物联网核心技术(什么是物联网技术)

 

我的高光时刻

物联网概念最早于 1999 年由美国 MIT 提出，2013 年前后物联网在国内萌芽并开始迅猛发展，时至今日，大家对物联网领域概念性内容有了一定认知。

本次分享我们聚焦在物联网的现状和关键技术两方面，过程中包涵了一些问题与思考。

物联网的发展过程大致分为两个阶段，消费互联网带动产业互联网，再进化到物联网。

共享单车、智能电表、智能家居等都是物联网领域的典型案例，车联网、自动驾驶、智能工业等诸多场景，蕴含着巨大潜力。

那么物联网是怎么实现的呢？如下图是典型架构之一，四层架构：

由感知、网络、平台和应用这四层组成的架构是物联网典型架构之一，目前诸多物联网场景均按照这个架构进行布设，如智慧垃圾桶、智慧井盖、智慧城市等。

感知层：物联网设备端，一般由单片机作为主控，用来承载企业的业务逻辑，外接传感器，作用是数据采集。

网络层：网络层用于接入和传输数据，通常分为两大类，一类是蜂窝网络，如 4G Cat1、NB-IoT；另一类是非蜂窝网络，如 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、LoRa。

两者的区别是，蜂窝网络直接通过核心网直接连入 Internet，非蜂窝网络则需要一个网关。

网关会有专门企业进行研发，一端能够通过 4G、5G 能上网，另一端能够通过 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、LoRa 去连接很多设备。

平台层：划分为连接管理平台和业务使能平台，解决业务规划、安全、维护，以及数据如何存储、检索、使用等内容。

应用层：用于应用的部署，面向具体的业务，作用是数据呈现及客户交互。

另一种是自组网式的局域网架构，这种物联网场景不需要服务器，设备之间就可以实现互联。

如下图，这种架构的典型案例：HarmonyOS 以手机为核心，构建的 1+8+N 全场景应用。

物联网的应用现状

我们选择比较热的智能家居与消费物联网、智慧城市与公共事业物联网、智慧城市与数字孪生、车联网与智能汽车这四大方向来谈谈物联网的应用现状。

①智能家居与消费物联网

消费物联网领域最典型的场景就是智能家居，于国内华为、小米在智能家居领域市场份额占比相对较多，华为的 Hilink、HarmonyOS，小米的米粉卡，频繁出现在我们的工作和生活中。

②智慧城市与公共事业物联网

互联网小常识：电子邮件系统使用的协议主要有：简单邮件传送协议（SMTP,端口25）；邮局协议第三版（POP3，端口110）；Internet消息访问协议版本4(IMAP4，端口143)，可以用telnet IP port的方法测试服务是否正常。

公共事业物联网最典型的场景就是智慧城市，包涵智慧停车、智慧垃圾桶、城市噪音污染监测、井盖监测等。

③智慧城市与数字孪生

智慧城市中有个概念叫做数字孪生，如下图如，是两者之间的关系：

什么是数字孪生呢？就是在整个城市实物的基础之上，通过物联网的传感器采集必要数据，并对这些数据进行建模，之后把模型放到云端运行，形成一个数字化的城市模型，于我们的城市一一对应。

④车联网与智能汽车

车联网早期就是把车连接起来，通过调度系统进行通信，之后扩展了广告屏，也有安装实时监控。

现在的车联网大多是指自动驾驶，自动驾驶场景一般采用 V2X（自组网式的局域网）架构，与路基设施，人，其他车辆通过特定协议进行互动。

车联网领域涉及的内容很多，如 OTA、SOA、TBox 和智能座舱的预控制器等。

物联网设备开发核心技术

物联网涉及的技术非常繁多，本次直播主要分享物联网设备端的八大核心技术：

单片机软硬件开发传感器技术网络通信编程网络协议栈云平台对接低功耗技术RTOS网络安全技术

①单片机软硬件开发

物联网设备开发，核心技能是单片机的软硬件开发，大致包涵单片机硬件电路设计、射频及天线部分硬件设计、单片机软件编程、I2C/SPI/UART 等通信总线编程、AD 转换软硬件生产部署与测试等核心开发，以及结构、散热、光学、机加工等配套开发。

互联网小常识：Internet将路由选择协议分为两大类：内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP）。目前内部网关协议主要有RIP(路由信息协议Routing Information Protocol)和OSPF（开放式最短路径优先协议，Opening Shortest Path First），外部网关协议主要是边界网关协议（BGP，Border Gateway Protocol）。

②传感器技术

传感器技术，学习门槛相对较低，因为大多以数字传感器为主，都有数字接口，如温湿度传感器、烟感探头（烟雾传感器）、9 轴传感器（动力加速度、陀螺仪、地磁）、GNSS（GPS/Beidou/Glonass）等。

也有一些传感器是模拟的，需要用AD转换才行，比如电压检测、压力传感器等。

③网络通信编程

网络通信编程和互联网通信相关，首先要懂网络编程基础知识，对基本原理有一定了解，这样在学习新模块时，才能比较快速的掌握到核心精髓。

当前，物联网模块编程会采用 AT 指令，也会直接用 socket 编程接口。设备之间相互链接采用应用层协议，如 HTTP、MQTT，也可以使用更底层的传输层协议 TCP、UDP。

④网络协议栈

CoAP 与 MQTT 是物联网常用协议，COAP 可以理解为 HTTP 针对物联网的移植版本，采用 UDP 而不是 TCP 是为了节约建立连接的开销，数据包头采用的是二进制而不是文本编码，发送和接收可以异步进行。

MQTT 采用发布/订阅模式，进行云端管理主题，负责消息的转发，采用二进制编码方式，各终端通过 TCP 连接到云端。

对于安全要求比较高的领域，如国防、民航、工业控制领域，采用实时数据通信协议 DDS。

⑤云平台对接

对于单片机开发的老工程师来说，是新知识点，一般成熟云平台会提供接口，设备端按照指令流程进行对接，于设备端上下行进行数据编程，云平台对接协议编程实现，在到云端进行开发（譬如华为 OC 平台的 profile 和编解码插件）。

⑥低功耗技术

物联网场景中移动设备居多，供电方式为电池，所以低功耗是必须考虑的问题。

那么要如何实现低功耗呢？对于 MCU 部分，尽量选择低功耗、唤醒时间短的 MCU，适当降低系统工作频率，进入睡眠前，关掉内部所有外设。

如对晶振精度要求不高，尽量选用内部晶振，同时降低工作电压（不同的工作电压功耗不同）和降低工作温度。

对于外设部分，选择合适的供电方式，采用 LDO 供电或 DCDC 供电要权衡，选择低泄漏电流器件（MOS 管和电容等），选择低功耗的开关切换电路，切换外部模块，以及降低系统工作电压（根据伏安特性电压越高漏流越大）。

⑦RTOS

RTOS 是物联网设备端技术精华，当前很多单片机工程师都集中在学习 RTOS，当前也有很多热门的 RTOS，如华为 LiteOS、阿里 AliOS、RT-Thread、freeRTOS、uCOS2/uCOS3 和 ARM mbed/RTX 等。

那么，这么多 RTOS 在做项目时要如何选择呢？其实就考察其的配套组件和生态完善程度即可。

⑧网络安全技术

物联网产品，非常注重网络安全，在这方面防护方式有很多，如身份验证授权、入侵检测、冗余机制、异常行为检测、白盒密码（抵抗白盒攻击环境下的攻击）、FOTA 与区块链等。

学习物联网的建议

物联网的学习建议总结如下：

①物联网并非单一技术，而是多项技术的组合：学习物联网的时候，首先要了解物联网的整体架构，确定学习物联网的设备开发，还是云端开发。

其次，选定一个行业深耕，毕竟车联网与农业物联网行业差别很大，涉及的技术也大相径庭。

②注重基础知识和核心技能，不着急做项目：当前，很多开发者是这个状态，物联网不是通过短暂学习，就能做出项目的。

成型的物联网项目门槛较高，周期长，也一定会用到细分行业里的基础知识。所以，非常不推荐过早考虑做项目，先把基础知识和核心技能掌握扎实为宜。

③注意更新知识体系，不要读死书：这点对于老工程来说，注意更新知识体系，尤为重要。因为物联网正处于持续不断的发展当中，每天都在发生变化，不断融入更多领域的高新科技。

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互联网小常识：常用的无线局域网标准主要包括：蓝牙标准、HiperLAN标准和IEEE802.11标准。

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