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不过，物联网和传统的机器间通信还是略有不同的。物联网的目标是将所有能够与用户互动的设备（物）都连接在一起，包括通常不联网的设备，实现万物互联。第二个不同之处是，物联网打算沿用现有的基于IP的网络，建立一个全球规模的物联网，而这一代机器间通信威廉希尔官方网站
则是建立专用通信网络基础设施。物联网接入互联网的概念可提高物联网延伸距离，同时也使物联网威廉希尔官方网站
面临一些独特的挑战。其中一个挑战是，受限于系统内存、数据存储容量和计算能力，很多物联网节点无法直接连接基于IP的网络。IoT网关可以填补这块空白，在基于IP的公共网络与本地物联网之间架起一座网络桥梁，同时还能提供数据安全、存储和处理服务，尽可能地提高物联网节点终端设备的成本效益和能效。此外，网关还能让网内设备使用不同的通信威廉希尔官方网站
相互对话。不幸地是，影响设计的不确定因素太多，设计一个面向未来的IoT网关是一项十分艰巨的任务。物联网市场碎片化严重，厂商数以万计，缺少统一的标准。目前有关物联网的威廉希尔官方网站
规范过多，每家科技企业都各自为阵，只推广自有威廉希尔官方网站
。本文旨在于概述目前市场所有的可用威廉希尔官方网站
，不深入介绍厂商的具体通信协议。
IoT网关的设计挑战 节点连接: 将网关连接到物联网节点，需要选用一种近距离射频(RF)通信威廉希尔官方网站 。选择射频威廉希尔官方网站 时需要比较各种参数，例如频带、调制方法、信道数量、数据速率、延迟、稳健性等。此外，还要考虑本地行业法规的相关规定。如果是节点类型相同的同构网络，射频威廉希尔官方网站 选择就比较容易。相反，如果网内有多种不同的节点，有不同的需求，射频选择就会复杂很多。 后台连接: IoT网关与节点的连接可以使用近距离射频威廉希尔官方网站 ，而网关与互联网的连接则需要远距离通信威廉希尔官方网站 。选择这项威廉希尔官方网站 时需要考虑带宽需求和本地现有可用的连接威廉希尔官方网站 ，还要考虑是否是关键应用。因为每个地区的网络连接威廉希尔官方网站 都不尽相同，所以准备多个后台连接方法是一个不错的主意。 管理服务器: 物联网节点作为独立的实体，通常不接受网络设备（通过网关）的访问请求。较为普遍做法是通过中央服务器管理网络节点，同时IoT网关为服务器提供通信支持，因此，我们需要选择网关与管理服务器之间的通信协议。 本地智能: 在真云架构中，节点将全部数据发送到云端进行处理和控制。不过，这种设定并不是很理想，因为毫无价值的数据也会发到云服务器，导致带宽浪费、服务器负荷增加，甚至连接断开时还会丢失数据。边缘计算概念解决了这个问题。如果IoT网关在本地承担大部分决策工作，只向云端发送过虑后的有价值的数据，系统运行将会变得更加高效。出于灵活性考虑，网关决策逻辑可以由服务器设定。本地智能程度和类型取决于实际应用，如果会影响网关设计决策，应给予深度考虑。 需要考虑的功率因素: 网关电源也会影响我们的设计定案。因为广泛用于物联网设备，所以传感器网络应尽可能从环境中汲取能量。 数据安全: 这是决定大规模物联网能成败的关键要素。随着网络成更多应用(某些应用实际上是关键应用)的重要组成部分，数据安全变得更加重要。安全问题应落实到每一个设计阶段，而在设计任务全部完成后再增加安全功能的做法是错误的。 可维护: 这是一个经常被忽视的需求。历史经验告诉我们，没有系统是完美无缺的。不管部署前做过多少测试，部署后还会发现安全缺陷、隐患和漏洞。IoT网关和节点必须支持现场维护和更新功能。设备维护不应只依赖远程维护，还应有更多的联网方法可选。 下面我们详细讨论现有联网威廉希尔官方网站 ，以及每种连接威廉希尔官方网站 可用于哪些场景。 |
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节点连接威廉希尔官方网站
目前，蓝牙、Wi-Fi、NFC、ZigBee是大家非常熟悉的无线通信威廉希尔官方网站 。此外，新兴联网威廉希尔官方网站 ，例如Sub GHz、Thread、ANT、Z-Wave，可直接用于智能家居、智慧城市、智能照明和智能表计。 根据实际应用情况，功耗、数据速率、工作频率、电池续航能力是决定选择哪一种或一些联网威廉希尔官方网站 的主要因素。本文后面的表1比较了当今主要无线通信威廉希尔官方网站 的特性。 后台连接: 网关与管理服务器(后台)的连接需要选择回程连接威廉希尔官方网站 以及通信协议。回程连接是IoT网关到ISP互联网服务提供商端点之间的远距离连接。2G/3G/LTE等移动通信威廉希尔官方网站 是当前最热的回程链路威廉希尔官方网站 。此外，智能路灯等应用还可以使用电力线通信(PLC)威廉希尔官方网站 。高带宽应用可以选用光纤通信威廉希尔官方网站 。没有被移动网络覆盖的边远地区，可以选用卫星通信或微波点对点连接威廉希尔官方网站 。 通信协议 有很多通信协议可用于IoT网关与云服务器之间的通信。这里我们讨论一些比较热门的威廉希尔官方网站 及其优缺点。 Plain HTTP: 这是目前普及度最高的网络协议，被服务器厂商广泛接受，得到互联网标准的支持，兼容性问题最少，无缝支持RESTful API。不过，这项威廉希尔官方网站 的缺点是开销太大，体现在HTTP报头和基于文本的格式方面。Plain HTTP虽然运行在TCP之上，但还是一种无状态协议，不适合即时通信应用。客户端必须发送一个请求信号，才能收到服务器的应答（命令）。为收到服务器的更新信息，客户端必须不断地轮询服务器。 CoAP: 资源受限型应用协议，可以认为是二进制版的HTTP，对HTTP协议的一些局限性做了改进，拥有非常准确的报头，支持二进制数据格式，因此降低了开销；可运行在TCP或其它传输层甚至SMS之上。CoAP数据包很容易转换成HTTP包。不过，因为缺乏对互联网基础设施的支持，此威廉希尔官方网站 不能很好地兼容防火墙、代理服务器和路由器。因此，这项协议通常只适用于传感器网络内的私有网络。 Web sockets: 这是一个互联网标准支持的新的网络协议，采用与HTTP相同的寻址和握手方法，兼容现有网络基础设施。在完成握手对话后，立即转换成TCP之上的双工通信，适合即时双向通信，特别适合主机共享的虚拟主机环境和代理服务器后面的网关。 MQTT: 也是一个深受市场欢迎的运行在TCP层之上（可选）的网络协议，有一个主题订阅模式，更适合向相关网关广播信息，同时还适用于网关与服务器通信，具有一些适合物联网应用的功能，例如，最后一条消息永久存在和遗嘱消息。 AMQP: 这或许是最适合网关与服务器通信的网络协议。该协议的作用相当于一个存储队列，即便临时断网，也确保数据包不会丢失。 XMPP: 可扩展消息处理与现场协议，是聊天客户端广泛使用的即时通信协议，对很多功能进行了标准化，例如，用户验证和消息ID。不过，因为威廉希尔官方网站 规范十分复杂，数据交换采用冗长的XML格式，所以不适合物联网应用。 图 1: 意法半导体的无线网桥解决方案 |
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IoT网关平台架构
这里介绍一个我们自主开发的灵活可变的传感器数据监控设计方案。传感器数据监控是一种普通应用，对安全或可靠性没有特殊的要求。 无线网桥IoT网关: 无线网桥是基于STM32的IoT网关平台方案，提供多种不同的通信连接威廉希尔官方网站 ，如图1所示。通信系统由蓝牙、Wi-Fi、Sub-GHz和NFC近距离通信组成。每种通信威廉希尔官方网站 都有自身的优势。Wi-Fi用于在网关平台与云端平台之间传输物或节点数据，蓝牙用于网关平台与安卓应用程序之间交换物或节点数据，而Sub-GHz威廉希尔官方网站 用于在网关平台与物或节点之间传送数据。在无线网桥平台上，蓝牙、Wi-Fi和Sub-GHz模块通过UART线与STM32通信，而NFC收发器通过SPI线与STM32通信，如何确保STM32微控制器与不同的通信设备配合而不会延迟，高效处理所有请求，是这个平台设计的一大挑战。这个网关平台架构可以帮助我们利用不同的通信威廉希尔官方网站 满足不同的用例需求。我们在这个网关方案上增加一个应用层，充当云应用与物之间的网络桥梁。这个6LoWPAN网络的操作系统是Contiki OS。手机应用软件通过蓝牙接口与网关通信。 主要通信元件 Sub-GHz模块: 网关通过SPIRIT1Sub-GHz模块与6LoWPAN网络中的“物”通信。SPIRIT1模块是超低功耗的高集成度射频模块，支持868 MHz / 915 Mhz ISM双频工作。该模块基于SPIRIT1 RF sub-GHz收发器(内置SMPS电源)、STM32L1微控制器、内部滤波器/平衡不平衡转换器芯片天线。UART主机接口可通过一个标准固件库直接连接外部微控制器，利用点对点通信和AT命令简化射频配置、数据传输接收。 Wi-Fi模块: Wi-Fi模块将无线网桥网关连接到云端应用。SPWF01Sx智能Wi-Fi模块是一款独立的即插即用的802.11 b/g/n解决方案，内置功率放大器和32位STM32微控制器。模块还集成时钟芯片和稳压器。 近距离通信: 该网关平台将CR95HF收发器用作NFC读写设备，与“物”上的NFC无源标签通信，配置设备。CR95HF是13.56-MHz多协议非接触式收发器。 蓝牙模块: SPBT2632Cxx蓝牙模块是一个小尺寸的功能完成的射频平台，适用于家庭自动化设备与蓝牙设备和手机之间的数据传输。 物架构 在本解决方案中，物基于多传感器-RF平台，共有两个组件(STEVAL-IDI002V2和STEVAL-IDI003V2)。STEVAL-IDI002V2是主板，集成了STM32L1 Cotex-M3微控制器、双接口EEPROM和Sub Ghz通信接口。STM32L1运行基于Contiki3x的6LoWPAN协议栈。选择这款微控制器是考虑到超低功耗的要求。双接口EEPROM使多传感器射频平台能够存储传感器送来的数据，让用户可以选择在NFC手机上查看数据。 STEVAL-IDI003V2电路板集成多个传感器，例如MEMS加速度传感器、MEMS压力传感器、MEMS湿度传感器、MEMS麦克风和光传感器。给整个系统供电的是一枚锂电池。 图 2: 射频传感器节点(物) 在6LoWPAN网络内，多传感器射频平台是‘物’，无线网桥（网关）上的Sub-GHz射频模块是根节点。传感器节点读取传感器数据，并通过6LoWPAN网络将其发送到根节点。传感器节点还有GPIO端口，用于控制致动器。 IoT网关提供本地和远程连接选项，以访问传感器数据和节点上的致动器(图4) Web访问: 远程用户可以使用管理服务器提供的Web界面查看传感器数据，向致动器发送命令。 安卓应用软件: 本地用户可以用蓝牙手机访问节点。在完成手机与无线网桥平台配对后，手机应用软件可以使用节点的功能。 NFC支持: 无线网桥支持NFC读写功能。这个通信功能可用于配置节点(射频信道等)和网关(Wi-Fi和蓝牙设置等)。 管理服务器应用设计 我们还设计了一个叫做ST Cloud Bridge的云端应用，在内置传感器/致动器的“物”或节点与终端用户之间搭起一座互动桥梁。图3是该云端应用的框图。物或节点将数据上传到ST CloudBridge云应用，然后获取命令和配置信息。终端用户可以监视传感器数据流，针对各种情况设置提醒通知。该平台还能开通、控制和配置节点。Cloud Bridge云应用主要由两个部件组成：设备模块和web模块。设备模块与传感器/致动器节点互动，而web模块处理用户所用的web客户端和移动客户端。这两个模块通过共享物体或云端服务总线交互操作，该解决方案运行在Azure网站平台上，提供数据安全功能，只与注册过的节点交互，所以数据完整性不会受到影响。该云应用准许“物”通过网关使用基于REST的标准API。 对于物联网管理应用来说，支持多个协议十分重要。我们必须有设备管理模块、监视模块、上报模块和开通模块。 考虑到物联网应用固有的负载易变性，IaaS是企业托管云应用的首选方式。现在很多云服务提供商开始提供物联网专用服务，使物联网应用的开发维护变得更加方便快捷。 图3: 节点管理云应用 |
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物联网应用
家庭自动化 智能家居：这些应用让用户能够远程监控安防设备和家电，还可以提高能源使用效率，例如，当用户外出时，自动关闭家电电源。 智慧城市: 智能路灯: 通过监视环境光和交通流量等参数，市政管理者可以控制路灯亮度和开关灯时间，节省大量电能。如果路灯出现故障，系统会立即报修，降低意外事故风险或犯罪率。 智能表计: 无线连接的表计可实现远程抄表和一些应用，例如，阶梯式电价和双向计量电能表。智能电表还能侦测并上报盗电、电路漏电等事件。 智能停车场: 基于接近检测传感器的智能停车场是另一种物联网应用，能够为驾驶员提前发送空车位信息，避免交通拥堵问题，使按停车时间收费的计价也更加准确。 智慧农业：通过对湿度和营养进行精确监视，系统可提示浇灌和施肥时间，从而节省水和化肥成本，同时大幅提高产量。实践证明，当与天气预报配合使用时，该系统可让农民切实受益。 健康 这是即将到来的物联网应用，将会给终端用户的健康护理带来革命性变化。各种穿戴传感器收集病患的体温、血压等重要生理参数，然后通过IoT网关发送到病患线上健康档案，为用户建立一个准确的生理参数档案。对于医护专业人士来说，与病患病健康史相关的数据是一个有效的诊断工具，可以实时分析这些数据，在紧急情况下，可以快速行动，立即抢救病患。 工业 在监视和优化工业生产过程方面，物联网同样可以发挥重要作用。低功耗传感器节点的问世在工业自动化领域开辟一条新的途径。低功耗传感器节点在以前还是一个不小的挑战，除用于工业自动化应用领域外，还能进入对人类有害或不能进入的危险环境替代人类工作。 结论 我们提出了一个能够连接6LoWPAN网络中的“物”且支持手机和云应用的通用IoT网关平台方案。“物”所连接的网关是IPv6网络中的IoT无线网关。该系统解决方案可以定制，以适用于不同的用例。高品质开源网格网络协议的出现，例如，Contiki，有助于物联网加快进入消费领域。对于所有的物联网应用，安全性依然是一个充满挑战的问题，这无需言明。虽然现有安全威廉希尔官方网站 还能撑住，但是，随着物联网不断普及，我们将会发现更多安全挑战。业界依然在努力寻找更好的低成本/低功耗的解决方案，建立一个安全的物联网。半导体制程进步、成本降低、更好的电源管理威廉希尔官方网站 以及能源回收威廉希尔官方网站 将会为物联网世界打开另一扇大门。 威廉希尔官方网站 标准 波段 距离 功率 数据速率 物联网应用 蓝牙 Bluetooth 4.x规范 2.4 GHz 中 50-150m (智能) 中 低(蓝牙) 中 1Mbps 穿戴设备 传感器节点 物联网应用 Wi-Fi 802.11b/g/n/ac 2.4 / 5 GHz 中 50m 高 高 500Mbps-1Gbps 网络摄像头 网关设备 NFC ISO/IEC 18000-3 13.56MHz 小 10cm 低 低 100–420kbps 接入管理 蓝牙/Wi-Fi配对 电子票 支付 Sub GHz 802.15.4 6LowPAN 868 MHz / 915MHz 大 低 低 500kbp 智能路灯: 能源表计 智能楼宇 Zigbee 802.15.4 2.4GHz 10-100m 低 低 250kbp 智能路灯智能楼宇 Z-Wave ITU-T G.9959 900MHz 30m 低 9.6/40/100kbit/s 家庭自动化 Thread 802.15.4 and 6LowPAN 2.4GHz 无 低 250kbp 家庭自动化 表 1 : 无线通信威廉希尔官方网站 比较 图 4: IoT网关接口 |
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只有小组成员才能发言，加入小组>>
如何使用STM32+nrf24l01架构把有线USB设备无线化？
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请问能利用51单片机和nRF24L01模块实现实时语音无线传输吗？
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为什么ucosii上移植lwip后系统进入了HardFault_Handler？
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请教各位大咖：有没有接收频率32M左右的芯片推荐的？先感谢啦！
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