經驗案例

物聯網技術4G通信模塊堆棧的5個層次

物聯網將需要一種新的產品，可以將5層物聯網技術堆棧納入其產品戰略和路線圖 - 物聯網產品。在本文中，您將對這5個層以及管理物聯網產品所需的內容有一個高層次的了解。據估計，已有150億臺設備連接到互聯網。到2020年，這一數字將增加到超過500億臺連接設備。
這是物聯網（IoT），這是最新的工業革命，將對商業和日常生活產生巨大影響。每次工業革命都需要一種能夠實施，維護和創新其新技術的新型工程師。18世紀末和19世紀初的第一次工業革命催生了機械工程領域。隨著19世紀末第二次工業革命期間電氣化開始在全世界蔓延，大學開始首次提供電氣工程課程。20世紀60年代和70年代出現了與數字革命（第三次工業革命）相同的需求。計算機行業的迅速發展催生了計算機科學的新學位。
物聯網被許多人認為是第四次工業革命。但與前三個不同，它不是一項新技術 - 它是結合現有技術的新方法。因此，它不需要新的工程師。但它會需要一種新的產品。如今，很少有產品了解物聯網產品如何在整個和每個層內運作。這種理解對于創建物聯網產品策略和指導物聯網解決方案的創建至關重要。物聯網的興起將需要新一代高技能的物聯網產品。對于那些認為物聯網只是連接烤面包機和咖啡機的人，請再想一想。物聯網的真正影響將在工業方面。通過應用物聯網實現電網，交通運輸，食品生產，供水，醫療保健和其他關鍵基礎設施的現代化，公司已經在努力解決我們這一代人面臨的最大問題。因此，我向您挑戰產品，以便隨時準備滿足您的需求。
在接下來的幾個月里，我將發布一系列關于物聯網產品管理的文章。在第一篇文章中，我簡要介紹了IoT堆棧的5層。在以后的文章中，我將提供有關如何管理每個組件以及它們如何組合在一起的更多詳細信息。
物聯網技術堆棧，讓我們開始吧！成為物聯網產品的第一步是了解物聯網技術堆棧的5個層次。通過將完整的物聯網解決方案分解為這5個層，產品可以更好地理解和分析每個級別以及整個系統所需的業務和技術權衡。這5層是：
舉個例子，讓我們假設您正在創建一個監控風力渦輪機的產品。該產品預計何時渦輪機需要維護，從而節省數百萬美元對渦輪機的潛在損壞并避免服務中斷。因此，讓我們看一下每一層，并以我們的風機監控產品為例，探討物聯網產品需要關注的內容。

1.設備硬件
設備構成了物聯網中的“東西”。它們充當真實世界和數字世界之間的界面。首先要考慮的是您的產品是否是連接設備本身（即Nest恒溫器），或者您的產品是通過添加儀器（即添加傳感器和與風力渦輪機通信）將現有設備轉變為連接設備。在我們的示例中，您不是在銷售風力渦輪機，而是僅僅是連接到風力渦輪機的設備。您的設備的主要目標之一（從物聯網的角度來看）是收集數據。接下來，您需要考慮要收集的數據類型以及執行此操作所需的硬件。對于簡單的數據收集需求，您可能需要一個智能傳感器。對于更復雜的數據收集，您可能需要一臺容納許多傳感器的4G通信模塊，功能強大的處理器，本地存儲，工業網關等的工業計算機。
在這個級別的堆棧中，了解成本，大小，易部署性，可靠性，使用壽命等方面的一些影響也很重要。例如，對于智能手表等小型設備，您可能只有一個系統的空間。芯片（SoC）。對于要求更高的解決方案，您可能需要一臺嵌入式計算機，如Artik模塊，Raspberri Pi，Arduino或BeagleBone板。對于非常嚴重的計算需求，您可能需要先進的工業計算機，如緊湊型RIO或PXI。對于我們的風力渦輪機監測產品，我們需要一個加速度計作為傳感器來收集振動數據。如果振動超出一定范圍，則意味著風力渦輪機需要維修。由于這是一個繁重的工業應用，我們可能需要使用像緊湊型RIO這樣的工業計算機，因為它具有足夠的計算能力并且已經集成了加速度計。您的設備還需要硬件才能將數據傳輸到云端。更多關于通訊部分的內容。
2.設備軟件
設備軟件是將設備硬件變為“智能設備”的部分。物聯網技術堆棧的這一部分實現了“軟件定義硬件”的概念，這意味著特定硬件設備可以根據其運行的嵌入式軟件為多個應用程序提供服務。設備硬件和軟件協同工作以創建智能設備，為什么要將它們分開？將它們分開考慮是有幫助的，因為它們是由不同的團隊使用非常不同的需求，流程和時間線構建的。設備軟件將由軟件工程師使用敏捷方法開發。另一方面，設備將由硬件工程組根據硬件NPI過程開發。當您計劃路線圖并與各個團隊合作時，這種分離將使您的工作變得更加輕松。
設備軟件允許您實現與云或其他本地設備的通信。您可以通過設備的傳感器實現實時分析，數據采集，甚至控制。物聯網技術堆棧的這一部分非常重要，因為它是現實世界（硬件）和云應用程序之間的粘合劑。由您和您的團隊決定這里放置的功能與云中的功能相關。
您還可以使用設備軟件來降低硬件開發的風險。構建硬件很昂貴，而且比軟件需要更長的時間。因此，不是為了狹隘和特定目的而構建硬件，而是使用可以通過設備軟件自定義的通用硬件，以便為您提供更大的靈活性。通過這種方式，您可以通過云遠程更新嵌入式軟件，這將更新現場的“硬件”功能。
設備軟件層可以分為兩類：
邊緣操作系統
物聯網解決方案的復雜性將決定您需要的邊緣操作系統（OS）的類型。一些關鍵考慮因素包括您的應用程序是否需要實時操作系統，您需要的I / O支持類型以及是否需要支持完整的TCP / IP堆棧。嵌入式操作系統的常見示例包括Linux，Brillo（按比例縮小的Android），Windows Embedded和VxWorks，僅舉幾例。
邊緣應用
這是在Edge OS之上運行的應用程序，它提供特定于IoT解決方案的功能。這里的可能性是無止境的。您可以專注于數據采集和流式傳輸到云，分析，本地控制等。
對于風力渦輪機監視器，我們的加速度計將采用非常頻繁的樣本來測量振動。這會產生大量數據。但我們不需要將所有數據發送到云 - 只是表明存在問題的數據。因此，我們的Edge應用程序軟件將在本地監視數據，并僅發送警告和錯誤條件。如果振動超出您指定的參數，它還將執行實時控制以關閉渦輪機。

3.通訊
通信是指您的設備與世界其他地方交換信息的所有不同方式。這包括物理網絡和您將使用的協議。確實，通信機制與設備硬件和設備軟件相關聯，但值得將其視為不同的層。選擇正確的通信機制是構建IoT堆棧的關鍵部分。它不僅將確定您如何從云中獲取數據（例如使用Wi-Fi，WAN，LAN等），串口DTU、網口4G工業路由器，還將確定如何與同一建筑物中的第三方設備進行通信。
例如，智能建筑中的系統通常使用BACnet協議相互通信。如果您的設備涉及樓宇自動化，那么即使您不確定是否希望設備與樓宇中的其他設備通信，您的設備仍然可以提供BACnet支持。
您的通信策略會影響系統的整體拓撲。例如，如果您的系統有十個傳感器，那么每個傳感器是否應該執行控制并與云通信？或者你應該有十個更簡單（和更便宜）的傳感器與中央網關進行通信以進行聚合和遠程數據傳輸？
這些不是純粹的技術決定。這些是物聯網產品在考慮對解決方案的成本，部署和技術復雜性的影響時需要做出的業務決策。
對于我們的風力渦輪機監視器，您的第一個傾向可能是連接到局域網。但是你的風力發電場位于偏僻的地方，而你所擁有的只是附近的手機塔。因此，您必須通過蜂窩通信連接到云。這將對您設備的硬件和軟件以及成本產生影響，因為您必須為手機運營商支付連接費用。此額外成本還支持我們決定僅將錯誤數據發送到云，而不是加速度計生成的整個數據集，因為您發送的數據越多，成本就越高。
4.云平臺
云平臺是您的物聯網解決方案的支柱。如果您熟悉管理SaaS產品，那么您很清楚這里需要的一切。您的基礎架構將作為這些關鍵領域的平臺：數據收集和管理，您的智能設備會將信息流式傳輸到云端。在定義解決方案的要求時，您需要很好地了解每天，每月和每年收集的數據類型和數量。物聯網應用的挑戰之一是它們可以生成大量數據。您需要確保定義可伸縮性參數，以便架構師可以從一開始就定義正確的數據管理解決方案。
Analytics（分析）
分析是任何物聯網解決方案的關鍵組件之一。通過分析，我指的是能夠處理數據，查找模式，執行預測，集成機器學習等的能力。它能夠從您的數據中找到洞察力，而不僅僅是數據，這使您的解決方案變得有價值。
云API，物聯網就是連接設備和共享數據。這通常通過在云級別或設備級別公開API來完成。云API允許您的客戶和合作伙伴與您的設備進行交互或交換數據。請記住，打開API不是技術決策，而是商業決策。物聯網產品需要為整體物聯網解決方案的愿景提供明確的方向，因此技術團隊可以確定正確的云架構。物聯網產品還需要通過構建與購買分析來評估云平臺開發的成本和復雜性。每個技術團隊的傾向是從頭開始構建完整的解決方案。但無論團隊是否有能力做到這一點，物聯網產品確定構建您的云平臺是否具有“商業意義”，不僅從開發角度來看，還要考慮總體擁有成本，維護和支持，這一點非常重要。，可靠性和上市時間。在許多情況下，利用現有的PaaS（平臺即服務）框架（如GE的Predix平臺或SAP的Hana）可能會更好。物聯網行業很年輕，但我們已經看到一些巨型軟件開發者開始進入這個領域。
對于我們的風力渦輪機監控器，讓我們考慮一下我們需要存儲多少數據。來自一臺渦輪機的數據可能看起來不是很多。但多年來，它會加起來。另外請記住，您的云平臺需要支持來自數千個風力渦輪機的數據。隨著時間的推移，這將是一個龐大的數據量，因此我們的云基礎架構需要允許靈活存儲和處理這些數據。此外，您的云分析需要實時處理傳入數據，檢測趨勢并能夠預測渦輪機何時需要服務。您還需要打開一個API，將此信息顯示到您的應用程序層，我們將在下面討論。
5.云應用程序
這是產品團隊和管理人員最容易理解的堆棧的一部分。您的最終用戶應用程序是您的客戶將看到并與之交互的系統的一部分。這些應用程序很可能是基于Web的，根據您的用戶需求，您可能需要針對臺式機，移動設備甚至可穿戴設備的單獨應用程序。
即使您的智能設備有自己的顯示器，您的客戶也很可能使用云應用程序作為與您的解決方案交互的主要點。這使他們可以隨時隨地訪問您的智能設備，這是連接設備的一部分。
物聯網產品必須了解您的用戶以及您產品的“要完成的工作”。在設計最終用戶應用程序時，了解誰是您的用戶以及使用您的產品的主要目標非常重要。請記住，對于Industrial IoT應用程序，您可能擁有多個用戶。應用程序還可以分為面向客戶的應用程序和內部應用程序。面向客戶的應用程序通常受到最多的關注，但在物聯網的情況下，內部應用程序同樣重要。其中包括遠程配置和排除設備故障的應用程序，監控設備機組的運行狀況，報告性能和預測性維護等。這些內部應用程序需要深入了解您的外部和內部客戶，并需要正確的優先級和資源，以確保它們不會陷入困境。它們是物聯網解決方案的關鍵組成部分，因此產品有責任確保它們完成。
對于我們的風力渦輪機監視器，一種可能的應用是由在中央控制室工作的風電場操作員使用的web應用程序。該應用程序顯示他們管理的數千臺渦輪機的信息和趨勢，并在特定渦輪機需要維修時發出警報。操作員可以實時獲取此信息并派遣服務團隊執行預防性維護，避免昂貴的維修和服務中斷。
隨著物聯網的不斷發展，世界將需要一支物聯網精明的產品大軍。那些物聯網產品需要了解堆棧的每一層，以及它們如何組合成一個完整的物聯網解決方案。物聯網產品需要在每一層制定戰略業務和技術決策，以確保其產品的成功。

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