据库服务。广泛应用于互联网基础资源监控,容器监控,业务运营监控分析,物联网设备远程实时监控,工业安全生产监控,生产质量评估和故障回溯。提供时序数据自动化采集,压缩存储,类SQL查询,多维聚合计算和数据可视化分析能力。

时序数据库 InfluxDB
扩展阅读
《物联网系统架构》
《华为云物联网平台技术与实践》