物聯網平台技術漫談

本文整理自PTR集團首席科學家Mike Anderson的報告《TECHNICAL TRADE-OFFS OF IOT PLATFORMS》

 

PTR集團簡介

• PTR集團成立於2000年
• 業務領域包括：
  • 機器人（NASA空間機械臂）
  • 飛行軟件（超過35個在軌運行的衛星）
  • 攻擊型或防御型的網絡空間戰

給你留下想象空間 J

• RTOS/Linux/裸機上的嵌入式軟件移植
• IoT系統架構和部署

 

Mike Anderson簡介

• 在嵌入式領域超過39年的工作經驗
• 開發部分VxWorks
• Linux/Android內核講師
• FRC #116 FIRST Robotics Team導師
• 經常在以下場合演講：
  • 嵌入式Linux大會 Embedded Linux Conference
  • 嵌入式系統大會 Embedded Systems Conference
  • 美國中情局新技術大會 CIA Emerging Technology Conference
  • 其它

 

討論內容

• 平台到底是什么？
• 架構
• 重量級玩家
• IoT和IIoT的區別
• 如何賺到錢？
• 總結

 

什么是Internet of Things？

• Thing是能夠連接網絡的任何設備
  • 電源管理、無線通信和CPU架構方面的進步能夠將智能嵌入"啞"設備
• Thing產生的數據需要到某處使用
  • 在本地使用，如恆溫器
  • 邊界網關收集數據並預處理，以便轉發到服務器
    • 霧模型 fog model
  • 直接發送至服務器
    • 雲模型 cloud model
• 雲平台提供指令、控制和數據分析

 

IoT核心

• 究其核心，IoT只是一種訪問傳感器數據並基於數據控制設備的方式
  • 傳感器的數量和類型及其連接是差異化的因素
• 對數據的處理也是差異化的因素
  • 個人消費，如健身手環
    • 機器-人
  • 監控，如遙測/SCADA
    • 機器-機器
• 預測到2020年將有3萬億美元的市場

 

什么是平台？

• 取決於討論的對象
  • 帶有傳感器的硬件
  • 針對傳感器技術的操作系統
  • 通信協議/范式
  • 連接傳感器到雲端並提供數據分析的端到端系統
• 從某種角度講，它包括上述所有內容
  • 取決於你的關注角度

 

消費類IoT

• 消費類IoT設備主要有2種用途
  • 健身相關設備
    • 可穿戴、鍛煉器械等
  • 家庭監控或智能家居
    • 恆溫器、煙霧探測器、攝像頭等
• 健身市場比較新
  • 通常是電池供電的傳感器
  • 藍牙、NFC、Wi-Fi或者USB連接
  • 私有解決方案是主流
    • 比如Garmin、Fitbit、Runtastic等

 

消費類IoT #2

• 智能家居又名家庭自動化（home automation）
  • home automation曾經成功希望不大，市場表現平平
• 目前，這個領域的玩家很多
  • Thread
  • Apple HomeKit
  • ZigBee Alliance
  • Z-Wave Alliance
  • IoTivity
  • AllSeen
• 幾十個組件生產商參與以上一個或多個生態中
• 互操作是成功的關鍵

 

Edge, Middle and Cloud

• IoT可以理解為包括邊緣設備、中間盒子和雲平台的生態系統
• 邊緣設備包括傳感器、執行器
  • 通常是電池供電，低功耗網絡
  • 消費類邊緣設備可能采用牆插式供電    

 

 

Edge, Middle and Cloud #2

• 中間盒子是邊界路由器/網關
  • 將邊緣設備的低功耗網絡翻譯為標准的互聯網協議，如IPv4/IPv6
  • 可能提供數據預處理
• 雲平台提供：
  • 與外部控制器的連接（智能手機、平板電腦等）
  • 數據匯集和分析
  • 連接和數據服務

 

 

邊緣設備

• 通常使用小型微控制器，如Atmel AVR、ARM Cortex M、MicroChip PIC32等
  • 8/16/32位處理器
  • 無MMU
• IIoT的遺留邊緣設備采用原有的有線通信技術，如RS-232/RS-485/RS-170
  • 工業物聯網
  • 電線供電
• 有些邊緣設備期望電池供電，並且一次性使用數年
• 無線連接，通過低功耗藍牙、NFC、IEEE 80.15.4
• IPv4/IPv6/6LoWPAN或者私有技術如ZigBee或者Z-Wave

 

邊緣設備 #2

• 規格多樣，通常
  • RAM < 512 KB
  • Flash < 1-2 MB
  • CPU < 300MHz
• 傳感器可能集成到SoC
• 軟件可能運行在裸機或者RTOS上
  • 商業系統，如Wind River/Intel，Micrium，Green Hills，Express Logic
  • 開源系統，如FreeRTOS，Contiki
• C/C++是這部分的主流語言

 

 

邊界路由器

• 中間盒子是邊緣設備和互聯網的網關
  • 從低功耗的無線網絡獲取數據並輸出IP數據，通過Wi-Fi或者Ethernet
• 這類設備運行在基於MMU的操作系統上
  • Linux，Tizen，Android，iOS，Windows
• 采取形式如Apple TV、平板電腦或者其它帶有圖像界面的設備或者傳感器，如Nest恆溫器
  • 提供本地指令、控制功能和系統監控
• 你的系統可能有多個邊界路由器冗余
• Java，JavaScript，Python，C/C++是主流語言

 

 

雲平台

• 基於服務器的平台
  • 多核x86或者ARM，不間斷電源
• 提供對設備的下行指令和控制
  • 如手持式設備接口
• 關注數據匯集和數據分析
• PB級的存儲，強大的處理能力
• Apple Siri和很多其它智能代理的后台
• Web語言，如Java，JavaScript，Python等
• Hadoop等框架

 

 

PB有多大？

• B （2⁰）：1粒大米
• KB（2¹⁰）：1杯大米
• MB（2²⁰）：8袋大米
• GB（2³⁰）：3貨車大米
• TB（2⁴⁰）：2集裝箱
• PB（2⁵⁰）：覆蓋曼哈頓
• EB（2⁶⁰）：覆蓋英國
• ZB（2⁷⁰）：填滿太平洋

 

 

消息協議

• 很多消息協議在爭奪霸主地位
• MQTT - Message Queue Telemetry Transport
  • 星型方式
  • 為了消息可靠性，可基於TCP
  • 側重於遙測數據收集
• XMPP - Extensible Messaging and Presence Protocol
  • 被Facebook和Jabber消息應用使用
  • 基於HTTP或者TCP上的XML
  • 通信速率依賴於人的使用頻率

 

消息協議 #2

• DDS - Data Distribution Service
  • 側重於設備到設備通信的訂閱/發布式 M2M中間件
  • 對象管理組織的標准（Data Distribution Service）
  • 多種多樣的設備和服務安全和互操作
• REST - Representational State Transfer
  • 使用HTTP操作（GET/POST/PUT/DELETE等）進行消息傳輸和存儲
• CoAP - Constrained Application Protocol
  • HTTP協議的簡化版，基於UDP，用於內存受限的設備
• 私有協議
  • 消費類設備經常使用這種方式

 

兼容性

• 很多物聯網設備依賴於無線連接
  • Wi-Fi對於電池供電的設備來說過於耗電
    • 如果設備是電線供電則非常簡單
    • 通常用於邊界網關
  • 用於邊緣設備的低功耗藍牙（Bluetooth Smart），NFC，蜂窩通信和IEEE 802.15.4
    • IEEE 802.15.4三層以上各個廠家不一致
• 數據交換包括
  • MQTT，XMPP，CoAP，REST，DDS和私有協議

 

Apple HomeKit平台

• 使用藍牙，Wi-Fi或者NFC
• 產品終於上市了
  • 門鎖，恆溫器，攝像頭等各式俱全
  • 兼容iOS 8+設備
• 控制設備/邊界網關是iPhone，iPad，Apple TV
• 端到端加密
• 支持基於時間和位置的觸發器
• 每個邊緣設備需要配備專有芯片
• 迄今為止，接入雲平台尚不明確

 

 

Apple HomeKit平台 #2

• 目前沒有Apple HomeKit App
• Apple依賴於廠家App
• 一旦關聯，可以使用語音控制，兼容Siri
• 無人干預情況下，設備之間可以通信
  • 比如，電燈與百葉窗直接配合

 

 

IoTivity平台

• Open Connectivity Foundation（OCF）贊助的開源項目，由Linux基金會托管
• 支持典型的無線互聯
• 支持消息通信，目前包括CoAP，MQTT和REST
  • JSON表示數據
• 仍是官方預覽版軟件
  • 支持Linux, Tizen, Android, Arduino (Mega 2560 and Due)
• 通過加密保障安全，支持證書
• 通過mDNS和uPNP支持服務發現
• 設備有認證流程

 

 

IoTivity平台 #2

• 不同的成員級別
  • 鑽石級 @ 35萬美元/每年
    • 董事會成員
  • 白金級 @ 5萬美元/每年
  • 黃金級 @ 2千美元/每年
  • 非盈利機構/教育機構 黃金會員 @ 1千美元一次性
  • 所有成員級別均有資格查詢OCF和UPnP認證的產品和服務
• OCF與其它生態系統有合作關系

 

 

AllSeen（AllJoyn）平台

• 由AllSeen聯盟開發
  • 成員超過200家公司，包括微軟，高通，思科，松下和索尼
• 由Linux基金會托管開源項目
• 使用D-Bus消息總線支持發現功能
• 通過網關代理API支持Android，iOS，Windows，Linux
  • 支持邊緣設備
• 認證流程包括 "Design for AllSeen" logo計划

 

AllSeen（AllJoyn）平台 #2

• 端到端加密，X.509證書和其它內置安全特性
• 支持插件協議轉換器，支持REST，XMPP，MQTT和TR-069
• 支持藍牙，ZigBee，Z-Wave，Wi-Fi等
• 軟件可以下載
  • 支持各類芯片
• 產品案例
  • https://certify.alljoyn.org/certified-products

 

Thread組織

• Thread組織成立於2014年，非盈利組織
  • 獨立的，中立的，開放的
  • 成員級別
    • 會員（2.5千美元/每年）
    • 貢獻者（1萬5千美元/每年）
    • 贊助者（10萬美元/每年）
  • 超過200個成員
• Thread組織管理解決方案的發布
  • 規范、證書、網站、商標、版權、Logos/Seals
• 本質上是行業貿易組織，促進和保護Thread的知識產權

 

Thread標准

• 基於現有的IEEE 802.15.4標准
  • 使用6LoWPAN作為3層以上的協議 [RFC6282]
    • 在修改后的IPv6上使用UDP傳輸
    • 易於連接到網關，雲平台或者智能手機
  • 每個網絡支持250多個產品
• 只需對現有的802.15.4射頻固件升級即可
  • 工作在2.4GHz的ISM頻段
• 安全方面使用Datagram Transport Layer Security (DTLS) [RFC6347]
  • 提供集成、認證和加密

 

其它IoT項目/平台

• Kaa – http://www.kaaproject.org
  • 開源平台，支持Linux，Android，Windows，iOS
• ThingSpeak – http://thingspeak.com
  • 開源API，使用XML, JSON, REST協議
• Eclipse基金 – http://eclipse.org/kura
  • Kura是結合Apache Camel並基於Java/OSGi的API
  • 與Eurotech公司的Everywhere Cloud infrastructure有關
• 其它IoT項目沒有什么缺點
  • 問題是發現適合自已的

 

工業物聯網Industrial IoT

• 盡管消費類IoT的大肆宣傳，很多人認為IIoT才是賺錢的地方
  • 大多數消費者實際上不關心PaaS方案
• 主要玩家正在投入很多錢到這部分市場
  • 比如，建築物監控，流程控制傳感器，制造工廠監控，SCADA等
    • 經常需要二類協議如MODBUS和BACNET
  • 一棟建築可能需要多達8000個傳感器
• 平台必須考慮整個生態系統
  • 許多服務以PaaS形式出售

 

IIoT平台的功能架構

 

IIoT平台 – ThingWorx

• http://www.thingworx.com
• 支持從邊界網關到雲平台的PaaS
  • 對於小型的邊緣設備沒有明確的途徑
• 側重於工業和醫療系統
• 提供數據存儲和數據分析
• 加密保障安全
• 提供RAD平台快速開發應用，包括Android和iOS等
• 大的合作伙伴生態系統
• 支持MQTT，DDS，REST和其它開放協議

 

 

IIoT平台 – IBM Bluemix

• IBM的加入允許你使用第三方的API和服務
• 支持MQTT，REST和其它API
• 樂高積木式的服務、存儲和數據分析
  • 訪問基於Watson的數據分析
• 最多20個設備的免費版本
  • 更高級別的是支持1.5萬個設備，100MB流量和1GB存儲
    • 第一個1.5萬個設備之后按設備個數收費

 

 

IIoT平台 – PubNub

• PubNub是一個全球數據流網絡（DSN）
  • 安全、實時的IoT、移動和Web應用通信API
• 擴展至數億個設備，250毫秒的全球時延，超過70個SDK
• 免費版本包括1個數據中心、100個設備、1百萬條消息，附帶郵件技術支持
  • 1個數據中心、1000個設備、1.5億條消息~999美元/每月
• 與IBM Bluemix合作

 

IIoT平台 – Verizon

• 新服務ThingSpace
  • 剛剛開始
• API列表
  • 連接管理
  • 設備消息通信
  • Verizon雲接入
• 試圖利用LTE
  • 目標是低速率設備的LTE新無線模式
• 大量現有開發方案，包括BeagleBone Black和Raspberry Pi

 

 

IIoT平台 – Xively

• http://xively.com
  • 原名Pachube， Cosm
  • LogMeln的一個部門
• 工業應用的PaaS廠商
• 提供庫和SDK集成到平台
• 使用消息代理和REST API
• 集成CRM，ERP和運維/調查分析
• 同時出售存儲和服務

 

 

IIoT平台 – Etherios

• http://etherios.com
  • 原名Device Cloud
  • Digi的子公司
• 側重於車隊管理、重型機械、醫療器械、制造等
• 可擴展的雲管理服務，具備辦公系統集成能力
• 出售平台和服務
• 為設備集成移動應用、CRM、社交網絡

 

 

IIoT平台 – ThingSquare

• ThingSquare
  • http://thingsquare.com
• 原來是一個Kickstarter項目
• 開始側重於邊緣設備
• 目前集成后端服務
• 整體服務到目前為止還未看到

 

 

總結

• IoT/IIoT以平台方式提供的產品沒有不足之處
• 只要設備可以工作，消費領域的接受度預期是好的
• 工業領域的接受度依賴於從傳感節點到數據分析和CRM的深度集成
• 諸如MQTT、DDS、REST、XMPP標准有望利於互操作
  • 諸如低功耗藍牙、Wi-Fi和IEEE 802.15.4無線標准有助於解決物理連接問題
• 許多開源項目有助於促進合作
• 閉源實現將可能實現平滑互操作
  • 但是，被供應商綁定