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物联网要点深入浅出

物联网是与云计算相伴而生的,事实上,正是物联网的概念帮我弄清了对云计算的工作定义。

作者:老曹|2018-11-09 16:24

物联网是与云计算相伴而生的,事实上,正是物联网的概念帮我弄清了对云计算的工作定义。物联网是一个由三个不同的子系统组成的系统:

  • 聚合器
  • 智能传感器

上述每一个子系统对于整个物联网系统的功能优化都是必需的。云是终极的计算单元和通用通信网络。智能传感器是通向现实世界的界面。最后,这些聚合者是中间人。对云来说,聚合器看起来像智能传感器,而对智能传感器而言,它看起来像云。

系统的特点

系统的概念一直很有趣,这个术语引出了一些问题。例如,"一个系统存在的最小一组功能是什么?"或者,"一个系统可以由许多其他系统组成吗?"物联网是一个系统的系统。它的三个组件(云、聚合器和智能传感器)都有自己的系统。此外,任何两个组件也可以形成一个完整的IoT系统。例如,与聚合器进行通信的一系列智能传感器可以成为许多应用的一个最佳系统。同时,智能传感器直接对云进行通信也可以是一个最佳的系统。

然后,三者的区别是它们的具体性能,成本,功耗和规模的考量。特别是:

  • 云系统专注于性能。因此,成本、功耗和规模是次要的问题。
  • 聚合系统较少关注性能和功耗,更多地关注灵活性。
  • 智能传感器系统集中在电池寿命、大小和成本上,性能处于第三优先级。

也许一个示例应用可以帮助把这些系统放到一个维度上:

“智能咖啡杯”可以用来展示智能传感器如何直接与云进行通信。在最喜欢的咖啡馆,要上一杯"无限续杯"的咖啡。我会在咖啡店工作几个小时,不想每30分钟起来去续杯咖啡。有了无限的杯子,我可以坐在自己的桌子上工作,而我的咖啡杯正在和咖啡店的"云"通信,那就是 WiFi。当云感觉到我的杯子温度越来越低,或者变冷了,咖啡师会给我另外一个杯子,如果需要的话自动完成付费。这最终成为咖啡馆现有云计算的一个新用途。它可以很容易地扩展到餐厅和饮品店。

当认为物联网是一个系统系统时,有很多的方式。正如星球大战三部曲是从中间开始的,然后进入过去和未来,讨论IoT的三个系统也可以从中间开始,然后再到另外两个。乍一看,聚合器看起来既像是智能传感器上的云,又看起来像一个云上的智能传感器,似乎是物联网中不必要的组成部分。

IoT中的聚合子系统

看待物联网的简单方法是假设云直接连接到智能电子设备上。从这个意义上说,也许智能传感器和聚合器的概念是同一装置的变体。但是这个概念在每个IoT机会中都不起作用。

聚合器是一个处理元素,它:

  • 使用标准通信方法与云进行通信
  • 与具有专有通信功能的智能传感器进行通信,在这些传感器中,对长寿命和成本的需求超过了对标准的需求
  • 有足够的处理性能来服务多个智能传感器。在这样做的过程中,它管理了来自大量智能传感器的原始数据,消化它们的数据,准备一组需要传送到云端的信息,然后将数据传送到云端。
  • 在某些情况下,聚合器有足够的自主权,可以作为该系统的云。

聚合器与其他两个元素之间的差异如下:

聚合器是大量智能传感器和云之间的通信链接,最好的例子就是智能手机。它具有合理的电池寿命、成本和性能。可以看到许多设备可以与智能手机进行物理连接,也可以通过无线网络连接到智能手机上。它通常执行所有必要的功能,使其有用。但它总是无缝地涉及到云的性能,依赖于电池的寿命。为了充分发挥其潜力,需要有电源,或者将其可用性限制在相对较短的活动期间。这导致了聚合器的一个更广泛方面。它需要成为许多智能传感器之间的可连续供电接口,那些传感器不是外部供电的,而云是具有无限性能的。

可以在工业控制和医疗嵌入式设备中找到其他聚合器的例子。在这些例子中,都有一些共同的特点: 微型计算机或微处理器,许多标准的接口实现和各种通信选项。它们的性能足以满足系统的需求,而且它们的电力需求很低,足以使电池使用寿命合理,或者使用USB连接的电源供电。

对聚合器最简单的描述就是它是一个独立的计算机系统,它有

  • 计算系统
  • 电力管理系统
  • 存储系统
  • 通讯系统

聚合器是一个独立的系统,但它也可以是一个较大系统中的一个子系统。

聚合器可以使用带有离散组件的印刷电路板(PCB)来设计聚合器,或者在模块(SOM)上的系统,或者一个包中的系统(SiP) ,或芯片上的系统(SoC)。一般而言,采取的这些形式中哪一种形式更多地取决于规模和灵活性的限制,而不是成本和性能限制。

技术已经允许减少聚合器的尺寸,它也将减少其组件的大小。令人惊讶的是,它并不依赖于提高原始性能或驱动集成。创造小型设备如智能尘埃的意图要求计算机的功耗低到足以更好的散热。聚合器将需要一个超低功耗的通信链接与许多智能传感器(也许是数千个)来通信并聚合它收到的数据信息。它将把这些信息发送到云端进行最后的处理。与云计算的通信将采用行业标准方法进行。与智能传感器的通信很可能是专有的,而不是标准的,以在其所需的通信速率中保证最小的功率耗散。

IoT中的云

云的作用是两个基本的功能: 与用户交流,并给出额外的表现,甚至用户可能不知道那些需求。云计算的概念可能是用一个愚蠢的方式来描述了互联网的复杂性和它所做的一切。

物联网的概念不仅仅是描述云,还包括云是其中一部分的更广泛的生态系统。这个概念使得云计算成为一个更大系统的组成部分。微控制器和微处理器的多样性能够融入这个生态系统。

当云从概念演变为现实的时候,它似乎提供了无限的通信带宽、无限的性能和完全的安全性——但是,所有这些假设都可能是谎言。图1描述了物联网的各个组成部分的性能、带宽和安全性。

图1 IoT的性能、带宽和安全性

对"无限"的一个定义是实际上提供的比所需要的多一点。

云计算的安全性是三者最关心的问题。至关重要的是,用户和公司的隐私和安全得到保障。将更多的功能放在传感器和聚合器将比由云做出每一个决定更具有保护性。这就是"一揽子体系"可以帮助的地方。这些微小的多芯片电子设备看起来像一个单一集成电路(IC),可以处理远离云计算的物联网系统中大部分决策。隐私和安全将始终具有价值,并将推动创新。

在考量物联网系统的时候,三个系统中的每一个(云,聚合器,或者传感器)都会有不同的组件类别。例如,智能传感器的组件将被设计为超低功率,接受由此产生的性能水平。聚合器的组件将是更高的性能,但在电力预算范围内。最后,云中的组件将被设计为最大性能,较少强调功耗或成本。

这个表主要表达的是:

  • 高性能设备即使不是唯一的优先事项,也是主要事项。这是对云计算机的描述。
  • 高效率的设备是那些在没有任何性能牺牲的情况下,优先减少功耗的设备。这与聚合系统保持一致。
  • 超低功耗设备是指在实现绝对最小功耗的情况下,将优先考虑性能的设备。这描述了智能传感器。

可以看到上面的三个概念和组成物联网系统的三个系统之间的相关性。云中充满了高性能的设备。

图2 IoT系统的功耗对比

如果把性能这一概念作为云计算的首要条件(如果不是唯一的话) ,那是因为云计算中的设备类别是高性能的多核处理系统,GPU,FPGA以及专门设计的自定义设备。在所有这些设备中,目标是最大化性能,最大化通信带宽,或者保证安全和隐私。更复杂的是,许多聚合器也采用了高性能的概念,而且很难区分是否属于云计算。

IoT中的智能传感器

智能传感器的设计包括红绿蓝3个方面的问题:

  • 性能(蓝):处理器模拟还是数字的?数据是否压缩?通信的方法,标准和安全
  • 能耗(绿):节能的方法和数量?电池的类型和容量?电源的转化和分配?(电源管理)
  • 个性化(红):具体传感器的个性化参数?

值得注意的是,电力和无线通信将成为智能传感器的主导设计标准。

智能传感器的最终目标是完全自治。这意味着它可以源源不断地提供能量,履行所有的功能,通过无线方式与外部世界交流。在智能传感器中有三个独立的子系统。其中一个子系统处理所有的电源管理,一个处理所有的性能,一个子系统处理所有智能传感器的个性化。这三个独立的子系统可以连接在一起来创建智能传感器。有了这种灵活性,可以开发各种能源管理方法,然后与各种处理系统混合匹配。最后,具有不同传感器阵列的不同个性化组件可以连接到其他两个子系统,以创建不同的智能传感器。

功能所需的性能数量总是一个难以回答的问题。但是当它应用于智能传感器时,一个新的性能指标就出现了,这个性能指标就是能源效率。因为随着性能的提高和功能的增加,能耗也在增加。

在智能传感器中,通信方法将占据大部分的电力预算。因此,与聚合器的通信方法需要有最低可能的功耗。

小结

物联网系统(或系统)需要在云层之间进行优化,通过聚合器,最后到智能传感器。当今聚合器将变得更智能、更小和更低的功率,同时包围云和智能传感器的大部分功能。物联网未来的最大障碍将是如何处理收集的所有数据,以获取有趣的信息并采取适当的行动。

【本文来自51CTO专栏作者“老曹”的原创文章,作者微信公众号:喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】

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