物联网技术栈之网关技术
时间：2023-03-02 08:00:00
物联网技术栈
与传统企业在互联网上的应用相比，物联网的技术栈更加广泛和复杂。物联网大致可以分为以下几类 6 组技术栈：
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物联网网关
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M2M/IoT 通信服务
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大数据和流程管理
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用户交互
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平台和赋能
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安全
每组技术栈的深度都很陡，可以单独作为一门学科进行研究和讨论。在这里，我们只做一个关键技术的概述，介绍它们与其他概念的关系，从而为项目经理、产品经理和解决方案架构师提供不同技术的概述，以便他们能够更好地何时使用（不使用）这些技术（取决于具体项目）。
本文主要介绍物联网网关相关技术。
物联网网关
一. 概念
在物联网解决方案中，网关是一个至关重要的技术节点。网关可以想象成一台特殊的计算机，通常部署在资产上或靠近资产上。网关提供与不同设备、互联网或企业网络的连接。
此外，网关通常运行本地逻辑，包括简单的路由逻辑和复杂的数据收集和过滤，甚至非常复杂的自动化、分析和规则引擎逻辑，这取决于具体的解决方案。
以物联网网关为中心的架构有很多优点：
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协议映射和本地互联可以通过使用网关更容易地集成多个异构设备。
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网关支持更丰富的应用。
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本地业务逻辑支持实时操作，有助于减少响应时间。
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网关有助于实现一定程度的自主性，保证稳定性和容错性（例如，设备间局域网可以支持设备的可用性）。
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本地数据分析和过滤有助于减少网络流量。
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网关可部署本地安全方案，提高整个解决方案的安全性。
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解耦网关功能和硬件本身的逻辑和云逻辑，有利于方案的可扩展性。
这一概念主要围绕资产硬件端展开，但由于这是一个非常广泛的领域，很少有标准被广泛接受或结合物联网资产结构从常常见的应用场景，推断出几种常见的网关模型。
二. 物联网网关模型
物联网电器
支持 IP 智能自包含电器，如智能冰箱、智能空气净化器、智能电动工具等。这种物联网电器可以直接集成到任何一种 IP 在网络中，通常不依赖特定的外部网关。
智能手机和可穿戴设备
通过移动运营商网络提供互联智能手机或可穿戴设备（在这里，资产可以抽象成一个人，这也是物联网建模的关键，后期分析物联网模型），也可以提供当地处理能力和与附近可穿戴设备网络的无线互联。
工业与家用网关及传感器网络
这些网关提供与后端无线或固定线路的连接。它们还可以提供本地集成逻辑（如绑定适配器）和与本地设备的无线或有线连接。本地设备可以是家用电器（智能家居网关）或传感器（传感器网络）
雾计算
雾计算是思科发明的一种技术，是基于网关概念的扩展，在这里增加了大量的本地存储和计算功能。（关于雾计算和边缘计算的概念，请参考另一篇文章《完全理解雾计算和边缘计算》）
边缘计算
与雾计算相比，边缘计算进一步促进了雾计算中局域网处理能力的概念，即资产硬件更近。边缘计算直接将边缘网关或设备的智能、处理能力和通信操作驱动到设备本身，如 PACs(可编程自动化控制器)。
当前使用的 IoT 网关有很多不同的类型，但它们有几个共同的特点，如有线/无线互联、计算和存储、后端互联等。
下图摘自国外 Wyconn 公司总结的 IoT 网关类型矩阵。
这个矩阵感觉总结得很好，老任吐血把他翻译成中文
让我们逐一分析物联网网关的几个关键共同特征。
三. 物联网网关特点
1. 计算和存储
硬件
每一代芯片都越来越小，但功能越来越强大，成本越来越低。不用说，智能手机现在只能以最低的成本获得极其强大的单片机，如覆盆子派(Raspberry Pi)。(但如果批量商用化产品还是比较贵的，一般会用更便宜的单片机定制开发后批量生产)。
物联网网关硬件架构分为两大类 CPU 架构：基于 ARM 的 CPU，基于中低端网关； x86 的 CPU，用于中高端网关。
软件
如今，越来越多的传导嵌入式系统被更高层次的系统所取代，如基于 Linux 对于上述平台，覆盆子派可以轻松刷入各种先进的操作系统。这是因为人们需要更丰富的解决方案，这需要更丰富的底层操作系统功能（如通信、过程管理等）。下图总结了网关层常用的底层操作系统。
很多人肯定会想到华为的鸿蒙操作系统。他属于哪种类型？简单来说，鸿蒙属于微内核架构，但可以像拼积木一样按需扩展成不同类型的操作系统，适用于几乎所有物联网场景。以后有时间详细说说它的架构体系。
2. 本地区域互联
许多网关都有这一关键特点，支持与设备或传感器节点的本地无线连接，标准和技术复杂多样。短距离无线通信技术通常用于实现。对于这一特点，关键因素包括：距离/范围、带宽和延迟、功耗和成本。
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NFC/RFID：功耗低，但距离很短。用于支付、物流仓储等场景。
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超宽带(UWB)：系统复杂性低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高，特别适用于室内密集多径场所的高速无线接入。
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Wi-Fi：得到广泛采用，数据传输速率高，不过也存在高功耗和基础设施需求相对复杂等问题。
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蓝牙(Bluetooth)：该技术可能拥有最大的生态系统（智能手机、平板电脑等）。其特点是功耗低、范围大、数据速率适中
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Zigbee：强调低功耗、智能仪表、家居自动化、传感器网络、远程控制单元等，对电池供电设备尤为有用。
下图是短距离无线通信技术的常用特点：
3. 互联广域网络
为了使网关与远程后端集成，网关通常依赖于注入卫星通信和运营商网络（2）G、3G、4G、5G)、低功耗广域网(LPWA)、固定线路、电力线通信等技术。 IoT 后续文章将详细分析通信服务技术栈的类别。下图是常用互联网广域网技术特点的比较。
根据能耗、成本、覆盖范围等因素，所有通信技术都会形成雷达区。
四. 总结
物联网网关是设备端的大脑，根据应用场景大致可分为：物联网电器、可穿戴设备、工业及家用网关、雾计算、边缘计算几种类型。即使不同类型的网关有几个共同特征:计算、存储、本地局域网、互联网广域网。可根据项目的具体要求进行选择和设计。
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